Mi a fénykibocsátó dióda: Működés és alkalmazásai

A fénykibocsátó dióda két vezetékes félvezető fényforrás. 1962-ben Nick Holonyak előállt egy fénykibocsátó dióda ötletével, és az általános elektromos vállalatnál dolgozott. A LED egy speciális típusú dióda, és hasonló elektromos jellemzőkkel rendelkezik, mint a PN csatlakozási dióda. Így a LED lehetővé teszi az áram áramlását előre és blokkolja az áramot fordított irányban. A LED kis helyet foglal el, amely kevesebb, mint 1 mm^két . A LED-ek alkalmazásai különféle elektromos és elektronikus projektek készítésére használták. Ebben a cikkben a LED működési elvét és alkalmazásait fogjuk megvitatni.

Mi az a fénykibocsátó dióda?

A fénykibocsátó dióda a p-n elágazási dióda . Ez egy speciálisan adalékolt dióda, és egy speciális típusú félvezetőkből áll. Amikor a fény előre torzítva bocsát ki, akkor fénykibocsátó diódának hívják.

Fénykibocsátó dióda

LED szimbólum

A LED szimbólum hasonló a dióda szimbólumhoz, kivéve két kis nyilat, amelyek meghatározzák a fénykibocsátást, ezért LED-nek (fénykibocsátó dióda) hívják. A LED két kivezetést tartalmaz, nevezetesen az anódot (+) és a katódot (-). A LED szimbólum az alábbiakban látható.

LED szimbólum

A LED felépítése

A LED felépítése nagyon egyszerű, mivel három félvezető anyagréteg hordozón keresztül történő lerakódásával tervezték. Ez a három réteg egyenként van elrendezve, ahol a felső régió egy P-típusú régió, a középső régió aktív és végül az alsó régió N-típusú. A konstrukcióban a félvezető anyag három régiója figyelhető meg. Az konstrukcióban a P típusú régió magában foglalja azokat a lyukakat, amelyekbe az N típusú régió választásokat foglal magában, míg az aktív régió lyukakat és elektronokat egyaránt tartalmaz.

Ha a feszültséget nem vezetik be a LED-re, akkor nincs áram elektronok és furatok, így stabilak. A feszültség felhelyezése után a LED torzítva fog előre haladni, így az N-tartományban lévő elektronok és a P-régióból származó lyukak az aktív régióba mozognak. Ez a régió más néven kimerítési régió. Mivel a töltéshordozókhoz hasonló lyukak pozitív töltést tartalmaznak, míg az elektronok negatív töltéssel rendelkeznek, így a fény polaritási töltetek rekombinációja révén keletkezhet.

Hogyan működik a fénykibocsátó dióda?

A fénykibocsátó dióda egyszerűen, diódának ismerjük. Ha a dióda előre van előfeszítve, akkor az elektronok és lyukak gyorsan mozognak a kereszteződésen, és folyamatosan kombinálódnak, eltávolítva egymást. Röviddel azután, hogy az elektronok az n-típusúról a p-típusú szilíciumra mozognak, egyesül a lyukakkal, majd eltűnik. Ennélfogva a teljes atomot & stabilabbá teszi, és a kis energiacsökkenést apró fénycsomag vagy foton formájában adja.

A fénykibocsátó dióda működése

A fenti ábra bemutatja a fénykibocsátó dióda működését és a diagram lépésenkénti folyamatát.

• A fenti diagram alapján megfigyelhetjük, hogy az N típusú szilícium vörös színű, beleértve az elektronokat is, amelyeket a fekete körök jelölnek.
• A P típusú szilícium kék színű és lyukakat tartalmaz, ezeket fehér karikák jelzik.
• Az áramellátás a p-n kereszteződésen keresztül a diódát előre torzítja, és az elektronokat n-típusúról p-típusúra tolja. A lyukakat ellentétes irányba tolja.
• Az elágazásnál az elektron és a lyukak egyesülnek.
• A fotonokat az elektronok és a lyukak rekombinációja adja le.

A fénykibocsátó dióda története

A LED-eket 1927-ben találták ki, de nem új találmányt. A LED előzmények rövid áttekintését az alábbiakban tárgyaljuk.

• 1927-ben Oleg Losev (orosz feltaláló) létrehozta az első LED-et, és néhány elméletet tett közzé kutatásáról.
• 1952-ben Kurt Lechovec professzor tesztelte a vesztesek elméleteit és elmagyarázta az első LED-eket
• 1958-ban Rubin Braunstein és Egon Loebner találták fel az első zöld LED-et
• 1962-ben egy piros LED-et fejlesztett ki Nick Holonyak. Tehát létrejön az első LED.
• 1964-ben az IBM először LED-et valósított meg egy áramkörön egy számítógépen.
• 1968-ban a HP (Hewlett Packard) elkezdte használni a LED-eket a számológépekben.
• 1971-ben Jacques Pankove és Edward Miller feltalálták a kék LED-et
• 1972-ben M. George Crawford (villamosmérnök) feltalálta a sárga színű LED-et.
• 1986-ban Walden C. Rhines és Herbert Maruska a Staffordi Egyetemen feltalált egy kék színű LED-et magnéziummal, beleértve a jövőbeni szabványokat is.
• 1993-ban Isamu Akaski Hiroshi Amano és fizikusok kifejlesztettek egy gallium-nitridet, kiváló minőségű kék ​​színű LED-ekkel.
• Az olyan villamosmérnöknek, mint Shuji Nakamura, az Amanos & Akaski fejlesztések révén kifejlesztették az első nagy fényerejű kék ​​LED-et, amely gyorsan a fehér színű LED-ek bővüléséhez vezet.
  2002-ben fehér színű LED-eket használtak lakossági célokra, amelyek 80–100 fontot töltöttek minden izzóra.
• 2008-ban a LED-lámpák nagyon népszerűvé váltak az irodákban, kórházakban és iskolákban.
• A 2019-es évben a LED-ek váltak a fő fényforrássá
• A LED-fejlesztés hihetetlen, mivel a kis indikációtól kezdve az irodák, otthonok, iskolák, kórházak stb.

Fénykibocsátó dióda áramkör az előfeszítéshez

A legtöbb LED feszültségértéke 1 volt-3 volt, míg az előremenő áram 200 és 100 mA közötti.

LED előfeszítés

Ha a LED-re feszültséget (1–3 V) alkalmaznak, akkor az megfelelően működik, mivel az alkalmazott áram feszültsége az üzemi tartományba esik. Hasonlóképpen, ha egy LED-re alkalmazott feszültség magas, mint az üzemi feszültség, akkor a fénykibocsátó diódán belüli kimerülési régió megszakad a nagy áramáram miatt. Ez a váratlanul nagy áramlás károsítja a készüléket.

Ez elkerülhető az ellenállás soros csatlakoztatásával a feszültségforrással és egy LED-del. A LED-ek biztonságos feszültségértékei 1 V és 3 V között mozognak, míg a biztonságos áramerősség 200 mA és 100 mA között mozog.

Itt a feszültségforrás és a LED között elrendezett ellenállást áramkorlátozó ellenállásnak nevezzük, mivel ez az ellenállás korlátozza az áram áramlását, különben a LED tönkreteheti. Tehát ez az ellenállás kulcsszerepet játszik a LED védelmében.

Matematikailag az áram áramlása a LED-en úgy írható fel

IF = Vs - VD / Rs

Hol,

Az ‘IF’ előre áram

A „Vs” feszültségforrás

A „VD” a fénykibocsátó dióda feszültségesése

Az 'Rs' áramkorlátozó ellenállás

A kimerülési régió gátjának legyőzéséhez esett feszültség mennyisége. A LED feszültségesése 2 V és 3 V között mozog, míg a Si vagy Ge dióda 0,3, különben 0,7 V.

Így a LED nagyfeszültség alkalmazásával működtethető, összehasonlítva a Si vagy Ge diódákkal.
A fénykibocsátó diódák több energiát fogyasztanak, mint a szilícium- vagy germániumdiódák.

A fénykibocsátó diódák típusai

Vannak különböző típusú fénykibocsátó diódák jelen van, és néhányukat az alábbiakban említjük.

• Gallium-arzenid (GaAs) - infravörös
• Gallium-arzén-foszfid (GaAsP) - vöröstől infravörösig, narancssárga
• Alumínium-gallium-arzén-foszfid (AlGaAsP) - nagy fényerejű piros, narancs-piros, narancs és sárga
• Gallium-foszfid (GaP) - piros, sárga és zöld
• Alumínium-gallium-foszfid (AlGaP) - zöld
• Gallium-nitrid (GaN) - zöld, smaragdzöld
• Gallium-indium-nitrid (GaInN) - majdnem ultraibolya, kékeszöld és kék
• Szilícium-karbid (SiC) - kék, mint szubsztrátum
• Cink-szelenid (ZnSe) - kék
• Alumínium-gallium-nitrid (AlGaN) - ultraibolya

A LED működési elve

A fénykibocsátó dióda működési elve a kvantumelméleten alapszik. A kvantumelmélet azt mondja, hogy amikor az elektron a magasabb energiaszintről az alacsonyabb energiaszintre csökken, akkor az energia a fotonból bocsát ki. A fotonenergia megegyezik a két energiaszint közötti energiaréssel. Ha a PN-csatlakozási dióda előrefeszített, akkor az áram átfolyik a diódán.

A LED működési elve

Az áram áramlását a félvezetőkben a furatok áramlásának ellentétes irányú áramlása és az elektronok áramának az áram irányába történő áramlása okozza. Ezért rekombináció következik be ezeknek a töltéshordozóknak az áramlása miatt.

A rekombináció azt jelzi, hogy a vezetési sávban lévő elektronok leugranak a vegyérték sávba. Amikor az elektronok egyik sávról a másikra ugranak, az elektronok fotonok formájában bocsátják ki az elektromágneses energiát, és a fotonenergia megegyezik a tiltott energiahézaggal.

Vegyük például a kvantumelméletet: a foton energiája mind a Planck-állandó, mind az elektromágneses sugárzás frekvenciájának szorzata. A matematikai egyenlet látható

Eq = hf

Ahol Planck-állandónak nevezik, és az elektromágneses sugárzás sebessége megegyezik a fénysebességgel, azaz kb. A frekvenciasugárzás összefügg a fény sebességével, mint f = c / λ. A λ-t elektromágneses sugárzás hullámhosszaként jelöljük, és a fenti egyenlet a-vá válik

Eq = he / λ

A fenti egyenletből azt mondhatjuk, hogy az elektromágneses sugárzás hullámhossza fordítottan arányos a tiltott réssel. Általában a szilícium, a germánium félvezetőknél ez a tiltott energiahézag a feltétel között van, és a vegyértéksávok olyanok, hogy a rekombináció során az elektromágneses hullám teljes sugárzása infravörös sugárzás formájában történik. Az infravörös hullámhosszát nem láthatjuk, mert kívül esnek a látható tartományunkon.

Az infravörös sugárzás hőnek mondható, mivel a szilícium és a germánium félvezetők nem közvetlen hézagfélvezetők, inkább közvetett résű félvezetők. De a közvetlen hézagú félvezetőkben a vegyértéksáv maximális energiaszintje és a vezetősáv minimális energiaszintje nem az elektronok ugyanazon pillanatában következik be. Ezért az elektronok és a lyukak rekombinációja során az elektronok a vezető sávból a vegyérték sávba vándorolnak, az elektron sáv lendülete megváltozik.

Fehér LED-ek

A LED-ek gyártása két technikával történhet. Az első technikában a LED-chipeket, mint a piros, a zöld és a kék, egy hasonló csomagolásban egyesítik, így fehér fény keletkezik, míg a második technikában a foszforeszcenciát használják. A foszforon belüli fluoreszcencia összefoglalható a környező epoxiban, majd a LED a rövid hullámhosszú energián keresztül aktiválódik az InGaN LED eszköz segítségével.

A különböző színű fényeket, például a kék, a zöld és a piros fényeket változó mennyiségben kombinálva más színérzetet eredményeznek, amelyet elsődleges adalék színeknek neveznek. Ez a három fényintenzitás egyenlően hozzáadódik a fehér fény előállításához.

De ahhoz, hogy ezt a kombinációt zöld, kék és piros LED-ek kombinációjával érhessük el, amelyeknek bonyolult elektro-optikai kialakításra van szükségük a különböző színek kombinációjának és diffúziójának szabályozásához. Ez a megközelítés továbbá bonyolult lehet a LED színében bekövetkező változások miatt.

A fehér LED termékcsaládja főként egyetlen foszforbevonatot alkalmazó LED-chiptől függ. Ez a bevonat fehér fényt generál, ha ultraibolya, egyébként kék fotonok érik. Ugyanezt az elvet alkalmazzák a fluoreszkáló izzókra is, ha a csőben lévő elektromos kisülésből származó ultraibolya sugárzás a foszfort fehéren villogni fogja.

Annak ellenére, hogy ez a LED-folyamat különböző árnyalatokat generálhat, a különbségeket szűréssel lehet szabályozni. A fehér LED-alapú eszközöket négy pontos színkoordináta segítségével vetítik át, amelyek a CIE diagram közepével szomszédosak.

A CIE diagram leírja az összes elérhető színkoordinátát a patkó görbén belül. Tiszta színek hevernek az ív felett, de a fehér csúcs középen helyezkedik el. A fehér LED kimeneti szín négy ponton keresztül ábrázolható, amelyek a grafikon közepén vannak ábrázolva. Annak ellenére, hogy a négy grafikon koordinátája közel áll a tiszta fehérhez, ezek a LED-ek általában nem hatékonyak, mint egy közös fényforrás a színes lencsék megvilágítására.

Ezek a LED-ek elsősorban a fehér, egyébként átlátszatlan lencséknél használhatók, a háttérvilágítás átlátszatlan. Amikor ez a technológia folyamatosan fejlődik, a fehér LED-ek minden bizonnyal hírnevet szereznek megvilágítási forrásként és jelzésként.

Fényhatásosság

A LED-ek fényhatékonysága úgy határozható meg, hogy az egyes egységeknél az előállított fényáram lm-ben, az elektromos teljesítmény pedig W-on belül használható. A kék színű LED névleges belső hatékonysági sorrendje 75 lm / W a sárga LED-ek 500 lm / W & piros A LED-ek 155 lm / W. A belső újbóli abszorpció miatt a veszteségeket figyelembe lehet venni a zöld és borostyánsárga LED-ek megvilágítási hatékonyságának sorrendjében 20 és 25 lm / W között. Ez a hatékonyság-meghatározás külső hatékonyság néven is ismert, és analóg a más típusú fényforrásokhoz, például a többszínű LED-hez általában használt hatékonyság-meghatározással.

Többszínű fénykibocsátó dióda

Az a fénykibocsátó dióda, amely egy színt állít elő, ha előre irányban csatlakoznak, és olyan színt produkál, amelyik fordított előfeszítéssel kapcsolódik össze, többszínű LED néven ismert.

Valójában ezek a LED-ek két PN-csatlakozást tartalmaznak, és ennek összekapcsolása párhuzamosan végezhető az egyik anódjával, amely kapcsolódik a másik katódjához.

A többszínű LED-ek általában pirosak, ha egy irányba torzítanak, és zöldek, ha egy másikba. Ha ez a LED két polaritás között nagyon gyorsan bekapcsol, akkor ez a LED egy harmadik színt generál. Egy zöld vagy piros LED sárga színű lámpát fog generálni, ha az előfeszítő polaritások között gyorsan visszafelé és előre kapcsol.

Mi a különbség a dióda és a LED között?

A dióda és a LED közötti fő különbség a következőket tartalmazza.

A LED jellemzői I-V

Különböző típusú fénykibocsátó diódák állnak rendelkezésre a piacon, és különböző LED-jellemzők vannak, amelyek magukban foglalják a színes fényt vagy a hullámhosszú sugárzást és a fényintenzitást. A LED fontos jellemzője a szín. A LED kezdeti használatakor az egyetlen piros szín van. Mivel a félvezető folyamat segítségével és a LED új fémjeinek kutatásával növekszik a LED használata, a különböző színek kialakultak.

A LED jellemzői I-V

A következő grafikon az előremenő feszültség és az áram közötti közelítő görbéket mutatja. A grafikon minden görbéje más színt jelöl. A táblázat összefoglalja a LED jellemzőit.

A LED jellemzői

Mi a kétféle LED-konfiguráció?

A LED szabványos konfigurációja kétféle, mint a kibocsátók, valamint a COB-k

Az emitter egyetlen szerszám, amely egy áramköri kártya, majd egy hűtőborda felé van felszerelve. Ez az áramköri áram biztosítja az áramot az emitter felé, miközben elvezeti a hőt is.

A költségek csökkentése és a fény egyenletességének javítása érdekében a kutatók megállapították, hogy a LED szubsztrát leválasztható és az egyetlen szerszám nyíltan felszerelhető az áramköri lapra. Tehát ezt a kialakítást COB-nek (chip-on-board tömb) hívják.

A LED-ek előnyei és hátrányai

A a fénykibocsátó dióda előnyei a következőket tartalmazzák.

• A LED-ek költsége kisebb és apró.
• A LED használatával az áram szabályozható.
• A LED intenzitása a mikrovezérlő segítségével különbözik.
• Hosszú élettartam
• Energiahatékony
• Nincs bemelegítési időszak
• Egyenetlen
• Nem befolyásolja a hideg hőmérséklet
• Irány
• A színvisszaadás kiváló
• Környezetbarát
• Irányítható

A a fénykibocsátó dióda hátrányai a következőket tartalmazzák.

• Ár
• Hőmérséklet-érzékenység
• Hőmérsékletfüggés
• Fényminőség
• Elektromos polaritás
• Feszültségérzékenység
• A hatékonyság lecsökken
• A rovarokra gyakorolt ​​hatás

A fénykibocsátó dióda alkalmazásai

A LED-eknek számos alkalmazása van, és néhányukat az alábbiakban ismertetjük.

• A LED-t izzóként használják az otthonokban és az iparban
• A fénykibocsátó diódákat motorkerékpárokban és autókban használják
• Ezeket a mobiltelefonokban használják az üzenet megjelenítésére
• A jelzőlámpáknál led-eket használnak

Így ez a cikk tárgyalja a fénykibocsátó dióda áttekintése áramkör működési elve és alkalmazása. Remélem, hogy a cikk elolvasásával néhány alapvető és működő információt szerzett a fénykibocsátó diódáról. Ha bármilyen kérdése van a cikkel vagy az utolsó évi elektromos projekttel kapcsolatban, nyugodtan tegye meg észrevételeit az alábbi szakaszban. Itt van egy kérdés az Ön számára, Mi a LED és hogyan működik?