Mis on valgusdiood: töö ja selle rakendused
LED on kahe juhtmega pooljuhtvalgusallikas. Valgusdioodi leiutas 1962. aastal Nick Holonyak, kui ta töötas General Electricus. LED on ainulaadne diood, mille elektrilised omadused on võrreldavad PN-siirdedioodi omadega. Seega laseb LED elektril voolata ühes suunas, blokeerides selle teises suunas. LED võtab enda alla vaid alla 1 mm2. LED-e kasutatakse mitmesugustes elektri- ja elektroonikaprojektides. Selles artiklis käsitletakse LED-i tööd ja selle kasutusalasid.
Valgusdiood: mis see on?
P-n-siirdediood toimib valgusdioodina. See on ainulaadne pooljuhtide vorm ja eriti legeeritud diood. Valgusdiood on seade, mis kiirgab valgust, kui see on ettepoole kallutatud.
Kaks pisikest noolt, mis näitavad valguse kiirgamist, eristavad LED-sümbolit dioodisümbolist, mistõttu seda nimetatakse LED-iks (valgusdiood). LED-il on kaks terminali: katood (-) ja anood (+). (-).
LED-sümbol LED-sümboli ehitus
LED-i konstruktsioon on üsna lihtne, kuna see on loodud kolme pooljuhtmaterjali kihi sadestamise teel aluspinnale. Need kolm kihti asetatakse üksteise peale, kusjuures ülemine kiht on P--tüüpi kiht, keskmine kiht on aktiivne ja alumine kiht on N--tüüpi kiht. Struktuur võimaldab näha pooljuhtmaterjali kolme tsooni. Struktuuris on augud P-tüüpi piirkonnas, valimised N-tüüpi piirkonnas ning aktiivses piirkonnas on nii augud kui elektronid.
LED on püsiv, kuna pinge puudumisel ei toimu elektronide voogu ega auke. Valgusdiood muutub pingega varustamisel ettepoole, mistõttu N-piirkonnas olevad elektronid ja P-piirkonna augud liiguvad aktiivsesse piirkonda. Ammendumispiirkond on selle piirkonna teine nimi. Valgust saab tekitada polaarsuslaengute rekombinatsiooni teel, kuna laengukandjatel, näiteks aukudel, on positiivne laeng, elektronidel aga negatiivne laeng.
Mis on valgusdioodi protsess?
Tavaliselt viitame valgusdioodile-dioodile. Elektronid ja augud voolavad kiiresti üle ristmiku, kui diood on ettepoole kallutatud, ning nad ühendavad pidevalt ja tõrjuvad üksteist teelt. See ühineb aukudega just siis, kui elektronid lülituvad n--tüüpi ränilt p--tüüpi ränile, seejärel kaob.
Vene leiutaja Oleg Losev töötas välja esimese LED-i 1927. aastal ja avaldas osa oma uurimistöö teoreetilistest alustest.
Professor Kurt Lechovec kontrollis kaotajate hüpoteese 1952. aastal ja andis selgitusi esimeste LED-ide kohta.
Esimese rohelise LED-i lõid 1958. aastal Rubin Braunstein ja Egon Loebner.
Nicholas Holonyak lõi punase LED-i aastal 1962. Nii valmib esimene LED.
Esimene arvuti, mis kasutas trükkplaadil LED-e, oli IBMi mudel aastast 1964.
Hewlett Packard (HP) tutvustas LED-id kalkulaatorites 1968. aastal.
Sinise LED-i lõid Jacques Pankove ja Edward Miller 1971. aastal.
Elektriinsener M. George Crawford lõi kollase LED-i 1972. aastal.
Magneesiumi ja tulevikustandarditega sinise LED-i lõid 1986. aastal Walden C. Rhines ja Herbert Maruska Staffordi ülikoolist.
Hiroshi Amano ja füüsik Isamu Akaski lõid 1993. aastal suurepäraste siniste LED-idega galliumnitriidi.
Elektriinsener Shuji Nakamura lõi Amanose & Akaski edusammude abil esimese suure heledusega sinise LED-i, mis kiirendas valget värvi LED-ide väljatöötamist.
2002. aastal kasutati elamiseks valgeid LED-e, mis maksavad 80–100 naela pirni kohta.
LED-valgustid on 2008. aastal kogunud suurt populaarsust ettevõtetes, haiglates ja koolides.
Peamised valgusallikad 2019. aastal on LED-id; see on märkimisväärne läbimurre, kuna LED-e saab nüüd kasutada mitmesuguste kohtade, sealhulgas kodude, kontorite, haiglate ja koolide valgustamiseks.
Eelpingestusega valgusdioodi ahel
Enamiku LED-ide pinge on vahemikus 1 kuni 3 volti, samas kui pärivoolu nimiväärtused on vahemikus 200 kuni 100 mA.
LED-i kallutatus
LED-tuli töötab õigesti, kui sellele on rakendatud pinge vahemikus 1 kuni 3 volti, kuna vooluvool näitab, et pinge on töövahemikus. Sarnaselt sellele, kui LED-le on antud pinge, mis on kõrgem kui selle tööpinge, põhjustab suur vooluvool ammendumistsooni rikke. See ettenägematu suur vooluvool ajab vidina katki.
Ühendades takisti järjestikku pingeallika ja LED-iga, saab seda vältida. LED-ide ohutud voolutasemed on vahemikus 200 mA kuni 100 mA, samas kui LED-ide ohutu pinge on vahemikus 1 V kuni 3 V.
Siin nimetatakse pingeallika ja LED-i vahel asuvat takistit voolu piiravaks takistiks, kuna see takisti reguleerib voolu voolu, vastasel juhul võib LED selle tappa. Seega on see takisti LED-i kaitsmiseks hädavajalik.
Valgusdioodi kaudu voolava voolu matemaatilise voolu võrrand on
KUI=Vs – VD/Rs
kus,
"IF" vool on edasi
Pingeallikas "Vs"
Pingelangus valgusdioodil{0}}on tähistatud tähega "VD".
Rs on takisti, mis piirab vooluvoolu.
pingelang, mis on vajalik ammendumise piirkonna barjääri läbimiseks. Kui Si või Ge dioodi pingelang on 0,3 V või vähem, jääb LED-i pingelangus vahemikku 2–3 V.
Erinevalt Si või Ge dioodidest võib LED-i kasutada kõrge pingega.
Räni- või germaaniumdioodidega võrreldes vajavad valgusdioodid{0}}töötamiseks rohkem energiat.
Valgusdioodide tüübid-
Valgusdioode- on mitmesuguseid, millest mõned on allpool loetletud.
Infra-punane galliumarseniid (GaAs) ja punane kuni infra-punane, oranž galliumarseniidfosfiid (GaAsP)
Kõrge -heledusega punased, oranžid{1}}punased, oranžid ja kollased LED-id, mis on valmistatud alumiinium-galliumarseniidi fosforist (AlGaAsP)
Punane, kollane ja roheline galliumfosfaat (GaP)
Roheline on alumiinium-galliumfosfiidi (AlGaP), smaragdroheline on galliumnitriidi (GaN) värv ja sinine on gallium-indiumnitriidi (GaInN) värv.
Substraadina sinine ränikarbiid (SiC).
Sinine tsinkseleniid (ZnSe) ja ultraviolett-alumiinium-galliumnitriid (AlGaN)
LED-i tööpõhimõte
Kvantteooria on valgusdioodi töö alus-. Kvantteooria järgi vabastab footon energiat, kui elektron laskub kõrgemast energiatasemest madalamasse. Nende kahe energiataseme energia erinevus on võrdne footoni energiaga. Kui PN-siirdedioodi päripingestatud olek on saavutatud, läbib vool dioodi.
LED-i tööpõhimõte
Aukude vool voolu vastassuunas ja elektronide vool voolu suunas on need, mis põhjustavad voolu pooljuhtides. Seega toimub nende laengukandjate liikumise tulemusena rekombinatsioon.
Juhtivusriba elektronid hüppavad vastavalt rekombinatsioonile alla valentsribale. Elektromagnetilist energiat vabastavad elektronid footonitena, kui nad liiguvad ühest ribast teise ja footoni energia on võrdne keelatud energiavahega.
Vaatleme näitena kvantteooriat. Selle teooria kohaselt võrdub footoni energia tema sageduse ja Plancki konstandi summaga. Kuvatakse matemaatiline valem.
Võrrand=hf
kus seda nimetatakse Plancki konstandiks ja elektromagnetkiirguse kiirus, mida tähistatakse sümboliga c, on võrdne valguse kiirusega. Nagu af= c /, seos kiirgussageduse ja valguse kiiruse vahel. Eelnev võrrand annab tulemuseks elektromagnetilise kiirguse lainepikkuse kus
Võrrand=he / λ
Elektromagnetilise kiirguse lainepikkus on ülaltoodud võrrandi kohaselt pöördvõrdeline keelatud vahega. Üldiselt on räni- ja germaaniumist pooljuhtide seisukord ja valentsribad sellised, et elektromagnetlainete täielik kiirgus rekombinatsiooni käigus toimub infrapunakiirguse kujul. Infrapuna lainepikkused on meile nähtamatud, kuna jäävad nähtava valguse ulatusse.
Kuna räni- ja germaaniumpooljuhid on pigem kaudse vahega pooljuhid kui otsese vahega pooljuhid, nimetatakse infrapunakiirgust sageli soojuseks. Valentsriba kõrgeimat energiataset ja juhtivusriba minimaalset energiataset aga ei eksisteeri siis, kui elektronid esinevad otsevahega pooljuhtides. Selle tulemusena muutub elektronriba impulss elektronide ja aukude rekombinatsiooni või elektronide migratsiooni ajal juhtivusribast valentsribale.
Heledad LED-id
LED-ide tootmiseks saab kasutada kahte meetodit. Esimese meetodi puhul kombineeritakse punased, rohelised ja sinised LED-kiibid valge valguse saamiseks ühte paketti, teises meetodis aga kasutatakse fosforestsentsi. Fosfori fluorestsentsi saab summeerida ja InGaN LED-seade aktiveerib LED-i, kasutades lühikese lainepikkusega kiirgust.
Mitme värviaistingu loomiseks, mida nimetatakse põhilisavärvideks, kombineeritakse erinevas koguses erinevaid värvitulesid, nagu sinine, roheline ja punane tuli. Valge valgus tekib nende kolme valgustugevuse ühtlasel kombineerimisel.
Selle kombinatsiooni saavutamiseks roheliste, siniste ja punaste LED-tulede kombinatsiooniga on siiski vaja keerukat elektro-optilist arhitektuuri erinevate värvide kombinatsiooni ja hajutamise haldamiseks. Lisaks võib see meetod olla keeruline LED-i toonide erinevuste tõttu.
Üks luminofoorkattega LED-kiip toidab enamikku valgest LED-tootesarjast. Kui see kate puutub siniste footonite asemel kokku ultraviolettkiirgusega, tekib valge valgus. Sama teooria kehtib ka luminofoorlampide kohta; toru sees olev elektrilahendus kiirgab UV-kiirgust, mille tõttu luminofoor hakkab valgelt vilkuma.
Kuigi see LED-tehnika võib anda erinevaid toone, saab variatsioone reguleerida sõelumisega. Kasutades nelja täpset värvikoordinaati, mis on CIE diagrammi keskpunkti lähedal, kuvatakse valged LED{1}}põhised seadmed.
Kõik saavutatavad värvikoordinaadid hobuseraua kõveras on näidatud CIE diagrammil. Kaare puhtad toonid on hajutatud, kuid valge punkt on keskel. Nelja punkti, mis on näidatud graafiku keskel, saab kasutada valge LED-i väljundvärvi tähistamiseks. Graafiku neli koordinaati on peaaegu puhasvalged, kuid need LED-id ei tööta tavaliselt nii hästi kui tavaline valgusallikas värviliste läätsede valgustamiseks.
Need LED-id on kõige kasulikumad valgete, muidu läbipaistvate läbipaistmatu taustvalgustusega läätsede jaoks. Valged LED-id muutuvad valgusallikana ja indikaatorina kahtlemata populaarsemaks seni, kuni see tehnoloogia areneb.
Hiilgav tõhusus
Iga LED-i ühiku toodetud valgusvoogu mõõdetakse lm-des, elektritarbimist mõõdetakse W-des. Punaste LED-ide puhul on see 155 lm/W, merevaigukollaste LED-ide puhul 500 lm/W ja siniste LED-ide sisemise efektiivsuse järjekord on 75 lm/W. Kahju võib pidada sisemise reabsorptsiooni tõttu; roheliste ja merevaigukollaste LED-ide valgustugevus on vahemikus 20–25 lm/W. See tõhususe kontseptsioon, mida tuntakse ka välise efektiivsusena, on võrreldav efektiivsuse mõistega, mida tavaliselt kasutatakse muud tüüpi valgusallikate, näiteks mitmevärviliste LED-ide puhul.
Dioodvalgusallikas paljudes värvides
Mitmevärvilised LED-id on{0}}valgusdioodid, mis ühendatuna ettepoole nihkega loovad ühe tooni ja vastupidise nihkega ühendamisel teise värvi.
Nendel LED-idel on tegelikult kaks PN{0}}liidet ja neid on võimalik paralleelselt ühendada, ühendades ühe katoodi teise anoodiga.
Ühes suunas kallutatuna on mitmevärvilised LED-id tavaliselt punased ja vastupidises suunas kallutatud rohelised. See LED annab kolmanda värvi, kui see lülitub kahe polaarsuse vahel väga kiiresti sisse. Kiiresti kallutatud polaarsuste vahel vahetades tekitab roheline või punane LED kollast värvi valgust.
Millised on LED-ide kaks erinevat seadistust?
Kaks sarnast emitterit ja COB-d on LED-i põhiseaded.
Emiter on üks stants, mis kinnitatakse enne trükkplaadi poole paigutamist jahutusradiaatori külge. See trükkplaat tõmbab soojuse emitterist eemale, pakkudes samal ajal elektrit.
Uurijad leidsid, et LED-substraati saab eemaldada ja üksiku stantsi saab vabalt trükkplaadile asetada, mis aitab vähendada kulusid ja parandada valguse ühtlust. Seetõttu tuntakse seda kujundust kui COB-i (chip-on-board array).
LED-ide eelised ja puudused
Järgmised on valgusdioodide{0}} eelised.
LEDid on väikesed ja madalama hinnaga.
Elektrit juhitakse LED-lampide abil.
Mikroprotsessori abil võib LED-i intensiivsus varieeruda.
kaua aega
energiatõhusad
Mängueelset{0}}soojendust pole
Vastupidav
külmad temperatuurid ei mõjuta
Suurepärane suunatav värviedastus
Kontrollitav ja keskkonnasõbralik
Järgnevalt on toodud mõned LED-tehnoloogia puudused.
Hind
tundlikkus temperatuuri suhtes
temperatuuri tundlikkus
Elektri polaarsus ja valgustuse kvaliteet
Elektriline tundlikkus
Tõhusus langeb
Tulemus putukate jaoks
Kasutatakse valgusdioodide{0}} jaoks
LED-il on palju kasutusviise, millest mõnda kirjeldatakse allpool.
Nii majapidamistes kui ettevõtetes kasutatakse LED-e pirnidena.
Valgusdioode{0}}kasutatakse autodes ja mootorratastes.
Sõnum kuvatakse mobiiltelefonides neid kasutades.
Valgusfoori signaalide juures kasutatakse LEDid.
Sellest tulenevalt annab see artikkel ülevaate valgusdioodahelate{0}}rakendusest ja tööteooriast. Loodetavasti õppisite seda artiklit lugedes mõningaid põhilisi ja praktilisi fakte valgusdioodide{2} kohta.
Lisateabe saamiseks pöörake tähelepanuBENWEI ametlik veebisait
