Om te begrijpen wat een LED is, moet u eerst de algemeen aanvaarde benaming begrijpen, in het Engels weergegeven als LED. Vertaald betekent dit letterlijk "het uitstralen van kleine LED's". Technisch gezien zijn het halfgeleiders die elektrische stroom omzetten in zichtbare lichtstraling. Dit eenvoudigste product verschilt qua uiterlijk en ontwerp duidelijk van typische verlichtingsapparaten: gloeilampen en dergelijke.
Geschiedenis van oorsprong
Het apparaat en het werkingsprincipe van LED-stralers is gemakkelijker te begrijpen als u vertrouwd raakt met de achtergrond van hun optreden. Voor het eerst werd dit emitterende product in 1962 geboren in de vorm van een monochrome rode diode. Ondanks een aantal tekortkomingen werd de productietechnologie als veelbelovend erkend. Een decennium na het tonen van het rode monster werden groene en gele LED's aan het grote publiek voorgesteld. Vanwege hun lage terugslag werden deze producten voornamelijk binnenshuis gebruikt als indicatoren op de frontpanelen van huishoudelijke elektronische apparaten.
In de loop van de tijd werd de intensiteit van de gloed verschillende keren verhoogd en in de jaren 90 van de vorige eeuw was het mogelijk om een monster te maken met een lichtstroom gelijk aan 1 lumen. In 1993 creëerde de Japanse ingenieur S. Nakamura de allereerste blauwe diode, gekenmerkt door een verhoogde helderheid. Vanaf dat moment leerden hun ontwikkelaars hoe ze elke kleur in het zichtbare spectrum konden krijgen, inclusief wit.
Dankzij de opmerkelijke eigenschappen van LED-producten zijn ze in de loop van de tijd een serieuze concurrent geworden van de gloeilampen die velen kennen.
Sinds 2005 beheerst de industrie de productie van witte LED's met een lichtstroom tot 100 lm en meer. Daarnaast leerden ze verlichtingselementen te maken met verschillende tinten wit ("warm", "koud" en andere gloed).
Het apparaat en het principe van stralingsvorming
Om te begrijpen hoe een LED werkt, moet u allereerst rekening houden met een aantal punten met betrekking tot het ontwerp:
- de basis van het LED-element is een halfgeleiderkristal dat de stroom slechts in één richting doorlaat;
- het klassieke LED-apparaat veronderstelt de aanwezigheid van een isolerend substraat;
- het glazen lichaam van de diode beschermt het kristal betrouwbaar tegen invloeden van buitenaf en is tegelijkertijd een verstrooiend element;
- er zijn twee contacten aan de achterkant van de behuizing, waaraan de LED wordt geleverd met elektrische stroom.
Om de levensduur van het emitterende apparaat te verlengen, is de ruimte tussen de diffunderende lens en het kristal zelf gevuld met een transparante siliconenverbinding.
In de structuur van sommige LED's is een speciaal aluminium substraat aangebracht, dat de basis van het apparaat vormt en tegelijkertijd overtollige warmte verwijdert.
Het is gemakkelijker om te begrijpen hoe een LED werkt door een halfgeleiderovergang te onderzoeken, die professionals een elektron-gatovergang noemen. De naam wordt geassocieerd met de verschillende aard van de hoofddragers in de grenslaag van de twee structuren. In één halfgeleider is er een overmaat aan elektronen op de contactgrens en in het aangrenzende materiaal zijn er overtollige gaten.Tijdens het vervaardigen van een halfgeleiderovergang dringen ze door in de aangrenzende laag en vormen zo een potentiële barrière die hun omgekeerde voorspanning voorkomt. De waarde van de voorwaartse spanning op de LED tijdens zijn werking hangt af van de breedte van de kruising.
Wanneer een potentiaal van een bepaalde polariteit en een waarde gegenereerd door een constante stroombron op de diode wordt aangelegd, is het mogelijk om de junctie in de gewenste richting te verplaatsen. Dit zal leiden tot de opening en het verschijnen van een tegenstroom van tegengesteld geladen deeltjes. Wanneer ze botsen, worden quanta van lichtenergie - fotonen - uitgezonden binnen de grenzen van de overgang. Afhankelijk van de herhalingsfrequentie van deze pulsen krijgt de straling een bepaalde kleurkleuring.
Wat bepaalt de kleur van de LED
Bij de vervaardiging van LED's worden verschillende soorten halfgeleidermaterialen gebruikt, waarvan de keuze bepalend is voor de kleurtint die ze uitstralen.
Het vermogen om kleuren te onderscheiden is een aangeboren eigenschap van het menselijk oog, dat de gradaties ervan met grote nauwkeurigheid kan vastleggen. Het is onlosmakelijk verbonden met de golflengte van kwantumstraling die elektromagnetische golven van een bepaalde frequentie met zich meedragen. In dit geval worden lichtpulsen gevormd aan de halfgeleiderovergangsrand van de LED.
Bij het bestuderen van de eigenschappen van verschillende halfgeleiders in een vroeg stadium van hun studie, hebben wetenschappers materialen zoals galliumfosfide geïdentificeerd, evenals ternaire verbindingen AlGaAs en GaAsP. Bij het gebruik ervan was het mogelijk om rode en geelgroene straling te verkrijgen. Om verschillende kleurencombinaties te verkrijgen, worden tegenwoordig complexere combinaties van aluminium met indium en gallium (AllnGaP) of indium-galliumnitride (InGaN) gebruikt. Deze halfgeleiders zijn bestand tegen aanzienlijke stromen, wat het mogelijk maakt om er een hoog lichtrendement uit te halen.
Kleurmengtechniek
Moderne diodestrips en modulaire LED-clusters zijn in staat om verschillende tinten van het lichtbereik te produceren. Aangezien één overgang monochrome straling genereert, is een multichip-apparaat nodig om een meerkleurige gloed te creëren. Dit complexe product werkt als een computermonitor, waarop bijna elke tint kan worden verkregen (hiervoor wordt een speciale RGB-module gebruikt).
Door gebruik te maken van dit principe van schaduwvorming, was het mogelijk een witte gloed te verkrijgen, die bijvoorbeeld veel wordt gebruikt in LED-schijnwerpers. Om dit te doen, werden alle drie de originele of basiskleuren in gelijke verhoudingen gemengd.
Het kan ook worden verkregen door diodestructuren van ultraviolette of blauwe straling te combineren met een gele fosforachtige coating.
Kenmerken van LED-productie
Om te begrijpen hoe LED's worden gemaakt, moet u vertrouwd raken met de structurele kenmerken van de technologieën die bij de fabricage worden gebruikt. Daarom wordt bij het overwegen van de specifieke kenmerken van hun productie allereerst rekening gehouden met de volgende punten:
- een specifieke methode om de kleur van de straling te vormen (matrix of fosfor);
- voor hoeveel volt LED's zijn ontworpen en tegen welke stroomwaarde ze bestand zijn;
- welke technologie u in staat stelt om de beste kwaliteit van de gloed te krijgen en goedkoper is.
Het vervaardigen van chips met een matrixschema kost de fabrikant meer, wat zich terugbetaalt door de hoge kwaliteit van de straling. De nadelen van fosforen zijn onder meer een lage lichtopbrengst en een niet geheel zuivere kleur van de straling. Bovendien hebben ze een kortere levensduur en hebben ze meer kans om te falen.
Bij de vervaardiging van eenvoudige indicatordiodes met een gelijkspanning van 2-4 volt, wordt hun overgang berekend voor kleine stromen (tot 50 mA). Om volwaardige verlichtingsapparaten en LED-brugcircuits te creëren, zijn apparaten met hoge stroomsnelheden (tot 1 Ampère) vereist. Als in één module diodes in een seriële keten zijn aangesloten, bereikt de totale spanning op hun knooppunten 12 of zelfs 24 volt.Bij het maken van producten wordt de plus voor elke LED op een speciale manier gemarkeerd (een klein uitsteeksel wordt gemaakt op de bijbehorende poot).
Toepassingen en gloeicontrole
Vanwege de verscheidenheid aan modificaties worden LED-producten veel gebruikt op verschillende gebieden:
- bij de vervaardiging van spaarlampen die bijvoorbeeld in een typische kroonluchter of in een gewone wandkandelaar zijn geïnstalleerd;
- voor gebruik als illuminators in wijdverbreide miniatuurlantaarns, maar ook in grotere constructies zoals "camping campinglampen";
- indien nodig, decoratieve verlichting van gebouwen in de vorm van lange linten met verschillende kleuren.
Het gebruik ervan is te wijten aan de mate van weerstand van het apparaat tegen klimatologische factoren, beoordeeld door de beschermingsklasse van het product. Afhankelijk van het ontwerp worden ze alleen binnenshuis gebruikt of kunnen ze in open ruimtes werken (met name als decoratie voor billboards of LED-regen).
U kunt de lichtsterkte in een gewone lamp of kroonluchter op verschillende manieren regelen. Hiervoor worden meestal speciale elektronische circuits gebruikt, waarmee de amplitude en andere parameters van lichtpulsen kunnen worden gemoduleerd. Voor het gemak van het werken met huishoudelijke apparatuur, is een dergelijke module vervaardigd in de vorm van een standaard bedieningspaneel.
