Kaip šviesos diodai yra išdėstyti ir veikia

Šviesą skleidžiantys puslaidininkiniai įtaisai yra plačiai naudojami apšvietimo sistemoms ir kaip elektros srovės indikatoriai. Jie yra susiję su elektroniniais prietaisais, veikiančiais veikiant įtampai.

Kadangi jų vertė yra nereikšminga, tokie šaltiniai priklauso žemos įtampos įtaisams ir turi aukštą saugos laipsnį, kalbant apie elektros srovės poveikį žmogaus kūnui. Sužalojimų rizika padidėja, kai jiems apšviesti naudojami padidėjusios įtampos šaltiniai, pavyzdžiui, namų ūkio tinklas, kuriam į grandinę reikia įtraukti specialius maitinimo šaltinius.

Skiriamasis šviesos diodo konstrukcijos bruožas yra didesnis mechaninis korpuso stiprumas nei „Ilyich“ ir liuminescencinių lempų. Tinkamai veikdami, jie ilgai ir patikimai dirba. Jų ištekliai yra 100 kartų didesni nei kaitrinių siūlų, siekiančių šimtą tūkstančių valandų.

Tačiau šis indikatorius būdingas indikatorių dizainui. Didelės galios šaltiniai apšvietimui naudoja dideles sroves, o tarnavimo laikas sutrumpėja 2–5 kartus.

LED prietaisas

Įprastas indikatorinis LED yra pagamintas epoksidiniame korpuse, kurio skersmuo yra 5 mm, ir du kontaktinius laidus, skirtus prijungti prie elektros srovės grandinių: anodas ir katodas. Vizualiai jie skiriasi ilgio. Naujam įrenginiui be supjaustytų kontaktų katodas yra trumpesnis.

Šią poziciją atsiminti padeda paprasta taisyklė: abu žodžiai prasideda raide „K“:

• katodas;

• trumpai tariant.

Nutraukus šviesos diodo kojas, anodą galima nustatyti, naudojant kontaktus nuo 1,5 piršto įtampos nuo paprasto piršto akumuliatoriaus: lemputė pasirodo, kai poliškumai sutampa.

Šviesą skleidžiantis aktyvusis puslaidininkio kristalas yra stačiakampio formos, lygiagretainio formos. Jis dedamas prie parabolinio atšvaito, pagaminto iš aliuminio lydinio ir pritvirtinto prie pagrindo, turinčio nelaidžių savybių.

Iš polimerinių medžiagų pagaminto permatomo korpuso gale yra objektyvo fokusavimo šviesos spinduliai. Jis kartu su atšvaitu sudaro optinę sistemą, formuojančią radiacijos srauto kampą. Jam būdingas šviesos diodo kryptingumas.

Tai apibūdina šviesos nuokrypį nuo bendros struktūros geometrinės ašies į šonus, dėl ko padidėja sklaida. Šis reiškinys atsiranda dėl nedidelių technologijos pažeidimų gamybos metu, taip pat dėl ​​optinių medžiagų senėjimo eksploatacijos metu ir kai kurių kitų veiksnių.

Korpuso apačioje gali būti aliuminio arba žalvario diržas, kuris tarnauja kaip radiatorius, pašalinantis šilumą, susidarančią praleidžiant elektros srovę.

Šis projektavimo principas yra plačiai paplitęs. Jos pagrindu taip pat sukuriami kiti puslaidininkių šviesos šaltiniai, naudojant kitas konstrukcinių elementų formas.

Šviesos spinduliavimo principai

P-n tipo puslaidininkių jungtis yra sujungta su nuolatinės įtampos šaltiniu pagal gnybtų poliškumą.

P ir N tipo medžiagų kontaktiniame sluoksnyje, veikiant ją, prasideda laisvų neigiamai įkrautų elektronų ir skylių, turinčių teigiamo krūvio ženklą, judėjimas. Šios dalelės nukreiptos link jų polių.

Pereinamajame sluoksnyje krūviai rekombinuojasi. Elektronai iš laidumo juostos pereina į valentinę juostą, viršydami Fermi lygį.

Dėl šios priežasties dalis jų energijos išsiskiria skleidžiant įvairaus spektro ir ryškumo šviesos bangas. Bangos dažnis ir spalvų atkūrimas priklauso nuo mišrių medžiagų, iš kurių jie pagaminti p-n sankryža.

Šviesos spinduliavimui puslaidininkio aktyviojoje zonoje turi būti įvykdytos dvi sąlygos:

1. Aktyviojoje zonoje esančios draudžiamos zonos plotas turėtų būti artimas išmetamų kvantų energijai žmogaus akių matomoje dažnių srityje.

2. Puslaidininkių kristalų medžiagų grynumas turi būti didelis, o rekombinacijos procesui įtakos turinčių defektų turi būti kuo mažiau.

Ši sunki techninė problema išspręsta keliais būdais. Vienas iš jų yra kelių p-n sankryžų sluoksnių sukūrimas, kai susidaro sudėtinga heterostruktūra.

Temperatūros poveikis

Didėjant šaltinio įtampos lygiui, srovė per puslaidininkio sluoksnį didėja ir liuminescencija didėja: padidėjęs krūvių skaičius per laiko vienetą patenka į rekombinacijos zoną. Tuo pačiu metu kaitinami srovę pernešantys elementai. Jo vertė yra kritinė vidinių srovės laidininkų medžiagai ir pn jungties medžiagai. Aukšta temperatūra gali juos sugadinti, sunaikinti.

Šviesos diodų viduje elektros srovės energija patenka tiesiai į šviesą, be nereikalingų procesų: ne taip, kaip naudojant lempas su kaitrinėmis gijomis. Tokiu atveju dėl menko laidžių elementų kaitinimo susidaro minimalūs naudingosios galios nuostoliai.

Dėl šios priežasties sukuriamas didelis šių šaltinių efektyvumas. Jie gali būti naudojami tik ten, kur pati konstrukcija yra apsaugota, užblokuota nuo išorinio šildymo.

Apšvietimo efektų ypatybės

Rekombinuojant skyles ir elektronus skirtingose ​​pn jungiamųjų medžiagų kompozicijose, sukuriama nevienoda šviesos sklaida. Įprasta apibūdinti tai pagal kvantinio išeigos parametrą - išgautų šviesos kvantų skaičių vienai rekombinuotai krūvių porai.

Jis susidaro ir yra dviem šviesos diodo lygiais:

1. pačios puslaidininkio jungties viduje - vidinė;

2. atsižvelgiant į viso šviesos diodo dizainą - išorinis.

Pirmame lygmenyje teisingai atliktų pavienių kristalų kvantinis išeiga gali pasiekti 100% vertę. Bet norint užtikrinti šį rodiklį, būtina sukurti dideles sroves ir galingą šilumos išsklaidymą.

Pačiame šaltinyje, antrame lygyje, dalis šviesos yra išsklaidyta ir sugeriama konstrukcinių elementų, o tai sumažina bendrą radiacijos efektyvumą. Maksimali kvantinio derliaus vertė yra daug mažesnė. Šviesos diodų, skleidžiančių raudoną spektrą, jis siekia ne daugiau kaip 55%, o mėlynai - dar daugiau - iki 35%.

Spalvotos šviesos pralaidumo tipai

Šiuolaikiniai šviesos diodai skleidžia:

• geltona:

• žalia

• raudona

• mėlyna

• mėlyna

• balta šviesa.

Geltonai žalios, geltonos ir raudonos spalvos spektras

Pn sandūra yra pagrįsta galio fosfidais ir arsenidais. Ši technologija buvo įdiegta 60-ųjų pabaigoje elektroninių prietaisų indikatoriams ir transporto įrangos valdymo pultams, skelbimų lentoms.

Tokie šviesos išvesties įtaisai iškart aplenkė pagrindinius to meto šviesos šaltinius - kaitrines lempas ir pranoko juos patikimumu, ištekliais ir sauga.

Mėlynasis spektras

Mėlynos, mėlynos-žalios ir ypač baltos spalvos spektrų spinduliuotės ilgą laiką nebuvo praktiškai įgyvendinamos, nes sudėtinga spręsti dvi technines problemas:

1. ribotas draudžiamos zonos, kurioje vykdoma rekombinacija, dydis;

2. aukšti reikalavimai priemaišų kiekiui.

Kiekvienam mėlynojo spektro ryškumo didinimo žingsniui reikėjo padidinti kvanto energiją, nes padidėjo draudžiamos zonos plotis.

Ši problema buvo išspręsta į silicio karbidus SiC arba nitridus įtraukiant į puslaidininkių medžiagą. Tačiau paaiškėjo, kad pirmosios grupės pokyčiai buvo per maži ir maža kvantinės spinduliuotės išeiga vienai rekombinuotai krūvių porai.

Cinko selenido kietųjų tirpalų įtraukimas į puslaidininkių jungtį padėjo padidinti kvantinį derlių. Tačiau tokie šviesos diodai turėjo didelę elektrinę varžą sankryžoje.Dėl to jie perkaista ir greitai sudegė, o sudėtingos konstrukcijos gaminant šilumą jiems neveikė efektyviai.

Pirmą kartą mėlynas šviesos diodas buvo sukurtas naudojant plonas galio nitrido plėveles, nusodintas ant safyro pagrindo.

Baltasis spektras

Norėdami jį gauti, naudokite vieną iš trijų sukurtų technologijų:

1. spalvų maišymas pagal RGB metodą;

2. ultravioletiniame šviesos diode užtepti tris raudonos, žalios ir mėlynos spalvos fosforo sluoksnius;

3. mėlynos šviesos diodo padengimas geltonai žalios ir žaliai raudonos fosforo sluoksniais.

Taikant pirmąjį metodą, trys pavieniai kristalai dedami ant vienos matricos vienu metu, kiekvienas iš jų skleidžia savo RGB spektrą. Dėl objektyvo pagrindu pagamintos optinės sistemos konstrukcijos šios spalvos yra maišomos, o rezultatas yra bendras baltas atspalvis.

Taikant alternatyvų metodą, spalvos susimaišo dėl trijų sudedamųjų fosforo sluoksnių švitinimo ultravioletiniu spinduliu.

Baltojo spektro technologijos ypatybės

RGB technika

Tai leidžia jums:

• į apšvietimo valdymo algoritmą įtraukti įvairius pavienių kristalų derinius, juos pakaitomis sujungiant rankiniu būdu arba naudojant automatizuotą programą;

• sukelti įvairius spalvų atspalvius, kurie laikui bėgant keičiasi;

• sukurti įspūdingą apšvietimo sistemą reklamai.

Paprastas tokio įgyvendinimo pavyzdys yra spalvotos kalėdinės girliandos. Panašius algoritmus taip pat plačiai naudoja dizaineriai.

RGB šviesos diodų trūkumai yra šie:

• nevienalytė šviesos dėmės spalva centre ir kraštuose;

• netolygus kaitinimas ir šilumos pašalinimas iš matricos paviršiaus, lemiantis skirtingą p-n sankryžų senėjimo greitį, darantis įtaką spalvų balansui, keičiant bendrą baltojo spektro kokybę.

Šiuos trūkumus lemia skirtingas pavienių kristalų išdėstymas ant pagrindo paviršiaus. Juos sunku ištaisyti ir sukonfigūruoti. Dėl šios technologijos RGB modeliai yra vieni iš sudėtingiausių ir brangiausių dizainų.

Šviesos diodai su fosforu

Jie yra paprastesnio dizaino, pigesni gaminti, ekonomiškesni, kai paverčiami šviesos srauto radiacijos vienetais.

Jiems būdingi trūkumai:

• fosforo sluoksnyje yra šviesos energijos nuostoliai, dėl kurių sumažėja šviesos srautas;

• vienodo fosforo sluoksnio dengimo technologijos sudėtingumas daro įtaką spalvos temperatūros kokybei;

• Fosforo tarnavimo laikas yra trumpesnis nei paties šviesos diodo, o naudojimo metu jis sensta greičiau.

Įvairių dizainų šviesos diodų savybės

„Phosphor“ modeliai ir RGB produktai yra sukurti įvairioms pramonės ir buities reikmėms.

Mitybos metodai

Pirmosios masės indikatoriaus šviesos diodas sunaudoja apie 15 mA, kai maitinamas iš šiek tiek mažesnės vertės nei du nuolatinės įtampos voltai. Šiuolaikiniai gaminiai pasižymi patobulintomis savybėmis: iki keturių voltų ir 50 mA.

Apšvietimui skirti šviesos diodai yra maitinami ta pačia įtampa, tačiau jau sunaudoja kelis šimtus miliamprų. Dabar gamintojai aktyviai kuria ir projektuoja įrenginius iki 1 A.

Siekiant padidinti šviesos išvesties efektyvumą, sukuriami LED moduliai, galintys naudoti nuoseklų įtampos tiekimą kiekvienam elementui. Tokiu atveju jo vertė padidėja iki 12 arba 24 voltų.

Pritaikant įtampą šviesos diodui, reikia atsižvelgti į poliškumą. Kai jis sulaužytas, srovė nepereina ir nebus švytėjimo. Jei naudojamas kintamasis sinusoidinis signalas, švytėjimas atsiranda tik tada, kai perduodama teigiama pusės banga. Be to, jo stiprumas taip pat proporcingai keičiasi pagal atitinkamos srovės stiprio, turinčio polinę kryptį, išvaizdos dėsnį.

Reikėtų nepamiršti, kad esant atvirkščiai įtampai, gali nutrūkti puslaidininkio sankryža. Tai įvyksta, kai viršija 5 voltus ant vieno kristalo.

Valdymo metodai

Skleidžiamos šviesos ryškumui reguliuoti naudojamas vienas iš dviejų valdymo būdų:

1. prijungtos įtampos dydį;

2. naudojant Impulsų pločio moduliavimas - PWM.

Pirmasis metodas yra paprastas, bet neefektyvus. Kai įtampos lygis nukrenta žemiau tam tikro slenksčio, šviesos diodas gali tiesiog užgesti.

PWM metodas pašalina šį reiškinį, tačiau techninis įgyvendinimas yra daug sudėtingesnis. Per vieno kristalo puslaidininkių jungtį perduodama srovė gaunama ne pastovios formos, bet impulsiniu aukšto dažnio dažniu, kurio vertė nuo kelių šimtų iki tūkstančio hercų.

Pakeitus impulsų plotį ir pauzes tarp jų (procesas vadinamas moduliacija), švytėjimo ryškumas reguliuojamas plačiu diapazonu. Šių srovių formavimas per pavienius kristalus atliekamas specialiais programuojamais valdymo blokais su sudėtingais algoritmais.

Išmetamųjų teršalų spektras

Iš šviesos diodo sklindančios radiacijos dažnis yra labai siaurame regione. Jis vadinamas monochromatiniu. Tai iš esmės skiriasi nuo saulės skleidžiamų bangų spektro ar įprastų lempučių kaitrinių siūlelių.

Apie tokio apšvietimo poveikį žmogaus akiai daug diskutuojama. Tačiau rimtos mokslinės šios problemos analizės rezultatai mums nežinomi.

Gamyba

Gaminant šviesos diodus naudojama tik automatinė linija, kurioje robotų mašinos veikia pagal iš anksto sukurtą technologiją.

Žmogaus fizinis fizinis darbas visiškai neįtraukiamas į gamybos procesą.

Apmokyti specialistai kontroliuoja tik teisingą technologijos eigą.

Produktų kokybės analizė taip pat yra jų pareiga.