Poluprovodnički uređaji koji emituju svjetlost se široko koriste za rad rasvjetnih sistema i kao indikatori električne struje. Oni pripadaju elektronskih uređaja rade pod primijenjenim naponom.

Budući da je njegova vrijednost neznatna, takvi izvori se svrstavaju u niskonaponske uređaje i imaju povećan stepen sigurnosti u pogledu djelovanja električne struje na ljudski organizam. Rizik od ozljeda se povećava kada se izvori visokog napona, kao što je kućna mreža, koriste za njihovo osvjetljavanje, što zahtijeva da se u strujno kolo uključe posebna napajanja.

Posebnost dizajna LED-a je veća mehanička čvrstoća kućišta od Ilyichovih i fluorescentnih svjetiljki. At ispravan rad rade dugo i pouzdano. Njihov resurs je 100 puta veći od užarenih niti i dostiže sto hiljada sati.

Međutim, ovaj indikator je tipičan za strukture indikatora. Za moćne izvore, povećane struje se koriste za rasvjetu, a vijek trajanja se smanjuje za 2-5 puta.

Konvencionalna indikatorska LED dioda izrađena je u epoksidnom kućištu promjera 5 mm i dva kontaktna voda za spajanje na strujne krugove:. Vizuelno se razlikuju po dužini. Novi uređaj bez presečenih kontakata ima kraću katodu.

Jednostavno pravilo pomaže da zapamtite ovu poziciju: obje riječi počinju slovom "K":

Kada su noge LED diode odsječene, tada se anoda može odrediti primjenom napona od 1,5 volti na kontakte iz jednostavnog AA baterija: Svjetlo se pojavljuje kada se polariteti podudaraju.

Aktivni poluvodički monokristal koji emituje svjetlost ima oblik pravokutnog paralelepipeda. Postavlja se u blizini reflektirajućeg paraboličnog reflektora napravljenog od legure aluminija i montiranog na podlogu s neprovodljivim svojstvima.

Na kraju svjetlosnog prozirnog kućišta od polimernih materijala nalazi se sočivo koje fokusira svjetlosne zrake. On, zajedno sa reflektorom, čini optički sistem koji formira ugao fluksa zračenja. Karakterizira ga shema zračenja LED diode.

Karakterizira odstupanje svjetlosti od geometrijske ose ukupne strukture prema stranama, što dovodi do povećanja raspršenja. Ova pojava nastaje usled pojave manjih tehnoloških kršenja tokom proizvodnje, kao i starenja optičkih materijala tokom rada i nekih drugih faktora.

Na dnu kućišta može se nalaziti aluminijski ili mesingani remen, koji služi kao radijator za odvođenje topline koja nastaje prilikom prolaska električne struje.

Ovaj princip dizajna je široko rasprostranjen. Na njegovoj osnovi nastaju i drugi poluvodički izvori svjetlosti korištenjem drugih oblika strukturnih elemenata.

Principi svetlosne emisije

poluprovodnički spoj p-n tip povežite se sa izvorom konstantan napon prema polaritetu izlaza.

Unutar kontaktnog sloja tvari p- i n-tipa, pod njegovim djelovanjem, počinje kretanje slobodnih negativno nabijenih elektrona i rupa, koji imaju predznak pozitivnog naboja. Ove čestice su usmjerene prema polovima koji ih privlače.

U prelaznom sloju naelektrisanja se rekombinuju. Elektroni prelaze iz provodnog pojasa u valentni pojas, prevazilazeći Fermijev nivo.

Zbog toga se dio njihove energije oslobađa oslobađanjem svjetlosnih valova različitog spektra i svjetline. Frekvencija talasa i reprodukcija boja zavise od vrste mešanih materijala od kojih je napravljen.

Za emitiranje svjetlosti unutar aktivne zone poluprovodnika moraju biti ispunjena dva uslova:

1. Širina pojasa u aktivnom području treba da bude bliska energiji emitovanih fotona unutar frekvencijskog opsega vidljivog ljudskom oku;

2. Čistoća poluvodičkih kristalnih materijala mora biti visoka, a broj defekata koji utiču na proces rekombinacije mora biti što manji.

Ovaj kompleks tehnički zadatak riješeno na nekoliko načina. Jedna od njih je stvaranje nekoliko p-n slojeva prelaze kada se formira složena heterostruktura.

Temperaturni efekat

Sa povećanjem naponskog nivoa izvora, jačina struje kroz sloj poluprovodnika raste i sjaj se povećava: povećan broj naelektrisanja po jedinici vremena ulazi u zonu rekombinacije. Istovremeno se zagrijavaju elementi koji nose struju. Njegova vrijednost je kritična za materijal unutrašnjih strujnih vodova i materijal p-n spoja. Previsoka temperatura može ih oštetiti, uništiti.

Unutar LED dioda, energija električne struje se pretvara u svjetlost direktno, bez nepotrebnih procesa: ne kao žarulje sa žarnom niti. U ovom slučaju nastaju minimalni gubici korisne snage, zbog niskog zagrijavanja provodnih elemenata.

Zbog toga se stvara visoka efikasnost ovih izvora. Ali, mogu se koristiti samo tamo gdje je sama konstrukcija zaštićena, blokirana od vanjskog grijanja.

Karakteristike svjetlosnih efekata

Tokom rekombinacije rupa i elektrona u različitim sastavima supstance p-n tranzicija stvara neravnomjernu emisiju svjetlosti. Uobičajeno je karakterizirati ga parametrom kvantnog prinosa - brojem odabranih svjetlosnih kvanta za jedan rekombinovani par naboja.

Formira se i javlja na dva nivoa LED diode:

1. unutar samog spoja poluprovodnika - unutrašnji;

2. u dizajnu cijele LED diode u cjelini - eksterno.

Na prvom nivou, kvantni prinos pravilno napravljenih monokristala može dostići vrednost blizu 100%. Ali, da bi se osigurao ovaj indikator, potrebno je stvoriti velike struje i snažno uklanjanje topline.

Unutar samog izvora, na drugom nivou, dio svjetlosti se raspršuje i apsorbira od strane konstrukcijskih elemenata, što smanjuje ukupnu efikasnost zračenja. Maksimalna vrijednost kvantnog prinosa je ovdje mnogo manja. Za LED diode koje emituju crveni spektar, ne doseže više od 55%, dok se za plave smanjuje još više - do 35%.

Vrste prikaza boja svjetlosti

Moderne LED diode emituju:

• Bijelo svjetlo.

Žuto-zeleni, žuti i crveni spektar

IN osnova p-n tranzicije, koriste se fosfidi i galijum arsenidi. Ova tehnologija je implementirana krajem 60-ih za indikatore elektronskih uređaja i kontrolne table transportne opreme, bilborde.

Što se tiče izlazne svjetlosti, takvi uređaji su odmah pretekli glavne izvore svjetlosti tog vremena - žarulje sa žarnom niti - i nadmašili ih po pouzdanosti, resursima i sigurnosti.

plavi spektar

Emiteri plavog, plavo-zelenog i posebno bijelog spektra dugo vremena nisu bili pogodni za praktičnu primjenu zbog poteškoća u sveobuhvatnom rješavanju dva tehnička problema:

1. ograničena veličina pojasa u kojem se rekombinacija odvija;

2. visoki zahtjevi za sadržajem nečistoća.

Za svaki korak povećanja svjetline plavog spektra, bilo je potrebno povećanje energije fotona zbog širenja pojasa.

Problem je riješen uključivanjem silicijum karbida SiC ili nitrida u poluvodičku tvar. Ali, pokazalo se da razvoji prve grupe imaju prenisku efikasnost i mali prinos fotonskog zračenja za jedan rekombinovani par naelektrisanja.

Uključivanje čvrstih rastvora na bazi cink selenida u poluprovodnički prelaz pomoglo je povećanju kvantnog prinosa. Ali, takve LED diode su imale povećan električni otpor na tranziciji. Zbog toga su se pregrijavali i brzo izgorjeli, a dizajni odvođenja topline koji su bili teški za proizvodnju nisu im djelovali efikasno.

Po prvi put je napravljena plava dioda koja emituje svjetlo korištenjem tankih filmova galij nitrida nanesenih na safirnu podlogu.

bijeli spektar

Za njegovo dobijanje koristi se jedna od tri razvijene tehnologije:

1. miješanje boja RGB metodom;

2. nanošenje tri sloja crvenog, zelenog i plavog fosfora na ultraljubičastu LED;

3. premazivanje plave LED diode slojevima žuto-zelenog i zeleno-crvenog fosfora.

U prvoj metodi, tri monokristala se postavljaju na jednu matricu odjednom, od kojih svaki emituje svoj vlastiti RGB spektar. Zbog dizajna optičkog sistema zasnovanog na sočivu, ove boje su pomešane i rezultat je totalna bela nijansa.

U alternativnoj metodi, do miješanja boja dolazi zbog uzastopnog izlaganja ultraljubičastom zračenju tri sastavna sloja fosfora.

Karakteristike tehnologija bijelog spektra

RGB tehnika

Omogućava:

koristiti različite kombinacije monokristala u algoritmu upravljanja rasvjetom, povezujući ih jedan po jedan ručno ili automatskim programom;

uzrokuju različite nijanse boja koje se mijenjaju tokom vremena;

stvoriti spektakularne rasvjetne komplekse za oglašavanje.

Jednostavan primjer takve implementacije je . Slične algoritme također naširoko koriste dizajneri.

Nedostaci RGB LED dizajna su:

neujednačena boja svjetlosne mrlje u sredini i rubovima;

neravnomjerno zagrijavanje i odvođenje topline s površine matrice, što dovodi do različite brzine p-n starenje prijelazi koji utiču na balansiranje boja, mijenjaju ukupni kvalitet bijelog spektra.

Ovi nedostaci su uzrokovani različitim rasporedom monokristala na osnovnoj površini. Teško ih je ukloniti i prilagoditi. Zahvaljujući ovoj RGB tehnologiji, modeli su među najkompleksnijim i najskupljim razvojima.

Fosforne LED diode

Jednostavniji su u dizajnu, jeftiniji za proizvodnju, ekonomičniji u smislu jediničnog zračenja. svjetlosni tok.

Odlikuju ih nedostaci:

u sloju fosfora se gubi svjetlosna energija, što smanjuje izlaz svjetlosti;

složenost tehnologije nanošenja ravnomjernog sloja fosfora utječe na kvalitetu temperature boje;

Fosfor ima kraći resurs od same LED diode i brže stari tokom rada.

Karakteristike LED dioda različitih dizajna

Modeli s fosforom i RGB-proizvodima kreirani su za različite industrijske i kućne primjene.

Metode ishrane

Indikatorska LED dioda prve masovne proizvodnje trošila je oko 15 mA kada se napajala sa nešto manje od dva volta jednosmjernog napona. Moderni proizvodi imaju poboljšane performanse: do četiri volta i 50 mA.

LED diode za rasvjetu se napajaju istim naponom, ali već troše nekoliko stotina miliampera. Proizvođači sada aktivno razvijaju i dizajniraju uređaje do 1 A.

Da bi se povećala efikasnost svetlosnog izlaza, LED moduli, koji može koristiti serijski napon za svaki element. U ovom slučaju, njegova vrijednost se povećava na 12 ili 24 volta.

Prilikom dovođenja napona na LED, polaritet se mora uzeti u obzir. Kada se pokvari, struja ne prolazi i neće biti sjaja. Ako se koristi naizmjenični sinusoidni signal, tada se sjaj javlja samo kada prođe pozitivan poluval. Štaviše, njegova se snaga također proporcionalno mijenja prema zakonu pojavljivanja odgovarajuće vrijednosti struje sa polarnim smjerom.

Treba imati na umu da je s obrnutim naponom moguć slom poluvodičkog spoja. Javlja se kada se na jednom kristalu prekorači napon od 5 volti.

Metode kontrole

Za podešavanje svjetline emitirane svjetlosti koristi se jedna od dvije metode kontrole:

1. vrijednost priključnog napona;

Prvi način je jednostavan, ali neefikasan. Kada nivo napona padne ispod određenog praga, LED se može jednostavno ugasiti.

PWM metoda isključuje takav fenomen, ali je mnogo teža u tehničkoj implementaciji. Struja koja prolazi kroz poluvodički spoj jednog kristala ne dovodi se u konstantnom obliku, već u impulsnoj visokoj frekvenciji s vrijednošću od nekoliko stotina do hiljadu herca.

Promjenom širine impulsa i pauza između njih (proces se naziva modulacija), svjetlina sjaja se podešava u širokom rasponu. Formiranje ovih struja kroz monokristale vrši se pomoću posebnih programabilnih upravljačkih jedinica sa složenim algoritmima.

Spektar zračenja

Frekvencija zračenja koje izlazi iz LED diode leži u vrlo uskom području. Naziva se monohromatskim. On se suštinski razlikuje od spektra talasa koji emituju sa Sunca ili užarenih vlakana konvencionalnih lampi.

Mnogo se raspravlja o efektu takvog osvjetljenja na ljudsko oko. Međutim, rezultati ozbiljnih naučnih analiza ovog pitanja su nam nepoznati.

Proizvodnja

U proizvodnji LED dioda koristi se samo automatska linija u kojoj robotske mašine rade prema unaprijed osmišljenoj tehnologiji.

Fizički ručni rad osobe potpuno je isključen iz procesa proizvodnje.

Obučeni stručnjaci kontrolišu samo ispravan tok tehnologije.

Analiza kvaliteta proizvoda je takođe uključena u njihove nadležnosti.

Uređaji za rasvjetu sa LED diodama poslednjih godina napredovanje u pobedničkom maršu. Na policama prodavnica veliki izbor Kineske LED baterijske lampe, po cijeni ne mnogo višoj od cijene baterija uključenih u njih, koje sijaju jače i duže od svojih kolega sa sijalicama unutra. Zbog čega je LED bio u tako pobjedničkoj poziciji?

Za one koji ne znaju: LED je poluvodički uređaj u kojem struja pretvaraju se direktno u svjetlost. Dioda - to jest, sposobna je da propušta struju samo u jednom smjeru (pogledajte članak Kako dioda radi) Usput, na engleskom se LED dioda naziva dioda koja emitira svjetlost ili LED.

LED dioda se sastoji od poluvodičkog kristala na neprovodnoj podlozi, kućišta sa kontaktnim vodovima i optičkog sistema. Kako bi se poboljšala trajnost, prostor između kristala i plastične leće ispunjen je prozirnim silikonom. Aluminijska baza služi za uklanjanje viška topline. Za šta je, moram reći, dodijeljen vrlo mali iznos.

Sjaj u poluvodičkom kristalu nastaje rekombinacijom elektrona i rupa u području p-n spoja. Područje p-n spoja formirano je kontaktom dva poluprovodnika sa različite vrste provodljivost. Da bi se to postiglo, slojevi koji su blizu kontakta poluvodičkog kristala su dopirani različitim nečistoćama: s jedne strane akceptor, s druge donor.

Da bi p-n spoj emitovao svjetlost, pojas u aktivnom području LED diode mora biti blizu energije kvanta vidljive svjetlosti. Drugo, poluvodički kristal bi trebao sadržavati nekoliko defekata zbog kojih dolazi do rekombinacije bez zračenja. Da bi se ispunila oba uslova, često jedan pn spoj u kristalu nije dovoljan, pa su proizvođači primorani da proizvode višeslojne poluprovodničke strukture, takozvane heterostrukture.

Očigledno, što više struje prolazi kroz LED diodu, to svjetlije svijetli, jer to više aktuelniji, što više elektrona i rupa ulazi u zonu rekombinacije po jedinici vremena. Međutim, zbog unutrašnjeg otpora poluvodiča i p-n spoja, dioda se zagrijava i može izgorjeti pri velikoj struji - olovne žice će se otopiti ili će sam poluvodič izgorjeti.

Za razliku od žarulja sa žarnom niti, električna struja u LED diodama se pretvara direktno u svjetlosno zračenje, uz mali gubitak topline. Kao rezultat toga, LED diode su nekoliko redova veličine ekonomičnije i nezamjenjivije u onim uređajima gdje je grijanje neprihvatljivo. Karakteristika LED dioda je emisija u uskom dijelu spektra. Zbog toga se zaljubio u dizajnere za proizvodnju svjetleće reklame i unutarnje dekoracije. UV i IR zračenje, po pravilu, nema u LED diodama. LED ima visoku mehaničku čvrstoću i pouzdanost. Vijek trajanja LED-a doseže 100 hiljada sati, što je skoro 100 puta duže od sijalice sa žarnom niti, i 5 do 10 puta duže od fluorescentne lampe. Konačno, LED je niskonaponski električni aparat, a samim tim i siguran.

Jedini nedostatak tehnologije je visoka cijena. Na ovog trenutka cijena jednog lumena koji emituje LED je 100 puta veća od lumena koji emituje lampa sa žarnom niti. Međutim, proizvođači predviđaju smanjenje ovog pokazatelja u narednim godinama za 10 puta.

LED diode na bazi fosfida i galij arsenida koji emituju u žuto-zelenoj, žutoj i crvenoj oblasti spektra razvijene su još 60-ih - 70-ih godina prošlog veka. Korišćeni su u svetlosnim indikatorima, semaforima, instrument tablama automobila i aviona, reklamnim ekranima i raznim sistemima za vizuelizaciju informacija. Što se tiče izlazne svjetlosti, LED diode su pretekle konvencionalne lampe sa žarnom niti. U pogledu izdržljivosti, pouzdanosti, sigurnosti, također su ih nadmašili. Dugo vremena nije bilo LED dioda plave, plavo-zelene i bijele boje. Boja LED diode ovisi o pojasu u pojasu u kojem se rekombiniraju elektroni i rupe, odnosno o poluvodičkom materijalu i dodacima. Što je "plavija" LED, veća je kvantna energija, a samim tim i širi pojas.

Plave diode koje emituju svjetlost izrađene su na bazi poluprovodnika sa velikim razmakom - silicijum karbida, jedinjenja elemenata II i IV grupe ili nitrida elemenata III grupe. Međutim, pokazalo se da LED diode zasnovane na SiC imaju prenisku efikasnost i nizak kvantni prinos zračenja (to jest, broj emitovanih fotona po rekombinovanom paru). LED diode na bazi čvrstih rastvora cink selenida ZnSe imale su veći kvantni prinos, ali su se pregrejale zbog velikog otpora i ispostavile se da su kratkotrajne. Prva plava dioda koja emituje svjetlost proizvedena je na bazi filmova galij nitrida na safirnoj(!) podlozi.

Kvantni prinos je broj emitovanih svjetlosnih kvanta po rekombinovanom paru elektron-rupa. Razlikujte unutrašnji i eksterni kvantni prinos. Unutrašnji je u samom p-n spoju, vanjski je za uređaj u cjelini (na kraju krajeva, svjetlost se može izgubiti "usput" - apsorbirati, raspršiti). Unutrašnja kvantna efikasnost za dobre kristale sa dobrom disipacijom toplote dostiže skoro 100%, spoljni rekord kvantne efikasnosti za crvene LED diode je 55%, a za plave - 35%. Eksterna kvantna efikasnost je jedna od glavnih karakteristika performansi LED-a.

Bijelo svjetlo iz LED dioda može se dobiti na nekoliko načina. Prvi je mešanje boja pomoću RGB tehnologije. Crvena, plava i zelena LED diode su gusto postavljene na jednu matricu, čije se zračenje miješa pomoću optičkog sistema, kao što je sočivo. Rezultat je bijela svjetlost. Druga metoda je da se tri fosfora nanose na površinu LED diode koja emituje u ultraljubičastom opsegu (ima ih), emitujući, respektivno, plavo, zeleno i crveno svjetlo. Zasnovan na principu fluorescentne lampe. Treći način je kada se žuto-zeleni ili zeleno-crveni fosfor nanese na plavu LED diodu. U ovom slučaju se miješaju dva ili tri zračenja, formirajući bijelo ili blizu bijelog svjetla.

Svaka metoda ima svoje prednosti i nedostatke. RGB tehnologija u principu omogućava ne samo dobijanje bijele boje, već i kretanje kroz grafikon boja kada se struja mijenja kroz različite LED diode. Ispada čitav rasvjetni kompleks, koji se može kontrolirati ručno ili kroz program. Takve efekte naširoko koriste dizajneri i proizvođači. Božićni vijenci i sličnih uređaja. Osim toga, veliki broj LED dioda u matrici osigurava visok ukupni svjetlosni tok i veliki aksijalni svjetlosni intenzitet. Nedostatak sistema je nejednaka boja u centru svetlosne tačke i duž ivica. Osim toga, zbog neravnomjernog odvođenja topline s rubova matrice i iz njegove sredine, LED diode se različito zagrijavaju, te se, shodno tome, njihova boja mijenja tokom starenja na različite načine - ukupna temperatura boje i boja "plutaju" tokom rada. Ovu neugodnu pojavu je prilično teško i skupo nadoknaditi. Bijele LED diode s fosforom su znatno jeftinije od RGB LED matrica (u smislu jedinice svjetlosnog toka) i omogućavaju vam da dobijete dobru bijelu boju. Njihovi nedostaci: prvo, imaju manji izlaz svjetlosti od RGB matrica zbog konverzije svjetlosti u sloju fosfora; drugo, prilično je teško precizno kontrolisati ujednačenost taloženja fosfora u tehnološkom procesu i, posljedično, temperaturu boje; i na kraju, treće, fosfor takođe stari, i to brže od same LED diode.

Industrija proizvodi i LED diode s fosforom i RGB matricu - imaju različite primjene. Konvencionalna LED dioda koja se koristi za indikaciju troši od 2 do 4 V DC pri struji do 50 mA. LED koja se koristi za rasvjetu crpi isti napon, ali je struja veća - od nekoliko stotina mA do 1A u projektu. U LED modulu pojedinačne LED diode mogu biti povezane u seriju i ukupni napon je veći (obično 12 ili 24 V).

Prilikom povezivanja LED-a, morate se pridržavati polariteta, inače uređaj može pokvariti. Probojni napon je obično preko 5V za jednu LED diodu. Svjetlost LED-a karakteriziraju svjetlosni tok i aksijalni intenzitet svjetlosti, kao i obrazac usmjerenosti. Postojeće LED diode različitih dizajna emituju pod solidnim uglom od 4 do 140 stepeni. Boja je, kao i obično, određena koordinatama hromatike i temperatura boje, kao i talasnu dužinu zračenja.

Svjetlina LED dioda se reguliše ne smanjenjem napona napajanja, već metodom takozvane pulsno-širinske modulacije (PWM). Za to je potrebna posebna upravljačka jedinica. PWM metoda se sastoji u činjenici da se na LED ne dovodi konstantna, već impulsno modulirana struja, a frekvencija signala treba biti stotine ili tisuće herca, a širina impulsa i pauza između njih može se mijenjati. Prosječna svjetlina LED-a se može kontrolirati dok se LED ne gasi.

LED diode su prilično izdržljive, međutim, vijek trajanja LED dioda velike snage je kraći od onih sa signalizacijom male snage. Međutim, trenutno je to 20 - 50 hiljada sati. Starenje se izražava prvenstveno u smanjenju svjetline i promjeni boje.

Spektar emisije LED dioda je blizak monohromatskom, što je njegova suštinska razlika od spektra sunca ili žarulje sa žarnom niti. Ozbiljne studije o uticaju takvog osvetljenja na vid nikada nisu sprovedene.

U ovom informativnom članku pokušat ćemo u potpunosti opisati princip rada LED dioda svih vrsta koje danas postoje u prirodi. Razmotrimo opći LED uređaj i shvatimo kako se dobivaju diode koje emitiraju svjetlost. različite boje.

Vjerovatno svi znaju da je princip rada LED-a da "svjetli" kada je spojen na izvor napajanja. Međutim, kako se to postiže? Pogledajmo pobliže ovo pitanje.

Da bi se stvorio vidljivi svjetlosni tok, dizajn LED-a predviđa prisutnost dva poluvodiča, od kojih jedan mora sadržavati slobodne elektrone u svom sastavu, a drugi mora sadržavati "rupe".

Dakle, dolazi do "P-N" prijelaza između poluvodiča, uslijed čega elektroni iz donora prelaze u drugi poluvodič (primalac) i zauzimaju slobodne rupe uz oslobađanje fotona. Ova reakcija se odvija samo u prisustvu izvora jednosmerna struja.

Princip djelovanja je demontiran, ali zbog čega se ovaj proces događa? Za to je potrebno razmotriti karakteristika dizajna LED.

Kako LED radi

Bez obzira na LED model (COB, OLED, SMD, itd.), sastoje se od sljedećih elemenata:

1. Anoda (dovod pozitivnog polutalasa na kristal);
2. Katoda (napajanje negativnog polutala jednosmerne struje na poluprovodnički kristal);
3. Reflektor (odbija svjetlosni tok na difuzor);
4. Poluprovodnički čip ili kristal (zračenje svjetlosnog toka zbog "P-N" prijelaza);
5. (povećanje ugla LED diode).

Pogledajmo sada načine za dobijanje različitih boja.

Dobivanje LED diode određene boje

Ranije smo analizirali princip rada LED-a i otkrili da se svjetlosni tok formira kada se u poluvodiču dogodi “P-N” prijelaz uz oslobađanje fotona vidljivih ljudskom oku. Međutim, kako možete postići drugačiji sjaj LED-a? Za to postoji nekoliko opcija. Razmotrimo svaki od njih.

Phosphor Coating

Ova tehnologija vam omogućava da dobijete gotovo bilo koju boju, ali se često koristi za dobivanje bijelih LED dioda. Za to se koristi poseban reagens - fosfor, koji je obložen crvenom ili plavom LED diodom. Nakon obrade, plava dioda koja emituje svjetlo počinje svijetliti bijelom bojom.

RGB - tehnologija

Ovaj tip uređaja može emitovati bilo koju nijansu svjetlosnog spektra zahvaljujući korištenju 3 LED diode u jednom kristalu: crvene, zelene i plave. U zavisnosti od intenziteta sjaja svakog od njih, emitovana svetlost se menja.

Primjena raznih dodataka i raznih poluvodiča

Zahvaljujući ovoj tehnologiji, talasna dužina emitovanog svetlosnog toka u "P-N" prelaznoj zoni se menja. I kao što znate, u zavisnosti od talasne dužine, njegova se boja menja. To se jasnije može vidjeti na sljedećoj fotografiji:

Sada pogledajmo sljedeće pitanje: koje su električne karakteristike ovih uređaja i što je potrebno za njihov pouzdan rad.

Električne karakteristike

LED diode su uređaji koji emituju svjetlosni tok kada kroz njih prođe stabilizirani jednosmjerni napon male vrijednosti (3-5V). Stvaranjem razlike potencijala na anodi i katodi, u kristalu nastaje električna struja koja stvara svjetlosni tok.

Za potpuni rad LED-a, trenutna vrijednost treba biti na nivou od 20-25 mA. Međutim, za LED diode velike snage, potrošnja struje može doseći 1400 mA.

Kako napon napajanja raste, struja raste eksponencijalno. To znači da se uz blagi skok napona napajanja jačina struje višestruko povećava, što može dovesti do povećanja temperature i kvara diode koja emitira svjetlost (čitaj,). Iz tog razloga izvor istosmjernog napona mora biti stabiliziran pomoću posebnih mikro krugova.

Sada razmotrite glavne vrste LED-a, njihove prednosti i nedostatke.

Tip indikatora LED uređaj (DIP)

Ova vrsta LED dioda je "pionir" u ovoj oblasti LED tehnologija. Namijenjeni su industriji kao indikatori.

Sastoje se od kućišta od 3 ili 5 mm, anode, katode, kristala, zlata (in budžetske opcije bakar) provodnik koji povezuje anodu sa kristalom i difuzorom.

U praksi se koriste vrlo rijetko, jer. imaju niz nedostataka:

• velika veličina;
• mali ugao sjaja (do 120 0);
• nizak kvalitet kristala (s produženim radom, svjetlina zračenja pada na 70%);
• slab svjetlosni tok zbog niskog propusnog opsega kristala (do 20mA).

Kako moćna LED dioda radi

Snažne diode koje emituju svjetlost (na primjer, firme) dizajnirane su za stvaranje intenzivnog svjetlosnog toka propuštanjem velike struje kroz kristal (do 1400 mA).

Na kristalu se oslobađa velika količina topline, koja se s poluvodičkog kristala uklanja uz pomoć aluminija. Takođe, ovaj radijator služi kao reflektor za povećanje svjetlosnog toka.

Za pouzdan rad snažnih LED dioda, potrebno je u krugu imati poseban protok elektrona dizajniran za prolazak velikog toka elektrona, koji, osim stabilizacije napona, mora ograničiti struju koja odgovara nominalnom radu uređaja. .

Filament LED uređaj

Dizajn

LED diode sa filamentom su uređaji koji se sastoje od safira ili običnog stakla prečnika ne većeg od 1,5 mm i posebno uzgojenih poluvodičkih kristala (28 komada) povezanih u seriju na izolovanoj podlozi.

Ove LED diode su smještene u posebnu tikvicu obloženu fosforom, zbog čega možete dobiti bilo koju boju. Glavna prednost LED uređaja razvijenih ovom tehnologijom je ugao sjaja koji dostiže 360 ​​0 .

Diode koje emituju žarulje su klasifikovane kao COB od strane nekih izvora (pogledajte odjeljak u nastavku) jer se kristali uzgajaju na staklu ili safiru korištenjem slične tehnologije.

Uređaj i princip rada COB LED

COB tehnologija ili Chip-On-Board je jedan od modernih razvoja u oblasti elektronike, koji se sastoji u postavljanju velikog broja poluvodičkih kristala pomoću dielektričnog ljepila na aluminijsku podlogu. Također, moguća je izrada LED dioda ovog tipa na staklenoj matrici (COG), ali je princip rada kod njih isti.

Dobivena matrica je obložena fosforom. Kao rezultat, moguće je postići ujednačen sjaj COB LED-a bilo koje nijanse na cijelom području. Ovi uređaji se široko koriste u razvoju televizora, laptopa i tableta.

Princip rada

Unatoč činjenici da COB LED diode imaju specifično ime, princip njihovog rada je potpuno sličan konvencionalnim indikatorskim diodama koje emituju svjetlo razvijenim 1962. godine. Kada struja prolazi kroz poluvodičke kristale, javlja se "P-N" spoj i, kao rezultat, svjetlosni tok.

Posebnost ovog tipa uređaja je prisutnost veliki broj kristali, što vam omogućava da dobijete intenzivniji svjetlosni tok.

Uređaj i princip rada OLED organske diode koja emituje svjetlost

Najnoviji napredak u proizvodnji je OLED tehnologija. Omogućava proizvodnju high-tech televizora sa tankim ekranom, minijaturnih pametnih telefona, tableta i mnogih drugih uređaja koji su nezamjenjivi u moderno društvo.

OLED uređaj

OLED dioda koja emituje svjetlost sastoji se od:

• anoda napravljena od mješavine indijevog oksida s kositrom;
• folije, staklene ili plastične podloge;
• katoda od aluminija ili kalcija;
• zračeći sloj na bazi polimera;
• provodljivi sloj organske materije.

Kako ova tehnologija funkcionira?

Princip rada OLED-a je sličan COB, SMD i DIP LED diodama i sastoji se u formiranju "P-N" spoja u poluvodičima. ali karakteristična karakteristika OLED tehnologija je upotreba posebnih polimera koji čine sloj koji emituje svjetlost, zbog čega se LED povećava, svjetlosni tok vidljivog spektra i ugao sjaja.

Prednosti

• minimalne dimenzije;
• niska potrošnja energije;
• ravnomjeran sjaj na cijelom području;
• dug radni vek;
• produženi vijek trajanja;
• široki ugao sjaja (do 270 0);
• jeftino.

Pregledali smo glavne vrste dioda koje emituju svjetlost koje se koriste savremeni svet Međutim, zajedno s njima, korejski naučnici su otišli dalje i razvili LED diode na bazi vlakana, koje će, prema njihovim obećanjima, zamijeniti sve zastarjele tipove uređaja. Hajde da pogledamo šta su oni.

Uređaj i princip rada LED diode na bazi vlakana

Za proizvodnju LED dioda u ovoj niši koriste se polietilen tereftalat filamenti tretirani PEDOT:PSS otopinom polistiren sulfonata. Nakon obrade, nit buduće LED diode se suši na temperaturi od 130 0 C.

Nakon toga, predforma se obrađuje OLED tehnologijom sa posebnim poli-(p-fenilevinilen) polimerom, a rezultirajuća vlakna se oblažu tankim slojem suspenzije litijum-aluminijum fluorida.

zaključci

Pregledali smo glavne vrste LED dioda, kojih, kao što vidite, postoji ogroman broj. Međutim, svi su isti po načinu na koji rade.

Može se reći i da zbog upotrebe savremeni materijali i možete postići visoke tehničke performanse i pouzdaniji i duži vijek trajanja LED dioda.

Dioda koja emituje svetlost(engl. light emitting diode, ili LED) je elektronički uređaj napravljen na bazi poluvodiča (u većini slučajeva dopiranog silicija ili germanija), čiji se princip rada temelji na jednosmjernom provođenju uz oslobađanje svjetlosnog zračenja. .

LED uređaj

Kao i svaki poluvodič, LED je spoj poluvodičkog kristala p-tip(dopiran trovalentnim materijalom - na primjer In) sa poluvodičkim kristalom n-tip(dopiran petovalentnim materijalom - kao što je As), koji se formira p-n tranzicija.

Crystal p-tip ima svojstvo provodljivosti "rupa" - nosioci naboja u takvim kristalima su pozitivno nabijeni dijelovi kovalentnih veza kristala, kojima nedostaju elektroni (slika 1).

Slika 1. Provodljivost rupa poluprovodnika

Crystal n-tip ima elektronsku provodljivost - nosioci naboja u takvim kristalima su negativno nabijeni slobodni elektroni (slika 2).

Slika 2. Elektronska provodljivost poluprovodnika

Prilikom spajanja kristala p-tip sa kristalom n-tip u zoni njihovog kontakta se formira p-n tranzicija, koji ima svojstvo barijernog sloja (slika 3).
U području kontaktne tačke dva poluprovodnika n-tip i str-tip, javlja se proces difuzije: rupe iz str-područja ići n-regije, a elektroni, naprotiv, iz n-područja u str-region. Kao rezultat toga, u n-području u zoni barijernog sloja, koncentracija elektrona opada, što je praćeno pojavom pozitivno nabijenog sloja. IN str- regiji, uočava se smanjenje koncentracije rupa i pojavljuje se negativno nabijeni sloj. Tako se u području kontakta poluprovodnika formira dvostruki električni sloj čije polje sprečava proces difuzije elektrona i rupa jedna prema drugoj (slika 3).

Slika 3. P–n spoj blokirajućeg sloja

U slučaju veze n–str-prelazak na eksterni izvor struje tako da se njegov pozitivni pol spoji na str-područje, i negativ sa n- područje, tada će se indikator jačine električnog polja u sloju za blokiranje smanjiti i olakšati prijelaz glavnih nosilaca struje kroz kontaktni sloj. Kao rezultat toga, rupe str-površine i elektroni iz n- oblasti će se kretati jedna prema drugoj, ukrštajući se n–str-prijelaz, koji će stvoriti struju u smjer naprijed(Sl. 4).

Slika 4. Primjena napona na p–n spoj

Takođe, na mestu kontakta dva poluprovodnika (p - n spoj), kada se primeni električna energija, elektroni se rekombinuju sa rupama, a energija se oslobađa u obliku fotona svetlosti (slika 5).

Slika 5. Oslobađanje energije u obliku fotona svjetlosti

Za razliku od obične diode, LED ima velika površina kontakt na tački kontakta između dva poluprovodnika. Zbog toga je područje rekombinacije veće, a samim tim i sjaj je intenzivniji. Međutim, nije svaki p-n spoj sposoban osloboditi energiju u obliku fotona u spektru vidljive svjetlosti. To zavisi od pojasa, energija prevladavanja koja mora biti srazmjerna energiji kvanta spektra vidljive svjetlosti.

LED svjetlosna boja

Domet sjaj u boji LED diode zavise isključivo od pojasnog pojasa pn spoja. Tu se dešava rekombinacija elektrona i "rupa" uz oslobađanje fotona svjetlosti. Dakle, fizički, boja LED svjetla ovisi o materijalu poluvodiča i njegovim dodacima. Što je "plavlje" svjetlo LED-a, to je veća energija kvanta za prevazilaženje pojasnog pojasa p-n spoja, što znači da bi širi pojas trebao biti veći. Iz ovoga proizilazi da je promjenom pojasnog pojasa p-n spoja moguće dobiti sjaj bilo koje boje duge. A da biste dobili bijelu, morate kombinirati nastale boje.

Načini dobivanja bijelih LED dioda

Za dobivanje bijelog LED sjaja koriste se tri uobičajene metode:
1) Miješanje boja sjaja prema RGB tehnologiji (slika 6). Metoda se sastoji u tome da su crvene, plave i zelene LED diode gusto postavljene na jednu podlogu, čije se zračenje miješa zahvaljujući optičkom sistemu, kao što je plastično sočivo. Rezultat je bijela svjetlost.

Slika 6. RGB LED tehnologija proizvodnje

2) Zasnovano na tri LED diode koje emituju ultraljubičasto svjetlo. Zatim se na površinu svake od LED dioda nanosi premaz plavog, zelenog i crvenog fosfora. Tako fosfor počinje da sija u tri boje, a kada se ovaj sjaj pomeša sa sočivom, dobija se bijela boja.
3) Za osnovu se uzima plava LED dioda, na njenu površinu se nanosi zeleni i crveni (možda žuto-zeleni) fosfor. Tako se dobija bijeli ili blizu bijelog sjaja.

Slika 7. Tehnologija proizvodnje LED dioda sa fosfornim premazom

Svaka metoda dobivanja bijelog sjaja ima svoje prednosti i nedostatke.
Dakle, RGB tehnologija, pored svega, omogućava promjenu boje i temperature sjaja LED dioda promjenom jačine struje na svakoj od njih. Osim toga, koncentrirani smještaj tri LED diode u matrici omogućava vam da dobijete visok ukupni svjetlosni tok i svjetlosnu snagu. Međutim, ovaj sistem ne može da obezbedi ujednačenost sjaja cele svetlosne tačke, jer će sjaj u centru sistema biti svetliji nego na ivicama. To je zbog fenomena aberacije optičkog sistema.
Izrada LED dioda pomoću fosfora je mnogo jeftinija od RGB tehnologije. Međutim, nedostatak ovog sistema je brzo starenje fosfora (mnogo brže od LED čipa) i poteškoća u ravnomernom nanošenju fosfora na površinu LED čipa.

Električne karakteristike LED dioda

LED je poluvodički uređaj niske potrošnje energije. Raspon snage konvencionalnih indikatorskih LED dioda varira od 2 do 4 volta sa potrošnjom struje do 50 mA. LED diode namijenjene osvjetljavanju prostorija napajaju se istim naponom, ali je strujna potrošnja takvih uređaja mnogo veća i može doseći nekoliko ampera. Ponekad su LED moduli, koji se sastoje od pojedinačnih LED dioda, povezani u seriju, što povećava njihov ukupni napon napajanja.
Ali, pored činjenice da je napon napajanja LED dioda nizak, mora se i stabilizirati. To je zbog činjenice da napon napajanja LED dioda eksponencijalno ovisi o potrošnji struje (slika 8). Uz malo povećanje napona, potrošnja struje se povećava višestruko, što može dovesti do pregrijavanja uređaja i njegovog kvara. Stoga se za stabilizaciju napona napajanja LED-a koriste pretvarači ili drajveri (dizajnirani za stabilizaciju struje).

Slika 8. Volt-amperska karakteristika LED dioda

Podešavanje svjetline LED dioda

Vrlo često postoji potreba za promjenom svjetline LED diode. Ova radnja se nikada ne smije izvoditi snižavanjem napona napajanja LED dioda. Ovo se radi pomoću tehnike pulsne širine modulacije (PWM). Ova metoda se sastoji u izradi uređaja koji je impulsno modulirani generator struje sa frekvencijom izlaznog signala od stotina do hiljada herca, sa mogućnošću promjene širine impulsa i pauza između njih. Tako, korištenjem ovog uređaja, prosječna svjetlina napajane LED diode postaje kontrolisana, dok se LED ne gasi.

LED radni vijek

Vijek trajanja LED dioda ovisi uglavnom o načinu njihovog rada. Ako je ovo indikatorska dioda male snage, tada je njen vijek trajanja vrlo dug. To je zbog činjenice da je struja koja teče kroz njega mala i ne zagrijava fizički upareni pn spoj. Snažne LED diode su dizajnirane za radni vijek od 20-50 hiljada sati. Zbog velikih struja napajanja, p-n spoj je vrlo vruć, atomska rešetka kristala je olabavljena, uništavajući integritet p-n spoja. Dakle, starenje LED dioda u krajnjem rezultatu se izražava u smanjenju njihove svjetline. Dakle, ako se svjetlina LED-a smanji za 30% svoje izvorne svjetline, tada se mora zamijeniti.

U prijevodu s engleskog, skraćenica LED doslovno znači "dioda koja emituje svjetlost". Ovo je poluvodički uređaj sposoban transformirati električnu struju u svjetlosno zračenje. Ovo je jednostavno tijelo čiji se dizajn prilično razlikuje od rasvjetnih proizvoda na koje smo navikli (sijalice sa žarnom niti, lampe na pražnjenje, fluorescentne lampe itd.).

Kako LED radi, biće zanimljivo svima da znaju. Ovaj uređaj nema inherentno nepouzdane lomljive strukturne elemente i staklenu sijalicu (za razliku od drugih lampi). Cijena dioda je toliko niska da se ne razlikuje mnogo od baterija koje im služe kao izvor napajanja. Popularnost takvih proizvoda je zbog brojnih faktora, uključujući njihov dizajn.

Istorijat pojave

Kada razmatrate pitanje zašto LED diode rade, trebali biste proučiti povijest njihovog pojavljivanja. Prvi put je takav uređaj kreirao naučnik N. Holonyak 1962. godine. Bila je to jednobojna crvena svjetleća dioda. Imao je niz nedostataka, ali je sama tehnologija prepoznata kao obećavajuća.

10 godina nakon stvaranja crvene diode, pojavile su se zelene i žute sorte. Korišćeni su kao indikatori u mnogim elektronskim uređajima. Zahvaljujući naučnom razvoju, intenzitet svjetlosnog toka dioda se stalno povećava. 90-ih godina stvoren je iluminator s efikasnošću fluksa od 1 lumena.

1993. S. Nakamura je stvorio prvu plavu diodu, koja se odlikovala velikom svjetlinom. Od tog trenutka postalo je moguće stvoriti bilo koju boju spektra (uključujući bijelu). Tehnologija se neumoljivo razvijala.

Prilikom spajanja plavog i ultraljubičastog tipa dioda, dobiva se bijeli fosforni iluminator. Počeli su postepeno zamjenjivati ​​žarulje sa žarnom niti. Do 2005. godine proizvedene su diode sa svjetlosnim tokom do 100 lm i čak više. Počeli su proizvoditi bijela rasvjetna tijela s različitim nijansama (topla, hladna).

LED uređaj

Da biste razumjeli kako radi točkasta LED, potrebno je detaljno razmotriti njen uređaj. Ovo rasvjetno tijelo, prema riječima predstavnika Udruženja za razvoj optoelektronske industrije i Ministarstva energetike, uskoro će postati najpopularniji izvor rasvjete u običnim domovima, uredima i institucijama.

LED dioda je bazirana na poluvodičkom kristalu. Propušta struju samo u jednom smjeru. Kristal se nalazi na posebnoj podlozi. Ne provodi struju. Kućište štiti kristal od vanjskih utjecaja. Ima izlaze u vidu kontakata, kao i optički sistem.

Kako bi se produžio vijek trajanja uređaja, prostor između plastične leće i samog kristala ispunjen je prozirnom silikonskom komponentom. Za uklanjanje viška topline koristi se aluminijska baza. Ovo je uobičajeni uređaj moderne diode. Tokom rada emituje relativno malo, što je takođe prednost uređaja.

Princip rada

S obzirom na to kako LED dioda radi, potrebno je ući u osnovni princip rada takvih uređaja. Uređaj predstavljenog tipa ima jedan prijelaz elektron-rupa. To je povezano sa drugačiji princip provodljivost komponenti iluminatora. Jedan poluprovodnik ima višak elektrona, a drugi ima višak rupa.

Procesom dopinga, perforirani materijal je obogaćen nosiocima negativnog naboja. Ako se na mjesto obogaćivanja poluvodiča suprotnim naelektrisanjem dovede struja, dobiće se prednapon. Struja će teći kroz tranziciju ova dva materijala.

U ovom slučaju dolazi do fuzije nosilaca naboja s različitim električnim statusom u kućištu diode. Kada se rupe i elektroni sudare, oslobađa se određena količina energije. Ovo je kvant svjetlosnog toka. Zove se foton.

LED boja

Prilikom izrade dioda koriste se različiti poluvodički materijali. Ovo određuje boju koju predstavljeni uređaj emituje tokom rada. Razni materijali sposoban da šalje talase različitih talasnih dužina u svemir. Ovo omogućava ljudskom oku da vidi jednu ili drugu boju vidljivog spektra.

Kada se proučava pitanje kako LED dioda radi, treba uzeti u obzir poluvodičke materijale. Ranije su se u te svrhe koristili galijum fosfid, ternarna jedinjenja GaAsP, AlGaAs. U isto vrijeme, uređaj je mogao slati crvenu, žuto-zelenu

Predstavljena tehnologija se trenutno koristi samo za indikatorske uređaje. Danas se za takve proizvode koriste indijum-galijum-aluminijum (AllnGaP) i indijum-galijum-nitrid (InGaN). Drže se prilično dobro visoki nivo prolazna struja, visoke stope vlažnosti i grijanja. Moguća je kombinacija LED dioda različitih tipova.

mešanje boja

Moderna diodna traka može proizvesti različite nijanse svjetlosnog toka. Jedan uređaj može proizvesti monotonu boju. Prilikom izrade uređaja s više čipova moguće je dobiti ogroman broj različitih nijansi. Kao TV ili kompjuterski monitor, dioda može kreirati bilo koju boju koristeći RGB model (označava crvenu, zelenu, plavu).

Ovo je jednostavan princip za razumijevanje kako RGB LED diode rade. Ovom tehnologijom može se stvoriti i bijelo svjetlo. Da biste to učinili, sve tri boje se miješaju u jednakim omjerima.

Međutim, pored predstavljene tehnologije, bijeli sjaj se može dobiti spajanjem diode kratkovalnog zračenja (ultraljubičasta, plava) zajedno sa žutim premazom tipa fosfora. Kombinacijom fotona žute i plave boje rezultat je bijeli sjaj.