Расчет и проектирование светодиода (стр. 4 из 7)
Диод позволяет, управляемо изменять цвет свечения от красного до зеленого с получением промежуточных цветов: оранжевого, желтого и др.
В последнее время появились сообщения о создании двухпереходных однокристальных GaP диодов повышенной эффективности, содержащих оба р-n-перехода с одной стороны подложки. Первый р-n-переход (n1-p1) излучает красный свет, второй (n2-р2) –зеленый.
1.1.5 Индикаторы состояния
Ламповые индикаторы имеют широкую область применения. В некоторых случаях они указывают на наличие рабочих условий, например на включение питания в различных приборах или на занятость линии в клавишном телефоне. В других случаях они служат предупреждающими сигналами, например в различных указателях на приборной панели современного автомобиля. Во всех перечисленных случаях необходимо, чтобы наблюдатель сразу замечал момент включения лампы и чтобы включенное и выключенное состояния четко различались. Выполнение первого требования обычно обеспечивается соответствующим оформлением индикатора. а выполнение второго требования - конструкцией самой лампы. Обычно требуется, чтобы свет лампы был приятен для глаз, т. е. чтобы был обеспечен световой комфорт, Точные условия светового комфорта указать трудно; они определяются специальной системой тестов. Для достижения светового комфорта необходима оптимальная комбинация зрительного восприятия, размеров, яркости и контраста. Обычно размеры полупроводникового кристалла выбирают как можно малыми при заданном световом выходе. Типичные габариты кристалла колеблются от 250х250 до 500х500 мкм. Видимый размер лампы определяется диаграммой распределения света рефлектором или рассеиванием света покрытием. Если необходимость в широком угле наблюдения отсутствует, то видимое изображение лампы можно увеличить с помощью пластмассовых линз. Линейное увеличение в зависимости от угла наблюдения дается формулой:
Увеличение =[1/(1-cosQ)]1/2. (1.5)
Для многих применений достаточно угла наблюдения 60-90°, что позволяет использовать линейное увеличение в 1,8-2,7 раза и соответственно уменьшить потребляемую мощность в ~2-4 раза.
Контраст изображения обычно достигается добавлением красителя в пластмассовое покрытие или с помощью внешнего светофильтра. Идеальный светофильтр поглощает свет, падающий на него снаружи, так что выключенная лампа кажется темнее фона. Кроме отсутствия блеска (что будет рассмотрено при обсуждении цифровых индикаторов), основное требование, предъявляемое к светофильтру, состоит в том, чтобы пропускание им окружающего света (за два прохождения через фильтр) было не больше, чем отражение этого света от поверхности, окружающей индикатор.
Вместе с тем основная функция светофильтра состоит в усилении светового воздействия лампы в включенном состоянии. Анализ требований к идеальному светофильтру для красных и желто-зеленых светодиодов из GaP можно провести следующим образом. Рассмотрим конструкцию лампы, в которой большая часть излучаемого света отражается от элементов, окружающих светодиод. Такой рефлектор, имеющий коэффициент отражения R(l), отражает также и окружающий свет, попадающий на лампу. Обозначим через Ie(Q, &fi , l ) спектральною силу света лампы на длине волны К в направлении (Q, &fi);тогда световой поток Fvd, излучаемый в направлении наблюдателя, равен:
Fvd= Iе(l) V(l)R(l) d(l), (1.6)
если предположить, что свет диода (а также и окружающий свет) отражается от корпуса прибора только один раз. При наличии светофильтра со спектром пропускания Т (К) выходящий из лампы световой поток равен:
F'vd= Iе(l) V(l)R(l)T(l)dl (1.7)
Коэффициент пропускания светофильтра для излучения со спектральной силой Iе(l) определяется выражением:
T=F'vd/Fvd (1.8)
А величина T представляет собой соответственно потери излучения, связанные с фильтром. Для идеального фильтра эти потери сведены до минимума.
Аналогичным образом можно определить величину Та, которая характеризует вызванное светофильтром ослабление окружающего излучения, отраженного от лампы (учитывая, что окружающий свет проходит через фильтр дважды). Наибольший интерес представляет величина яркостного контраста С между включенным (излучение светодиода и окружающий свет) и выключенным (только окружающий свет) состояниями:
С=(Fvd+F"va)/Ф"va, (1.9)
где F'va –световой поток, идущий от лампы в выключенном состоянии (индекс а означает окружающий свет, а два штриха соответствуют двум прохождениям света через фильтр).
Показатель качества фильтра hF можно определить как произведение воспринимаемого светового потока на контраст:
hF=C·F'vd. (1.10)
Если предположить, что отражение от корпуса лампы постоянно во всем видимом спектре и что F'vd >> F"va, то уравнение (1.10) можно записать в виде:
hF=T2/T'a·F2vd/Fva(1.11)
Первый сомножитель в этом равенстве является мерой спектральной избирательности фильтра и называется индексом цветовой корреляции. Для нейтрального светофильтра, для которого Т(l)= const., эта величина равна 1. Таким образом, индекс цветовой корреляции определяется не абсолютным коэффициентом пропускания светофильтра, а спектральной согласованностью фильтра с излучением светодиода и окружающим светом.
Величины Т и Т'a можно легко рассчитать из данных по спектральному коэффициенту пропускания светофильтра. Если имеются образцы светофильтров, то проще всего измерить эти величины непосредственно с помощью фотоприемника, спектральная чувствительность которого совпадает с кривой чувствительности глаза. В этом случае величина Т равна просто отношению токов фотоприемника со светофильтром между диодом и приемником и без светофильтра. Аналогично величина Т'a равна отношению тока фотоприеминка, когда окружающий cвет попадает на него, пройдя через двойной слой фильтра, к току при непосредственном падении окружающего света на фотоприемник.
Кроме описанной спектральной избирательности, большое значение имеет общий “нейтральный” коэффициент ослабления фильтра. Он должен быть подобран так, чтобы обеспечить желаемый контраст при минимальном токе через светодиод. Например, при очень ярком освещении может понадобиться очень плотный фильтр (для уменьшения T'a даже несмотря на уменьшение пропускания излучения светодиода и соответственно на необходимость повышения тока через диод. Оптимальный фильтр всегда представляет собой компромисс между яркостью индикатора и ослаблением окружающего света.
Для излучения, приходящегося на край видимой части спектра (красные светодиоды из GaAs1-xРx или GaP: Zn, I), наиболее эффективен красный светофильтр с резким краем полосы пропускания. С другой стороны, для излучения в середине видимой части спектра более эффективен светофильтр с узкой полосой пропускания.
Кроме выполнения функций светофильтра, пластмассовое покрытие может также формировать различные диаграммы направленностн излучения. Ламбертовскую диаграмму направленности, которую имеет открытый свстодиод из прямозонного полунроводника, можно существенно изменить с помощью прозрачных пластмассовых линз; при этом увеличение силы спета в направлении оси линзы за счет уменьшения угла наблюдения равно приблизительно квадрату коэффициента линейного увеличения. Включения частичек материала с высоким показателем преломления, например Si02 или TiO2 приводят к равномерному распределению света по пластмассо-вому покрытию, что увеличивает угол наблюдения и видимые размеры светодиода, но уменьшает аксиальную силу света.
1.1.6 Индикаторы на светодиодах
Наиболее распространенные форматы буквенно-цифровых индикаторов на основе светодиодов показаны на рисунке 1.4.
Семиэлемептные индикаторы или матрицы из 3х5 точек обычно применяются для воспроизведения цифр от 0 до 9, хотя с их помощью можно воспроизводить некоторые прописные (A, В, С, D, E,F, G, H, I, J, L, О, S, U) и строчные (b, с, d, h, i,l, n, о, r, и) буквы. Для цифровых индикаторов наиболее широко используется формат с семью полосками, а для буквенно-цифровых индикаторов удобнее всего матрицы из 5х7 точек.
Рисунок 1.4 - Форматы буквенно-цифровых индикаторов на основе светодиодов
Размер индикатора зависит от расстояния до наблюдателя. Высота символов обычно выбирается из расчета угла наблюдения 10-24', причем угол наблюдения (в минутах) определяется выражением:
Угол наблюдения = 120 arctg (h/2d), (1.12)
где h-высота символа, ad–расстояние от глаза до индикатора.
Для электролюминесцентных индикаторов наилучшее зрительное восприятие обычно достигается уменьшением размера символов до минимума и соответственным увеличением яркости. Наиболее распространенными областями применения малогабаритных индикаторов являются ручные приборы и карманные калькуляторы. Типичная высота символов (мнимое изображение индикатора) составляет 2,5-3,5 мм, что соответствует углу наблюдения 9,5-13,4' для расстояния, равного длине вытянутой руки (~90 см). Действительный размер интегральных полупроводниковых индикаторов составляет 1,125-2,5 мм, что соответствует линейному увеличению в 1,4-2,2 раза. Следующее наиболее употребительное значение для высоты символов равно 8-12 мм; такие индикаторы применяются на приборных панелях или на пультах управления. При расстоянии 3 м это соответствует углу наблюдения 9,2-13,8'. Типичное отношение ширины символа к его высоте для индикаторов обоих типов составляет 0,6-0,8.
Цифровые индикаторы различаются в основном формой полосок (прямые или скругленные), видом освещения полосок (равномерное или точечное) и углом наклона цифр (90 или ~80°). При сравнении различных цифровых индикаторов размером 7-15 мм был сделан вывод, что прямые линии распознаются значительно лучше, чем скругленные, что четкость точечного изображения выше, чем изображения, образованного штрихами, и что прямые и наклонные цифры воспринимаются одинаково. Было замечено также, что четкость контура является очень важным параметром, от которого зависит разборчивость цифр. Цифры, образованные относительно широкими штрихами, имели размытые контуры, и поэтому при их чтении возникало много ошибок. Рекомендуемое отношение ширины к высоте для белых штрихов на черном фоне составляет 1 : 10; вместе с тем при ярком освещении или для ярких индикаторов (например, малогабаритных цифровых светодиодных матриц) это отношение можно уменьшить до 1 : 20.