Čo je svetlo emitujúca dióda: Práca a jej aplikácie

Svetelná dióda je dvojvodičový polovodičový svetelný zdroj. V roku 1962 Nick Holonyak prišiel s myšlienkou svetlo emitujúcej diódy a pracoval pre všeobecnú elektrickú spoločnosť. LED je špeciálny typ diódy a majú podobné elektrické vlastnosti ako prechodová PN dióda. Preto LED umožňuje tok prúdu v smere dopredu a blokuje prúd v opačnom smere. LED dióda zaberá malú plochu, ktorá je menšia ako 1 mm^dva . Aplikácie LED používajú sa na výrobu rôznych elektrických a elektronických projektov. V tomto článku sa budeme zaoberať princípom fungovania LED a jeho aplikácií.

Čo je to dióda vyžarujúca svetlo?

Dióda vyžarujúca svetlo je a prechodová dióda p-n . Je to špeciálne dotovaná dióda a je vyrobená zo špeciálneho typu polovodičov. Keď svetlo vyžaruje v predklone, potom sa nazýva dióda vyžarujúca svetlo.

Dióda vyžarujúca svetlo

Symbol LED

Symbol LED je podobný symbolu diódy, okrem dvoch malých šípok, ktoré určujú vyžarovanie svetla, preto sa nazýva LED (dióda vyžarujúca svetlo). LED obsahuje dva terminály, a to anódu (+) a katódu (-). Symbol LED je uvedený nižšie.

Symbol LED

Konštrukcia LED

Konštrukcia LED je veľmi jednoduchá, pretože je navrhnutá nanášaním troch vrstiev polovodičového materiálu na substrát. Tieto tri vrstvy sú usporiadané jedna po druhej, kde horná oblasť je oblasťou typu P, stredná oblasť je aktívna a nakoniec, spodná oblasť je typu N. Pri konštrukcii možno pozorovať tri oblasti polovodičového materiálu. V konštrukcii zahrnuje oblasť typu P diery, oblasť typu N obsahuje voľby, zatiaľ čo aktívna oblasť zahrnuje diery aj elektróny.

Ak na LED diódu neprichádza napätie, potom neprúdi elektrón a otvory, takže sú stabilné. Akonáhle je aplikované napätie, potom bude LED smerovať predpätie, takže elektróny v N-oblasti a otvory z P-oblasti sa presunú do aktívnej oblasti. Táto oblasť je tiež známa ako oblasť vyčerpania. Pretože nosiče nábojov ako otvory obsahujú kladný náboj, zatiaľ čo elektróny majú záporný náboj, takže svetlo je možné generovať rekombináciou nábojov polarity.

Ako funguje dióda vyžarujúca svetlo?

Diódu vyžarujúcu svetlo zjednodušene poznáme ako diódu. Keď je dióda predklonená dopredu, potom sa elektróny a otvory rýchlo pohybujú po križovatke a neustále sa kombinujú a navzájom sa odstraňujú. Čoskoro potom, čo sa elektróny presunú z typu n na kremík typu p, skombinuje sa s otvormi, potom zmizne. Preto robí celý atóm stabilnejším a poskytuje malý výbuch energie vo forme malého balíčka alebo fotónu svetla.

Pracovanie diódy vyžarujúcej svetlo

Vyššie uvedený diagram ukazuje, ako funguje dióda vyžarujúca svetlo, a podrobný postup diagramu.

• Z vyššie uvedeného diagramu môžeme pozorovať, že kremík typu N je v červenej farbe vrátane elektrónov, ktoré sú označené čiernymi kruhmi.
• Kremík typu P je v modrej farbe a obsahuje otvory, ktoré sú označené bielymi kruhmi.
• Napájanie cez križovatku p-n vedie k tomu, že dióda je predpätá dopredu a tlačí elektróny z typu n na typ p. Zatlačte otvory opačným smerom.
• Elektrón a otvory na križovatke sú kombinované.
• Fotóny sa vydávajú pri rekombinácii elektrónov a otvorov.

História diódy emitujúcej svetlo

LED diódy boli vynájdené v roku 1927, nejde však o nový vynález. Krátky prehľad histórie LED je uvedený nižšie.

• V roku 1927 bol Oleg Losev (ruský vynálezca) vytvorený prvý LED a publikoval niekoľko teórií o svojom výskume.
• V roku 1952 profesor Kurt Lechovec otestoval teórie teórií porazených a vysvetlil prvé LED
• V roku 1958 vynašli prvú zelenú LED diódu Rubin Braunstein & Egon Loebner
• V roku 1962 vyvinul Nick Holonyak červenú LED. Je teda vytvorená prvá LED.
• V roku 1964 IBM prvýkrát implementovala LED diódy na doske s plošnými spojmi na počítači.
• V roku 1968 spoločnosť HP (Hewlett Packard) začala používať LED diódy v kalkulačkách.
• V roku 1971 boli Jacques Pankove a Edward Miller vynájdení modrej LED
• V roku 1972 bol vynájdený M. George Crawford (elektrotechnik) žltej farby LED.
• V roku 1986 vynašli Walden C. Rhines a Herbert Maruska z University of Stafford modrú farbu LED s horčíkom vrátane budúcich štandardov.
• V roku 1993 vyvinul Hiroshi Amano & Physicists Isamu Akaski nitrid gália s vysoko kvalitnými LED diódami modrej farby.
• Elektrotechnik ako Shuji Nakamura vyvinul prvú modrú LED s vysokou svietivosťou prostredníctvom vývoja produktov Amanos & Akaski, čo rýchlo vedie k rozšíreniu bielych LED diód.
  V roku 2002 sa na domáce účely používali biele LED diódy, ktoré nabíjali okolo 80 až 100 libier za každú žiarovku.
• V roku 2008 sa LED svetlá stali veľmi populárnymi v kanceláriách, nemocniciach a školách.
• V roku 2019 sa LED diódy stali hlavnými svetelnými zdrojmi
• Vývoj LED je neuveriteľný, pretože sa pohybuje od malých indikácií po osvetlenie kancelárií, domovov, škôl, nemocníc atď.

Obvod diódy vyžarujúcej svetlo na predpätie

Väčšina LED diód má menovité napätie od 1 volt do 3 voltov, zatiaľ čo menovitý prúd v rozmedzí od 200 mA do 100 mA.

Predpätie LED

Ak je na LED pripojené napätie (1V až 3V), potom funguje správne, pretože tok prúdu pre aplikované napätie bude v prevádzkovom rozsahu. Podobne, ak je aplikované napätie na LED vysoké ako prevádzkové napätie, potom sa oblasť vyčerpania v rámci diódy emitujúcej svetlo rozpadne v dôsledku vysokého prietoku prúdu. Tento neočakávane vysoký tok prúdu poškodí zariadenie.

Tomu sa dá zabrániť zapojením rezistora do série so zdrojom napätia a LED. Hodnoty bezpečného napätia LED budú v rozmedzí od 1 V do 3 V, zatiaľ čo hodnoty bezpečného prúdu v rozmedzí od 200 mA do 100 mA.

Tu je odpor, ktorý je umiestnený medzi zdrojom napätia a LED, známy ako odpor obmedzujúci prúd, pretože tento odpor obmedzuje tok prúdu, inak by ho LED mohla zničiť. Takže tento rezistor hrá kľúčovú úlohu pri ochrane LED.

Matematicky možno tok prúdu cez LED zapísať ako

AK = Vs - VD / Rs

Kde,

„IF“ je prúdový prúd

„Vs“ je zdroj napätia

„VD“ je pokles napätia na dióde emitujúcej svetlo

„Rs“ je odpor obmedzujúci prúd

Množstvo napätia kleslo, aby sa prekonala bariéra oblasti vyčerpania. Pokles napätia LED bude v rozmedzí od 2 V do 3 V, zatiaľ čo Si alebo Ge dióda je 0,3, inak 0,7 V.

LED tak môže byť prevádzkovaná pomocou vysokého napätia v porovnaní s diódami Si alebo Ge.
Diódy emitujúce svetlo spotrebujú na svoju činnosť viac energie ako kremíkové alebo germániové diódy.

Typy diód emitujúcich svetlo

Existujú rôzne typy diód emitujúcich svetlo a niektoré z nich sú uvedené nižšie.

• Gálium arzenid (GaAs) - infračervené
• Fosfid gália arzenidu (GaAsP) - červený až infračervený, oranžový
• Fosfid hlinitý a gálium arzenid (AlGaAsP) - vysoko jasná červená, oranžovo-červená, oranžová a žltá
• Fosfid gália (GaP) - červený, žltý a zelený
• Fosfid hlinitý a gálium (AlGaP) - zelený
• Gálium nitrid (GaN) - zelený, smaragdovo zelený
• Gallium indium nitrid (GaInN) - takmer ultrafialový, modrozelený a modrý
• Karbid kremíka (SiC) - modrý ako substrát
• Selenid zinočnatý (ZnSe) - modrý
• Nitrid hlinitý gálium (AlGaN) - ultrafialové

Pracovný princíp LED

Princíp fungovania diódy vyžarujúcej svetlo je založený na kvantovej teórii. Kvantová teória hovorí, že keď elektrón klesá z vyššej energetickej úrovne na nižšiu energetickú hladinu, potom energia vyžaruje z fotónu. Energia fotónu sa rovná energetickej medzere medzi týmito dvoma úrovňami energie. Ak je dióda PN-prechod v predpätí dopredu, potom prúd preteká diódou.

Pracovný princíp LED

Tok prúdu v polovodičoch je spôsobený tokom otvorov v opačnom smere prúdu a prúdom elektrónov v smere prúdu. Preto dôjde k rekombinácii v dôsledku toku týchto nosičov náboja.

Rekombinácia naznačuje, že elektróny vo vodivom pásme skáču dole do valenčného pásma. Keď elektróny skákajú z jedného pásma do druhého, elektróny budú emitovať elektromagnetickú energiu vo forme fotónov a energia fotónu sa rovná zakázanej energetickej medzere.

Uvažujme napríklad kvantovú teóriu, energia fotónu je produktom Planckovej konštanty aj frekvencie elektromagnetického žiarenia. Je zobrazená matematická rovnica

Eq = hf

Pokiaľ je známy ako Planckova konštanta, a rýchlosť elektromagnetického žiarenia sa rovná rýchlosti svetla, t. J. Frekvenčné žiarenie súvisí s rýchlosťou svetla ako f = c / λ. λ sa označuje ako vlnová dĺžka elektromagnetického žiarenia a vyššie uvedená rovnica sa zmení na a

Eq = he / λ

Z vyššie uvedenej rovnice môžeme povedať, že vlnová dĺžka elektromagnetického žiarenia je nepriamo úmerná zakázanej medzere. Všeobecne kremík, germánium polovodiče táto zakázaná energetická medzera je medzi podmienkou a valenčné pásma sú také, že celkové žiarenie elektromagnetickej vlny počas rekombinácie je vo forme infračerveného žiarenia. Nevidíme vlnovú dĺžku infračerveného žiarenia, pretože sú mimo nášho viditeľného rozsahu.

O infračervenom žiarení sa hovorí, že je také teplo, pretože kremík a germániové polovodiče nie sú polovodičmi s priamou medzerou, skôr sú to polovodiče s nepriamou medzerou. Ale v polovodičoch s priamou medzerou sa maximálna energetická úroveň valenčného pásma a minimálna energetická úroveň vodivého pásma nevyskytujú v rovnakom okamihu elektrónov. Preto počas rekombinácie elektrónov a dier dochádza k migrácii elektrónov z vodivého pásma do valenčného pásma, dôjde k zmene hybnosti pásma elektrónov.

Biele LED diódy

Výroba LED sa môže uskutočňovať dvoma spôsobmi. V prvej technike sú LED čipy ako červená, zelená a modrá zlúčené do podobného balíka, aby vytvorili biele svetlo, zatiaľ čo v druhej technike sa využíva fosforescencia. Fluorescenciu vo fosfore možno zhrnúť do epoxidového prostredia, potom sa LED aktivuje pomocou energie krátkych vlnových dĺžok pomocou LED zariadenia InGaN.

Rôzne farebné svetlá, ako sú modré, zelené a červené svetlá, sú kombinované v premenlivom množstve, aby vytvorili iný farebný vnem, ktorý je známy ako primárne aditívne farby. Tieto tri intenzity svetla sa rovnomerne sčítajú, aby sa generovalo biele svetlo.

Na dosiahnutie tejto kombinácie je však potrebné použiť kombináciu zelenej, modrej a červenej LED, ktorá vyžaduje komplikovaný elektrooptický dizajn na riadenie kombinácie a difúzie rôznych farieb. Ďalej môže byť tento prístup komplikovaný z dôvodu zmien vo farbe LED.

Produktová rada bielych LED diód závisí predovšetkým od jediného čipu LED s fosforovým povlakom. Tento povlak generuje biele svetlo, ktoré je raz zasiahnuté ultrafialovými, inak modrými fotónmi. Rovnaký princíp sa uplatňuje aj na žiarovky. Emisia ultrafialového žiarenia z elektrického výboja v trubici spôsobí, že fosfor bliká nabielo.

Aj keď tento proces LED môže generovať rôzne odtiene, rozdiely je možné ovládať tienením. Zariadenia na báze bielej LED diódy sú skrínované pomocou štyroch presných súradníc farebnosti, ktoré susedia so stredom diagramu CIE.

Diagram CIE popisuje všetky dosiahnuteľné farebné súradnice v rámci podkovovej krivky. Čisté farby ležia nad oblúkom, ale biely hrot je v strede. Bielu výstupnú farbu LED je možné znázorniť štyrmi bodmi, ktoré sú znázornené v strede grafu. Aj keď sú štyri súradnice grafu takmer čisté biele, tieto LED diódy zvyčajne nie sú účinné ako bežný zdroj svetla na rozsvietenie farebných šošoviek.

Tieto LED sú užitočné hlavne pre biele inak číre šošovky, nepriehľadné podsvietenie. Keď táto technológia bude pokračovať, biele LED si určite získajú reputáciu zdroja a indikácie osvetlenia.

Svetelná účinnosť

Svetelná účinnosť LED môže byť definovaná ako vyprodukovaný svetelný tok v lm pre každú jednotku a elektrická energia môže byť použitá v W. Menovité vnútorné poradie účinnosti LED v modrej farbe je 75 lm / W jantárové LED majú 500 lm / W a červené LED diódy majú 155 lm / W. Z dôvodu vnútornej opätovnej absorpcie je možné zohľadniť straty, aby sa poradie svetelnej účinnosti pohybovalo od 20 do 25 lm / W pre zelené a žlté LED. Táto definícia účinnosti je tiež známa ako externá účinnosť a je analogická s definíciou účinnosti bežne používanou pre iné typy svetelných zdrojov, ako je napríklad viacfarebná LED.

Viacfarebná dióda emitujúca svetlo

Dióda vyžarujúca svetlo, ktorá vytvára jednu farbu, keď sa pripojí v predpätí, a vytvorí farbu, keď sa zapojí v opačnom smere, sa nazýva viacfarebná LED.

V skutočnosti tieto LED obsahujú dva PN priechody a ich pripojenie je možné vykonať paralelne s anódou jednej, ktorá je spojená s katódou druhého.

Viacfarebné LED diódy sú zvyčajne červené, keď sú predpäté jedným smerom a zelené, keď sú predpäté iným smerom. Ak táto LED dióda svieti veľmi rýchlo medzi dvoma polaritami, potom táto LED dióda vygeneruje tretiu farbu. Zelená alebo červená LED dióda vygeneruje žlté svetlo, ktoré sa rýchlo prepne dozadu a dopredu medzi predpätými polaritami.

Aký je rozdiel medzi diódou a LED diódou?

Hlavný rozdiel medzi diódou a LED diódou zahrnuje nasledujúce.

I-V charakteristika LED

Na trhu sú k dispozícii rôzne typy svetelných diód a existujú rôzne charakteristiky LED, medzi ktoré patrí farebné svetlo alebo žiarenie vlnovej dĺžky alebo intenzita svetla. Dôležitou charakteristikou LED je farba. Pri počiatočnom použití LED je jediná červená farba. Pretože sa použitie LED zvyšuje pomocou polovodičového procesu a výskumu nových kovov pre LED, vytvorili sa rôzne farby.

I-V charakteristika LED

Nasledujúci graf zobrazuje približné krivky medzi dopredným napätím a prúdom. Každá krivka v grafe označuje inú farbu. V tabuľke je uvedený súhrn charakteristík LED.

Vlastnosti LED

Aké sú dva typy konfigurácií LED?

Štandardné konfigurácie LED sú dva podobné žiariče a COB

Emitor je jednoduchá matrica, ktorá je pripevnená k doske s plošnými spojmi a potom k chladiču. Táto doska s plošnými spojmi dodáva elektrickú energiu do žiariča a zároveň odvádza teplo.

Na pomoc pri znižovaní nákladov a zvyšovaní rovnomernosti svetla vyšetrovatelia zistili, že je možné odpojiť substrát LED a jednoduchú matricu otvorene namontovať na dosku plošných spojov. Tento dizajn sa teda nazýva COB (chip-on-board array).

Výhody a nevýhody LED diód

The výhody svetlo emitujúcej diódy zahrňte nasledujúce.

• Cena LED je menšia a sú malé.
• Pomocou LED je riadená elektrina.
• Intenzita LED sa líši pomocou mikrokontroléra.
• Dlhá životnosť
• Energeticky úsporné
• Žiadne zahrievacie obdobie
• Robustný
• Nemá vplyv na nízke teploty
• Smerový
• Farebné podanie je vynikajúce
• Priateľský k životnému prostrediu
• Kontrolovateľné

The nevýhody diódy vyžarujúcej svetlo zahrňte nasledujúce.

• cena
• Teplotná citlivosť
• Závislosť od teploty
• Kvalita svetla
• Elektrická polarita
• Citlivosť napätia
• Účinnosť klesá
• Vplyv na hmyz

Aplikácia diódy vyžarujúcej svetlo

Existuje veľa aplikácií LED a niektoré z nich sú vysvetlené nižšie.

• LED sa používa ako žiarovka v domácnostiach a priemysle
• Diódy vyžarujúce svetlo sa používajú v motocykloch a automobiloch
• Používajú sa v mobilných telefónoch na zobrazenie správy
• Na semafore sa používajú LED diódy

Tento článok teda pojednáva prehľad svetelnej diódy princíp a použitie obvodu. Dúfam, že prečítaním tohto článku ste získali niekoľko základných a pracovných informácií o svetlo emitujúcej dióde. Ak máte akékoľvek otázky týkajúce sa tohto článku alebo posledného roku projektu elektro, neváhajte a komentujte v nasledujúcej časti. Tu je otázka pre vás, Čo je LED a ako funguje?