Що таке світловипромінюючий діод: робота та його застосування
Світлодіод - це напівпровідникове джерело світла з двома проводами. Світло{1}}випромінювальний діод був винайдений у 1962 році Ніком Холоняком, коли він працював у General Electric. Світлодіод — це унікальний вид діода з електричними властивостями, які можна порівняти з властивостями діода з PN-переходом. Отже, світлодіод дозволяє електриці текти в одному напрямку, блокуючи його в іншому. Світлодіод займає менше 1 мм2. Світлодіоди використовуються в різних електричних і електронних проектах. Робота світлодіода та його застосування будуть розглянуті в цій статті.
Світлодіод: що це таке?
Світловипромінювальним діодом є p-n-перехідний діод. Це унікальна форма напівпровідника та особливо легований діод. Світло-діод — це пристрій, який випромінює світло, коли він зміщений прямо.
Дві крихітні стрілки, які вказують на випромінювання світла, відрізняють символ світлодіода від символу діода, тому його називають світлодіодом (-світлодіод). Світлодіод має два висновки: катод (-) і анод (+). (-).
Світлодіодний символ Конструкція світлодіодного символу
Конструкція світлодіода є досить простою, оскільки вона розроблена шляхом нанесення трьох шарів напівпровідникового матеріалу на підкладку. Ці три шари розташовані один на одному, причому верхній шар є шаром типу P-, середній шар є активним шаром, а нижній шар є шаром типу N-. Структура дозволяє побачити три зони напівпровідникового матеріалу. У структурі дірки присутні в області типу P-, вибори присутні в області типу N-, і як дірки, так і електрони присутні в активній області.
Світлодіод працює стабільно, оскільки немає потоку електронів або дірок, коли немає напруги. Світлодіод стає прямим зміщенням, щойно подається напруга, змушуючи електрони в N-області та дірки в P-області рухатися в активну область. Область виснаження - інша назва цієї області. Світло може виникати шляхом рекомбінації полярних зарядів, оскільки носії заряду, такі як дірки, мають позитивний заряд, тоді як електрони мають негативний заряд.
Що таке процес світловипромінюючого діода?
Зазвичай ми називаємо світло{0}}діод діодом. Електрони та дірки швидко течуть через перехід, коли діод зміщений вперед, і вони постійно об’єднуються та збивають один одного. Він поєднується з дірками саме тоді, коли електрони переходять із кремнію типу n- на тип p-, а потім зникає.
Олег Лосєв, російський винахідник, розробив перший світлодіод у 1927 році та опублікував частину теоретичних основ свого дослідження.
У 1952 році професор Курт Леховец перевірив гіпотези невдах і дав пояснення перших світлодіодів.
Перший зелений світлодіод був створений в 1958 році Рубіном Браунштейном і Егоном Лебнером.
Микола Холоняк створив червоний світлодіод у 1962 році. Таким чином, виготовлено перший світлодіод.
Першим комп'ютером, який використовував світлодіоди на платі, була модель IBM 1964 року.
Компанія Hewlett Packard (HP) впровадила світлодіоди в калькулятори в 1968 році.
Синій світлодіод був створений Жаком Панковим та Едвардом Міллером у 1971 році.
Інженер-електрик М. Джордж Кроуфорд створив жовтий світлодіод у 1972 році.
Синій світлодіод з магнієм і майбутні стандарти був створений у 1986 році Уолденом С. Райнсом і Гербертом Марускою зі Стаффордського університету.
Хіроші Амано та фізик Ісаму Акаскі створили нітрид галію з чудовими синіми світлодіодами в 1993 році.
Шуджі Накамура, інженер-електрик, створив перший синій світлодіод із високою яскравістю завдяки досягненням Amanos & Akaski, які прискорили розробку світлодіодів білого кольору.
Світлодіоди білого кольору вартістю від 80 до 100 фунтів стерлінгів за лампочку використовувалися в житлових цілях у 2002 році.
У 2008 році світлодіодні ліхтарі набули великої популярності в компаніях, лікарнях і школах.
Основними джерелами світла в 2019 році є світлодіоди; це надзвичайний прорив, оскільки світлодіоди тепер можна використовувати для освітлення різноманітних місць, включаючи будинки, офіси, лікарні та школи.
Схема світловипромінюючого діода зміщення
Більшість світлодіодів мають специфікації напруги від 1 до 3 вольт, тоді як номінальний прямий струм коливається від 200 до 100 мА.
Зсув світлодіода
Світлодіод працює правильно, якщо на нього подається напруга від 1 до 3 вольт, оскільки струм вказує на те, що напруга знаходиться в робочому діапазоні. Подібно до цього, якщо світлодіод має напругу, що вища за його робочу напругу, високий потік струму призведе до виходу з ладу зони виснаження. Цей непередбачений сильний струм призведе до поломки гаджета.
Цьому можна запобігти, з’єднавши резистор послідовно з джерелом напруги та світлодіодом. Безпечні рівні струму для світлодіодів коливаються від 200 мА до 100 мА, тоді як безпечні номінальні напруги для світлодіодів коливаються від 1 В до 3 В.
Тут резистор, який розташований між джерелом напруги та світлодіодом, називається резистором обмеження струму, оскільки цей резистор регулює потік струму, інакше світлодіод може вбити його. Отже, цей резистор необхідний для захисту світлодіода.
Рівняння для математичного потоку струму через світлодіод таке
ЯКЩО=Vs – VD/Rs
Де,
«ЯКЩО» струм є прямим
Джерело напруги «Vs»
Падіння напруги на світло-діоді позначається "VD".
Rs - це резистор, який обмежує потік струму.
падіння напруги, необхідне для пробиття бар’єру області виснаження. Коли падіння напруги на Si або Ge діоді становить 0,3 В або менше, падіння напруги на світлодіоді становитиме від 2 до 3 В.
На відміну від Si або Ge діодів, світлодіод може працювати під високою напругою.
Порівняно з кремнієвими чи германієвими діодами, для роботи світло{0}}діодів потрібно більше енергії.
Типи світло{0}}діодів
Існує багато різновидів світло-діодів, деякі з яких наведено нижче.
Інфра{0}}арсенід галію (GaAs) і червоний до інфра{1}}червоного, помаранчевий фосфід арсеніду галію (GaAsP)
Високо{0}}яскраві червоні, помаранчеві-червоні, помаранчеві та жовті світлодіоди, виготовлені з арсеніду алюмінію й фосфору галію (AlGaAsP)
Червоний, жовтий і зелений фосфат галію (GaP)
Зелений — це колір фосфіду алюмінію-галію (AlGaP), смарагдово-зелений — колір нітриду галію (GaN), а синій — колір нітриду галію-індію (GaInN).
Як підкладка карбід кремнію (SiC) синього кольору
Синій селенід цинку (ZnSe) і ультрафіолетовий нітрид алюмінію галію (AlGaN)
Принцип роботи світлодіодів
Квантова теорія служить основою для роботи світло{0}}діода. Згідно з квантовою теорією, фотон вивільняє енергію, коли електрон переходить із вищого енергетичного стану в нижчий. Різниця енергій між цими двома рівнями енергії дорівнює енергії фотона. Коли досягається стан прямого зміщення діода PN-переходу, через діод проходить струм.
Принцип роботи світлодіодів
Потік дірок у протилежному напрямку струму та потік електронів у напрямку струму є причиною течії струму в напівпровідниках. Таким чином, в результаті руху цих носіїв заряду відбудеться рекомбінація.
Електрони зони провідності стрибають у валентну зону відповідно до рекомбінації. Електромагнітна енергія виділяється електронами у вигляді фотонів, коли вони переміщуються з однієї смуги в іншу, і енергія фотона дорівнює забороненій енергетичній щілині.
Розглянемо як приклад квантову теорію. Згідно з цією теорією, енергія фотона дорівнює сумі його частоти і постійної Планка. Відобразиться математична формула.
Eq=hf
де називається сталою Планка, а швидкість електромагнітного випромінювання, позначена символом c, дорівнює швидкості світла. Як af= c /, співвідношення між частотою випромінювання та швидкістю світла. Результатом попереднього рівняння є довжина хвилі електромагнітного випромінювання, де
Eq=he / λ
Довжина хвилі електромагнітного випромінювання обернено пропорційна забороненому проміжку згідно з наведеним вище рівнянням. Загалом стан і валентні зони напівпровідників кремнію і германію такі, що повне випромінювання електромагнітних хвиль при рекомбінації приймає форму інфрачервоного випромінювання. Довжини хвиль інфрачервоного випромінювання невидимі для нас, оскільки вони знаходяться поза діапазоном видимого світла.
Оскільки кремнієві та германієві напівпровідники є непрямозонними, а не прямозонними напівпровідниками, інфрачервоне випромінювання часто називають теплом. Однак найвищий енергетичний рівень валентної зони та мінімальний енергетичний рівень зони провідності не існують, коли електрони присутні в прямозонних напівпровідниках. В результаті імпульс електронної зони буде змінюватися під час рекомбінації електронів і дірок або міграції електронів із зони провідності у валентну зону.
Яскраві світлодіоди
Є два способи виробництва світлодіодів. У першому методі червоні, зелені та сині світлодіодні чіпи поєднуються в одному корпусі для отримання білого світла, тоді як у другому методі використовується фосфоресценція. Епоксидну смолу, що оточує флуоресценцію люмінофора, можна підсумувати, і світлодіодний пристрій InGaN активує світлодіод за допомогою короткого-випромінювання.
Щоб створити кілька кольорових відчуттів, відомих як основні адитивні кольори, різні кольори світла, такі як синє, зелене та червоне світло, поєднуються в різних кількостях. Біле світло створюється рівномірним поєднанням цих трьох інтенсивностей світла.
Тим не менш, щоб досягти такої комбінації за допомогою комбінації зелених, синіх і червоних світлодіодів, потрібна складна електро{0}}оптична архітектура для керування поєднанням і дифузією різних кольорів. Крім того, цей метод може бути складним через варіації відтінку світлодіода.
Один світлодіодний чіп із люмінофорним покриттям живить більшість лінійки білих світлодіодів. Коли це покриття піддається впливу ультрафіолетового випромінювання замість синіх фотонів, утворюється біле світло. Ця ж теорія також стосується люмінесцентних ламп; електричний розряд всередині трубки буде випромінювати ультрафіолет, який змушуватиме люмінофор блимати білим.
Незважаючи на те, що ця техніка світлодіодів може давати різноманітні відтінки, дисперсії можна регулювати за допомогою екранування. Використовуючи чотири точні координати кольоровості, розташовані близько до центру діаграми CIE, екрануються пристрої на основі білого світлодіода-.
Усі досяжні колірні координати в межах підковоподібної кривої показані на діаграмі CIE. Чисті відтінки дуги розподіляються, але біла точка знаходиться посередині. Чотири точки, показані в середині графіка, можна використовувати для представлення білого кольору світлодіода. Чотири координати графіка майже чисто білі, але ці світлодіоди зазвичай не працюють так добре, як стандартне джерело світла для освітлення кольорових лінз.
Ці світлодіоди найбільш корисні для білих, інакше прозорих лінз із непрозорим підсвічуванням. Білі світлодіоди, безсумнівно, стануть більш популярними як джерело освітлення та індикатор, поки ця технологія продовжує розвиватися.
Блискуча ефективність
Вироблений світловий потік для кожної одиниці світлодіодів вимірюється в лм, а споживана електроенергія вимірюється у Вт. Червоні світлодіоди мають 155 лм/Вт, жовті світлодіоди – 500 лм/Вт, а сині світлодіоди мають номінальний внутрішній ККД 75 лм/Вт. Втрати можна розглядати через внутрішнє ре-поглинання; світлова віддача зелених і жовтих світлодіодів становить від 20 до 25 лм/Вт. Це поняття ефективності, також відоме як зовнішня ефективність, можна порівняти з поняттям ефективності, яке зазвичай використовується для інших типів джерел світла, таких як багатоколірні світлодіоди.
Діодне джерело світла в багатьох кольорах
Багатоколірні світлодіоди — це світло-діоди, які, підключені за прямим зміщенням, створюють один відтінок, а за зворотного — інший колір.
Ці світлодіоди фактично мають два PN-переходи, і їх можна з’єднати паралельно, з’єднавши катод одного з анодом іншого.
При зміщенні в одному напрямку багатоколірні світлодіоди зазвичай червоні, а при зміщенні в протилежному напрямку вони зелені. Цей світлодіод вироблятиме третій колір, якщо його дуже швидко увімкнути між двома полярностями. Швидко перемикаючись між полярностями зміщення, зелений або червоний світлодіод вироблятиме світло жовтого кольору.
Які дві різні установки для світлодіодів?
Два подібних випромінювача та COB є основними налаштуваннями світлодіодів.
Випромінювач — це один кристал, який прикріплюється до радіатора перед тим, як розташовуватися на друкованій платі. Ця друкована плата відводить тепло від випромінювача, одночасно надаючи електроенергію.
Дослідники виявили, що світлодіодну підкладку можна зняти, а одну матрицю можна вільно розмістити на друкованій платі, що допомагає зменшити витрати та покращити рівномірність світла. Тому цей дизайн відомий як COB (чип-на-платі).
Переваги та недоліки світлодіодів
Нижче наведено деякі переваги світло{0}}діодів.
Світлодіоди невеликі і мають меншу ціну.
Електрика контролюється за допомогою світлодіодів.
За допомогою мікропроцесора можна змінювати інтенсивність світлодіода.
довгий час
ефективний з точки зору енергії
Без-розминки перед грою
Міцний
не піддається впливу низьких температур
Чудова спрямована передача кольорів
Контрольований і дружній до навколишнього середовища
Нижче наведено деякі з недоліків світлодіодної технології.
Ціна
чутливість до температури
температурна чутливість
Електрична полярність і якість освітлення
Електрочутливість
Ефективність різко падає
Результат для комах
Використовується для світло{0}}діодів
Є багато способів використання світлодіодів, деякі з яких описані нижче.
Як у домогосподарствах, так і на підприємствах світлодіоди використовуються як лампочки.
Світло{0}}діоди використовуються в автомобілях і мотоциклах.
Повідомлення відображається за допомогою них у мобільних телефонах.
На сигналах світлофора використовуються світлодіоди.
Таким чином, ця стаття пропонує огляд застосування та теорію роботи схем світло{0}}діодів. Сподіваюся, прочитавши цю статтю, ви дізналися деякі фундаментальні та практичні факти про світло-діод.
Для отримання додаткової інформації зверніть увагу наОфіційний сайт BENWEI
