Mi az a LED, működési elve, típusai és főbb jellemzői

A LED-ek gyorsan felváltják az izzókat szinte minden olyan területen, ahol pozíciójuk megingathatatlannak tűnt. A félvezető elemek versenyelőnyei meggyőzőek voltak: alacsony költség, hosszú élettartam és - ami a legfontosabb - nagyobb hatékonyság. Míg a lámpák hatékonysága kevesebb mint 5% volt, egyes LED-gyártók azt állítják, hogy a felhasznált villamos energia legalább 60%-át fényre alakítják át. Ezeknek az állításoknak a valóságtartalma továbbra is a marketingesek lelkiismeretén múlik, de a félvezető elemek fogyasztói tulajdonságainak gyors fejlődése senki sem kételkedik.

Mi a LED és hogyan működik

A LED (fénykibocsátó dióda, LED) egy hagyományos félvezető diódakristályokból készült:

• gallium-arzenid, indium-foszfid vagy cink-szelenid - az optikai tartomány sugárzói számára;
• Gallium-nitrid - az ultraibolya tartományban működő eszközökhöz;
• ólomszulfid - az infravörös tartományban sugárzó elemek esetében.

Ezeket az anyagokat azért választották, mert a belőlük készült diódák p-n átmenete egyenfeszültség hatására fényt bocsát ki. A hagyományos szilícium- vagy germániumdiódáknak kevés vagy egyáltalán nincs emissziójuk.

A LED-ek emissziója nem a félvezető elem felmelegedési fokának köszönhető; azt az elektronoknak az egyik energiaszintről a másikra történő átmenete okozza a töltéshordozók (elektronok és lyukak) rekombinációja során. A keletkező fény monokromatikus.

Ennek a sugárzásnak az a jellemzője, hogy nagyon keskeny a spektruma, és a kívánt színt nehéz fényszűrőkkel elkülöníteni. Egyes színek (fehér, kék) pedig elérhetetlenek ezzel a gyártási elvvel. Ezért a jelenleg uralkodó technológia, amelyben a LED külső felülete foszforral van bevonva, és az izzást a p-n átmenet sugárzása indítja el (amely lehet látható vagy az UV-tartományban található).

Egy LED tervezése

A LED-et eredetileg ugyanúgy tervezték, mint egy normál diódát - egy p-n átmenet és két csap. Csak egy átlátszó vegyületből vagy fémből készült test, átlátszó ablakkal, hogy megfigyelhessük a ragyogást. De további elemeket tanultunk, amelyeket a készülék burkolatába építettek be. Például, Ellenállások - a LED bekapcsolásához A szükséges feszültségű (12 V, 220 V) áramkörben külső áramkör nélkül. Vagy egy oszcillátor egy osztóval, hogy villogó fényt kibocsátó elemeket hozzon létre. A burkolatot foszforral is bevonták, amely a p-n átmenet meggyújtásakor világít, így fokozva a LED képességeit.

Az ólommentes forrasztás irányába mutató trend nem hagyta magára a LED-eket sem. Az SMD-eszközök a gyártástechnológiai előnyökkel gyorsan növelik piaci részesedésüket a világítástechnikában. Az SMD termékek nem ólommentesek. A P-n átmenetet kerámialapra szerelik, vegyülettel töltik fel és foszforral vonják be. A feszültséget az érintkezőbetéteken keresztül alkalmazzák.

Jelenleg a világítóeszközök COB-technológián alapuló LED-ekkel vannak felszerelve. Ennek a technológiának a lényege, hogy egy lemezen több (2-3-tól akár több százig terjedő) p-n átmenetet egy mátrixba raknak össze. Mindent egyetlen házba helyeznek (vagy SMD-modult alakítanak ki), és foszforral bevonják. Ez a technológia nagyon ígéretes, de nem valószínű, hogy teljesen kiszorítja a LED-ek más konstrukcióit.

Milyen típusú LED-ek állnak rendelkezésre és hol használják őket

Az optikai tartomány LED-eket jelzőelemként és világítóberendezésekként használják. Minden szakterületnek megvannak a maga követelményei.

Jelző LED-ek

A jelző LED funkciója az eszköz állapotának jelzése (tápellátás, riasztás, érzékelő működésbe lépése stb.). Ezen a területen széles körben használják a p-n átmenetben izzó LED-eket. A foszforral ellátott eszközök nem tiltottak, de nincs különösebb értelme. Itt a fénysűrűség nem elsődleges fontosságú. Az elsődleges szempont a kontraszt és a széles látószög. A LED-eket eszközpaneleken (valódi lyuk), lapokon - pin-típusú és SMD - használják.

Világító LED-ek

Ezzel szemben a foszforral ellátott elemeket elsősorban világításra használják. Ez elegendő fényáramot és a természeteshez közeli színeket tesz lehetővé. Az ezen a területen lévő kimeneti LED-eket gyakorlatilag SMD-elemek szorítják ki. A COB LED-eket széles körben használják.

Az optikai vagy infravörös tartományban történő jelátvitelre tervezett eszközök külön kategóriába sorolhatók. Például háztartási készülékek vagy biztonsági eszközök távvezérlő eszközeihez. Az UV-elemek pedig kompakt UV-forrásokhoz (valutaérzékelők, biológiai anyagok stb.) használhatók.

A LED-ek fő jellemzői

Mint minden dióda, a LED-ek is rendelkeznek általános, "diódaszerű" jellemzőkkel. Korlátozó paraméterek, amelyek túllépése a készülék meghibásodásához vezet:

• maximálisan megengedett előremenő áram;
• Maximális előremenő feszültség;
• Maximálisan megengedett fordított feszültség.

A többi jellemző "diódaspecifikus".

A megvilágítás színe

A fény színe - ez a paraméter az optikai tartományban lévő LED-eket jellemzi. A legtöbb esetben a lámpatestek fehér színűek, különböző fényhőmérséklet. A jelzőlámpáknál ez a látható színtartományok bármelyike lehet.

Hullámhossz

Ez a paraméter bizonyos mértékig megismétli az előzőt, de két fenntartással:

• Az IR és UV eszközöknek nincs látható színük, így számukra ez az egyetlen jellemző, amely a kibocsátási spektrumot jellemzi;
• ez a paraméter inkább a közvetlen emissziójú LED-ekre alkalmazható - a foszforral rendelkező elemek széles sávban emittálnak, így lumineszcenciájuk nem jellemezhető egyértelműen a hullámhossz alapján (mi lehet a fehér szín hullámhossza?).

Ezért a kibocsátott hullámhossz meglehetősen informatív adat.

Jelenlegi fogyasztás

A felvett áram az az üzemi áram, amelynél a kibocsátott fény optimális fényerősségű. Ha ezt kismértékben túllépi, a készülék nem fog hamarosan tönkremenni - ez a megengedett maximális értéktől való eltérés. Ennek csökkentése szintén nem kívánatos - a sugárzás intenzitása csökken.

Teljesítmény

Az energiafogyasztás egyszerű. Egyenáram esetén egyszerűen az áramfelvétel és az alkalmazott feszültség szorzata. A világítástechnikai termékek gyártói számára gyakran zavaró, hogy a csomagoláson nagy számokkal írják ki az izzólámpa egyenértékű teljesítményét, amely ugyanolyan fényáramú, mint a lámpatest.

Látható térszög

A látszólagos térszöget legegyszerűbben a fényforrás középpontjából kiinduló kúpként ábrázolhatjuk. Ez a paraméter egyenlő a kúp nyitási szögével. A jelző LED-ek esetében ez határozza meg, hogy a riasztás oldalról hogyan lesz látható. A lámpatestek esetében ez határozza meg a fényáramot.

Maximális fényerősség

A maximális fényerősséget kandelában adják meg a készülék műszaki leírásában. A gyakorlatban azonban kényelmesebb a fényáram fogalmával dolgozni. A fényáram (lumenben kifejezve) egyenlő a fényerősség (candelában kifejezve) és a látszólagos térszög szorzatával. Két azonos fényerősségű LED különböző szögben eltérő fényt ad. Minél nagyobb a szög, annál nagyobb a fényáram. Ez kényelmesebb a világítási rendszerek kiszámításához.

Feszültségcsökkenés

Az előremenő feszültségesés az a feszültség, amely a LED-en átesik, amikor az nyitva van. Ennek ismeretében kiszámíthatja például egy fénykibocsátó elemsorozat kinyitásához szükséges feszültséget.

Hogyan lehet megtudni, hogy a LED milyen feszültségre van méretezve

A LED névleges feszültségét a legegyszerűbben a szakkönyvekből tudhatja meg. Ha azonban ismeretlen eredetű, jelöletlen készüléket találunk, akkor azt szabályozott tápegységhez lehet csatlakoztatni, és a feszültséget nulláról fokozatmentesen lehet emelni. Egy bizonyos feszültségnél a LED fényesen villog. Ez a cella üzemi feszültsége. Ezzel a teszttel kapcsolatban több árnyalatot is szem előtt kell tartani:

• a vizsgált eszköz rendelkezhet beépített ellenállással, és kellően magas feszültségre (220 V-ig) tervezték - nem minden tápegység rendelkezik ezzel a szabályozási tartományban;
• a LED kibocsátása kívül eshet a látható spektrumon (UV vagy IR) - ekkor a gyújtás pillanata vizuálisan nem észlelhető (bár az IR-eszköz izzása bizonyos esetekben okostelefon kameráján keresztül látható);
• Az elemet egyenfeszültség-forráshoz csatlakoztatva szigorúan be kell tartani a polaritást, különben könnyen tönkreteheti a LED-et a fordított feszültség, amely meghaladja az eszköz képességeit.

Ha nem ismeri az elem pin-jét, jobb, ha a feszültséget 3...3,5V-ra növeli, ha a LED nem világít - vegye le a feszültséget, fordítsa meg a forráspólusok csatlakoztatását és ismételje meg az eljárást.

Hogyan állapítható meg a LED polaritása?

A csapok polaritásának meghatározására több módszer is létezik.

1. Az ólommentes elemeknél (beleértve a COB-elemeket is) a tápfeszültség polaritását közvetlenül a burkolaton jelzik - vagy szimbólumok, vagy a burkolaton lévő villogók.
2. Mivel a LED hagyományos p-n átmenettel rendelkezik, multiméterrel diódateszt üzemmódban vizsgálható. Egyes tesztelők mérési feszültsége elegendő a LED meggyújtásához. A helyes csatlakoztatás ezután vizuálisan ellenőrizhető az elem izzásával.
3. Egyes fémházas CCCP-eszközöknél a katód területén van egy kulcs (kiemelkedés).
4. A katód vezetéke hosszabb. Ezzel a funkcióval csak a nem forrasztott elemek azonosíthatók. Használt LED-ek esetén a csatlakozókat megrövidítik és meghajlítják a tetszőleges beépítéshez.
5. Végül, megtudhatja a pozícióját a anód és katód ugyanolyan módszerrel lehetséges, mint a LED feszültségének meghatározása. A lumineszcencia csak akkor lesz lehetséges, ha az elemet megfelelően csatlakoztatjuk - a katódot a forrás mínuszához, az anódot pedig a pluszhoz.

A technológia fejlődése nem áll meg. Néhány évtizeddel ezelőtt a LED laboratóriumi kísérletek drága játékszere volt. Ma már nehéz elképzelni az életet nélküle. Mi fog történni ezután - az idő majd megmondja.

Kapcsolódó cikkek: