Τι είναι η δίοδος εκπομπής φωτός: Λειτουργία και οι εφαρμογές της
Το LED είναι μια ημιαγωγική πηγή φωτός με δύο καλώδια. Μια δίοδος εκπομπής φωτός-εφευρέθηκε το 1962 από τον Nick Holonyak όταν εργαζόταν στην General Electric. Το LED είναι ένα μοναδικό είδος διόδου με ηλεκτρικές ιδιότητες που είναι συγκρίσιμες με αυτές μιας διόδου σύνδεσης PN. Ως εκ τούτου, το LED επιτρέπει στο ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει προς τη μία κατεύθυνση ενώ το εμποδίζει προς την άλλη. Λιγότερο από 1 mm2 είναι το μόνο που καταλαμβάνει το LED. Τα LED χρησιμοποιούνται σε διάφορα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά έργα. Η λειτουργία του LED και οι χρήσεις του θα καλυφθούν σε αυτό το άρθρο.
Μια δίοδος εκπομπής φωτός: Τι είναι;
Μια δίοδος διασταύρωσης p-n χρησιμεύει ως δίοδος εκπομπής φωτός. Είναι μια μοναδική μορφή ημιαγωγού και μια ιδιαίτερα ντοπαρισμένη δίοδο. Μια δίοδος εκπομπής φωτός-είναι μια συσκευή που εκπέμπει φως όταν είναι πολωμένη προς τα εμπρός.
Δύο μικροσκοπικά βέλη που υποδεικνύουν την εκπομπή φωτός διακρίνουν το σύμβολο LED από ένα σύμβολο διόδου, γι' αυτό και ονομάζεται LED (light-δίοδος εκπομπής). Το LED έχει δύο ακροδέκτες: την κάθοδο (-) και την άνοδο (+). (-).
Το σύμβολο LED Κατασκευή συμβόλων LED
Η κατασκευή του LED είναι αρκετά απλή επειδή έχει σχεδιαστεί μέσω της εναπόθεσης τριών στρωμάτων ημιαγωγού υλικού πάνω από ένα υπόστρωμα. Αυτά τα τρία στρώματα τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο, με το επάνω στρώμα να είναι ένα επίπεδο τύπου P-, το μεσαίο στρώμα να είναι ένα ενεργό στρώμα και το κάτω στρώμα να είναι ένα στρώμα τύπου N{-. Η δομή επιτρέπει σε κάποιον να δει τις τρεις ζώνες του υλικού ημιαγωγών. Στη δομή, υπάρχουν οπές στην περιοχή τύπου P-, υπάρχουν εκλογές στην περιοχή τύπου N- και υπάρχουν τόσο οπές όσο και ηλεκτρόνια στην ενεργή περιοχή.
Το LED είναι σταθερό επειδή δεν υπάρχει ροή ηλεκτρονίων ή οπών όταν δεν παρέχεται τάση. Η λυχνία LED πολώνεται προς τα εμπρός μόλις τροφοδοτηθεί η τάση, με αποτέλεσμα τα ηλεκτρόνια στην περιοχή N- και οι οπές στην περιοχή P- να ταξιδέψουν στην ενεργή περιοχή. Η περιοχή εξάντλησης είναι ένα άλλο όνομα για αυτήν την περιοχή. Το φως μπορεί να παραχθεί μέσω του ανασυνδυασμού φορτίων πολικότητας αφού οι φορείς φορτίου, όπως οι τρύπες, έχουν θετικό φορτίο ενώ τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο.
Ποια είναι η διαδικασία της διόδου εκπομπής φωτός;
Συνήθως αναφερόμαστε σε μια δίοδο εκπομπής φωτός ως δίοδο-. Τα ηλεκτρόνια και οι οπές ρέουν γρήγορα κατά μήκος της διασταύρωσης όταν η δίοδος πολώνεται προς τα εμπρός και συνδυάζονται συνεχώς και απομακρύνουν το ένα το άλλο. Συνδυάζεται με τις οπές ακριβώς τη στιγμή που τα ηλεκτρόνια αλλάζουν από πυρίτιο τύπου n-τύπου σε p-τύπου και μετά εξαφανίζεται.
Ο Oleg Losev, ένας Ρώσος εφευρέτης, ανέπτυξε το πρώτο LED το 1927 και δημοσίευσε μέρος της θεωρητικής βάσης της έρευνάς του.
Ο καθηγητής Kurt Lechovec δοκίμασε τις υποθέσεις Losers το 1952 και έδωσε μια εξήγηση για τα πρώτα LED.
Το πρώτο πράσινο LED δημιουργήθηκε το 1958 από τους Rubin Braunstein και Egon Loebner.
Ο Nicholas Holonyak δημιούργησε ένα κόκκινο LED το έτος 1962. Έτσι, κατασκευάζεται το πρώτο LED.
Ο πρώτος υπολογιστής που χρησιμοποίησε LED σε πλακέτα κυκλώματος ήταν ένα μοντέλο της IBM από το 1964.
Η Hewlett Packard (HP) εισήγαγε τα LED στις αριθμομηχανές το 1968.
Ένα μπλε LED δημιουργήθηκε από τους Jacques Pankove και Edward Miller το 1971.
Ο ηλεκτρολόγος μηχανικός M. George Crawford δημιούργησε το κίτρινο LED το έτος 1972.
Ένα μπλε LED με μαγνήσιο και μελλοντικά πρότυπα δημιουργήθηκε το 1986 από τους Walden C. Rhines και Herbert Maruska από το Πανεπιστήμιο του Stafford.
Ο Hiroshi Amano και ο φυσικός Isamu Akaski δημιούργησαν ένα νιτρίδιο του γαλλίου με εξαιρετικά μπλε LED το έτος 1993.
Ο Shuji Nakamura, ένας ηλεκτρολόγος μηχανικός, δημιούργησε το πρώτο μπλε LED με υψηλή φωτεινότητα μέσω των εξελίξεων Amanos & Akaski, οι οποίες επιτάχυναν την ανάπτυξη των λευκών LED.
Λευκά έγχρωμα LED που κοστίζουν μεταξύ 80 και 100 £ ανά λαμπτήρα χρησιμοποιήθηκαν για οικιακούς σκοπούς το 2002.
Τα φώτα LED έχουν κερδίσει μεγάλη δημοτικότητα σε εταιρείες, νοσοκομεία και σχολεία το 2008.
Οι κύριες πηγές φωτός το 2019 είναι τα LED. Πρόκειται για μια αξιοσημείωτη ανακάλυψη, καθώς τα LED μπορούν πλέον να χρησιμοποιηθούν για να φωτίσουν μια ποικιλία τοποθεσιών, συμπεριλαμβανομένων κατοικιών, γραφείων, νοσοκομείων και σχολείων.
Κύκλωμα διόδου εκπομπής φωτός πόλωσης
Η πλειονότητα των LED έχουν προδιαγραφές τάσης μεταξύ 1 και 3 βολτ, ενώ οι τιμές μπροστινού ρεύματος πέφτουν μεταξύ 200 και 100 mA.
Προκατάληψη ενός LED
Το LED λειτουργεί σωστά εάν εφαρμόζεται τάση μεταξύ 1 και 3 βολτ, καθώς η ροή ρεύματος υποδεικνύει ότι η τάση βρίσκεται εντός του εύρους λειτουργίας. Παρόμοια με αυτό, εάν ένα LED έχει μια τάση που του δίνεται υψηλότερη από την τάση λειτουργίας του, η υψηλή ροή ρεύματος θα προκαλέσει την αστοχία της ζώνης εξάντλησης. Αυτή η απρόβλεπτη υψηλή ροή ρεύματος θα καταστρέψει το gadget.
Συνδέοντας μια αντίσταση σε σειρά με την πηγή τάσης και ένα LED, αυτό μπορεί να αποφευχθεί. Τα επίπεδα ασφαλούς ρεύματος για LED κυμαίνονται από 200 mA έως 100 mA, ενώ οι ονομασίες ασφαλούς τάσης για LED κυμαίνονται από 1V έως 3V.
Εδώ, η αντίσταση που είναι τοποθετημένη ανάμεσα στην πηγή τάσης και το LED ονομάζεται αντίσταση περιορισμού ρεύματος, καθώς αυτή η αντίσταση ρυθμίζει τη ροή του ρεύματος διαφορετικά το LED μπορεί να το σκοτώσει. Έτσι, αυτή η αντίσταση είναι απαραίτητη για την προστασία του LED.
Η εξίσωση για τη μαθηματική ροή του ρεύματος μέσω του LED είναι
IF=Vs – VD/Rs
Οπου,
"ΑΝ" το ρεύμα είναι προς τα εμπρός
Πηγή τάσης 'Vs'
Η πτώση τάσης στη δίοδο εκπομπής φωτός-συμβολίζεται με "VD".
Το Rs είναι μια αντίσταση που περιορίζει τη ροή του ρεύματος.
η πτώση τάσης που απαιτείται για να σπάσει το φράγμα της περιοχής εξάντλησης. Όταν η πτώση τάσης της διόδου Si ή Ge είναι 0,3 V ή μικρότερη, η πτώση τάσης LED θα είναι μεταξύ 2 και 3 V.
Σε αντίθεση με τις διόδους Si ή Ge, το LED μπορεί να λειτουργεί σε υψηλή τάση.
Σε σύγκριση με τις διόδους πυριτίου ή γερμανίου, οι δίοδοι εκπομπής φωτός-χρειάζονται περισσότερη ενέργεια για να λειτουργήσουν.
Τύποι διόδων εκπομπής φωτός-
Οι δίοδοι εκπομπής φωτός-διατίθενται σε διάφορες ποικιλίες, μερικές από τις οποίες παρατίθενται παρακάτω.
Υπέρ-υπέρυθρο αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs) και κόκκινο έως υπέρ-κόκκινο, πορτοκαλί φωσφίδιο αρσενιούχου γαλλίου (GaAsP)
Υψηλής-φωτεινότητας κόκκινο, πορτοκαλί-κόκκινο, πορτοκαλί και κίτρινο LED από αλουμίνιο αρσενικό φώσφορο γαλλίου (AlGaAsP)
Κόκκινο, κίτρινο και πράσινο φωσφορικό γάλλιο (GaP)
Το πράσινο είναι το χρώμα του φωσφιδίου του γαλλίου (AlGaP), το σμαραγδένιο είναι το χρώμα του νιτριδίου του γαλλίου (GaN) και το μπλε είναι το χρώμα του νιτριδίου του γαλλίου (GaIn).
Ως υπόστρωμα, καρβίδιο του πυριτίου (SiC) σε μπλε χρώμα
Μπλε σεληνίδιο ψευδαργύρου (ZnSe) και υπεριώδες νιτρίδιο του γαλλίου αργιλίου (AlGaN)
Αρχή λειτουργίας LED
Η κβαντική θεωρία χρησιμεύει ως βάση για τη λειτουργία της διόδου εκπομπής φωτός. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, το φωτόνιο απελευθερώνει ενέργεια όταν το ηλεκτρόνιο κατεβαίνει από μια υψηλότερη σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Η διαφορά ενέργειας μεταξύ αυτών των δύο ενεργειακών επιπέδων είναι ίση με την ενέργεια του φωτονίου. Όταν επιτευχθεί η προς τα εμπρός πόλωση κατάσταση της διόδου σύνδεσης PN-, το ρεύμα διέρχεται από τη δίοδο.
Αρχή λειτουργίας LED
Η ροή των οπών στην αντίθετη κατεύθυνση του ρεύματος και η ροή των ηλεκτρονίων προς την κατεύθυνση του ρεύματος είναι αυτά που προκαλούν τη ροή του ρεύματος στους ημιαγωγούς. Έτσι, ο ανασυνδυασμός θα συμβεί ως αποτέλεσμα της κίνησης αυτών των φορέων φορτίου.
Τα ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας πηδούν προς τα κάτω στη ζώνη σθένους, σύμφωνα με τον ανασυνδυασμό. Η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια απελευθερώνεται από τα ηλεκτρόνια ως φωτόνια όταν μετακινούνται από τη μια ζώνη στην άλλη ζώνη και η ενέργεια των φωτονίων είναι ίση με το απαγορευμένο ενεργειακό χάσμα.
Εξετάστε την κβαντική θεωρία ως παράδειγμα. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, η ενέργεια ενός φωτονίου ισούται με το άθροισμα της συχνότητάς του και της σταθεράς Planck. Εμφανίζεται ο μαθηματικός τύπος.
Εξίσωση=hf
όπου αναφέρεται ως σταθερά Planck, και η ταχύτητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που συμβολίζεται με το σύμβολο c, είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός. Ως af= c /, η σχέση μεταξύ της συχνότητας της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του φωτός. Η προηγούμενη εξίσωση θα έχει ως αποτέλεσμα ένα μήκος κύματος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας όπου
Εξίσωση=αυτός / λ
Το μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι αντιστρόφως ανάλογο με το απαγορευμένο διάκενο, σύμφωνα με την παραπάνω εξίσωση. Γενικά, η κατάσταση και οι ζώνες σθένους των ημιαγωγών πυριτίου και γερμανίου είναι τέτοιες που η πλήρης ακτινοβολία των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων κατά τον ανασυνδυασμό παίρνει τη μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας. Τα μήκη κύματος του υπέρυθρου είναι αόρατα για εμάς επειδή βρίσκονται εκτός του εύρους του ορατού φωτός.
Επειδή οι ημιαγωγοί πυριτίου και γερμανίου είναι ημιαγωγοί έμμεσου διακένου και όχι ημιαγωγοί με άμεσο διάκενο, η υπέρυθρη ακτινοβολία αναφέρεται συχνά ως θερμότητα. Το υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο της ζώνης σθένους και το ελάχιστο επίπεδο ενέργειας της ζώνης αγωγιμότητας δεν υπάρχουν, ωστόσο, όταν υπάρχουν ηλεκτρόνια σε ημιαγωγούς άμεσου διακένου. Ως αποτέλεσμα, η ορμή της ζώνης ηλεκτρονίων θα ποικίλλει κατά τη διάρκεια του ανασυνδυασμού ηλεκτρονίων και οπών ή της μετανάστευσης ηλεκτρονίων από τη ζώνη αγωγιμότητας στη ζώνη σθένους.
Φωτεινά LED
Υπάρχουν δύο μέθοδοι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή LED. Στην πρώτη μέθοδο, τα τσιπ LED κόκκινου, πράσινου και μπλε συνδυάζονται σε μια ενιαία συσκευασία για να παράγουν λευκό φως, ενώ ο φωσφορισμός χρησιμοποιείται στη δεύτερη μέθοδο. Το εποξειδικό που περιβάλλει τον φθορισμό του φωσφόρου μπορεί να αθροιστεί και η συσκευή LED InGaN θα ενεργοποιήσει στη συνέχεια το LED χρησιμοποιώντας ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος-.
Για να δημιουργήσετε πολλαπλές αισθήσεις χρώματος, γνωστά ως κύρια πρόσθετα χρώματα, συνδυάζονται διαφορετικά χρωματικά φώτα, όπως μπλε, πράσινο και κόκκινο φως, σε ποικίλες ποσότητες. Το λευκό φως δημιουργείται συνδυάζοντας ομοιόμορφα αυτές τις τρεις εντάσεις φωτός.
Ωστόσο, για να επιτευχθεί αυτός ο συνδυασμός χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό πράσινων, μπλε και κόκκινων LED, απαιτείται μια απαιτητική ηλεκτρο-οπτική αρχιτεκτονική για τη διαχείριση του συνδυασμού και της διάχυσης διαφόρων χρωμάτων. Επιπλέον, αυτή η μέθοδος μπορεί να είναι προκλητική λόγω των διακυμάνσεων στην απόχρωση των LED.
Ένα τσιπ LED με επίστρωση φωσφόρου τροφοδοτεί την πλειοψηφία της σειράς προϊόντων λευκών LED. Όταν αυτή η επίστρωση εκτίθεται σε υπεριώδη ακτινοβολία αντί για μπλε φωτόνια, παράγεται λευκό φως. Η ίδια θεωρία ισχύει και για τους λαμπτήρες φθορισμού. μια ηλεκτρική εκκένωση μέσα στο σωλήνα θα εκπέμπει υπεριώδη ακτινοβολία, η οποία θα κάνει τον φώσφορο να αναβοσβήνει λευκό.
Παρόλο που αυτή η τεχνική LED μπορεί να αποδώσει διαφορετικές αποχρώσεις, οι αποκλίσεις μπορούν να ρυθμιστούν με διαλογή. Χρησιμοποιώντας τέσσερις ακριβείς συντεταγμένες χρωματικότητας που βρίσκονται κοντά στο κέντρο του διαγράμματος CIE, ελέγχονται συσκευές που βασίζονται σε λευκά LED-.
Όλες οι δυνατές συντεταγμένες χρώματος εντός της καμπύλης πετάλου φαίνονται στο διάγραμμα CIE. Οι καθαρές αποχρώσεις του τόξου απλώνονται, αλλά το λευκό σημείο βρίσκεται στη μέση. Τέσσερα σημεία που εμφανίζονται στη μέση του γραφήματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αναπαραστήσουν το λευκό χρώμα εξόδου LED. Οι τέσσερις συντεταγμένες του γραφήματος είναι σχεδόν καθαρό λευκό, αλλά αυτά τα LED συνήθως δεν λειτουργούν τόσο καλά όσο μια τυπική πηγή φωτός για να φωτίζουν έγχρωμους φακούς.
Αυτά τα LED είναι πιο ωφέλιμα για λευκούς, κατά τα άλλα διαφανείς φακούς με αδιαφανή οπίσθιο φωτισμό. Τα λευκά LED θα γίνουν αναμφίβολα πιο δημοφιλή ως πηγή φωτισμού και ένδειξη όσο αυτή η τεχνολογία συνεχίζει να αναπτύσσεται.
Λαμπρή αποτελεσματικότητα
Η παραγόμενη φωτεινή ροή για κάθε μονάδα των LED μετριέται σε lm, ενώ η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας μετράται σε W. Τα κόκκινα LED έχουν 155 lm/W, τα πορτοκαλί LED έχουν 500 lm/W και τα μπλε LED έχουν ονομαστική τάξη εσωτερικής απόδοσης 75 lm/W. Οι απώλειες μπορούν να ληφθούν υπόψη λόγω της εσωτερικής επανα-απορρόφησης. η φωτεινή απόδοση για τα πράσινα και πορτοκαλί LED είναι μεταξύ 20 και 25 lm/W. Αυτή η έννοια της αποτελεσματικότητας, επίσης γνωστή ως εξωτερική αποτελεσματικότητα, είναι συγκρίσιμη με την έννοια της αποτελεσματικότητας που χρησιμοποιείται συνήθως για άλλα είδη πηγών φωτός, όπως τα πολύχρωμα LED.
Πηγή φωτός διόδου σε πολλά χρώματα
Οι πολύχρωμες λυχνίες LED είναι δίοδοι που εκπέμπουν φως- οι οποίες, όταν συνδέονται με πόλωση προς τα εμπρός, δημιουργούν μία απόχρωση και, όταν συνδέονται με αντίστροφη πόλωση, παράγουν άλλο χρώμα.
Αυτά τα LED έχουν στην πραγματικότητα δύο συνδέσεις PN- και είναι δυνατή η παράλληλη σύνδεση τους συνδέοντας την κάθοδο του ενός με την άνοδο του άλλου.
Όταν πολώνονται προς μία κατεύθυνση, τα πολύχρωμα LED είναι συνήθως κόκκινα και όταν πολώνονται προς την αντίθετη κατεύθυνση, είναι πράσινα. Αυτό το LED θα παράγει ένα τρίτο χρώμα εάν ανάψει πολύ γρήγορα μεταξύ δύο πολικοτήτων. Με την ταχεία εναλλαγή μεταξύ πολικότητας πόλωσης, ένα πράσινο ή κόκκινο LED θα παράγει ένα κίτρινο χρώμα.
Ποιες είναι οι δύο διαφορετικές ρυθμίσεις για τα LED;
Δύο παρόμοιοι πομποί και COB είναι οι βασικές ρυθμίσεις LED.
Ο πομπός είναι μια μονή μήτρα που συνδέεται σε μια ψύκτρα πριν τοποθετηθεί προς μια πλακέτα κυκλώματος. Αυτή η πλακέτα κυκλώματος αντλεί θερμότητα από τον πομπό ενώ ταυτόχρονα παρέχει ηλεκτρική ενέργεια.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το υπόστρωμα LED μπορεί να αφαιρεθεί και η μονή μήτρα μπορεί να τοποθετηθεί ελεύθερα στην πλακέτα κυκλώματος, συμβάλλοντας στη μείωση του κόστους και στη βελτίωση της ομοιομορφίας του φωτός. Ως εκ τούτου, αυτό το σχέδιο είναι γνωστό ως COB (συστοιχία chip-on-πίνακας).
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των LED
Ακολουθούν ορισμένα πλεονεκτήματα των διόδων εκπομπής φωτός-.
Τα LED είναι μικρά και έχουν χαμηλότερη τιμή.
Η ηλεκτρική ενέργεια ελέγχεται με τη χρήση LED.
Με τη βοήθεια του μικροεπεξεργαστή, η ένταση του LED μπορεί να ποικίλλει.
πολύ καιρό
αποτελεσματική όσον αφορά την ενέργεια
Χωρίς προ{0}}προθέρμανση του παιχνιδιού
Τραχύς
δεν επηρεάζεται από ψυχρές θερμοκρασίες
Εξαιρετική Κατευθυντική Χρωματική Απόδοση
Ελεγχόμενο και φιλικό προς το περιβάλλον
Τα παρακάτω είναι μερικά από τα μειονεκτήματα της τεχνολογίας LED.
Τιμή
ευαισθησία στη θερμοκρασία
ευαισθησία στη θερμοκρασία
Ηλεκτρική πολικότητα και ποιότητα φωτισμού
Ηλεκτρική ευαισθησία
Η αποτελεσματικότητα πέφτει κατακόρυφα
Αποτέλεσμα για έντομα
Χρησιμοποιείται για διόδους εκπομπής φωτός-
Υπάρχουν πολλές χρήσεις των LED, μερικές από τις οποίες περιγράφονται παρακάτω.
Τόσο στα νοικοκυριά όσο και στις επιχειρήσεις, τα LED χρησιμοποιούνται ως λαμπτήρες.
Οι δίοδοι εκπομπής φωτός{0}}χρησιμοποιούνται σε αυτοκίνητα και μοτοσικλέτες.
Το μήνυμα εμφανίζεται χρησιμοποιώντας αυτά τα κινητά τηλέφωνα.
Τα led χρησιμοποιούνται στα σήματα των φαναριών.
Ως αποτέλεσμα, αυτό το άρθρο προσφέρει μια επισκόπηση της εφαρμογής και της θεωρίας εργασίας των κυκλωμάτων διόδων εκπομπής φωτός{{0}. Ελπίζω να έχετε μάθει κάποια θεμελιώδη και πρακτικά στοιχεία σχετικά με τη δίοδο εκπομπής φωτός-διαβάζοντας αυτό το άρθρο.
Για περισσότερες πληροφορίες, παρακαλούμε δώστε προσοχή στοΕπίσημος ιστότοπος της BENWEI
