Mi az a fénykibocsátó dióda: Működése és alkalmazásai
A LED egy félvezető fényforrás két vezetékkel. A fénykibocsátó diódát 1962-ben Nick Holonyak találta fel, amikor a General Electric alkalmazásában állt. A LED egy egyedülálló dióda, amelynek elektromos tulajdonságai hasonlóak a PN átmenet diódáéhoz. Ezért a LED lehetővé teszi az elektromos áram áramlását az egyik irányba, miközben blokkolja azt a másik irányba. A LED mindössze 1 mm2-nél kevesebbet foglal el. A LED-eket számos elektromos és elektronikus projektben alkalmazzák. Ebben a cikkben a LED működéséről és felhasználásáról lesz szó.
Fénykibocsátó dióda: mi ez?
A p-n átmenet dióda fénykibocsátó-diódaként szolgál. Ez a félvezető egyedülálló formája és egy különösen adalékolt dióda. A világító-dióda olyan eszköz, amely fényt bocsát ki, ha előre feszített.
A fénykibocsátást jelző két apró nyíl megkülönbözteti a LED-szimbólumot a dióda-szimbólumtól, ezért nevezik LED-nek (light{0}}emitting diode). A LED-nek két kivezetése van: a katód (-) és az anód (+). (-).
A LED szimbólum LED szimbólum felépítése
A LED felépítése meglehetősen egyszerű, mivel három félvezető anyagréteget helyeztek el egy hordozón. Ez a három réteg egymásra kerül, a felső réteg egy P- típusú réteg, a középső réteg egy aktív, az alsó réteg pedig egy N- típusú réteg. A szerkezet lehetővé teszi a félvezető anyag három zónájának megtekintését. A szerkezetben a P-típusú régióban lyukak, az N-típusú régióban a választások, az aktív régióban pedig lyukak és elektronok egyaránt jelen vannak.
A LED folyamatosan világít, mert nem áramlik az elektronok vagy lyukak, ha nincs feszültség. A LED előretolttá válik, amint a feszültséget táplálják, aminek következtében az N-régióban lévő elektronok és a P-régióban lévő lyukak az aktív területre vándorolnak. A kimerülési régió ennek a területnek egy másik neve. Fény állítható elő a polaritású töltések rekombinációjával, mivel a töltéshordozók, például a lyukak pozitív töltéssel rendelkeznek, míg az elektronok negatív töltéssel rendelkeznek.
Mi a fénykibocsátó dióda folyamata?
A világító{0}}diódát általában diódának nevezzük. Az elektronok és a lyukak gyorsan áramlanak át a csomóponton, amikor a dióda előre feszített, és folyamatosan egyesülnek, és félrehajtják egymást. Egyesül a lyukakkal, amikor az elektronok n-típusról p- típusú szilíciumra váltanak, majd eltűnnek.
Oleg Losev, egy orosz feltaláló 1927-ben fejlesztette ki az első LED-et, és publikálta kutatása elméleti alapjainak egy részét.
Kurt Lechovec professzor 1952-ben tesztelte a vesztesek hipotéziseit, és magyarázatot adott az első LED-ekre.
Az első zöld LED-et 1958-ban készítette Rubin Braunstein és Egon Loebner.
Nicholas Holonyak 1962-ben alkotott egy piros LED-et. Így elkészül az első LED.
Az első számítógép, amely LED-eket használt áramköri lapon, egy IBM modell volt 1964-ből.
A Hewlett Packard (HP) 1968-ban vezette be a LED-eket a számológépekben.
A kék LED-et Jacques Pankove és Edward Miller alkotta meg 1971-ben.
M. George Crawford villamosmérnök 1972-ben alkotta meg a sárga LED-et.
1986-ban Walden C. Rhines és Herbert Maruska, a Stafford Egyetem munkatársa alkotta meg a magnéziummal és a jövőbeni szabványokkal ellátott kék LED-et.
Hiroshi Amano és Isamu Akaski fizikus 1993-ban készített egy gallium-nitridet kiváló kék LED-ekkel.
Shuji Nakamura villamosmérnök megalkotta az első nagy fényerejű kék LED-et az Amanos & Akaski fejlesztései révén, ami felgyorsította a fehér színű LED-ek fejlődését.
2002-ben lakossági célokra használták a fehér színű LED-eket, amelyek izzónként 80-100 fontba kerülnek.
A LED-lámpák 2008-ban nagy népszerűségre tettek szert a cégek, kórházak és iskolák körében.
A fő fényforrások 2019-ben a LED-ek; ez egy figyelemre méltó áttörés, mivel a LED-ek ma már számos hely megvilágítására használhatók, beleértve az otthonokat, irodákat, kórházakat és iskolákat.
Előfeszítő fénykibocsátó dióda áramkör
A LED-ek többségének feszültségértéke 1 és 3 volt között van, míg az előremenő áram névleges értéke 200 és 100 mA közé esik.
A LED torzítása
A LED akkor működik megfelelően, ha 1 és 3 volt közötti feszültséget kapcsolnak rá, mivel az áramáramlás azt jelzi, hogy a feszültség a működési tartományon belül van. Ehhez hasonlóan, ha egy LED feszültsége nagyobb, mint az üzemi feszültsége, akkor a nagy áramerősség a kimerülési zóna meghibásodását okozza. Ez az előre nem látható nagy áramerősség tönkreteszi a modult.
Egy ellenállás sorba kapcsolásával a feszültségforrással és egy LED-del ez megelőzhető. A LED-ek biztonságos áramszintje 200 mA és 100 mA között van, míg a LED-ek biztonságos feszültségértéke 1 V és 3 V között van.
Itt a feszültségforrás és a LED között elhelyezett ellenállást áramkorlátozó ellenállásnak nevezik, mivel ez az ellenállás szabályozza az áram áramlását, különben a LED megölheti. Tehát ez az ellenállás elengedhetetlen a LED védelméhez.
A LED-en keresztüli áram matematikai áramlásának egyenlete a következő
IF=Vs – VD/Rs
Ahol,
"HA" az áram előre
Feszültségforrás „Vs”
A világító{0}}diódán kialakuló feszültségesést "VD" jelöli.
Az Rs egy ellenállás, amely korlátozza az áram áramlását.
az a feszültségesés, amely a kimerülési régió gátjának áttöréséhez szükséges. Ha a Si vagy Ge dióda feszültségesése 0,3 V vagy kisebb, a LED feszültségesése 2 és 3 V között lesz.
A Si vagy Ge diódákkal ellentétben a LED nagy feszültséggel üzemeltethető.
A szilícium- vagy germániumdiódákhoz képest a fénykibocsátó{0}}diódák működéséhez több energia szükséges.
Világító{0}}dióda típusok
A fénykibocsátó{0}}diódák számos változatban kaphatók, amelyek közül néhányat az alábbiakban sorolunk fel.
Infravörös gallium-arzenid (GaAs) és vörös-infravörös, narancssárga gallium-arzenid-foszfid (GaAsP)
Alumínium-gallium-arzenid-foszforból (AlGaAsP) készült nagy-fényerejű piros, narancssárga-vörös, narancssárga és sárga LED-ek
Vörös, sárga és zöld gallium-foszfát (GaP)
A zöld az alumínium-gallium-foszfid (AlGaP), a smaragdzöld a gallium-nitrid (GaN), a kék pedig a gallium-indium-nitrid (GaInN) színe.
Aljzatként szilícium-karbid (SiC) kék színben
Kék cink-szelenid (ZnSe) és ultraibolya alumínium-gallium-nitrid (AlGaN)
A LED működési elve
A kvantumelmélet szolgál a fény{0}}kibocsátó dióda működésének alapjául. A kvantumelmélet szerint a foton energiát szabadít fel, amikor az elektron magasabb energiájú állapotból alacsonyabb energiájú állapotba ereszkedik le. A két energiaszint közötti energiakülönbség megegyezik a foton energiájával. Amikor elérjük a PN-csatlakozó dióda előrefeszített állapotát, az áram áthalad a diódán.
A LED működési elve
Az árammal ellentétes irányú lyukak áramlása és az áram irányába eső elektronok áramlása okozza az áram áramlását a félvezetőkben. Így ezeknek a töltéshordozóknak a mozgása következtében rekombináció megy végbe.
A vezetési sáv elektronjai a rekombinációnak megfelelően leugranak a vegyértéksávba. Az elektromágneses energiát az elektronok fotonok formájában szabadítják fel, amikor egyik sávból a másikba lépnek, és a fotonenergia egyenlő a tiltott energiaréssel.
Tekintsük példaként a kvantumelméletet. Ezen elmélet szerint a foton energiája megegyezik frekvenciájának és Planck-állandójának összegével. Megjelenik a matematikai képlet.
Egyenlet=hf
ahol Planck-állandónak nevezzük, és az elektromágneses sugárzás sebessége, amelyet c szimbólummal jelölünk, megegyezik a fény sebességével. Mint af= c /, a sugárzás frekvenciája és a fénysebesség közötti összefüggés. Az előző egyenlet az elektromágneses sugárzás hullámhosszát fogja eredményezni, ahol
Egyenlet=he / λ
Az elektromágneses sugárzás hullámhossza fordítottan arányos a tiltott réssel, a fenti egyenlet szerint. Általában a szilícium és germánium félvezetők állapota és vegyértéksávja olyan, hogy a rekombináció során az elektromágneses hullámok teljes kisugárzása infravörös sugárzás formájában történik. Az infravörös hullámhosszak számunkra láthatatlanok, mert kívül esnek a látható fény tartományán.
Mivel a szilícium és germánium félvezetők közvetett rés félvezetők, nem pedig közvetlen rés félvezetők, az infravörös sugárzást gyakran hőnek nevezik. A vegyértéksáv legmagasabb energiaszintje és a vezetési sáv minimális energiaszintje azonban nem létezik, ha elektronok vannak jelen a közvetlen réses félvezetőben. Ennek eredményeként az elektronsáv impulzusa változni fog az elektronok és lyukak rekombinációja során, vagy az elektronok vándorlása során a vezetési sávból a vegyértéksávba.
Fényes LED-ek
Két módszer használható LED-ek előállítására. Az első módszernél a piros, zöld és kék LED chipeket egyetlen csomagban kombinálják fehér fény előállítására, míg a második módszerben foszforeszcenciát alkalmaznak. A fénypor fluoreszcenciáját körülvevő epoxigyanta összegezhető, majd az InGaN LED-eszköz rövid -hullámhosszú sugárzással aktiválja a LED-et.
Többféle színérzékelés, úgynevezett elsődleges additív szín létrehozásához különböző színű fényeket, például kéket, zöldet és pirosat kombinálnak különböző mennyiségben. A fehér fény e három fényintenzitás egyenletes kombinálásával jön létre.
Ennek a kombinációnak a zöld, kék és piros LED-ek kombinációjával való megvalósításához azonban kihívást jelentő elektro{0}}optikai architektúrára van szükség a különböző színek kombinációjának és diffúziójának kezelésére. Ezenkívül ez a módszer kihívást jelenthet a LED-árnyalatok eltérései miatt.
Egy foszforbevonatú LED chip látja el a fehér LED-es termékcsalád nagy részét. Ha ezt a bevonatot kék fotonok helyett ultraibolya sugárzásnak teszik ki, fehér fény keletkezik. Ugyanez az elmélet vonatkozik a fénycsövekre is; a cső belsejében lévő elektromos kisülés UV-sugárzást bocsát ki, amitől a foszfor fehéren villog.
Bár ez a LED-technika sokféle árnyalatot adhat, az eltérések szűréssel szabályozhatók. Négy pontos színkoordinátát használva, amelyek közel vannak a CIE-diagram középpontjához, a fehér LED{1}}alapú eszközöket árnyékolják.
A patkógörbén belül minden elérhető színkoordinátát a CIE diagram mutatja. Az ív tiszta árnyalatai szétterülnek, de a fehér pont középen van. A grafikon közepén látható négy pont használható a fehér LED kimeneti színének ábrázolására. A négy grafikonkoordináta csaknem tiszta fehér, de ezek a LED-ek általában nem működnek olyan jól, mint egy szabványos fényforrás a színes lencsék megvilágítására.
Ezek a LED-ek a legelőnyösebbek a fehér, egyébként átlátszó, átlátszatlan háttérvilágítású lencsék esetében. A fehér LED-ek kétségtelenül egyre népszerűbbek lesznek megvilágítási forrásként és indikátorként mindaddig, amíg ez a technológia folyamatosan fejlődik.
Ragyogó hatékonyság
Az egyes LED-ek megtermelt fényáramát lm-ben, míg az elektromos energiafogyasztást W-ban mérik. A piros LED-ek 155 lm/W, a borostyánsárga LED-ek 500 lm/W, a kék LED-ek névleges belső hatásfoka 75 lm/W. A veszteségek a belső re{5}}abszorpció miatt tekinthetők; a zöld és borostyánsárga LED-ek fényhatásfoka 20 és 25 lm/W között van. A hatásosságnak ez a fogalma, más néven külső hatékonyság, összevethető a más típusú fényforrások, például a többszínű LED-ek esetében jellemzően alkalmazott hatékonyságfogalommal.
Dióda fényforrás sok színben
A többszínű LED-ek fénykibocsátó{0}}diódák, amelyek előrefeszítéssel csatlakoztatva egy árnyalatot hoznak létre, és fordított előfeszítéssel csatlakoztatva egy másik színt adnak elő.
Ezek a LED-ek valójában két PN{0}}átmenettel rendelkeznek, és párhuzamosan is csatlakoztathatók az egyik katódjának a másik anódjához való csatlakoztatásával.
Ha egy irányba torzítják, a többszínű LED-ek jellemzően pirosak, ellenkező irányban pedig zöldek. Ez a LED egy harmadik színt ad ki, ha két polaritás között nagyon gyorsan be van kapcsolva. Az előfeszítő polaritások között gyorsan váltva a zöld vagy piros LED sárga színű fényt bocsát ki.
Mi a két különböző LED-beállítás?
Két hasonló emitter és COB az alapvető LED-beállítások.
Az emitter egyetlen matrica, amelyet a hűtőbordához erősítenek, mielőtt az áramköri lapra helyeznék. Ez az áramköri kártya elszívja a hőt az emittertől, miközben elektromos áramot ad.
A kutatók azt találták, hogy a LED hordozó eltávolítható, és az egyetlen matrica szabadon elhelyezhető az áramköri lapon, ami segít csökkenteni a költségeket és javítani a fény egyenletességét. Ezért ez a kialakítás COB (chip-on-board array) néven ismert.
A LED-ek előnyei és hátrányai
Az alábbiakban bemutatjuk a fénykibocsátó{0}}diódák előnyeit.
A LED-ek kicsik, és alacsonyabb az ára.
Az elektromos áram vezérlése LED-ekkel történik.
A mikroprocesszor segítségével a LED intenzitása változhat.
hosszú ideig
energia szempontjából hatékony
Nincs játék előtti{0}}bemelegítés
Egyenetlen
nem befolyásolja a hideg hőmérséklet
Kiváló irányított színvisszaadás
Irányítható és környezetbarát
Az alábbiakban bemutatjuk a LED technológia néhány hátrányát.
Ár
hőmérsékletre való érzékenység
hőmérséklet érzékenység
Elektromos polaritás és világítás minősége
Elektromos érzékenység
A hatékonyság zuhan
Eredmény rovarokra
Fénykibocsátó{0}}diódákhoz használható
A LED-nek számos felhasználási módja van, amelyek közül néhányat az alábbiakban ismertetünk.
Mind a háztartásokban, mind a vállalkozásokban LED-eket használnak izzóként.
A fény{0}}diódákat autókban és motorkerékpárokban használják.
Az üzenet ezek használatával jelenik meg a mobiltelefonokon.
A jelzőlámpáknál LED-eket használnak.
Ennek eredményeként ez a cikk áttekintést nyújt a fénykibocsátó dióda áramkörök alkalmazásáról és működési elméletéről. Remélem, ennek a cikknek a elolvasásával megtudott néhány alapvető és gyakorlati tényt a fénykibocsátó diódáról-.
További információért kérjük, figyeljen aA BENWEI hivatalos weboldala
