LED-i tööpõhimõte: kuidas lamp töötab, tehnilised omadused ja loomise ajalugu

LED on kahejuhtmeline pooljuhtvalgusallikas. Kui klemmidele suunatakse sobiv vool, on elektronid võimelised taasühenduma seadme sees olevate elektroniaukudega, vabastades energia footonite kujul. Seda efekti nimetatakse elektroluminestsentsiks ja valguse värvuse määrab pooljuhi energiapilu.

Mis on LED

Valgusdiood on optoelektrooniline seade, mis on võimeline kiirgama valgust, kui seda läbib elektrivool. Valgusdiood läbib elektrivoolu ainult ühes suunas ja tekitab elektrienergia muundamisel ebaühtlast mono- või polükromaatilist kiirgust.

Tal on mitmed tuletised:

• OLED.
• AMOLED.
• VOLTUD.

Tänu oma valgusefektiivsusele moodustavad LED-id praegu 75% sise- ja autovalgustite turust. Neid kasutatakse lameekraantelerite ehitamisel, nimelt LCD-ekraanide valgustamiseks või elektrienergia allikaks. Kasutatakse OLED-telerite peamise valgustusena.

Esimesed müügile jõudnud LED-id andsid infrapuna-, punase, rohelise ja seejärel kollase valguse. Sinine LED-väljund, mis on seotud tehnika ja paigalduse edenemisega, võimaldab katta emissiooni lainepikkuste vahemikku ultraviolettkiirgusest (350 nm) infrapunani (2000 nm). nm), mis vastab paljudele vajadustele. Paljud seadmed on varustatud liitvalgustitega (kolm ühes komponendis: punane, roheline ja sinine), et kuvada palju värve.

LED lamp

LED-lambid on kodu-, tööstus- ja tänavavalgustuse valgustustooted, milles valgusallikaks on LED. Põhimõtteliselt on see LED-ide ja toiteahelate komplekt võrgutoite muundamiseks madalpinge alalisvooluks.

LED-valgusti on eraldiseisev ja sõltumatu seade. Selle korpus on enamasti individuaalse disainiga ja spetsiaalselt loodud erinevate valgusallikate jaoks. Suur hulk lampe ja nende väiksus võimaldavad neid erinevatesse kohtadesse paigutada, paneele kokku panna ning kasutada ekraanide ja telerite valgustamiseks.

Üldvalgustuse jaoks on vaja valget valgust. LED-lambi tööpõhimõte põhineb valguse emissioonil väga kitsas lainepikkuste vahemikus: see tähendab tootmiseks kasutatava pooljuhtmaterjali energiale iseloomulik värv LEDid. LED-lambi valge valguse kiirgamiseks peate segama punaste, roheliste ja siniste LED-ide emissioone või kasutama fosforit, et muuta valguse osad teisteks värvideks.

Üks meetoditest - RGB (punane, roheline, sinine) on mitme LED-maatriksi kasutamine mille vahetus läheduses kiirgab erinevaid lainepikkusi, et luua üldine valge värvid.

Esimeste lampide loomise ajalugu

Esimene pooljuhtide valguse emissioon pärineb aastast 1907 ja selle avastas Henry Joseph Round. 1927. aastal esitas Oleg Vladimirovitš Losev esimese patendi sellele, mida hiljem hakati nimetama valgusdioodiks.

1955. aastal avastas Rubin Braunstein infrapunakiirguse galliumarseniidist, pooljuhist, mida hiljem hakkasid kasutama Nick Holonyak Jr ja S. Bevaccoy lõi esimese punase LED-i 1962. aastal. Mitu aastat on teadlased piirdunud mõne värviga, nagu punane (1962), kollane, roheline ja hiljem sinine (1972).

Jaapani teadlaste panus

1990. aastatel uurisid Shuji Nakamura ja Takashi Mukai Nichiast InGaN pooljuhttehnoloogiat. lubatud luua suure heledusega siniseid LED-e ja seejärel kohaneda valgega, lisades kollast luminofoor. See edu on võimaldanud uusi olulisi rakendusi, nagu teleri- ja LCD-ekraanide valgustus ja taustvalgustus. 7. oktoobril 2014 said Shuji Nakamura, Isamu Akasaki ja Hiroshi Amano siniste LED-ide kallal tehtud töö eest Nobeli füüsikaauhinna.

Kuidas seade töötab

Kui diood on kallutatud ettepoole, liiguvad elektronid kiiresti läbi ristmiku. Nad ühendavad pidevalt, eemaldavad üksteist. Varsti pärast seda, kui elektronid hakkavad liikuma n-tüüpi ränilt p-tüüpi ränile, ühendub diood aukudega ja siis kaob. Seega muudab see kogu aatomi stabiilsemaks ja annab väikese energiaimpulsi valguse footoni kujul.

Valguslaine moodustumise põhimõte

LED-i toimimise mõistmiseks peate tutvuma selle materjalide ja omadustega. LED on PN-ristmiku spetsiaalne vorm, mis kasutab komposiitühendust. Ühend peab olema ühendamiseks kasutatav pooljuhtmaterjal. Tavaliselt kasutatavad materjalid, sealhulgas räni ja germaanium, on lihtsad elemendid ja nendest materjalidest valmistatud ühend ei kiirga valgust. Mis puutub pooljuhtidesse, nagu galliumarseniid, galliumfosfiid ja indiumfosfiid, siis need on komposiitmaterjalid ja nende materjalide ühendid kiirgavad valgust.

Need komposiitpooljuhid klassifitseeritakse nende hõivatud valentsribade järgi. Galliumarseniidi valents on kolm ja arseeni viis. Seda nimetatakse rühma III-V pooljuhiks. Sellesse kategooriasse sobivad mitmed teised pooljuhid. On pooljuhte, mis on moodustatud III-V rühma materjalidest.

Valgusdiood kiirgab valgust, kui see on kallutatud ettepoole. Kui ristmikule rakendatakse pinget, et muuta see ettepoole, voolab vool, nagu iga PN-siirde puhul. Avad p-tüüpi piirkonnast ja elektronid n-tüüpi piirkonnast sisenevad ristmikku ja rekombineeruvad nagu tavaline diood, et lasta voolul voolata. Kui see juhtub, vabaneb energia.

Leiti, et suurem osa valgusest tuleb P-tüüpi piirkonnale lähemal olevast üleminekupiirkonnast. Dioodide konstruktsioon on tehtud selliselt, et see ala paikneks võimalikult seadme pinnale lähedal, et konstruktsioon neelaks minimaalselt valgust.

Nähtava valguse saamiseks peab ühendus olema optimeeritud ja materjalid õiged. Puhas galliumarseniid eraldab energiat spektri infrapunases osas. Valguse emissiooni esilekutsumiseks lisatakse pooljuhile nähtavas punases spektris alumiinium, millele järgneb galliumarseniidi arseniidi (AlGaAs) tootmine. Punase valguse tekitamiseks võib lisada fosforit. Teiste värvide jaoks kasutatakse erinevaid materjale. Näiteks galliumfosfiid toodab rohelist valgust, kaltsiumalumiiniumfosfiidi aga kollase ja oranži valguse tekitamiseks. Enamik LED-e põhinevad galliumpooljuhtidel.

Kvantteooria

Vooluvool pooljuhtides on tingitud mõlemast vabade elektronide voost vastassuunas. Seega toimub nende laengukandjate voo tõttu rekombinatsioon.

Rekombinatsioon näitab, et juhtivusribas olevad elektronid lähevad alla valentsribale. Kui nad hüppavad ühest ribast teise, kiirgavad nad footonite kujul elektromagnetilist energiat ja footoni energia on võrdne keelatud energiavahega.

Kuvatakse matemaatiline võrrand:

Eq = hf

H on tuntud kui Plancki konstant ja elektromagnetilise kiirguse kiirus on võrdne valguse kiirusega. Sageduskiirgus on seotud valguse kiirusega f = c / λ. λ tähistatakse elektromagnetilise kiirguse lainepikkusena ja võrrand on järgmine:

Eq = ta / λ

Selle võrrandi põhjal saate aru, kuidas LED töötab, tuginedes asjaolule, et elektromagnetilise kiirguse lainepikkus on pöördvõrdeline ribalaiusega. Üldiselt on elektromagnetlaine kogukiirgus rekombinatsiooni ajal infrapunakiirguse kujul. Infrapunakiirguse lainepikkust on võimatu näha, kuna see on väljaspool nähtavat ulatust.

Infrapunakiirgust nimetatakse soojuseks, kuna räni- ja germaaniumpooljuhid ei ole otsese vahega pooljuhid, vaid on kaudsed vahesordid. Kuid otsese vahega pooljuhtides ei esine valentsriba maksimaalne energiatase ja juhtivusriba minimaalne energiatase elektronidega samaaegselt. Seetõttu migreeruvad elektronid elektronide ja aukude rekombinatsiooni käigus juhtivusribalt valentsribale ja elektronriba impulss muutub.

Eelised ja miinused

Nagu igal seadmel, on LED-il ka mitmeid funktsioone, peamisi eeliseid ja puudusi.

Peamised eelised näeb välja selline:

• Väike suurus: näiteks saate teha nii väikeseid LED-e kui piksleid (mis avab võimaluse kasutada dioode kõrge eraldusvõimega ekraanide loomiseks).
• PCB-de kokkupanemise lihtsus, traditsiooniline või CMS (pindpaigalduskomponent).
• Elektrikulu on väiksem kui hõõglambil ja samas suurusjärgus luminofoorlambi omaga.
• Suurepärane mehaaniline stabiilsus.
• Mitme LED-i kokkupanemisel saab uuenduslike kujunditega saavutada hea valgustuse.
• Eluiga (umbes 20 000 kuni 50 000 tundi), mis on palju pikem kui tavalisel hõõglambil (1000 tundi). tundi) või halogeenlampi (2 tuh. tundi). Sama suurusjärk kui luminofoorlampidel (alates 5 tuh. kuni 70 000 tundi).
• Väga madal pinge, ohutu ja lihtne transportida. Puhkajatele on LED-taskulambid, mis töötavad lihtsa käsidünamo aegluubis ("vändalamp").
• Kerge inerts on peaaegu null. Dioodid lülituvad sisse ja välja väga lühikese aja jooksul, mis võimaldab kasutada lähi- (optronid) või kaugete (kiudoptiliste) signaalide edastamisel. Nad saavutavad kohe oma nominaalse valgustugevuse.
• Tänu oma võimsusele lähevad klassikalised 5 mm LED-id vaevu kuumaks ega saa sõrmi põletada.
• RGB (punane-roheline-sinine) LED-id võimaldavad piiramatu variatsiooniga värve täiustada.

Puudujääkidest võib märkida järgmist:

• LED-idel, nagu igal elektroonilisel komponendil, on maksimaalsed töötemperatuuri piirangud, samuti mõned passiivsed komponendid, mis moodustavad nende toiteahela (näiteks keemilised kondensaatorid, mis kuumenevad sõltuvalt efektiivvool). LED-lambi komponentide soojuse hajumine on piirav tegur nende võimsuse suurendamisel, eriti mitmekiibiliste sõlmede puhul.
• Tootja Philipsi sõnul langeb mõne LED-i valgusefektiivsus kiiresti. Temperatuur kiirendab valgusefektiivsuse langust. Philips juhib tähelepanu ka sellele, et mõne valge LED-i värv võib muutuda ja helendab vananedes roheliselt.
• LED tootmisprotsess on väga energiamahukas. Teades LED-ide peamisi omadusi, nende eeliseid ja puudusi, saate teha valiku - kas osta need või keelduda tavaliste hõõglampide ostmisest ja kasutamisest. Arvestades aga sellise valgustuse kuluefektiivsust, tasub arvestada, et sellest võib saada hea alternatiiv tavalistele odavamatele valgusallikatele.