Come sono disposti e funzionanti i LED

I dispositivi a semiconduttore ad emissione di luce sono ampiamente utilizzati per i sistemi di illuminazione e come indicatori di corrente elettrica. Si riferiscono a dispositivi elettronici che funzionano sotto la tensione applicata.

Poiché il suo valore è insignificante, tali fonti appartengono a dispositivi a bassa tensione, hanno un maggiore grado di sicurezza per quanto riguarda l'effetto della corrente elettrica sul corpo umano. I rischi di lesioni aumentano quando le fonti di aumento della tensione, ad esempio una rete domestica domestica, che richiede l'inclusione di speciali alimentatori nel circuito, vengono utilizzate per illuminarle.

Una caratteristica distintiva del design del LED è una maggiore resistenza meccanica dell'alloggiamento rispetto a quella di Illich e lampade fluorescenti. Con il corretto funzionamento, funzionano a lungo e in modo affidabile. La loro risorsa è 100 volte superiore a quella dei filamenti incandescenti, raggiungendo centomila ore.

Tuttavia, questo indicatore è caratteristico per i design degli indicatori. Le fonti ad alta potenza utilizzano alte correnti per l'illuminazione e la durata è ridotta di 2-5 volte.

Dispositivo a LED

Un LED indicatore convenzionale è realizzato in una custodia epossidica con un diametro di 5 mm e due cavi di contatto per il collegamento ai circuiti di corrente elettrica: anodo e catodo. Visivamente differiscono in lunghezza. Per un nuovo dispositivo senza contatti tagliati, il catodo è più corto.

Una semplice regola aiuta a ricordare questa posizione: entrambe le parole iniziano con la lettera "K":

• catodo;

• in breve.

Quando le gambe del LED vengono tagliate, l'anodo può essere determinato applicando 1,5 volt di tensione da una semplice batteria a dito ai contatti: la luce appare quando le polarità coincidono.

Il singolo cristallo attivo emettitore di luce di un semiconduttore ha la forma di un parallelepipedo rettangolare. È posizionato vicino a un riflettore parabolico in lega di alluminio e montato su un substrato con proprietà non conduttive.

Alla fine di una custodia trasparente trasparente fatta di materiali polimerici, c'è una lente che focalizza i raggi luminosi. Insieme al riflettore forma un sistema ottico che forma l'angolo del flusso di radiazione. È caratterizzato dal modello di direttività del LED.

Caratterizza la deviazione della luce dall'asse geometrico della struttura complessiva ai lati, il che porta ad un aumento della dispersione. Questo fenomeno si verifica a causa della comparsa di piccole violazioni della tecnologia durante la produzione, nonché dell'invecchiamento dei materiali ottici durante il funzionamento e di alcuni altri fattori.

Una cintura di alluminio o ottone può essere posizionata nella parte inferiore dell'involucro, fungendo da radiatore per rimuovere il calore generato durante il passaggio della corrente elettrica.

Questo principio di progettazione è molto diffuso. Sulla sua base, anche altre fonti di luce a semiconduttore vengono create utilizzando altre forme di elementi strutturali.

Principi di emissione della luce

La giunzione a semiconduttore di tipo p-n è collegata a una sorgente di tensione costante secondo la polarità dei terminali.

All'interno dello strato di contatto di sostanze di tipo p e n, sotto la sua azione, inizia il movimento di elettroni e buchi liberi negativamente caricati, che hanno un segno di carica positiva. Queste particelle sono dirette verso i loro poli.

Nello strato di transizione, le cariche si ricombinano. Gli elettroni passano dalla banda di conduzione alla banda di valenza, superando il livello di Fermi.

Per questo motivo, parte della loro energia viene rilasciata con il rilascio di onde luminose di vari spettri e luminosità. La frequenza delle onde e la riproduzione del colore dipendono dal tipo di materiali misti di cui sono realizzati giunzione p-n.

Per la radiazione della luce all'interno della zona attiva di un semiconduttore, devono essere soddisfatte due condizioni:

1. lo spazio della zona proibita in larghezza nella regione attiva dovrebbe essere vicino all'energia dei quanti emessi entro l'intervallo di frequenza visibile all'occhio umano;

2. La purezza dei materiali del cristallo semiconduttore deve essere elevata e il numero di difetti che influenzano il processo di ricombinazione è il minimo possibile.

Questo difficile problema tecnico viene risolto in diversi modi. Uno di questi è la creazione di diversi strati di giunzioni p-n quando si forma una complessa eterostruttura.

Effetto della temperatura

All'aumentare del livello di tensione della sorgente, aumenta la corrente attraverso lo strato di semiconduttore e aumenta la luminescenza: un numero maggiore di cariche per unità di tempo entra nella zona di ricombinazione. Allo stesso tempo, gli elementi che trasportano corrente vengono riscaldati. Il suo valore è critico per il materiale dei conduttori di corrente interni e la sostanza della giunzione pn. Temperature eccessive possono danneggiarle, distruggerle.

All'interno dei LED, l'energia della corrente elettrica passa direttamente alla luce, senza processi inutili: non come con le lampade con filamenti a incandescenza. In questo caso, si formano perdite minime di potenza utile a causa del basso riscaldamento degli elementi conduttivi.

Per questo motivo, viene creata un'alta efficienza di queste fonti. Ma possono essere utilizzati solo dove la struttura stessa è protetta, bloccata dal riscaldamento esterno.

Caratteristiche degli effetti di luce

Dopo la ricombinazione di buchi ed elettroni in diverse composizioni delle sostanze di giunzione pn, si crea un'emissione di luce disuguale. È consuetudine caratterizzarlo in base al parametro della resa quantica - il numero di quanti leggeri estratti per una singola coppia di cariche ricombinate.

Si forma e si presenta a due livelli del LED:

1. all'interno della stessa giunzione dei semiconduttori - interna;

2. nella progettazione dell'intero LED nel suo insieme - esterno.

Al primo livello, la resa quantica di singoli cristalli correttamente eseguiti può raggiungere un valore vicino al 100%. Ma, per garantire questo indicatore, è necessario creare grandi correnti e una potente dissipazione del calore.

All'interno della sorgente stessa, al secondo livello, parte della luce viene diffusa e assorbita da elementi strutturali, il che riduce l'efficienza complessiva della radiazione. Il valore massimo della resa quantica è molto inferiore. Per i LED che emettono uno spettro rosso, non raggiunge più del 55%, mentre per il blu diminuisce ancora di più, fino al 35%.

Tipi di trasmissione della luce colorata

I moderni LED emettono:

• giallo:

• verde;

• Rosso;

• blu;

• blu;

• luce bianca.

Spettro giallo verde, giallo e rosso

La giunzione pn si basa su fosfuri e arsenidi di gallio. Questa tecnologia è stata implementata alla fine degli anni '60 per gli indicatori di dispositivi elettronici e pannelli di controllo di mezzi di trasporto, cartelloni pubblicitari.

Tali dispositivi di emissione di luce hanno immediatamente superato le principali fonti di luce di quel tempo: le lampade a incandescenza e le hanno superate in termini di affidabilità, risorse e sicurezza.

Spettro blu

Gli emettitori degli spettri blu, blu-verde e soprattutto bianco non si sono prestati per molto tempo all'implementazione pratica a causa delle difficoltà della complessa soluzione di due problemi tecnici:

1. dimensioni limitate della zona proibita in cui viene effettuata la ricombinazione;

2. requisiti elevati per il contenuto di impurità.

Per ogni fase di aumento della luminosità dello spettro blu, è stato richiesto un aumento dell'energia dei quanti a causa dell'espansione della larghezza della zona proibita.

Il problema è stato risolto dall'inclusione di carburi di silicio SiC o nitruri nella sostanza a semiconduttore. Ma gli sviluppi del primo gruppo si sono rivelati avere un'efficienza troppo bassa e un piccolo rendimento di radiazione quantistica per una coppia di cariche ricombinate.

L'inclusione di soluzioni solide di selenuro di zinco nella giunzione dei semiconduttori ha contribuito ad aumentare la resa quantica. Ma tali LED avevano una maggiore resistenza elettrica alla giunzione.Per questo motivo, si sono surriscaldati e si sono rapidamente bruciati e le complesse strutture nella produzione di rimozione del calore per loro non hanno funzionato in modo efficace.

Per la prima volta, è stato creato un LED blu utilizzando sottili pellicole di nitruro di gallio depositate su un substrato di zaffiro.

Spettro bianco

Per ottenerlo, utilizzare una delle tre tecnologie sviluppate:

1. miscelazione del colore secondo il metodo RGB;

2. applicare tre strati di fosforo rosso, verde e blu al LED ultravioletto;

3. rivestimento del LED blu con strati di fosforo giallo-verde e verde-rosso.

Nel primo metodo, tre cristalli singoli vengono posizionati contemporaneamente su una singola matrice, ciascuno dei quali emette il proprio spettro RGB. Grazie al design del sistema ottico basato sull'obiettivo, questi colori sono mescolati e l'output risultante è una tinta bianca totale.

In un metodo alternativo, la miscelazione del colore avviene a causa della successiva irradiazione con radiazione ultravioletta dei tre strati costituenti di fosforo.

Caratteristiche della tecnologia dello spettro bianco

Tecnica RGB

Ti permette di:

• coinvolgere varie combinazioni di singoli cristalli nell'algoritmo di controllo dell'illuminazione, collegandoli alternativamente manualmente o con un programma automatizzato;

• causare varie sfumature di colore che cambiano nel tempo;

• creare spettacolari sistemi di illuminazione per la pubblicità.

Un semplice esempio di tale implementazione è ghirlande di natale di colore. Algoritmi simili sono anche ampiamente utilizzati dai progettisti.

Gli svantaggi dei LED RGB sono:

• colore eterogeneo del punto luminoso al centro e ai bordi;

• il riscaldamento irregolare e la rimozione del calore dalla superficie della matrice, determinando diversi tassi di invecchiamento delle giunzioni p-n, influendo sul bilanciamento del colore, modificando la qualità generale dello spettro bianco.

Questi svantaggi sono causati dalla diversa disposizione dei singoli cristalli sulla superficie di base. Sono difficili da riparare e configurare. Grazie a questa tecnologia, i modelli RGB sono tra i progetti più complessi e costosi.

LED con fosforo

Sono più semplici nel design, più economici da produrre, più economici se convertiti in unità di radiazione del flusso luminoso.

Sono caratterizzati da svantaggi:

• nello strato di fosforo ci sono perdite di energia luminosa, che riducono l'emissione di luce;

• la complessità della tecnologia per l'applicazione di uno strato uniforme di fosforo influisce sulla qualità della temperatura del colore;

• Il fosforo ha una durata inferiore rispetto al LED stesso e invecchia più velocemente durante l'uso.

Caratteristiche dei LED di diversi design

Modelli di fosforo e prodotti RGB sono creati per varie applicazioni industriali e domestiche.

Metodi Nutrizionali

Il LED indicatore delle prime uscite di massa ha consumato circa 15 mA se alimentato da un valore leggermente inferiore a due volt di tensione costante. I prodotti moderni hanno caratteristiche migliorate: fino a quattro volt e 50 mA.

I LED per l'illuminazione sono alimentati dalla stessa tensione, ma consumano già diverse centinaia di milliampere. I produttori stanno attualmente sviluppando e progettando attivamente dispositivi fino a 1 A.

Al fine di aumentare l'efficienza dell'emissione luminosa, vengono creati moduli LED che possono utilizzare un'alimentazione di tensione sequenziale per ciascun elemento. In questo caso, il suo valore aumenta a 12 o 24 volt.

Quando si applica la tensione al LED, è necessario tenere conto della polarità. Quando viene interrotta, la corrente non passa e non vi sarà alcun bagliore. Se viene utilizzato un segnale sinusoidale alternato, il bagliore si verifica solo quando viene trasmessa una semionda positiva. Inoltre, la sua forza cambia anche in modo proporzionale in base alla legge dell'apparenza della magnitudine corrente corrispondente con una direzione polare.

Va tenuto presente che con una tensione inversa è possibile una rottura di una giunzione a semiconduttore. Si verifica quando si superano i 5 volt su un singolo cristallo.

Metodi di gestione

Per regolare la luminosità della luce emessa, viene utilizzato uno dei due metodi di controllo:

1. l'entità della tensione collegata;

2. utilizzo Modulazione di larghezza di impulso - PWM.

Il primo metodo è semplice ma inefficiente. Quando il livello di tensione scende al di sotto di una certa soglia, il LED può semplicemente spegnersi.

Il metodo PWM elimina questo fenomeno, ma è molto più complicato nell'implementazione tecnica. La corrente passata attraverso la giunzione a semiconduttore del singolo cristallo non è fornita da una forma costante, ma da un'alta frequenza pulsata con un valore da diverse centinaia a mille hertz.

Modificando la larghezza degli impulsi e le pause tra di loro (il processo è chiamato modulazione), la luminosità del bagliore viene regolata su un ampio intervallo. La formazione di queste correnti attraverso singoli cristalli viene effettuata da speciali unità di controllo programmabili con algoritmi complessi.

Spettro di emissione

La frequenza della radiazione che emerge dal LED si trova in una regione molto stretta. Si chiama monocromatico. È fondamentalmente diverso dallo spettro delle onde che emana dal Sole o dai filamenti incandescenti delle normali lampadine.

Si discute molto sull'effetto di tale illuminazione sull'occhio umano. Tuttavia, i risultati di serie analisi scientifiche su questo problema non ci sono noti.

produzione

Nella produzione di LED, viene utilizzata solo una linea automatica, in cui le macchine robotizzate operano secondo una tecnologia pre-progettata.

Il lavoro manuale fisico di una persona è completamente escluso dal processo di produzione.

Gli specialisti addestrati svolgono solo il controllo sul corretto corso della tecnologia.

Anche l'analisi della qualità dei prodotti è una loro responsabilità.