Què és el díode emissor de llum: funcionament i les seves aplicacions

El díode emissor de llum és una font de llum semiconductora de dos cables. El 1962, a Nick Holonyak se li va ocórrer la idea d’un díode emissor de llum i treballava per a la companyia elèctrica general. El LED és un tipus especial de díode i té característiques elèctriques similars a un díode d’unió PN. Per tant, el LED permet el flux de corrent en la direcció cap endavant i bloqueja el corrent en la direcció inversa. El LED ocupa una superfície petita inferior a 1 mm² . Les aplicacions dels LED s’utilitza per fer diversos projectes elèctrics i electrònics. En aquest article, analitzarem el principi de funcionament del LED i les seves aplicacions.

Què és un díode emissor de llum?

El díode emissor d’il·luminació és un díode d'unió p-n . És un díode especialment dopat i format per un tipus especial de semiconductors. Quan la llum emet en el biaix cap endavant, s’anomena diode emissor de llum.

Díode emissor de llum

Símbol LED

El símbol LED és similar a un símbol de díode, tret de dues fletxes petites que especifiquen l’emissió de llum, per tant s’anomena LED (díode emissor de llum). El LED inclou dos terminals, és a dir, ànode (+) i càtode (-). A continuació es mostra el símbol LED.

Símbol LED

Construcció de LED

La construcció del LED és molt senzilla perquè està dissenyada mitjançant la deposició de tres capes de material semiconductor sobre un substrat. Aquestes tres capes es disposen una per una on la regió superior és una regió de tipus P, la regió mitjana està activa i, finalment, la regió inferior és de tipus N. Les tres regions del material semiconductor es poden observar en la construcció. En la construcció, la regió de tipus P inclou els forats que la regió de tipus N inclou eleccions, mentre que la regió activa inclou forats i electrons.

Quan la tensió no s'aplica al LED, llavors no hi ha flux d'electrons i forats perquè siguin estables. Un cop aplicat el voltatge, el LED avançarà esbiaixat, de manera que els electrons de la regió N i els forats de la regió P es mouran a la regió activa. Aquesta regió també es coneix com la regió d’esgotament. Com que els portadors de càrrega com els forats inclouen una càrrega positiva mentre que els electrons tenen una càrrega negativa, de manera que la llum es pot generar mitjançant la recombinació de càrregues de polaritat.

Com funciona el díode emissor de llum?

El díode emissor de llum el coneixem simplement com a díode. Quan el díode està esbiaixat cap endavant, els electrons i els forats es mouen ràpidament a través de la unió i es combinen constantment, eliminant-se els uns als altres. Poc després que els electrons passin del silici de tipus n al silici de tipus p, es combina amb els forats i desapareix. Per tant, fa que l’àtom complet sigui més estable i doni la petita explosió d’energia en forma d’un petit paquet o fotó de llum.

Funcionament del díode emissor de llum

El diagrama anterior mostra com funciona el díode emissor de llum i el procés pas a pas del diagrama.

• A partir del diagrama anterior, podem observar que el silici de tipus N té un color vermell inclosos els electrons indicats pels cercles negres.
• El silici tipus P té el color blau i conté forats, estan indicats pels cercles blancs.
• La font d'alimentació a través de la unió p-n fa que el díode sigui polaritzat i empeny els electrons de tipus n a tipus p. Empènyer els forats en sentit contrari.
• Es combinen electrons i forats a la unió.
• Els fotons es desprenen a mesura que es recombinen els electrons i els forats.

Història del díode emissor de llum

Els LED es van inventar l'any 1927, però no un invent nou. A continuació es discuteix una breu revisió de la història dels LED.

• L'any 1927, Oleg Losev (inventor rus) va ser creat el primer LED i va publicar algunes teories sobre la seva investigació.
• L'any 1952, el professor Kurt Lechovec va provar les teories de les teories dels perdedors i va explicar els primers LEDs
• L'any 1958, el primer LED verd va ser inventat per Rubin Braunstein i Egon Loebner
• L’any 1962, Nick Holonyak va desenvolupar un LED vermell. Per tant, es crea el primer LED.
• L'any 1964, IBM va implementar LEDs en una placa de circuit per primera vegada en un ordinador.
• L’any 1968, HP (Hewlett Packard) va començar a utilitzar LEDs en calculadores.
• L'any 1971, a Jacques Pankove i Edward Miller se'ls va inventar un LED blau
• L'any 1972, a M. George Crawford (enginyer elèctric) se li va inventar el LED de color groc.
• L’any 1986, Walden C. Rhines i Herbert Maruska de la Universitat de Stafford van inventar un LED de color blau amb magnesi que incloïa els futurs estàndards.
• L’any 1993, Hiroshi Amano i els físics Isamu Akaski han desenvolupat un nitrur de gal·li amb LEDs de color blau d’alta qualitat.
• Un enginyer elèctric com Shuji Nakamura va desenvolupar el primer LED blau amb alta brillantor a través dels desenvolupaments d’Amanos & Akaski, que condueix ràpidament a l’expansió dels LEDs de color blanc.
  L'any 2002, es van utilitzar LEDs de color blanc per a usos residencials que carregaven entre 80 i 100 lliures esterlines per cada bombeta.
• L'any 2008, els llums LED s'han popularitzat a oficines, hospitals i escoles.
• L’any 2019, els LED s’han convertit en les principals fonts de llum
• El desenvolupament de LED és increïble, ja que va des de petites indicacions fins a il·luminar oficines, llars, escoles, hospitals, etc.

Circuit de díodes emissors de llum per polaritzar

La majoria dels LED tenen tensions nominals d’1 volt-3 volts, mentre que les potències de corrent avançades oscil·len entre els 200 mA i els 100 mA.

Polarització LED

Si s’aplica la tensió (1V a 3V) al LED, aleshores funciona correctament perquè el flux de corrent de la tensió aplicada estarà en el rang de funcionament. De la mateixa manera, si la tensió aplicada a un LED és superior a la tensió de funcionament, la regió d’esgotament del díode emissor de llum es trencarà a causa de l’alt flux de corrent. Aquest flux inesperat de corrent causarà danys al dispositiu.

Això es pot evitar connectant una resistència en sèrie amb la font de tensió i un LED. Els valors de tensió segurs dels LED oscil·laran entre 1V i 3 V, mentre que els valors de corrent segurs oscil·len entre 200 mA i 100 mA.

Aquí, la resistència que es disposa entre la font de tensió i el LED es coneix com la resistència limitadora de corrent perquè aquesta resistència restringeix el flux de corrent en cas contrari, el LED pot destruir-la. Per tant, aquesta resistència té un paper clau en la protecció del LED.

Matemàticament, el flux de corrent a través del LED es pot escriure com

IF = Vs - VD / Rs

On,

'SI' és actual

'Vs' és una font de tensió

'VD' és la caiguda de tensió a través del díode emissor de llum

'Rs' és una resistència limitant el corrent

La quantitat de voltatge caiguda per derrotar la barrera de la regió d’esgotament. La caiguda de tensió del LED oscil·larà entre 2V i 3V mentre que el díode Si o Ge és 0,3 en cas contrari, 0,7 V.

Per tant, el LED es pot utilitzar utilitzant alta tensió en comparació amb els díodes Si o Ge.
Els díodes emissors de llum consumeixen més energia que els díodes de silici o germani per funcionar.

Tipus de díodes emissors de llum

N’hi ha diferents tipus de díodes emissors de llum present i alguns d’ells s’esmenten a continuació.

• Arseniur de gal·li (GaAs): infrarojos
• Fosfor d’arsenur de gal·li (GaAsP): de color vermell a infrarojos, taronja
• Fosfor d’arsenur d’alumini de gal·li (AlGaAsP): vermell d’alta brillantor, vermell taronja, taronja i groc
• Fosfur de gal·li (GaP): vermell, groc i verd
• Fosfur d’alumini de gal (AlGaP) - verd
• Nitrur de gal·li (GaN): verd, verd maragda
• Nitruri de gal·li d’indi (GaInN): gairebé ultraviolat, verd blavós i blau
• Carbur de silici (SiC): blau com a substrat
• Selenur de zinc (ZnSe): blau
• Nitrur de gal·li d’alumini (AlGaN): ultraviolat

Principi de funcionament del LED

El principi de funcionament del díode emissor de llum es basa en la teoria quàntica. La teoria quàntica diu que quan l'electró baixa del nivell d'energia superior al nivell d'energia inferior, l'energia emet del fotó. L’energia del fotó és igual a la bretxa d’energia entre aquests dos nivells d’energia. Si el díode de la unió PN es troba esbiaixat cap endavant, el corrent flueix a través del díode.

Principi de funcionament del LED

El flux de corrent als semiconductors és causat pel flux de forats en la direcció oposada del corrent i el flux d’electrons en la direcció del corrent. Per tant, hi haurà recombinació a causa del flux d'aquests portadors de càrrega.

La recombinació indica que els electrons de la banda de conducció salten cap a la banda de valència. Quan els electrons salten d'una banda a una altra, els electrons emetran l'energia electromagnètica en forma de fotons i l'energia del fotó és igual a la bretxa d'energia prohibida.

Per exemple, considerem la teoria quàntica, l’energia del fotó és el producte tant de la constant de Planck com de la freqüència de la radiació electromagnètica. Es mostra l'equació matemàtica

Eq = hf

On es coneix com una constant de Planck i la velocitat de la radiació electromagnètica és igual a la velocitat de la llum, és a dir, c. La radiació de freqüència està relacionada amb la velocitat de la llum com a f = c / λ. λ es denota com a longitud d'ona de la radiació electromagnètica i l'equació anterior es convertirà en

Eq = ell / λ

A partir de l’equació anterior, podem dir que la longitud d’ona de la radiació electromagnètica és inversament proporcional a l’espai prohibit. En general, el silici, els semiconductors de germani, aquesta bretxa d’energia prohibida es troba entre la condició i les bandes de valència són tals que la radiació total de l’ona electromagnètica durant la recombinació és en forma de radiació infraroja. No podem veure la longitud d’ona dels infrarojos perquè estan fora del nostre abast visible.

Es diu que la radiació infraroja és tan calorosa, ja que el silici i els semiconductors de germani no són semiconductors d’espai directe, sinó que són semiconductors d’espai indirecte. Però en els semiconductors d’espai directe, el nivell d’energia màxima de la banda de valència i el nivell d’energia mínima de la banda de conducció no es produeixen al mateix moment dels electrons. Per tant, durant la recombinació d’electrons i forats es produeixen migracions d’electrons des de la banda de conducció a la banda de valència, es canviarà l’impuls de la banda d’electrons.

LEDs blancs

La fabricació de LEDs es pot fer mitjançant dues tècniques. En la primera tècnica, els xips LED com el vermell, el verd i el blau es combinen en un paquet similar per generar llum blanca, mentre que en la segona tècnica s’utilitza la fosforescència. La fluorescència dins del fòsfor es pot resumir a l’epoxi que l’envolta i el LED s’activarà a través de l’energia de longitud d’ona curta mitjançant el dispositiu LED InGaN.

Els diferents llums de color, com el blau, el verd i el vermell, es combinen en quantitats variables per produir una sensació de color diferent, que es coneix com a colors additius primaris. Aquestes tres intensitats de llum s’afegeixen per igual per generar la llum blanca.

Però, per aconseguir aquesta combinació mitjançant una combinació de LEDs verds, blaus i vermells que necessiten un disseny electroòptic complicat per controlar la combinació i la difusió de diferents colors. A més, aquest enfocament pot ser complicat a causa dels canvis en el color del LED.

La línia de productes de LED blanc depèn principalment d’un sol xip LED que utilitza un recobriment de fòsfor. Aquest recobriment genera llum blanca un cop impactada a través de fotons ultraviolats en cas contrari de color blau. El mateix principi també s’aplica a les bombetes fluorescents, l’emissió d’ultraviolats per una descàrrega elèctrica dins del tub farà que el fòsfor parpellegi de blanc.

Tot i que aquest procés de LED pot generar diferents tonalitats, es poden controlar les diferències mitjançant el cribratge. Els dispositius basats en LEDs blancs es mostren mitjançant quatre coordenades exactes de cromaticitat adjacents al centre del diagrama CIE.

El diagrama CIE descriu totes les coordenades de color assolibles dins de la corba de ferradura. Hi ha colors nets sobre l’arc, però la punta blanca es troba al centre. El color de sortida del LED blanc es pot representar a través de quatre punts que es representen al centre del gràfic. Tot i que les quatre coordenades gràfiques són properes al blanc net, aquests LED no solen ser efectius com una font de llum comuna per il·luminar lents de colors.

Aquests LED són útils principalment per a les lents blanques, d'una altra manera clares, la llum de fons opaca. Quan aquesta tecnologia continuï avançant, els LED blancs guanyaran la reputació de ser una font i una indicació d’il·luminació.

Eficàcia lluminosa

L’eficàcia lluminosa dels LED es pot definir com el flux lluminós produït en lm per a cada unitat i la potència elèctrica es pot utilitzar dins de W. L’ordre d’eficàcia interna nominal del LED de color blau és de 75 lm / W Els LED ambres tenen 500 lm / W i vermell Els LED tenen 155 lm / W. A causa de la reabsorció interna, les pèrdues es poden tenir en compte que l'ordre de l'eficàcia lluminosa oscil·la entre 20 i 25 lm / W per als LED verds i ambre. Aquesta definició d’eficàcia també es coneix com a eficàcia externa i és anàloga a la definició d’eficàcia que s’utilitza normalment per a altres tipus de fonts de llum com el LED multicolor.

Diodo emissor de llum multicolor

Un díode emissor de llum que produeix un color un cop es connecten en polarització directa i produeixen un color un cop connectats en polarització inversa es coneix com LED multicolor.

En realitat, aquests LED inclouen dues unions PN i la connexió d’aquesta es pot fer en paral·lel amb l’ànode d’un que està unit al càtode d’un altre.

Els LEDs multicolors normalment són vermells un cop esbiaixats en una direcció i verds una vegada que es polaritzen en una altra direcció. Si aquest LED s’encén molt ràpidament entre dues polaritats, aquest LED generarà un tercer color. Un LED verd o vermell generarà una llum de color groc un cop canviat ràpidament cap enrere i cap endavant entre polaritats esbiaixades.

Quina diferència hi ha entre un díode i un LED?

La principal diferència entre un díode i un LED inclou el següent.

Característiques I-V del LED

Hi ha diferents tipus de díodes emissors de llum disponibles al mercat i hi ha diferents característiques de LED que inclouen la llum de color o la radiació de longitud d’ona, la intensitat de la llum. La característica important del LED és el color. En l’ús inicial del LED, hi ha l’únic color vermell. A mesura que augmenta l'ús del LED amb l'ajut del procés de semiconductors i investigant els nous metalls per al LED, es van formar els diferents colors.

Característiques I-V del LED

El gràfic següent mostra les corbes aproximades entre la tensió directa i el corrent. Cada corba del gràfic indica un color diferent. La taula mostra un resum de les característiques del LED.

Característiques del LED

Quins són els dos tipus de configuracions de LED?

Les configuracions estàndard del LED són dos emissors com els COB

L'emissor és una matriu única que es munta cap a una placa de circuit i després cap a un dissipador de calor. Aquesta placa de circuit proporciona energia elèctrica cap a l'emissor, alhora que treu calor.

Per ajudar a reduir els costos i millorar la uniformitat de la llum, els investigadors van determinar que el substrat LED es pot separar i que la matriu única es pot muntar obertament a la placa de circuit. Així doncs, aquest disseny s’anomena COB (chip-on-board array).

Avantatges i desavantatges dels LED

El avantatges del díode emissor de llum inclou el següent.

• El cost dels LED és menor i són petits.
• Mitjançant l’ús del LED es controla l’electricitat.
• La intensitat del LED difereix amb l'ajuda del microcontrolador.
• Llarga vida
• Energia eficient
• Sense període d’escalfament
• Robust
• No afecta les temperatures fredes
• Direccional
• La representació de colors és excel·lent
• Respectuós amb el medi ambient
• Controlable

El desavantatges del díode emissor de llum inclou el següent.

• Preu
• Sensibilitat a la temperatura
• Dependència de la temperatura
• Qualitat de llum
• Polaritat elèctrica
• Sensibilitat a la tensió
• Eficiència caiguda
• Impacte en els insectes

Aplicacions del díode emissor de llum

Hi ha moltes aplicacions de LED i algunes d’elles s’expliquen a continuació.

• El LED s’utilitza com a bombeta a les llars i a les indústries
• Els díodes emissors de llum s’utilitzen en motocicletes i automòbils
• S’utilitzen en telèfons mòbils per mostrar el missatge
• Al semàfor s’utilitzen els senyals led

Per tant, aquest article tracta una visió general del díode emissor de llum principi de funcionament i aplicació del circuit. Espero que llegint aquest article hagueu obtingut informació bàsica i de treball sobre el díode emissor de llum. Si teniu cap pregunta sobre aquest article o sobre el projecte elèctric de darrer any, no dubteu a fer comentaris a la secció següent. Aquí teniu una pregunta, Què és el LED i com funciona?