Cách sắp xếp và hoạt động của đèn LED

Các thiết bị bán dẫn phát sáng được sử dụng rộng rãi cho các hệ thống chiếu sáng và là chỉ số của dòng điện. Chúng liên quan đến các thiết bị điện tử hoạt động dưới điện áp được áp dụng.

Vì giá trị của nó là không đáng kể, các nguồn như vậy thuộc về các thiết bị điện áp thấp, chúng có mức độ an toàn cao hơn về tác động của dòng điện đối với cơ thể con người. Nguy cơ chấn thương tăng lên khi các nguồn điện áp tăng, ví dụ, mạng gia đình, đòi hỏi phải có các nguồn cung cấp năng lượng đặc biệt trong mạch, được sử dụng để chiếu sáng chúng.

Một đặc điểm khác biệt trong thiết kế của đèn LED là độ bền cơ học của vỏ cao hơn so với đèn Illich và đèn huỳnh quang. Với hoạt động đúng, họ làm việc lâu dài và đáng tin cậy. Tài nguyên của họ cao gấp 100 lần so với sợi đốt, đạt tới một trăm nghìn giờ.

Tuy nhiên, chỉ số này là đặc trưng cho thiết kế chỉ báo. Các nguồn năng lượng cao sử dụng dòng điện cao để chiếu sáng và tuổi thọ của dịch vụ giảm đi 2 lần5.

Thiết bị LED

Một đèn LED chỉ báo thông thường được chế tạo trong vỏ epoxy có đường kính 5 mm và hai dây dẫn tiếp xúc để kết nối với mạch điện: cực dương và cực âm. Trực quan họ khác nhau về chiều dài. Đối với một thiết bị mới không cắt tiếp điểm, cực âm ngắn hơn.

Một quy tắc đơn giản giúp ghi nhớ vị trí này: cả hai từ đều bắt đầu bằng chữ cái K K K:

• cực âm;

• trong ngắn hạn

Khi chân của đèn LED bị cắt, cực dương có thể được xác định bằng cách đặt điện áp 1,5 volt từ pin ngón tay đơn giản vào các tiếp điểm: ánh sáng xuất hiện khi các cực trùng nhau.

Các tinh thể đơn phát sáng hoạt động của một chất bán dẫn có dạng hình chữ nhật song song. Nó được đặt gần một gương phản xạ parabol làm bằng hợp kim nhôm và được gắn trên đế với đặc tính không dẫn điện.

Vào cuối của một trường hợp trong suốt trong suốt làm bằng vật liệu polymer, có một thấu kính hội tụ các tia sáng. Nó cùng với gương phản xạ tạo thành một hệ quang học tạo thành góc của thông lượng bức xạ. Nó được đặc trưng bởi mô hình chỉ đạo của đèn LED.

Nó đặc trưng cho độ lệch của ánh sáng từ trục hình học của cấu trúc tổng thể sang hai bên, dẫn đến sự gia tăng tán xạ. Hiện tượng này xảy ra do sự xuất hiện của những vi phạm nhỏ về công nghệ trong quá trình sản xuất, cũng như sự lão hóa của vật liệu quang học trong quá trình vận hành và một số yếu tố khác.

Một vành đai nhôm hoặc đồng thau có thể được đặt ở dưới cùng của vỏ, đóng vai trò là bộ tản nhiệt để loại bỏ nhiệt sinh ra trong quá trình truyền dòng điện.

Nguyên tắc thiết kế này là phổ biến. Trên cơ sở của nó, các nguồn sáng bán dẫn khác cũng được tạo ra bằng cách sử dụng các dạng khác của các yếu tố cấu trúc.

Nguyên tắc phát xạ ánh sáng

Ngã ba bán dẫn loại p-n được kết nối với nguồn điện áp không đổi phù hợp với cực của các cực.

Bên trong lớp tiếp xúc của các chất loại p và n, dưới tác động của nó, sự chuyển động của các electron và lỗ tích điện âm tự do bắt đầu, có dấu điện tích dương. Những hạt này được hướng vào cực của chúng.

Trong lớp chuyển tiếp, các điện tích kết hợp lại. Các electron chuyển từ dải dẫn sang dải hóa trị, vượt qua mức Fermi.

Do đó, một phần năng lượng của chúng được giải phóng cùng với sự giải phóng các sóng ánh sáng có phổ và độ sáng khác nhau. Tần số sóng và tái tạo màu phụ thuộc vào loại vật liệu hỗn hợp được tạo ra ngã ba p-n.

Đối với bức xạ ánh sáng bên trong vùng hoạt động của chất bán dẫn, phải đáp ứng hai điều kiện:

1. không gian của vùng cấm theo chiều rộng trong vùng hoạt động phải gần với năng lượng của lượng tử phát ra trong phạm vi tần số có thể nhìn thấy bằng mắt người;

2. Độ tinh khiết của các vật liệu của tinh thể bán dẫn phải cao và số lượng khuyết tật ảnh hưởng đến quá trình tái hợp là tối thiểu có thể.

Vấn đề kỹ thuật khó khăn này được giải quyết theo nhiều cách. Một trong số đó là việc tạo ra một số lớp của các mối nối p-n khi một cấu trúc dị thể phức tạp được hình thành.

Hiệu ứng nhiệt độ

Khi mức điện áp của nguồn tăng, dòng điện qua lớp bán dẫn tăng và độ phát quang tăng: số lượng điện tích tăng trên mỗi đơn vị thời gian đi vào vùng tái hợp. Đồng thời, các yếu tố mang hiện tại được làm nóng. Giá trị của nó là rất quan trọng đối với vật liệu của dây dẫn hiện tại bên trong và chất của mối nối pn. Nhiệt độ quá cao có thể làm hỏng chúng, phá hủy chúng.

Bên trong đèn LED, năng lượng của dòng điện truyền trực tiếp vào ánh sáng, không có các quá trình không cần thiết: không giống như với đèn có dây tóc sợi đốt. Trong trường hợp này, tổn thất tối thiểu của năng lượng hữu ích được hình thành do sự gia nhiệt thấp của các phần tử dẫn điện.

Do đó, hiệu quả cao của các nguồn này được tạo ra. Nhưng, chúng chỉ có thể được sử dụng khi bản thân cấu trúc được bảo vệ, bị chặn khỏi hệ thống sưởi bên ngoài.

Các tính năng của hiệu ứng ánh sáng

Sau khi kết hợp lại các lỗ trống và electron trong các thành phần khác nhau của các chất tiếp giáp pn, sự phát xạ ánh sáng không đều được tạo ra. Nó là thông lệ để mô tả nó theo tham số của năng suất lượng tử - số lượng tử ánh sáng được chiết xuất cho một cặp điện tích kết hợp duy nhất.

Nó được hình thành và xảy ra ở hai cấp độ của đèn LED:

1. bên trong các mối nối bán dẫn - bên trong;

2. trong thiết kế của toàn bộ đèn LED như một tổng thể - bên ngoài.

Ở cấp độ đầu tiên, năng suất lượng tử của các tinh thể đơn được thực hiện chính xác có thể đạt giá trị gần 100%. Nhưng, để đảm bảo chỉ số này, cần phải tạo ra dòng điện lớn và tản nhiệt mạnh mẽ.

Bên trong nguồn, ở cấp độ thứ hai, một phần ánh sáng bị tán xạ và bị hấp thụ bởi các yếu tố cấu trúc, làm giảm hiệu suất bức xạ tổng thể. Giá trị tối đa của năng suất lượng tử ít hơn nhiều. Đối với đèn LED phát ra phổ màu đỏ, nó đạt không quá 55%, trong khi đối với màu xanh lam, nó thậm chí còn giảm hơn nữa - lên tới 35%.

Các loại truyền ánh sáng màu

Đèn LED hiện đại phát ra:

• màu vàng:

• màu xanh lá cây

• màu đỏ

• màu xanh

• màu xanh

• ánh sáng trắng.

Phổ màu vàng xanh, vàng và đỏ

Các mối nối pn dựa trên gallium phosphide và arsenide. Công nghệ này được thực hiện vào cuối những năm 60 cho các chỉ số của thiết bị điện tử và bảng điều khiển của thiết bị vận tải, bảng quảng cáo.

Các thiết bị phát sáng như vậy ngay lập tức đã vượt qua các nguồn sáng chính thời đó - đèn sợi đốt và vượt qua chúng về độ tin cậy, tài nguyên và an toàn.

Phổ màu xanh

Các nguồn phát của quang phổ màu xanh lam, xanh lam và đặc biệt là màu trắng đã không cho vay để thực hiện thực tế trong một thời gian dài vì những khó khăn của giải pháp phức tạp của hai vấn đề kỹ thuật:

1. kích thước giới hạn của khu vực cấm trong đó tái tổ hợp được thực hiện;

2. yêu cầu cao về hàm lượng tạp chất.

Đối với mỗi bước tăng độ sáng của phổ màu xanh, cần phải tăng năng lượng của lượng tử bằng cách mở rộng độ rộng của vùng cấm.

Vấn đề đã được giải quyết bằng cách đưa silicon silicon SiC hoặc nitrides vào chất bán dẫn. Nhưng, sự phát triển của nhóm đầu tiên hóa ra có hiệu suất quá thấp và năng suất bức xạ lượng tử nhỏ cho một cặp điện tích kết hợp lại.

Sự bao gồm các dung dịch rắn kẽm selenide trong mối nối bán dẫn đã giúp tăng năng suất lượng tử. Nhưng, đèn LED như vậy có điện trở tăng ở ngã ba.Do đó, chúng quá nóng và nhanh chóng bị đốt cháy, và các cấu trúc phức tạp trong sản xuất loại bỏ nhiệt cho chúng không hoạt động hiệu quả.

Lần đầu tiên, một đèn LED màu xanh được tạo ra bằng cách sử dụng các màng mỏng gallium nitride lắng đọng trên đế sapphire.

Phổ trắng

Để có được nó, sử dụng một trong ba công nghệ được phát triển:

1. trộn màu theo phương pháp RGB;

2. áp dụng ba lớp phốt pho đỏ, xanh lá cây và xanh dương cho đèn LED cực tím;

3. phủ đèn LED màu xanh với các lớp phốt-pho màu vàng-lục và lục-đỏ.

Trong phương pháp đầu tiên, ba tinh thể đơn được đặt trên một ma trận cùng một lúc, mỗi tinh thể phát ra phổ RGB riêng. Do thiết kế của hệ thống quang học dựa trên ống kính, các màu này được trộn lẫn và kết quả đầu ra là tổng màu trắng.

Trong một phương pháp khác, sự pha trộn màu xảy ra do chiếu xạ liên tiếp với bức xạ cực tím của ba lớp phốt pho cấu thành.

Đặc điểm của công nghệ phổ trắng

Kỹ thuật RGB

Nó cho phép bạn:

• liên quan đến sự kết hợp khác nhau của các tinh thể đơn trong thuật toán điều khiển ánh sáng, kết nối chúng xen kẽ bằng tay hoặc với một chương trình tự động;

• gây ra các sắc thái màu khác nhau thay đổi theo thời gian;

• tạo ra hệ thống ánh sáng ngoạn mục cho quảng cáo.

Một ví dụ đơn giản về việc thực hiện như vậy là vòng hoa giáng sinh màu. Các thuật toán tương tự cũng được sử dụng rộng rãi bởi các nhà thiết kế.

Nhược điểm của đèn LED RGB là:

• màu sắc không đồng nhất của điểm sáng ở trung tâm và các cạnh;

• sưởi ấm không đồng đều và loại bỏ nhiệt từ bề mặt ma trận, dẫn đến tốc độ lão hóa khác nhau của các mối nối p-n, ảnh hưởng đến cân bằng màu sắc, thay đổi chất lượng tổng thể của phổ trắng.

Những nhược điểm này được gây ra bởi sự sắp xếp khác nhau của các tinh thể đơn trên bề mặt cơ sở. Chúng rất khó sửa và cấu hình. Do công nghệ này, các mô hình RGB là một trong những thiết kế phức tạp và đắt tiền nhất.

Đèn LED với phốt pho

Chúng đơn giản hơn trong thiết kế, sản xuất rẻ hơn, kinh tế hơn khi chuyển đổi thành các đơn vị bức xạ của quang thông.

Chúng được đặc trưng bởi những nhược điểm:

• trong lớp phốt pho có sự mất năng lượng ánh sáng, làm giảm sản lượng ánh sáng;

• sự phức tạp của công nghệ để áp dụng một lớp phốt pho đồng nhất ảnh hưởng đến chất lượng nhiệt độ màu;

• Photpho có tuổi thọ ngắn hơn bản thân đèn LED và già đi nhanh hơn trong quá trình sử dụng.

Các tính năng của đèn LED của các thiết kế khác nhau

Các mô hình phốt pho và các sản phẩm RGB được tạo ra cho các ứng dụng công nghiệp và trong nước khác nhau.

Phương pháp dinh dưỡng

Đèn LED chỉ báo của bản phát hành khối lượng đầu tiên tiêu thụ khoảng 15 mA khi được cấp nguồn từ giá trị thấp hơn một chút so với hai volt điện áp không đổi. Các sản phẩm hiện đại có các đặc tính nâng cao: lên đến bốn volt và 50 mA.

Đèn LED để chiếu sáng được cung cấp bởi cùng một điện áp, nhưng đã tiêu thụ vài trăm milliamp. Các nhà sản xuất hiện đang tích cực phát triển và thiết kế các thiết bị lên đến 1 A.

Để tăng hiệu quả của đầu ra ánh sáng, các mô-đun LED được tạo ra có thể sử dụng nguồn cung cấp điện áp tuần tự cho từng phần tử. Trong trường hợp này, giá trị của nó tăng lên 12 hoặc 24 volt.

Khi đặt điện áp vào đèn LED, phải tính đến cực tính. Khi nó bị hỏng, dòng điện không qua và sẽ không có ánh sáng. Nếu tín hiệu hình sin xen kẽ được sử dụng, thì sự phát sáng chỉ xảy ra khi một nửa sóng dương được truyền đi. Hơn nữa, sức mạnh của nó cũng thay đổi theo tỷ lệ theo quy luật xuất hiện của cường độ dòng điện tương ứng với một hướng cực.

Cần lưu ý rằng với điện áp ngược, có thể phá vỡ mối nối bán dẫn. Nó xảy ra khi vượt quá 5 volt trên một tinh thể.

Phương pháp quản lý

Để điều chỉnh độ sáng của ánh sáng phát ra, một trong hai phương pháp điều khiển được sử dụng:

1. độ lớn của điện áp được kết nối;

2. sử dụng Điều chế độ rộng xung - PWM.

Phương pháp đầu tiên là đơn giản nhưng không hiệu quả. Khi mức điện áp giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, đèn LED có thể tắt.

Phương pháp PWM loại bỏ hiện tượng này, nhưng nó phức tạp hơn nhiều trong việc thực hiện kỹ thuật. Dòng điện đi qua tiếp giáp bán dẫn của tinh thể đơn được cung cấp không phải bởi một hình dạng không đổi, mà bởi một tần số cao xung với giá trị từ vài trăm đến một nghìn hertz.

Bằng cách thay đổi độ rộng của xung và tạm dừng giữa chúng (quá trình này được gọi là điều chế), độ sáng của ánh sáng được điều chỉnh trong một phạm vi rộng. Sự hình thành của các dòng điện này thông qua các tinh thể đơn được thực hiện bởi các đơn vị điều khiển lập trình đặc biệt với các thuật toán phức tạp.

Phổ phát xạ

Tần số của bức xạ phát ra từ đèn LED nằm trong một khu vực rất hẹp. Nó được gọi là đơn sắc. Nó khác về cơ bản với phổ sóng phát ra từ Mặt trời hoặc các sợi đốt của bóng đèn thông thường.

Có rất nhiều cuộc thảo luận về ảnh hưởng của ánh sáng như vậy đối với mắt người. Tuy nhiên, kết quả của các phân tích khoa học nghiêm trọng về vấn đề này vẫn chưa được biết đến với chúng tôi.

Sản xuất

Trong sản xuất đèn LED, chỉ có một dây chuyền tự động được sử dụng, trong đó máy robot hoạt động theo công nghệ được thiết kế sẵn.

Lao động chân tay của một người hoàn toàn bị loại khỏi quy trình sản xuất.

Chuyên gia được đào tạo thực hiện chỉ kiểm soát quá trình chính xác của công nghệ.

Phân tích chất lượng sản phẩm cũng là trách nhiệm của họ.