Pentru a înțelege ce este un LED, trebuie mai întâi să înțelegeți denumirea general acceptată a acestuia, reprezentată în limba engleză ca LED. Tradus, aceasta înseamnă literalmente „emiterea unor LED-uri mici”. Din punct de vedere tehnic, acestea sunt dispozitive semiconductoare care convertesc curentul electric în radiații de lumină vizibilă. Acest produs cel mai simplu prin aspectul și designul său diferă semnificativ de dispozitivele tipice de iluminat: lămpi cu incandescență și altele asemenea.
Istoria originii
Dispozitivul și principiul de funcționare al emițătorilor cu LED-uri sunt mai ușor de înțeles dacă vă familiarizați cu fundalul apariției lor. Pentru prima dată acest produs emițător s-a născut în 1962 sub forma unei diode roșii monocrome. În ciuda mai multor deficiențe, tehnologia sa de fabricație a fost recunoscută ca fiind promițătoare. La un deceniu după afișarea eșantionului roșu, LED-urile verzi și galbene au fost introduse publicului larg. Datorită reculului redus, aceste produse au fost utilizate în principal în casă ca indicatori pe panourile frontale ale aparatelor electronice de uz casnic.
De-a lungul timpului, intensitatea strălucirii a crescut de mai multe ori, iar în anii 90 ai secolului trecut a fost posibil să se facă o probă cu un flux luminos egal cu 1 lumen. În 1993, inginerul japonez S. Nakamura a creat prima diodă albastră, caracterizată printr-un nivel crescut de luminozitate. Din acel moment, dezvoltatorii lor au învățat cum să obțină orice culoare din spectrul vizibil, inclusiv albul.
Datorită caracteristicilor remarcabile ale produselor LED, de-a lungul timpului, acestea au devenit un concurent serios pentru becurile cu incandescență, care sunt familiare pentru mulți.
Din 2005, industria stăpânește producția de LED-uri albe cu un flux luminos de până la 100 lm și mai mult. În plus, au învățat cum să facă elemente de iluminat cu diferite nuanțe de alb („cald”, „rece” și alte străluciri).
Dispozitivul și principiul formării radiațiilor
Pentru a înțelege modul în care funcționează un LED, mai întâi de toate, trebuie să țineți cont de o serie de puncte referitoare la proiectarea acestuia:
- baza elementului LED este un cristal semiconductor care trece curentul doar într-o singură direcție;
- dispozitivul clasic cu LED-uri presupune prezența unui substrat izolator;
- corpul de sticlă al diodei protejează în mod fiabil cristalul de influențele externe și este în același timp un element de împrăștiere;
- există două contacte pe spatele carcasei, la care LED-ul este alimentat cu energie electrică.
Pentru a crește durata de viață a dispozitivului emitent, spațiul dintre lentila difuză și cristalul în sine este umplut cu un compus transparent din silicon.
În structura unor LED-uri, este prevăzut un substrat special din aluminiu, care este baza dispozitivului și în același timp elimină excesul de căldură din acesta.
Este mai ușor de înțeles cum funcționează un LED examinând o joncțiune semiconductoare, pe care profesioniștii o numesc joncțiune cu găuri de electroni. Numele său este asociat cu natura diferită a purtătorilor principali din stratul limită al celor două structuri. Într-un semiconductor, există un exces de electroni la limita de contact, iar în materialul adiacent există găuri în exces.În procesul de fabricare a unei joncțiuni semiconductoare, aceștia pătrund în stratul adiacent, formând o barieră potențială care previne polarizarea lor inversă. Valoarea tensiunii directe pe LED în timpul funcționării sale depinde de lățimea joncțiunii.
Atunci când un potențial de o anumită polaritate și o valoare generată de o sursă de curent constantă se aplică diodei, este posibilă deplasarea joncțiunii în direcția dorită. Acest lucru va duce la deschiderea sa și la apariția unui contracurent de particule încărcate în mod opus. Când se ciocnesc, cante de energie luminoasă - fotoni - sunt emise în limitele tranziției. În funcție de rata de repetare a acestor impulsuri, radiația capătă o anumită colorare a culorii.
Ce determină culoarea LED-ului
La fabricarea LED-urilor, se utilizează diferite tipuri de materiale semiconductoare, alegerea cărora determină nuanța de culoare pe care o emit.
Capacitatea de a distinge culoarea este o proprietate înnăscută a ochiului uman, capabil să capteze gradațiile sale cu o mare acuratețe. Este indisolubil legată de lungimea de undă a radiației cuantice pe care o transportă undele electromagnetice cu o anumită frecvență. În acest caz, impulsurile de lumină se formează la marginea joncțiunii semiconductoare a LED-ului.
Când au studiat proprietățile diferiților semiconductori într-un stadiu incipient al studiului lor, oamenii de știință au identificat materiale precum fosfura de galiu, precum și compușii ternari AlGaAs și GaAsP. Atunci când le utilizați, a fost posibil să se obțină radiații roșii și galbene-verzi. Astăzi, pentru a obține diverse combinații de culori, se utilizează combinații mai complexe de aluminiu cu indiu și galiu (AllnGaP) sau nitrură de indiu-galiu (InGaN). Acești semiconductori sunt capabili să reziste la curenți semnificativi, ceea ce face posibilă obținerea unei eficacități luminoase ridicate de la aceștia.
Tehnica de amestecare a culorilor
Benzi de diode moderne și clustere modulare LED sunt capabile să producă diferite nuanțe ale gamei de lumină. Având în vedere că o tranziție generează radiații monocrome, este necesar un dispozitiv multi-chip pentru a crea o strălucire multi-culoare. Acest produs complex funcționează ca un monitor de computer, pe care este posibil să obțineți aproape orice nuanță (pentru aceasta, se utilizează un modul RGB special).
Folosind acest principiu de formare a umbrelor, a fost posibil să se obțină o strălucire albă, care este utilizată pe scară largă în proiectoarele cu LED-uri, de exemplu. Pentru a face acest lucru, toate cele trei culori originale sau de bază au fost amestecate în proporții egale.
Poate fi obținut, de asemenea, prin combinarea structurilor diodice de radiații ultraviolete sau albastre cu un strat galben de tip fosfor.
Caracteristici ale fabricării LED-urilor
Pentru a înțelege modul în care sunt fabricate LED-urile, trebuie să vă familiarizați cu caracteristicile structurale în ceea ce privește tehnologiile utilizate în fabricare. Prin urmare, atunci când se iau în considerare specificul producției lor, în primul rând, se iau în considerare următoarele puncte:
- o metodă specifică de formare a culorii radiației (matrice sau fosfor);
- pentru câte volți sunt proiectate LED-urile și ce valoare de curent rezistă;
- ce tehnologie vă permite să obțineți cea mai bună calitate a strălucirii și este mai ieftină.
Producerea de cipuri folosind o schemă matricială va costa producătorul mai mult, ceea ce se plătește cu o calitate ridicată a radiației. Dezavantajele fosforilor includ o lumină redusă, precum și o culoare nu complet pură a radiației. În plus, au o viață de muncă mai scurtă și sunt mai predispuși la eșec.
La fabricarea diodelor indicator simple cu o tensiune directă de 2-4 volți, tranziția lor este calculată pentru curenți mici (până la 50 mA). Pentru a crea dispozitive de iluminat depline și circuite de poduri LED, vor fi necesare dispozitive cu rate de curent ridicate (până la 1 ampere). Dacă într-un modul diodele sunt conectate într-un lanț serial, tensiunea totală la joncțiunile lor ajunge la 12 sau chiar la 24 de volți.În timpul fabricării produselor, plusul pentru fiecare LED este marcat într-un mod special (se face o mică proeminență pe piciorul corespunzător).
Aplicații și control al strălucirii
Datorită varietății de modificări, produsele LED sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii:
- la fabricarea lămpilor de economisire a energiei instalate într-un candelabru tipic, de exemplu, sau într-un aplice obișnuit de perete;
- pentru utilizare ca iluminatoare în felinare miniaturale răspândite, precum și în structuri mai mari, cum ar fi "lămpi de camping";
- dacă este necesar, iluminarea decorativă a spațiilor sub formă de panglici lungi cu culori diferite.
Utilizarea lor se datorează gradului de rezistență al dispozitivului la factorii climatici, evaluat de clasa de protecție a produsului. În funcție de design, acestea sunt utilizate numai în interior sau pot lucra în spații deschise (ca decor pentru panouri publicitare sau ploaie cu LED-uri, în special).
Puteți controla nivelul de luminozitate într-o lampă obișnuită sau candelabru în diferite moduri. Pentru aceasta, sunt utilizate cel mai adesea circuite electronice speciale, care permit modularea amplitudinii și a altor parametri ai impulsurilor de lumină. Pentru comoditatea lucrului cu echipamentele de uz casnic, un astfel de modul este fabricat sub forma unui panou de control standard.
