Co to jest dioda elektroluminescencyjna: działanie i jej zastosowania
Dioda LED jest półprzewodnikowym źródłem światła z dwoma przewodami. Dioda-świecąca została wynaleziona w 1962 roku przez Nicka Holonyaka, gdy był zatrudniony w General Electric. Dioda LED to unikalny rodzaj diody o właściwościach elektrycznych porównywalnych z diodą złącza PN. Dlatego dioda LED umożliwia przepływ prądu w jednym kierunku, blokując go w drugim. Dioda LED zajmuje mniej niż 1 mm2. Diody LED są wykorzystywane w różnych projektach elektrycznych i elektronicznych. Działanie diody LED i jej zastosowania zostaną omówione w tym artykule.
Dioda elektroluminescencyjna: co to jest?
Dioda złącza p-n pełni rolę-diody elektroluminescencyjnej. Jest to unikalna forma półprzewodnika i szczególnie domieszkowana dioda. Dioda elektroluminescencyjna-to urządzenie emitujące światło, gdy jest ono spolaryzowane w kierunku przewodzenia.
Dwie małe strzałki wskazujące emisję światła odróżniają symbol diody LED od symbolu diody i dlatego nazywa się go diodą LED (-diodą elektroluminescencyjną). Dioda LED ma dwa zaciski: katodę (-) i anodę (+). (-).
Konstrukcja symbolu diody LED
Konstrukcja diody LED jest dość prosta, ponieważ została zaprojektowana poprzez osadzenie trzech warstw materiału półprzewodnikowego na podłożu. Te trzy warstwy są umieszczane jedna na drugiej, przy czym górna warstwa jest warstwą typu P-, środkowa warstwa jest warstwą aktywną, a dolna warstwa jest warstwą typu N-. Struktura pozwala zobaczyć trzy strefy materiału półprzewodnikowego. W strukturze dziury występują w obszarze typu P-, wybory występują w regionie typu N-, a zarówno dziury, jak i elektrony są obecne w obszarze aktywnym.
Dioda LED świeci światłem ciągłym, ponieważ przy braku napięcia nie ma przepływu elektronów ani dziur. Po dostarczeniu napięcia dioda LED staje się spolaryzowana w kierunku przewodzenia, co powoduje, że elektrony z obszaru N- i dziury w obszarze P- przemieszczają się do obszaru aktywnego. Region wyczerpania to inna nazwa tego obszaru. Światło można wytworzyć poprzez rekombinację ładunków polaryzacyjnych, ponieważ nośniki ładunku, takie jak dziury, mają ładunek dodatni, podczas gdy elektrony mają ładunek ujemny.
Jaki jest proces diody elektroluminescencyjnej?
Powszechnie nazywamy diodę-świecącą diodą. Gdy dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, elektrony i dziury szybko przepływają przez złącze i nieustannie łączą się, usuwając się nawzajem. Łączy się z dziurami w chwili, gdy elektrony przełączają się z krzemu typu n- na krzem typu p-, a następnie znika.
Oleg Losev, rosyjski wynalazca, opracował pierwszą diodę LED w 1927 roku i opublikował część teoretycznych podstaw swoich badań.
Profesor Kurt Lechovec przetestował hipotezy przegranych w 1952 roku i przedstawił wyjaśnienie pierwszych diod LED.
Pierwsza zielona dioda LED została stworzona w 1958 roku przez Rubina Braunsteina i Egona Loebnera.
Nicholas Holonyak stworzył czerwoną diodę LED w roku 1962. W ten sposób powstała pierwsza dioda LED.
Pierwszym komputerem, w którym zastosowano diody LED na płytce drukowanej, był model IBM z 1964 roku.
Firma Hewlett Packard (HP) wprowadziła diody LED do kalkulatorów w 1968 roku.
Niebieską diodę LED stworzyli Jacques Pankove i Edward Miller w 1971 roku.
Inżynier elektryk M. George Crawford stworzył żółtą diodę LED w roku 1972.
Niebieska dioda LED z magnezem i przyszłymi standardami została stworzona w 1986 roku przez Waldena C. Rhinesa i Herberta Maruską z Uniwersytetu w Stafford.
Hiroshi Amano i fizyk Isamu Akaski stworzyli azotek galu z doskonałymi niebieskimi diodami LED w roku 1993.
Shuji Nakamura, inżynier elektryk, stworzył pierwszą niebieską diodę LED o wysokiej jasności dzięki postępom Amanos i Akaski, co przyspieszyło rozwój diod LED o białym kolorze.
W 2002 roku w budynkach mieszkalnych wykorzystano białe diody LED, których cena za żarówkę wahała się od 80 do 100 funtów.
Oświetlenie LED zyskało dużą popularność w firmach, szpitalach i szkołach w roku 2008.
Głównymi źródłami światła w 2019 roku są diody LED; jest to niezwykły przełom, ponieważ diody LED można obecnie wykorzystywać do oświetlania różnych lokalizacji, w tym domów, biur, szpitali i szkół.
Obwód polaryzacji diody elektroluminescencyjnej
Większość diod LED ma parametry napięcia od 1 do 3 woltów, podczas gdy wartości znamionowe prądu przewodzenia mieszczą się w przedziale od 200 do 100 mA.
Odchylenie diody LED
Dioda LED działa prawidłowo, jeśli jest do niej przyłożone napięcie od 1 do 3 V, ponieważ przepływ prądu wskazuje, że napięcie mieści się w zakresie działania. Podobnie, jeśli do diody LED zostanie przypisane napięcie wyższe niż napięcie robocze, duży przepływ prądu spowoduje awarię strefy zubożenia. Ten nieprzewidziany przepływ wysokiego prądu uszkodzi gadżet.
Można temu zapobiec, łącząc rezystor szeregowo ze źródłem napięcia i diodą LED. Bezpieczne poziomy prądu dla diod LED mieszczą się w zakresie od 200 mA do 100 mA, natomiast bezpieczne napięcia znamionowe dla diod LED mieszczą się w zakresie od 1 V do 3 V.
W tym przypadku rezystor umieszczony pomiędzy źródłem napięcia a diodą LED nazywany jest rezystorem ograniczającym prąd, ponieważ rezystor ten reguluje przepływ prądu, w przeciwnym razie dioda LED może go zabić. Zatem rezystor ten jest niezbędny do zabezpieczenia diody LED.
Równanie matematycznego przepływu prądu przez diodę LED to:
JEŻELI=Vs – VD/R
Gdzie,
„JEŚLI” prąd jest do przodu
Źródło napięcia „Vs”
Spadek napięcia na-diodzie elektroluminescencyjnej jest oznaczony jako „VD”.
Rs to rezystor ograniczający przepływ prądu.
spadek napięcia wymagany do przebicia bariery obszaru zubożenia. Gdy spadek napięcia na diodzie Si lub Ge wynosi 0,3 V lub mniej, spadek napięcia na diodzie LED będzie wynosić od 2 do 3 V.
W przeciwieństwie do diod Si lub Ge, dioda LED może pracować pod wysokim napięciem.
W porównaniu z diodami krzemowymi lub germanowymi,-diody elektroluminescencyjne wymagają do działania więcej energii.
Typy-diod elektroluminescencyjnych
Diody elektroluminescencyjne-występują w różnych odmianach, a niektóre z nich wymieniono poniżej.
Podczerwony-arsenek galu (GaAs) i czerwony do podczerwieni-pomarańczowy fosforek arsenku galu (GaAsP)
Diody LED o wysokiej-czerwonej, pomarańczowej-czerwonej, pomarańczowej i żółtej diodzie LED wykonane z arsenku glinowo-galowo-fosforowego (AlGaAsP)
Czerwony, żółty i zielony fosforan galu (GaP)
Zielony to kolor fosforku glinu i galu (AlGaP), szmaragdowo zielony to kolor azotku galu (GaN), a niebieski to kolor azotku galu i indu (GaInN).
Jako podłoże zastosowano węglik krzemu (SiC) w kolorze niebieskim
Niebieski selenek cynku (ZnSe) i ultrafioletowy azotek glinu i galu (AlGaN)
Zasada działania diody
Teoria kwantowa stanowi podstawę działania-diody elektroluminescencyjnej. Według teorii kwantowej foton uwalnia energię, gdy elektron przechodzi z wyższego do niższego stanu energetycznego. Różnica energii między tymi dwoma poziomami energii jest równa energii fotonu. Po osiągnięciu stanu polaryzacji diody łączącej PN- przez diodę przepływa prąd.
Zasada działania diody
Przepływ dziur w kierunku przeciwnym do prądu i przepływ elektronów w kierunku prądu powodują przepływ prądu w półprzewodnikach. Zatem rekombinacja nastąpi w wyniku ruchu tych nośników ładunku.
Zgodnie z rekombinacją elektrony z pasma przewodnictwa przeskakują do pasma walencyjnego. Energia elektromagnetyczna jest uwalniana przez elektrony w postaci fotonów, gdy przemieszczają się z jednego pasma do drugiego, a energia fotonów jest równa zabronionej przerwie energetycznej.
Weźmy na przykład teorię kwantową. Zgodnie z tą teorią energia fotonu jest równa sumie jego częstotliwości i stałej Plancka. Wyświetlany jest wzór matematyczny.
Równanie=hf
gdzie nazywa się stałą Plancka, a prędkość promieniowania elektromagnetycznego, oznaczona symbolem c, jest równa prędkości światła. As af= c /, związek pomiędzy częstotliwością promieniowania a prędkością światła. Powyższe równanie spowoduje, że długość fali promieniowania elektromagnetycznego będzie wynosić:
Równanie=on / λ
Zgodnie z powyższym równaniem długość fali promieniowania elektromagnetycznego jest odwrotnie proporcjonalna do zabronionej szczeliny. Ogólnie rzecz biorąc, stan i pasma walencyjne półprzewodników krzemowych i germanowych są takie, że całkowite promieniowanie fal elektromagnetycznych podczas rekombinacji przyjmuje postać promieniowania podczerwonego. Długości fal podczerwonych są dla nas niewidoczne, ponieważ znajdują się poza zakresem światła widzialnego.
Ponieważ półprzewodniki krzemowe i germanowe są półprzewodnikami ze szczeliną pośrednią, a nie półprzewodnikami z bezpośrednią szczeliną, promieniowanie podczerwone jest często określane jako ciepło. Najwyższy poziom energii pasma walencyjnego i minimalny poziom energii pasma przewodnictwa nie istnieją jednak, gdy elektrony są obecne w półprzewodnikach z bezpośrednią przerwą. W rezultacie pęd pasma elektronowego będzie się zmieniał podczas rekombinacji elektronów i dziur lub migracji elektronów z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego.
Jasne diody LED
Istnieją dwie metody produkcji diod LED. W pierwszej metodzie czerwone, zielone i niebieskie chipy LED są łączone w jednym pakiecie w celu wytworzenia białego światła, natomiast w drugiej metodzie wykorzystuje się fosforescencję. Można zsumować epoksyd otaczający fluorescencję luminoforu, a następnie urządzenie LED InGaN aktywuje diodę LED, wykorzystując promieniowanie o krótkiej-długości fali.
Aby uzyskać wiele wrażeń kolorystycznych, zwanych podstawowymi kolorami addytywnymi, światła o różnych kolorach, np. niebieskim, zielonym i czerwonym, łączy się w różnych ilościach. Białe światło powstaje poprzez równomierne połączenie tych trzech intensywności światła.
Niemniej jednak, aby osiągnąć tę kombinację przy użyciu kombinacji zielonych, niebieskich i czerwonych diod LED, wymagana jest wymagająca architektura-elektrooptyczna do zarządzania kombinacją i rozpraszaniem różnych kolorów. Co więcej, metoda ta może być trudna ze względu na różnice w odcieniu diod LED.
Jeden chip LED z powłoką fosforową zasila większość linii produktów z białymi diodami LED. Gdy powłoka ta zostanie wystawiona na działanie promieniowania ultrafioletowego zamiast fotonów niebieskich, wytwarzane jest światło białe. Ta sama teoria dotyczy również świetlówek; wyładowanie elektryczne wewnątrz lampy wyemituje promieniowanie UV, które spowoduje, że luminofor zacznie migać na biało.
Chociaż ta technika LED może dawać różnorodne odcienie, różnice można regulować poprzez rastrowanie. Za pomocą czterech dokładnych współrzędnych chromatyczności znajdujących się blisko środka diagramu CIE ekranowane są urządzenia oparte-białą diodą LED.
Wszystkie osiągalne współrzędne kolorów w obrębie krzywej podkowy pokazano na diagramie CIE. Czyste odcienie łuku są rozproszone, ale punkt bieli znajduje się pośrodku. Cztery punkty pokazane na środku wykresu mogą zostać wykorzystane do przedstawienia białego koloru wyjściowego diody LED. Cztery współrzędne wykresu są prawie całkowicie białe, ale te diody LED zazwyczaj nie działają tak dobrze, jak standardowe źródło światła do oświetlania kolorowych soczewek.
Te diody LED są najbardziej korzystne w przypadku białych, w przeciwnym razie przezroczystych soczewek z nieprzezroczystym podświetleniem. Białe diody LED niewątpliwie będą zyskiwać coraz większą popularność jako źródło światła i wskaźnik, o ile technologia ta będzie się rozwijać.
Genialna skuteczność
Wytworzony strumień świetlny każdej jednostki diod LED jest mierzony w lm, a pobór mocy elektrycznej w W. Czerwone diody LED mają 155 lm/W, bursztynowe diody LED mają 500 lm/W, a niebieskie diody LED mają znamionową skuteczność wewnętrzną wynoszącą 75 lm/W. Straty można uwzględnić w wyniku wewnętrznej-absorpcji; skuteczność świetlna zielonych i bursztynowych diod LED wynosi od 20 do 25 lm/W. Ta koncepcja skuteczności, znana również jako skuteczność zewnętrzna, jest porównywalna z koncepcją skuteczności zwykle stosowaną w przypadku innych rodzajów źródeł światła, takich jak wielokolorowe diody LED.
Diodowe źródło światła w wielu kolorach
Wielokolorowe diody LED to-diody elektroluminescencyjne, które po podłączeniu z polaryzacją do przodu tworzą jedną barwę, a po podłączeniu z polaryzacją odwrotną dają inny kolor.
Te diody LED mają właściwie dwa złącza PN- i można je połączyć równolegle, łącząc katodę jednego z anodą drugiego.
Gdy są przesunięte w jednym kierunku, wielokolorowe diody LED są zazwyczaj czerwone, a gdy są przesunięte w przeciwnym kierunku, są zielone. Ta dioda LED będzie wytwarzać trzeci kolor, jeśli zostanie bardzo szybko włączona pomiędzy dwiema biegunami. Po szybkim przełączaniu między polaryzacją polaryzacyjną, zielona lub czerwona dioda LED będzie wytwarzać żółte światło.
Jakie są dwie różne konfiguracje diod LED?
Dwa podobne emitery i COB to podstawowe konfiguracje diod LED.
Emiter to pojedyncza matryca, którą mocuje się do radiatora przed ustawieniem w kierunku płytki drukowanej. Ta płytka drukowana odprowadza ciepło z emitera, jednocześnie dostarczając energię elektryczną.
Badacze odkryli, że podłoże LED można usunąć, a pojedynczą matrycę można swobodnie umieścić na płytce drukowanej, co pomaga obniżyć koszty i poprawić równomierność światła. Dlatego ten projekt jest znany jako COB (chip-on-board array).
Zalety i wady diod LED
Poniżej przedstawiono niektóre zalety-diod elektroluminescencyjnych.
Diody LED są małe i mają niższą cenę.
Sterowanie energią elektryczną odbywa się za pomocą diod LED.
Za pomocą mikroprocesora intensywność diody LED może się zmieniać.
długi czas
efektywne pod względem energetycznym
Żadnych-rozgrzewek przed meczem
Chropowaty
nie mają wpływu niskie temperatury
Świetne kierunkowe odwzorowanie kolorów
Kontrolowany i przyjazny dla środowiska
Poniżej przedstawiono niektóre wady technologii LED.
Cena
wrażliwość na temperaturę
wrażliwość na temperaturę
Polaryzacja elektryczna i jakość oświetlenia
Czułość elektryczna
Wydajność spada
Wynik dla owadów
Zastosowanie do-diod elektroluminescencyjnych
Istnieje wiele zastosowań diod LED, a niektóre z nich opisano poniżej.
Zarówno w gospodarstwach domowych, jak i firmach jako żarówki stosuje się diody LED.
Diody elektroluminescencyjne-są stosowane w samochodach i motocyklach.
Wiadomość jest wyświetlana za ich pomocą w telefonach komórkowych.
W sygnalizacji świetlnej stosowane są diody LED.
W rezultacie w tym artykule przedstawiono przegląd zastosowań i teorii działania obwodów-diod elektroluminescencyjnych. Mam nadzieję, że czytając ten artykuł, poznałeś podstawowe i praktyczne fakty na temat-diod elektroluminescencyjnych.
Aby uzyskać więcej informacji, proszę zwrócić uwagęOficjalna strona BENWEI
