A LED megértéséhez először meg kell értenie annak általánosan elfogadott megnevezését, amelyet angolul LED-ként mutatnak be. Lefordítva, ez szó szerint azt jelenti: "kis LED-ek kibocsátása". Technikai szempontból félvezető eszközök, amelyek átalakítják az elektromos áramot látható fény sugárzásá. Ez a legegyszerűbb termék megjelenésében és berendezésében jelentősen különbözik a tipikus világítóberendezésektől: izzólámpák és hasonlók.
Előfordulási előzmények
A LED-sugárzók eszköze és működési elve könnyebben megérthető, ha megismerik azok előfordulásának hátterét. Ez a sugárzó termék először 1962-ben született monokróm piros dióda formájában. Számos hiányosság ellenére gyártási technológiáját ígéretesnek elismerték. Egy évtizeddel a vörös minta bemutatása után a zöld és a sárga LED-eket bemutatták a nagyközönség számára. Az alacsony hozam miatt ezeket a termékeket főleg a házban használták a háztartási elektronikai eszközök előlapján lévő jelzőfényekként.
Az idő múlásával a fényerősség többször növekedett, és a múlt század 90-es éveiben lehetőség volt mintát készíteni 1 lumennek megfelelő fényárammal. 1993-ban a japán S. Nakamura mérnök létrehozta a történelem első kék diódáját, magas fényerővel. Attól a pillanattól kezdve fejlesztõik megtanultak a látható spektrum bármilyen színének elérésére, beleértve a fehért is.
A LED-termékek figyelemre méltó tulajdonságai miatt az idő múlásával komoly versenytársakká váltak a sokan ismert izzólámpák számára.
2005 óta az iparág mesterségesen elkészítette a fehér LED-ek gyártását, legalább 100 lm fényárammal. Ezen kívül megtanultak, hogyan lehet világítási elemeket készíteni különféle fehér árnyalatokkal („meleg”, „hideg” és egyéb fényekkel).
A sugárzás kialakulásának eszköze és alapelve
A LED elrendezésének megértéséhez mindenekelőtt a tervezés szempontjából számos szempontot figyelembe kell venni:
- a LED elem alapja egy félvezető kristály, amely csak egy irányba hajt áramot;
- a klasszikus LED-eszköz feltételezi, hogy van-e szigetelő hordozó;
- a dióda üvegtartója megbízhatóan védi a kristályt a külső behatásoktól, és ugyanakkor szétszórt elem;
- a ház hátulján két érintkező található, amelyekhez a LED villamos energiát táplálják.
A sugárzó eszköz válaszidejének növelése érdekében a szórt lencse és a kristály közötti teret átlátszó szilikonvegyülettel töltik meg.
Egyes LED-ek felépítésében egy speciális alumínium hordozó található, amely az eszköz alapja, és ezzel egyidejűleg távolítja el a fölösleges hőt.
A LED működésének elvét könnyebb megérteni, ha megvizsgáljuk a félvezető csomópontot, amelyet a szakemberek az elektron-lyuk átmenetnek hívnak. A nevét a két hordozó határrétegében levő fő hordozók eltérő természetével társítják. Az egyik félvezetőben túl sok elektron van az érintkezési határon, és a mellette lévő anyagban felesleges lyukak vannak. A félvezető csomópont gyártási folyamatában behatolnak a szomszédos rétegbe, kialakítva egy potenciális akadályt, amely megakadályozza a fordított torzítást.A LED közvetlen feszültsége működése közben az átmenet szélességétől függ.
Ha egy adott polaritású potenciál és egy egyenáramú forrás által generált érték kerül a diódára, akkor az átmenetet a kívánt irányba lehet elmozdítani. Ez a nyíláshoz és az ellentétesen töltött részecskék ellenáramának megjelenéséhez vezet. Amikor az átmeneti határokon ütköznek, a fényenergia kvantái - fotonok - kerülnek kibocsátásra. Ezen impulzusok ismétlési sebességétől függően a sugárzás bizonyos színű.
Mi határozza meg a LED színét?
A LED-ek gyártásában különféle típusú félvezető anyagokat használnak, amelyek megválasztása meghatározza az általuk kibocsátott színárnyalatot.
A szín megkülönböztetésének képessége az emberi szem veleszületett tulajdonsága, amely képes nagy pontossággal megragadni gradienseit. Elválaszthatatlanul kapcsolódik a kvantum-sugárzás hullámhosszához, amelyet egy adott frekvencia elektromágneses hullámai szállítanak. Ebben az esetben fényimpulzusok alakulnak ki a LED félvezető átmenetének határán.
A különböző félvezetők tulajdonságainak tanulmányozásakor a kutatás korai szakaszában a tudósok olyan anyagokat azonosítottak, mint a gallium-foszfid, valamint a háromkomponensű AlGaAs és GaAsP vegyületek. Használatuk során vörös és sárga-zöld sugárzást lehetett elérni. Manapság a különféle színkombinációk előállítása érdekében az alumínium kombinációk az indium és gallium (AllnGaP) vagy a gallium indium nitrid (InGaN) szerkezetével összetettebbek. Ezek a félvezetők képesek ellenállni a jelentős áramoknak, ami lehetővé teszi számukra a nagy fényteljesítményt.
Színkeverési technika
A modern diódaszalagok és a moduláris LED-klaszterek képesek a fénytartomány különböző árnyalatait adni. Tekintettel arra, hogy az egyik átmenet monokróm sugárzást eredményez, többcsíkos eszközre lesz szükség a többszínű izzás létrehozásához. Ez az összetett termék úgy működik, mint egy számítógép-monitor, amelyen szinte bármilyen árnyalatot kaphat (ehhez egy speciális RGB modult használunk).
Az árnyékképzés ezen elvének alkalmazásával fehér fényt kaphatunk, amelyet például a LED-es fényszórókban széles körben használnak. Ehhez mindhárom forrás- vagy alapszínt egyenlő arányban keverték össze.
Az is előállítható, ha az ultraibolya vagy kék sugárzás diódaszerkezeteit sárga foszfor típusú bevonattal kombináljuk.
A LED-ek gyártásának jellemzői
A LED-ek gyártásának megértése érdekében meg kell ismerkednie a gyártás során alkalmazott technológiák szerkezeti jellemzőivel. Ezért gyártásuk sajátosságainak mérlegelésekor elsősorban a következő pontokat kell figyelembe venni:
- egy speciális módszer a sugárzás színének (mátrix vagy foszfor) kialakítására;
- hány voltra tervezték a LED-eket, és milyen méretű áramot tudnak ellenállni;
- mely technológia teszi lehetővé a legjobb minőségű világítást, és olcsóbb.
Ha a mátrix áramkörben chipeket készít, a gyártó többet fog fizetni, ami kiváló minőségű sugárzással jár. A foszforok hátrányai között szerepel az alacsony fényteljesítmény, valamint a nem elég tiszta szín-sugárzás. Ezen felül kisebb munkaerő-forrással rendelkeznek és gyakran kudarcot vallnak.
2-4 V közvetlen feszültséggel rendelkező egyszerű jelződiódák gyártásánál kis átáramlásokra (50 mA-ig) számítják átmeneteiket. Kiváló minőségű világítóberendezések és LED-es hídáramkörök létrehozásához nagy áramjelzőkkel (legfeljebb 1 amper) rendelkező eszközökre lesz szükség. Ha egy modulban a diódák sorba vannak kapcsolva, akkor a teljes feszültség kereszteződésüknél eléri a 12 vagy akár 24 voltot.A termékek gyártásakor az egyes LED-ek pluszát külön megjelölik (a megfelelő lábon egy kis párkány készül).
A lumineszcencia hatálya és kezelése
A változtatások sokfélesége miatt a LED termékeket széles körben használják különféle területeken:
- energiatakarékos lámpák gyártásakor, például egy tipikus csillárba vagy egy hagyományos fali tartóba;
- világítóként széles körben elterjedt miniatűr zseblámpákban, valamint nagyobb szerkezetekben, például "kemping turisztikai lámpákban";
- ha szükséges, a helyiségek dekoratív megvilágítása különböző színű hosszú szalagok formájában.
Használatuk az eszköz éghajlati tényezőkkel szembeni ellenálló képességének a termékvédelmi osztály által becsült szintjének köszönhető. A kiviteltől függően csak beltérben használják őket, vagy nyílt terekben is képesek dolgozni (különösen hirdetőtáblák vagy LED-es esések kiviteleként).
Különböző módon szabályozhatja a fényerő szintjét egy közönséges lámpa vagy csillár között. Ehhez leggyakrabban speciális elektronikus áramköröket alkalmaznak a fényimpulzusok amplitúdójának és egyéb paramétereinek modulálására. A háztartási berendezésekkel való munka megkönnyítése érdekében egy ilyen modult tipikus kezelőpanel formájában készítenek.
