Como os LEDs são organizados e funcionam

Os dispositivos semicondutores emissores de luz são amplamente utilizados para sistemas de iluminação e como indicadores de corrente elétrica. Eles se referem a dispositivos eletrônicos operando sob a tensão aplicada.

Como seu valor é insignificante, essas fontes pertencem a dispositivos de baixa tensão, eles têm um grau de segurança aumentado em relação ao efeito da corrente elétrica no corpo humano. Os riscos de lesões aumentam quando fontes de aumento de tensão, por exemplo, uma rede doméstica, que requer a inclusão de fontes de alimentação especiais no circuito, são usadas para incendiá-las.

Uma característica distintiva do design do LED é uma resistência mecânica mais alta da caixa do que a das lâmpadas Illich e fluorescentes. Com operação adequada, eles trabalham por muito tempo e de forma confiável. Seu recurso é 100 vezes superior ao dos filamentos incandescentes, atingindo cem mil horas.

No entanto, esse indicador é característico para os designs dos indicadores. As fontes de alta potência usam altas correntes para iluminação e a vida útil é reduzida em 2 a 5 vezes.

Dispositivo LED

Um LED indicador convencional é fabricado em uma caixa de epóxi com um diâmetro de 5 mm e dois fios de contato para conexão aos circuitos de corrente elétrica: ânodo e cátodo. Visualmente, eles diferem em comprimento. Para um novo dispositivo sem contatos cortados, o cátodo é mais curto.

Uma regra simples ajuda a lembrar esta posição: ambas as palavras começam com a letra "K":

• cátodo;

• em suma.

Quando as pernas do LED são cortadas, o ânodo pode ser determinado aplicando 1,5 volts de tensão de uma simples bateria digital aos contatos: a luz aparece quando as polaridades coincidem.

O único cristal ativo emissor de luz de um semicondutor tem a forma de um paralelepípedo retangular. Ele é colocado próximo a um refletor parabólico de liga de alumínio e montado em um substrato com propriedades não condutoras.

No final de uma caixa transparente transparente feita de materiais poliméricos, há uma lente focando os raios de luz. Juntamente com o refletor, forma um sistema óptico que forma o ângulo do fluxo de radiação. É caracterizado pelo padrão de diretividade do LED.

Caracteriza o desvio da luz do eixo geométrico da estrutura geral para os lados, o que leva a um aumento na dispersão. Esse fenômeno ocorre devido ao aparecimento de pequenas violações da tecnologia durante a produção, bem como ao envelhecimento de materiais ópticos durante a operação e a alguns outros fatores.

Uma correia de alumínio ou latão pode ser localizada na parte inferior do gabinete, servindo como um radiador para remover o calor gerado durante a passagem da corrente elétrica.

Este princípio de design é generalizado. Em sua base, outras fontes de luz semicondutoras também são criadas usando outras formas de elementos estruturais.

Princípios de emissão de luz

A junção semicondutora do tipo p-n é conectada a uma fonte de tensão constante de acordo com a polaridade dos terminais.

Dentro da camada de contato de substâncias do tipo p e n, sob sua ação, inicia-se o movimento de elétrons e orifícios livres com carga negativa, que apresentam um sinal de carga positivo. Essas partículas são direcionadas para seus pólos.

Na camada de transição, as cargas se recombinam. Os elétrons passam da banda de condução para a banda de valência, superando o nível de Fermi.

Devido a isso, parte de sua energia é liberada com a liberação de ondas de luz de vários espectros e brilho. A frequência das ondas e a reprodução de cores dependem do tipo de materiais mistos dos quais são feitos junção p-n.

Para radiação de luz dentro da zona ativa de um semicondutor, duas condições devem ser atendidas:

1. o espaço da zona proibida em largura na região ativa deve estar próximo da energia dos quanta emitidos dentro da faixa de freqüência visível ao olho humano;

2. A pureza dos materiais do cristal semicondutor deve ser alta e o número de defeitos que afetam o processo de recombinação é o mínimo possível.

Esse difícil problema técnico é resolvido de várias maneiras. Uma delas é a criação de várias camadas de junções p-n quando uma heteroestrutura complexa é formada.

Efeito da temperatura

À medida que o nível de tensão da fonte aumenta, a corrente através da camada de semicondutores aumenta e a luminescência aumenta: um número maior de cargas por unidade de tempo entra na zona de recombinação. Ao mesmo tempo, os elementos que transportam corrente são aquecidos. Seu valor é crítico para o material dos condutores internos de corrente e a substância da junção pn. Temperaturas excessivas podem danificá-los, destruí-los.

Dentro dos LEDs, a energia da corrente elétrica passa diretamente para a luz, sem processos desnecessários: não como lâmpadas com filamentos incandescentes. Neste caso, perdas mínimas de energia útil são formadas devido ao baixo aquecimento dos elementos condutores.

Devido a isso, é criada alta eficiência dessas fontes. Porém, eles podem ser usados ​​somente onde a estrutura em si é protegida, bloqueada contra aquecimento externo.

Recursos de efeitos de iluminação

Após a recombinação de orifícios e elétrons em diferentes composições das substâncias da junção pn, é criada uma emissão de luz desigual. É costume caracterizá-lo pelo parâmetro do rendimento quântico - o número de quanta de luz extraída para um único par de cargas recombinadas.

É formado e ocorre em dois níveis do LED:

1. dentro da própria junção de semicondutores - interna;

2. na concepção de todo o LED como um todo - externo.

No primeiro nível, o rendimento quântico de cristais únicos executados corretamente pode atingir um valor próximo a 100%. Mas, para garantir esse indicador, é necessário criar grandes correntes e dissipação de calor poderosa.

Dentro da própria fonte, no segundo nível, parte da luz é dispersa e absorvida por elementos estruturais, o que reduz a eficiência geral da radiação. O valor máximo do rendimento quântico é muito menor. Para os LEDs que emitem um espectro vermelho, ele não atinge mais de 55%, enquanto para o azul diminui ainda mais - até 35%.

Tipos de transmissão de luz colorida

Os LEDs modernos emitem:

• amarelo:

• verde

• vermelho

• azul

• azul

• luz branca.

Espectro verde amarelo, amarelo e vermelho

A junção pn é baseada em fosfetos de gálio e arsenetos. Essa tecnologia foi implementada no final dos anos 60 para indicadores de dispositivos eletrônicos e painéis de controle de equipamentos de transporte, outdoors.

Esses dispositivos de saída de luz ultrapassaram imediatamente as principais fontes de luz da época - lâmpadas incandescentes e as superaram em confiabilidade, recursos e segurança.

Espectro azul

Os emissores dos espectros azul, azul esverdeado e especialmente branco não se prestaram à implementação prática por um longo tempo devido às dificuldades da solução complexa de dois problemas técnicos:

1. tamanho limitado da zona proibida em que a recombinação é realizada;

2. requisitos elevados para o teor de impurezas.

Para cada etapa do aumento do brilho do espectro azul, era necessário um aumento na energia dos quanta devido à expansão da largura da zona proibida.

O problema foi resolvido com a inclusão de carbonetos de silício SiC ou nitretos na substância semicondutora. Porém, os desenvolvimentos do primeiro grupo resultaram em uma eficiência muito baixa e um pequeno rendimento de radiação quântica para um par de cargas recombinadas.

A inclusão de soluções sólidas de seleneto de zinco na junção de semicondutores ajudou a aumentar o rendimento quântico. Porém, esses LEDs tiveram uma resistência elétrica aumentada na junção.Devido a isso, eles superaqueceram e queimaram rapidamente, e as estruturas complexas na fabricação de dissipação de calor não funcionaram efetivamente para eles.

Pela primeira vez, um LED azul foi criado usando filmes finos de nitreto de gálio depositados em um substrato de safira.

Espectro de branco

Para obtê-lo, use uma das três tecnologias desenvolvidas:

1. mistura de cores de acordo com o método RGB;

2. aplicação de três camadas de fósforo vermelho, verde e azul ao LED ultravioleta;

3. revestimento do LED azul com camadas de fósforo verde-amarelo e verde-vermelho.

No primeiro método, três cristais únicos são colocados em uma única matriz de uma só vez, cada um deles emitindo seu próprio espectro RGB. Devido ao design do sistema óptico baseado em lente, essas cores são misturadas e a saída resultante é uma tonalidade branca total.

Num método alternativo, a mistura de cores ocorre devido à irradiação sucessiva com radiação ultravioleta das três camadas de fósforo constituintes.

Recursos da tecnologia de espectro branco

Técnica RGB

Ele permite que você:

• envolva várias combinações de cristais únicos no algoritmo de controle de iluminação, conectando-os alternadamente manualmente ou com um programa automatizado;

• causar várias tonalidades de cores que mudam com o tempo;

• criar sistemas de iluminação espetaculares para publicidade.

Um exemplo simples dessa implementação é guirlandas de natal cor. Algoritmos similares também são amplamente utilizados pelos designers.

As desvantagens dos LEDs RGB são:

• cor heterogênea do ponto de luz no centro e nas bordas;

• aquecimento desigual e remoção de calor da superfície da matriz, levando a diferentes taxas de envelhecimento das junções p-n, afetando o equilíbrio de cores, alterando a qualidade geral do espectro de brancos.

Essas desvantagens são causadas pelo arranjo diferente de cristais únicos na superfície da base. Eles são difíceis de corrigir e configurar. Devido a essa tecnologia, os modelos RGB estão entre os projetos mais complexos e caros.

LEDs com fósforo

Eles são mais simples em design, mais baratos de fabricar, mais econômicos quando convertidos em unidades de radiação de fluxo luminoso.

Eles são caracterizados por desvantagens:

• na camada de fósforo há perdas de energia luminosa, que reduzem a emissão de luz;

• a complexidade da tecnologia para aplicar uma camada uniforme de fósforo afeta a qualidade da temperatura da cor;

• O fósforo tem uma vida útil mais curta que o próprio LED e envelhece mais rápido durante o uso.

Recursos de LEDs de diferentes modelos

Modelos de fósforo e produtos RGB são criados para várias aplicações industriais e domésticas.

Métodos de nutrição

O LED indicador dos primeiros lançamentos de massa consumiu cerca de 15 mA quando alimentado com um valor ligeiramente inferior a dois volts de tensão constante. Os produtos modernos têm características aprimoradas: até quatro volts e 50 mA.

Os LEDs para iluminação são alimentados pela mesma voltagem, mas já consomem várias centenas de miliamperes. Os fabricantes estão agora desenvolvendo e projetando ativamente dispositivos de até 1 A.

Para aumentar a eficiência da emissão de luz, são criados módulos de LED que podem usar uma fonte de tensão seqüencial para cada elemento. Nesse caso, seu valor aumenta para 12 ou 24 volts.

Ao aplicar tensão ao LED, a polaridade deve ser levada em consideração. Quando está quebrada, a corrente não passa e não haverá brilho. Se um sinal sinusoidal alternado for usado, o brilho ocorrerá somente quando uma meia-onda positiva passar. Além disso, sua força também muda proporcionalmente de acordo com a lei da aparência da magnitude da corrente correspondente com uma direção polar.

Deve-se notar que, com uma tensão reversa, é possível uma quebra da junção semicondutora. Ocorre quando exceder 5 volts em um único cristal.

Métodos de gestão

Para ajustar o brilho da luz emitida, um dos dois métodos de controle é usado:

1. a magnitude da tensão conectada;

2. usando Modulação por largura de pulso - PWM.

O primeiro método é simples, mas ineficiente. Quando o nível de tensão cai abaixo de um determinado limite, o LED pode simplesmente apagar.

O método PWM elimina esse fenômeno, mas é muito mais complicado na implementação técnica. A corrente passada pela junção semicondutora do cristal único é fornecida não por uma forma constante, mas por uma alta frequência pulsada com um valor de várias centenas a mil hertz.

Ao alterar a largura dos pulsos e as pausas entre eles (o processo é chamado de modulação), o brilho do brilho é ajustado em uma ampla faixa. A formação dessas correntes através de cristais únicos é realizada por unidades de controle programáveis ​​especiais com algoritmos complexos.

Espectro de emissão

A frequência da radiação emergindo do LED está em uma região muito estreita. É chamado monocromático. É fundamentalmente diferente do espectro de ondas que emana do Sol ou dos filamentos incandescentes das lâmpadas comuns.

Há muita discussão sobre o efeito dessa iluminação no olho humano. No entanto, os resultados de análises científicas sérias sobre esse assunto são desconhecidos para nós.

Produção

Na fabricação de LEDs, apenas uma linha automática é usada, na qual as máquinas robóticas funcionam de acordo com uma tecnologia pré-projetada.

O trabalho manual físico de uma pessoa é completamente excluído do processo de produção.

Especialistas treinados realizam apenas o controle sobre o curso correto da tecnologia.

A análise da qualidade dos produtos também é responsabilidade deles.