Com es disposen i funcionen els LED

Els dispositius semiconductors emissors de llum s'utilitzen àmpliament per als sistemes d'il·luminació i com a indicadors de corrent elèctric. Es relacionen amb dispositius electrònics que funcionen sota la tensió aplicada.

Com que el seu valor és insignificant, aquestes fonts pertanyen a dispositius de baixa tensió, tenen un grau més gran de seguretat pel que fa a l'efecte del corrent elèctric sobre el cos humà. Els riscos de lesions augmenten quan s’utilitzen fonts d’augment de tensió, per exemple, una xarxa d’habitatges domèstics, que requereix la inclusió de fonts d’alimentació especials en el circuit.

Una característica distintiva del disseny del LED és una resistència mecànica més elevada de l’allotjament que la d’Illich i les làmpades fluorescents. Amb un funcionament adequat, treballen de forma llarga i fiable. El seu recurs és 100 vegades superior al dels filaments incandescents, arribant a les cent mil hores.

Tot i això, aquest indicador és característic per als dissenys d’indicadors. Les fonts d’alta potència utilitzen corrents elevats per a la il·luminació i la vida útil es redueix de 2 a 5 vegades.

Dispositiu LED

Es fa un LED indicador convencional en una caixa epoxi amb un diàmetre de 5 mm i dos cables de contacte per a la connexió a circuits de corrent elèctric: ànode i càtode. Visualment difereixen en longitud. Per a un dispositiu nou sense contactes tallats, el càtode és més curt.

Una regla senzilla ajuda a recordar aquesta posició: ambdues paraules comencen amb la lletra “K”:

• càtode;

• en definitiva.

Quan es tallen les potes del LED, l’ànode es pot determinar aplicant 1,5 volts d’una simple bateria dels dits als contactes: la llum apareix quan coincideixen les polaritats.

El cristall únic que emet la llum d’un semiconductor té la forma d’un paral·lelepípedre rectangular. Es col·loca a prop d’un reflector parabòlic fet d’aliatge d’alumini i muntat sobre un substrat amb propietats no conductores.

Al final d’un estoig transparent fet de materials polimèrics, hi ha una lent centrant els raigs de llum. Forma, juntament amb el reflector, un sistema òptic que forma l’angle del flux de radiació. Es caracteritza pel patró de directivitat del LED.

Caracteritza la desviació de la llum des de l’eix geomètric de l’estructura global cap als costats, la qual cosa comporta un augment de la dispersió. Aquest fenomen es produeix a causa de l’aparició de petites infraccions a la tecnologia durant la producció, així com a l’envelliment de materials òptics durant el funcionament i a alguns altres factors.

Es pot localitzar un cinturó d'alumini o de llautó a la part inferior de la caixa, que serveix de radiador per eliminar la calor generada durant el pas del corrent elèctric.

Aquest principi de disseny està molt estès. Sobre la seva base, també es creen altres fonts de llum semiconductors amb altres formes d’elements estructurals.

Principis d’emissió de llum

La unió de semiconductor del tipus p-n està connectada a una font de tensió constant d’acord amb la polaritat dels terminals.

A l'interior de la capa de contacte de substàncies de tipus p i n, sota la seva acció, comença el moviment d'electrons i forats lliures carregats negativament, que tenen un signe de càrrega positiva. Aquestes partícules estan dirigides cap als seus pols.

A la capa de transició, les càrregues es recombinen. Els electrons passen de la banda de conducció a la banda de valència, superant el nivell de Fermi.

A causa d'això, part de la seva energia s'allibera amb l'alliberament d'ones de llum de diversos espectres i lluminositat. La freqüència d’ona i la reproducció del color depenen del tipus de materials barrejats dels quals es realitzi p-n cruïlla.

Per a la radiació de llum dins de la zona activa d’un semiconductor, s’han de complir dues condicions:

1. l'espai de la zona prohibida d'amplada de la regió activa ha d'estar a prop de l'energia de la quanta emesa dins del rang de freqüència visible per a l'ull humà;

2. La puresa dels materials del cristall de semiconductor ha de ser alta i el nombre de defectes que afecten el procés de recombinació és el mínim possible.

Aquest difícil problema tècnic es resol de diverses maneres. Un d’ells és la creació de diverses capes de juntes p-n quan es forma una heterostructura complexa.

Efecte de temperatura

A mesura que el nivell de tensió de font augmenta, el corrent a través de la capa de semiconductor augmenta i la luminiscència: un nombre augmentat de càrregues per unitat de temps entra a la zona de recombinació. Al mateix temps, s'escalfen els elements portadors de corrent. El seu valor és crític per al material dels conductors de corrent intern i la substància de la unió pn. Les temperatures excessives poden deteriorar-les, destruir-les.

A l’interior dels LED, l’energia del corrent elèctric passa a la llum directament, sense processos innecessaris: no com amb les làmpades amb filaments incandescents. En aquest cas, es formen pèrdues mínimes de potència útil a causa del baix escalfament dels elements conductors.

A causa d’això, es crea una alta eficiència d’aquestes fonts. No obstant això, només es poden fer servir quan l'estructura mateixa està protegida, bloquejada de la calefacció externa.

Característiques dels efectes d’il·luminació

En recombinar forats i electrons en diferents composicions de les substàncies d’unió pn, es crea una emissió desigual de llum. És habitual caracteritzar-lo pel paràmetre del rendiment quàntic: el nombre de quanta llum extreta per a un parell de càrregues recombinades.

Està format i es presenta a dos nivells del LED:

1. Dins de la unió de semiconductors: interna;

2. en el disseny de tot el LED en general - extern.

Al primer nivell, el rendiment quàntic de cristalls simples executats correctament pot arribar a un valor proper al 100%. Però, per assegurar aquest indicador, cal crear grans corrents i una potent dissipació de calor.

Dins la pròpia font, al segon nivell, part de la llum està dispersa i absorbida per elements estructurals, cosa que redueix l’eficiència de radiació general. El valor màxim del rendiment quàntic és molt inferior. Per als LED que emeten un espectre vermell, no arriba a superar el 55%, mentre que per al blau disminueix encara més - fins al 35%.

Tipus de transmissió de llum de color

Els LED moderns emeten:

• groc:

• verd

• vermell

• blau

• blau

• llum blanca.

Espectre de color groc verd, groc i vermell

La unió pn es basa en fòsfurs i arsènids de gal. Aquesta tecnologia es va implementar a finals dels anys 60 per indicadors de dispositius electrònics i quadres de control d’equips de transport, cartelleres.

Aquests dispositius de sortida de llum van superar immediatament les principals fonts de llum d'aquella època: les làmpades incandescents i les van superar en fiabilitat, recursos i seguretat.

Espectre blau

Els emissors d’espectres blaus, blaus-verds, i especialment blancs, no es van prestar a la implementació pràctica durant molt de temps a causa de les dificultats de solució complexa de dos problemes tècnics:

1. mida limitada de la zona prohibida en què es realitza la recombinació;

2. altes exigències per al contingut d’impureses.

Per a cada pas d’augmentar la brillantor de l’espectre blau, es va requerir un augment de l’energia de quanta a causa de l’expansió de l’amplada de la zona prohibida.

El problema es va resoldre mitjançant la inclusió de carburs de silici SiC o nitrurs a la substància semiconductora. Però, els desenvolupaments del primer grup van resultar tenir una eficiència massa baixa i un petit rendiment de radiació quàntica per a un parell de càrrecs recombinats.

La inclusió de solucions sòlides de selenida de zinc a la unió de semiconductors va contribuir a augmentar el rendiment quàntic. Però, aquests LED tenien una major resistència elèctrica a la cruïlla.A causa d'això, es van sobreescalfar i van cremar ràpidament, i les complexes estructures de fabricació d'eliminació de calor per a ells no van funcionar eficaçment.

Per primera vegada, es va crear un LED blau utilitzant pel·lícules fines de nitrur de gali dipositades sobre un substrat de safir.

Espectre blanc

Per obtenir-lo, utilitzeu una de les tres tecnologies desenvolupades:

1. barreja de colors segons el mètode RGB;

2. aplicar tres capes de fòsfor vermell, verd i blau al LED ultraviolat;

3. recobrir el LED blau amb capes de fòsfor groc-verd i verd-vermell.

Al primer mètode, es col·loquen tres cristalls únics en una sola matriu alhora, cadascun dels quals emet un espectre RGB propi. A causa del disseny del sistema òptic basat en lents, aquests colors es barregen i el resultat resultant és una tonalitat blanca total.

En un mètode alternatiu, la barreja de colors es produeix per irradiació successiva amb radiació ultraviolada de les tres capes constituents de fòsfor.

Característiques de la tecnologia d’espectre blanc

Tècnica RGB

Permet:

• involucrar diverses combinacions de cristalls únics en l’algoritme de control d’il·luminació, connectant-los alternativament manualment o amb un programa automatitzat;

• provocar diversos tons de color que canvien amb el pas del temps;

• crear sistemes d’il·luminació espectaculars per a la publicitat.

Un exemple senzill d'aquesta implementació és color garlandes de Nadal. Alguns algoritmes similars també són àmpliament utilitzats pels dissenyadors.

Els desavantatges dels LED RGB són:

• color heterogeni del punt de llum al centre i les vores;

• L'escalfament desigual i l'eliminació de calor de la superfície de la matriu, provocant diferents ritmes d'envelliment de les juntes p-n, que afecten l'equilibri de colors, canviant la qualitat global de l'espectre blanc.

Aquests inconvenients són causats per la diferent disposició de cristalls únics a la superfície base. Són difícils de fixar i configurar. A causa d'aquesta tecnologia, els models RGB es troben entre els dissenys més complexos i costosos.

LED amb fòsfor

Són més senzills en disseny, més barats de fabricar, més econòmics quan es converteixen en unitats de radiació de flux lluminós.

Es caracteritzen per inconvenients:

• a la capa de fòsfor hi ha pèrdues d’energia lumínica, que redueixen la producció de llum;

• la complexitat de la tecnologia per aplicar una capa uniforme de fòsfor afecta la qualitat de la temperatura del color;

• El fòsfor té una vida més curta que el propi LED i envelleix més ràpidament durant l’ús.

Característiques dels LED de diferents dissenys

Es creen models de fòsfor i productes RGB per a diverses aplicacions domèstiques i industrials.

Mètodes nutricionals

El LED indicador de la primera sortida massiva va consumir uns 15 mA quan es va alimentar des d'un valor lleugerament inferior a dos volts de tensió constant. Els productes moderns tenen característiques millorades: fins a quatre volts i 50 mA.

Els LED per a la il·luminació funcionen amb la mateixa tensió, però ja consumeixen diversos centenars de mil·límetres. Els fabricants desenvolupen i dissenyen activament dispositius de fins a 1 A.

Per augmentar l'eficiència de la llum, es creen mòduls LED que poden utilitzar un subministrament de tensió seqüencial a cada element. En aquest cas, el seu valor augmenta fins a 12 o 24 volts.

En aplicar tensió al LED, cal tenir en compte la polaritat. Quan es trenqui, el corrent no passa i no hi haurà resplendor. Si s’utilitza un senyal sinusoïdal alternatiu, l’encreuament només es produeix quan es transmet una mitja ona positiva. A més, la seva força també canvia proporcionalment segons la llei de l'aparició de la corresponent magnitud actual amb una direcció polar.

Cal tenir en compte que amb tensió inversa és possible un desglossament de la unió de semiconductors. Es produeix en superar els 5 volts en un sol cristall.

Mètodes de gestió

Per ajustar la brillantor de la llum emesa, s’utilitza un dels dos mètodes de control:

1. la magnitud de la tensió connectada;

2. utilitzant Modulació d'amplada del pols - PWM.

El primer mètode és simple, però ineficient. Quan el nivell de tensió baixa per sota d’un determinat llindar, el LED només es pot apagar.

El mètode PWM elimina aquest fenomen, però és molt més complicat en la implementació tècnica. El corrent passat per la unió de semiconductor del cristall únic no és subministrat per una forma constant, sinó per una alta freqüència pulsada amb un valor d’entre diversos centenars i milers d’hertz.

En canviar l’amplada dels polsos i les pauses entre ells (el procés s’anomena modulació), la brillantor de la brillantor s’ajusta a una àmplia gamma. La formació d’aquests corrents mitjançant cristalls únics es realitza per unitats especials de control programables amb algoritmes complexos.

Espectre d’emissions

La freqüència de la radiació que surt del LED es troba en una regió molt estreta. S’anomena monocromàtic. És fonamentalment diferent de l’espectre d’ones que emana del Sol o dels filaments incandescents de les bombetes corrents.

Es discuteix molt sobre l'efecte d'una il·luminació sobre l'ull humà. Tanmateix, els resultats de les serioses anàlisis científiques d’aquest tema ens són desconeguts.

Producció

En la fabricació de leds, només s’utilitza una línia automàtica, en la qual les màquines de robot funcionen segons una tecnologia prèviament dissenyada.

El treball manual físic d’una persona queda completament exclòs del procés de producció.

Els especialistes formats només fan un control sobre el correcte curs de la tecnologia.

L’anàlisi de la qualitat dels productes és també la seva responsabilitat.