מהי דיודה פולטת אור: עבודה ויישומיה

הדיודה פולטת האור היא מקור אור מוליך למחצה דו-עופתי. בשנת 1962, ניק הולוניאק העלה את הרעיון של דיודה פולטת אור, והוא עבד בחברת החשמל הכללית. ה- LED הוא סוג מיוחד של דיודות ויש להם מאפיינים חשמליים דומים לדיודת צומת PN. מכאן שהנורית מאפשרת זרימת זרם בכיוון קדימה וחוסמת את הזרם בכיוון ההפוך. הנורית תופסת שטח קטן שהוא פחות מ 1 מ'מ^שתיים . היישומים של נוריות LED משמש לייצור פרויקטים שונים של חשמל ואלקטרוניקה. במאמר זה נדון בעקרון העבודה של ה- LED ויישומיו.

מהי דיודה פולטת אור?

הדיודה הפולטת תאורה היא דיודת צומת p-n . זוהי דיודה מסוממת במיוחד ומורכבת מסוג מיוחד של מוליכים למחצה. כאשר האור פולט קדימה מוטה, אז זה נקרא דיודה פולטת אור.

דיודה פולטת אור

סמל לד

סמל ה- LED דומה לסמל דיודה פרט לשני חיצים קטנים המציינים את פליטת האור, ולכן הוא נקרא LED (דיודה פולטת אור). הנורית כוללת שני מסופים, כלומר אנודה (+) והקטודה (-). סמל ה- LED מוצג למטה.

סמל לד

בניית LED

בניית ה- LED פשוטה מאוד מכיוון שהיא מתוכננת באמצעות תצהיר של שלוש שכבות חומר מוליכות למחצה על גבי מצע. שלוש שכבות אלה מסודרות אחת אחת כאשר האזור העליון הוא אזור מסוג P, האזור האמצעי פעיל ולבסוף, האזור התחתון הוא מסוג N. ניתן לראות את שלושת האזורים של חומר מוליך למחצה בבנייה. בבנייה, אזור מסוג P כולל את החורים שהאזור מסוג N כולל בחירות ואילו האזור הפעיל כולל גם חורים ואלקטרונים.

כאשר המתח אינו מופעל על ה- LED, אז אין זרימה של אלקטרונים וחורים ולכן הם יציבים. לאחר הפעלת המתח, ה- LED יעביר קדימה מוטה, כך שהאלקטרונים באזור N והחורים מאזור P יעברו לאזור הפעיל. אזור זה מכונה גם אזור הדלדול. מכיוון שמובילי המטען כמו חורים כוללים מטען חיובי ואילו לאלקטרונים יש מטען שלילי, כך שאפשר ליצור את האור באמצעות רקומבינציה של מטעני קוטביות.

כיצד פועלת הדיודה פולטת האור?

את הדיודה הפולטת אור, אנו מכירים כדיודה. כאשר הדיודה מוטה קדימה, אז האלקטרונים והחורים נעים במהירות על פני הצומת והם משולבים ללא הרף ומסירים זה את זה החוצה. זמן קצר לאחר שהאלקטרונים עוברים מסוג n לסיליקון מסוג p, הוא משתלב עם החורים ואז הוא נעלם. מכאן שהוא הופך את האטום השלם ליציב יותר והוא נותן את פרץ האנרגיה הקטן בצורת חבילה זעירה או פוטון של אור.

עבודה של דיודה פולטת אור

התרשים לעיל מראה כיצד עובדת הדיודה פולטת האור ותהליך שלב אחר שלב של התרשים.

• מהתרשים שלעיל אנו יכולים לראות כי הסיליקון מסוג N הוא בצבע אדום כולל האלקטרונים אשר מסומנים על ידי העיגולים השחורים.
• הסיליקון מסוג P הוא בצבע כחול והוא מכיל חורים, הם מסומנים על ידי העיגולים הלבנים.
• ספק הכוח על פני צומת ה- p-n הופך את הדיודה לקדימה מוטה ודוחף את האלקטרונים מ- n מסוג p. דוחפים את החורים בכיוון ההפוך.
• אלקטרון וחורים בצומת משולבים.
• הפוטונים ניתנים כאשר האלקטרונים והחורים משולבים מחדש.

היסטוריה של דיודה פולטת אור

נוריות LED הומצאו בשנת 1927 אך לא המצאה חדשה. סקירה קצרה של היסטוריית LED נדונה להלן.

• בשנת 1927 אולג לוסב (הממציא הרוסי) יצר נורית ה- LED הראשונה ופרסם תיאוריה כלשהי על מחקריו.
• בשנת 1952 בחן פרופ 'קורט לחובץ את התיאוריות של תיאוריות המפסידים והסביר על נוריות ה- LED הראשונות.
• בשנת 1958 הומצא ה- LED הירוק הראשון על ידי רובין בראונשטיין ואגון לובנר
• בשנת 1962 פותח נורית אדומה על ידי ניק הולוניאק. אז, ה- LED הראשון נוצר.
• בשנת 1964 יישמה יבמ לראשונה מחשב נוריות LED על גבי לוח מעגלים.
• בשנת 1968, HP (Hewlett Packard) החלה להשתמש בנורות LED במחשבונים.
• בשנת 1971 המציאו ז'אק פאנקוב ואדוארד מילר נורית LED כחולה
• בשנת 1972 המציא מ 'ג'ורג' קרופורד (מהנדס חשמל) את נורית הצבע הצהוב.
• בשנת 1986, וולדן סי ריינס והרברט מרוסקה מאוניברסיטת סטפורד המציאו נורית צבע כחולה עם מגנזיום, כולל תקנים עתידיים.
• בשנת 1993, Hiroshi Amano & Physicists Isamu Akaski פיתחו גליום ניטריד עם נוריות צבע כחולות באיכות גבוהה.
• מהנדס חשמל כמו שוג'י נקאמורה פיתח את ה- LED הכחול הראשון בעל הבהירות הגבוהה באמצעות פיתוחים של Amanos & Akaski, מה שמוביל במהירות להרחבת נוריות LED בצבע לבן.
  בשנת 2002 שימשו נוריות LED בצבע לבן למטרות מגורים אשר מטענות כ 80 עד 100 ליש'ט לכל נורה.
• בשנת 2008, נורות LED הפכו פופולריות מאוד במשרדים, בתי חולים ובתי ספר.
• בשנת 2019 נוריות הלד הפכו למקורות האור העיקריים
• פיתוח ה- LED הוא מדהים, שכן הוא נע בין אינדיקציה קטנה לאור המשרדים, הבתים, בתי הספר, בתי החולים וכו '.

מעגל דיודות פולטות אור להטייה

לרוב נוריות הנוריות יש דירוגי מתח מ -1 וולט -3 וולט ואילו דירוגי הזרם קדימה נעים בין 200 mA-100 mA.

הטיית LED

אם המתח (1V עד 3V) מוחל על ה- LED, הוא פועל כראוי עקב זרימת הזרם עבור המתח המיושם יהיה בטווח ההפעלה. באופן דומה, אם המתח המופעל על נורית גבוה ממתח ההפעלה, אז אזור הדלדול בתוך הדיודה פולטת האור יתקלקל בגלל זרימת הזרם הגבוהה. זרם זרם גבוה בלתי צפוי זה יפגע במכשיר.

ניתן להימנע מכך על ידי חיבור נגד בסדרה עם מקור המתח ונורית LED. דירוג המתח הבטוח של נוריות LED יהיה נע בין 1 וולט ל -3 וולט ואילו דירוג הזרם הבטוח נע בין 200 mA ל 100 mA.

כאן, הנגד שמסודר בין מקור המתח ל- LED ידוע כנגד מגביל הזרם מכיוון שנגד זה מגביל את זרימת הזרם אחרת הנורית עשויה להרוס אותו. אז נגד זה ממלא תפקיד מפתח בהגנה על ה- LED.

מתמטית, ניתן לכתוב את זרימת הזרם דרך ה- LED כ-

IF = Vs - VD / Rs

איפה,

'אם' הוא זרם קדימה

'Vs' הוא מקור מתח

'VD' הוא ירידת המתח על פני הדיודה הפולטת אור

'Rs' הוא נגד מגביל זרם

כמות המתח שנפלה כדי להביס את מחסום אזור הדלדול. ירידת המתח LED תנוע בין 2 וולט ל -3 וולט ואילו דיודת Si או Ge היא 0.3 אחרת 0.7 וולט.

לפיכך, ניתן להפעיל את ה- LED באמצעות מתח גבוה בהשוואה לדיודות Si או Ge.
דיודות פולטות אור צורכות יותר אנרגיה מאשר דיודות סיליקון או גרמניום להפעלה.

סוגי דיודות פולטות אור

יש סוגים שונים של דיודות פולטות אור בהווה וחלקם מוזכרים להלן.

• גליום ארסניד (GaAs) - אינפרא אדום
• גליום ארסניד פוספיד (GaAsP) - אדום עד אינפרא אדום, כתום
• אלומיניום גליום ארסניד פוספיד (AlGaAsP) - בהירות גבוהה אדום, כתום-אדום, כתום וצהוב
• גליום פוספיד (GaP) - אדום, צהוב וירוק
• אלומיניום גליום פוספיד (AlGaP) - ירוק
• גליום ניטריד (GaN) - ירוק, ירוק אמרלד
• גליום אינדיום ניטריד (GaInN) - כמעט אולטרה סגול, כחלחל-ירוק וכחול
• סיליקון קרביד (SiC) - כחול כמצע
• אבץ סלניד (ZnSe) - כחול
• אלומיניום גלידיום ניטריד (AlGaN) - אולטרה סגול

עקרון עבודה של לד

עקרון העבודה של הדיודה פולטת האור מבוסס על תורת הקוונטים. תורת הקוונטים אומרת שכאשר האלקטרון יורד מרמת האנרגיה הגבוהה יותר לרמת האנרגיה הנמוכה יותר אז האנרגיה נפלטת מהפוטון. אנרגיית הפוטון שווה לפער האנרגיה בין שתי רמות האנרגיה הללו. אם דיודת צומת ה- PN מוטה קדימה, אז הזרם זורם דרך הדיודה.

עקרון עבודה של לד

זרימת הזרם במוליכים למחצה נגרמת על ידי זרימת חורים בכיוון ההפוך של הזרם וזרימת האלקטרונים לכיוון הזרם. מכאן שתהיה רקומבינציה בגלל זרימתם של נושאות המטען הללו.

הרקומבינציה מצביעה על כך שהאלקטרונים ברצועת ההולכה קופצים מטה אל רצועת הערכיות. כאשר האלקטרונים קופצים מלהקה אחת ללהקה אחרת האלקטרונים פולטים את האנרגיה האלקטרומגנטית בצורת פוטונים ואנרגיית הפוטון שווה לפער האנרגיה האסור.

לדוגמא, הבה נבחן את תורת הקוונטים, האנרגיה של הפוטון היא תוצר של קבוע פלאנק ותדירות של קרינה אלקטרומגנטית. המשוואה המתמטית מוצגת

Eq = hf

איפה שהוא ידוע כקבוע פלנק, ומהירות הקרינה האלקטרומגנטית שווה למהירות האור כלומר ג. קרינת התדרים קשורה למהירות האור כ- f = c / λ. λ מסומן כאורך גל של קרינה אלקטרומגנטית והמשוואה לעיל תהפוך ל

Eq = he / λ

מהמשוואה לעיל אנו יכולים לומר שאורך הגל של הקרינה האלקטרומגנטית הוא ביחס הפוך לפער האסור. בסיליקון כללי, מוליכים למחצה גרמניום פער האנרגיה האסור הזה הוא בין המצב לבין רצועות הערכיות הם כאלה שהקרינה הכוללת של הגל האלקטרומגנטי במהלך רקומבינציה היא בצורה של קרינת אינפרא אדום. אנחנו לא יכולים לראות את אורך הגל של האינפרא אדום כי הם מחוץ לטווח הגלוי שלנו.

הקרינה האינפרא-אדום נאמרת כחום מכיוון שהסיליקון ומוליכים למחצה הגרמניום אינם מוליכים למחצה ישירים אלא אלה מוליכים למחצה פערים עקיפים. אך במוליכים למחצה בפער הישיר, רמת האנרגיה המקסימלית של רצועת הערכיות ורמת האנרגיה המינימלית של רצועת ההולכה אינן מתרחשות באותו רגע של אלקטרונים. לכן, במהלך רקומבינציה של אלקטרונים וחורים הם נדידה של אלקטרונים מפס ההולכה ללהקת הערכיות המומנטום של רצועת האלקטרונים ישתנה.

נוריות LED לבנות

ייצור נוריות יכול להיעשות באמצעות שתי טכניקות. בטכניקה הראשונה שבבי ה- LED כמו אדום, ירוק וכחול מוזגים בתוך חבילה דומה ליצירת אור לבן ואילו בטכניקה השנייה משתמשים בזרחן. ניתן לסכם את הקרינה בתוך הזרחן בתוך האפוקסי שמסביב ואז ה- LED יופעל באמצעות אנרגיית הגל הקצר באמצעות מכשיר ה- InGaN LED.

אורות הצבעים השונים כמו אורות כחולים, ירוקים ואדומים משולבים בכמויות משתנות כדי לייצר תחושת צבע שונה המכונה צבעי תוסף ראשוניים. שלוש עוצמות האור הללו מתווספות באותה מידה כדי ליצור את האור הלבן.

אך כדי להשיג שילוב זה באמצעות שילוב של נוריות LED ירוקות, כחולות ואדומות אשר זקוקות לעיצוב אלקטרו-אופטי מסובך לשליטה על שילוב ופיזור צבעים שונים. יתר על כן, גישה זו יכולה להיות מסובכת בגלל השינויים בצבע LED.

קו המוצרים של LED לבן תלוי בעיקר בשבב LED יחיד באמצעות ציפוי זרחן. ציפוי זה מייצר אור לבן לאחר שנפגע באמצעות פוטונים אולטרה סגולים אחרת כחולים. אותו עיקרון מוחל גם על נורות פלורסנט פליטת אולטרה סגול מהפריקה חשמלית בתוך הצינור תגרום לזרחן להבהב לבן.

למרות שתהליך LED זה יכול ליצור גוונים שונים, ניתן לשלוט בהבדלים על ידי הקרנה. מכשירים מבוססי LED לבנים מוקרנים באמצעות ארבעה קואורדינטות כרומטיות מדויקות אשר צמודות למרכז דיאגרמת ה- CIE.

דיאגרמת ה- CIE מתארת ​​את כל קואורדינטות הצבעים הניתנות להשגה בתוך עקומת הפרסה. צבעים נקיים מונחים מעל הקשת, אך הקצה הלבן נמצא במרכז. ניתן לייצג את צבע הפלט LED הלבן באמצעות ארבע נקודות המיוצגות באמצע הגרף. למרות שארבע קואורדינטות הגרף קרובות ללבן נקי, נוריות נוריות אלו אינן יעילות בדומה למקור אור משותף להארת עדשות צבעוניות.

נוריות LED אלה שימושיות בעיקר לעדשות לבנות שקופות אחרות, תאורה אחורית אטומה. כאשר טכנולוגיה זו ממשיכה להתקדם, נוריות הלבן לבנות בוודאי יקבלו מוניטין כמקור תאורה ואינדיקציה.

יעילות זוהרת

ניתן להגדיר את יעילות האור של נוריות ה- LED כשטף האור המופק ב- lm לכל יחידה וניתן להשתמש בכוח חשמלי בתוך W. הסדר היעילות הפנימי המדורג של LED בצבע כחול הוא 75 lm / W נוריות ענבר יש 500 lm / W & אדום נוריות LED יש 155 lm / W. בגלל ספיגה מחודשת פנימית, ניתן לקחת בחשבון את ההפסדים בסדר היעילות המאירה נע בין 20 ל 25 ל'מ / וו עבור נוריות LED ירוקות וענבריות. הגדרת יעילות זו מכונה גם יעילות חיצונית והיא מקבילה להגדרת היעילות המשמשת בדרך כלל לסוגים אחרים של מקורות אור כמו נורית צבעונית.

דיודה פולטת אור ססגונית

דיודה פולטת אור שמייצרת צבע אחד ברגע שהם התחברו בהטיה קדימה ומייצרת צבע ברגע שהם התחברו בהטיה הפוכה ידועה בשם LED צבעוני.

למעשה, נוריות LED אלה כוללות שני צמתים PN ואת החיבור של זה ניתן לעשות במקביל לאנודה של אחד המקושר לקתודה של אחר.

נוריות LED ססגוניות בדרך כלל אדומות ברגע שהן מוטות לכיוון אחד וירוקות ברגע שהן מוטות לכיוון אחר. אם נורית זו מופעלת במהירות רבה בין שני קוטבים, אז נורית זו תפיק צבע שלישי. נורית LED ירוקה או אדומה תיצור אור בצבע צהוב לאחר שיחלף במהירות קדימה ואחורה בין הקוטבים המוטים.

מה ההבדל בין דיודה ל- LED?

ההבדל העיקרי בין דיודה ל- LED כולל את הדברים הבאים.

מאפייני ה- IV של LED

ישנם סוגים שונים של דיודות פולטות אור קיימות בשוק ויש מאפייני LED שונים הכוללים את אור הצבע, או קרינת אורך הגל, עוצמת האור. המאפיין החשוב של ה- LED הוא צבע. בשימוש התחלתי ב- LED יש את הצבע האדום היחיד. כאשר השימוש ב- LED מוגבר בעזרת תהליך מוליך למחצה וביצוע המחקר על המתכות החדשות עבור LED, נוצרו הצבעים השונים.

מאפייני ה- IV של LED

הגרף הבא מציג את העקומות המשוערות בין המתח קדימה לזרם. כל עקומה בגרף מציינת צבע אחר. הטבלה מציגה סיכום של מאפייני ה- LED.

מאפייני LED

מהם שני סוגי תצורות LED?

התצורות הסטנדרטיות של LED הן פולטות כמו COB

הפולט הוא מתכת אחת המותקנת לעבר לוח מעגל, ואז על גוף קירור. לוח מעגל זה מעניק כוח חשמלי לכיוון הפולט, תוך שהוא שולף חום.

כדי לסייע בהפחתת עלויות כמו גם בהגברת אחידות האור, החוקרים קבעו כי ניתן לנתק את מצע הלד ולרכוב את המשטח הבודד בגלוי. אז העיצוב הזה נקרא COB (מערך שבב-על-לוח).

יתרונות וחסרונות של נוריות LED

ה היתרונות של דיודה פולטת אור כלול את הבאים.

• העלות של נוריות LED נמוכות והן קטנטנות.
• באמצעות החשמל של ה- LED נשלט.
• עוצמת ה- LED שונה בעזרת המיקרו-בקר.
• חיים ארוכים
• חסכונית באנרגיה
• אין תקופת חימום
• מחוספס
• אינו משפיע על ידי טמפרטורות קרות
• כִּוּוּנִי
• עיבוד צבעים מצוין
• ידידותי לסביבה
• ניתן לשליטה

ה חסרונות של דיודה פולטת אור כלול את הבאים.

• מחיר
• רגישות לטמפרטורה
• תלות בטמפרטורה
• איכות אור
• קוטביות חשמלית
• רגישות למתח
• צניחת יעילות
• השפעה על חרקים

יישומים של דיודה פולטת אור

ישנם יישומים רבים של LED וחלקם מוסברים להלן.

• LED משמש כנורה בבתים ובתעשיות
• הדיודות פולטות האור משמשות באופנועים ובמכוניות
• אלה משמשים בטלפונים ניידים להצגת ההודעה
• ברמזור משתמשים ברמזורים

לפיכך, מאמר זה דן סקירה כללית של הדיודה פולטת האור עקרון עבודה מעגל ויישום. אני מקווה שקראתי מאמר זה קיבלת מידע בסיסי ועובד על הדיודה פולטת האור. אם יש לך שאלות לגבי מאמר זה או אודות פרויקט החשמל בשנה האחרונה, אל תהסס להגיב בסעיף שלהלן. הנה שאלה בשבילך, מה זה LED ואיך זה עובד?