Mis on valgusdiood: töö ja selle rakendused

Valgusdiood on kahe juhtmega pooljuhtvalgusallikas. 1962. aastal on Nick Holonyak tulnud välja valgusdioodi ideega ja ta töötas üldises elektrifirmas. LED on spetsiaalne diooditüüp ja neil on sarnased PN-dioodi elektrilised omadused. Seega võimaldab LED suunata voolu edasi ja blokeerib voolu vastupidises suunas. LED võtab väikese ala, mis on väiksem kui 1 mm^kaks . LED-ide rakendused kasutatud erinevate elektri- ja elektroonikaprojektide tegemiseks. Selles artiklis käsitleme LED-i tööpõhimõtet ja selle rakendusi.

Mis on valgusdiood?

Valgusdiood on a p-n ristmiku diood . See on spetsiaalselt legeeritud diood ja koosneb spetsiaalsest pooljuhtidest. Kui valgus kiirgab ettepoole kallutatult, siis nimetatakse seda valgusdioodiks.

Valgusdiood

LED sümbol

LED-sümbol sarnaneb dioodi sümboliga, välja arvatud kaks väikest noolt, mis määravad valguse kiirguse, seega nimetatakse seda LED-i (valgusdiood). LED sisaldab kahte klemmi, nimelt anoodi (+) ja katoodi (-). LED-sümbol on näidatud allpool.

LED sümbol

LED-i ehitus

LED-i ehitamine on väga lihtne, kuna see on kavandatud kolme pooljuhtmaterjalist kihi sadestamise kaudu üle aluspinna. Need kolm kihti on paigutatud ükshaaval, kus ülemine piirkond on P-tüüpi piirkond, keskmine piirkond on aktiivne ja lõpuks on alumine piirkond N-tüüpi. Konstruktsioonis võib täheldada pooljuhtmaterjali kolme piirkonda. Konstruktsioonis hõlmab P-tüüpi piirkond auke, N-tüüpi piirkond hõlmab valimisi, samas kui aktiivne piirkond sisaldab nii auke kui ka elektrone.

Kui LED-ile pinget ei rakendata, pole elektronide ja aukude voogu, nii et need oleksid stabiilsed. Kui pinge on rakendatud, läheb LED edasi kallutatud suunas, nii et N-piirkonna elektronid ja P-piirkonna augud liiguvad aktiivsesse piirkonda. Seda piirkonda tuntakse ka ammendumispiirkonnana. Kuna laengukandjad nagu augud sisaldavad positiivset laengut, samas kui elektronid on negatiivse laenguga, saab valgust tekitada polaarsuslaengute rekombinatsiooni kaudu.

Kuidas valgusdiood töötab?

Valgusdiood lihtsalt tunneme dioodina. Kui diood on ettepoole kallutatud, siis liiguvad elektronid ja augud ristmikul kiiresti ja need ühendatakse pidevalt, eemaldades üksteise. Varsti pärast seda, kui elektronid liiguvad n-tüüpi p-tüüpi räni külge, ühendub see aukudega, siis see kaob. Seega muudab see kogu aatomi ja stabiilsemaks ning annab väikese energiahoo pisikese valguse paki või footoni kujul.

Valgusdioodi töö

Ülaltoodud diagramm näitab, kuidas valgusdiood töötab, ja diagrammide järkjärgulist protsessi.

• Ülaltoodud diagrammilt võime täheldada, et N-tüüpi räni on punast värvi, kaasa arvatud elektronid, mida tähistavad mustad ringid.
• P-tüüpi räni on sinist värvi ja see sisaldab auke, neid tähistavad valged ringid.
• Toiteallikas p-n ristmikul muudab dioodi ettepoole kallutatud ja surudes elektronid n-tüüpi p-tüüpi. Aukude surumine vastassuunas.
• Ristmikul on elektron ja augud ühendatud.
• Fotonid eralduvad, kui elektronid ja augud on uuesti ühendatud.

Valgusdioodi ajalugu

LEDid leiutati aastal 1927, kuid mitte uus leiutis. Lühikest ülevaadet LED-ajaloost käsitletakse allpool.

• Aastal 1927 loodi Oleg Losev (Vene leiutaja) esimene LED ja avaldas oma teooria kohta oma teooria.
• 1952. aastal on prof Kurt Lechovec testinud kaotajate teooriaid ja selgitanud esimesi LED-e
• Aastal 1958 leiutasid Rubin Braunstein ja Egon Loebner esimese rohelise LED-i
• 1962. aastal töötas punase valgusdioodi välja Nick Holonyak. Niisiis, esimene LED on loodud.
• Aastal 1964 juurutas IBM esimest korda arvutis trükkplaadile LED-id.
• 1968. aastal hakkas HP (Hewlett Packard) kalkulaatorites kasutama LED-e.
• 1971. aastal leiutasid Jacques Pankove ja Edward Miller sinise valgusdioodi
• 1972. aastal leiutas M. George Crawford (elektriinsener) kollase värvi LED-i.
• 1986. aastal leiutasid Staffordi ülikoolist pärit Walden C. Rhines ja Herbert Maruska sinise värvi magneesiumiga LED-i koos tulevaste standarditega.
• 1993. aastal on Hiroshi Amano ja füüsikud Isamu Akaski välja töötanud kõrgekvaliteediliste siniste LED-dega galliumnitriidi.
• Shuji Nakamura-sugusele elektriinsenerile töötati Amanos & Akaski arenduste kaudu välja esimene kõrge eredusega sinine LED, mis viib kiiresti valgete värviliste LED-ide laienemiseni.
  Aastal 2002 kasutati eluruumides valgeid valgusdioode, mis laadisid iga pirni eest umbes 80–100 naela.
• 2008. aastal on LED-tuled kontorites, haiglates ja koolides muutunud väga populaarseks.
• Aastal 2019 on LED-id muutunud peamisteks valgusallikateks
• LED-i areng on uskumatu, kuna see ulatub väikestest näidustustest kontorite, kodude, koolide, haiglate jms valgustamiseni.

Valgusdioodlülitus eelpingestamiseks

Enamikul LED-idest on pinge vahemikus 1 volt-3 volti, samal ajal kui edasivoolu nimiväärtus on vahemikus 200 mA-100 mA.

LED-i kallutamine

Kui LED-le rakendatakse pinget (1 V kuni 3 V), siis töötab see korralikult, kuna rakendatava pinge voolu vool on tööpiirkonnas. Samamoodi, kui valgusdioodile rakendatav pinge on kõrge kui tööpinge, laguneb valgusdioodi ammendumispiirkond voolu suure voolu tõttu. See ootamatu suur vooluhulk kahjustab seadet.

Seda saab vältida, ühendades takisti järjestikku pingeallika ja LED-iga. Valgusdioodide ohutu pinge väärtus jääb vahemikku 1–3 V, samas kui ohutu voolutugevus jääb vahemikku 200–100 mA.

Siin on pingeallika ja LED-i vahele paigutatud takisti tuntud kui voolu piirav takisti, kuna see takisti piirab voolu voolu, vastasel juhul võib LED selle hävitada. Nii et see takisti mängib LED-i kaitsmisel võtmerolli.

Matemaatiliselt võib voolu voolu läbi LED-i kirjutada järgmiselt

IF = Vs - VD / Rs

Kus

‘IF’ on voolutugevus

‘Vs’ on pingeallikas

‘VD’ on valgusdioodi pingelang

‘Rs’ on voolu piirav takisti

Kurnamispiirkonna barjääri ületamiseks langenud pinge suurus. LED-i pingelangus jääb vahemikku 2V kuni 3V, samal ajal kui Si või Ge diood on 0,3, vastasel juhul 0,7 V.

Seega saab LED-i juhtida kõrgepinge abil, võrreldes Si- või Ge-dioodidega.
Valgusdioodid kulutavad töötamiseks rohkem energiat kui räni- või germaaniumdioodid.

Valgusdioodide tüübid

Seal on erinevat tüüpi valgusdioodid kohal ja mõned neist on nimetatud allpool.

• Galliumarseniid (GaAs) - infrapunane
• Galliumarseniidfosfiid (GaAsP) - punane kuni infrapunane, oranž
• Alumiinium-galliumarseniidfosfiid (AlGaAsP) - kõrge heledusega punane, oranžipunane, oranž ja kollane
• Galliumfosfiid (GaP) - punane, kollane ja roheline
• Alumiinium-galliumfosfiid (AlGaP) - roheline
• Galliumnitriid (GaN) - roheline, smaragdroheline
• Galliumindiumnitriid (GaInN) - peaaegu ultraviolett, sinakasroheline ja sinine
• Ränikarbiid (SiC) - substraadina sinine
• Tsinkseleniid (ZnSe) - sinine
• Alumiinium-galliumnitriid (AlGaN) - ultraviolett

LED-i tööpõhimõte

Valgust kiirgava dioodi tööpõhimõte põhineb kvantteoorial. Kvantteooria ütleb, et kui elektron langeb kõrgemalt energiatasemelt madalamale, siis kiirgab energia footonist. Footoni energia on võrdne energiavahega nende kahe energiataseme vahel. Kui PN-ristmiku diood on ettepoole kallutatud, siis voolab diood läbi voolu.

LED-i tööpõhimõte

Vooluhulk pooljuhtides on põhjustatud aukude voolust voolu vastassuunas ja elektronide voolust voolu suunas. Seega toimub nende laengukandjate voo tõttu rekombinatsioon.

Rekombinatsioon näitab, et juhtimisribas olevad elektronid hüppavad valentsribani. Kui elektronid hüppavad ühest ribast teise, eraldavad elektronid elektromagnetilist energiat footonite kujul ja footoni energia on võrdne keelatud energiavahega.

Vaatleme näiteks kvantteooriat, footoni energia on nii Plancki konstanti kui ka elektromagnetkiirguse sageduse korrutis. Näidatud on matemaatiline võrrand

Eq = hf

Seal, kus tema Plancki konstant ja elektromagnetkiirguse kiirus on võrdsed valguse kiirusega, st. Sageduskiirgus on seotud valguse kiirusega f = c / λ. λ tähistatakse kui elektromagnetkiirguse lainepikkust ja ülaltoodud võrrandist saab a

Eq = ta / λ

Ülaltoodud võrrandist võime öelda, et elektromagnetkiirguse lainepikkus on pöördvõrdeline keelatud piluga. Üldiselt räni, germaaniumi pooljuhid on see keelatud energia vahe seisundi vahel ja valentsribad on sellised, et elektromagnetlaine kogu kiirgus rekombinatsiooni ajal on infrapunakiirgus. Me ei näe infrapuna lainepikkust, kuna need jäävad meie nähtavast vahemikust välja.

Infrapunakiirgus on väidetavalt soojus, kuna räni ja germaaniumi pooljuhid ei ole otsesed pilupooljuhid, pigem on need kaudsed pilupooljuhid. Kuid otsepilu pooljuhtides ei toimu valentsriba maksimaalset energiataset ja juhtivusriba minimaalset energiataset elektronide samal hetkel. Seetõttu elektronide ja aukude rekombinatsiooni käigus toimub elektronide migratsioon juhtimisribalt valentsribale, elektronriba impulss muutub.

Valged valgusdioodid

Valgusdioodide tootmist saab teha kahe tehnika abil. Esimeses tehnikas ühendatakse LED-kiibid nagu punane, roheline ja sinine sarnases pakendis valge valguse tekitamiseks, teises meetodis kasutatakse fosforestsentsi. Fosfori fluorestsentsi saab kokku võtta ümbritsevas epoksüpiirkonnas, seejärel aktiveeritakse LED lühikese lainepikkusega energia abil, kasutades LED-seadet InGaN.

Erinevat värvi tuled, nagu sinised, rohelised ja punased tuled, on kombineeritud muutuvas koguses, et tekitada erinev värvitunnetus, mida nimetatakse põhilisandvärvideks. Need kolm valgustugevust lisatakse valge valguse tekitamiseks võrdselt.

Kuid selle kombinatsiooni saavutamiseks roheliste, siniste ja punaste valgusdioodide kombinatsiooni abil, mis vajavad erinevate värvide kombinatsiooni ja leviku juhtimiseks keerukat elektro-optilist disaini. Lisaks võib see lähenemine olla keeruline LED-värvi muutuste tõttu.

Valge LED-i tootesari sõltub peamiselt ühest fosforkattega LED-kiibist. See kate tekitab ultraviolett- või muidu siniste footonite löögi järel valget valgust. Sama põhimõtet rakendatakse ka luminofoorlampide puhul, mille tõttu ultraviolettkiirgus toru elektrilahendusest põhjustab fosfori valget vilkumist.

Kuigi see LED-protsess võib tekitada erinevaid toone, saab erinevusi kontrollida sõelumisega. Valge LED-põhiseid seadmeid skriinitakse nelja täpse värvikoordinaadi abil, mis külgnevad CIE diagrammi keskpunktiga.

CIE diagramm kirjeldab kõiki hobuseraua kõvera saavutatavaid värvikoordinaate. Kaare kohal asuvad puhtad värvid, kuid valge ots on keskel. Valget LED-väljundvärvi saab kujutada nelja punkti abil, mis on kujutatud graafiku keskel. Kuigi neli graafikakoordinaati on puhta valge lähedal, ei ole need LED-id tavaliselt värviliste läätsede valgustamiseks tõhusad nagu tavaline valgusallikas.

Need valgusdioodid on peamiselt kasulikud valgete muidu läbipaistvate objektiividega, läbipaistmatu taustvalgus. Kui see tehnoloogia jätkab arengut, saavad valged valgusdioodid kindlasti valgustusallika ja -näidiku maine.

Valgustõhusus

Valgusdioodide valgustõhusust saab määratleda kui toodetud valgusvoo lm iga seadme kohta ja elektrienergiat saab kasutada W piires. Sinise värvi LED-i sisemine efektiivsuse järjekord on 75 lm / W merevaigukollastel LED-il on 500 lm / W ja punane LED-idel on 155 lm / W. Sisemise taasabsorptsiooni tõttu võib roheliste ja merevaigukollaste LED-ide puhul arvestada kadude valgustõhususe järjekorda vahemikus 20 kuni 25 lm / W. Seda efektiivsuse määratlust tuntakse ka kui välist efektiivsust ja see on analoogne efektiivsuse määratlusega, mida tavaliselt kasutatakse muud tüüpi valgusallikate jaoks, nagu mitmevärviline LED.

Mitmevärviline valgusdiood

Valgusdioodi, mis tekitab ühe värvi, kui nad on ühendatud ettepoole suunatud eelarvega, ja toodab värvi, kui nad on ühendatud vastupidises eelhäälestuses, nimetatakse mitmevärviliseks LED-iks.

Tegelikult sisaldavad need valgusdioodid kahte PN-ristmikku ja selle saab ühendada paralleelselt ühe anoodiga, mis on ühendatud teise katoodiga.

Mitmevärvilised LED-id on tavaliselt punased, kui nad on ühes suunas kallutatud, ja rohelised, kui nad on teises suunas kallutatud. Kui see valgusdiood lülitatakse kahe polaarsuse vahel väga kiiresti sisse, genereerib see LED kolmanda värvi. Roheline või punane valgusdiood tekitab kollase värvivalguse, kui see on kiirelt ümberlülitatuna ettepoole suunatud polaarsuste vahel.

Mis vahe on dioodil ja valgusdioodil?

Peamine erinevus dioodi ja LED-i vahel sisaldab järgmist.

I-V LED-i omadused

Turul on saadaval erinevat tüüpi valgusdioode ja on erinevaid LED-omadusi, mis hõlmavad värvivalgust või lainepikkusega kiirgust, valgustugevust. LED-i oluline omadus on värv. LED-i kasutamisel on ainus punane värv. Kuna LED-i kasutamist suurendatakse pooljuhtprotsessi ja LED-i uute metallide uurimise abil, moodustati erinevad värvid.

I-V LED-i omadused

Järgmisel graafikul on toodud ligikaudsed kõverad otsepinge ja voolu vahel. Graafiku iga kõver tähistab erinevat värvi. Tabelis on toodud LED-i omaduste kokkuvõte.

LED-i omadused

Mis on kahte tüüpi LED-konfiguratsioonid?

LED-i standardsetes konfiguratsioonides on nii emittereid kui ka COB-sid

Emitter on üks stants, mis on paigaldatud trükkplaadi poole, seejärel jahutusradiaatorisse. See trükkplaat annab elektrienergiat emitteri suunas, eemaldades samal ajal ka soojust.

Kulude vähendamiseks ja valguse ühtluse suurendamiseks leidsid uurijad, et LED-substraati saab lahti ühendada ja ühe matriitsi saab trükkplaadile lahtiselt kinnitada. Nii et seda disaini nimetatakse COB-ks (chip-on-board array).

LEDide eelised ja puudused

The valgusdioodi eelised sisaldama järgmist.

• LED-de maksumus on väiksem ja need on väikesed.
• LED-i abil saab elektrit juhtida.
• LED-i intensiivsus erineb mikrokontrolleri abil.
• Pikk eluiga
• Energia säästlik
• Soojendusperiood puudub
• Vastupidav
• Ei mõjuta külm temperatuur
• Suunatud
• Värviedastus on suurepärane
• Keskkonnasõbralik
• Kontrollitav

The valgusdioodi puudused sisaldama järgmist.

• Hind
• Temperatuuri tundlikkus
• Temperatuuri sõltuvus
• Valguskvaliteet
• Elektriline polaarsus
• Pinge tundlikkus
• Tõhusus langeb
• Mõju putukatele

Valgusdioodi rakendused

LED-i rakendusi on palju ja mõnda neist selgitatakse allpool.

• LED-d kasutatakse pirnina kodudes ja tööstuses
• Valgusdioode kasutatakse mootorratastel ja autodes
• Neid kasutatakse mobiiltelefonides sõnumi kuvamiseks
• Foorisignaalides kasutatakse led-signaale

Seega käsitletakse selles artiklis ülevaade valgusdioodist vooluahela tööpõhimõte ja rakendus. Loodan, et lugedes seda artiklit, olete saanud valgusdioodi kohta põhiteavet. Kui teil on selle artikli või viimase aasta elektriprojekti kohta küsimusi, kommenteerige palun allpool jaotist. Siin on teile küsimus, Mis on LED ja kuidas see töötab?