За да разберете какво е светодиод, първо трябва да разберете неговото общоприето наименование, представено на английски като LED. В превод това буквално означава „излъчване на малки светодиоди“. От техническа гледна точка те са полупроводникови устройства, които преобразуват електрически ток във видимо светлинно лъчение. Този най-прост продукт по своя външен вид и устройство се различава значително от типичните осветителни устройства: лампи с нажежаема жичка и други подобни.
История на възникване
Устройството и принципът на работа на LED излъчвателите са по-лесни за разбиране, ако се запознаете с фона на тяхното възникване. Този излъчващ продукт е роден за първи път през 1962 г. под формата на монохромен червен диод. Въпреки редица недостатъци, технологията му на производство беше призната за обещаваща. Десетилетие след демонстрацията на червената проба, зелените и жълтите светодиоди бяха представени на широката публика. Поради ниската възвръщаемост, тези продукти се използват главно в къщата като индикатори на предните панели на домакинските електронни устройства.
С течение на времето интензивността на сиянието се увеличава няколко пъти и през 90-те години на миналия век е възможно да се направи проба със светещ поток, равен на 1 лумен. През 1993 г. японският инженер С. Накамура създава първия в историята син диод, който се отличава с високо ниво на светимост. От този момент техните разработчици се научиха да получават всякакъв цвят на видимия спектър, включително бял.
Поради забележителните характеристики на LED продуктите, с течение на времето те се превърнаха в сериозен конкурент на крушките с нажежаема жичка, които са познати на мнозина.
От 2005 г. насам индустрията овладява производството на бели светодиоди със светещ поток до 100 lm или повече. Освен това научихме как да правим осветителни елементи с различни нюанси на бялото („топло“, „студено“ и други светила).
Устройство и принцип на образуване на радиация
За да разберете как е подреден светодиодът, на първо място, е необходимо да се вземат предвид редица точки по отношение на неговия дизайн:
- основата на LED елемента е полупроводников кристал, преминаващ ток само в една посока;
- класическото LED устройство предполага наличието на изолационен субстрат;
- стъкленият корпус на диода надеждно защитава кристала от външни влияния и в същото време е разсейващ елемент;
- на гърба на кутията има два контакта, към които се подава електрическата мощност на светодиода.
За да се увеличи времето за реакция на излъчващото устройство, пространството между разсейващата леща и самия кристал се запълва с прозрачно силиконово съединение.
В структурата на някои светодиоди е предвиден специален алуминиев субстрат, който е основата на устройството и в същото време отделя излишната топлина от него.
Принципът на работа на светодиода е по-лесен за разбиране чрез изследване на полупроводниковия възел, който професионалистите наричат преход електрон-дупка. Името му се свързва с различното естество на основните носители в граничния слой на две структури. В един полупроводник има излишък на електрони на границата на контакта, а в материала в съседство с него има излишни дупки. В процеса на производство на полупроводниковия възел те проникват в съседния слой, образувайки потенциална бариера, която предотвратява обратното им отклонение.Директното напрежение на светодиода по време на неговата работа зависи от ширината на прехода.
Когато потенциалът на дадена полярност и стойност, генерирана от източник на постоянен ток, се подава към диода, е възможно преместването на прехода в желаната посока. Това ще доведе до нейното отваряне и появата на насрещно протичане на противоположно заредени частици. Когато се сблъскат на преходните граници, се излъчват кванти от светлинна енергия - фотони. В зависимост от скоростта на повторение на тези импулси излъчването придобива определен цвят.
Какво определя цвета на светодиода
При производството на светодиоди се използват различни видове полупроводникови материали, изборът на които определя цветния нюанс, излъчван от тях.
Способността за разграничаване на цвета е вродено свойство на човешкото око, способно да улавя своите градации с голяма точност. Тя е неразривно свързана с дължината на вълната на квантовото излъчване, пренасяна от електромагнитни вълни с определена честота. В този случай светлинните импулси се формират на границата на полупроводниковия преход на светодиода.
При изучаването на свойствата на различни полупроводници в начален етап на тяхното изследване, учените идентифицирали материали като галиев фосфид, както и тройни съединения AlGaAs и GaAsP. При използването им беше възможно да се получи червено и жълто-зелено лъчение. Днес, за да се получат различни цветови комбинации, се използват по-сложни комбинации от алуминий с индий и галий (AllnGaP) или галиев индиев нитрид (InGaN). Тези полупроводници са в състояние да издържат на значителни токове, което им позволява да получават висока светлинна мощност.
Техника за смесване на цветовете
Съвременните диодни ленти и LED модулни клъстери са в състояние да издават различни нюанси на светлинния обхват. Като се има предвид, че единият преход образува монохромно излъчване, за създаване на многоцветен блясък ще е необходимо устройство с много чипове. Този сложен продукт работи като компютърен монитор, на който е възможно да се получи почти всеки нюанс (за това се използва специален RGB модул).
Използвайки този принцип на формиране на сянка, беше възможно да се получи бяло сияние, широко използвано например в LED прожектори. За да направите това, и трите източника или основния цвят бяха смесени в равни пропорции.
Възможно е да се получи и чрез комбиниране на диодни структури на ултравиолетово или синьо лъчение с жълто фосфорно покритие.
Характеристики на производството на светодиоди
За да разберете как се правят светодиодите, ще трябва да се запознаете със структурните характеристики по отношение на технологиите, използвани при производството. Ето защо, когато се разглеждат спецификите на тяхното производство, се вземат предвид преди всичко следните точки:
- специфичен метод за формиране на цвета на излъчването (матрица или фосфор);
- за колко волта са предназначени светодиодите и какъв размер ток могат да издържат;
- коя технология ви позволява да получите най-доброто качество на блясъка и е по-евтина.
Правенето на чипове в матрична схема ще струва на производителя повече, което се отплаща с висококачествено излъчване. Недостатъците на фосфорите включват ниска светлинна мощност, както и не съвсем чисто цветно излъчване. Освен това те имат по-малък работен ресурс и често се провалят.
При производството на прости индикаторни диоди с пряко напрежение 2-4 Волта, техният преход се изчислява за малки токове (до 50 mA). За да създадете висококачествени осветителни устройства и светодиодни мостови вериги, ще са необходими устройства с големи токови индикатори (до 1 ампер). Ако в един модул диодите са свързани последователно, общото напрежение в техните кръстовища достига 12 или дори 24 волта.При производството на продукти плюсът на всеки светодиод се маркира по специален начин (на съответния крак се прави малък перваз).
Обхват и управление на луминесценцията
Поради разнообразието от модификации, LED продуктите се използват широко в различни области:
- при производството на енергоспестяващи лампи, монтирани в типичен полилей, например, или в конвенционална стена;
- за използване като осветителни тела в широко разпространени миниатюрни фенерчета, както и в по-големи структури като "къмпинг туристически лампи";
- ако е необходимо, декоративно осветяване на стаи под формата на дълги панделки с различни цветове.
Използването им се дължи на степента на устойчивост на устройството към климатичните фактори, оценена от класа на защита на продукта. В зависимост от дизайна, те се използват само на закрито или могат да работят на открити пространства (по-специално като дизайн за билбордове или LED дъжд).
Можете да контролирате нивото на осветеност в обикновена лампа или полилей по различни начини. За това най-често се използват специални електронни схеми за модулиране на амплитудата и други параметри на светлинните импулси. За удобство при работа с домакинско оборудване такъв модул е направен под формата на типичен контролен панел.
