Kaj je dioda, ki oddaja svetlobo: Delo in njene aplikacije

Preizkusite Naš Instrument Za Odpravo Težav





Svetleča dioda je dvovodni polprevodniški svetlobni vir. Leta 1962 je Nick Holonyak prišel na idejo o svetleči diodi in je delal za splošno električno podjetje. LED je posebna vrsta diode in imajo podobne električne lastnosti kot PN-spojna dioda. Zato LED omogoča pretok toka v smeri naprej in blokira tok v obratni smeri. LED zaseda majhno površino, ki je manjša od 1 mmdva . Uporaba LED uporablja se za izdelavo različnih električnih in elektronskih projektov. V tem članku bomo razpravljali o principu delovanja LED in njegovih aplikacijah.

Kaj je dioda, ki oddaja svetlobo?

Svetleča dioda je a p-n spojna dioda . Je posebej dopirana dioda in je sestavljena iz posebne vrste polprevodnikov. Ko svetloba oddaja naprej, se imenuje svetleča dioda.




Svetleča dioda

Svetleča dioda

LED simbol



Znak LED je podoben simbolu diode, razen dveh majhnih puščic, ki določata oddajanje svetlobe, zato se imenuje LED (svetleča dioda). LED vključuje dva terminala, in sicer anodo (+) in katodo (-). Simbol LED je prikazan spodaj.

LED simbol

LED simbol

Konstrukcija LED

Konstrukcija LED je zelo preprosta, saj je zasnovana z nanosom treh slojev polprevodniškega materiala na podlago. Te tri plasti so razporejene ena za drugo, kjer je zgornja regija območje P-tipa, srednje območje je aktivno in končno spodnje območje N-tipa. V konstrukciji je mogoče opaziti tri regije polprevodniškega materiala. V konstrukciji območje tipa P vključuje luknje, območje tipa N pa volitve, medtem ko aktivno območje vključuje luknje in elektrone.

Ko napetost ne deluje na LED, potem ni pretoka elektronov in lukenj, tako da so stabilni. Ko je napetost uporabljena, bo LED usmerjena naprej, tako da se bodo elektroni v območju N in luknje iz območja P premaknili v aktivno območje. Ta regija je znana tudi kot regija izčrpavanja. Ker nosilci naboja, kot so luknje, vključujejo pozitiven naboj, medtem ko imajo elektroni negativni naboj, zato lahko svetlobo ustvarimo z rekombinacijo polarnih nabojev.


Kako deluje dioda, ki oddaja svetlobo?

Svetlečo diodo preprosto poznamo kot diodo. Ko je dioda usmerjena naprej, se elektroni in luknje hitro premikajo po križišču in se nenehno kombinirajo in medsebojno odstranjujejo. Kmalu po tem, ko se elektroni premaknejo iz n-tipa v p-silicij, se združi z luknjami in nato izgine. Zato naredi celoten atom bolj stabilen in daje majhen izbruh energije v obliki majhnega paketa ali fotona svetlobe.

Delovanje svetleče diode

Delovanje svetleče diode

Zgornji diagram prikazuje delovanje svetleče diode in postopek diagrama po korakih.

  • Iz zgornjega diagrama lahko opazimo, da je silicij tipa N v rdeči barvi, vključno z elektroni, ki so označeni s črnimi krogi.
  • Silicij tipa P je v modri barvi in ​​vsebuje luknje, označene z belimi krogi.
  • Napajanje prek p-n križišča naredi diodo naprej pristransko in potiska elektrone iz n-tipa v p-tip. Potiskanje lukenj v nasprotni smeri.
  • Elektron in luknje na stičišču se kombinirajo.
  • Fotoni oddajajo, ko se elektroni in luknje rekombinirajo.

Zgodovina svetlobnih diod

LED diode so bile izumljene leta 1927, vendar ne nov izum. Kratek pregled zgodovine LED je opisan spodaj.

  • Leta 1927 je Oleg Losev (ruski izumitelj) ustvaril prvo LED in objavil nekaj teorije o svojih raziskavah.
  • Leta 1952 je prof. Kurt Lechovec preizkusil teorije izgubljenih teorij in razložil o prvih LED
  • Leta 1958 so prvo zeleno LED izumili Rubin Braunstein in Egon Loebner
  • Leta 1962 je Nick Holonyak razvil rdečo LED. Tako je ustvarjena prva LED.
  • Leta 1964 je IBM prvič v računalniku uvedel LED na vezje.
  • Leta 1968 je HP (Hewlett Packard) začel uporabljati LED v kalkulatorjih.
  • Leta 1971 sta Jacques Pankove in Edward Miller izumila modro LED
  • Leta 1972 je M. George Crawford (inženir elektrotehnike) izumil rumeno barvo LED.
  • Leta 1986 sta Walden C. Rhines in Herbert Maruska z univerze v Staffordu izumila modro barvo LED z magnezijem, vključno s prihodnjimi standardi.
  • Leta 1993 so Hiroshi Amano & Physicists Isamu Akaski razvili galijev nitrid z visokokakovostnimi modrimi LED diodami.
  • Inženir elektrotehnike, kot je Shuji Nakamura, je z razvojem Amanos & Akaski razvil prvo modro LED z visoko svetlostjo, kar hitro privede do širitve belih LED diod.
    Leta 2002 so za stanovanjske namene uporabljali bele barvne diode, ki polnijo od 80 do 100 funtov za vsako žarnico.
  • V letu 2008 so LED luči postale zelo priljubljene v pisarnah, bolnišnicah in šolah.
  • V letu 2019 so LED postali glavni svetlobni viri
  • Razvoj LED je neverjeten, saj sega od majhnih indikatorjev do osvetlitve pisarn, domov, šol, bolnišnic itd.

Vezje diod za oddajanje svetlobe

Večina LED ima napetost od 1 volt do 3 volt, medtem ko so nazivne napetosti od 200 mA do 100 mA.

LED pristranskost

LED pristranskost

Če napetost (1V do 3V) deluje na LED, potem deluje pravilno, ker bo tok toka za uporabljeno napetost v območju delovanja. Podobno, če je napetost, ki je uporabljena za LED, večja od delovne napetosti, se bo območje izpraznitve znotraj diode, ki oddaja svetlobo, zaradi velikega toka prekinilo. Ta nepričakovano visok pretok toka bo poškodoval napravo.

Temu se lahko izognete tako, da upor zaporedno priključite na vir napetosti in LED. Nazivi varne napetosti LED se gibljejo od 1V do 3 V, medtem ko so nazivne vrednosti varnega toka od 200 mA do 100 mA.

Tu je upor, ki je razporejen med napetostnim virom in LED, znan kot upor za omejevanje toka, ker ta upor omejuje pretok toka, sicer ga LED lahko uniči. Torej ima ta upor ključno vlogo pri zaščiti LED.

Matematično lahko tok toka skozi LED zapišemo kot

IF = Vs - VD / Rs

Kje,

„IF“ je tok naprej

„Vs“ je vir napetosti

„VD“ je padec napetosti na svetleči diodi

„Rs“ je upor, ki omejuje tok

Količina napetosti je padla, da je premagala pregrado na območju izčrpavanja. Padec LED napetosti bo od 2V do 3V, medtem ko je Si ali Ge dioda 0,3, sicer 0,7 V.

Tako lahko LED upravljamo z visoko napetostjo v primerjavi s Si ali Ge diodami.
Svetleče diode za delovanje porabijo več energije kot silicijeve ali germanijeve diode.

Vrste svetlečih diod

Obstajajo različne vrste svetlečih diod nekatere od njih so omenjene spodaj.

  • Galijev arzenid (GaAs) - infrardeč
  • Galijev arzenid fosfid (GaAsP) - rdeča do infrardeča, oranžna
  • Aluminijev galijev arzenid fosfid (AlGaAsP) - rdeča, oranžno rdeča, oranžna in rumena z visoko svetlostjo
  • Galijev fosfid (GaP) - rdeča, rumena in zelena
  • Aluminijev galijev fosfid (AlGaP) - zelen
  • Galijev nitrid (GaN) - zelena, smaragdno zelena
  • Galijev indij-nitrid (GaInN) - skoraj ultravijolično, modrozeleno in modro
  • Silicijev karbid (SiC) - modra kot podlaga
  • Cinkov selenid (ZnSe) - modra
  • Aluminijev galijev nitrid (AlGaN) - ultravijolično

Načelo LED

Načelo delovanja svetleče diode temelji na kvantni teoriji. Kvantna teorija pravi, da ko se elektron spusti z višje ravni energije na nižjo raven energije, energija oddaja foton. Energija fotona je enaka energijski vrzeli med tema dvema nivojema energije. Če je dioda PN-spoja v prednaklonu, tok teče skozi diodo.

Načelo LED

Načelo LED

Tok toka v polprevodnikih povzroča pretok lukenj v nasprotni smeri toka in tok elektronov v smeri toka. Zato bo prišlo do rekombinacije zaradi pretoka teh nosilcev naboja.

Rekombinacija kaže, da elektroni v prevodnem pasu skočijo navzdol v valentni pas. Ko elektroni preskočijo iz enega pasu v drug pas, bodo elektroni oddajali elektromagnetno energijo v obliki fotonov in energija fotona je enaka prepovedani energijski vrzeli.

Na primer, razmislimo o kvantni teoriji, energija fotona je produkt Planckove konstante in frekvence elektromagnetnega sevanja. Prikazana je matematična enačba

Eq = hf

Kjer je znana kot Planckova konstanta in je hitrost elektromagnetnega sevanja enaka svetlobni hitrosti, tj. C. Frekvenčno sevanje je povezano s hitrostjo svetlobe kot f = c / λ. λ je označen kot valovna dolžina elektromagnetnega sevanja in zgornja enačba bo postala a

Eq = he / λ

Iz zgornje enačbe lahko rečemo, da je valovna dolžina elektromagnetnega sevanja obratno sorazmerna prepovedani reži. Na splošno je za silicijeve, germanijeve polprevodnike ta prepovedana energijska vrzel med pogojem in valenčni pasovi takšni, da je celotno sevanje elektromagnetnega vala med rekombinacijo v obliki infrardečega sevanja. Ne moremo videti valovne dolžine infrardeče povezave, ker so izven našega vidnega območja.

Infrardeče sevanje naj bi bilo toplota, ker polprevodniki silicija in germanija niso polprevodniki z direktnimi režami, temveč polprevodniki s posredno režo. Toda pri polprevodnikih z direktno režo se največja raven energije valenčnega pasu in najmanjša raven prevodnosti v istem trenutku elektronov ne pojavita. Zato bo med rekombinacijo elektronov in lukenj migracija elektronov iz prevodnega pasu v valentni pas spremenjena zagon elektronskega pasu.

Bele LED

Izdelava LED lahko poteka z dvema tehnikama. V prvi tehniki se LED-čipi, kot so rdeča, zelena in modra, združijo v podobnem paketu, da ustvarijo belo svetlobo, medtem ko se v drugi tehniki uporablja fosforescenca. Fluorescenco v fosforju lahko povzamemo v epoksi okolici, nato pa se LED aktivira s pomočjo energije kratkih valovnih dolžin z uporabo naprave InGaN LED.

Različne barvne luči, kot so modre, zelene in rdeče luči, se kombinirajo v spremenljivih količinah, da ustvarijo drugačen barvni občutek, ki je znan kot primarne aditivne barve. Te tri jakosti svetlobe se dodajo enako, da ustvarijo belo svetlobo.

Da pa to kombinacijo dosežemo s kombinacijo zelenih, modrih in rdečih LED, ki potrebujejo zapleteno elektrooptično zasnovo za nadzor kombinacije in difuzije različnih barv. Poleg tega je ta pristop lahko zapleten zaradi sprememb v barvi LED.

Linija izdelkov bele LED je v glavnem odvisna od enega samega LED čipa s fosforno prevleko. Ta prevleka ustvarja belo svetlobo, ki jo enkrat prodre skozi ultravijolične, sicer modre fotone. Enak princip velja tudi za fluorescentne žarnice, zaradi emisije ultravijoličnega žarka iz električnega praznjenja v cevi pa bo fosfor utripal belo.

Čeprav lahko ta postopek LED ustvari različne odtenke, lahko razlike nadzorujemo s presejanjem. Naprave, ki temeljijo na beli LED, so prikazane s pomočjo štirih natančnih koordinat kromatičnosti, ki so v bližini središča diagrama CIE.

Diagram CIE opisuje vse dosegljive barvne koordinate znotraj podkve krivulje. Čiste barve ležijo nad lokom, vendar je bela konica znotraj središča. Belo izhodno barvo LED lahko predstavimo skozi štiri točke, ki so predstavljene na sredini grafa. Čeprav so štiri koordinate grafa blizu čisto bele, te LED običajno niso učinkovite kot običajni vir svetlobe za osvetlitev barvnih leč.

Te LED so koristne predvsem za bele, sicer prozorne leče, neprozorne osvetlitve ozadja. Ko bo ta tehnologija še naprej napredovala, bodo bele LED zagotovo dobile sloves vira in indikacije osvetlitve.

Svetlobna učinkovitost

Svetlobni izkoristek LED lahko definiramo kot proizvedeni svetlobni tok v lm za vsako enoto in električno energijo lahko porabimo znotraj W. Nazivna notranja ureditev učinkovitosti modre barve LED je 75 lm / W oranžne LED imajo 500 lm / W & rdeče LED imajo 155 lm / W. Zaradi notranje ponovne absorpcije lahko izgub upoštevamo, da se svetlobni izkoristek giblje med 20 in 25 lm / W za zelene in oranžne LED. Ta opredelitev učinkovitosti je znana tudi kot zunanja učinkovitost in je analogna definiciji učinkovitosti, ki se običajno uporablja za druge vrste svetlobnih virov, kot je večbarvna LED.

Večbarvna svetleča dioda

Svetleča dioda, ki ustvari eno barvo, ko se povežejo v prednaklonu, in ustvari barvo, ko se poveže v obratni smeri, je znana kot večbarvna LED.

Pravzaprav te LED vključujejo dva PN-spoja in to je mogoče povezati vzporedno z anodo ene, ki je povezana s katodo druge.

Večbarvne LED-diode so običajno rdeče, ko so pristranske v eno smer, in zelene, ko so pristranske v drugo smer. Če se ta LED dioda zelo hitro vklopi med dvema polaritetama, bo ta ustvarila tretjo barvo. Zelena ali rdeča LED bo ustvarila rumeno barvno luč, ki se bo hitro premikala nazaj in naprej med pristranskimi polarnostmi.

Kakšna je razlika med diodo in LED?

Glavna razlika med diodo in LED vključuje naslednje.

Dioda

LED

Polprevodniška naprava, kot dioda, vodi preprosto v eno smer.LED je ena vrsta diode, ki se uporablja za ustvarjanje svetlobe.
Oblikovanje diode je mogoče izvesti s polprevodniškim materialom, tok elektronov v tem materialu pa lahko energiji daje toplotno obliko.LED je zasnovan z galijevim fosfidom in galijevim arzenidom, katerih elektroni lahko med oddajanjem energije ustvarjajo svetlobo.

Dioda spremeni AC v DCLED spremeni napetost v svetlobo
Ima visoko napetost povratne okvareIma nizko povratno napetost okvare.
Napetost diode pri siliciju je 0,7 v za silicij, pri germaniju pa 0,3 vNapetost LED v stanju pripravljenosti je približno od 1,2 do 2,0 V.
Dioda se uporablja v napetostnih usmernikih, veznih vezjih in ojačevalcih napetosti.

Aplikacije LED so prometna signalizacija, avtomobilski žarometi, v medicinskih napravah, bliskavice kamer itd.

I-V Značilnosti LED

Na trgu so na voljo različne vrste diod, ki oddajajo svetlobo, in obstajajo različne značilnosti LED, ki vključujejo barvno svetlobo ali valovno dolžino, intenzivnost svetlobe. Pomembna lastnost LED je barva. Pri začetni uporabi LED je edina rdeča barva. Ker se s pomočjo polprevodniškega postopka in raziskovanjem novih kovin za LED poveča uporaba LED, so nastale različne barve.

I-V Značilnosti LED

I-V Značilnosti LED

Naslednji graf prikazuje približne krivulje med napetostjo in tokom. Vsaka krivulja na grafu označuje drugačno barvo. Tabela prikazuje povzetek značilnosti LED.

Značilnosti LED

Značilnosti LED

Kateri sta dve vrsti konfiguracij LED?

Standardne konfiguracije LED so tako kot oddajalci kot COB

Oddajnik je enojna matrica, ki je nameščena proti vezju, nato pa na hladilnem telesu. To vezje daje električno moč proti oddajniku, hkrati pa odvaja toploto.

Da bi pripomogli k zmanjšanju stroškov in povečali enakomernost svetlobe, so preiskovalci ugotovili, da je mogoče podlago LED ločiti in enojno matrico odpreti na vezje. Torej se ta zasnova imenuje COB (niz vgrajenih čipov).

Prednosti in slabosti LED-jev

The prednosti svetleče diode vključujejo naslednje.

  • Stroški LED so manjši in so majhni.
  • Z uporabo LED se nadzira električna energija.
  • Intenzivnost LED se s pomočjo mikrokrmilnika razlikuje.
  • Dolga življenjska doba
  • Energijsko učinkovit
  • Brez ogrevalnega obdobja
  • Robustno
  • Ne vpliva na nizke temperature
  • Usmerjena
  • Barvni prikaz je odličen
  • Okolju prijazno
  • Obvladljivo

The pomanjkljivosti svetleče diode vključujejo naslednje.

  • Cena
  • Občutljivost na temperaturo
  • Odvisnost od temperature
  • Kakovost svetlobe
  • Električna polarnost
  • Napetostna občutljivost
  • Učinkovitost upada
  • Vpliv na žuželke

Uporaba svetleče diode

Obstaja veliko aplikacij LED, nekatere pa so razložene spodaj.

  • LED se uporablja kot žarnica v domovih in industriji
  • Svetleče diode se uporabljajo v motociklih in avtomobilih
  • Ti se uporabljajo v mobilnih telefonih za prikaz sporočila
  • Na semaforju se uporabljajo led-signali

Tako ta članek obravnava pregled diode, ki oddaja svetlobo načelo in uporaba vezja. Upam, da ste z branjem tega članka pridobili nekaj osnovnih in delovnih informacij o svetleči diodi. Če imate kakršna koli vprašanja glede tega članka ali glede električnega projekta zadnjega leta, vas prosimo, da komentirate v spodnjem oddelku. Tukaj je vprašanje za vas, Kaj je LED in kako deluje?