Um zu verstehen, was eine LED ist, müssen Sie zuerst ihre allgemein anerkannte Bezeichnung verstehen, die auf Englisch als LED dargestellt wird. Übersetzt bedeutet dies wörtlich "kleine LEDs ausstrahlen". Aus technischer Sicht handelt es sich um Halbleiterbauelemente, die elektrischen Strom in sichtbare Lichtstrahlung umwandeln. Dieses einfachste Produkt unterscheidet sich in Aussehen und Design deutlich von typischen Leuchtmitteln: Glühlampen und dergleichen.
Entstehungsgeschichte
Das Gerät und die Funktionsweise von LED-Strahlern ist leichter zu verstehen, wenn Sie sich mit den Hintergründen ihres Auftretens vertraut machen. Zum ersten Mal wurde dieses emittierende Produkt 1962 in Form einer monochromen roten Diode geboren. Trotz einer Reihe von Mängeln wurde seine Herstellungstechnologie als vielversprechend erkannt. Ein Jahrzehnt nach der Präsentation des roten Musters wurden grüne und gelbe LEDs der breiten Öffentlichkeit vorgestellt. Aufgrund ihres geringen Rückstoßes wurden diese Produkte hauptsächlich im Haushalt als Anzeiger auf den Frontplatten von elektronischen Haushaltsgeräten verwendet.
Im Laufe der Zeit wurde die Intensität des Glühens mehrmals erhöht, und in den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts war es möglich, eine Probe mit einem Lichtstrom von 1 Lumen herzustellen. 1993 entwickelte der japanische Ingenieur S. Nakamura die erste blaue Diode, die sich durch eine erhöhte Leuchtkraft auszeichnete. Von diesem Moment an lernten ihre Entwickler, jede Farbe im sichtbaren Spektrum zu erhalten, einschließlich Weiß.
Dank der bemerkenswerten Eigenschaften von LED-Produkten sind sie im Laufe der Zeit zu einem ernsthaften Konkurrenten der vielen bekannten Glühbirnen geworden.
Seit 2005 beherrscht die Industrie die Produktion von weißen LEDs mit einem Lichtstrom von bis zu 100 lm und mehr. Außerdem lernten sie, wie man Beleuchtungselemente mit unterschiedlichen Weißtönen ("warm", "kalt" und anderes Leuchten) herstellt.
Das Gerät und das Prinzip der Strahlungsbildung
Um zu verstehen, wie eine LED funktioniert, müssen Sie zunächst einige Punkte in Bezug auf ihr Design berücksichtigen:
- Die Basis des LED-Elements ist ein Halbleiterkristall, der Strom nur in eine Richtung durchlässt;
- das klassische LED-Gerät setzt das Vorhandensein eines isolierenden Substrats voraus;
- der Glaskörper der Diode schützt den Kristall zuverlässig vor äußeren Einflüssen und ist gleichzeitig Streuelement;
- Auf der Gehäuserückseite befinden sich zwei Kontakte, über die die LED mit Strom versorgt wird.
Um die Lebensdauer der emittierenden Vorrichtung zu erhöhen, wird der Raum zwischen der Streulinse und dem Kristall selbst mit einer transparenten Silikonmasse gefüllt.
In der Struktur einiger LEDs ist ein spezielles Aluminiumsubstrat vorgesehen, das die Basis des Geräts bildet und gleichzeitig überschüssige Wärme von diesem abführt.
Es ist einfacher zu verstehen, wie eine LED funktioniert, wenn man einen Halbleiterübergang untersucht, den Fachleute als Elektron-Loch-Übergang bezeichnen. Sein Name ist mit der unterschiedlichen Natur der Hauptträger in der Grenzschicht der beiden Strukturen verbunden. In einem Halbleiter gibt es an der Kontaktgrenze einen Elektronenüberschuss und im angrenzenden Material einen Überschuss an Löchern.Bei der Herstellung eines Halbleiterübergangs dringen sie in die angrenzende Schicht ein und bilden eine Potentialbarriere, die ihre Sperrspannung verhindert. Der Wert der Durchlassspannung an der LED während ihres Betriebs hängt von der Breite des Übergangs ab.
Wenn ein Potential einer gegebenen Polarität und eines von einer Konstantstromquelle erzeugten Wertes an die Diode angelegt wird, ist es möglich, den Übergang in die gewünschte Richtung zu verschieben. Dies führt zu seiner Öffnung und dem Auftreten eines Gegenstroms entgegengesetzt geladener Teilchen. Wenn sie kollidieren, werden Lichtenergiequanten - Photonen - innerhalb der Grenzen des Übergangs emittiert. Je nach Wiederholrate dieser Pulse nimmt die Strahlung eine bestimmte Farbfärbung an.
Was bestimmt die Farbe der LED
Bei der Herstellung von LEDs werden verschiedene Arten von Halbleitermaterialien verwendet, deren Auswahl den von ihnen emittierten Farbton bestimmt.
Die Fähigkeit, Farben zu unterscheiden, ist eine angeborene Eigenschaft des menschlichen Auges, die ihre Abstufungen mit großer Genauigkeit erfassen kann. Sie ist untrennbar mit der Wellenlänge der Quantenstrahlung verbunden, die elektromagnetische Wellen einer bestimmten Frequenz mit sich tragen. In diesem Fall werden an der Halbleiterübergangsgrenze der LED Lichtpulse gebildet.
Bei der Untersuchung der Eigenschaften verschiedener Halbleiter in einem frühen Stadium ihrer Studie haben Wissenschaftler Materialien wie Galliumphosphid sowie die ternären Verbindungen AlGaAs und GaAsP identifiziert. Bei ihrer Verwendung war es möglich, rote und gelbgrüne Strahlung zu erhalten. Um verschiedene Farbkombinationen zu erhalten, werden heute komplexere Kombinationen von Aluminium mit Indium und Gallium (AllnGaP) oder Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) verwendet. Diese Halbleiter sind in der Lage, erheblichen Strömen standzuhalten, was es ermöglicht, aus ihnen eine hohe Lichtausbeute zu erzielen.
Farbmischtechnik
Moderne Diodenleisten und LED-Modularcluster sind in der Lage, verschiedene Schattierungen des Lichtspektrums zu erzeugen. Da ein Übergang monochrome Strahlung erzeugt, ist ein Multi-Chip-Bauelement erforderlich, um ein mehrfarbiges Leuchten zu erzeugen. Dieses komplexe Produkt funktioniert wie ein Computermonitor, auf dem fast jeder Farbton erzielt werden kann (dafür wird ein spezielles RGB-Modul verwendet).
Durch dieses Prinzip der Verschattungsbildung konnte ein weißes Leuchten erzielt werden, das beispielsweise bei LED-Flutern weit verbreitet ist. Dazu wurden alle drei Original- bzw. Grundfarben zu gleichen Anteilen gemischt.
Sie kann auch durch Kombinieren von Diodenstrukturen aus ultravioletter oder blauer Strahlung mit einer gelben phosphorartigen Beschichtung erhalten werden.
Merkmale der LED-Fertigung
Um zu verstehen, wie LEDs hergestellt werden, müssen Sie sich mit den strukturellen Merkmalen der bei der Herstellung verwendeten Technologien vertraut machen. Bei der Betrachtung der Besonderheiten ihrer Herstellung werden daher zunächst folgende Punkte berücksichtigt:
- ein spezielles Verfahren zur Bildung der Farbe der Strahlung (Matrix oder Phosphor);
- für wie viele Volt LEDs ausgelegt sind und welchen Stromwert sie aushalten;
- welche Technologie Ihnen die beste Qualität des Glühens ermöglicht und billiger ist.
Die Herstellung von Chips nach einem Matrixschema kostet den Hersteller mehr, was sich durch die hohe Strahlungsqualität auszahlt. Die Nachteile von Leuchtstoffen sind eine geringe Lichtleistung sowie eine nicht ganz reine Farbe der Strahlung. Darüber hinaus haben sie eine kürzere Lebensdauer und eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit.
Bei der Herstellung einfacher Anzeigedioden mit einer Gleichspannung von 2-4 Volt wird deren Übergang für kleine Ströme (bis 50 mA) berechnet. Um vollwertige Beleuchtungsgeräte und LED-Brückenschaltungen zu erstellen, werden Geräte mit hohen Stromstärken (bis zu 1 Ampere) benötigt. Wenn in einem Modul Dioden in Reihe geschaltet sind, erreicht die Gesamtspannung an ihren Verbindungsstellen 12 oder sogar 24 Volt.Bei der Herstellung von Produkten wird das Plus für jede LED auf besondere Weise markiert (ein kleiner Vorsprung wird am entsprechenden Bein angebracht).
Anwendungen und Glühkontrolle
Aufgrund der Vielzahl von Modifikationen sind LED-Produkte in verschiedenen Bereichen weit verbreitet:
- bei der Herstellung von Energiesparlampen, die beispielsweise in einem typischen Kronleuchter oder in einer gewöhnlichen Wandleuchte installiert sind;
- zur Verwendung als Leuchtmittel in weit verbreiteten Miniaturlaternen sowie in größeren Konstruktionen wie "Camping-Camping-Lampen";
- ggf. dekorative Beleuchtung von Räumlichkeiten in Form von langen Bändern in verschiedenen Farben.
Ihre Verwendung ist auf die Widerstandsfähigkeit des Geräts gegenüber klimatischen Faktoren zurückzuführen, die anhand der Schutzklasse des Produkts beurteilt wird. Je nach Ausführung kommen sie nur im Innenbereich zum Einsatz oder können im Freien (insbesondere als Dekoration für Werbetafeln oder LED-Regen) eingesetzt werden.
Sie können die Helligkeit einer gewöhnlichen Lampe oder eines Kronleuchters auf verschiedene Weise steuern. Dazu werden am häufigsten spezielle elektronische Schaltungen verwendet, die es ermöglichen, die Amplitude und andere Parameter von Lichtimpulsen zu modulieren. Um das Arbeiten mit Haushaltsgeräten zu erleichtern, wird ein solches Modul in Form eines Standardbedienfelds hergestellt.
