Kas yra šviesos diodas: darbas ir jo taikymas

Šviesos diodas yra dviejų laidų puslaidininkinis šviesos šaltinis. 1962 m. Nickas Holonyakas sugalvojo šviesą skleidžiantį diodą ir dirbo bendrojoje elektros įmonėje. Šviesos diodas yra specialus diodų tipas ir jie turi panašias elektrines charakteristikas kaip PN jungties diodas. Taigi šviesos diodas leidžia srovei tekėti į priekį ir blokuoja srovę priešinga kryptimi. Šviesos diodas užima mažą plotą, kuris yra mažesnis nei 1 mm^du . Šviesos diodų programos naudojama kuriant įvairius elektrinius ir elektroninius projektus. Šiame straipsnyje aptarsime šviesos diodo veikimo principą ir jo taikymą.

Kas yra šviesos diodas?

Šviesos diodas yra a p-n sandūros diodas . Tai specialiai legiruotas diodas, kurį sudaro specialūs puslaidininkių tipai. Kai šviesa skleidžiasi į priekį nukreipta, tai vadinama šviesos diodu.

Šviesos diodas

LED simbolis

LED simbolis yra panašus į diodo simbolį, išskyrus dvi mažas rodykles, nurodančias šviesos spinduliavimą, todėl jis vadinamas LED (šviesos diodu). Šviesos diodas apima du gnybtus, būtent anodą (+) ir katodą (-). LED simbolis parodytas žemiau.

LED simbolis

LED konstrukcija

Šviesos diodų konstrukcija yra labai paprasta, nes ji suprojektuota nusodinant tris puslaidininkinių medžiagų sluoksnius virš pagrindo. Šie trys sluoksniai yra išdėstyti po vieną, kur viršutinė sritis yra P tipo sritis, vidurinė yra aktyvi ir galiausiai apatinė dalis yra N tipo. Konstruojant galima pastebėti tris puslaidininkių medžiagos regionus. Konstrukcijoje P tipo regione yra skylės, į kurias N tipo regione įeina rinkimai, o aktyviajame regione - ir skylės, ir elektronai.

Kai įtampa neveikia šviesos diodui, tada nėra elektronų ir skylių srauto, todėl jie yra stabilūs. Kai įtampa bus įjungta, šviesos diodas bus nukreiptas į priekį, todėl N regiono elektronai ir skylės iš P srities judės į aktyvųjį regioną. Šis regionas taip pat žinomas kaip išeikvojimo regionas. Kadangi krūvininkai, kaip skylės, turi teigiamą krūvį, tuo tarpu elektronai turi neigiamą krūvį, todėl šviesa gali būti generuojama per poliškumo krūvių rekombinaciją.

Kaip veikia šviesos diodas?

Šviesos diodas paprastai žinomas kaip diodas. Kai diodas yra nukreiptas į priekį, tada elektronai ir skylės greitai juda per sankryžą ir yra nuolat sujungiami, pašalindami vienas kitą. Netrukus po to, kai elektronai juda iš n tipo į p tipo silicį, jis susijungia su skylėmis, tada dingsta. Taigi jis daro visą atomą ir stabilesnį ir suteikia mažą energijos pliūpsnį mažo šviesos pakelio ar fotono pavidalu.

Šviesos diodo veikimas

Pirmiau pateiktoje diagramoje parodyta, kaip veikia šviesos diodas, ir žingsnis po žingsnio.

• Iš pirmiau pateiktos diagramos galime pastebėti, kad N tipo silicis yra raudonos spalvos, įskaitant elektronus, kuriuos žymi juodi apskritimai.
• P tipo silicis yra mėlynos spalvos, jame yra skylių, jas žymi balti apskritimai.
• Maitinimo šaltinis visoje p-n sankryžoje daro diodą į priekį šališku ir pastumia elektronus iš n tipo į p tipo. Skylių stūmimas priešinga kryptimi.
• Jungties vietoje yra elektronai ir skylės.
• Fotonai yra išskiriami, kai elektronai ir skylės yra rekombinuojamos.

Šviesos diodo istorija

Šviesos diodai buvo išrasti 1927 m., Tačiau nebuvo naujas išradimas. Trumpa LED istorijos apžvalga aptariama toliau.

• 1927 m. Olegui Losevui (Rusijos išradėjas) buvo sukurtas pirmasis šviesos diodas ir paskelbta keletas jo tyrimų teorijų.
• 1952 m. Prof. Kurtas Lechovecas išbandė nevykėlių teorijų teorijas ir paaiškino apie pirmuosius šviesos diodus
• 1958 metais pirmąjį žalią šviesos diodą išrado Rubinas Braunsteinas ir Egonas Loebneris
• 1962 metais raudoną šviesos diodą sukūrė Nickas Holonyakas. Taigi, sukurtas pirmasis šviesos diodas.
• 1964 metais IBM pirmą kartą kompiuteryje įdiegė šviesos diodus ant plokštės.
• 1968 metais HP („Hewlett Packard“) pradėjo naudoti šviesos diodus skaičiuoklėse.
• 1971 m. Jacquesas Pankove'as ir Edwardas Milleris išrado mėlyną šviesos diodą
• 1972 metais M. George'as Crawfordas (elektros inžinierius) išrado geltonos spalvos šviesos diodą.
• 1986 m. Waldenas C. Rhinesas ir Herbertas Maruska iš Stafordo universiteto išrado mėlyną šviesos diodą su magniu, įskaitant būsimus standartus.
• 1993 m. Hiroshi Amano ir fizikai Isamu Akaski sukūrė galio nitridą su aukštos kokybės mėlynos spalvos šviesos diodais.
• Elektros inžinierius, toks kaip Shuji Nakamura, buvo sukurtas pirmasis mėlynas šviesos diodas su ryškiu ryškumu per „Amanos & Akaski“ plėtrą, dėl kurio sparčiai plečiasi baltos spalvos LED.
  2002 m. Gyvenamosioms reikmėms buvo naudojami baltos spalvos šviesos diodai, kurie kiekvienai lemputei įkrauna apie 80–100 svarų.
• 2008 m. LED žibintai tapo labai populiarūs biuruose, ligoninėse ir mokyklose.
• 2019 metais šviesos diodai tapo pagrindiniais šviesos šaltiniais
• Šviesos diodų plėtra yra neįtikėtina, nes ji svyruoja nuo mažų indikacijų iki biurų, namų, mokyklų, ligoninių ir kt. Apšvietimo.

Šviesos diodų grandinė įtempimui

Daugelio šviesos diodų įtampa yra nuo 1 voltų iki 3 voltų, tuo tarpu į priekinę srovę nuo 200 mA iki 100 mA.

LED poslinkis

Jei šviesos diodui naudojama įtampa (nuo 1 V iki 3 V), jis tinkamai veikia, nes naudojamos srovės srovė bus veikimo diapazone. Panašiai, jei šviesos diodui taikoma įtampa yra didesnė už darbinę įtampą, šviesos diodo išeikvojimo sritis sugedo dėl didelio srovės srauto. Šis netikėtas didelis srovės srautas sugadins įrenginį.

To galima išvengti sujungiant rezistorių nuosekliai su įtampos šaltiniu ir šviesos diodu. Šviesos diodų saugios įtampos ribos bus nuo 1 V iki 3 V, o saugios srovės vertės - nuo 200 mA iki 100 mA.

Čia rezistorius, išdėstytas tarp įtampos šaltinio ir šviesos diodo, yra žinomas kaip srovės ribotuvas, nes šis rezistorius riboja srovės srautą, kitaip šviesos diodas gali jį sunaikinti. Taigi šis rezistorius vaidina pagrindinį vaidmenį apsaugant šviesos diodą.

Matematiškai srovės srautas per šviesos diodą gali būti parašytas taip

IF = Vs - VD / Rs

Kur,

'IF' yra išankstinė srovė

‘Vs’ yra įtampos šaltinis

„VD“ - tai šviesos diodo įtampos kritimas

‘Rs’ yra srovę ribojantis rezistorius

Nukritusios įtampos kiekis nugalėti išeikvojimo srities barjerą. Šviesos diodo įtampos kritimas svyruos nuo 2V iki 3V, o Si arba Ge diodas yra 0,3, kitaip 0,7 V.

Taigi, šviesos diodą galima valdyti naudojant aukštą įtampą, palyginti su Si arba Ge diodais.
Šviesos diodai, norėdami veikti, sunaudoja daugiau energijos nei silicio ar germanio diodai.

Šviesos diodų tipai

Yra skirtingų tipų šviesos diodai kai kurie iš jų yra paminėti žemiau.

• Galio arsenidas (GaAs) - infraraudonasis
• Galio arsenido fosfidas (GaAsP) - nuo raudonos iki infraraudonos, oranžinės spalvos
• Aliuminio galio arsenido fosfidas (AlGaAsP) - didelio ryškumo raudona, oranžinė-raudona, oranžinė ir geltona
• Galio fosfidas (GaP) - raudonas, geltonas ir žalias
• Aliuminio galio fosfidas (AlGaP) - žalias
• Galio nitridas (GaN) - žalia, smaragdo žalia
• Galio indio nitridas (GaInN) - beveik ultravioletinis, melsvai žalias ir mėlynas
• Silicio karbidas (SiC) - mėlynas kaip substratas
• Cinko selenidas (ZnSe) - mėlynas
• Aliuminio galio nitridas (AlGaN) - ultravioletiniai

LED darbo principas

Šviesą skleidžiančio diodo veikimo principas pagrįstas kvantine teorija. Kvantinė teorija sako, kad kai elektronas nusileidžia iš aukštesnio energijos lygio į žemesnį energijos lygį, tada energija sklinda iš fotono. Fotonų energija yra lygi energijos tarpui tarp šių dviejų energijos lygių. Jei PN jungties diodas yra nukreiptas į priekį, srovė teka per diodą.

LED darbo principas

Srovės srautą puslaidininkiuose lemia skylių srautas priešinga srovei ir elektronų srautas srovės kryptimi. Taigi dėl šių krūvininkų srauto bus rekombinacija.

Rekombinacija rodo, kad laidumo juostoje esantys elektronai šokinėja žemyn į valentinę juostą. Kai elektronai pereis iš vienos juostos į kitą, elektronai skleis elektromagnetinę energiją fotonų pavidalu, o fotonų energija bus lygi draudžiamam energijos tarpui.

Pavyzdžiui, panagrinėkime kvantinę teoriją, fotono energija yra tiek Plancko konstantos, tiek elektromagnetinės spinduliuotės dažnio sandauga. Parodyta matematinė lygtis

Eq = hf

Kur jo vadinama Plancko konstanta ir elektromagnetinės spinduliuotės greitis yra lygus šviesos greičiui, t. Dažnio spinduliuotė yra susijusi su šviesos greičiu kaip f = c / λ. λ žymimas kaip elektromagnetinės spinduliuotės bangos ilgis, o aukščiau pateikta lygtis taps a

Eq = jis / λ

Iš pirmiau pateiktos lygties galime pasakyti, kad elektromagnetinės spinduliuotės bangos ilgis yra atvirkščiai proporcingas draudžiamam tarpui. Apskritai silicis, germanio puslaidininkiai, šis draudžiamas energijos tarpas yra tarp būklės, o valentinės juostos yra tokios, kad bendra elektromagnetinės bangos spinduliuotė rekombinacijos metu yra infraraudonosios spinduliuotės forma. Mes negalime pamatyti infraraudonųjų spindulių bangos ilgio, nes jie nepatenka į mūsų matomą diapazoną.

Teigiama, kad infraraudonoji spinduliuotė yra kaip šiluma, nes silicis ir germanio puslaidininkiai nėra tiesioginiai tarpiniai puslaidininkiai, veikiau netiesioginiai tarpiniai puslaidininkiai. Bet tiesioginiuose tarpiniuose puslaidininkiuose maksimalus valentinės juostos energijos lygis ir laidumo juostos minimalus energijos lygis nevyksta tuo pačiu elektronų momentu. Todėl elektronų ir skylių rekombinacijos metu elektronai pereina iš laidumo juostos į valentinę juostą, elektronų juostos impulsas bus pakeistas.

Balti šviesos diodai

Šviesos diodų gamyba gali būti atliekama dviem būdais. Pirmuoju metodu LED lustai, tokie kaip raudona, žalia ir mėlyna, sujungiami į panašią pakuotę, kad būtų sukurta balta šviesa, o antrojoje - fosforescencija. Fosforo fluorescenciją galima apibendrinti epoksidinėje aplinkoje, tada šviesos diodas bus įjungtas per trumpo bangos energiją naudojant „InGaN LED“ įrenginį.

Skirtingų spalvų žibintai, pavyzdžiui, mėlynos, žalios ir raudonos spalvos žibintai, yra keičiami, kad gautųsi skirtingi spalvų pojūčiai, kurie vadinami pagrindinėmis priedų spalvomis. Šie trys šviesos intensyvumai pridedami vienodai, kad būtų sukurta balta šviesa.

Tačiau norint pasiekti šį derinį, derinant žalius, mėlynus ir raudonus šviesos diodus, kuriems reikia sudėtingo elektrooptinio dizaino, kad būtų galima valdyti skirtingų spalvų derinį ir sklaidą. Be to, šis požiūris gali būti sudėtingas dėl LED spalvos pokyčių.

Baltos šviesos diodų produktų linija daugiausia priklauso nuo vienos šviesos diodų lusto, naudojant fosforo dangą. Ši danga sukuria baltą šviesą, patekusią į ultravioletinius, kitaip mėlynus, fotonus. Tas pats principas taikomas ir liuminescencinėms lemputėms, dėl ultravioletinių spindulių, išsiskyrusių iš elektros iškrovos vamzdyje, fosforas mirksės baltai.

Nors šis šviesos diodų procesas gali generuoti skirtingus atspalvius, skirtumus galima kontroliuoti tikrinant. Baltos šviesos diodų įtaisai tikrinami naudojant keturias tikslias spalvų koordinates, esančias šalia CIE diagramos centro.

CIE diagrama apibūdina visas pasiekiamas spalvų koordinates pasagos kreivėje. Švarios spalvos guli virš lanko, tačiau baltas galiukas yra centre. Baltą LED išvesties spalvą galima pavaizduoti per keturis taškus, kurie pavaizduoti grafiko viduryje. Nors keturios grafiko koordinatės yra arti švarios baltos spalvos, šie šviesos diodai paprastai nėra veiksmingi kaip įprastas šviesos šaltinis, kad apšviestų spalvotus lęšius.

Šie šviesos diodai yra daugiausia naudingi baltiems, kitaip skaidriems lęšiams, neskaidrūs. Kai ši technologija bus tobulinama, balti šviesos diodai tikrai įgis apšvietimo šaltinio ir indikacijos reputaciją.

Šviesos efektyvumas

Šviesos diodų šviesos efektyvumas gali būti apibrėžiamas kaip pagamintas šviesos srautas lm kiekvienam įrenginiui ir elektros energija gali būti naudojama W ribose. Nominali vidinė mėlynos spalvos šviesos diodų efektyvumo tvarka yra 75 lm / W Šviesos diodai turi 155 lm / W. Dėl vidinės pakartotinės absorbcijos žaliųjų ir gintarinių šviesos diodų šviesos efektyvumo tvarka svyruoja nuo 20 iki 25 lm / W, atsižvelgiant į nuostolius. Šis efektyvumo apibrėžimas taip pat žinomas kaip išorinis efektyvumas ir yra analogiškas efektyvumo apibrėžimui, paprastai naudojamas kitokio tipo šviesos šaltiniams, pavyzdžiui, daugiaspalviams LED.

Daugiaspalvis šviesos diodas

Šviesos diodas, gaminantis vieną spalvą, kai jie jungiasi į priekį ir gamina spalvą, kai jie jungiasi atvirkščiai, yra žinomas kaip daugiaspalvis LED.

Tiesą sakant, šiuose šviesos dioduose yra dvi PN jungtys ir jas galima prijungti lygiagrečiai su vieno, susijusio su kito katodu, anodu.

Įvairiaspalviai šviesos diodai paprastai būna raudoni, kai jie nukreipiami į vieną pusę, ir žalios spalvos, kai jie būna nukreipti į kitą pusę. Jei šis šviesos diodas labai greitai įsijungia tarp dviejų poliškumų, šis šviesos diodas sukurs trečią spalvą. Žalias arba raudonas šviesos diodas generuos geltonos spalvos šviesą, kai ji bus greitai perjungiama atgal ir į priekį tarp šališko poliškumo.

Koks skirtumas tarp diodo ir šviesos diodo?

Pagrindinis skirtumas tarp diodo ir šviesos diodo apima šiuos dalykus.

I-V LED charakteristikos

Rinkoje yra įvairių tipų šviesos diodų ir yra skirtingų LED charakteristikų, kurios apima spalvinę šviesą arba bangos ilgio spinduliuotę, šviesos intensyvumą. Svarbi šviesos diodo charakteristika yra spalva. Pradedant naudoti LED, yra vienintelė raudona spalva. Kadangi puslaidininkių proceso metu ir atliekant naujų šviesos diodų metalų tyrimus padidėja šviesos diodų naudojimas, susidarė skirtingos spalvos.

I-V LED charakteristikos

Šioje diagramoje parodytos apytikslės priekinės įtampos ir srovės kreivės. Kiekviena grafiko kreivė nurodo skirtingą spalvą. Lentelėje pateikiama šviesos diodų charakteristikų santrauka.

LED charakteristikos

Kokios yra dviejų tipų LED konfigūracijos?

Standartinės šviesos diodų konfigūracijos yra dvi panašios į spinduolius, taip pat COB

Emiteris yra vienas matuoklis, pritvirtintas prie plokštės, tada prie šilumos kriauklės. Ši plokštė suteikia elektros energiją spinduolio link, taip pat išskiria šilumą.

Siekdami sumažinti išlaidas ir padidinti šviesos tolygumą, tyrėjai nustatė, kad šviesos diodų pagrindą galima atskirti ir vieną štampą galima atvirai pritvirtinti prie plokštės. Taigi ši konstrukcija vadinama COB (chip-on-board array).

Šviesos diodų privalumai ir trūkumai

šviesos diodo privalumai įtraukti šiuos dalykus.

• Šviesos diodų kaina yra mažesnė ir jie yra nedideli.
• Naudojant šviesos diodą valdoma elektros energija.
• Šviesos diodo intensyvumas skiriasi mikrokontrolerio pagalba.
• Ilgas tarnavimo laikas
• Energiją taupančių
• Jokio apšilimo laikotarpio
• Tvirtas
• Neturi įtakos šalta temperatūra
• Kryptinis
• Spalvų perteikimas yra puikus
• Draugiškas aplinkai
• Valdomas

šviesos diodo trūkumai įtraukti šiuos dalykus.

• Kaina
• Temperatūros jautrumas
• Temperatūros priklausomybė
• Šviesos kokybė
• Elektrinis poliškumas
• Įtampos jautrumas
• Efektyvumas nukrenta
• Poveikis vabzdžiams

Šviesos diodo taikymai

Yra daugybė šviesos diodų pritaikymų ir kai kurie iš jų yra paaiškinti toliau.

• LED naudojamas kaip lemputė namuose ir pramonėje
• Šviesos diodai naudojami motocikluose ir automobiliuose
• Jie naudojami mobiliuosiuose telefonuose pranešimui rodyti
• Prie šviesoforo signalų naudojami šviesos diodai

Taigi šiame straipsnyje aptariama šviesos diodo apžvalga grandinės veikimo principas ir taikymas. Tikiuosi, kad perskaitę šį straipsnį įgijote šiek tiek pagrindinės ir darbinės šviesos diodo informacijos. Jei turite klausimų apie šį straipsnį arba apie paskutinį elektros projektą, nedvejodami pakomentuokite toliau pateiktame skyriuje. Štai jums klausimas, Kas yra šviesos diodas ir kaip jis veikia?