Mikä on valodiodi: toimii ja sen sovellukset
LED on puolijohdevalolähde kahdella johdolla. Nick Holonyak keksi valodiodin vuonna 1962, kun hän oli General Electricin palveluksessa. LED on ainutlaatuinen diodi, jonka sähköiset ominaisuudet ovat verrattavissa PN-liitosdiodin sähköisiin ominaisuuksiin. Näin ollen LED sallii sähkön virtauksen yhteen suuntaan ja estää sen toiseen suuntaan. Alle 1 mm2 on kaikki, mitä LED vie. LEDejä käytetään erilaisissa sähkö- ja elektroniikkaprojekteissa. Tässä artikkelissa käsitellään LEDin toimintaa ja sen käyttöä.
Valodiodi: mikä se on?
P-n-liitosdiodi toimii valodiodina. Se on ainutlaatuinen puolijohteen muoto ja erityisen seostettu diodi. Light{4}}diodi on laite, joka lähettää valoa, kun se on esijännitetty.
Kaksi pientä valon säteilyä osoittavaa nuolta erottavat LED-symbolin diodisymbolista, minkä vuoksi sitä kutsutaan LEDiksi (light{0}}emitting diode). LEDissä on kaksi liitintä: katodi (-) ja anodi (+). (-).
LED-symboli LED-symbolirakenne
LEDin rakenne on melko yksinkertaista, koska se on suunniteltu kerrostamalla kolme puolijohdemateriaalikerrosta substraatin päälle. Nämä kolme kerrosta sijoitetaan päällekkäin siten, että ylin kerros on P--tyyppinen kerros, keskikerros on aktiivinen kerros ja alin kerros on N--tyyppinen kerros. Rakenteen avulla voidaan nähdä puolijohdemateriaalin kolme vyöhykettä. Rakenteessa aukot ovat P--tyypin alueella, valinnat ovat läsnä N--tyypin alueella ja sekä reikiä että elektroneja on läsnä aktiivisella alueella.
LED palaa tasaisesti, koska elektroneja tai reikiä ei virtaa, kun jännitettä ei ole. LED-valo muuttuu eteenpäin esijännitetyksi heti, kun jännite syötetään, jolloin N--alueen elektronit ja P--alueen reiät kulkevat aktiiviselle alueelle. Tyhjennysalue on toinen nimi tälle alueelle. Valoa voidaan tuottaa polariteettivarausten rekombinaatiolla, koska varauksenkuljettajilla, kuten rei'illä, on positiivinen varaus, kun taas elektroneilla on negatiivinen varaus.
Mikä on valodiodin prosessi?
Kutsumme valodiodin{0}}yleensä diodiksi. Elektronit ja reiät virtaavat nopeasti liitoksen poikki, kun diodi on esijännitetty, ja ne yhdistyvät jatkuvasti ja ajavat toisiaan pois tieltä. Se yhdistyy reikiin juuri kun elektronit siirtyvät n--tyypistä p--tyypin piiksi ja katoavat sitten.
Venäläinen keksijä Oleg Losev kehitti ensimmäisen LEDin vuonna 1927 ja julkaisi osan tutkimuksensa teoreettisista perusteista.
Professori Kurt Lechovec testasi häviäjien hypoteeseja vuonna 1952 ja selitti ensimmäiset LEDit.
Ensimmäisen vihreän LED-valon loivat vuonna 1958 Rubin Braunstein ja Egon Loebner.
Nicholas Holonyak loi punaisen LEDin vuonna 1962. Näin valmistuu ensimmäinen LED.
Ensimmäinen tietokone, joka käytti LEDejä piirilevyllä, oli IBM:n malli vuodelta 1964.
Hewlett Packard (HP) esitteli LEDit laskimissa vuonna 1968.
Sinisen LEDin loivat Jacques Pankove ja Edward Miller vuonna 1971.
Sähköinsinööri M. George Crawford loi keltaisen LEDin vuonna 1972.
Walden C. Rhines ja Herbert Maruska Staffordin yliopistosta loivat vuonna 1986 sinisen LEDin magnesiumilla ja tulevaisuuden standardeilla.
Hiroshi Amano ja fyysikko Isamu Akaski loivat galliumnitridin erinomaisilla sinisillä LEDeillä vuonna 1993.
Shuji Nakamura, sähköinsinööri, loi ensimmäisen korkean kirkkauden sinisen LEDin Amanos & Akaski -kehityksen avulla, mikä vauhditti valkoisten LEDien kehitystä.
Vuonna 2002 asuinkäyttöön käytettiin valkoisia LED-valoja, joiden hinta on 80–100 puntaa per lamppu.
LED-valot ovat saavuttaneet suuren suosion yrityksissä, sairaaloissa ja kouluissa vuonna 2008.
Tärkeimmät valonlähteet vuonna 2019 ovat LEDit; Tämä on merkittävä läpimurto, koska LED-valoja voidaan nyt käyttää valaisemaan useita paikkoja, kuten koteja, toimistoja, sairaaloita ja kouluja.
Biasoiva valodiodipiiri
Useimmissa LED-valoissa on jännitearvot 1–3 volttia, kun taas eteenpäin suuntautuvan virran arvot ovat 200–100 mA.
LEDin bias
LED toimii oikein, jos siihen on kytketty 1-3 voltin jännite, koska virran virtaus osoittaa, että jännite on toiminta-alueella. Vastaavasti, jos LEDille on annettu jännite, joka on korkeampi kuin sen käyttöjännite, suuri virta aiheuttaa tyhjennysalueen epäonnistumisen. Tämä odottamaton korkea virrankulutus hajottaa gadgetin.
Kytkemällä vastus sarjaan jännitelähteen ja LEDin kanssa tämä voidaan estää. LEDien turvalliset virtatasot vaihtelevat välillä 200 mA - 100 mA, kun taas LEDien turvalliset jännitearvot vaihtelevat välillä 1 V - 3 V.
Tässä vastusta, joka on sijoitettu jännitelähteen ja LEDin väliin, kutsutaan virtaa rajoittavaksi vastukseksi, koska tämä vastus säätelee virran kulkua, muuten LED voi tappaa sen. Joten tämä vastus on välttämätön LEDin suojaamiseksi.
LEDin kautta kulkevan virran matemaattisen virran yhtälö on
JOS=Vs – VD/Rs
Jossa,
"JOS" virta on eteenpäin
Jännitelähde "Vs"
Jännitehäviö valodiodin{0}} yli on merkitty "VD:llä".
Rs on vastus, joka rajoittaa virtaa.
jännitehäviö, joka tarvitaan murtautumaan ehtymisalueen esteen läpi. Kun Si- tai Ge-diodin jännitehäviö on 0,3 V tai vähemmän, LED-jännitehäviö on 2-3 V.
Toisin kuin Si- tai Ge-diodeissa, LED-valoa voidaan käyttää korkealla jännitteellä.
Pii- tai germaniumdiodeihin verrattuna valodiodit vaativat enemmän energiaa{0}} toimiakseen.
Light{0}}diodityypit
Light{0}}diodeja on useita erilaisia, joista osa on lueteltu alla.
Infra-punainen galliumarsenidi (GaAs) ja punaisesta infra-punaiseen, oranssi galliumarsenidifosfidi (GaAsP)
Korkean-kirkkauden punaiset, oranssit-punaiset, oranssit ja keltaiset LEDit, jotka on valmistettu alumiinigalliumarsenidifosforista (AlGaAsP)
Punainen, keltainen ja vihreä galliumfosfaatti (GaP)
Vihreä on alumiinigalliumfosfidin (AlGaP) väri, smaragdinvihreä galliumnitridin (GaN) väri ja sininen gallium-indiumnitridin (GaInN) väri.
Substraattina piikarbidi (SiC) sinisenä
Sininen sinkkiselenidi (ZnSe) ja ultraviolettialumiinin galliumnitridi (AlGaN)
LEDin toimintaperiaate
Kvanttiteoria toimii perustana valodiodin toiminnalle. Kvanttiteorian mukaan fotoni vapauttaa energiaa, kun elektroni laskeutuu korkeammasta energiatilasta alhaisempaan. Näiden kahden energiatason välinen energiaero on yhtä suuri kuin fotonin energia. Kun PN--liitosdiodin myötäsuuntainen biasoitu tila saavutetaan, virta kulkee diodin läpi.
LEDin toimintaperiaate
Virran vastakkainen aukkojen virtaus ja virran suuntainen elektronien virtaus saavat virran kulkemaan puolijohteissa. Siten rekombinaatio tapahtuu näiden varauksenkuljettajien liikkeen seurauksena.
Johtavuuskaistan elektronit hyppäävät alas valenssikaistalle rekombinaation mukaan. Elektronit vapauttavat sähkömagneettista energiaa fotoneina, kun ne siirtyvät kaistalta toiselle, ja fotonienergia on yhtä suuri kuin kielletty energiarako.
Harkitse kvanttiteoriaa esimerkkinä. Tämän teorian mukaan fotonin energia on yhtä suuri kuin sen taajuuden ja Planckin vakion summa. Matemaattinen kaava tulee näkyviin.
Eq=hf
jossa kutsutaan Planckin vakioksi, ja sähkömagneettisen säteilyn nopeus, jota merkitään symbolilla c, on yhtä suuri kuin valon nopeus. Kuten af= c /, säteilytaajuuden ja valonnopeuden välinen suhde. Edellinen yhtälö johtaa sähkömagneettisen säteilyn aallonpituudena missä
Eq=he / λ
Sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus on kääntäen verrannollinen kiellettyyn aukkoon yllä olevan yhtälön mukaisesti. Yleensä pii- ja germaniumpuolijohteiden kunto ja valenssikaistat ovat sellaiset, että sähkömagneettisten aaltojen täydellinen säteily rekombinaation aikana tapahtuu infrapunasäteilyn muodossa. Infrapuna-aallonpituudet ovat meille näkymättömiä, koska ne ovat näkyvän valon alueen ulkopuolella.
Koska pii- ja germaniumpuolijohteet ovat epäsuoria rakopuolijohteita eikä suoria välipuolijohteita, infrapunasäteilyä kutsutaan usein lämmöksi. Valenssikaistan korkeinta energiatasoa ja johtavuuskaistan minimienergiatasoa ei kuitenkaan ole, kun elektroneja on läsnä suorarakopuolijohteissa. Tämän seurauksena elektronikaistan liikemäärä vaihtelee elektronien ja reikien rekombinaation tai elektronien siirtymisen aikana johtavuuskaistalta valenssikaistalle.
Kirkkaat LEDit
LEDien valmistamiseen voidaan käyttää kahta menetelmää. Ensimmäisessä menetelmässä punaiset, vihreät ja siniset LED-sirut yhdistetään yhdeksi pakkaukseksi valkoisen valon tuottamiseksi, kun taas toisessa menetelmässä käytetään fosforesenssia. Loisteaineen fluoresenssia ympäröivä epoksi voidaan laskea yhteen, ja InGaN LED -laite aktivoi LEDin käyttämällä lyhytaallonpituutta -säteilyä.
Useiden värien elämysten luomiseksi, joita kutsutaan primäärisä lisäväreiksi, eri värivaloja, kuten sinisiä, vihreitä ja punaisia valoja, yhdistetään eri määrinä. Valkoinen valo syntyy yhdistämällä tasaisesti nämä kolme valovoimakkuutta.
Kuitenkin, jotta tämä yhdistelmä saadaan aikaan käyttämällä vihreiden, sinisten ja punaisten LEDien yhdistelmää, tarvitaan haastava elektro{0}}optinen arkkitehtuuri eri värien yhdistämisen ja levittämisen hallintaan. Lisäksi tämä menetelmä voi olla haastava LED-sävyn vaihteluiden vuoksi.
Yksi fosforipinnoitteinen LED-siru käyttää suurimman osan valkoisen LED-tuotelinjan tehosta. Kun tämä pinnoite altistetaan ultraviolettisäteilylle sinisten fotonien sijaan, syntyy valkoista valoa. Sama teoria pätee myös loistelamppuihin; putken sisällä oleva sähköpurkaus lähettää UV-säteilyä, mikä saa loisteaineen vilkkumaan valkoisena.
Vaikka tämä LED-tekniikka voi tuottaa erilaisia sävyjä, varianssia voidaan säädellä seulomalla. Valkoisiin LED{1}}-pohjaisiin laitteisiin suojataan neljää tarkkaa värikoordinaatista, jotka ovat lähellä CIE-kaavion keskustaa.
Kaikki saavutettavissa olevat värikoordinaatit hevosenkenkäkäyrässä näkyvät CIE-kaaviossa. Kaaren puhtaat sävyt leviävät, mutta valkoinen piste on keskellä. Neljää pistettä, jotka näkyvät kaavion keskellä, voidaan käyttää edustamaan valkoista LED-tulosteen väriä. Kuvaajan neljä koordinaattia ovat lähes puhtaan valkoisia, mutta nämä LEDit eivät yleensä toimi yhtä hyvin kuin tavallinen valonlähde värillisten linssien valaisemiseksi.
Nämä LEDit ovat edullisimpia valkoisille, muuten läpinäkyville linsseille, joissa on läpinäkymätön taustavalo. Valkoiset LEDit tulevat epäilemättä suositummiksi valaistuksen lähteenä ja indikaattorina niin kauan kuin tämä tekniikka kehittyy.
Loistava tehokkuus
Jokaisen LED-yksikön tuotettu valovirta mitataan lm:inä, kun taas sähkönkulutus mitataan watteina. Punaisten LEDien 155 lm/W, ruskeiden LEDien 500 lm/W ja sinisten LEDien sisäinen tehokkuusluokka on 75 lm/W. Tappiot voidaan katsoa johtuvan sisäisestä reabsorptiosta; vihreiden ja keltaisten LEDien valotehokkuus on 20-25 lm/W. Tämä tehokkuuden käsite, joka tunnetaan myös nimellä ulkoinen tehokkuus, on verrattavissa tehokkuuden käsitteeseen, jota tyypillisesti käytetään muuntyyppisille valonlähteille, kuten monivärisille LEDeille.
Diodivalonlähde useissa väreissä
Moniväriset LEDit ovat valoa{0}}emittoivia diodeja, jotka liitettyinä eteenpäin esijännitteellä luovat yhden sävyn ja käänteisellä esijännityksellä kytkettynä tuottavat toisen värin.
Näissä LEDeissä on itse asiassa kaksi PN{0}}liitosta, ja ne voidaan kytkeä rinnakkain yhdistämällä toisen katodi toisen anodiin.
Yhteen suuntaan esijännitettyinä moniväriset LEDit ovat tyypillisesti punaisia ja vastakkaiseen suuntaan esiasetettuina vihreitä. Tämä LED tuottaa kolmannen värin, jos se sytytetään hyvin nopeasti kahden napaisuuden välillä. Kun vihreä tai punainen LED-valo vaihdetaan nopeasti esijännitysnapaisuuden välillä, se tuottaa keltaisen värillisen valon.
Mitkä ovat kaksi erilaista LED-asetusta?
Kaksi samanlaista emitteriä ja COB:ta ovat LED-perusasetukset.
Emitteri on yksi suulake, joka kiinnitetään jäähdytyselementtiin ennen kuin se asetetaan piirilevyä kohti. Tämä piirilevy vetää lämpöä pois emitteristä ja tuottaa samalla sähköä.
Tutkijat havaitsivat, että LED-substraatti voidaan poistaa ja yksi suulake voidaan asettaa vapaasti piirilevylle, mikä auttaa vähentämään kustannuksia ja parantamaan valon tasaisuutta. Tästä syystä tämä malli tunnetaan nimellä COB (chip-on-board array).
LEDien edut ja haitat
Seuraavassa on joitain valodiodien etuja.
LEDit ovat pieniä ja niiden hinta on halvempi.
Sähköä ohjataan ledillä.
Mikroprosessorin avulla LEDin voimakkuus voi vaihdella.
pitkään
energian kannalta tehokas
Ei-peliä edeltävää lämmittelyä
Karu
kylmät lämpötilat eivät vaikuta siihen
Erinomainen suunnattu värintoisto
Hallittava ja ympäristöystävällinen
Seuraavassa on joitain LED-tekniikan haittoja.
Hinta
herkkyys lämpötilalle
lämpötilaherkkyys
Sähkön napaisuus ja valaistuksen laatu
Sähköinen herkkyys
Tehokkuus romahtaa
Tulos hyönteisille
Käytetään valo{0}}diodeihin
LEDillä on lukuisia käyttötarkoituksia, joista osa on kuvattu alla.
Sekä kotitalouksissa että yrityksissä LED-valoja käytetään lamppuina.
Autoissa ja moottoripyörissä{0}} käytetään valodiodeja.
Viesti näytetään näitä käyttämällä matkapuhelimissa.
Ledejä käytetään liikennevaloissa.
Tämän seurauksena tämä artikkeli tarjoaa yleiskatsauksen valodiodipiirien soveltamisesta ja toimintateoriasta. Toivon, että olet oppinut joitakin perustavanlaatuisia ja käytännöllisiä faktoja valodiodista lukemalla tämän artikkelin.
Jos haluat lisätietoja, kiinnitä huomiotaBENWEI:n virallinen verkkosivusto
