Kas ir gaismas diode: darbība un pielietojums
LED ir pusvadītāju gaismas avots ar diviem vadiem. Gaismas diodi 1962. gadā izgudroja Niks Holonjaks, kad viņš strādāja uzņēmumā General Electric. LED ir unikāls diodes veids ar elektriskām īpašībām, kas ir salīdzināmas ar PN savienojuma diodes īpašībām. Tādējādi gaismas diode ļauj elektrībai plūst vienā virzienā, vienlaikus bloķējot to otrā. Mazāk nekā 1 mm2 ir viss, ko LED aizņem. Gaismas diodes tiek izmantotas dažādos elektriskos un elektroniskos projektos. Šajā rakstā tiks apskatīta LED darbība un tās izmantošana.
Gaismas diode: kas tas ir?
P-n savienojuma diode kalpo kā gaismas -izstarojošā diode. Tā ir unikāla pusvadītāju forma un īpaši leģēta diode. Gaismas-diode ir ierīce, kas izstaro gaismu, kad tā ir novirzīta uz priekšu.
Divas mazas bultiņas, kas norāda uz gaismas emisiju, atšķir LED simbolu no diodes simbola, tāpēc to sauc par LED (gaismas -izstarojošo diode). LED ir divas spailes: katods (-) un anods (+). (-).
LED simbols LED simbola uzbūve
LED konstrukcija ir diezgan vienkārša, jo tā ir izstrādāta, uzklājot trīs pusvadītāju materiāla slāņus virs pamatnes. Šie trīs slāņi ir novietoti viens virs otra, un augšējais slānis ir P- tipa slānis, vidējais slānis ir aktīvais slānis un apakšējais slānis ir N- tipa slānis. Struktūra ļauj redzēt trīs pusvadītāju materiāla zonas. Struktūrā caurumi atrodas P-tipa reģionā, vēlēšanas ir N-tipa reģionā, un gan caurumi, gan elektroni atrodas aktīvajā reģionā.
Gaismas diode darbojas vienmērīgi, jo nenotiek elektronu vai caurumu plūsma, ja netiek nodrošināts spriegums. Gaismas diode kļūst novirzīta uz priekšu, tiklīdz tiek piegādāts spriegums, izraisot elektronu N-reģionā un caurumu P-virzīšanu aktīvajā zonā. Noplicināšanas reģions ir cits šīs zonas nosaukums. Gaismu var radīt, rekombinējot polaritātes lādiņus, jo lādiņu nesējiem, piemēram, caurumiem, ir pozitīvs lādiņš, bet elektroniem ir negatīvs lādiņš.
Kāds ir gaismas diodes process?
Mēs parasti apzīmējam gaismas{0}diodes kā diodi. Elektroni un caurumi ātri plūst pāri krustojumam, kad diode ir nobīdīta uz priekšu, un tie nepārtraukti apvienojas un izstumj viens otru no ceļa. Tas apvienojas ar caurumiem tieši brīdī, kad elektroni pārslēdzas no n-tipa uz p-tipa silīciju, pēc tam pazūd.
Krievu izgudrotājs Oļegs Losevs 1927. gadā izstrādāja pirmo LED un publicēja daļu sava pētījuma teorētiskā pamatojuma.
Profesors Kurts Lechovecs 1952. gadā pārbaudīja lūzeru hipotēzes un sniedza skaidrojumu par pirmajām gaismas diodēm.
Pirmo zaļo LED 1958. gadā izveidoja Rubins Braunšteins un Egons Lēbners.
Nicholas Holonyak radīja sarkanu LED 1962. gadā. Tādējādi tiek izgatavota pirmā LED.
Pirmais dators, kas izmantoja LED uz shēmas plates, bija IBM modelis no 1964. gada.
Hewlett Packard (HP) ieviesa LED kalkulatoros 1968. gadā.
Zilo gaismas diožu 1971. gadā izveidoja Žaks Pankovs un Edvards Millers.
Elektroinženieris M. Džordžs Krofords radīja dzelteno LED 1972. gadā.
Zilu LED ar magniju un nākotnes standartiem 1986. gadā izveidoja Walden C. Rhines un Herbert Maruska no Stafordas universitātes.
Hiroshi Amano un fiziķis Isamu Akaski 1993. gadā izveidoja gallija nitrīdu ar izcilām zilām gaismas diodēm.
Shuji Nakamura, elektroinženieris, izveidoja pirmo zilo gaismas diode ar augstu spilgtumu, izmantojot Amanos & Akaski sasniegumus, kas paātrināja balto krāsu LED izstrādi.
2002. gadā dzīvojamo telpu vajadzībām tika izmantotas baltas krāsas gaismas diodes, kuru cena ir no 80 līdz 100 £ par spuldzi.
2008. gadā LED gaismas ir ieguvušas lielu popularitāti uzņēmumos, slimnīcās un skolās.
Galvenie gaismas avoti 2019. gadā ir LED; tas ir ievērojams sasniegums, jo LED tagad var izmantot, lai apgaismotu dažādas vietas, tostarp mājas, birojus, slimnīcas un skolas.
Nobīdes gaismas diodes ķēde
Lielākajai daļai gaismas diožu sprieguma specifikācijas ir no 1 līdz 3 voltiem, savukārt tiešās strāvas nominālie rādītāji ir no 200 līdz 100 mA.
LED novirze
Gaismas diode darbojas pareizi, ja tai ir pielikts spriegums no 1 līdz 3 voltiem, jo strāvas plūsma norāda, ka spriegums ir darbības diapazonā. Līdzīgi tam, ja gaismas diodes spriegums ir lielāks par tā darba spriegumu, liela strāvas plūsma izraisīs izsmelšanas zonas atteici. Šī neparedzētā lielā strāvas plūsma sabojās sīkrīku.
To var novērst, virknē savienojot rezistoru ar sprieguma avotu un LED. Gaismas diožu drošas strāvas līmenis ir no 200 mA līdz 100 mA, savukārt gaismas diožu drošais spriegums ir no 1 V līdz 3 V.
Šeit rezistors, kas atrodas starp sprieguma avotu un LED, tiek saukts par strāvas ierobežojošo rezistoru, jo šis rezistors regulē strāvas plūsmu, pretējā gadījumā LED var to nogalināt. Tātad šis rezistors ir būtisks gaismas diodes aizsardzībai.
Vienādojums matemātiskajai strāvas plūsmai caur LED ir
JA=Vs – VD/Rs
kur,
"JA" strāva ir uz priekšu
Sprieguma avots "Vs"
Sprieguma kritums gaismas{0}}diodē tiek apzīmēts ar "VD".
Rs ir rezistors, kas ierobežo strāvas plūsmu.
sprieguma kritums, kas nepieciešams, lai izlauztos cauri noplicināšanas reģiona barjerai. Ja Si vai Ge diodes sprieguma kritums ir 0,3 V vai mazāks, LED sprieguma kritums būs no 2 līdz 3 V.
Atšķirībā no Si vai Ge diodēm, LED var darbināt ar augstu spriegumu.
Salīdzinot ar silīcija vai germānija diodēm,{0}}gaismas diodēm ir nepieciešams vairāk enerģijas, lai tās darbotos.
Gaismas{0}}diožu veidi
Gaismas{0}}diodes ir dažādas, dažas no tām ir norādītas tālāk.
Infrasarkanais-gallija arsenīds (GaAs) un sarkanais līdz infrasarkanais, oranžais gallija arsenīda fosfīds (GaAsP)
Augsta-spilgtuma sarkanas, oranžas-sarkanas, oranžas un dzeltenas gaismas diodes, kas izgatavotas no alumīnija gallija arsenīda fosfora (AlGaAsP)
Sarkanais, dzeltenais un zaļais gallija fosfāts (GaP)
Zaļā ir alumīnija gallija fosfīda (AlGaP) krāsa, smaragda zaļā ir gallija nitrīda (GaN) krāsa, un zilā ir gallija indija nitrīda (GaInN) krāsa.
Kā substrāts silīcija karbīds (SiC) zilā krāsā
Zilais cinka selenīds (ZnSe) un ultravioletais alumīnija gallija nitrīds (AlGaN)
LED darbības princips
Kvantu teorija ir gaismas diodes darbības pamats. Saskaņā ar kvantu teoriju fotons atbrīvo enerģiju, kad elektrons nolaižas no augstākas enerģijas stāvokļa uz zemāku. Enerģijas atšķirība starp šiem diviem enerģijas līmeņiem ir vienāda ar fotona enerģiju. Kad tiek sasniegts PN-savienojuma diodes uz priekšu vērstais stāvoklis, strāva iet cauri diodi.
LED darbības princips
Caurumu plūsma pretējā virzienā strāvai un elektronu plūsma strāvas virzienā ir tas, kas izraisa strāvas plūsmu pusvadītājos. Tādējādi šo lādiņnesēju kustības rezultātā notiks rekombinācija.
Vadības joslas elektroni lec uz leju līdz valences joslai saskaņā ar rekombināciju. Elektromagnētisko enerģiju elektroni atbrīvo fotonu veidā, kad tie pārvietojas no vienas joslas uz otru, un fotonu enerģija ir vienāda ar aizliegto enerģijas spraugu.
Apsveriet kvantu teoriju kā piemēru. Saskaņā ar šo teoriju fotona enerģija ir vienāda ar tā frekvences un Planka konstantes summu. Tiek parādīta matemātiskā formula.
Eq=hf
kur tiek saukta par Planka konstanti, un elektromagnētiskā starojuma ātrums, kas apzīmēts ar simbolu c, ir vienāds ar gaismas ātrumu. Kā af= c /, attiecība starp starojuma frekvenci un gaismas ātrumu. Iepriekšējais vienādojums radīs kā elektromagnētiskā starojuma viļņa garumu, kur
Eq=he / λ
Saskaņā ar iepriekš minēto vienādojumu elektromagnētiskā starojuma viļņa garums ir apgriezti proporcionāls aizliegtajai spraugai. Kopumā silīcija un germānija pusvadītāju stāvoklis un valences joslas ir tādas, ka pilnīgs elektromagnētisko viļņu starojums rekombinācijas laikā izpaužas infrasarkanā starojuma veidā. Infrasarkanie viļņu garumi mums ir neredzami, jo tie atrodas ārpus redzamās gaismas diapazona.
Tā kā silīcija un germānija pusvadītāji ir netiešās spraugas pusvadītāji, nevis tiešie spraugas pusvadītāji, infrasarkano starojumu bieži sauc par siltumu. Tomēr valences joslas augstākais enerģijas līmenis un vadītspējas joslas minimālais enerģijas līmenis nepastāv, ja elektroni atrodas tiešās spraugas pusvadītājos. Rezultātā elektronu joslas impulss mainīsies elektronu un caurumu rekombinācijas vai elektronu migrācijas laikā no vadīšanas joslas uz valences joslu.
Spilgtas gaismas diodes
Ir divas metodes, ko var izmantot gaismas diožu ražošanai. Pirmajā metodē sarkanās, zaļās un zilās LED mikroshēmas tiek apvienotas vienā iepakojumā, lai iegūtu baltu gaismu, bet otrajā metodē tiek izmantota fosforescence. Epoksīdu, kas ieskauj fosfora fluorescenci, var summēt, un InGaN LED ierīce aktivizēs LED, izmantojot īsa -viļņa garuma starojumu.
Lai radītu vairākas krāsu sajūtas, kas pazīstamas kā primārās piedevas krāsas, dažādu krāsu gaismas, piemēram, zilas, zaļas un sarkanas gaismas, tiek kombinētas dažādos daudzumos. Baltā gaisma tiek radīta, vienmērīgi apvienojot šīs trīs gaismas intensitātes.
Tomēr, lai panāktu šo kombināciju, izmantojot zaļo, zilo un sarkano gaismas diožu kombināciju, ir nepieciešama sarežģīta elektro-optiskā arhitektūra dažādu krāsu kombinācijas un izkliedes pārvaldībai. Turklāt šī metode var būt sarežģīta LED nokrāsas atšķirību dēļ.
Viena LED mikroshēma ar fosfora pārklājumu nodrošina lielāko daļu balto LED produktu līnijas. Kad šis pārklājums tiek pakļauts ultravioletajam starojumam, nevis ziliem fotoniem, rodas balta gaisma. Tāda pati teorija attiecas arī uz dienasgaismas spuldzēm; elektriskā izlāde caurules iekšpusē izstaros UV, kā rezultātā fosfors mirgos baltā krāsā.
Lai gan šī LED tehnika var dot dažādas nokrāsas, atšķirības var regulēt ar skrīningu. Izmantojot četras precīzas krāsas koordinātas, kas atrodas tuvu CIE diagrammas centram, tiek pārbaudītas baltas LED{1}}ierīces.
Visas sasniedzamās krāsu koordinātas pakava līknē ir parādītas CIE diagrammā. Loka tīrās nokrāsas ir izkliedētas, bet baltais punkts atrodas vidū. Četrus punktus, kas parādīti diagrammas vidū, var izmantot, lai attēlotu balto LED izvades krāsu. Četras diagrammas koordinātas ir gandrīz tīri baltas, taču šīs gaismas diodes parasti nedarbojas tik labi kā standarta gaismas avots krāsainu lēcu apgaismošanai.
Šīs gaismas diodes ir visizdevīgākās baltām, citādi caurspīdīgām lēcām ar necaurspīdīgu fona apgaismojumu. Baltās gaismas diodes neapšaubāmi kļūs populārākas kā apgaismojuma avots un indikators, kamēr šī tehnoloģija turpinās attīstīties.
Izcila efektivitāte
Katrai gaismas diodes vienībai saražoto gaismas plūsmu mēra lm, savukārt elektroenerģijas patēriņu mēra W. Sarkanajām gaismas diodēm ir 155 lm/W, dzeltenajām gaismas diodēm – 500 lm/W, bet zilajām gaismas diodēm nominālā iekšējā efektivitāte ir 75 lm/W. Zaudējumus var uzskatīt iekšējās reabsorbcijas dēļ; zaļo un dzintara gaismas diožu gaismas efektivitāte ir no 20 līdz 25 lm/W. Šis efektivitātes jēdziens, kas pazīstams arī kā ārējā efektivitāte, ir salīdzināms ar efektivitātes jēdzienu, ko parasti izmanto cita veida gaismas avotiem, piemēram, daudzkrāsu gaismas diodēm.
Diodes gaismas avots daudzās krāsās
Daudzkrāsu gaismas diodes ir gaismas{0}}izstarojošas diodes, kas, ja tās ir savienotas ar novirzi uz priekšu, rada vienu nokrāsu un, ja tās ir savienotas pretējā virzienā, rada citu krāsu.
Šīm gaismas diodēm faktiski ir divi PN{0}}savienojumi, un tos ir iespējams savienot paralēli, savienojot viena katodu ar otra anodu.
Ja tie ir nobīdīti vienā virzienā, daudzkrāsu gaismas diodes parasti ir sarkanas, un, ja tās ir nobīdītas pretējā virzienā, tās ir zaļas. Šī gaismas diode radīs trešo krāsu, ja tā tiks ļoti ātri ieslēgta starp divām polaritātēm. Ātri pārslēdzoties starp slīpo polaritāti, zaļā vai sarkanā gaismas diode radīs dzeltenas krāsas gaismu.
Kādi ir divi dažādi gaismas diožu iestatījumi?
Divi līdzīgi izstarotāji un COB ir pamata LED iestatījumi.
Izstarotājs ir viens uzgalis, kas ir piestiprināts pie siltuma izlietnes, pirms tas tiek novietots pret shēmas plati. Šī shēmas plate atdala siltumu no emitētāja, vienlaikus nodrošinot elektroenerģiju.
Izmeklētāji atklāja, ka LED substrātu var noņemt un vienu matricu var brīvi novietot uz shēmas plates, palīdzot samazināt izmaksas un uzlabot gaismas vienmērīgumu. Tāpēc šis dizains ir pazīstams kā COB (chip-on-board array).
Gaismas diožu priekšrocības un trūkumi
Tālāk ir norādītas dažas gaismas{0}}diožu priekšrocības.
Gaismas diodes ir mazas un tām ir zemāka cena.
Elektrību kontrolē, izmantojot gaismas diodes.
Ar mikroprocesora palīdzību gaismas diodes intensitāte var mainīties.
ilgu laiku
efektīva attiecībā uz enerģiju
Nav iesildīšanās pirms-spēles
Nelīdzens
to neietekmē aukstā temperatūra
Lieliska virziena krāsu atveide
Kontrolējams un videi draudzīgs
Tālāk ir minēti daži no LED tehnoloģijas trūkumiem.
Cena
jutība pret temperatūru
temperatūras jutība
Elektriskā polaritāte un apgaismojuma kvalitāte
Elektriskā jutība
Efektivitāte krītas
Rezultāts kukaiņiem
Izmanto gaismas{0}}diodēm
Ir daudz LED lietojumu, daži no tiem ir aprakstīti tālāk.
Gan mājsaimniecībās, gan uzņēmumos LED tiek izmantotas kā spuldzes.
Gaismas{0}}diodes tiek izmantotas automašīnās un motociklos.
Ziņojums tiek parādīts, izmantojot tos mobilajos tālruņos.
Gaismas diodes tiek izmantotas pie luksofora signāliem.
Rezultātā šajā rakstā ir sniegts pārskats par gaismas -izstarojošo diožu ķēžu pielietojumu un darbības teoriju. Es ceru, ka, izlasot šo rakstu, esat uzzinājis dažus fundamentālus un praktiskus faktus par gaismas -diodi.
Lai iegūtu vairāk informācijas, lūdzu, pievērsiet uzmanībuBENWEI oficiālā vietne
