Самоделки и всё что с ними связано • Просмотр темы - Теория по источникам света

Теория по источникам света

Лекции, теоретическая часть, расчёты

Теория по источникам света

Сообщение kystari » 25 фев 2014, 22:35

Светодиоды
Светодиод (LED – Light Emission Diod) – полупроводниковый источник света. Генерация света в светодиоде происходит за счет энергии, выделяемой при рекомбинации (взаимоуничтожении) носителей тока (дырок и электронов) на границе полупроводниковых материалов с разным характером проводимости. Характер проводимости определяется не только самим материалом, но и примесями (легирующими веществами), вводимыми в основной материал в строго дозированных количествах. Материал, у которого в результате легирования проводимость определяется, в основном, избытком электронов, называется «полупроводником типа «n». Материал с недостатком электронов, т.е. с избытком положительно заряженных ионов (так называемых «дырок»), способных поглотить электрон и стать нейтральным атомом, называется «полупроводником типа «р». На границе таких материалов образуется р—n- переход. При подаче напряжения прямой полярности (минус — к материалу с электронной проводимостью n, плюс — с дырочной проводимостью р) через переход пойдет ток, а при рекомбинации электронов и дырок будет выделяться энергия. Величина энергии квантов, выделяемых при рекомбинации, зависит от разницы энергетических уровней электронов в возбужденном и нейтральном атомах, т.е. от ширины запретной зоны. При ширине запретной зоны от 1,7 до 3.4 эВ энергия излучаемых квантов соответствует видимому диапазону спектра с длинами волн от 700 до 400 нм.
Для СД с излучением в красной и желтой областях спектра используются полупроводниковые МДГС на основе GaAlAs и AlGalnP, в зеленой и синей областях — на основе нитридов индия и галлия и их твердых растворов (InN, GaN, InGaN, AlInGaN). Типовая конструкция наиболее массовых СД:

Излучение генерируется р-n переходе между кристаллом 1 и кристаллодержателем 2, к которым через электроды 3 и 4 подводится напряжение соответствующей полярности. С помощью отражателя 5 с высотой стенок около 0,5 мм боковое излучение направляется в нужную сторону — вдоль оптической оси светодиода. Кристалл, кристаллодержатель и внутренние электроды залиты прозрачным полимером с максимально высоким коэффициентом преломления — эпоксидной смолой или поликарбонатом, образующим корпус светодиода 6. Купол корпуса выполняет функцию линзы, фокусирующей излучаемый поток в определенном телесном угле. При углах больше 15° форма купола близка к сферической, при меньших углах — к эллиптической. Иногда вместо купольной формы делают выходное окно в виде линзы Френеля, также формирующей излучаемый поток в заданном угле. Внешние выводы электродов 3 и 4 служат не только для подвода напряжения, но и для фиксации устройства на печатных платах. При очень больших механических нагрузках, кроме крепления выводами, применяют дополнительные меры, например, приклеивание корпуса и т.п. Кроме торцевой конструкции, показанной рисунке выше, часто встречаются светодиоды SMT-монтажа, у которых внешние выводы расположены в плоскости основания. Такие светодиоды монтируются непосредственно на печатных платах.
Параметры светодиодов, как и любого источника света, можно разделить на входные и выходные. К входным параметрам относятся:
• прямой ток через СД Iпр;
• прямое падение напряжения при номинальном токе Uпр:
• максимально допустимое обратное напряжение Uобр. макс
• вольтамперная характеристика (зависимость прямого падения напряжения от тока).
Номинальный прямой ток Iпр через кристалл размером 0,1 х0,1 мм равен 20-40 мА. Максимально допустимый прямой ток Iпр макс зависит от условий охлаждения, конструкции светодиода, а при импульсном режиме — от скважности импульсов.
Прямое падение напряжения Uпр на светодиоде при номинальном токе зависит от энергии излучаемых квантов и составляет от 1,5 В для диодов, излучающих в ИК-области, до 4,2 В для светодиодов, излучающих синий и фиолетовый свет.
Максимально допустимое обратное напряжение Uобр. макс большинства СД равно 10 В.
Примеры вольтамперных характеристик СД разных цветов показаны на рисунке ниже:

Все светодиоды допускают работу в импульсном режиме с превышением амплитудного значения прямого тока над номинальным в 5-10 раз.
К выходным параметрам светодиодов относятся:
• световой поток Ф;
• угол излучения;
• осевая сила света I0:
• цветность излучения или длина волны в области максимума излучения λмакс;
• световая отдача (для ИК-диодов — КПД);
• яркость L (указывается для светящихся пластин):
• инерционность т;
• люмен-амперная характеристика (зависимость светового или лучистого потока светодиода от прямого тока).
Световой поток Ф — наиболее важный светотехнический параметр светодиодов, однако он указывается далеко не всегда и не всеми фирмами-изготовителями. Чаше в каталогах приводятся осевая сила света I0 и угол излучения - т.е. полный угол, на границах которого сила света составляет 0,5 от осевой. Среди промышленных светодиодов, разброс углов излучения составляет от 3 до 180°, т.е. кривые силы света могут быть от очень узких до диффузных. Величина осевой силы света определяется углом излучения и световым потоком. Для однокристальных светодиодов красного и зеленого цветов она составляет от 0,5 до 150 кд, для синих — от 0,1 до 30 кд.
Цветность излучения определяется шириной запретной зоны и, в меньшей степени, толщиной активного слоя диода. Излучение светодиодов не является строго монохроматическим: ширина спектральной полосы излучения составляет от 10 до 20 им (по уровню 0.5). Положение максимума излучения слабо зависит от прямого тока диода и от температуры р-л-перехода (около 0,05 нм/К). В настоящее время производятся светодиоды практически с любым цветом излучения. Белый свет получают либо с помощью люминофоров, преобразующих коротковолновое излучение в более длинноволновое, либо аддитивным смешиванием излучения трех кристаллов. Наиболее простой и дешевый способ — введение люминофора, излучающего желтый свет, в состав полимерного корпуса синих светодиодов. Однако цветопередача таких диодов невысока. Лучшую цветопередачу при более высокой световой отдаче можно получить, используя три цветных люминофора, излучающих красный, зеленый и синий цвета. С применением люминофоров созданы светодиоды с различной цветовой температурой (от 3000 до 8000 К) при общем индексе цветопередачи Ra до 85. При аддитивном смешивании излучений трех кристаллов можно получить белый свет практически с любой цветовой температурой при Ra, близким к 100, но с низкими частными индексами цветопередачи.
Световая отдача лабораторных образцов красных светодиодов (λмакс =611 нм) достигает 102 лм/Вт и, по прогнозам специалистов, в ближайшие годы может превысить 150 лм/Вт. Выше 100 лм/Вт может быть также световая отдача зеленых (530 нм) и желтых (598 нм) светодиодов. Световая отдача синих светодиодов (470 нм) в настоящее время достигает 10 лм/Вт и в будущем может быть повышена до 50 лм/Вт.
Яркость L указывается в каталогах только для светодиодных матриц и пластин с достаточно большой площадью свечения. Яркость зависит от цвета излучении и может превышать 10000 кд/м2.
Инерционность светодиода определяется временем нарастания светового потока от 0,1 до 0.9 и спада от 0,9 до 0,1ФНОМ при подаче и снятии напряжения. У современных диодов это время составляет от 10 до 50 нс. Столь малая инерционность позволяет модулировать излучение СД с частотой до десятков МГц.
Типичная люмен-амперная характеристика светодиодов показана ниже:

На достаточно больших участках эта характеристика линейна, однако при токах, значительно превышающих номинальные значения, у всех светодиодов наблюдается отклонение от линейности (в сторону насыщения).
Эксплуатационные свойства светодиодов очень высоки. Они могут работать при температурах окружающею воздуха от -55 до +85°С, не боятся высоких механических нагрузок (удары, вибрации, линейные ускорения), могут работать в вакууме и при высоком атмосферном давлении. По устойчивости к механическим нагрузкам светодиоды значительно превосходят все остальные источники света. С ростом температуры световая отдача светодиодов несколько снижается (приблизительно 0,5% на градус). Срок службы большинства современных диодов в номинальном режиме превышает 50000 ч. По этому параметру светодиоды также превосходят все остальные типы источников света
Основной недостаток светодиодов — малая единичная мощность. Рядом фирм производятся многокристальные диоды, в которых для увеличения мощности на одной подложке смонтировано несколько кристаллов, соединенных последовательно-параллельно. Мощность таких многокристальных светодиодов достигает 5-10 Вт. Часто встречаются также светодиодные модули или кластеры — сборки из нескольких отдельных светодиодов на одной плате.
по материалам сайта http://kystari.ru/
kystari
Любознательный
Любознательный
 
Сообщения: 9
Зарегистрирован: 13 янв 2014, 07:43
Возраст: 23
Баллы репутации: 0

Вернуться в Теория

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 1



Яндекс.Метрика