מהי דיודה פולטת אור: עבודה ויישומיה
ה-LED הוא מקור אור מוליכים למחצה עם שני מובילים. דיודה פולטת -אור הומצאה בשנת 1962 על ידי ניק הולוניאק כשהועסק על ידי ג'נרל אלקטריק. ה-LED הוא סוג ייחודי של דיודה עם תכונות חשמליות הדומות לאלו של דיודת צומת PN. לפיכך, הנורית מאפשרת לחשמל לזרום בכיוון אחד תוך חסימתו בכיוון השני. פחות מ-1 מ"מ זה כל מה שה-LED תופסת. נוריות LED משמשות במגוון פרויקטים חשמליים ואלקטרוניים. פעולת ה-LED והשימושים שלה יכוונו במאמר זה.
דיודה פולטת אור: מה זה?
דיודת צומת p-n משמשת כדיודת האור-. זוהי צורה ייחודית של מוליכים למחצה ודיודה מסוממת במיוחד. דיודה פולטת -אור היא מכשיר שפולט אור כאשר הוא מוטה קדימה.
שני חיצים זעירים המציינים את פליטת האור מבחינים בין סמל ה-LED לסמל דיודה, וזו הסיבה שהוא נקרא LED (דיודה פולטת-אור). ל-LED יש שני מסופים: הקתודה (-), והאנודה (+). (-).
סמל LED מבנה סמל LED
הבנייה של LED היא פשוטה למדי מכיוון שהיא מתוכננת באמצעות שקיעה של שלוש שכבות חומר מוליכים למחצה על פני מצע. שלוש השכבות הללו ממוקמות אחת על גבי השנייה, כאשר השכבה העליונה היא שכבה מסוג P-, השכבה האמצעית היא שכבה פעילה, והשכבה התחתונה היא שכבה מסוג N-. המבנה מאפשר לראות את שלושת האזורים של חומר מוליכים למחצה. במבנה, חורים קיימים באזור מסוג P-, בחירות קיימות באזור מסוג N-, וגם חורים וגם אלקטרונים נמצאים באזור הפעיל.
הנורית יציבה מכיוון שאין זרימה של אלקטרונים או חורים כאשר לא מסופק מתח. הנורית הופכת מוטה קדימה ברגע שהמתח מסופק, מה שגורם לאלקטרונים באזור N- ולחורים באזור P- לעבור לאזור הפעיל. אזור הדלדול הוא שם אחר לאזור זה. ניתן להפיק אור באמצעות שילוב מחדש של מטענים קוטביים מכיוון שלנשאי המטען, כגון חורים, יש מטען חיובי ואילו לאלקטרונים יש מטען שלילי.
מהו התהליך של דיודה פולטת האור?
בדרך כלל אנו מתייחסים לדיודה פולטת אור-כאל דיודה. האלקטרונים והחורים זורמים במהירות על פני הצומת כאשר הדיודה מוטה קדימה, והם כל הזמן מתאחדים ומרחיקים זה את זה מהדרך. הוא מתחבר עם החורים בדיוק כשהאלקטרונים עוברים מסיליקון מסוג n- לסיליקון מסוג p- ואז נעלם.
אולג לוסב, ממציא רוסי, פיתח את ה-LED הראשון ב-1927 ופרסם חלק מהיסודות התיאורטיים של המחקר שלו.
פרופסור קורט לצ'ובק בדק את השערות המפסידים ב-1952 וסיפק הסבר על הנוריות הראשונות.
ה-LED הירוק הראשון נוצר בשנת 1958 על ידי רובין בראונשטיין ואגון לובנר.
ניקולס חולוניאק יצר LED אדום בשנת 1962. כך נוצר ה-LED הראשון.
המחשב הראשון שהשתמש ב-LED בלוח מעגלים היה מדגם IBM משנת 1964.
Hewlett Packard (HP) הציגה נורות LED למחשבונים בשנת 1968.
LED כחול נוצר על ידי ז'אק פנקובה ואדוארד מילר ב-1971.
מהנדס החשמל מ' ג'ורג' קרופורד יצר את ה-LED הצהוב בשנת 1972.
LED כחול עם מגנזיום ותקנים עתידיים נוצר בשנת 1986 על ידי Walden C. Rhines והרברט Maruska מאוניברסיטת Stafford.
הירושי אמאנו והפיזיקאי איסאמו אקאסקי יצרו גליום ניטריד עם נוריות LED כחולות מצוינות בשנת 1993.
Shuji Nakamura, מהנדס חשמל, יצר את ה-LED הכחול הראשון עם בהירות גבוהה באמצעות התקדמות Amanos & Akaski, מה שהאיץ את הפיתוח של נוריות LED בצבע לבן.
נוריות LED בצבע לבן בעלות של בין 80 ל-100 פאונד לנורה שימשו למטרות מגורים בשנת 2002.
נורות LED זכו לפופולריות רבה בחברות, בתי חולים ובתי ספר בשנת 2008.
מקורות האור העיקריים בשנת 2019 הם נוריות LED; זוהי פריצת דרך יוצאת דופן שכן כעת ניתן להשתמש בנורות LED כדי להאיר מגוון מיקומים, כולל בתים, משרדים, בתי חולים ובתי ספר.
מעגל דיודה פולטת אור מוטה
לרוב נוריות הלד יש מפרט מתח בין 1 ל-3 וולט, בעוד שדירוג הזרם קדימה נופל בין 200 ל-100 mA.
הטיה של LED
הנורית פועלת כהלכה אם מופעל עליה מתח בין 1 ל-3 וולט שכן זרימת הזרם מציינת שהמתח נמצא בטווח התפקוד. בדומה לכך, אם ל-LED יש מתח שניתן לה הגבוה ממתח הפעולה שלה, זרימת הזרם הגבוהה תגרום לכשל של אזור הדלדול. זרימת זרם גבוהה בלתי צפויה זו תפרק את הגאדג'ט.
על ידי חיבור נגד בסדרה עם מקור המתח ונורית LED ניתן למנוע זאת. רמות זרם בטוחות עבור נוריות LED נעות בין 200 mA ל- 100 mA, בעוד שדירוגי מתח בטוחים עבור נוריות LED נעים בין 1V ל-3V.
כאן, הנגד הממוקם בין מקור המתח ל-LED נקרא כנגד מגביל הזרם מכיוון שנגד זה מווסת את זרימת הזרם אחרת ה-LED עלול להרוג אותו. אז, נגד זה חיוני לשמירה על ה-LED.
המשוואה לזרימה המתמטית של הזרם דרך ה-LED היא
IF=לעומת - VD/Rs
אֵיפֹה,
"אם" הזרם הוא קדימה
מקור מתח 'Vs'
נפילת המתח על פני דיודה פולטת האור- מסומנת ב-"VD".
Rs הוא נגד המגביל את זרימת הזרם.
מפל המתח הנדרש כדי לפרוץ את המחסום של אזור הדלדול. כאשר מפל המתח של דיודת Si או Ge הוא 0.3 וולט או פחות, מפל מתח ה-LED יהיה בין 2 ל-3 וולט.
בניגוד לדיודות Si או Ge, ניתן להפעיל את ה-LED במתח גבוה.
בהשוואה לדיודות סיליקון או גרמניום, דיודות פולטות -אור דורשות יותר אנרגיה כדי לפעול.
סוגי דיודות פולטות-אור
דיודות פולטות אור- מגיעות במגוון סוגים, שחלקם מופיעים למטה.
גליום ארסניד אינפרא-אדום (GaAs) ואדום עד אינפרא-אדום, כתום Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP)
נוריות LED אדומות, כתומות, כתומות, צהובות ואדומות-בבהירות גבוהה העשויות מאלומיניום גליום ארסניד זרחן (AlGaAsP)
גליום פוספט אדום, צהוב וירוק (GaP)
ירוק הוא הצבע של אלומיניום גליום פוספיד (AlGaP), ירוק אמרלד הוא צבעו של גליום ניטריד (GaN), וכחול הוא הצבע של גליום אינדיום ניטריד (GaInN).
כמצע, סיליקון קרביד (SiC) בצבע כחול
סלניד אבץ כחול (ZnSe) ואלומיניום גליום ניטריד אולטרה סגול (AlGaN)
עיקרון פעולת LED
תורת הקוונטים משמשת כבסיס לפעולת-הדיודה פולטת האור. לפי תורת הקוונטים, הפוטון משחרר אנרגיה כאשר האלקטרון יורד ממצב אנרגיה גבוה לנמוך יותר. הפרש האנרגיה בין שתי רמות האנרגיה הללו שווה לאנרגיה של הפוטון. כאשר מגיעים למצב המוטה קדימה של דיודת הצומת PN-, זרם עובר דרך הדיודה.
עיקרון פעולת LED
זרימת החורים בכיוון ההפוך לזרם וזרימת האלקטרונים בכיוון הזרם הם שגורמים לזרם לזרום במוליכים למחצה. לפיכך, ריקומבינציה תתרחש כתוצאה מתנועתם של נושאי מטען אלו.
האלקטרונים של רצועת ההולכה קופצים למטה לפס הערכיות, לפי הרקומבינציה. האנרגיה האלקטרומגנטית משתחררת על ידי האלקטרונים כפוטונים כאשר הם עוברים מלהקה אחת לרצועה אחרת, ואנרגיית הפוטונים שווה לפער האנרגיה האסור.
ראה את תורת הקוונטים כדוגמה. לפי תיאוריה זו, האנרגיה של פוטון שווה לסכום התדר שלו וקבוע פלאנק. הנוסחה המתמטית מוצגת.
Eq=hf
שבו מכונה קבוע פלאנק, ומהירות הקרינה האלקטרומגנטית, המסומנת בסמל c, שווה למהירות האור. כ-af= c /, הקשר בין תדירות הקרינה למהירות האור. המשוואה הקודמת תביא כאורך גל של קרינה אלקטרומגנטית איפה
Eq=he / λ
אורך הגל של קרינה אלקטרומגנטית עומד ביחס הפוך לפער האסור, לפי המשוואה לעיל. באופן כללי, מצב ורצועות הערכיות של מוליכים למחצה סיליקון וגרמניום הם כאלה שהקרינה השלמה של גלים אלקטרומגנטיים במהלך הרקומבינציה לובשת צורה של קרינה אינפרא אדומה. אורכי הגל של האינפרא אדום אינם נראים לנו מכיוון שהם מחוץ לטווח האור הנראה.
מכיוון שמוליכי סיליקון וגרמניום הם מוליכים למחצה מרווחים עקיפים ולא מוליכים למחצה מרווחים ישירים, קרינת אינפרא אדום מכונה לעתים קרובות חום. רמת האנרגיה הגבוהה ביותר של פס הערכיות ורמת האנרגיה המינימלית של פס ההולכה אינן קיימות כאשר אלקטרונים נמצאים במוליכים למחצה מרווחים ישירים. כתוצאה מכך, התנע של רצועת האלקטרונים ישתנה במהלך השילוב מחדש של אלקטרונים וחורים או נדידת אלקטרונים מרצועת ההולכה לפס הערכיות.
לדים בהירים
ישנן שתי שיטות שניתן להשתמש בהן לייצור LED. בשיטה הראשונה, שבבי LED אדומים, ירוקים וכחולים משולבים באריזה אחת לייצור אור לבן, בעוד שבשיטה השנייה נעשה שימוש בזרחן. ניתן לסכם את האפוקסי המקיף את הקרינה של הזרחן, ואז מכשיר ה-InGaN LED יפעיל את ה-LED תוך שימוש בקרינה באורך גל קצר.
כדי ליצור תחושות צבע מרובות, הידועים כצבעים תוספים ראשוניים, משולבים אורות צבע שונים, כגון אורות כחולים, ירוקים ואדומים, בכמויות משתנות. האור הלבן נוצר על ידי שילוב שווה של שלוש עוצמות האור הללו.
עם זאת, כדי להשיג שילוב זה באמצעות שילוב של נוריות LED ירוקות, כחולות ואדומות, נדרשת ארכיטקטורה אלקטרו-אופטית מאתגרת לניהול השילוב וההפצה של צבעים שונים. יתר על כן, שיטה זו עשויה להיות מאתגרת בשל הווריאציות בגוון LED.
שבב LED אחד עם ציפוי זרחני מניע את רוב קו מוצרי LED הלבנים. כאשר ציפוי זה נחשף לקרינה אולטרה סגולה במקום פוטונים כחולים, נוצר אור לבן. אותה תיאוריה חלה גם על מנורות פלורסנט; פריקה חשמלית בתוך הצינור תפלוט UV, מה שיגרום לזרחן להבהב בלבן.
למרות שהטכניקה הזו של LED יכולה להניב גוונים מגוונים, ניתן לווסת שונות על ידי הקרנה. באמצעות ארבע קואורדינטות צבעוניות מדויקות הקרובות למרכז דיאגרמת CIE, מוקרנים התקנים מבוססי LED- לבנים.
כל קואורדינטות הצבע הניתנות להשגה בתוך עקומת הפרסה מוצגות בתרשים CIE. הגוונים הנקיים של הקשת פרוסים, אך הנקודה הלבנה נמצאת באמצע. ניתן להשתמש בארבע נקודות המוצגות באמצע הגרף כדי לייצג את צבע הפלט הלבן של LED. ארבע הקואורדינטות של הגרפים הן כמעט לבן טהור, אך נוריות LED אלו בדרך כלל אינן פועלות כמו מקור אור סטנדרטי להארת עדשות צבעוניות.
נוריות LED אלה מועילות ביותר עבור עדשות לבנות, שקופות אחרת, עם תאורה אחורית אטומה. נורות לד לבנות ללא ספק יהפכו לפופולריות יותר כמקור תאורה וכאינדיקטור כל עוד הטכנולוגיה הזו ממשיכה להתפתח.
יעילות מבריקה
שטף האור המיוצר עבור כל יחידה של הלדים נמדד ב-lm, בעוד שצריכת החשמל נמדדת ב-W. ללדים האדומים יש 155 lm/W, ללדים בצבע ענבר יש 500 lm/W, ולדים כחולים יש סדר יעילות פנימי מדורג של 75 lm/W. ניתן לשקול את ההפסדים בגלל ספיגה פנימית- מחדש; יעילות האור עבור נוריות LED ירוקות וענברות היא בין 20 ל-25 lm/W. מושג זה של יעילות, המכונה גם יעילות חיצונית, דומה לרעיון היעילות המשמש בדרך כלל עבור סוגים אחרים של מקורות אור, כגון נוריות LED רב-צבעוניות.
מקור אור דיודה בצבעים רבים
נוריות LED מרובות צבע הן דיודות פולטות אור- שכאשר הן מחוברות בהטיה קדימה, יוצרות גוון אחד, וכאשר הן מחוברות בהטיה הפוכה, מייצרות צבע אחר.
לנורות הלד הללו יש למעשה שני צמתים PN-, וניתן לחבר אותם במקביל על ידי חיבור הקתודה של אחד לאנודה של האחרת.
כאשר מוטות בכיוון אחד, נוריות LED מרובות צבע הן בדרך כלל אדומות, וכאשר מוטות בכיוון ההפוך, הן ירוקות. LED זה יפיק צבע שלישי אם הוא מופעל מהר מאוד בין שני קוטביות. מעבר מהיר בין קוטביות הטיה, נורית ירוקה או אדומה תייצר אור בצבע צהוב.
מהן שתי ההגדרות השונות עבור נוריות LED?
שני פולטים דומים ו-COBs הם ההגדרות הבסיסיות של LED.
הפולט הוא תבנית בודדת המחוברת לגוף קירור לפני מיקומו לכיוון לוח מעגלים. לוח מעגל זה שואב חום מהפולט ובו זמנית מספק כוח חשמלי.
החוקרים גילו שניתן להסיר את מצע ה-LED ולהניח את התבנית הבודדת בחופשיות אל המעגל, מה שעוזר להפחית עלויות ולשפר את אחידות האור. לפיכך, עיצוב זה ידוע בשם COB (מערך שבב-על-לוח).
יתרונות וחסרונות של נוריות LED
להלן כמה יתרונות של-דיודות פולטות אור.
לדים קטנים ומחירם נמוך יותר.
החשמל נשלט על ידי שימוש בנורות LED.
בעזרת המיקרו-מעבד, עוצמת ה-LED יכולה להשתנות.
זמן רב
יעיל מבחינת אנרגיה
אין חימום לפני-משחק
מְחוּספָּס
לא מושפע מטמפרטורות קפואות
עיבוד צבעים כיווני נהדר
ניתן לשליטה וידידותי לסביבה
להלן כמה מהחסרונות של טכנולוגיית LED.
מְחִיר
רגישות לטמפרטורה
רגישות לטמפרטורה
קוטביות חשמל ואיכות תאורה
רגישות לחשמל
היעילות צונחת
תוצאה עבור חרקים
משמש עבור דיודות פולטות-אור
ישנם שימושים רבים עבור LED, חלקם מתוארים להלן.
הן במשקי הבית והן בעסקים, נוריות LED משמשות כנורות.
דיודות פולטות אור-משמשות במכוניות ובאופנועים.
ההודעה מוצגת באמצעות אלה בטלפונים ניידים.
לדים משמשים ברמזור.
כתוצאה מכך, מאמר זה מציע סקירה כללית של תיאוריית היישום והעבודה של-מעגלי דיודות פולטות אור. אני מקווה שלמדת כמה עובדות בסיסיות ומעשיות על דיודה פולטת האור- על ידי קריאת מאמר זה.
למידע נוסף, אנא שימו לבהאתר הרשמי של BENWEI
