Co je dioda emitující světlo: Práce a její aplikace

Světelná dioda je dvouvodičový polovodičový světelný zdroj. V roce 1962 přišel Nick Holonyak s myšlenkou světelné diody a pracoval pro obecnou elektrickou společnost. LED je speciální typ diody a má podobné elektrické vlastnosti jako přechodová dioda PN. Proto LED umožňuje tok proudu ve směru dopředu a blokuje proud ve směru vzad. LED zabírá malou plochu, která je menší než 1 mm^dva . Aplikace LED slouží k výrobě různých elektrických a elektronických projektů. V tomto článku se budeme zabývat principem fungování LED a jeho aplikacemi.

Co je to dioda emitující světlo?

Světelná dioda je a p-n spojovací dioda . Je to speciálně dotovaná dioda a je vyrobena ze speciálního typu polovodičů. Když světlo vyzařuje v předpětí, pak se tomu říká světelná dioda.

Světelná dioda

Symbol LED

Symbol LED je podobný symbolu diody, kromě dvou malých šipek, které specifikují vyzařování světla, proto se nazývá LED (světelná dioda). LED obsahuje dva vývody, jmenovitě anodu (+) a katodu (-). Symbol LED je uveden níže.

Symbol LED

Konstrukce LED

Konstrukce LED je velmi jednoduchá, protože je navržena nanášením tří vrstev polovodičového materiálu na substrát. Tyto tři vrstvy jsou uspořádány jedna po druhé, kde horní oblast je oblast typu P, střední oblast je aktivní a nakonec spodní oblast je typu N. Při konstrukci lze pozorovat tři oblasti polovodičového materiálu. V konstrukci zahrnuje oblast typu P díry, oblast typu N zahrnuje volby, zatímco aktivní oblast zahrnuje díry i elektrony.

Pokud na LED není přivedeno napětí, potom nedochází k toku elektronů a otvorů, takže jsou stabilní. Jakmile je aplikováno napětí, LED bude předpjatá, takže elektrony v N-oblasti a díry z P-oblasti se přesunou do aktivní oblasti. Tato oblast je také známá jako oblast vyčerpání. Protože nosiče náboje jako otvory obsahují kladný náboj, zatímco elektrony mají záporný náboj, takže světlo může být generováno rekombinací nábojů polarity.

Jak funguje dioda emitující světlo?

Světelnou diodu jednoduše známe jako diodu. Když je dioda předpjatá dopředu, elektrony a díry se rychle pohybují po křižovatce a neustále se kombinují a navzájem se odstraňují. Brzy poté, co se elektrony přesunou z křemíku typu n na křemík typu p, se spojí s otvory, poté zmizí. Proto činí celý atom a stabilnější a dává malý výbuch energie ve formě malého balíčku nebo fotonu světla.

Práce s diodou emitující světlo

Výše uvedený diagram ukazuje, jak funguje světelná dioda a postup diagramu krok za krokem.

• Z výše uvedeného diagramu můžeme pozorovat, že křemík typu N je v červené barvě, včetně elektronů, které jsou označeny černými kruhy.
• Křemík typu P je v modré barvě a obsahuje otvory, jsou označeny bílými kruhy.
• Napájení přes křižovatku p-n způsobí, že dioda je předpjatá a tlačí elektrony z typu n na typ p. Zatlačte otvory opačným směrem.
• Elektron a otvory na spoji jsou kombinovány.
• Fotony se vydávají při rekombinaci elektronů a děr.

Historie světelné diody

LED diody byly vynalezeny v roce 1927, ale ne nový vynález. Krátký přehled historie LED je popsán níže.

• V roce 1927 vytvořil Oleg Losev (ruský vynálezce) první LED a publikoval nějakou teorii svého výzkumu.
• V roce 1952 profesor Kurt Lechovec testoval teorie teorií poražených a vysvětlil první LED diody
• V roce 1958 vynalezli Rubin Braunstein & Egon Loebner první zelenou LED
• V roce 1962 vyvinul Nick Holonyak červenou LED. Je tedy vytvořena první LED.
• V roce 1964 IBM poprvé implementovala LED diody na desce s plošnými spoji na počítači.
• V roce 1968 začala společnost HP (Hewlett Packard) používat LED diody v kalkulačkách.
• V roce 1971 vynalezli Jacques Pankove a Edward Miller modrou LED
• V roce 1972 vynalezl M. George Crawford (elektrotechnik) žlutou LED.
• V roce 1986 vynalezli Walden C. Rhines a Herbert Maruska z University of Stafford modrou barvu LED s hořčíkem včetně budoucích standardů.
• V roce 1993 společnost Hiroshi Amano & Physicists Isamu Akaski vyvinula nitrid gália s vysoce kvalitními modrými LED diodami.
• Elektrotechnik jako Shuji Nakamura vyvinul první modrou LED s vysokou svítivostí díky vývoji Amanos & Akaski, což rychle vede k rozšíření bílé barvy LED.
  V roce 2002 byly pro obytné účely použity bílé LED diody, které nabíjejí přibližně 80 až 100 liber za každou žárovku.
• V roce 2008 se LED světla stala velmi populární v kancelářích, nemocnicích a školách.
• V roce 2019 se LED staly hlavními světelnými zdroji
• Vývoj LED je neuvěřitelný, protože se pohybuje od malé indikace po osvětlení kanceláří, domovů, škol, nemocnic atd.

Světelná dioda pro předpětí

Většina LED diod má jmenovité napětí od 1 voltu do 3 voltů, zatímco hodnoty jmenovitého proudu v rozmezí od 200 mA do 100 mA.

Předpětí LED

Pokud je na LED přivedeno napětí (1V až 3V), pak to funguje správně, protože tok proudu pro přivedené napětí bude v provozním rozsahu. Podobně, pokud je aplikované napětí na LED vysoké než provozní napětí, pak se oblast vyčerpání uvnitř diody emitující světlo rozpadne kvůli vysokému toku proudu. Tento neočekávaný vysoký tok proudu zařízení poškodí.

Tomu lze zabránit zapojením rezistoru do série se zdrojem napětí a LED. Hodnoty bezpečného napětí LED budou v rozmezí od 1 V do 3 V, zatímco hodnoty bezpečného proudu v rozmezí od 200 mA do 100 mA.

Zde je rezistor, který je uspořádán mezi zdrojem napětí a LED, známý jako odpor omezující proud, protože tento odpor omezuje tok proudu, jinak by jej LED mohla zničit. Tento rezistor tedy hraje klíčovou roli při ochraně LED.

Matematicky lze tok proudu přes LED zapsat jako

IF = Vs - VD / Rs

Kde,

„IF“ je dopředný proud

„Vs“ je zdroj napětí

„VD“ je pokles napětí na diodě emitující světlo

„Rs“ je odpor omezující proud

Množství napětí kleslo, aby porazilo bariéru oblasti vyčerpání. Pokles napětí LED se bude pohybovat od 2V do 3V, zatímco Si nebo Ge dioda je 0,3, jinak 0,7 V.

LED tedy může být provozována pomocí vysokého napětí ve srovnání s Si nebo Ge diodami.
Diody emitující světlo spotřebovávají při provozu více energie než diody křemíku nebo germania.

Druhy světelných diod

Existují různé typy světelných diod a některé z nich jsou uvedeny níže.

• Gallium Arsenide (GaAs) - infračervené
• Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP) - červená až infračervená, oranžová
• Fosfid hlinitý galium-arsenid (AlGaAsP) - vysoce jasná červená, oranžovo-červená, oranžová a žlutá
• Fosfid galia (GaP) - červená, žlutá a zelená
• Fosfid hlinitý a galium (AlGaP) - zelený
• Gallium Nitride (GaN) - zelená, smaragdově zelená
• Gallium Indium Nitride (GaInN) - téměř ultrafialový, modrozelený a modrý
• Karbid křemíku (SiC) - modrý jako substrát
• Selenid zinečnatý (ZnSe) - modrý
• Nitrid hlinitý galium (AlGaN) - ultrafialové

Pracovní princip LED

Pracovní princip světelné diody je založen na kvantové teorii. Kvantová teorie říká, že když elektron klesá z vyšší energetické úrovně na nižší energetickou hladinu, pak energie vyzařuje z fotonu. Energie fotonu se rovná energetické mezeře mezi těmito dvěma energetickými hladinami. Pokud je přechodová dioda PN v předpětí, potom protéká proud diodou.

Pracovní princip LED

Tok proudu v polovodičích je způsoben tokem otvorů v opačném směru proudu a tokem elektronů ve směru proudu. Proto bude docházet k rekombinaci v důsledku toku těchto nosičů náboje.

Rekombinace naznačuje, že elektrony ve vodivém pásmu skočí dolů do valenčního pásma. Když elektrony skočí z jednoho pásma do druhého, elektrony budou emitovat elektromagnetickou energii ve formě fotonů a energie fotonu se rovná zakázané energetické mezeře.

Uvažujme například kvantovou teorii, energie fotonu je produktem Planckovy konstanty i frekvence elektromagnetického záření. Je zobrazena matematická rovnice

Eq = hf

Kde je známý jako Planckova konstanta a rychlost elektromagnetického záření se rovná rychlosti světla, tj. C. Frekvenční záření souvisí s rychlostí světla jako f = c / λ. λ se označuje jako vlnová délka elektromagnetického záření a výše uvedená rovnice bude jako

Eq = he / λ

Z výše uvedené rovnice můžeme říci, že vlnová délka elektromagnetického záření je nepřímo úměrná zakázané mezeře. Obecně křemík, germaniové polovodiče, tato zakázaná energetická mezera je mezi podmínkou a valenční pásma jsou taková, že celkové záření elektromagnetické vlny během rekombinace je ve formě infračerveného záření. Nevidíme vlnovou délku infračerveného záření, protože jsou mimo náš viditelný rozsah.

O infračerveném záření se říká, že je teplo, protože křemík a germánium nejsou polovodiče s přímou mezerou, ale spíše polovodiče s nepřímou mezerou. Ale v polovodičích s přímou mezerou k maximální energetické hladině valenčního pásma a minimální energetické hladině vodivého pásma nedochází ve stejném okamžiku elektronů. Proto během rekombinace elektronů a děr dochází k migraci elektronů z vodivého pásma do valenčního pásma, změní se hybnost elektronového pásma.

Bílé LED

Výroba LED může být provedena dvěma technikami. V první technice jsou LED čipy jako červená, zelená a modrá sloučeny do podobného balíčku, aby generovaly bílé světlo, zatímco ve druhé technice je využívána fosforescence. Fluorescence uvnitř fosforu lze shrnout do epoxidového prostředí, poté se LED aktivuje pomocí energie krátkých vln pomocí zařízení InGaN LED.

Různá barevná světla, jako jsou modrá, zelená a červená světla, jsou kombinována v proměnlivém množství a vytvářejí různé barevné vjemy, které jsou známé jako primární aditivní barvy. Tyto tři intenzity světla se přidávají rovnoměrně pro generování bílého světla.

K dosažení této kombinace je však třeba použít kombinaci zelených, modrých a červených LED diod, které vyžadují komplikovaný elektrooptický design pro ovládání kombinace a šíření různých barev. Dále může být tento přístup komplikovaný kvůli změnám v barvě LED.

Produktová řada bílých LED závisí hlavně na jediném LED čipu používajícím fosforový povlak. Tento povlak generuje bílé světlo, jakmile je zasaženo ultrafialovými, jinak modrými fotony. Stejný princip se aplikuje také na zářivky, emise ultrafialového záření z elektrického výboje uvnitř trubice způsobí, že fosfor bliká bíle.

I když tento proces LED může generovat různé odstíny, rozdíly lze ovládat skríninkem. Zařízení na bázi bílé LED jsou zobrazována pomocí čtyř přesných souřadnic chromatičnosti, které sousedí s centrem diagramu CIE.

Diagram CIE popisuje všechny dosažitelné barevné souřadnice v podkovové křivce. Čisté barvy leží nad obloukem, ale bílá špička je uprostřed. Výstupní bílou barvu LED lze znázornit čtyřmi body, které jsou znázorněny uprostřed grafu. I když jsou čtyři souřadnice grafu blízké čisté bílé, tyto diody LED obvykle nefungují jako běžný světelný zdroj pro rozsvícení barevných čoček.

Tyto diody LED jsou užitečné zejména pro bílé jinak čiré čočky, neprůhledné podsvícení. Když tato technologie bude pokračovat, bílé LED diody si určitě získají pověst zdroje a indikace osvětlení.

Světelná účinnost

Světelnou účinnost LED diod lze definovat jako vyprodukovaný světelný tok v lm pro každou jednotku a lze použít elektrický výkon v W. Jmenovité vnitřní pořadí účinnosti modré barvy LED je 75 lm / W jantarové LED mají 500 lm / W a červené LED diody mají 155 lm / W. Z důvodu vnitřní zpětné absorpce lze ztráty zohlednit v řádu světelné účinnosti v rozmezí od 20 do 25 lm / W pro zelené a oranžové LED. Tato definice účinnosti je také známá jako externí účinnost a je analogická s definicí účinnosti běžně používanou pro jiné typy světelných zdrojů, jako je vícebarevná LED.

Vícebarevná dioda emitující světlo

Světelná dioda, která vytváří jednu barvu, jakmile se připojí v předpětí, a vytvoří barvu, jakmile se připojí v obráceném předpětí, se nazývá vícebarevná LED.

Ve skutečnosti tyto LED obsahují dva PN přechody a jejich připojení lze provést paralelně s anodou jedné, která je spojena s katodou druhého.

Vícebarevné LED diody jsou obvykle červené, když jsou předpjaté v jednom směru a zelené, když jsou předpjaté v jiném směru. Pokud tato LED svítí velmi rychle mezi dvěma polaritami, pak tato LED vygeneruje třetí barvu. Zelená nebo červená LED dioda vygeneruje žluté barevné světlo, jakmile se rychle přepne dozadu a dopředu mezi polaritami předpětí.

Jaký je rozdíl mezi diodou a LED?

Hlavní rozdíl mezi diodou a LED zahrnuje následující.

I-V charakteristiky LED

Na trhu existují různé typy světelných diod a existují různé charakteristiky LED, které zahrnují barevné světlo nebo vlnové délky záření, intenzitu světla. Důležitou charakteristikou LED je barva. Při prvním použití LED je pouze červená barva. Jelikož se používání LED zvyšuje pomocí polovodičového procesu a výzkumu nových kovů pro LED, byly vytvořeny různé barvy.

I-V charakteristiky LED

Následující graf ukazuje přibližné křivky mezi dopředným napětím a proudem. Každá křivka v grafu označuje jinou barvu. Tabulka ukazuje souhrn charakteristik LED.

Vlastnosti LED

Jaké jsou dva typy konfigurací LED?

Standardní konfigurace LED jsou dva podobné vysílače a COB

Vysílač je jednoduchá matrice, která je namontována směrem k desce s obvody a poté k chladiči. Tato deska s obvody dodává elektrickou energii směrem k emitoru a zároveň odvádí teplo.

Aby pomohli snížit náklady a zvýšit rovnoměrnost světla, vyšetřovatelé zjistili, že lze odpojit LED substrát a jednoduchou matrici lze namontovat otevřeně na desku plošných spojů. Tento design se tedy nazývá COB (chip-on-board array).

Výhody a nevýhody LED diod

The výhody světelné diody zahrnout následující.

• Cena LED je nižší a jsou malé.
• Použitím LED je řízena elektřina.
• Intenzita LED se liší pomocí mikrokontroléru.
• Dlouhá životnost
• Energeticky úsporné
• Žádné zahřívací období
• Robustní
• Nemá vliv na nízké teploty
• Směrový
• Barevné podání je vynikající
• Přátelský k životnímu prostředí
• Ovladatelný

The nevýhody světelné diody zahrnout následující.

• Cena
• Teplotní citlivost
• Teplotní závislost
• Kvalita světla
• Elektrická polarita
• Citlivost napětí
• Účinnost klesá
• Dopad na hmyz

Aplikace diody emitující světlo

Existuje mnoho aplikací LED a některé z nich jsou vysvětleny níže.

• LED se používá jako žárovka v domácnostech a průmyslových odvětvích
• Světelné diody se používají v motocyklech a automobilech
• Používají se v mobilních telefonech k zobrazení zprávy
• Na semaforu se používají LED diody

Tento článek tedy diskutuje přehled světelné diody princip a použití obvodu. Doufám, že čtením tohoto článku jste získali některé základní a pracovní informace o světelné diodě. Máte-li jakékoli dotazy týkající se tohoto článku nebo projektu elektrického projektu posledního roku, neváhejte a komentujte v níže uvedené části. Zde je otázka pro vás, Co je LED a jak funguje?