Ce este dioda emițătoare de lumină: funcționarea și aplicațiile sale

Încercați Instrumentul Nostru Pentru Eliminarea Problemelor





Dioda emițătoare de lumină este o sursă de lumină semiconductoare cu două conductoare. În 1962, Nick Holonyak a venit cu ideea unei diode emițătoare de lumină și lucra pentru compania electrică generală. LED-ul este un tip special de diodă și au caracteristici electrice similare cu o diodă de joncțiune PN. Prin urmare, LED-ul permite fluxul de curent în direcția înainte și blochează curentul în direcția inversă. LED-ul ocupă o suprafață mică care este mai mică de 1 mmDouă . Aplicațiile LED-urilor folosit pentru a realiza diverse proiecte electrice și electronice. În acest articol, vom discuta principiul de funcționare al LED-ului și aplicațiile sale.

Ce este o diodă emitentă de lumină?

Dioda care emite lumină este o dioda de joncțiune p-n . Este o diodă special dopată și alcătuită dintr-un tip special de semiconductori. Când lumina emite în părtinire înainte, atunci se numește diodă emițătoare de lumină.




Dioda electro luminiscenta

Dioda electro luminiscenta

Simbol LED



Simbolul LED este similar cu un simbol al diodei, cu excepția a două săgeți mici care specifică emisia de lumină, astfel se numește LED (diodă emițătoare de lumină). LED-ul include două terminale și anod (+) și catodul (-). Simbolul LED este afișat mai jos.

Simbol LED

Simbol LED

Construcția LED-urilor

Construcția LED-ului este foarte simplă, deoarece este proiectată prin depunerea a trei straturi de material semiconductor pe un substrat. Aceste trei straturi sunt aranjate unul câte unul în care regiunea de sus este o regiune de tip P, regiunea de mijloc este activă și, în cele din urmă, regiunea de jos este de tip N. Cele trei regiuni ale materialului semiconductor pot fi observate în construcție. În construcție, regiunea de tip P include găurile, regiunea de tip N include alegeri, în timp ce regiunea activă include atât găuri, cât și electroni.

Când tensiunea nu este aplicată LED-ului, atunci nu există flux de electroni și găuri, astfel încât acestea să fie stabile. Odată ce tensiunea este aplicată, atunci LED-ul va fi orientat înainte, astfel încât electronii din regiunea N și găurile din regiunea P se vor muta în regiunea activă. Această regiune este, de asemenea, cunoscută sub numele de regiunea de epuizare. Deoarece purtătorii de încărcare, cum ar fi găurile, includ o sarcină pozitivă, în timp ce electronii au o sarcină negativă, astfel încât lumina poate fi generată prin recombinarea sarcinilor de polaritate.


Cum funcționează dioda emitentă de lumină?

Dioda emițătoare de lumină o cunoaștem pur și simplu ca diodă. Când dioda este orientată înainte, atunci electronii și găurile se deplasează rapid peste joncțiune și sunt combinate constant, îndepărtându-se reciproc. La scurt timp după ce electronii se deplasează de la siliconul de tip n la cel de tip p, acesta se combină cu găurile, apoi dispare. Prin urmare, face atomul complet și mai stabil și oferă puțină explozie de energie sub forma unui mic pachet sau foton de lumină.

Funcționarea diodei emițătoare de lumină

Funcționarea diodei emițătoare de lumină

Diagrama de mai sus arată cum funcționează dioda emițătoare de lumină și procesul pas cu pas al diagramei.

  • Din diagrama de mai sus, putem observa că siliciul de tip N are culoarea roșie, inclusiv electronii indicați de cercurile negre.
  • Siliciul de tip P are culoarea albastră și conține găuri, sunt indicate de cercurile albe.
  • Sursa de alimentare de pe joncțiunea p-n face ca dioda să fie polarizată și împingând electronii de la tip n la tip p. Împingerea găurilor în direcția opusă.
  • Electronul și găurile de la joncțiune sunt combinate.
  • Fotonii sunt eliberați pe măsură ce electronii și găurile sunt recombinate.

Istoria diodei emitente de lumină

LED-urile au fost inventate în anul 1927, dar nu o invenție nouă. O scurtă recenzie a istoriei LED-urilor este discutată mai jos.

  • În anul 1927, Oleg Losev (inventatorul rus) a fost creat primul LED și a publicat o teorie despre cercetările sale.
  • În anul 1952, Prof. Kurt Lechovec a testat teoriile teoriilor Losers și a explicat despre primele LED-uri
  • În anul 1958, primul LED verde a fost inventat de Rubin Braunstein și Egon Loebner
  • În anul 1962, un LED roșu a fost dezvoltat de Nick Holonyak. Deci, primul LED este creat.
  • În anul 1964, IBM a implementat LED-uri pe o placă de circuit pentru prima dată pe un computer.
  • În anul 1968, HP (Hewlett Packard) a început să utilizeze LED-uri în calculatoare.
  • În anul 1971, Jacques Pankove și Edward Miller au inventat un LED albastru
  • În anul 1972, lui M. George Crawford (inginer electric) i s-a inventat LED-ul de culoare galbenă.
  • În anul 1986, Walden C. Rhines și Herbert Maruska de la Universitatea din Stafford au inventat un LED de culoare albastră cu magneziu, inclusiv standarde viitoare.
  • În anul 1993, Hiroshi Amano și fizicienii Isamu Akaski au dezvoltat o azotură de galiu cu LED-uri de culoare albastră de înaltă calitate.
  • Un inginer electric precum Shuji Nakamura a dezvoltat primul LED albastru cu luminozitate ridicată prin dezvoltările Amanos & Akaski, ceea ce duce rapid la extinderea LED-urilor de culoare albă.
    În anul 2002, LED-urile de culoare albă au fost utilizate în scopuri rezidențiale, care încarcă între 80 și 100 GBP pentru fiecare bec.
  • În anul 2008, luminile LED au devenit foarte populare în birouri, spitale și școli.
  • În anul 2019, LED-urile au devenit principalele surse de lumină
  • Dezvoltarea LED-urilor este incredibilă, deoarece variază de la mici indicații la iluminarea birourilor, caselor, școlilor, spitalelor etc.

Circuit diodă emițătoare de lumină pentru polarizare

Majoritatea LED-urilor au tensiuni nominale de la 1 volt-3 volt, în timp ce valorile nominale ale curentului frontal variază între 200 mA-100 mA.

Biasing LED

Biasing LED

Dacă tensiunea (1V la 3V) este aplicată LED-ului, atunci funcționează corect datorită fluxului de curent pentru tensiunea aplicată va fi în domeniul de funcționare. În mod similar, dacă tensiunea aplicată la un LED este mai mare decât tensiunea de funcționare, atunci regiunea de epuizare din dioda emițătoare de lumină se va defecta din cauza fluxului mare de curent. Acest flux neașteptat de mare de curent va deteriora dispozitivul.

Acest lucru poate fi evitat prin conectarea unui rezistor în serie cu sursa de tensiune și un LED. Tensiunea de siguranță nominală a LED-urilor va varia de la 1 V la 3 V, în timp ce valorile de siguranță ale curentului variază de la 200 mA la 100 mA.

Aici, rezistorul care este dispus între sursa de tensiune și LED-ul este cunoscut sub numele de rezistor de limitare a curentului, deoarece acest rezistor restricționează fluxul de curent, altfel LED-ul îl poate distruge. Deci, acest rezistor joacă un rol cheie în protejarea LED-urilor.

Matematic, fluxul de curent prin LED poate fi scris ca

IF = Vs - VD / Rs

Unde,

„IF” este curent direct

„Vs” este o sursă de tensiune

„VD” este căderea de tensiune pe dioda emițătoare de lumină

„Rs” este un rezistor care limitează curentul

Cantitatea de tensiune scăzută pentru a învinge bariera regiunii de epuizare. Căderea de tensiune a LED-ului va varia de la 2V la 3V, în timp ce dioda Si sau Ge este 0,3 altfel 0,7 V.

Astfel, LED-ul poate fi acționat utilizând tensiune înaltă în comparație cu diodele Si sau Ge.
Diodele care emit lumină consumă mai multă energie decât diodele de siliciu sau de germaniu pentru a funcționa.

Tipuri de diode care emit lumină

Sunt diferite tipuri de diode emițătoare de lumină prezente și unele dintre ele sunt menționate mai jos.

  • Gallium Arsenide (GaAs) - infraroșu
  • Fosfură de arsenidă de galiu (GaAsP) - roșu până la infraroșu, portocaliu
  • Fosfură de arsenidă de galiu de aluminiu (AlGaAsP) - roșu cu luminozitate ridicată, roșu portocaliu, portocaliu și galben
  • Fosfura de galiu (GaP) - roșu, galben și verde
  • Fosfură de aluminiu de galiu (AlGaP) - verde
  • Nitrură de galiu (GaN) - verde, verde smarald
  • Nitrura de galiu indiu (GaInN) - aproape ultravioletă, verde-albăstrui și albastră
  • Carbid de siliciu (SiC) - albastru ca substrat
  • Selenură de zinc (ZnSe) - albastru
  • Nitrură de galiu de aluminiu (AlGaN) - ultravioletă

Principiul de lucru al LED-ului

Principiul de lucru al diodei emițătoare de lumină se bazează pe teoria cuantică. Teoria cuantică spune că atunci când electronul coboară de la nivelul de energie superior la cel de energie inferior, atunci energia emite de la foton. Energia fotonică este egală cu decalajul de energie dintre aceste două niveluri de energie. Dacă dioda de joncțiune PN se află în polarizarea directă, atunci curentul curge prin diodă.

Principiul de lucru al LED-ului

Principiul de lucru al LED-ului

Fluxul de curent în semiconductori este cauzat de fluxul de găuri în direcția opusă curentului și de fluxul de electroni în direcția curentului. Prin urmare, va exista o recombinare datorită fluxului acestor purtători de încărcare.

Recombinarea indică faptul că electronii din banda de conducție sar în jos în banda de valență. Când electronii sar de la o bandă la alta, electronii vor emite energia electromagnetică sub formă de fotoni, iar energia fotonică este egală cu decalajul de energie interzis.

De exemplu, să luăm în considerare teoria cuantică, energia fotonului este produsul atât al constantei Planck, cât și al frecvenței radiației electromagnetice. Se arată ecuația matematică

Eq = hf

În cazul în care este cunoscută sub numele de constantă Planck și viteza radiației electromagnetice este egală cu viteza luminii, adică c. Radiația de frecvență este legată de viteza luminii ca f = c / λ. λ este notat ca o lungime de undă a radiației electromagnetice și ecuația de mai sus va deveni ca

Eq = el / λ

Din ecuația de mai sus, putem spune că lungimea de undă a radiației electromagnetice este invers proporțională cu decalajul interzis. În general, siliciul, semiconductorii de germaniu, acest decalaj de energie interzis se află între condiție și benzile de valență sunt astfel încât radiația totală a undei electromagnetice în timpul recombinării este sub formă de radiație infraroșie. Nu putem vedea lungimea de undă a infraroșului, deoarece acestea sunt în afara razei noastre vizibile.

Se spune că radiația infraroșie este la fel de caldă, deoarece semiconductorii de siliciu și germani nu sunt semiconductori cu decalaj direct, ci sunt semiconductori cu decalaj indirect. Dar în semiconductorii cu decalaj direct, nivelul maxim de energie al benzii de valență și nivelul minim de energie al benzii de conducere nu se produce în același moment al electronilor. Prin urmare, în timpul recombinării electronilor și găurilor sunt migrația electronilor de la banda de conducție la banda de valență, impulsul benzii de electroni va fi schimbat.

LED-uri albe

Fabricarea LED-urilor se poate face prin două tehnici. În prima tehnică, cipurile cu LED-uri precum roșu, verde și albastru sunt îmbinate într-un pachet similar pentru a genera lumină albă, în timp ce în a doua tehnică se folosește fosforescența. Fluorescența din fosfor poate fi rezumată în epoxidicul din jur, apoi LED-ul va fi activat prin energia cu lungime de undă scurtă folosind dispozitivul LED InGaN.

Diferitele lumini de culoare, cum ar fi albastru, verde și roșu, sunt combinate în cantități variabile pentru a produce o senzație de culoare diferită, cunoscută sub numele de culori primare aditive. Aceste trei intensități de lumină sunt adăugate în mod egal pentru a genera lumina albă.

Dar, pentru a obține această combinație printr-o combinație de LED-uri verzi, albastre și roșii, care necesită un design electro-optic complicat pentru controlul combinației și difuziei diferitelor culori. În plus, această abordare poate fi complicată din cauza schimbărilor din culoarea LED-urilor.

Linia de produse a LED-urilor albe depinde în principal de un singur cip LED care folosește o acoperire cu fosfor. Această acoperire generează lumină albă odată lovită prin fotoni ultraviolete altfel albastru. Același principiu se aplică și becurilor fluorescente, emisia de ultraviolete de la o descărcare electrică din interiorul tubului va face ca fosforul să clipească în alb.

Chiar dacă acest proces de LED poate genera nuanțe diferite, diferențele pot fi controlate prin screening. Dispozitivele bazate pe LED-uri albe sunt ecranate utilizând patru coordonate exacte de cromaticitate care sunt adiacente la centrul diagramei CIE.

Diagrama CIE descrie toate coordonatele de culoare realizabile în curba potcoavă. Culorile curate se află deasupra arcului, dar vârful alb se află în centru. Culoarea de ieșire a LED-ului alb poate fi reprezentată prin patru puncte care sunt reprezentate în mijlocul graficului. Chiar dacă cele patru coordonate ale graficului sunt aproape de alb curat, aceste LED-uri nu sunt de obicei eficiente ca o sursă de lumină obișnuită pentru a aprinde lentilele colorate.

Aceste LED-uri sunt utile în principal obiectivelor albe, altfel clare, luminii de fundal opace. Când această tehnologie continuă să progreseze, LED-urile albe vor câștiga cu siguranță reputația ca sursă și indicație de iluminare.

Eficacitate luminoasă

Eficacitatea luminoasă a LED-urilor poate fi definită ca fluxul luminos produs în lm pentru fiecare unitate și puterea electrică poate fi utilizată în W. Ordinea de eficacitate internă nominală a LED-ului de culoare albastru este de 75 lm / W LED-urile chihlimbar au 500 lm / W și roșu LED-urile au 155 lm / W. Datorită resorbției interne, pierderile pot fi luate în considerare ordinea eficacității luminoase variază de la 20 la 25 lm / W pentru LED-urile verzi și chihlimbar. Această definiție a eficacității este, de asemenea, cunoscută sub numele de eficacitate externă și este analogă definiției de eficacitate utilizată în mod normal pentru alte tipuri de surse de lumină, cum ar fi LED-urile multicolore.

Diodă emițătoare de lumină multicoloră

O diodă emițătoare de lumină care produce o culoare odată ce s-au conectat în polarizare directă și produc o culoare odată ce s-au conectat în polarizare inversă este cunoscută sub numele de LED multicolor.

De fapt, aceste LED-uri includ două joncțiuni PN, iar conexiunea acestora se poate face în paralel cu anodul unuia care este legat de catodul altuia.

LED-urile multicolore sunt în mod normal roșii odată cu polarizarea într-o direcție și verzi odată cu polarizarea în altă direcție. Dacă acest LED este aprins foarte repede între două polarități, atunci acest LED va genera a treia culoare. Un LED verde sau roșu va genera o lumină de culoare galbenă odată ce comutați rapid înapoi și înainte printre polaritățile de polarizare.

Care este diferența dintre o diodă și un LED?

Principala diferență dintre o diodă și un LED include următoarele.

Diodă

LED

Dispozitivul semiconductor ca o diodă conduce pur și simplu într-o singură direcție.LED-ul este un tip de diodă, folosit pentru a genera lumină.
Proiectarea diodei se poate face cu un material semiconductor și fluxul de electroni din acest material poate da energiei lor forma de căldură.LED-ul este proiectat cu fosfură de galiu și arsenură de galiu ai cărei electroni pot genera lumină în timp ce transmit energia.

Dioda schimbă AC în DCLED-ul schimbă tensiunea în lumină
Are o tensiune mare de avarie inversăAre o tensiune de rupere inversă redusă.
Tensiunea de stare a diodei este de 0,7v pentru siliciu, în timp ce, pentru germaniu, este de 0,3vTensiunea de stare a LED-ului variază aproximativ de la 1,2 la 2,0 V.
Dioda este utilizată în redresoare de tensiune, circuite de prindere și prindere, multiplicatori de tensiune.

Aplicațiile LED-urilor sunt semnalele de circulație, farurile auto, în dispozitivele medicale, blițurile camerei etc.

Caracteristicile I-V ale LED-urilor

Există diferite tipuri de diode emițătoare de lumină disponibile pe piață și există diferite caracteristici ale LED-urilor, care includ lumina colorată sau radiația lungimii de undă, intensitatea luminii. Caracteristica importantă a LED-ului este culoarea. La utilizarea inițială a LED-ului, există singura culoare roșie. Pe măsură ce utilizarea LED-ului este crescută cu ajutorul procesului semiconductor și cercetarea noilor metale pentru LED, s-au format diferitele culori.

Caracteristicile I-V ale LED-urilor

Caracteristicile I-V ale LED-urilor

Următorul grafic prezintă curbele aproximative dintre tensiunea directă și curent. Fiecare curbă din grafic indică o culoare diferită. Tabelul prezintă un rezumat al caracteristicilor LED-urilor.

Caracteristicile LED-ului

Caracteristicile LED-ului

Care sunt cele două tipuri de configurații LED?

Configurațiile standard ale LED-urilor sunt două emițătoare, precum și COB-uri

Emițătorul este o singură matriță care este montată pe o placă de circuit, apoi pe un radiator. Această placă de circuit oferă energie electrică către emițător, în timp ce atrage, de asemenea, căldura.

Pentru a ajuta la reducerea costurilor, precum și la îmbunătățirea uniformității luminii, anchetatorii au stabilit că substratul LED poate fi detașat și singura matriță poate fi montată deschis pe placa de circuit. Deci, acest design este numit COB (chip-on-board array).

Avantajele și dezavantajele LED-urilor

avantajele diodei emițătoare de lumină include următoarele.

  • Costul LED-urilor este mai mic și sunt mici.
  • Prin utilizarea LED-ului, energia electrică este controlată.
  • Intensitatea LED-ului diferă cu ajutorul microcontrolerului.
  • Viață lungă
  • Eficient energetic
  • Fără perioadă de încălzire
  • Robust
  • Nu afectează temperaturile reci
  • Direcțional
  • Redarea culorilor este excelentă
  • Prietenos cu mediul
  • Controlabil

dezavantaje ale diodei emițătoare de lumină include următoarele.

  • Preț
  • Sensibilitate la temperatură
  • Dependența de temperatură
  • Calitatea luminii
  • Polaritatea electrică
  • Sensibilitate la tensiune
  • Eficiența scade
  • Impactul asupra insectelor

Aplicații ale diodei emițătoare de lumină

Există multe aplicații ale LED-urilor și unele dintre ele sunt explicate mai jos.

  • LED-ul este folosit ca bec în case și industrii
  • Diodele care emit lumină sunt utilizate în motociclete și mașini
  • Acestea sunt utilizate în telefoanele mobile pentru a afișa mesajul
  • La semnalul semafor se folosesc leduri

Astfel, acest articol discută o prezentare generală a diodei emițătoare de lumină principiul și aplicația de funcționare a circuitului. Sper că, citind acest articol, ați câștigat câteva informații de bază și de lucru ale diodei emițătoare de lumină. Dacă aveți întrebări despre acest articol sau despre proiectul electric în ultimul an, vă rugăm să nu ezitați să comentați în secțiunea de mai jos. Iată o întrebare pentru tine, Ce este LED-ul și cum funcționează?