LED-i täisvorm on valgusdiood. LED-id on eritüüpi pooljuhtdioodid, mis kiirgavad valgust vastusena nende klemmidele rakendatud potentsiaalide erinevusele, millest tuleneb ka nimi valgusdiood. Nii nagu tavalistel dioodidel on ka LEDidel kaks polaarsusega klemmi, nimelt anood ja katood. LED-i valgustamiseks rakendatakse selle anoodi ja katoodi klemmidele potentsiaalide erinevust või pinget.

Tänapäeval kasutatakse LED-e laialdaselt kõrge valgusjõuga tipptasemel LED-lampide tootmiseks. Neid kasutatakse laialdaselt ka dekoratiivsete LED-lampide ja LED-indikaatorite valmistamiseks.

Lühike ajalugu

Hoolimata asjaolust, et LED-e peetakse tänapäeval kõrgtehnoloogilise pooljuhtide tööstuse tooteks, tuvastati nende valgustav omadus esialgu palju aastaid tagasi. Esimene inimene, kes LED-valgusefekti märkas, oli üks Marconi inseneridest H. J. Round, kes on tuntud ka mitme vaakumtoru ja raadioleiutise poolest. Ta avastas selle 1907. aastal, kui ta uuris koos Marconiga punktkontaktsete kristalldetektorite kohta.

1907. aastal andis ajakiri Electrical World esimesena nendest läbimurdest aru. LED-kontseptsioon jäi mitu aastat soiku, kuni selle 1922. aastal taasavastas vene teadlane O.V. Losov.

Losov elas Leningradis, kus ta II maailmasõjas traagiliselt hukkus. Võimalik, et enamik tema kavandeid läks sõjas kaduma. Kuigi ta esitas aastatel 1927–1942 kokku neli patenti, tunnustati tema uurimistööd alles pärast tema surma.

LED-kontseptsioon ilmus uuesti 1951. aastal, kui K. Lehoveci juhitud teadlaste rühm hakkas selle mõju uurima. Uurimine jätkus teiste organisatsioonide ja teadlaste, sealhulgas W. Shockley (transistori leiutaja) osavõtul. Lõpuks viidi LED-kontseptsioon läbi märkimisväärselt ja seda hakati 1960. aastate lõpus turustama.

Millist pooljuhtmaterjali kasutatakse LED-ristmikus?

Sisuliselt on valgusdioodid spetsiaalne PN-ühendus, mis on valmistatud liitpooljuhi abil.

Räni ja germaanium on kaks enimkasutatavat pooljuhti, kuid kuna need on ainult elemendid, ei saa neist LED-e valmistada.

Vastupidiselt kasutatakse LED-ide valmistamiseks sageli selliseid materjale nagu galliumarseniid, galliumfosfiid ja indiumfosfiid, mis ühendavad kahte või enamat elementi. Näiteks galliumarseniidi valentsus on kolm ja arseeni viis ning seetõttu klassifitseeritakse mõlemad rühma III-V pooljuhtideks.

III-V rühma kuuluvaid materjale saab kasutada ka teiste liitpooljuhtide loomiseks.

Kui pooljuhtide ristmik on ettepoole kallutatud, sisenevad P-tüüpi piirkonnast augud ja N-tüüpi piirkonna elektronid ristmikku ja ühinevad, nagu tavalises dioodis.

Vool liigub sel viisil läbi ristmiku.

Selle tulemusena vabaneb energia, millest osa kiirgub nagu footonid (valgus). Tagamaks, et struktuur neelab kõige vähem footoneid (valgust), paikneb ristmiku P-pool, mis enamikul juhtudel toodab enamiku valgusest, seadme pinnale kõige lähemal.

Ristmik peab olema ideaalselt optimeeritud ja nähtava valguse loomiseks tuleb kasutada õigeid materjale. Spektri infrapunapiirkond on koht, kus puhas galliumarseniid kiirgab oma energiat.

Kuidas LED-id värvi saavad

Alumiinium sisestatakse pooljuhtidesse, et toota alumiinium-galliumarseniidi, mis nihutab LED-valguse spektri helepunasesse otsa (AIGaAs).

Punast valgust saab tekitada ka fosfori lisamisega.

Teiste LED-värvide jaoks kasutatakse erinevaid materjale. Näiteks galliumfosfiid kiirgab rohelist valgust, kollast ja oranži valgust aga toodab alumiinium-indium-galliumfosfiid. Enamik LED-e on valmistatud galliumpooljuhtidest.

LED-id on valmistatud kahe struktuuriga

Pinda kiirgav diood ja serva kiirgav diood, mis on näha joonistel fig. 1 A ja B on vastavalt kaks peamist LED-ide jaoks kasutatavat arhitektuuri. Pinda kiirgav diood on neist kõige populaarsem, kuna see toodab valgust laiema nurga all.

Pärast valmistamist tuleb LED-struktuur katta nii, et seda saaks ohutult kasutada ilma LED-i kahjustamata.

Enamik väikeseid LED-indikaatoreid on kapseldatud epoksüliimi, mille murdumisnäitaja jääb pooljuhi ja ümbritseva õhu murdumisnäitaja vahele (vt joonis 2 allpool). Diood on seega suurepäraselt kaitstud ja valgus kandub välismaailma kõige tõhusamal viisil.

LED-i edasivoolu pinge (VF) spetsifikatsioon

Kuna LED-id on voolutundlikud seadmed, ei tohi rakendatav pinge kunagi ületada LED-i minimaalset pärivoolu pinget. LED-i (VF) päripinge spetsifikatsioon on lihtsalt optimaalne pingetase, mida saab kasutada LED-i ohutuks ja eredaks valgustamiseks. Kui vool ületab LED-i päripinge, põleb LED ja saab jäädavalt kahju.

Juhul, kui toitepinge on kõrgem kui LED-i päripinge, kasutatakse LED-i voolu piiramiseks toiteallikaga järjestikku arvutatud takistit. See tagab, et LED suudab ohutult optimaalse heledusega valgustada.

Enamiku LED-ide päripinge väärtus on tänapäeval umbes 3,3 V. Olenemata sellest, kas tegemist on punase, rohelise või kollase valgusdioodiga, saab neid kõiki tavaliselt valgustada, rakendades nende anoodi- ja katoodklemmidele 3,3 V.

“portide ja pistikute tüübid ”

LED-i toitepinge peab olema alalisvoolu. Võib kasutada ka vahelduvvoolu, kuid siis peaks LED-il olema ühendatud alaldi diood. See tagab, et vahelduvpinge polaarsuse muutus ei kahjusta LED-i.

Piirav vool

LED-idel, nagu ka tavalistel dioodidel, puudub loomupärane voolupiirang. Selle tulemusena, kui see on otse akuga ühendatud, põleb see ära.

Kui toite DC on umbes 3,3 V, ei vaja LED piiravat takistit. Kui aga toitepinge on kõrgem kui 3,3 V, on LED-klemmiga järjestikku vaja takistit.

Takisti saab ühendada jadamisi LED-i anoodklemmiga või LED-i katoodklemmiga.

Kahjustuste vältimiseks tuleb voolu juhtimiseks vooluahelasse ühendada takisti. Tavaliste indikaatorite LED-ide maksimaalne voolutugevus on ligikaudu 20 mA; kui vool on sellest allapoole piiratud, väheneb LED-i valgusvõimsus proportsionaalselt.

Nagu on näidatud ülaltoodud joonisel 3, võib tarbitava vooluhulga hindamisel olla vaja arvesse võtta LED-i enda pinget. Sest kui pinge kasvab, siis proportsionaalselt kasvab ka voolutarve.

Piiratava takisti arvutamise valem on järgmine:

R = V – LED FWD V / LED vool