วิธีการจัดเรียงไฟ LED และการทำงาน

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เปล่งแสงใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับระบบไฟส่องสว่างและเป็นตัวชี้วัดของกระแสไฟฟ้า พวกเขาเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานภายใต้แรงดันไฟฟ้าที่ใช้

เนื่องจากค่าของมันไม่มีนัยสำคัญแหล่งดังกล่าวเป็นอุปกรณ์แรงดันต่ำจึงมีระดับความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับผลกระทบของกระแสไฟฟ้าในร่างกายมนุษย์ ความเสี่ยงของการบาดเจ็บเพิ่มขึ้นเมื่อแหล่งที่มาของแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นตัวอย่างเช่นเครือข่ายภายในบ้านที่ใช้ในบ้านซึ่งต้องมีการรวมของแหล่งจ่ายไฟพิเศษในวงจร

คุณสมบัติที่โดดเด่นของการออกแบบของ LED คือความแข็งแรงเชิงกลของตัวเรือนสูงกว่าของ Illich และหลอดฟลูออเรสเซนต์ ด้วยการดำเนินการที่เหมาะสมพวกเขาทำงานได้นานและเชื่อถือได้ ทรัพยากรของพวกเขาสูงกว่าไส้หลอดถึง 100 เท่าถึงหนึ่งแสนชั่วโมง

อย่างไรก็ตามตัวบ่งชี้นี้เป็นคุณสมบัติสำหรับการออกแบบตัวบ่งชี้ แหล่งพลังงานสูงใช้กระแสไฟสูงในการให้แสงและอายุการใช้งานจะลดลง 2-5 เท่า

อุปกรณ์ LED

LED แสดงสถานะทั่วไปทำในเคสอีพ็อกซี่ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 มม. และหน้าสัมผัสสองตัวสำหรับเชื่อมต่อกับวงจรกระแสไฟฟ้า: ขั้วบวกและแคโทด. สายตายาวแตกต่างกัน สำหรับอุปกรณ์ใหม่ที่ไม่มีหน้าสัมผัสตัดแคโทดจะสั้นลง

กฎง่าย ๆ ช่วยให้จดจำตำแหน่งนี้: คำทั้งสองเริ่มต้นด้วยตัวอักษร“ K”:

• แคโทด;

• ในระยะสั้น

เมื่อขาของ LED ถูกตัดออกสามารถกำหนดขั้วบวกได้โดยใช้แรงดันไฟฟ้า 1.5 โวลต์จากแบตเตอรี่นิ้วธรรมดาไปยังหน้าสัมผัส: แสงจะปรากฏขึ้นเมื่อขั้วตรง

เปล่งแสงผลึกเดี่ยวที่ใช้งานของเซมิคอนดักเตอร์มีรูปแบบของการขนานสี่เหลี่ยมจัตุรัส มันวางอยู่ใกล้กับแผ่นสะท้อนแสงพาราโบลาทำจากอลูมิเนียมและติดตั้งบนพื้นผิวที่มีคุณสมบัติไม่นำไฟฟ้า

ในตอนท้ายของกล่องใสแบบใสที่ทำจากวัสดุโพลีเมอร์จะมีลำแสงที่มุ่งเน้นไปที่แสง มันรวมกับตัวสะท้อนแสงก่อตัวเป็นระบบออพติคอลที่สร้างมุมของฟลักซ์การแผ่รังสี มันโดดเด่นด้วยรูปแบบทิศทางของ LED

มันเป็นลักษณะการเบี่ยงเบนของแสงจากแกนเรขาคณิตของโครงสร้างโดยรวมไปถึงด้านข้างซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของการกระเจิง ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากการปรากฏตัวของการละเมิดเทคโนโลยีขนาดเล็กในระหว่างการผลิตเช่นเดียวกับอายุของวัสดุแสงในระหว่างการดำเนินการและปัจจัยอื่น ๆ

เข็มขัดอลูมิเนียมหรือทองเหลืองสามารถอยู่ที่ด้านล่างของเคสทำหน้าที่เป็นหม้อน้ำเพื่อกำจัดความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างทางเดินของกระแสไฟฟ้า

หลักการออกแบบนี้แพร่หลาย บนพื้นฐานของมันแหล่งกำเนิดแสงเซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ ยังถูกสร้างขึ้นโดยใช้องค์ประกอบโครงสร้างรูปแบบอื่น ๆ

หลักการปล่อยแสง

ชุมทางสารกึ่งตัวนำชนิด P-n เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าคงที่ตามขั้วของขั้ว

ภายในชั้นสัมผัสของสาร p- และ n-type ภายใต้การกระทำของมันการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและหลุมที่มีประจุลบจะเริ่มต้นขึ้นซึ่งมีเครื่องหมายประจุบวก อนุภาคเหล่านี้พุ่งตรงไปที่เสา

ในเลเยอร์การเปลี่ยนแปลงประจุจะรวมตัวอีกครั้ง อิเล็กตรอนผ่านจากวงนำไปสู่วงเวเลนซ์เอาชนะระดับแฟร์มี่

ด้วยเหตุนี้พลังงานส่วนหนึ่งจึงถูกปล่อยออกมาพร้อมกับการปล่อยคลื่นแสงของสเปกตรัมและความสว่างต่างๆ ความถี่คลื่นและการสร้างสีขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุผสมที่ผลิตขึ้น ทางแยก p-n.

สำหรับการแผ่รังสีของแสงภายในโซนแอคทีฟของเซมิคอนดักเตอร์จะต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขสองประการ:

1. พื้นที่ของเขตต้องห้ามในความกว้างในพื้นที่ใช้งานควรอยู่ใกล้กับพลังงานของควอนตัมที่ปล่อยออกมาภายในช่วงความถี่ที่มองเห็นได้ด้วยตามนุษย์

2. ความบริสุทธิ์ของวัสดุของคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์จะต้องสูงและจำนวนของข้อบกพร่องที่มีผลต่อกระบวนการรวมตัวกันใหม่เป็นไปได้น้อยที่สุด

ปัญหาทางเทคนิคที่ยากนี้แก้ไขได้หลายวิธี หนึ่งในนั้นคือการสร้างหลายชั้นของ p-n junctions เมื่อเกิดโครงสร้างที่ซับซ้อนขึ้น

ผลของอุณหภูมิ

เมื่อระดับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดเพิ่มขึ้นกระแสไฟฟ้าผ่านชั้นสารกึ่งตัวนำจะเพิ่มขึ้นและการเรืองแสงเพิ่มขึ้น: จำนวนประจุที่เพิ่มขึ้นต่อหน่วยเวลาเข้าสู่เขตการรวมตัวกันอีกครั้ง ในขณะเดียวกันองค์ประกอบที่มีกระแสไฟฟ้าจะถูกทำให้ร้อน ค่าของมันมีความสำคัญสำหรับวัสดุของตัวนำกระแสไฟฟ้าภายในและสารของจุดแยก pn อุณหภูมิที่มากเกินไปสามารถทำลายพวกมันทำลายมันได้

ภายในไฟ LED พลังงานของกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเข้าไปในแสงโดยตรงโดยไม่ต้องมีกระบวนการที่ไม่จำเป็น: ไม่เหมือนกับหลอดที่มีไส้หลอด ในกรณีนี้การสูญเสียพลังงานที่มีประโยชน์น้อยที่สุดเกิดขึ้นเนื่องจากความร้อนต่ำขององค์ประกอบนำไฟฟ้า

ด้วยเหตุนี้แหล่งที่มาเหล่านี้จึงมีประสิทธิภาพสูง แต่สามารถใช้งานได้เฉพาะที่ตัวโครงสร้างได้รับการป้องกันถูกบล็อกจากความร้อนภายนอก

คุณสมบัติของเอฟเฟกต์แสง

เมื่อรวมตัวกันอีกครั้งของหลุมและอิเล็กตรอนในองค์ประกอบต่าง ๆ ของสารแยก pn จะเกิดการปล่อยแสงที่ไม่เท่ากัน มันเป็นธรรมเนียมที่จะต้องอธิบายลักษณะโดยพารามิเตอร์ของควอนตัมผลผลิต - จำนวนควอนตัมแสงที่แยกออกมาสำหรับคู่ประจุที่รวมตัวกันใหม่

มันเกิดขึ้นและเกิดขึ้นที่สองระดับของ LED:

1. ภายในแยกสารกึ่งตัวนำตัวเอง - ภายใน

2. ในการออกแบบ LED ทั้งหมดโดยรวม - ภายนอก

ในระดับแรกผลผลิตควอนตัมของผลึกเดี่ยวที่ดำเนินการอย่างถูกต้องสามารถเข้าถึงค่าใกล้เคียง 100% แต่เพื่อให้มั่นใจว่าตัวบ่งชี้นี้จะต้องสร้างกระแสขนาดใหญ่และการกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ

ภายในแหล่งกำเนิดแสงในระดับที่สองส่วนของแสงกระจัดกระจายและถูกดูดซับโดยองค์ประกอบโครงสร้างซึ่งช่วยลดประสิทธิภาพการแผ่รังสีโดยรวม ค่าสูงสุดของผลผลิตควอนตัมน้อยกว่ามาก สำหรับ LED ที่เปล่งสเปกตรัมสีแดงจะมีค่าไม่เกิน 55% ในขณะที่สีน้ำเงินจะลดลงมากขึ้นถึง 35%

ประเภทของการส่งผ่านแสงสี

ไฟ LED ที่ทันสมัยปล่อย:

• สีเหลือง:

• สีเขียว

• สีแดง;

• ฟ้า;

• ฟ้า;

• แสงสีขาว

สีเหลืองสีเขียวสเปกตรัมสีเหลืองและสีแดง

ชุมทาง pn นั้นขึ้นอยู่กับแกลเลียมฟอสเฟตและอาร์เซไนด์ เทคโนโลยีนี้ถูกนำมาใช้ในช่วงปลายยุค 60 สำหรับตัวชี้วัดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และแผงควบคุมของอุปกรณ์การขนส่งป้ายโฆษณา

อุปกรณ์ส่องสว่างดังกล่าวเข้ามาทันแหล่งกำเนิดแสงหลักของหลอดไส้ในเวลานั้นและแซงในความน่าเชื่อถือทรัพยากรและความปลอดภัย

สเปกตรัมสีฟ้า

ตัวปล่อยของสีน้ำเงิน, น้ำเงิน - เขียว, และโดยเฉพาะสเปคตรัมสีขาวไม่ได้ยืมตัวเองไปสู่การปฏิบัติจริงเป็นเวลานานเนื่องจากความยากลำบากในการแก้ปัญหาที่ซับซ้อนของปัญหาทางเทคนิคที่สอง:

1. ขนาด จำกัด ของเขตต้องห้ามที่มีการรวมตัวกันอีกครั้ง

2. ความต้องการสูงสำหรับเนื้อหาของสิ่งสกปรก

สำหรับแต่ละขั้นตอนของการเพิ่มความสว่างของสเปกตรัมสีฟ้าจำเป็นต้องเพิ่มพลังงานควอนตั้มเนื่องจากการขยายตัวของความกว้างของเขตต้องห้าม

ปัญหาได้รับการแก้ไขโดยการรวมของซิลิคอนคาร์ไบด์ SiC หรือไนไตรด์ในสารเซมิคอนดักเตอร์ แต่การพัฒนาของกลุ่มแรกกลับกลายเป็นว่ามีประสิทธิภาพต่ำเกินไปและให้รังสีควอนตัมขนาดเล็กสำหรับประจุหนึ่งคู่ที่รวมตัวกันใหม่

การรวมสารละลายซิงค์ซีลีไนด์ที่เป็นของแข็งในชุมทางเซมิคอนดักเตอร์ช่วยเพิ่มผลผลิตควอนตัม แต่ไฟ LED ดังกล่าวมีความต้านทานไฟฟ้าเพิ่มขึ้นที่ทางแยกด้วยเหตุนี้พวกเขาร้อนเกินไปและเผาไหม้อย่างรวดเร็วและโครงสร้างที่ซับซ้อนในการผลิตการกำจัดความร้อนสำหรับพวกเขาไม่ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ

ครั้งแรกที่มีไฟ LED สีน้ำเงินถูกสร้างขึ้นโดยใช้ฟิล์มบาง ๆ ของแกลเลียมไนไตรด์ที่สะสมอยู่บนซับสเตรตแซฟไฟร์

สเปกตรัมสีขาว

เพื่อให้ได้มาใช้หนึ่งในสามของเทคโนโลยีที่พัฒนาแล้ว:

1. การผสมสีตามวิธี RGB

2. ใช้ฟอสเฟอร์สีแดงสีเขียวและสีน้ำเงินสามชั้นกับ LED อัลตราไวโอเลต

3. เคลือบไฟ LED สีน้ำเงินด้วยชั้นของสารเรืองแสงสีเหลืองสีเขียวและสีเขียวสีแดง

ในวิธีแรกผลึกเดี่ยวสามก้อนวางอยู่บนเมทริกซ์เดียวในคราวเดียวซึ่งแต่ละอันจะปล่อยสเปกตรัม RGB ของตัวเองออกมา เนื่องจากการออกแบบระบบเลนส์ที่ใช้เลนส์สีเหล่านี้ผสมกันและผลลัพธ์ที่ได้คือสีขาวทั้งหมด

ในวิธีการอื่นการผสมสีเกิดขึ้นเนื่องจากการฉายรังสีต่อเนื่องกับรังสีอัลตราไวโอเลตของชั้นฟอสเฟอร์ที่เป็นส่วนประกอบสามชั้น

คุณสมบัติของเทคโนโลยีคลื่นสีขาว

เทคนิค RGB

ช่วยให้คุณ:

• เกี่ยวข้องกับการรวมกันของผลึกเดี่ยวในอัลกอริทึมการควบคุมแสงการเชื่อมต่อพวกเขาสลับกันด้วยตนเองหรือกับโปรแกรมอัตโนมัติ

• ทำให้เกิดเฉดสีต่างๆที่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา

• สร้างระบบแสงที่งดงามสำหรับการโฆษณา

ตัวอย่างง่ายๆของการใช้งานดังกล่าวคือ พวงดอกไม้คริสต์มาส. อัลกอริทึมที่คล้ายกันนี้ยังใช้กันอย่างแพร่หลายโดยนักออกแบบ

ข้อเสียของไฟ LED RGB คือ:

• สีที่ต่างกันของจุดไฟตรงกลางและขอบ;

• ความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอและการกำจัดความร้อนจากพื้นผิวเมทริกซ์นำไปสู่อัตราอายุที่แตกต่างกันของรอยต่อ p-n ส่งผลกระทบต่อการปรับสมดุลสีเปลี่ยนคุณภาพโดยรวมของสเปกตรัมสีขาว

ข้อเสียเหล่านี้เกิดจากการจัดเรียงของผลึกเดี่ยวบนพื้นผิวฐานที่แตกต่างกัน แก้ไขและกำหนดค่าได้ยาก ด้วยเทคโนโลยีนี้รุ่น RGB จึงเป็นงานออกแบบที่ซับซ้อนและมีราคาแพงที่สุด

ไฟ LED พร้อมสารเรืองแสง

พวกมันออกแบบได้ง่ายกว่าถูกกว่าการผลิตประหยัดกว่าเมื่อแปลงเป็นหน่วยรังสีของฟลักซ์ส่องสว่าง

พวกเขามีข้อเสียเปรียบ:

• ในชั้นฟอสเฟอร์มีการสูญเสียพลังงานแสงซึ่งช่วยลดแสง

• ความซับซ้อนของเทคโนโลยีในการใช้ชั้นฟอสเฟอร์ที่สม่ำเสมอส่งผลกระทบต่อคุณภาพอุณหภูมิสี

• สารเรืองแสงมีอายุการใช้งานสั้นกว่า LED และมีอายุเร็วขึ้นในระหว่างการใช้งาน

คุณสมบัติของไฟ LED ของการออกแบบที่แตกต่าง

รุ่นสารเรืองแสงและผลิตภัณฑ์ RGB ถูกสร้างขึ้นสำหรับการใช้งานอุตสาหกรรมและในประเทศต่างๆ

วิธีการทางโภชนาการ

LED แสดงสถานะของมวลก้อนแรกที่ปล่อยออกมานั้นใช้พลังงานประมาณ 15 mA เมื่อขับเคลื่อนจากค่าที่ต่ำกว่าแรงดันคงที่สองโวลต์เล็กน้อย ผลิตภัณฑ์ที่ทันสมัยมีลักษณะที่ได้รับการปรับปรุง: สูงถึงสี่โวลต์และ 50 mA

ไฟ LED สำหรับให้แสงสว่างนั้นใช้แรงดันไฟฟ้าเท่ากัน แต่กินไฟไปหลายร้อยล้านมิลลิวินาที ขณะนี้ผู้ผลิตกำลังพัฒนาและออกแบบอุปกรณ์อย่างมากถึง 1 A

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของแสงเอาต์พุตโมดูลไฟ LED ถูกสร้างขึ้นที่สามารถใช้แรงดันไฟฟ้าตามลำดับสำหรับแต่ละองค์ประกอบ ในกรณีนี้ค่าจะเพิ่มขึ้นเป็น 12 หรือ 24 โวลต์

เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้ากับ LED ต้องคำนึงถึงขั้ว เมื่อมันแตกกระแสจะไม่ผ่านและจะไม่มีการเรืองแสง หากมีการใช้สัญญาณไซน์ไซด์สลับกันการเรืองแสงจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อมีการส่งสัญญาณคลื่นครึ่งบวก นอกจากนี้ความแข็งแรงของมันยังเปลี่ยนแปลงตามสัดส่วนตามกฎของการปรากฏตัวของขนาดกระแสที่สอดคล้องกับทิศทางขั้วโลก

มันควรจะเป็นพาหะในใจว่าด้วยแรงดันย้อนกลับการสลายตัวของแยกเซมิคอนดักเตอร์เป็นไปได้ มันเกิดขึ้นเมื่อเกิน 5 โวลต์ในผลึกเดียว

วิธีการจัดการ

ในการปรับความสว่างของแสงที่ปล่อยออกมาจะใช้วิธีการควบคุมหนึ่งในสองวิธี:

1. ขนาดของแรงดันไฟฟ้าที่เชื่อมต่อ

2. การใช้ การปรับความกว้างพัลส์ - PWM.

วิธีแรกนั้นง่าย แต่ไม่มีประสิทธิภาพ เมื่อระดับแรงดันตกต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนดไฟ LED ก็จะดับลง

วิธีการ PWM กำจัดปรากฏการณ์นี้ แต่มันมีความซับซ้อนมากในการใช้งานทางเทคนิค กระแสที่ไหลผ่านทางแยกเซมิคอนดักเตอร์ของผลึกเดี่ยวนั้นไม่ได้มาจากรูปร่างคงที่ แต่เป็นความถี่สูงที่พัลซิ่งด้วยค่าจากหลายร้อยถึงหนึ่งพันเฮิร์ตซ์

โดยการเปลี่ยนความกว้างของพัลส์และหยุดชั่วคราวระหว่างพวกเขา (กระบวนการที่เรียกว่าการปรับ) ความสว่างของแสงจะถูกปรับในช่วงกว้าง การก่อตัวของกระแสเหล่านี้ผ่านผลึกเดี่ยวดำเนินการโดยชุดควบคุมที่ตั้งโปรแกรมได้พิเศษพร้อมอัลกอริธึมที่ซับซ้อน

สเปกตรัมการปล่อย

ความถี่ของการแผ่รังสีที่เกิดจาก LED อยู่ในพื้นที่แคบมาก มันถูกเรียกว่า monochromatic มันแตกต่างจากสเปกตรัมคลื่นที่เกิดจากดวงอาทิตย์หรือไส้หลอดของหลอดไฟธรรมดา

มีการถกเถียงกันมากมายเกี่ยวกับผลกระทบของแสงดังกล่าวต่อสายตามนุษย์ อย่างไรก็ตามเราไม่ทราบผลการวิเคราะห์ทางวิทยาศาสตร์ที่ร้ายแรงของปัญหานี้

การผลิต

ในการผลิตหลอด LED จะใช้สายอัตโนมัติเท่านั้นซึ่งเครื่องหุ่นยนต์ทำงานตามเทคโนโลยีที่ออกแบบไว้ล่วงหน้า

การใช้แรงงานทางกายภาพของบุคคลนั้นไม่รวมอยู่ในกระบวนการผลิตอย่างสมบูรณ์

ผู้เชี่ยวชาญที่ผ่านการฝึกอบรมจะควบคุมเฉพาะเทคโนโลยีที่ถูกต้องเท่านั้น

การวิเคราะห์คุณภาพของผลิตภัณฑ์ก็เป็นความรับผิดชอบของพวกเขาเช่นกัน