Lai saprastu, kas ir gaismas diode, vispirms jāsaprot tā vispārpieņemtais apzīmējums, kas angļu valodā parādīts kā LED. Tulkojumā tas burtiski nozīmē "mazu gaismas diožu izstarošanu". No tehniskā viedokļa tās ir pusvadītāju ierīces, kas pārveido elektrisko strāvu redzamās gaismas starojumā. Šis vienkāršākais produkts pēc izskata un ierīces ievērojami atšķiras no tipiskajām apgaismes ierīcēm: kvēlspuldzēm un tamlīdzīgām lietām.
Notikuma vēsture
LED izstarotāju ierīci un darbības principu ir vieglāk saprast, ja jūs iepazīstaties ar to rašanās fona. Šis izstarojošais produkts pirmoreiz dzimis 1962. gadā vienkrāsainas sarkanas diodes formā. Neskatoties uz vairākiem trūkumiem, tā ražošanas tehnoloģija tika atzīta par daudzsološu. Desmit gadus pēc sarkanā parauga demonstrēšanas plašai sabiedrībai tika parādītas zaļas un dzeltenas gaismas diodes. Zemās atdeves dēļ šie izstrādājumi galvenokārt tika izmantoti mājā kā indikatori uz sadzīves elektronisko ierīču priekšējiem paneļiem.
Laika gaitā spožums palielinājās vairākas reizes, un pagājušā gadsimta 90. gados bija iespējams izgatavot paraugu ar gaismas plūsmu, kas vienāda ar 1 lūmenu. 1993. gadā japāņu inženieris S. Nakamura izveidoja pirmo zilo diodi vēsturē, kurai raksturīgs augsts gaismas līmenis. Kopš šī brīža viņu izstrādātāji iemācījās iegūt jebkuru redzamā spektra krāsu, ieskaitot baltu.
Sakarā ar LED izstrādājumu ievērojamajām īpašībām laika gaitā tie ir kļuvuši par nopietnu konkurentu kvēlspuldzēm, kuras ir pazīstamas daudziem.
Kopš 2005. gada nozare ir apguvusi baltu gaismas diožu ražošanu ar gaismas plūsmu līdz 100 lm vai vairāk. Turklāt mēs iemācījāmies, kā izgatavot apgaismojuma elementus ar dažādu baltu nokrāsu (“siltu”, “aukstu” un citām spīdumiem).
Ierīce un radiācijas veidošanās princips
Lai saprastu, kā gaismas diode ir izkārtota, pirmkārt, ir jāņem vērā vairāki punkti attiecībā uz tā dizainu:
- LED elementa pamats ir pusvadītāju kristāls, kas strāvu iziet tikai vienā virzienā;
- klasiskā LED ierīce uzņem izolācijas substrāta klātbūtni;
- diodes stikla korpuss droši aizsargā kristālu no ārējām ietekmēm un vienlaikus ir izkliedes elements;
- korpusa aizmugurē ir divi kontakti, kuriem tiek piegādāta gaismas diodes elektriskā jauda.
Lai palielinātu izstarojošās ierīces reakcijas laiku, atstarpi starp izkliedējošo lēcu un pašu kristālu piepilda ar caurspīdīgu silikona savienojumu.
Dažu gaismas diožu struktūrā ir paredzēts īpašs alumīnija substrāts, kas ir ierīces pamats un tajā pašā laikā noņem no tā lieko siltumu.
Gaismas diodes darbības principu ir vieglāk saprast, izpētot pusvadītāju krustojumu, ko profesionāļi sauc par elektronu-caurumu pāreju. Tās nosaukums ir saistīts ar galveno nesēju atšķirīgo raksturu divu konstrukciju robežslānī. Vienā pusvadītājā pie kontakta robežas ir elektronu pārsvars, un blakus esošajā materiālā ir lieki caurumi. Pusvadītāju krustojuma ražošanas procesā tie iekļūst blakus esošajā slānī, veidojot potenciālu barjeru, kas novērš to apgriezto novirzi.LED tiešais spriegums tā darbības laikā ir atkarīgs no pārejas platuma.
Kad diodei tiek piegādāts dotās polaritātes potenciāls un līdzstrāvas avota radīta vērtība, pāreju var novirzīt vēlamajā virzienā. Tas novedīs pie tā atvēršanas un pretēji uzlādētu daļiņu pretplūsmas parādīšanās. Kad tie saduras pie pārejas robežām, tiek izstaroti gaismas enerģijas kvanti - fotoni. Atkarībā no šo impulsu atkārtošanās ātruma starojums iegūst noteiktu krāsu.
Kas nosaka gaismas diodes krāsu
Gaismas diožu ražošanā tiek izmantoti dažāda veida pusvadītāju materiāli, kuru izvēle nosaka to izstaroto krāsu toni.
Spēja atšķirt krāsu ir cilvēka acs iedzimta īpašība, kas spēj ļoti precīzi uztvert tās gradācijas. Tas ir nesaraujami saistīts ar kvantu starojuma viļņa garumu, ko pārvadā noteiktas frekvences elektromagnētiskie viļņi. Šajā gadījumā gaismas diodes pusvadītāju pārejas malā tiek veidoti gaismas impulsi.
Pētot dažādu pusvadītāju īpašības agrīnā pētījuma posmā, zinātnieki identificēja materiālus, piemēram, gallija fosfīdu, kā arī trīskāršus savienojumus AlGaAs un GaAsP. Izmantojot tos, bija iespējams iegūt sarkanu un dzeltenīgi zaļu starojumu. Mūsdienās, lai iegūtu dažādas krāsu kombinācijas, tiek izmantotas sarežģītākas alumīnija kombinācijas ar indiju un galliju (AllnGaP) vai gallija indija nitrīdu (InGaN). Šie pusvadītāji spēj izturēt ievērojamas strāvas, kas ļauj tiem saņemt lielu gaismas jaudu.
Krāsu sajaukšanas tehnika
Mūsdienu diožu lentes un LED moduļu kopas spēj izdalīt dažādas gaismas diapazona nokrāsas. Ņemot vērā to, ka viena pāreja veido vienkrāsainu starojumu, daudzkrāsu mirdzuma radīšanai būs nepieciešama vairāku mikroshēmu ierīce. Šis sarežģītais produkts darbojas kā datora monitors, uz kura ir iespējams iegūt gandrīz jebkuru nokrāsu (šim nolūkam tiek izmantots īpašs RGB modulis).
Izmantojot šo ēnas veidošanās principu, bija iespējams iegūt baltu mirdzumu, ko plaši izmanto, piemēram, LED prožektoros. Lai to izdarītu, visas trīs avota vai bāzes krāsas tika sajauktas vienādās proporcijās.
To ir iespējams iegūt arī, apvienojot ultravioletā vai zilā starojuma diožu struktūras ar dzeltenu fosfora tipa pārklājumu.
Gaismas diožu ražošanas iezīmes
Lai saprastu, kā tiek izgatavotas gaismas diodes, jums būs jāiepazīstas ar konstrukcijas īpašībām attiecībā uz ražošanā izmantotajām tehnoloģijām. Tāpēc, apsverot to ražošanas specifiku, galvenokārt tiek ņemti vērā šādi punkti:
- īpaša metode starojuma krāsas (matricas vai fosfora) veidošanai;
- cik daudz voltu gaismas diodes ir paredzētas, un kāda lieluma strāvu tās var izturēt;
- kura tehnoloģija ļauj iegūt vislabāko mirdzuma kvalitāti un ir lētāka.
Mikroshēmu izgatavošana matricas shēmā ražotājam maksās vairāk, un tas atmaksāsies ar augstas kvalitātes starojumu. Fosforu trūkumi ir zema gaismas jauda, kā arī ne tik tīrs krāsu starojums. Turklāt viņiem ir mazāks darba resurss un tie bieži neizdodas.
Ražojot vienkāršas indikatordiodes ar tiešo spriegumu 2-4 volti, tiek aprēķināta to pāreja mazām strāvām (līdz 50 mA). Lai izveidotu augstas kvalitātes apgaismes ierīces un LED tilta shēmas, būs vajadzīgas ierīces ar lieliem strāvas indikatoriem (līdz 1 A). Ja vienā modulī diodes ir savienotas virknē, kopējais spriegums to krustojumos sasniedz 12 vai pat 24 voltus.Ražojumu ražošanā katra gaismas diode plus tiek iezīmēta īpašā veidā (uz attiecīgās kājas tiek izgatavots mazs dzega).
Luminiscences joma un pārvaldība
Sakarā ar modifikāciju dažādību, LED produkti tiek plaši izmantoti dažādās jomās:
- ražojot energotaupības spuldzes, kas uzstādītas, piemēram, tipiskā lustra vai parastajā sienas traukā;
- izmantošanai kā apgaismotāji plaši izplatītās miniatūrās lukturītēs, kā arī lielākās konstrukcijās, piemēram, "tūristu kempinga lampas";
- ja nepieciešams, dekoratīvs telpu apgaismojums garu lentīšu veidā ar dažādām krāsām.
To lietošana ir saistīta ar ierīces pretestības pakāpi pret klimatiskajiem faktoriem, ko novērtē ar produkta aizsardzības klasi. Atkarībā no konstrukcijas, tos izmanto tikai telpās vai arī tie var darboties atklātās telpās (it īpaši kā stendu vai LED lietus dizains).
Parastās lampas vai lustras gaismas līmeni var kontrolēt dažādos veidos. Šim nolūkam gaismas impulsu amplitūdas un citu parametru modulēšanai visbiežāk izmanto īpašas elektroniskās shēmas. Darba ērtībai ar sadzīves aprīkojumu šāds modulis ir izgatavots tipiska vadības paneļa formā.
