Hvordan lysdioderne er arrangeret og fungerer

Lysemitterende halvlederenheder bruges i vid udstrækning til lyssystemer og som indikatorer for elektrisk strøm. De vedrører elektroniske enheder, der arbejder under den anvendte spænding.

Da dens værdi er ubetydelig, hører sådanne kilder til lavspændingsanordninger, og de har en øget grad af sikkerhed med hensyn til effekten af ​​elektrisk strøm på den menneskelige krop. Risikoen for skader øges, når kilder til øget spænding, for eksempel et husholdningsnetværk, der kræver inkludering af specielle strømforsyninger i kredsløbet, bruges til at belyse dem.

Et karakteristisk træk ved designen af ​​LED er en højere mekanisk styrke af huset end for Ilyich og lysstofrør. Med korrekt drift fungerer de længe og pålideligt. Deres ressource er 100 gange højere end glødetrådens glødetråd og når hundrede tusind timer.

Denne indikator er imidlertid karakteristisk for indikatordesign. Højeffektkilder bruger høje strømme til belysning, og levetiden reduceres med 2–5 gange.

LED-enhed

En konventionel indikator-LED er lavet i en epoxy-kasse med en diameter på 5 mm og to kontaktledninger til tilslutning til elektriske strømkredsløb: anode og katode. Visuelt adskiller de sig i længde. For en ny enhed uden afskårne kontakter er katoden kortere.

En simpel regel hjælper med at huske denne position: begge ord begynder med bogstavet “K”:

• katode;

• kort sagt

Når LED-benene er afskåret, kan anoden bestemmes ved at påføre 1,5 volt spænding fra et simpelt fingerbatteri på kontakterne: lyset vises, når polariteterne falder sammen.

Den lysemitterende aktive enkeltkrystall fra en halvleder har formen af ​​en rektangulær parallelepiped. Det anbringes i nærheden af ​​en parabolsk reflektor lavet af aluminiumslegering og monteres på et underlag med ikke-ledende egenskaber.

I slutningen af ​​en gennemsigtig gennemsigtig sag lavet af polymere materialer er der en linse, der fokuserer på lysstråler. Den danner sammen med reflektoren et optisk system, der danner strålefluxens vinkel. Det er kendetegnet ved LED-direktivets mønster.

Det karakteriserer afvigelsen af ​​lys fra den geometriske akse af den samlede struktur til siderne, hvilket fører til en stigning i spredningen. Dette fænomen opstår på grund af udseendet af små krænkelser af teknologi under produktionen samt ældning af optiske materialer under drift og nogle andre faktorer.

Et aluminium- eller messingbælte kan være placeret i bunden af ​​kabinettet, der tjener som en radiator til fjernelse af varme, der genereres under passage af elektrisk strøm.

Dette designprincip er udbredt. På grundlag heraf oprettes andre halvlederlyskilder ved hjælp af andre former for strukturelle elementer.

Principper for lysemission

Halvlederforbindelsen af ​​p-n-typen er forbundet til en konstant spændingskilde i overensstemmelse med polariteten af ​​terminalerne.

Inde i kontaktlaget af stoffer af p- og n-typen under dens handling begynder bevægelsen af ​​frie negativt ladede elektroner og huller, som har et positivt ladningstegn. Disse partikler er rettet mod deres poler.

I overgangslaget rekombineres ladningerne. Elektroner passerer fra ledningsbåndet til valensbåndet og overvinder Fermi-niveauet.

På grund af dette frigøres en del af deres energi ved frigivelse af lysbølger med forskellige spektre og lysstyrke. Bølgefrekvens og farvegengivelse afhænger af typen af ​​blandede materialer, som det er lavet af p-n-kryds.

For lysstråling inden i den aktive zone i en halvleder skal to betingelser være opfyldt:

1. pladsen i den forbudte zone i bredden i det aktive område skal være tæt på energien fra den udsendte kvanta inden for det frekvensområde, der er synligt for det menneskelige øje;

2. Renheden af ​​materialerne i halvlederkrystallen skal være høj, og antallet af defekter, der påvirker rekombinationsprocessen, er det mindst mulige.

Dette vanskelige tekniske problem løses på flere måder. En af dem er oprettelsen af ​​flere lag med p-n-kryds, når der dannes en kompleks heterostruktur.

Temperatureffekt

Når kildens spændingsniveau stiger, stiger strømmen gennem halvlederlaget, og luminescensen stiger: et øget antal ladninger pr. Enhedstid går ind i rekombinationszonen. Samtidig opvarmes strømførende elementer. Dets værdi er kritisk for materialet i indre strømledere og substansen i pn-krydset. For høje temperaturer kan skade dem og ødelægge dem.

Inde i lysdioderne går energien fra den elektriske strøm direkte ind i lyset uden unødvendige processer: ikke som med lamper med glødetråd. I dette tilfælde dannes minimale tab af nyttig effekt på grund af den lave opvarmning af de ledende elementer.

På grund af dette oprettes høj effektivitet af disse kilder. Men de kan kun bruges, hvor selve strukturen er beskyttet, blokeret for ekstern opvarmning.

Funktioner af lyseffekter

Ved rekombination af huller og elektroner i forskellige sammensætninger af pn-forbindelsesstofferne dannes der ulig lysemission. Det er sædvanligt at karakterisere det med parameteren for kvanteudbyttet - antallet af ekstraheret lyskvanta for et enkelt rekombineret par ladninger.

Det dannes og forekommer i to niveauer af LED:

1. inde i selve halvlederkrydset - internt;

2. i designet af hele LED som helhed - ekstern.

På det første niveau kan kvanteudbyttet af korrekt udførte enkeltkrystaller nå en værdi tæt på 100%. Men for at sikre denne indikator er det nødvendigt at skabe store strømme og kraftig varmeafledning.

Inde i selve kilden, på det andet niveau, er en del af lyset spredt og absorberet af strukturelle elementer, hvilket reducerer den samlede strålingseffektivitet. Den maksimale værdi af kvanteudbyttet er meget mindre. For lysdioder, der udsender et rødt spektrum, når det højst 55%, mens det for blåt falder endnu mere - op til 35%.

Typer af farve lys transmission

Moderne lysdioder udsender:

• gul:

• grøn;

• rød;

• blå;

• blå;

• hvidt lys.

Gulgrøn, gul og rød spektrum

Pn-krydset er baseret på galliumphosphider og arsenider. Denne teknologi blev implementeret i slutningen af ​​60'erne til indikatorer for elektronisk udstyr og kontrolpaneler for transportudstyr, billboards.

Sådanne lysudgangsenheder overhalede øjeblikkeligt de vigtigste lyskilder på den tid - glødelamper og overgik dem i pålidelighed, ressource og sikkerhed.

Blå spektrum

Emitterne fra de blå, blågrønne og især hvide spektre lånte sig ikke til praktisk implementering i lang tid på grund af vanskelighederne ved en kompleks løsning af to tekniske problemer:

1. begrænset størrelse af den forbudte zone, hvor rekombinationen udføres;

2. høje krav til indhold af urenheder.

For hvert trin med at øge lysstyrken i det blå spektrum var der behov for en stigning i kvantas energi på grund af udvidelsen af ​​bredden af ​​den forbudte zone.

Problemet blev løst ved inkludering af siliciumcarbider SiC eller nitrider i halvlederstoffet. Men udviklingen af ​​den første gruppe viste sig at have for lav effektivitet og et lille udbytte af kvantestråling for et rekombineret par ladninger.

Inkluderingen af ​​faste zinkselenidopløsninger i halvlederforbindelsen bidrog til at øge kvanteudbyttet. Men sådanne LED'er havde en øget elektrisk modstand i krydset.På grund af dette blev de overophedet og hurtigt udbrændt, og de komplekse strukturer til fremstilling af varmefjerning for dem virkede ikke effektivt.

For første gang blev der skabt en blå LED ved hjælp af tynde film af galliumnitrid deponeret på et safirsubstrat.

Hvidt spektrum

For at få det skal du bruge en af ​​tre udviklede teknologier:

1. farveblanding efter RGB-metoden;

2. påføring af tre lag rød, grøn og blå fosfor på den ultraviolette LED;

3. belægning af den blå LED med lag gulgrøn og grøn rød fosfor.

I den første metode anbringes tre enkeltkrystaller på en enkelt matrix på én gang, som hver udsender sit eget RGB-spektrum. På grund af designet på det linsebaserede optiske system blandes disse farver, og det resulterende output er en total hvid farvetone.

I en alternativ metode forekommer farveblanding på grund af successiv bestråling med ultraviolet stråling af de tre bestanddelige fosforlag.

Funktioner i hvid spektrum teknologi

RGB teknik

Det giver dig mulighed for at:

• involverer forskellige kombinationer af enkle krystaller i lysstyringsalgoritmen, forbinder dem skiftevis manuelt eller med et automatiseret program;

• forårsage forskellige farver nuancer, der ændrer sig over tid;

• skab spektakulære belysningssystemer til reklame.

Et simpelt eksempel på en sådan implementering er farve juleglas. Lignende algoritmer bruges også bredt af designere.

Ulemperne ved RGB-LED'er er:

• heterogen farve på den lette plet i midten og kanterne;

• ujævn opvarmning og fjernelse af varme fra matrixoverfladen, hvilket fører til forskellige aldringshastigheder for p-n-knudepunkter, der påvirker farvebalancering, og ændrer den samlede kvalitet af det hvide spektrum.

Disse ulemper skyldes det forskellige arrangement af enkeltkrystaller på basisoverfladen. De er vanskelige at rette og konfigurere. På grund af denne teknologi er RGB-modeller blandt de mest komplekse og dyre design.

Lysdioder med fosfor

De er enklere i design, billigere at fremstille, mere økonomiske når de konverteres til strålingsenheder med lysstrøm.

De er kendetegnet ved ulemper:

• i fosforlaget er der tab af lysenergi, der reducerer lyseffekten;

• teknologiens kompleksitet til påføring af et ensartet fosforlag påvirker farvetemperaturkvaliteten;

• Fosforen har en kortere levetid end selve LED'en og ældes hurtigere under brug.

Funktioner i lysdioder i forskellige design

Fosformodeller og RGB-produkter er skabt til forskellige industrielle og indenlandske applikationer.

Ernæringsmetoder

Indikatorens LED for den første masse frigiver forbrugt ca. 15 mA, når den er drevet fra en lidt lavere værdi end to volt konstant spænding. Moderne produkter har forbedrede egenskaber: op til fire volt og 50 mA.

Lysdioder til belysning drives af den samme spænding, men forbruger allerede flere hundrede milliampere. Producenter udvikler og designer nu aktivt enheder op til 1 A.

For at øge lyseffektens effektivitet oprettes LED-moduler, der kan bruge en sekventiel spændingsforsyning til hvert element. I dette tilfælde stiger dens værdi til 12 eller 24 volt.

Ved påføring af spænding på LED'en skal polariteten tages i betragtning. Når det er brudt, går strømmen ikke, og der vil ikke være nogen glød. Hvis der benyttes et skiftevis sinusformet signal, forekommer glødet kun, når der sendes en positiv halvbølge. Derudover ændres dens styrke også proportionalt i henhold til lovgivningen om udseendet af den tilsvarende strømstyrke med en polær retning.

Det skal bemærkes, at med en omvendt spænding er en nedbrydning af halvlederforbindelsen mulig. Det forekommer, når man overskrider 5 volt på en enkelt krystal.

Ledelsesmetoder

For at justere lysstyrken på det udsendte lys bruges en af ​​to kontrolmetoder:

1. størrelsen af ​​den tilsluttede spænding;

2. bruger Modulering af pulsbredde - PWM.

Den første metode er enkel, men ineffektiv. Når spændingsniveauet falder under en bestemt tærskel, kan LED'en simpelthen slukke.

PWM-metoden eliminerer dette fænomen, men det er meget mere kompliceret i teknisk implementering. Strømmen, der føres gennem halvlederforbindelsen til den enkelte krystal, tilføres ikke af en konstant form, men af ​​en pulseret højfrekvens med en værdi fra flere hundrede til tusind hertz.

Ved at ændre bredden på pulsen og pauserne mellem dem (processen kaldes modulation) justeres glødens lysstyrke over et bredt område. Dannelsen af ​​disse strømme gennem enkeltkrystaller udføres af specielle programmerbare kontrolenheder med komplekse algoritmer.

Emissionsspektrum

Frekvensen af ​​stråling, der kommer ud af LED, ligger i et meget smalt område. Det kaldes monokromatisk. Det adskiller sig grundlæggende fra bølgespektret, der stammer fra solen eller glødetrådene fra almindelige lyspærer.

Der diskuteres meget om effekten af ​​sådan belysning på det menneskelige øje. Imidlertid er resultaterne af seriøse videnskabelige analyser af dette spørgsmål ukendt for os.

produktion

Ved fremstilling af LED'er bruges kun en automatisk linje, hvor robotmaskiner fungerer i henhold til en forud designet teknologi.

En persons fysiske manuelle arbejde er helt udelukket fra produktionsprocessen.

Uddannede specialister udfører kun kontrol over det rigtige teknologiforløb.

Analyse af produkternes kvalitet er også deres ansvar.