איך מסודרים נוריות ה- LED ועובדות

התקני מוליכים למחצה פולטי אור משמשים באופן נרחב למערכות תאורה וכמדדים לזרם חשמלי. הם מתייחסים למכשירים אלקטרוניים הפועלים תחת המתח המופעל.

מכיוון שערכו אינו חשוב, מקורות כאלה שייכים למכשירי מתח נמוך, יש להם מידה מוגברת של בטיחות ביחס להשפעת הזרם החשמלי על גוף האדם. הסיכונים לפגיעות גוברים כאשר מקורות מתח מוגבר, למשל רשת ביתית ביתית, המחייבים הכללת ספקי כוח מיוחדים במעגל משמשים להארתם.

מאפיין ייחודי של עיצוב ה- LED הוא חוזק מכני גבוה יותר של הדיור מזה של Illich ומנורות ניאון. בתפעול נכון הם עובדים זמן רב ואמין. המשאב שלהם גבוה פי מאה מזה של חוטי ליבון, ומגיע למאה אלף שעות.

עם זאת, מחוון זה אופייני לעיצובים של מחוון. מקורות בעלי עוצמה גבוהה משתמשים בזרמים גבוהים לתאורה, ואורך חיי השירות מופחת פי 2-5.

מכשיר לד

נורית חיווי רגילה מיוצרת במארז אפוקסי בקוטר 5 מ"מ ושני מובילי מגע לחיבור למעגלי זרם חשמלי: אנודה וקתודה. מבחינה ויזואלית הם נבדלים זה מזה באורכם. עבור מכשיר חדש ללא קשרים חתוכים, הקתודה קצרה יותר.

כלל פשוט עוזר לזכור עמדה זו: שתי המילים מתחילות באות K:

• קתודה;

• בקיצור.

כאשר רגלי ה- LED מנותקות, ניתן לקבוע את האנודה על ידי הפעלת 1.5 וולט מתח מסוללת אצבע פשוטה על המגעים: האור מופיע כאשר הקוטביות חופפים זה לזה.

הגביש היחיד הפעיל פולט האור של מוליכים למחצה הוא בעל צורה מקבילה מלבנית. הוא ממוקם בסמוך לרפלקטור פרבולי עשוי מסגסוגת אלומיניום ומורכב על מצע בעל תכונות לא מוליכות.

בסוף מארז שקוף שקוף העשוי מחומרים פולימריים, יש עדשה המתמקדת בקרני אור. הוא, יחד עם המשקף, מהווה מערכת אופטית המהווה את זווית שטף הקרינה. זה מאופיין על ידי דפוס ההכוונה של הלד.

זה מאפיין את סטיית האור מהציר הגיאומטרי של המבנה הכולל לצדדים, מה שמוביל לעלייה בפיזור. תופעה זו מתרחשת כתוצאה מהופעה של הפרות קטנות של הטכנולוגיה במהלך הייצור, כמו גם התיישנות של חומרים אופטיים במהלך הפעולה וכמה גורמים אחרים.

חגורת אלומיניום או פליז יכולה להיות ממוקמת בתחתית המארז, ומשמשת כרדיאטור להסרת חום שנוצר במהלך מעבר זרם חשמלי.

עיקרון עיצוב זה נפוץ. על בסיסו, מקורות אור מוליכים למחצה אחרים נוצרים גם באמצעות צורות אחרות של אלמנטים מבניים.

עקרונות פליטת אור

צומת המוליכים למחצה מסוג p-n מחובר למקור מתח קבוע בהתאם לקוטביות המסופים.

בתוך שכבת המגע של חומרים מסוג p ו- n, תחת פעולתו, מתחילה תנועתם של אלקטרונים וחורים נטענים שליליים, שיש להם סימן מטען חיובי. חלקיקים אלה מכוונים לעבר הקטבים שלהם.

בשכבת המעבר, המטענים מתחברים מחדש. אלקטרונים עוברים מרצועת ההולכה אל פס הערכיות ומתגברים על רמת פרמי.

בשל כך, חלק מהאנרגיה שלהם משתחררת עם שחרורם של גלי אור בספקטרום ובהירות שונים. תדירות הגל ושעתוק הצבעים תלויים בסוג החומרים המעורבים מהם הוא עשוי צומת p-n.

לקרינת אור בתוך האזור הפעיל של מוליך למחצה יש לעמוד בשני תנאים:

1. המרחב של האזור האסור ברוחבו באזור הפעיל צריך להיות קרוב לאנרגיה של הקוונטה הנפלטת בטווח התדרים הנראה לעין האנושית;

2. טוהר החומרים של גביש המוליכים למחצה חייב להיות גבוה, ומספר הפגמים המשפיעים על תהליך השילוב מחדש הוא המינימלי האפשרי.

בעיה טכנית קשה זו נפתרת בכמה אופנים. אחת מהן היא יצירת כמה שכבות של צמתים p-n כאשר נוצר מבנה הטרוסוכני מורכב.

אפקט טמפרטורה

ככל שרמת מתח המקור עולה, הזרם דרך שכבת המוליכים למחצה מעלה והאורות עולה: מספר טעינה מוגבר לכל זמן ליחידה נכנס לאזור הרקומבינציה. במקביל מחממים אלמנטים נושאי זרם. ערכו קריטי עבור החומר של מוליכי זרם פנימיים וחומר צומת ה- pn. טמפרטורות מוגזמות עלולות לפגוע בהן, להרוס אותן.

בתוך נורות הלד, אנרגיית הזרם החשמלי עוברת ישירות אל האור, ללא תהליכים מיותרים: לא כמו במנורות עם חוטי ליבון. במקרה זה נוצרים הפסדים מינימליים של כוח שימושי עקב החימום הנמוך של האלמנטים המוליכים.

בשל כך נוצרת יעילות גבוהה של מקורות אלה. עם זאת, ניתן להשתמש בהם רק במקום בו המבנה עצמו מוגן, חסום מפני חימום חיצוני.

תכונות של אפקטים של תאורה

לאחר שילוב של חורים ואלקטרונים בהרכבים שונים של חומרי צומת ה- pn נוצרת פליטת אור לא שוויונית. נהוג לאפיין אותו על ידי הפרמטר של תפוקת הקוואנטים - מספר קוונטת האור המופק עבור זוג מטענים יחדיו.

הוא נוצר ומתרחש בשתי רמות של ה- LED:

1. בתוך צומת המוליכים למחצה עצמו - פנימי;

2. בעיצוב כל ה- LED בכללותו - חיצוני.

ברמה הראשונה, התשואה הקוונטית של גבישים בודדים המבוצעים נכון יכולה להגיע לערך קרוב ל 100%. אבל, כדי להבטיח מחוון זה, הוא נדרש ליצור זרמים גדולים ופיזור חום עוצמתי.

בתוך המקור עצמו, ברמה השנייה, חלק מהאור מפוזר ונספג על ידי אלמנטים מבניים, מה שמפחית את יעילות הקרינה הכללית. הערך המרבי של תשואת הקוונטים הוא הרבה פחות. עבור נוריות LED שפולטות ספקטרום אדום היא מגיעה ליותר מ 55% ואילו עבור כחול היא פוחתת עוד יותר - עד 35%.

סוגי העברת צבע אור

נוריות LED מודרניות פולטות:

• צהוב:

• ירוק

• אדום

• כחול

• כחול

• אור לבן.

ספקטרום ירוק צהוב, צהוב ואדום

צומת ה- pn מבוסס על גליום פוספידים וארסנידים. טכנולוגיה זו יושמה בסוף שנות ה -60 לאינדיקטורים של מכשירים אלקטרוניים ולוחות בקרה של ציוד הובלה, שלטי חוצות.

מכשירי תפוקת אור כאלה עקפו מיד את מקורות האור העיקריים של אותה תקופה - מנורות ליבון ועברו עליהם באמינות, משאב ובטיחות.

ספקטרום כחול

פולטות הספקטרום הכחול, הכחול-ירוק ובעיקר הלבנים לא השאילו עצמם ליישום מעשי במשך זמן רב בגלל הקשיים בפתרון מורכב של שתי בעיות טכניות:

1. גודל מוגבל של האזור האסור בו מתבצעת הרסומבינציה;

דרישות גבוהות לתוכן זיהומים.

עבור כל שלב של הגדלת הבהירות של הספקטרום הכחול, נדרשה עלייה באנרגיית הקוונטה עקב התרחבות רוחב האזור האסור.

הבעיה נפתרה על ידי הכללת סיליקון קרבידים SiC או ניטרידים בחומר המוליכים למחצה. עם זאת, התברר כי ההתפתחויות בקבוצה הראשונה היו בעלות יעילות נמוכה מדי ותשואה קטנה של קרינת קוונטים עבור זוג מטענים ששולבו מחדש.

הכללת פתרונות מוצקים של סלניום-אבץ בצומת המוליכים למחצה סייעה להגדיל את תפוקת הקוואנטים. אבל, נוריות LED כאלה היו בעלות התנגדות חשמלית מוגברת בצומת.בשל כך הם התחממו יתר על המידה ונשרפו במהירות, והמבנים המורכבים בייצור הסרת החום עבורם לא פעלו ביעילות.

לראשונה נוצר LED כחול בעזרת סרטים דקים של גליום ניטריד שהופקדו על מצע ספיר.

ספקטרום לבן

כדי להשיג אותו, השתמש באחת משלוש טכנולוגיות מפותחות:

1. ערבוב צבעים לפי שיטת RGB;

2. החלת שלוש שכבות של זרחן אדום, ירוק וכחול על ה- LED האולטרה סגול;

3. ציפוי ה- LED הכחול בשכבות של זרחן צהוב-ירוק ואדום-ירוק.

בשיטה הראשונה שלושה קריסטלים בודדים מונחים על מטריצה ​​יחידה בבת אחת, שכל אחד מהם פולט ספקטרום RGB משלו. בשל העיצוב של מערכת אופטית מבוססת עדשות, צבעים אלה מעורבים והתפוקה המתקבלת היא גוון לבן מוחלט.

בשיטה אלטרנטיבית, ערבוב צבעים מתרחש עקב הקרנה רצופה עם קרינה אולטרה סגולה של שלוש שכבות הזרחן המרכיבות.

תכונות של טכנולוגיית ספקטרום לבן

טכניקת RGB

זה מאפשר לך:

• לערב שילובים שונים של גבישים בודדים באלגוריתם של בקרת התאורה, ומחברים אותם לסירוגין ידנית או עם תוכנית אוטומטית;

• לגרום לגוני צבע שונים המשתנים עם הזמן;

• ליצור מערכות תאורה מרהיבות לפרסום.

דוגמה פשוטה ליישום כזה היא זרי חג המולד צבעוניים. אלגוריתמים דומים נמצאים בשימוש נרחב גם על ידי מעצבים.

החסרונות של נוריות RGB הם:

• צבע הטרוגני של נקודת האור במרכז ובקצוות;

• חימום והסרת חום לא אחידים ממשטח המטריצה, מה שמוביל לשיעורי הזדקנות שונים של צמתי p-n, המשפיעים על איזון צבע, ומשנים את האיכות הכללית של הספקטרום הלבן.

חסרונות אלה נגרמים בגלל הסידור השונה של גבישים בודדים על משטח הבסיס. קשה לתקן ולהגדיר אותם. בשל טכנולוגיה זו, דגמי RGB הם מהעיצובים המורכבים והיקרים ביותר.

נוריות לד עם זרחן

הם פשוטים יותר בתכנון, זולים יותר לייצור, חסכוניים יותר כאשר הם מומרים ליחידות קרינה של שטף זוהר.

הם מאופיינים על ידי חסרונות:

• בשכבת הזרחן ישנם הפסדים של אנרגיית אור, המפחיתים את תפוקת האור;

• מורכבות הטכנולוגיה ליישום שכבת זרחן אחידה משפיעה על איכות טמפרטורת הצבע;

• לזרחן אורך חיים קצר יותר מה- LED עצמו ומתיישן מהר יותר במהלך השימוש.

תכונות של נוריות LED בעיצובים שונים

דגמי זרחן ומוצרי RGB מיוצרים ליישומים תעשייתיים וביתיים שונים.

שיטות תזונה

נורית החיווי של המסה הראשונה משחררת נצרכה כ -15 מגה-אמפר כשהיא מופעלת מערך מעט נמוך משני וולט מתח קבוע. למוצרים מודרניים מאפיינים משופרים: עד ארבעה וולט ו -50 מיליאמפר.

נוריות לד לתאורה מופעלות מאותו מתח, אך כבר צורכות כמה מאות מילי -amp. היצרנים מפתחים ועיצוב פעיל מכשירים עד 1 A.

על מנת להגביר את היעילות של תפוקת האור, נוצרים מודולי LED שיכולים להשתמש באספקת מתח רציפה לכל אלמנט. במקרה זה, ערכו עולה ל 12 או 24 וולט.

בעת הפעלת מתח על הלד, יש לקחת בחשבון את הקוטביות. כאשר הוא נשבר, הזרם לא עובר ולא תהיה זוהר. אם משתמשים באות סינוסואידי מתחלף, הזוהר מתרחש רק כאשר עובר חצי גל חיובי. יתר על כן, חוזקו משתנה גם באופן פרופורציונאלי על פי חוק המראה של גודל הזרם המקביל עם כיוון קוטבי.

יש לזכור כי בעזרת מתח הפוך אפשרי פירוט של צומת מוליכים למחצה. זה מתרחש כאשר עולה על 5 וולט על גבי גביש יחיד.

דרכי ניהול

כדי להתאים את בהירות האור הנפלט, נעשה שימוש בשתי שיטות בקרה:

1. גודל המתח המחובר;

2. שימוש אפנון רוחב דופק - PWM.

השיטה הראשונה היא פשוטה אך לא יעילה. כאשר מפלס המתח יורד מתחת לסף מסוים, ה- LED יכול פשוט לצאת.

שיטת PWM מבטלת תופעה זו, אך היא מסובכת בהרבה ביישום הטכני. הזרם המועבר דרך צומת המוליכים למחצה של הגביש הבודד מסופק לא על ידי צורה קבועה, אלא על ידי תדר גבוה פועם עם ערך של כמה מאות לאלף הרץ.

על ידי שינוי רוחב הפולסים וההפסקות ביניהם (התהליך נקרא אפנון), בהירות הזוהר מותאמת על פני טווח רחב. היווצרותם של זרמים אלה באמצעות גבישים בודדים מתבצעת על ידי יחידות בקרה מיוחדות לתכנות עם אלגוריתמים מורכבים.

ספקטרום הפליטה

תדירות הקרינה שיוצאת מה- LED נמצאת באזור צר מאוד. זה נקרא מונוכרומטי. זה שונה מהותית מספקטרום הגלים הנובעים מהשמש או חוטי ליבון של נורות רגילות.

יש דיונים רבים על השפעת תאורה כזו על העין האנושית. עם זאת, תוצאות ניתוחים מדעיים רציניים בנושא זה לא ידועות לנו.

הפקה

בייצור נוריות LED משתמשים רק בקו אוטומטי, בו מכונות רובוט עובדות על פי טכנולוגיה שתוכננה מראש.

העבודה הידנית הפיזית של אדם אינה מוחלטת מתהליך הייצור.

מומחים מיומנים מבצעים רק שליטה על מהלך הטכנולוגיה הנכון.

ניתוח איכות המוצרים הוא גם באחריותם.