Per capire cos'è un LED, devi prima capire la sua designazione generalmente accettata, rappresentata in inglese come LED. Tradotto, significa letteralmente "emissione di piccoli LED". Da un punto di vista tecnico, sono dispositivi a semiconduttore che convertono la corrente elettrica in radiazione luminosa visibile. Questo prodotto più semplice nell'aspetto e nel design differisce notevolmente dai tipici dispositivi di illuminazione: lampade a incandescenza e simili.
Storia di origine
Il dispositivo e il principio di funzionamento degli emettitori LED sono più facili da capire se si familiarizza con lo sfondo del loro verificarsi. Per la prima volta questo prodotto emettitore nasce nel 1962 sotto forma di un diodo rosso monocromatico. Nonostante una serie di carenze, la sua tecnologia di produzione è stata riconosciuta come promettente. Un decennio dopo aver mostrato il campione rosso, i LED verdi e gialli sono stati presentati al grande pubblico. Per il loro basso rinculo, questi prodotti sono stati utilizzati principalmente in ambito domestico come indicatori sui pannelli frontali degli elettrodomestici.
Nel tempo, l'intensità del bagliore è stata aumentata più volte e negli anni '90 del secolo scorso è stato possibile realizzare un campione con un flusso luminoso pari a 1 lumen. Nel 1993, l'ingegnere giapponese S. Nakamura ha creato il primo diodo blu in assoluto, caratterizzato da un aumento del livello di luminosità. Da quel momento in poi, i loro sviluppatori hanno imparato come ottenere qualsiasi colore nello spettro visibile, incluso il bianco.
Grazie alle notevoli caratteristiche dei prodotti a LED, nel tempo, sono diventati un serio concorrente delle lampadine a incandescenza che sono familiari a molti.
Dal 2005, l'industria ha dominato la produzione di LED bianchi con un flusso luminoso fino a 100 lm e oltre. Inoltre, hanno imparato a creare elementi di illuminazione con diverse tonalità di bianco ("caldo", "freddo" e altri bagliori).
Il dispositivo e il principio della formazione delle radiazioni
Per capire come funziona un LED, prima di tutto, devi prendere in considerazione una serie di punti riguardanti il suo design:
- la base dell'elemento LED è un cristallo semiconduttore che fa passare corrente solo in una direzione;
- il classico dispositivo a LED presuppone la presenza di un substrato isolante;
- il corpo in vetro del diodo protegge in modo affidabile il cristallo da influenze esterne ed è allo stesso tempo un elemento di dispersione;
- ci sono due contatti sul retro del case, a cui il LED è alimentato elettricamente.
Per aumentare la durata del dispositivo di emissione, lo spazio tra la lente diffondente e il cristallo stesso è riempito con un composto di silicone trasparente.
Nella struttura di alcuni LED è previsto uno speciale substrato di alluminio, che è la base del dispositivo e allo stesso tempo rimuove il calore in eccesso da esso.
È più facile capire come funziona un LED esaminando una giunzione a semiconduttore, che i professionisti chiamano giunzione elettrone-lacuna. Il suo nome è legato alla diversa natura dei principali portatori nello strato limite delle due strutture. In un semiconduttore, c'è un eccesso di elettroni al confine di contatto e nel materiale adiacente ci sono fori in eccesso.Nel processo di produzione di una giunzione a semiconduttore, penetrano nello strato adiacente, formando una potenziale barriera che impedisce la loro polarizzazione inversa. Il valore della tensione diretta sul LED durante il suo funzionamento dipende dalla larghezza della giunzione.
Quando al diodo viene applicato un potenziale di una data polarità e un valore generato da una sorgente di corrente costante, è possibile spostare la giunzione nella direzione desiderata. Ciò porterà alla sua apertura e alla comparsa di un controflusso di particelle di carica opposta. Quando si scontrano, i quanti di energia luminosa - fotoni - vengono emessi entro i confini della transizione. A seconda della frequenza di ripetizione di questi impulsi, la radiazione acquisisce una certa colorazione.
Cosa determina il colore del LED
Nella produzione di LED vengono utilizzati vari tipi di materiali semiconduttori, la cui scelta determina la tonalità di colore che emettono.
La capacità di distinguere il colore è una proprietà innata dell'occhio umano, capace di coglierne le gradazioni con grande precisione. È indissolubilmente legato alla lunghezza d'onda della radiazione quantistica che le onde elettromagnetiche di una certa frequenza portano con sé. In questo caso, gli impulsi luminosi si formano sul bordo della giunzione a semiconduttore del LED.
Studiando le proprietà di vari semiconduttori in una fase iniziale del loro studio, gli scienziati hanno identificato materiali come il fosfuro di gallio, nonché composti ternari AlGaAs e GaAsP. Quando li usavano, era possibile ottenere radiazioni rosse e giallo-verdi. Oggi, per ottenere varie combinazioni di colore, vengono utilizzate combinazioni più complesse di alluminio con indio e gallio (AllnGaP) o nitruro di indio-gallio (InGaN). Questi semiconduttori sono in grado di sopportare correnti significative, il che consente di ottenere da essi un'elevata efficienza luminosa.
Tecnica di miscelazione del colore
Le moderne strisce di diodi e i cluster modulari LED sono in grado di produrre varie tonalità della gamma di luci. Dato che una transizione genera radiazioni monocromatiche, è necessario un dispositivo multi-chip per creare un bagliore multicolore. Questo prodotto complesso funziona come un monitor di computer, sul quale è possibile ottenere quasi tutte le sfumature (per questo viene utilizzato uno speciale modulo RGB).
Sfruttando questo principio di formazione dell'ombreggiatura, è stato possibile ottenere un bagliore bianco, ampiamente utilizzato, ad esempio, nei proiettori a LED. Per fare ciò, tutti e tre i colori originali o di base sono stati mescolati in proporzioni uguali.
Può anche essere ottenuto combinando strutture a diodi di radiazione ultravioletta o blu con un rivestimento di tipo fosforo giallo.
Caratteristiche della produzione di LED
Per capire come sono realizzati i LED, è necessario familiarizzare con le caratteristiche strutturali in termini di tecnologie utilizzate nella produzione. Pertanto, quando si considerano le specifiche della loro produzione, prima di tutto, vengono presi in considerazione i seguenti punti:
- un metodo specifico per formare il colore della radiazione (matrice o fosforo);
- per quanti volt sono progettati i LED e quale valore di corrente sopportano;
- quale tecnologia permette di ottenere la migliore qualità di bagliore ed è più economica.
La produzione di chip che utilizzano uno schema a matrice costerà di più al produttore, il che ripaga con l'alta qualità delle radiazioni. Gli svantaggi dei fosfori includono una bassa emissione di luce e un colore non completamente puro della radiazione. Inoltre, hanno una vita lavorativa più breve e hanno maggiori probabilità di fallire.
Nella produzione di semplici diodi indicatori con una tensione continua di 2-4 Volt, la loro transizione viene calcolata per piccole correnti (fino a 50 mA). Per creare dispositivi di illuminazione a tutti gli effetti e circuiti a ponte LED, saranno necessari dispositivi con elevate velocità di corrente (fino a 1 Ampere). Se in un modulo i diodi sono collegati in una catena seriale, la tensione totale alle loro giunzioni raggiunge 12 o addirittura 24 volt.Quando si realizzano prodotti, il vantaggio per ciascun LED è contrassegnato in modo speciale (viene realizzata una piccola sporgenza sulla gamba corrispondente).
Applicazioni e controllo del bagliore
A causa della varietà di modifiche, i prodotti LED sono ampiamente utilizzati in vari campi:
- nella produzione di lampade a risparmio energetico installate in un tipico lampadario, ad esempio, o in una normale applique da parete;
- per l'uso come illuminatori in lanterne in miniatura diffuse, così come in strutture più grandi come "lampade da campeggio";
- se necessario, illuminazione decorativa dei locali sotto forma di lunghi nastri con colori diversi.
Il loro utilizzo è dovuto al grado di resistenza del dispositivo ai fattori climatici, valutato dalla classe di protezione del prodotto. A seconda del design, vengono utilizzati solo in interni o possono funzionare in spazi aperti (come decorazione per cartelloni pubblicitari o pioggia LED, in particolare).
Puoi controllare il livello di luminosità in una normale lampada o lampadario in vari modi. Per questo, vengono spesso utilizzati circuiti elettronici speciali, che consentono di modulare l'ampiezza e altri parametri degli impulsi luminosi. Per comodità di lavorare con le apparecchiature domestiche, tale modulo è prodotto sotto forma di un pannello di controllo standard.
