Para entender o que é um LED, primeiro você precisa entender sua designação geralmente aceita, representada em inglês como LED. Traduzido, isso significa literalmente "emitir pequenos LEDs". Do ponto de vista técnico, são dispositivos semicondutores que convertem a corrente elétrica em radiação de luz visível. Este produto mais simples em sua aparência e design difere marcadamente dos dispositivos de iluminação típicos: lâmpadas incandescentes e semelhantes.
História de origem
O dispositivo e o princípio de operação dos emissores de LED são mais fáceis de entender se você se familiarizar com o contexto de sua ocorrência. Este produto emissor nasceu pela primeira vez em 1962 na forma de um díodo vermelho monocromático. Apesar de uma série de deficiências, sua tecnologia de fabricação foi reconhecida como promissora. Uma década depois de mostrar a amostra vermelha, LEDs verdes e amarelos foram apresentados ao público em geral. Devido ao seu baixo recuo, esses produtos eram usados principalmente dentro de casa como indicadores nos painéis frontais de eletrodomésticos.
Com o tempo, a intensidade do brilho foi aumentada várias vezes, e na década de 90 do século passado foi possível fazer uma amostra com um fluxo luminoso igual a 1 lúmen. Em 1993, o engenheiro japonês S. Nakamura criou o primeiro diodo azul, caracterizado por um maior nível de luminosidade. A partir daquele momento, seus desenvolvedores aprenderam como obter qualquer cor no espectro visível, incluindo o branco.
Graças às características notáveis dos produtos LED, com o tempo, eles se tornaram um sério concorrente para as lâmpadas incandescentes que são familiares para muitos.
Desde 2005, a indústria domina a produção de LEDs brancos com um fluxo luminoso de até 100 lm e mais. Além disso, aprenderam a fazer elementos de iluminação com diferentes tons de branco ("quente", "frio" e outros brilhos).
O dispositivo e o princípio de formação de radiação
Para entender como um LED funciona, em primeiro lugar, você precisa levar em consideração uma série de pontos em relação ao seu design:
- a base do elemento LED é um cristal semicondutor que passa a corrente apenas em uma direção;
- o dispositivo LED clássico assume a presença de um substrato isolante;
- o corpo de vidro do diodo protege de forma confiável o cristal de influências externas e é ao mesmo tempo um elemento de dispersão;
- existem dois contatos na parte traseira da caixa, para os quais o LED é alimentado com energia elétrica.
Para aumentar a vida útil do dispositivo emissor, o espaço entre a lente difusora e o próprio cristal é preenchido com um composto de silicone transparente.
Na estrutura de alguns LEDs, é fornecido um substrato especial de alumínio, que é a base do dispositivo e ao mesmo tempo remove o excesso de calor dele.
É mais fácil entender como um LED funciona examinando uma junção semicondutora, que os profissionais chamam de junção elétron-buraco. O seu nome está associado à natureza diferente dos principais transportadores na camada limite das duas estruturas. Em um semicondutor, há um excesso de elétrons na fronteira de contato e no material adjacente há um excesso de buracos.No processo de fabricação de uma junção semicondutora, eles penetram na camada adjacente, formando uma barreira potencial que impede sua polarização reversa. O valor da tensão direta no LED durante sua operação depende da largura da junção.
Quando um potencial de determinada polaridade e um valor gerado por uma fonte de corrente constante são aplicados ao diodo, é possível deslocar a junção na direção desejada. Isso levará à sua abertura e ao aparecimento de um contrafluxo de partículas com carga oposta. Quando eles colidem, quanta de energia luminosa - fótons - são emitidos dentro dos limites da transição. Dependendo da taxa de repetição desses pulsos, a radiação adquire uma determinada coloração.
O que determina a cor do LED
Na fabricação de LEDs, são usados vários tipos de materiais semicondutores, cuja escolha determina a tonalidade da cor que eles emitem.
A habilidade de distinguir cores é uma propriedade inata do olho humano, capaz de capturar suas gradações com grande precisão. Está inextricavelmente ligado ao comprimento de onda da radiação quântica que as ondas eletromagnéticas de uma certa frequência carregam consigo. Nesse caso, os pulsos de luz são formados na borda da junção do semicondutor do LED.
Ao estudar as propriedades de vários semicondutores em um estágio inicial de seu estudo, os cientistas identificaram materiais como o fosfeto de gálio, bem como os compostos ternários AlGaAs e GaAsP. Ao utilizá-los, foi possível obter radiação vermelha e verde-amarelada. Hoje, para obter várias combinações de cores, são utilizadas combinações mais complexas de alumínio com índio e gálio (AllnGaP) ou nitreto de índio-gálio (InGaN). Esses semicondutores são capazes de suportar correntes significativas, o que permite deles obter alta eficácia luminosa.
Técnica de mistura de cores
Tiras de diodo modernas e conjuntos modulares de LED são capazes de produzir vários tons da faixa de luz. Dado que uma transição gera radiação monocromática, um dispositivo multi-chip é necessário para criar um brilho multicolorido. Este complexo produto funciona como um monitor de computador, no qual é possível obter quase todas as tonalidades (para isso, utiliza-se um módulo RGB especial).
Aproveitando esse princípio de formação de sombreamento, foi possível obter um brilho branco, muito utilizado em projetores de LED, por exemplo. Para fazer isso, todas as três cores originais ou de base foram misturadas em proporções iguais.
Também pode ser obtido combinando estruturas de diodo de radiação ultravioleta ou azul com um revestimento amarelo do tipo fósforo.
Características da fabricação de LED
Para entender como os LEDs são feitos, você precisa se familiarizar com as características estruturais em termos das tecnologias utilizadas na fabricação. Portanto, ao considerar as especificidades de sua produção, em primeiro lugar, os seguintes pontos são levados em consideração:
- um método específico de formação da cor da radiação (matriz ou fósforo);
- para quantos volts os LEDs são projetados e a que valor de corrente eles suportam;
- qual tecnologia permite que você obtenha a melhor qualidade de brilho e é mais barata.
A fabricação de chips usando um esquema de matriz custará mais ao fabricante, o que compensa com a alta qualidade da radiação. As desvantagens dos fósforos incluem baixa emissão de luz, bem como cor não totalmente pura da radiação. Além disso, eles têm uma vida útil mais curta e são mais propensos a falhar.
Na fabricação de diodos indicadores simples com tensão contínua de 2-4 Volts, sua transição é calculada para pequenas correntes (até 50 mA). Para criar dispositivos de iluminação completos e circuitos de ponte de LED, serão necessários dispositivos com altas taxas de corrente (até 1 Ampere). Se em um módulo os diodos forem conectados em uma cadeia serial, a tensão total em suas junções chega a 12 ou mesmo 24 volts.Ao fazer produtos, o sinal de mais para cada LED é marcado de forma especial (uma pequena saliência é feita na perna correspondente).
Aplicativos e controle de brilho
Devido à variedade de modificações, os produtos LED são amplamente utilizados em vários campos:
- na fabricação de lâmpadas economizadoras de energia instaladas em um lustre típico, por exemplo, ou em uma arandela comum;
- para uso como iluminadores em lanternas em miniatura comuns, bem como em estruturas maiores, como "lâmpadas de acampamento";
- se necessário, iluminação decorativa das instalações sob a forma de fitas compridas com cores diferentes.
A sua utilização se deve ao grau de resistência do dispositivo aos fatores climáticos, avaliado pela classe de proteção do produto. Dependendo do design, são utilizados apenas em interiores ou podem funcionar em espaços abertos (como decoração de painéis publicitários ou LED de chuva, em particular).
Você pode controlar o nível de luminosidade em uma lâmpada comum ou lustre de várias maneiras. Para isso, são mais frequentemente utilizados circuitos eletrônicos especiais, que permitem modular a amplitude e outros parâmetros dos pulsos de luz. Para a conveniência de trabalhar com equipamentos domésticos, esse módulo é fabricado na forma de um painel de controle padrão.
