Wat is een lichtgevende diode: werking en toepassingen ervan
De LED is een halfgeleiderlichtbron met twee draden. Een licht-emitterende diode werd in 1962 uitgevonden door Nick Holonyak toen hij in dienst was bij General Electric. De LED is een uniek soort diode met elektrische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van een PN-junctiediode. Daarom laat de LED elektriciteit in de ene richting stromen terwijl deze in de andere richting wordt geblokkeerd. Minder dan 1 mm2 is alles wat de LED in beslag neemt. LED's worden gebruikt in een verscheidenheid aan elektrische en elektronische projecten. De werking van de LED en het gebruik ervan worden in dit artikel behandeld.
Een lichtgevende diode: wat is het?
Een p-n-junctiediode dient als licht-emitterende diode. Het is een unieke vorm van halfgeleider en een bijzonder gedoteerde diode. Een licht-emitterende diode is een apparaat dat licht uitzendt wanneer het voorwaarts gericht is.
Twee kleine pijlen die de emissie van licht aangeven, onderscheiden het LED-symbool van een diodesymbool. Daarom wordt het een LED (licht-emitting diode) genoemd. De LED heeft twee aansluitingen: de kathode (-) en de anode (+). (-).
Het LED-symbool LED-symboolconstructie
De constructie van LED is redelijk eenvoudig omdat het is ontworpen door de afzetting van drie lagen halfgeleidermateriaal op een substraat. Deze drie lagen worden op elkaar geplaatst, waarbij de bovenste laag een laag van het type P- is, de middelste laag een actieve laag en de onderste laag een laag van het type N-. Door de structuur kan men de drie zones van halfgeleidermateriaal zien. In de structuur zijn gaten aanwezig in het P-type gebied, verkiezingen zijn aanwezig in het N-type gebied, en zowel gaten als elektronen zijn aanwezig in het actieve gebied.
De LED is stabiel omdat er geen stroom van elektronen of gaten is als er geen spanning aanwezig is. De LED wordt voorwaarts voorgespannen zodra de spanning wordt geleverd, waardoor de elektronen in het N--gebied en de gaten in het P--gebied naar het actieve gebied reizen. Het uitputtingsgebied is een andere naam voor dit gebied. Licht kan worden geproduceerd door de recombinatie van polariteitsladingen, aangezien de ladingsdragers, zoals gaten, een positieve lading hebben, terwijl elektronen een negatieve lading hebben.
Wat is het proces van de lichtgevende diode?
Meestal noemen we een licht-emitterende diode een diode. De elektronen en gaten stromen snel over de kruising wanneer de diode in voorwaartse richting is voorgespannen, en ze combineren voortdurend en drijven elkaar uit de weg. Het combineert met de gaten net op het moment dat de elektronen overschakelen van n-type naar p-type silicium, en verdwijnt dan.
Oleg Losev, een Russische uitvinder, ontwikkelde de eerste LED in 1927 en publiceerde een deel van de theoretische onderbouwing van zijn onderzoek.
Professor Kurt Lechovec testte de Losers-hypothesen in 1952 en gaf een verklaring voor de eerste LED's.
De eerste groene LED werd in 1958 gemaakt door Rubin Braunstein en Egon Loebner.
Nicholas Holonyak creëerde in 1962 een rode LED. Zo werd de eerste LED gemaakt.
De eerste computer die LED's op een printplaat gebruikte, was een IBM-model uit 1964.
Hewlett Packard (HP) introduceerde in 1968 LED's in rekenmachines.
Een blauwe LED werd in 1971 gemaakt door Jacques Pankove en Edward Miller.
Elektrotechnisch ingenieur M. George Crawford creëerde de gele LED in 1972.
Een blauwe LED met magnesium en toekomstige standaarden werd in 1986 gemaakt door Walden C. Rijns en Herbert Maruska van de Universiteit van Stafford.
Hiroshi Amano en natuurkundige Isamu Akaski creëerden in 1993 een galliumnitride met uitstekende blauwe LED's.
Shuji Nakamura, een elektrotechnisch ingenieur, creëerde de eerste blauwe LED met een hoge helderheid dankzij de vooruitgang van Amanos & Akaski, die de ontwikkeling van witte LED's versnelde.
In 2002 werden witte LED's die tussen £ 80 en £ 100 per lamp kosten, gebruikt voor residentiële doeleinden.
LED-verlichting heeft anno 2008 veel populariteit gewonnen in bedrijven, ziekenhuizen en scholen.
De belangrijkste lichtbronnen in 2019 zijn LED's; dit is een opmerkelijke doorbraak omdat LED's nu kunnen worden gebruikt om een verscheidenheid aan locaties te verlichten, waaronder huizen, kantoren, ziekenhuizen en scholen.
Biasing lichtgevende diodeschakeling
De meeste LED's hebben spanningsspecificaties tussen 1 en 3 volt, terwijl de doorlaatstroom tussen 200 en 100 mA ligt.
De bias van een LED
De LED werkt correct als er een spanning tussen 1 en 3 volt op wordt toegepast, aangezien de stroom aangeeft dat de spanning binnen het werkingsbereik ligt. Op soortgelijke wijze geldt dat als aan een LED een spanning wordt gegeven die hoger is dan de bedrijfsspanning, de hoge stroom er voor zal zorgen dat de uitputtingszone uitvalt. Deze onvoorziene hoge stroomsterkte zal de gadget kapot maken.
Door een weerstand in serie met de spanningsbron en een LED aan te sluiten, kan dit worden voorkomen. Veilige stroomniveaus voor LED's variëren van 200 mA tot 100 mA, terwijl veilige spanningswaarden voor LED's variëren van 1V tot 3V.
Hier wordt de weerstand die zich tussen de spanningsbron en de LED bevindt, de stroombegrenzende weerstand genoemd, omdat deze weerstand de stroomstroom regelt, anders kan de LED deze uitschakelen. Deze weerstand is dus essentieel voor de beveiliging van de LED.
De vergelijking voor de wiskundige stroomstroom via de LED is:
ALS=Vs – VD/Rs
Waar,
"ALS" de stroom is voorwaarts
Spanningsbron 'Vs'
De spanningsval over de licht-emitterende diode wordt aangegeven met 'VD'.
Rs is een weerstand die de stroom beperkt.
de spanningsval die nodig is om de barrière van het uitputtingsgebied te doorbreken. Wanneer de spanningsval van de Si- of Ge-diode 0,3 V of minder bedraagt, zal de spanningsval van de LED tussen 2 en 3 V liggen.
In tegenstelling tot Si- of Ge-diodes kan de LED op hoge spanning worden gebruikt.
Vergeleken met silicium- of germaniumdiodes hebben licht{0}}emitterende diodes meer energie nodig om te werken.
Typen licht-emitterende diodes
Licht-emitterende diodes zijn er in verschillende varianten, waarvan er hieronder enkele worden vermeld.
Infra-rood galliumarsenide (GaAs) en rood tot infrarood-rood, oranje galliumarsenidefosfide (GaAsP)
Hoge-helderheid rode, oranje-rode, oranje en gele LED's gemaakt van aluminium galliumarsenidefosfor (AlGaAsP)
Rood, geel en groen galliumfosfaat (GaP)
Groen is de kleur van aluminiumgalliumfosfide (AlGaP), smaragdgroen is de kleur van galliumnitride (GaN) en blauw is de kleur van galliumindiumnitride (GaInN).
Als substraat siliciumcarbide (SiC) in blauwe kleur
Blauw zinkselenide (ZnSe) en ultraviolet aluminium galliumnitride (AlGaN)
LED-bedieningsprincipe
De kwantumtheorie dient als basis voor de werking van de licht{0}}emitterende diode. Volgens de kwantumtheorie geeft het foton energie vrij wanneer het elektron van een hogere naar een lagere energietoestand afdaalt. Het energieverschil tussen deze twee energieniveaus is gelijk aan de energie van het foton. Wanneer de voorwaartse voorspanning van de PN--junctiediode wordt bereikt, gaat er stroom door de diode.
LED-bedieningsprincipe
De stroom van gaten in de tegenovergestelde richting van de stroom en de stroom van elektronen in de richting van de stroom zorgen ervoor dat de stroom in halfgeleiders vloeit. Recombinatie zal dus plaatsvinden als gevolg van de beweging van deze ladingsdragers.
De elektronen uit de geleidingsband springen volgens de recombinatie naar de valentieband. De elektromagnetische energie wordt door de elektronen vrijgegeven als fotonen wanneer ze van de ene band naar de andere band gaan, en de fotonenergie is gelijk aan de verboden energiekloof.
Neem de kwantumtheorie als voorbeeld. Volgens deze theorie is de energie van een foton gelijk aan de som van zijn frequentie en de constante van Planck. De wiskundige formule wordt weergegeven.
Vgl.=hf
waar wordt verwezen naar als een Planck-constante, en de snelheid van elektromagnetische straling, aangegeven door het symbool c, is gelijk aan de snelheid van het licht. Zoals af= c /, de relatie tussen de frequentie van straling en de snelheid van het licht. De voorgaande vergelijking zal resulteren in een golflengte van elektromagnetische straling waarbij
Vgl.=hij / λ
De golflengte van elektromagnetische straling is omgekeerd evenredig met de verboden opening, volgens de bovenstaande vergelijking. Over het algemeen zijn de toestand en valentiebanden van silicium- en germaniumhalfgeleiders zodanig dat de volledige straling van elektromagnetische golven tijdens recombinatie de vorm aanneemt van infraroodstraling. De golflengten van infrarood zijn voor ons onzichtbaar omdat ze buiten het bereik van zichtbaar licht liggen.
Omdat silicium- en germaniumhalfgeleiders halfgeleiders met indirecte opening zijn in plaats van halfgeleiders met directe opening, wordt infraroodstraling vaak warmte genoemd. Het hoogste energieniveau van de valentieband en het minimale energieniveau van de geleidingsband bestaan echter niet wanneer elektronen aanwezig zijn in halfgeleiders met directe opening. Als gevolg hiervan zal het momentum van de elektronenband variëren tijdens de recombinatie van elektronen en gaten of de migratie van elektronen van de geleidingsband naar de valentieband.
Heldere LED's
Er zijn twee methoden die kunnen worden gebruikt om LED's te produceren. Bij de eerste methode worden rode, groene en blauwe LED-chips gecombineerd in één pakket om wit licht te produceren, terwijl bij de tweede methode fosforescentie wordt gebruikt. De epoxy die de fluorescentie van de fosfor omringt, kan worden opgeteld en het InGaN LED-apparaat activeert vervolgens de LED met behulp van straling met een korte golflengte.
Om meerdere kleursensaties te creëren, ook wel primaire additieve kleuren genoemd, worden verschillende kleurlichten, zoals blauw, groen en rood licht, in variërende hoeveelheden gecombineerd. Door deze drie lichtintensiteiten gelijkmatig te combineren ontstaat het witte licht.
Om deze combinatie te bereiken met een combinatie van groene, blauwe en rode LED's is er echter een uitdagende elektro-optische architectuur nodig voor het beheren van de combinatie en verspreiding van verschillende kleuren. Bovendien kan deze methode een uitdaging zijn vanwege de variaties in de LED-tint.
Eén LED-chip met een fosforcoating voedt het grootste deel van de witte LED-productlijn. Wanneer deze coating wordt blootgesteld aan ultraviolette straling in plaats van aan blauwe fotonen, ontstaat er wit licht. Dezelfde theorie geldt ook voor fluorescentielampen; een elektrische ontlading in de buis zal UV uitzenden, waardoor de fosfor wit gaat knipperen.
Hoewel deze LED-techniek verschillende tinten kan opleveren, kunnen varianties worden gereguleerd door middel van screening. Met behulp van vier nauwkeurige kleurcoördinaten die dicht bij het midden van het CIE-diagram liggen, worden apparaten op basis van witte LED- gescreend.
Alle haalbare kleurcoördinaten binnen de hoefijzercurve worden weergegeven in het CIE-diagram. De zuivere tinten van de boog zijn verspreid, maar het witte punt bevindt zich in het midden. Vier punten die in het midden van de grafiek worden weergegeven, kunnen worden gebruikt om de witte LED-uitvoerkleur weer te geven. De vier grafiekcoördinaten zijn bijna zuiver wit, maar deze LED's werken doorgaans niet zo goed als een standaardlichtbron om gekleurde lenzen te verlichten.
Deze LED's zijn het meest gunstig voor witte, anders transparante lenzen met ondoorzichtige achtergrondverlichting. Witte LED's zullen ongetwijfeld steeds populairder worden als verlichtingsbron en indicator, zolang deze technologie zich blijft ontwikkelen.
Briljante werkzaamheid
De geproduceerde lichtstroom voor elke eenheid LED's wordt gemeten in lm, terwijl het elektriciteitsverbruik wordt gemeten in W. Rode LED's hebben 155 lm/W, amberkleurige LED's 500 lm/W en blauwe LED's hebben een nominale interne efficiëntie van 75 lm/W. Er kan rekening worden gehouden met de verliezen als gevolg van interne re-resorptie; het lichtrendement voor groene en oranje LED's ligt tussen 20 en 25 lm/W. Dit concept van werkzaamheid, ook bekend als externe werkzaamheid, is vergelijkbaar met het begrip werkzaamheid dat doorgaans wordt gebruikt voor andere soorten lichtbronnen, zoals meerkleurige LED's.
Diodelichtbron in vele kleuren
Meerkleurige LED's zijn licht{0}}emitterende diodes die, wanneer ze in voorwaartse richting zijn aangesloten, één tint creëren en, wanneer ze in omgekeerde richting zijn aangesloten, een andere kleur produceren.
Deze LED's hebben eigenlijk twee PN--overgangen, en het is mogelijk om ze parallel aan te sluiten door de kathode van de ene met de anode van de andere te verbinden.
Wanneer ze in één richting zijn gericht, zijn meerkleurige LED's doorgaans rood, en wanneer ze in de tegenovergestelde richting zijn gericht, zijn ze groen. Deze LED produceert een derde kleur als deze zeer snel tussen twee polariteiten wordt ingeschakeld. Als er snel wordt geschakeld tussen polariteiten, zal een groene of rode LED een geel gekleurd licht produceren.
Wat zijn de twee verschillende opstellingen voor LED's?
Twee vergelijkbare emitters en COB's vormen de basis-LED-opstellingen.
De emitter is een enkele chip die aan een koellichaam is bevestigd voordat hij in de richting van een printplaat wordt geplaatst. Deze printplaat onttrekt warmte aan de emitter en levert tegelijkertijd elektrische stroom.
Onderzoekers ontdekten dat het LED-substraat kan worden verwijderd en dat de enkele chip vrij op de printplaat kan worden geplaatst, waardoor de kosten worden verlaagd en de lichtuniformiteit wordt verbeterd. Daarom staat dit ontwerp bekend als COB (chip-on-array).
Voor- en nadelen van LED's
Hieronder volgen enkele voordelen van licht-emitterende diodes.
LED's zijn klein en hebben een lagere prijs.
Elektriciteit wordt geregeld door gebruik te maken van LED's.
Met behulp van de microprocessor kan de intensiteit van de LED variëren.
een lange tijd
efficiënt op het gebied van energie
Geen warming-up vóór- de wedstrijd
Robuust
niet beïnvloed door ijskoude temperaturen
Geweldige directionele kleurweergave
Beheersbaar en vriendelijk voor het milieu
Hieronder volgen enkele nadelen van LED-technologie.
Prijs
gevoeligheid voor temperatuur
temperatuurgevoeligheid
Elektrische polariteit en lichtkwaliteit
Elektrische gevoeligheid
De efficiëntie keldert
Resultaat voor insecten
Toepassingen voor licht-emitterende diodes
Er zijn talloze toepassingen voor LED, waarvan er enkele hieronder worden beschreven.
Zowel in huishoudens als bedrijven worden LED's als gloeilampen gebruikt.
Licht{0}}emitterende diodes worden gebruikt in auto's en motorfietsen.
Hiermee wordt het bericht op mobiele telefoons weergegeven.
Bij de verkeerslichtsignalen worden leds gebruikt.
Als gevolg hiervan biedt dit artikel een overzicht van de toepassing en werktheorie van licht-emitterende diodecircuits. Ik hoop dat je door dit artikel enkele fundamentele en praktische feiten over de licht-emitterende diode hebt geleerd.
Voor meer informatie, let opBENWEI's officiële website
