Et mõista, mis LED on, peate esmalt mõistma selle üldtunnustatud tähistust, mis on inglise keeles LED. Tõlkes tähendab see sõna-sõnalt "väikeste LED-ide kiirgamist". Tehnilisest vaatenurgast on tegemist pooljuhtseadmetega, mis muudavad elektrivoolu nähtavaks valguskiirguseks. See lihtsaim toode erineb välimuselt ja disainilt märgatavalt tavalistest valgustusseadmetest: hõõglambid jms.
Päritolu ajalugu
LED-kiirgurite konstruktsiooni ja tööpõhimõtet on lihtsam mõista, kui tutvuda nende esinemise taustaga. See kiirgav toode sündis esmakordselt 1962. aastal ühevärvilise punase dioodi kujul. Vaatamata mitmetele puudustele tunnistati selle tootmistehnoloogia paljutõotavaks. Kümmekond aastat pärast punase proovi demonstreerimist tutvustati laiemale avalikkusele rohelisi ja kollaseid LED-e. Väikese toodangu tõttu kasutati neid tooteid peamiselt koduses majapidamises kasutatavate elektroonikaseadmete esipaneelide indikaatoritena.
Aja jooksul suurenes sära intensiivsus mitu korda ja eelmise sajandi 90ndatel oli võimalik teha proov, mille valgusvoog võrdub 1 luumeniga. 1993. aastal lõi Jaapani insener S. Nakamura ajaloo esimese sinise dioodi, mida iseloomustas suurenenud heledustase. Sellest hetkest alates õppisid nende arendajad tootma nähtavas spektris mis tahes värvi, sealhulgas valget.
Tänu LED-toodete tähelepanuväärsetele omadustele on need aja jooksul muutunud tõsisteks konkurentideks paljudele tuttavatele hõõglampidele.
Alates 2005. aastast on tööstus õppinud tootma valgeid LED-e, mille valgusvoog on kuni 100 lm või rohkem. Lisaks õppisime valmistama valge erineva varjundiga valguselemente (“soe”, “külm” jm heled).
Disain ja kiirguse tekitamise põhimõte
LED-i toimimise mõistmiseks peate esiteks selle disainiga seoses arvestama mitmete punktidega:
- LED-elemendi aluseks on pooljuhtkristall, mis läbib voolu ainult ühes suunas;
- klassikaline LED-disain eeldab isoleeriva substraadi olemasolu;
- dioodi klaaskorpus kaitseb kristalli usaldusväärselt välismõjude eest ja toimib samal ajal hajutava elemendina;
- Korpuse tagaküljel on kaks kontakti, millele LED-le toide antakse.
Emiteeriva seadme reaktsiooniea pikendamiseks täidetakse hajutava läätse ja kristalli enda vaheline ruum läbipaistva silikoonühendiga.
Mõne LED-i struktuur sisaldab spetsiaalset alumiiniumist substraati, mis toimib seadme alusena ja samal ajal eemaldab sellest liigse soojuse.
LED-i tööpõhimõtet on lihtsam mõista, kui uurida pooljuhtliidet, mida professionaalid nimetavad elektron-auk ristmikuks. Selle nimi on seotud kahe struktuuri piirkihi peamiste kandjate erineva olemusega. Ühes pooljuhis on kontakti piiril elektronide liig ja sellega külgnevas materjalis auke. Pooljuhtide ristmiku tootmisprotsessi käigus tungivad need külgnevasse kihti, moodustades potentsiaalse barjääri, mis takistab nende vastupidist kallutamist. LED-i päripinge suurus selle töö ajal sõltub ülemineku laiusest.
Kui dioodile on rakendatud alalisvooluallika poolt genereeritud etteantud polaarsuse ja suurusega potentsiaal, on võimalik ristmikku soovitud suunas nihutada. See toob kaasa selle avanemise ja vastupidiselt laetud osakeste vastuvoolu ilmnemise. Kui need ülemineku piirides kokku põrkuvad, kiirguvad valgusenergia kvantid – footonid. Sõltuvalt nende impulsside kordussagedusest omandab kiirgus teatud värvi.
Mis määrab LED-i värvi?
LED-ide valmistamisel kasutatakse erinevat tüüpi pooljuhtmaterjale, mille valik määrab nende kiirgava värvitooni.
Võime eristada värve on inimsilma kaasasündinud omadus, mis suudab suure täpsusega jäädvustada selle gradatsioone. See on lahutamatult seotud kvantkiirguse lainepikkusega, mida kannavad teatud sagedusega elektromagnetlained. Sel juhul moodustuvad LED-i pooljuhtide ristmiku piiril valgusimpulsid.
Uurides erinevate pooljuhtide omadusi oma uuringu varases staadiumis, tuvastasid teadlased sellised materjalid nagu galliumfosfiid, aga ka kolmekomponentsed ühendid AlGaAs ja GaAsP. Nende kasutamisel oli võimalik saada punast ja kollakasrohelist kiirgust. Tänapäeval kasutatakse erinevate värvikombinatsioonide saamiseks keerukamaid alumiiniumi kombinatsioone indiumi ja galliumiga (AllnGaP) või indiumgalliumnitriidiga (InGaN). Need pooljuhid on võimelised vastu pidama märkimisväärsetele vooludele, mis võimaldab neil saada kõrget valgustustõhusust.
Värvide segamise tehnika
Kaasaegsed dioodiribad ja LED-moodulklastrid on võimelised tootma erinevaid valgusvahemiku toone. Võttes arvesse asjaolu, et üks üleminek tekitab ühevärvilist kiirgust, on mitmevärvilise sära loomiseks vaja mitmekristallseadet. See komplekstoode töötab nagu arvutimonitor, millel on võimalik saada peaaegu igasugune varjund (selleks kasutatakse spetsiaalset RGB moodulit).
Seda varju moodustamise põhimõtet kasutades oli võimalik saada valge kuma, mida kasutatakse laialdaselt näiteks LED-prožektorites. Selleks segati võrdses vahekorras kõik kolm originaal- ehk baasvärvi.
Seda võib saada ka ultraviolett- või sinise kiirguse dioodstruktuuride kombineerimisel kollase fosfori tüüpi kattega.
LED-i valmistamise omadused
Valgusdioodide valmistamise mõistmiseks peate tutvuma tootmises kasutatavate tehnoloogiate struktuuriliste omadustega. Seetõttu võetakse nende tootmise eripära arvesse võttes eelkõige arvesse järgmisi punkte:
- spetsiifiline meetod kiirguse värvi (maatriks või fosfor) moodustamiseks;
- mitu volti on LED-id ette nähtud ja millist voolu nad taluvad;
- Milline tehnoloogia võimaldab saada parima helendava kvaliteedi ja on odavam.
Maatriksskeemi abil kiipide valmistamine maksab tootjale rohkem, mis tasub end ära kõrgekvaliteedilise kiirgusega. Luminofooride puuduste hulka kuulub madal valgusvõimsus, aga ka mitte täiesti puhas emissioonivärv. Lisaks on neil lühem tööiga ja nad ebaõnnestuvad sagedamini.
Lihtsate indikaatordioodide valmistamisel, mille päripinge on 2–4 V, arvutatakse nende üleminek väikeste voolude jaoks (kuni 50 mA). Täisväärtuslike valgustusseadmete ja LED-sillaahelate loomiseks vajate suure voolutugevusega seadmeid (kuni 1 amper). Kui ühes moodulis olevad dioodid on ühendatud järjestikku, ulatub nende ristmikel kogupinge 12 või isegi 24 voltini. Toodete valmistamisel märgitakse iga LED-i pluss spetsiaalselt (vastavale jalale tehakse väike eend).
Luminestsentsi rakendused ja juhtimine
Erinevate modifikatsioonide tõttu kasutatakse LED-tooteid laialdaselt erinevates valdkondades:
- säästulampide valmistamisel, mis on paigaldatud näiteks tavalisse lühtrisse või tavalisesse seinalambisse;
- kasutamiseks valgustitena laialdaselt kasutatavates miniatuursetes taskulampides, aga ka suuremates konstruktsioonides, nagu "matkaturismi lambid";
- vajadusel ruumide dekoratiivne valgustus erinevate värvidega pikkade lintidena.
Nende kasutamine määratakse kindlaks seadme vastupidavuse astmega kliimateguritele, mida hinnatakse toote kaitseklassi järgi. Olenevalt konstruktsioonist kasutatakse neid ainult siseruumides või võivad töötada avatud ruumides (eelkõige stendide või LED-vihma kujundusena).
Saate reguleerida tavalise lambi või lühtri heleduse taset mitmel viisil. Sel eesmärgil kasutatakse kõige sagedamini spetsiaalseid elektroonilisi lülitusi valgusimpulsside amplituudi ja muude parameetrite moduleerimiseks. Majapidamisseadmetega töötamise mugavuse huvides valmistatakse selline moodul standardse juhtpaneeli kujul.
