Hvordan lysdiodene er ordnet og fungerer

Lysemitterende halvlederenheter brukes mye til lyssystemer og som indikatorer for elektrisk strøm. De forholder seg til elektroniske enheter som opererer under påført spenning.

Siden dens verdi er ubetydelig, hører slike kilder til lavspenningsapparater, og de har en økt grad av sikkerhet når det gjelder effekten av elektrisk strøm på menneskekroppen. Risikoen for skader øker når kilder til økt spenning, for eksempel et husholdningsnettverk, som krever inkludering av spesielle strømforsyninger i kretsen, brukes til å belyse dem.

Et særtrekk ved utformingen av LED er en høyere mekanisk styrke i huset enn for Illich og lysrør. Med riktig drift jobber de lenge og pålitelig. Ressursen deres er 100 ganger høyere enn for glødetrådene og når hundre tusen timer.

Denne indikatoren er imidlertid karakteristisk for indikatordesign. Høykraftige kilder bruker høye strømmer for belysning, og levetiden reduseres med 2–5 ganger.

LED-enhet

En konvensjonell indikator-LED er laget i et epoksyhus med en diameter på 5 mm og to kontaktledninger for tilkobling til elektriske strømkretser: anode og katode. Visuelt skiller de seg i lengde. For en ny enhet uten kuttede kontakter er katoden kortere.

En enkel regel hjelper deg med å huske denne posisjonen: begge ordene begynner med bokstaven "K":

• katoden;

• kort sagt.

Når bena på LED er avskåret, kan anoden bestemmes ved å påføre 1,5 volt spenning fra et enkelt fingerbatteri på kontaktene: lyset vises når polaritetene faller sammen.

Den lysemitterende aktive enkeltkrystallen til en halvleder har formen av en rektangulær parallellpiped. Den er plassert i nærheten av en parabolsk reflektor laget av aluminiumslegering og montert på et underlag med ikke-ledende egenskaper.

På slutten av et gjennomsiktig gjennomsiktig etui laget av polymere materialer er det en linse som fokuserer lysstråler. Den danner sammen med reflektoren et optisk system som danner vinkelen til strålingsfluxen. Det er preget av lysstyrken på LED.

Det kjennetegner avviket av lys fra den geometriske aksen til den generelle strukturen til sidene, noe som fører til en økning i spredningen. Dette fenomenet oppstår på grunn av utseendet på små brudd på teknologi under produksjonen, så vel som aldring av optiske materialer under drift og noen andre faktorer.

Et aluminiums- eller messingbelte kan være plassert i bunnen av saken, og tjene som en radiator for å fjerne varme som genereres under passering av elektrisk strøm.

Dette designprinsippet er utbredt. På grunnlag av dette skapes også andre halvledere lyskilder ved bruk av andre former for strukturelle elementer.

Prinsipper for lysutslipp

Halvlederforbindelsen av p-n-typen er koblet til en konstant spenningskilde i samsvar med polariteten til terminalene.

Inne i kontaktlaget av stoffer av p- og n-type, under dens virkning, begynner bevegelsen av gratis negativt ladede elektroner og hull, som har et positivt ladningstegn. Disse partiklene er rettet mot polene deres.

I overgangssjiktet rekombineres ladningene. Elektroner går fra ledningsbåndet til valensbåndet og overvinner Fermi-nivået.

På grunn av dette frigjøres en del av energien deres med frigjøring av lysbølger med forskjellige spektre og lysstyrke. Bølgefrekvens og fargegjengivelse avhenger av typen blandede materialer den er laget av p-n kryss.

For lysstråling i den aktive sonen til en halvleder, må to betingelser være oppfylt:

1. plassen til den forbudte sonen i bredden i det aktive området skal være nær energien til den utsendte kvanten innenfor det frekvensområdet som er synlig for det menneskelige øyet;

2. Renheten til materialene i halvlederkrystallen må være høy, og antallet defekter som påvirker rekombinasjonsprosessen er minst mulig.

Dette vanskelige tekniske problemet løses på flere måter. En av dem er opprettelsen av flere lag med p-n-kryss når en kompleks heterostruktur dannes.

Temperatureffekt

Når spenningsnivået til kilden øker, øker strømmen gjennom halvlederlaget og luminescensen øker: et økt antall ladninger per tidsenhet går inn i rekombinasjonssonen. Samtidig blir strømførende elementer oppvarmet. Verdien er kritisk for materialet i indre strømledere og substansen i pn-krysset. For høye temperaturer kan skade dem, ødelegge dem.

Inni i lysdiodene går energien fra den elektriske strømmen direkte inn i lyset, uten unødvendige prosesser: ikke som med lamper med glødetråd. I dette tilfellet dannes minimale tap av nyttig kraft på grunn av lav oppvarming av ledende elementer.

På grunn av dette skapes høy effektivitet av disse kildene. Men de kan bare brukes der selve strukturen er beskyttet, blokkert fra ekstern oppvarming.

Funksjoner av lyseffekter

Ved rekombinering av hull og elektroner i forskjellige sammensetninger av pn-forbindelsesstoffene, dannes ulik lysutslipp. Det er vanlig å karakterisere det ved parameteren for kvanteutbyttet - antall utvunnet lyskvanta for et enkelt rekombinert par ladninger.

Den er dannet og forekommer i to nivåer av LED:

1. inne i selve halvlederkrysset - internt;

2. i utformingen av hele LED-en som helhet - ekstern.

På det første nivået kan kvanteutbyttet av korrekt utførte enkeltkrystaller nå en verdi nær 100%. Men for å sikre denne indikatoren er det nødvendig å lage store strømmer og kraftig varmeavledning.

Inne i selve kilden, på andre nivå, er en del av lyset spredt og absorbert av strukturelle elementer, noe som reduserer den generelle strålingseffektiviteten. Maksimalverdien av kvanteutbyttet er mye mindre. For lysdioder som sender ut et rødt spekter, når det ikke mer enn 55%, mens det for blått synker enda mer - opptil 35%.

Typer fargelysoverføring

Moderne lysdioder avgir:

• gul:

• grønn;

• rød;

• blå;

• blå;

• hvitt lys.

Gulgrønn, gul og rød spektrum

Pn-krysset er basert på galliumfosfider og arsenider. Denne teknologien ble implementert på slutten av 60-tallet for indikatorer for elektroniske enheter og kontrollpaneler for transportutstyr, reklametavler.

Slike lysutstyr overtok umiddelbart de viktigste lyskildene på den tiden - glødelamper og overgikk dem i pålitelighet, ressurs og sikkerhet.

Blått spekter

Utsendere fra de blå, blågrønne og spesielt hvite spektrene lånte seg ikke til praktisk implementering på lang tid på grunn av vanskeligheter med kompleks løsning av to tekniske problemer:

1. begrenset størrelse på den forbudte sonen hvor rekombinasjonen utføres;

2. høye krav til innhold av urenheter.

For hvert trinn for å øke lysstyrken i det blå spekteret, var det nødvendig med en økning i energien til kvanta på grunn av utvidelsen av bredden til den forbudte sonen.

Problemet ble løst ved inkludering av silisiumkarbider SiC eller nitrider i halvlederstoffet. Men utviklingen av den første gruppen viste seg å ha for lav effektivitet og et lite utbytte av kvantestråling for ett rekombinert par ladninger.

Inkluderingen av faste, solske sinkløsninger i halvlederforbindelsen bidro til å øke kvanteutbyttet. Men slike lysdioder hadde økt elektrisk motstand i krysset.På grunn av dette overopphetet de og brente raskt ut, og de komplekse strukturene i fremstilling av varmefjerning for dem fungerte ikke effektivt.

For første gang ble en blå LED opprettet ved hjelp av tynne filmer av galliumnitrid avsatt på et safirunderlag.

Hvitt spekter

For å få tak i det, bruk en av tre utviklede teknologier:

1. fargeblanding i henhold til RGB-metoden;

2. påføring av tre lag rød, grønn og blå fosfor på den ultrafiolette LED;

3. belegg den blå lysdioden med lag gulgrønn og grønnrød fosfor.

I den første metoden plasseres tre enkeltkrystaller på en enkelt matrise på en gang, som hver avgir sitt eget RGB-spektrum. På grunn av utformingen av det linsebaserte optiske systemet, er disse fargene blandet, og den resulterende effekten er en total hvit fargetone.

I en alternativ metode oppstår fargeblanding på grunn av suksessiv bestråling med ultrafiolett stråling av de tre bestanddeler fosforlagene.

Funksjoner av hvitt spektrum teknologi

RGB-teknikk

Den lar deg:

• involvere forskjellige kombinasjoner av enkeltkrystaller i lysstyringsalgoritmen, koble dem vekselvis manuelt eller med et automatisert program;

• forårsake forskjellige fargenyanser som endrer seg over tid;

• lage spektakulære lyssystemer for reklame.

Et enkelt eksempel på en slik implementering er farge julekranser. Lignende algoritmer er også mye brukt av designere.

Ulempene med RGB LED er:

• heterogen farge på lyspunktet i sentrum og kanter;

• ujevn oppvarming og fjerning av varme fra matriseoverflaten, noe som fører til forskjellige aldringshastigheter av p-n-kryss, som påvirker fargebalansering, og endrer den generelle kvaliteten på det hvite spekteret.

Disse ulempene er forårsaket av den forskjellige anordningen av enkeltkrystaller på basisoverflaten. De er vanskelige å fikse og konfigurere. På grunn av denne teknologien er RGB-modeller blant de mest komplekse og dyre designene.

LED med fosfor

De er enklere i design, billigere å produsere, mer økonomiske når de konverteres til strålingsenheter med lysstrøm.

De er preget av ulemper:

• i fosforlaget er det tap av lysenergi, som reduserer lysutbyttet;

• kompleksiteten i teknologien for påføring av et jevn fosforlag påvirker fargetemperaturkvaliteten;

• Fosforen har en kortere levetid enn selve LEDen og eldes raskere under bruk.

Funksjoner i lysdioder med forskjellige design

Fosformodeller og RGB-produkter er laget for forskjellige industrielle og innenlandske applikasjoner.

Ernæringsmetoder

Indikatorlampen for den første massen frigjør forbruket ca. 15 mA når den drives fra en litt lavere verdi enn to volt konstant spenning. Moderne produkter har forbedrede egenskaper: opptil fire volt og 50 mA.

Lysdioder for belysning drives av den samme spenningen, men bruker allerede flere hundre milliampe. Produsenter utvikler og designer nå aktivt enheter opp til 1 A.

For å øke lyseffektenes effektivitet blir det laget LED-moduler som kan bruke en sekvensiell spenningsforsyning til hvert element. I dette tilfellet øker verdien til 12 eller 24 volt.

Når du påfører spenning på LED, må polariteten tas i betraktning. Når den er ødelagt, går ikke strømmen, og det vil ikke være glød. Hvis et vekslende sinusformet signal brukes, oppstår gløden bare når en positiv halvbølge overføres. Videre endres dens styrke også proporsjonalt i henhold til loven om utseendet til den tilsvarende strømstyrke med en polær retning.

Det må huskes at med en revers spenning er en sammenbrudd av et halvlederkryss mulig. Det oppstår når du overskrider 5 volt på en enkelt krystall.

Styringsmetoder

For å justere lysstyrken til det utsendte lyset, brukes en av to kontrollmetoder:

1. størrelsen på den tilkoblede spenningen;

2. bruker Pulsbreddemodulasjon - PWM.

Den første metoden er enkel, men ineffektiv. Når spenningsnivået synker under en viss terskel, kan LED-en ganske enkelt slukke.

PWM-metoden eliminerer dette fenomenet, men det er mye mer komplisert i teknisk implementering. Strømmen som føres gjennom halvlederforbindelsen til enkelkrystallen tilføres ikke med en konstant form, men av en pulserende høy frekvens med en verdi fra flere hundre til tusen hertz.

Ved å endre bredden på pulsen og pausene mellom dem (prosessen kalles modulasjon), justeres glødens lysstyrke over et bredt område. Dannelsen av disse strømningene gjennom enkeltkrystaller utføres av spesielle programmerbare kontrollenheter med komplekse algoritmer.

Utslippspektrum

Frekvensen av strålingen som kommer fra LED ligger i et veldig smalt område. Det kalles monokromatisk. Det er grunnleggende forskjellig fra spekteret av bølger som kommer fra solen eller glødetrådene fra vanlige lyspærer.

Det diskuteres mye om effekten av slik belysning på det menneskelige øyet. Resultatene fra alvorlige vitenskapelige analyser av dette problemet er oss ukjente.

produksjon

Ved fremstilling av lysdioder brukes bare en automatisk linje, der robotmaskiner fungerer i henhold til en forhåndsdesignet teknologi.

Den fysiske manuelle arbeidskraften til en person er helt ekskludert fra produksjonsprosessen.

Utdannede spesialister utfører kun kontroll over riktig teknologiforløp.

Analyse av produktkvaliteten er også deres ansvar.