Co to jest dioda elektroluminescencyjna: działanie i jej zastosowania

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





Dioda elektroluminescencyjna to dwuprzewodowe półprzewodnikowe źródło światła. W 1962 roku Nick Holonyak wpadł na pomysł diody elektroluminescencyjnej i pracował dla firmy General Electric. Diody LED są specjalnym rodzajem diod i mają podobne właściwości elektryczne do diod złączowych PN. Stąd dioda LED umożliwia przepływ prądu w kierunku do przodu i blokuje prąd w kierunku wstecznym. Dioda LED zajmuje niewielką powierzchnię, która jest mniejsza niż 1 mmdwa . Zastosowania diod LED służył do wykonywania różnych projektów elektrycznych i elektronicznych. W tym artykule omówimy zasadę działania diody LED i jej zastosowania.

Co to jest dioda elektroluminescencyjna?

Dioda elektroluminescencyjna to dioda złączowa p-n . Jest to dioda specjalnie domieszkowana, zbudowana ze specjalnego rodzaju półprzewodników. Kiedy światło emituje w kierunku do przodu, nazywa się to diodą elektroluminescencyjną.




Dioda LED

Dioda LED

Symbol diody LED



Symbol diody jest podobny do symbolu diody, z wyjątkiem dwóch małych strzałek, które określają emisję światła, dlatego nazywany jest LED (dioda elektroluminescencyjna). Dioda LED zawiera dwa zaciski, a mianowicie anodę (+) i katodę (-). Symbol diody LED pokazano poniżej.

Symbol diody LED

Symbol diody LED

Budowa diody LED

Konstrukcja diody LED jest bardzo prosta, ponieważ została zaprojektowana poprzez nałożenie trzech warstw materiału półprzewodnikowego na podłoże. Te trzy warstwy są ułożone jedna po drugiej, gdzie górny region jest typu P, środkowy jest aktywny i wreszcie dolny jest typu N. W konstrukcji można zaobserwować trzy obszary materiału półprzewodnikowego. W konstrukcji region typu P obejmuje dziury, region typu N obejmuje wybory, podczas gdy region aktywny zawiera zarówno dziury, jak i elektrony.

Gdy napięcie nie jest przyłożone do diody LED, nie ma przepływu elektronów i dziur, więc są one stabilne. Po przyłożeniu napięcia dioda LED będzie spolaryzowana do przodu, więc elektrony w regionie N i dziury z regionu P przemieszczą się do obszaru aktywnego. Region ten jest również znany jako region zubożenia. Ponieważ nośniki ładunku, takie jak dziury, mają ładunek dodatni, podczas gdy elektrony mają ładunek ujemny, więc światło może być generowane poprzez rekombinację ładunków biegunowości.


Jak działa dioda elektroluminescencyjna?

Dioda elektroluminescencyjna nazywana jest po prostu diodą. Kiedy dioda jest spolaryzowana do przodu, elektrony i dziury poruszają się szybko w poprzek złącza i są stale łączone, usuwając się nawzajem. Wkrótce po przejściu elektronów z krzemu typu n do krzemu typu p, łączy się on z dziurami, a następnie znika. W związku z tym sprawia, że ​​cały atom jest bardziej stabilny i daje mały impuls energii w postaci małej paczki lub fotonu światła.

Działanie diody elektroluminescencyjnej

Działanie diody elektroluminescencyjnej

Powyższy diagram pokazuje, jak działa dioda elektroluminescencyjna i krok po kroku proces diagramu.

  • Z powyższego diagramu możemy zauważyć, że krzem typu N ma kolor czerwony, w tym elektrony, które są zaznaczone czarnymi kółkami.
  • Krzem typu P jest koloru niebieskiego i zawiera dziury, zaznaczone białymi kółkami.
  • Zasilanie przez złącze p-n powoduje, że dioda jest spolaryzowana do przodu i popycha elektrony z typu n do typu p. Wypychanie otworów w przeciwnym kierunku.
  • Elektron i dziury na skrzyżowaniu są połączone.
  • Fotony są wydzielane podczas rekombinacji elektronów i dziur.

Historia diody elektroluminescencyjnej

Diody LED zostały wynalezione w 1927 roku, ale nie był to nowy wynalazek. Krótki przegląd historii diod LED omówiono poniżej.

  • W roku 1927 Oleg Losev (rosyjski wynalazca) stworzył pierwszą diodę LED i opublikował pewną teorię na temat swoich badań.
  • W roku 1952 prof. Kurt Lechovec przetestował teorie przegranych i wyjaśnił pierwsze diody LED.
  • W 1958 roku Rubin Braunstein & Egon Loebner wynalazł pierwszą zieloną diodę LED
  • W roku 1962 Nick Holonyak opracował czerwoną diodę LED. Tak więc powstaje pierwsza dioda LED.
  • W roku 1964 IBM po raz pierwszy wdrożył diody LED na płytce drukowanej w komputerze.
  • W roku 1968 HP (Hewlett Packard) zaczął używać diod LED w kalkulatorach.
  • W roku 1971 Jacques Pankove i Edward Miller wynaleźli niebieską diodę LED
  • W roku 1972, M. George Crawford (inżynier elektryk) wynalazł żółtą diodę LED.
  • W 1986 roku Walden C. Rhines i Herbert Maruska z University of Stafford wynaleźli niebieską diodę LED z magnezem, uwzględniając przyszłe standardy.
  • W roku 1993 Hiroshi Amano & Physicists Isamu Akaski opracował azotek galu z wysokiej jakości niebieskimi diodami LED.
  • Inżynier elektryk, taki jak Shuji Nakamura, opracował pierwszą niebieską diodę LED o wysokiej jasności dzięki rozwojowi Amanos & Akaski, która szybko prowadzi do ekspansji białych diod LED.
    W 2002 roku do celów mieszkalnych używano białych diod LED, które ładowały się od 80 do 100 funtów za każdą żarówkę.
  • W roku 2008 oświetlenie LED stało się bardzo popularne w biurach, szpitalach i szkołach.
  • W roku 2019 diody LED stały się głównymi źródłami światła
  • Rozwój diod LED jest niesamowity, ponieważ obejmuje małe wskazania do oświetlenia biur, domów, szkół, szpitali itp.

Obwód diody elektroluminescencyjnej do polaryzacji

Większość diod LED ma napięcie znamionowe od 1 V do 3 V, podczas gdy wartości znamionowe prądu przewodzenia mieszczą się w zakresie od 200 mA do 100 mA.

Promieniowanie LED

Promieniowanie LED

Jeżeli napięcie (od 1V do 3V) zostanie przyłożone do diody LED, to działa ona prawidłowo, ponieważ przepływ prądu dla przyłożonego napięcia będzie w zakresie roboczym. Podobnie, jeśli napięcie przyłożone do diody LED jest wyższe niż napięcie robocze, wówczas obszar zubożenia w diodzie elektroluminescencyjnej ulegnie zniszczeniu z powodu dużego przepływu prądu. Ten nieoczekiwany duży przepływ prądu spowoduje uszkodzenie urządzenia.

Można tego uniknąć łącząc rezystor szeregowo ze źródłem napięcia i diodą LED. Bezpieczne wartości napięcia znamionowego diod LED będą się mieścić w zakresie od 1 V do 3 V, a bezpieczne wartości znamionowe prądu mieszczą się w zakresie od 200 mA do 100 mA.

Tutaj rezystor, który jest umieszczony między źródłem napięcia a diodą LED, jest znany jako rezystor ograniczający prąd, ponieważ ten rezystor ogranicza przepływ prądu, w przeciwnym razie dioda LED może go zniszczyć. Więc ten rezystor odgrywa kluczową rolę w ochronie diody LED.

Matematycznie przepływ prądu przez diodę LED można zapisać jako

IF = Vs - VD / Rs

Gdzie,

„IF” jest prądem przewodzenia

„Vs” to źródło napięcia

„VD” oznacza spadek napięcia na diodzie elektroluminescencyjnej

„Rs” to rezystor ograniczający prąd

Ilość napięcia spadła, aby pokonać barierę regionu zubożenia. Spadek napięcia diody LED będzie się wahał od 2 V do 3 V, podczas gdy dioda Si lub Ge wynosi 0,3, w przeciwnym razie 0,7 V.

W ten sposób dioda LED może działać przy użyciu wysokiego napięcia w porównaniu z diodami Si lub Ge.
Diody elektroluminescencyjne zużywają do działania więcej energii niż diody krzemowe lub germanowe.

Rodzaje diod elektroluminescencyjnych

Tam są różne rodzaje diod elektroluminescencyjnych obecny, a niektóre z nich są wymienione poniżej.

  • Arsenek galu (GaAs) - podczerwień
  • Fosforek arsenku galu (GaAsP) - od czerwonego do podczerwonego, pomarańczowy
  • Fosforan glinu i galu (AlGaAsP) - czerwony, pomarańczowo-czerwony, pomarańczowy i żółty o wysokiej jasności
  • Fosforek galu (GaP) - czerwony, żółty i zielony
  • Fosforan galu glinu (AlGaP) - zielony
  • Azotek galu (GaN) - zielony, szmaragdowozielony
  • Azotek galu indu (GaInN) - bliski ultrafioletu, niebieskawo-zielony i niebieski
  • Węglik krzemu (SiC) - niebieski jako podłoże
  • Selenek cynku (ZnSe) - niebieski
  • Azotek glinu i galu (AlGaN) - ultrafiolet

Zasada działania diody LED

Zasada działania diody elektroluminescencyjnej opiera się na teorii kwantowej. Teoria kwantowa mówi, że kiedy elektron schodzi z wyższego poziomu energii na niższy poziom energii, energia emituje z fotonu. Energia fotonu jest równa przerwie energetycznej między tymi dwoma poziomami energii. Jeśli dioda złącza PN jest spolaryzowana w przód, wówczas prąd przepływa przez diodę.

Zasada działania diody LED

Zasada działania diody LED

Przepływ prądu w półprzewodnikach jest spowodowany przepływem dziur w kierunku przeciwnym do prądu oraz przepływem elektronów w kierunku prądu. Stąd nastąpi rekombinacja w wyniku przepływu tych nośników ładunku.

Rekombinacja wskazuje, że elektrony w paśmie przewodnictwa skaczą w dół do pasma walencyjnego. Kiedy elektrony przeskakują z jednego pasma do drugiego, elektrony emitują energię elektromagnetyczną w postaci fotonów, a energia fotonu jest równa zakazanej przerwie energetycznej.

Na przykład, rozważmy teorię kwantową, energia fotonu jest iloczynem zarówno stałej Plancka, jak i częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego. Pokazane jest równanie matematyczne

Eq = hf

Gdzie jest znany jako stała Plancka, a prędkość promieniowania elektromagnetycznego jest równa prędkości światła, czyli c. Promieniowanie częstotliwości jest powiązane z prędkością światła jako f = c / λ. λ jest oznaczane jako długość fali promieniowania elektromagnetycznego, a powyższe równanie stanie się a

Eq = he / λ

Z powyższego równania możemy powiedzieć, że długość fali promieniowania elektromagnetycznego jest odwrotnie proporcjonalna do zakazanej przerwy. Na ogół w półprzewodnikach krzemowych, germanowych, ta zabroniona luka energetyczna znajduje się między stanem a pasmami walencyjnymi są takie, że całkowite promieniowanie fali elektromagnetycznej podczas rekombinacji ma postać promieniowania podczerwonego. Nie możemy zobaczyć długości fali podczerwieni, ponieważ są one poza naszym zasięgiem widzialnym.

Mówi się, że promieniowanie podczerwone jest ciepłem, ponieważ krzem i półprzewodniki germanowe nie są bezpośrednimi półprzewodnikami szczelinowymi, a raczej są to półprzewodniki z pośrednią przerwą. Ale w półprzewodnikach z bezpośrednią przerwą maksymalny poziom energii pasma walencyjnego i minimalny poziom energii pasma przewodnictwa nie występuje w tym samym momencie elektronów. Dlatego podczas rekombinacji elektronów i dziur następuje migracja elektronów z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego, a pęd pasma elektronów ulegnie zmianie.

Białe diody LED

Produkcja diod LED może odbywać się za pomocą dwóch technik. W pierwszej technice chipy LED, takie jak czerwony, zielony i niebieski, są łączone w podobny pakiet, aby generować białe światło, podczas gdy w drugiej technice wykorzystuje się fosforescencję. Fluorescencję w luminoforze można podsumować w otoczeniu epoksydu, a następnie dioda LED zostanie aktywowana za pomocą energii krótkofalowej za pomocą urządzenia InGaN LED.

Różne kolorowe światła, takie jak niebieskie, zielone i czerwone, są łączone w zmiennych ilościach, aby uzyskać różne wrażenia kolorystyczne, znane jako podstawowe kolory addytywne. Te trzy intensywności światła są dodawane jednakowo, aby wygenerować światło białe.

Ale aby osiągnąć tę kombinację poprzez kombinację zielonych, niebieskich i czerwonych diod LED, które wymagają skomplikowanej konstrukcji elektrooptycznej do kontrolowania kombinacji i dyfuzji różnych kolorów. Ponadto podejście to może być skomplikowane ze względu na zmiany w kolorze diody LED.

Linia produktów białych diod LED opiera się głównie na pojedynczym chipie LED z powłoką fosforową. Powłoka ta generuje białe światło po przejściu przez ultrafiolet, w przeciwnym razie niebieskie fotony. Ta sama zasada dotyczy również żarówek fluorescencyjnych. Emisja ultrafioletu z wyładowania elektrycznego wewnątrz rurki spowoduje migotanie luminoforu na biało.

Mimo że ten proces LED może generować różne odcienie, różnice można kontrolować za pomocą ekranu. Urządzenia z białymi diodami LED są ekranowane przy użyciu czterech dokładnych współrzędnych chromatyczności, które sąsiadują ze środkiem diagramu CIE.

Diagram CIE opisuje wszystkie osiągalne współrzędne kolorów w obrębie krzywej podkowy. Czyste kolory leżą nad łukiem, ale biała końcówka znajduje się w środku. Biały kolor wyjściowy diody LED można przedstawić za pomocą czterech punktów, które są przedstawione na środku wykresu. Mimo że cztery współrzędne wykresu są bliskie czystej bieli, te diody LED zwykle nie są skuteczne jak zwykłe źródło światła do oświetlania kolorowych soczewek.

Te diody LED są głównie przydatne do białych przezroczystych soczewek, nieprzezroczystych podświetlenia. Gdy ta technologia będzie się rozwijać, białe diody LED z pewnością zyskają reputację źródła i wskazania oświetlenia.

Skuteczność świetlna

Skuteczność świetlną diod LED można zdefiniować jako wytwarzany strumień świetlny w lm dla każdej jednostki, a moc elektryczną można wykorzystać w zakresie W. Nominalna kolejność skuteczności wewnętrznej niebieskiej diody LED wynosi 75 lm / W. Bursztynowe diody LED mają 500 lm / W i czerwone Diody LED mają 155 lm / W. Ze względu na wewnętrzną absorpcję zwrotną straty można uwzględnić w kolejności skuteczności świetlnej w zakresie od 20 do 25 lm / W dla diod LED zielonych i bursztynowych. Ta definicja skuteczności jest również znana jako skuteczność zewnętrzna i jest analogiczna do definicji skuteczności zwykle używanej dla innych typów źródeł światła, takich jak wielokolorowe diody LED.

Wielokolorowa dioda elektroluminescencyjna

Dioda elektroluminescencyjna, która wytwarza jeden kolor po połączeniu w przód i wytwarza kolor po połączeniu w odwrotnym polaryzacji, nazywana jest wielokolorową diodą LED.

W rzeczywistości te diody LED zawierają dwa złącza PN, a ich połączenie można wykonać równolegle z anodą jednej, która jest połączona z katodą drugiej.

Wielokolorowe diody LED są zwykle czerwone, gdy są odchylone w jednym kierunku i zielone, gdy są odchylone w innym kierunku. Jeśli ta dioda LED jest zapalona bardzo szybko między dwoma polaryzacjami, to ta dioda LED wygeneruje trzeci kolor. Zielona lub czerwona dioda LED będzie generować żółte światło po szybkim przełączeniu do tyłu i do przodu między polaryzującymi polaryzacjami.

Jaka jest różnica między diodą a diodą LED?

Główna różnica między diodą a diodą LED obejmuje następujące elementy.

Dioda

DOPROWADZIŁO

Urządzenie półprzewodnikowe, podobnie jak dioda, przewodzi po prostu w jednym kierunku.Dioda LED to jeden rodzaj diody, służący do generowania światła.
Projekt diody można wykonać przy użyciu materiału półprzewodnikowego, a przepływ elektronów w tym materiale może nadać ich energii postać ciepła.Dioda LED została zaprojektowana z fosforku galu i arsenku galu, których elektrony mogą generować światło podczas przesyłania energii.

Dioda zamienia prąd zmienny na prąd stałyDioda LED zmienia napięcie na światło
Ma wysokie napięcie przebicia wstecznegoMa niskie napięcie przebicia wstecznego.
Napięcie diody w stanie włączenia wynosi 0,7 V dla krzemu, natomiast dla germanu 0,3 V.Napięcie w stanie włączenia diody LED wynosi w przybliżeniu od 1,2 do 2,0 V.
Dioda jest stosowana w prostownikach napięcia, obwodach obcinających i zaciskających, powielaczach napięcia.

Zastosowania diod LED to sygnalizacja drogowa, reflektory samochodowe, w urządzeniach medycznych, lampy błyskowe kamer itp.

Charakterystyka I-V diod LED

Na rynku dostępne są różne typy diod elektroluminescencyjnych i różne charakterystyki LED, które obejmują barwę światła lub promieniowanie długości fali, natężenie światła. Ważną cechą diody LED jest kolor. W początkowym użyciu diody LED jest jedyny czerwony kolor. Wraz ze wzrostem wykorzystania diod LED za pomocą procesu półprzewodnikowego i prowadzenia badań nad nowymi metalami dla diod LED, powstały różne kolory.

Charakterystyka I-V diod LED

Charakterystyka I-V diod LED

Poniższy wykres przedstawia przybliżone krzywe między napięciem przewodzenia a prądem. Każda krzywa na wykresie oznacza inny kolor. W tabeli przedstawiono podsumowanie charakterystyk diod LED.

Charakterystyka diod LED

Charakterystyka diod LED

Jakie są dwa rodzaje konfiguracji LED?

Standardowe konfiguracje diod LED są dwa podobne do emiterów oraz COB

Emiter to pojedyncza kostka zamontowana w kierunku płytki drukowanej, a następnie do radiatora. Ta płytka drukowana dostarcza energię elektryczną do emitera, jednocześnie odprowadzając ciepło.

Aby pomóc w obniżeniu kosztów, a także poprawić jednorodność światła, badacze ustalili, że podłoże LED można odłączyć, a pojedynczą matrycę można zamontować w sposób otwarty do płytki drukowanej. Więc ten projekt nazywa się COB (tablica chip-on-board).

Zalety i wady diod LED

Plik zalety diody elektroluminescencyjnej obejmują następujące elementy.

  • Koszt diod LED jest niższy i są one niewielkie.
  • Za pomocą diody LED kontrolowana jest energia elektryczna.
  • Intensywność diody LED różni się za pomocą mikrokontrolera.
  • Długa żywotność
  • Energooszczędne
  • Brak okresu rozgrzewania
  • Chropowaty
  • Nie wpływa na niskie temperatury
  • Kierunkowy
  • Odwzorowanie kolorów jest doskonałe
  • Przyjazny dla środowiska
  • Sterowny

Plik wady diody elektroluminescencyjnej obejmują następujące elementy.

  • Cena £
  • Wrażliwość na temperaturę
  • Zależność od temperatury
  • Jakość światła
  • Biegunowość elektryczna
  • Wrażliwość na napięcie
  • Spadek wydajności
  • Wpływ na owady

Zastosowania diody elektroluminescencyjnej

Istnieje wiele zastosowań diod LED, a niektóre z nich zostały wyjaśnione poniżej.

  • Dioda LED jest używana jako żarówka w domach i przemyśle
  • Diody elektroluminescencyjne są stosowane w motocyklach i samochodach
  • Są one używane w telefonach komórkowych do wyświetlania wiadomości
  • Na światłach zastosowano diody sygnalizacyjne

Dlatego w tym artykule omówiono przegląd diody elektroluminescencyjnej Zasada działania i zastosowanie obwodu. Mam nadzieję, że czytając ten artykuł, uzyskałeś podstawowe i robocze informacje na temat diody elektroluminescencyjnej. Jeśli masz jakieś pytania dotyczące tego artykułu lub projektu elektrycznego z ostatniego roku, prosimy o komentarz w poniższej sekcji. Oto pytanie do Ciebie, Co to jest LED i jak działa?