دیود ساطع نور چیست: کار و کاربردهای آن

دیود ساطع نور چیست: کار و کاربردهای آن

LED یک منبع نور نیمه هادی با دو سرب است. یک دیود ساطع کننده نور در سال 1962 توسط نیک هولونیاک زمانی که توسط جنرال الکتریک استخدام شد اختراع شد. LED یک نوع منحصر به فرد دیود با خواص الکتریکی است که با دیودهای اتصال PN قابل مقایسه است. از این رو، LED به الکتریسیته اجازه می دهد تا در یک جهت جریان داشته باشد در حالی که آن را در جهت دیگر مسدود می کند. کمتر از 1 میلی متر مربع تمام چیزی است که LED می گیرد. ال ای دی ها در انواع پروژه های الکتریکی و الکترونیکی استفاده می شوند. عملکرد LED و کاربردهای آن در این مقاله توضیح داده خواهد شد.

دیود ساطع کننده نور: چیست؟

یک دیود پیوندی p{0}}n ​​به عنوان دیود ساطع نور عمل می کند. این یک شکل منحصر به فرد از نیمه هادی و یک دیود به خصوص دوپ شده است. دیود ساطع کننده نور دستگاهی است که وقتی بایاس به جلو باشد، نور ساطع می‌کند.

دو فلش کوچک که نشان‌دهنده انتشار نور است، نماد LED را از نماد دیود متمایز می‌کند، به همین دلیل به آن LED (-دیود ساطع کننده نور) می‌گویند. LED دارای دو پایانه است: کاتد (-) و آند (+). (-).

نماد LED ساخت و ساز نماد LED

ساخت LED نسبتاً ساده است زیرا از طریق رسوب سه لایه مواد نیمه هادی بر روی یک بستر طراحی شده است. این سه لایه یکی روی دیگری قرار می‌گیرند که لایه بالایی یک لایه P-، لایه میانی یک لایه فعال و لایه پایینی یک لایه نوع N- است. این ساختار به شخص اجازه می دهد تا سه ناحیه از مواد نیمه هادی را ببیند. در ساختار، حفره‌ها در ناحیه نوع P-، انتخابات در ناحیه نوع N-، و هر دو حفره و الکترون در ناحیه فعال وجود دارند.

LED ثابت است زیرا در صورت عدم وجود ولتاژ، جریان الکترون یا سوراخ وجود ندارد. به محض تامین ولتاژ، LED بایاس رو به جلو می‌شود و باعث می‌شود که الکترون‌ها در ناحیه N-و حفره‌های ناحیه P- به ناحیه فعال حرکت کنند. منطقه تخلیه نام دیگر این منطقه است. نور را می توان از طریق ترکیب مجدد بارهای قطبی تولید کرد زیرا حامل های بار مانند سوراخ ها دارای بار مثبت هستند در حالی که الکترون ها دارای بار منفی هستند.

فرآیند دیود ساطع نور چیست؟

ما معمولاً به یک دیود نوری-به عنوان دیود اشاره می کنیم. هنگامی که دیود بایاس رو به جلو است، الکترون‌ها و حفره‌ها به سرعت در سراسر محل اتصال جریان می‌یابند و پیوسته یکدیگر را ترکیب کرده و از مسیر خارج می‌کنند. درست زمانی که الکترون ها از سیلیکون n-نوع به p{4}}نوع تغییر می کنند، با حفره ها ترکیب می شود، سپس ناپدید می شود.

اولگ لوسف، مخترع روسی، اولین LED را در سال 1927 ساخت و بخشی از مبانی نظری تحقیقات خود را منتشر کرد.
پروفسور Kurt Lechovec در سال 1952 فرضیه Losers را آزمایش کرد و توضیحی در مورد اولین LED ها ارائه کرد.

اولین LED سبز در سال 1958 توسط Rubin Braunstein و Egon Loebner ساخته شد.

Nicholas Holonyak در سال 1962 یک LED قرمز ایجاد کرد. بنابراین اولین LED ساخته شد.

اولین کامپیوتری که از LED روی برد مدار استفاده کرد مدل IBM در سال 1964 بود.

هیولت پاکارد (HP) ال ای دی ها را در سال 1968 وارد ماشین حساب ها کرد.

یک LED آبی توسط ژاک پانکوو و ادوارد میلر در سال 1971 ساخته شد.

مهندس برق M. George Crawford LED زرد را در سال 1972 ساخت.

یک LED آبی با منیزیم و استانداردهای آینده در سال 1986 توسط Walden C. Rhines و Herbert Maruska از دانشگاه استافورد ساخته شد.

هیروشی آمانو و فیزیکدان ایسامو آکاسکی در سال 1993 یک نیترید گالیوم با LEDهای آبی عالی ایجاد کردند.

شوجی ناکامورا، مهندس برق، اولین LED آبی با روشنایی بالا را از طریق پیشرفت‌های Amanos و Akaski ایجاد کرد که توسعه LED‌های رنگ سفید را سرعت بخشید.

در سال 2002 از ال ای دی های سفید رنگ با قیمت 80 تا 100 پوند برای هر لامپ برای مقاصد مسکونی استفاده شد.

چراغ های LED در سال 2008 در شرکت ها، بیمارستان ها و مدارس محبوبیت زیادی به دست آوردند.

منابع اصلی نور در سال 2019 LED ها هستند. این یک پیشرفت قابل توجه است زیرا اکنون می توان از LED ها برای روشن کردن مکان های مختلف از جمله خانه ها، ادارات، بیمارستان ها و مدارس استفاده کرد.

مدار دیود ساطع نور بایاسینگ

اکثر ال ای دی ها دارای مشخصات ولتاژی بین 1 تا 3 ولت هستند، در حالی که نرخ جریان پیشرو بین 200 تا 100 میلی آمپر است.

تعصب یک LED

اگر ولتاژی بین 1 تا 3 ولت به آن اعمال شود، LED به درستی کار می کند زیرا جریان جریان نشان می دهد که ولتاژ در محدوده عملکرد قرار دارد. مشابه این، اگر یک LED دارای ولتاژی بالاتر از ولتاژ کاری آن باشد، جریان بالای جریان باعث از کار افتادن ناحیه تخلیه می شود. این جریان بالای پیش‌بینی‌نشده، ابزار را خراب می‌کند.

با اتصال یک مقاومت سری به منبع ولتاژ و یک LED می توان از این امر جلوگیری کرد. سطوح جریان ایمن برای LED ها از 200 میلی آمپر تا 100 میلی آمپر متغیر است، در حالی که رتبه بندی ولتاژ ایمن برای LED ها از 1 ولت تا 3 ولت است.

در اینجا، مقاومتی که بین منبع ولتاژ و LED قرار می گیرد، مقاومت محدود کننده جریان نامیده می شود زیرا این مقاومت جریان جریان را تنظیم می کند در غیر این صورت LED ممکن است آن را از بین ببرد. بنابراین، این مقاومت برای محافظت از LED ضروری است.

معادله جریان ریاضی جریان از طریق LED است

IF=در مقابل - VD/Rs

کجا،

"IF" جریان رو به جلو است

منبع ولتاژ 'Vs'

افت ولتاژ در دیود{0}تابنده نور با "VD" نشان داده می شود.

Rs مقاومتی است که جریان جریان را محدود می کند.

افت ولتاژ مورد نیاز برای عبور از سد منطقه تخلیه. زمانی که افت ولتاژ دیود Si یا Ge 0.3 ولت یا کمتر باشد، افت ولتاژ LED بین 2 تا 3 ولت خواهد بود.

برخلاف دیودهای Si یا Ge، LED ممکن است با ولتاژ بالا کار کند.

در مقایسه با دیودهای سیلیکونی یا ژرمانیومی، دیودهای ساطع کننده نور{0}به انرژی بیشتری برای کار کردن نیاز دارند.

انواع دیودهای نورانی-

دیودهای ساطع کننده نور انواع مختلفی دارند که برخی از آنها در زیر ذکر شده است.

گالیم آرسنید مادون قرمز-(GaAs) و از قرمز تا مادون قرمز{1}}فسفید گالیم آرسنید نارنجی (GaAsP)
ال ای دی های-قرمز، نارنجی-قرمز، نارنجی و زرد با روشنایی بالا ساخته شده از آلومینیوم گالیم آرسنید فسفر (AlGaAsP)
فسفات گالیم قرمز، زرد و سبز (GaP)
سبز رنگ آلومینیم فسفید گالیم (AlGaP)، سبز زمردی رنگ نیترید گالیم (GaN) و آبی رنگ نیترید گالیوم ایندیم (GaInN) است.

به عنوان یک بستر، کاربید سیلیکون (SiC) به رنگ آبی
سلنید روی آبی (ZnSe) و آلومینیوم گالیوم نیترید فرابنفش (AlGaN)

اصل عملیات LED

نظریه کوانتومی به‌عنوان پایه‌ای برای عملکرد دیود{0}}تابش نور عمل می‌کند. بر اساس تئوری کوانتومی، فوتون انرژی آزاد می کند که الکترون از حالت انرژی بالاتر به حالت پایین تر نزول کند. اختلاف انرژی بین این دو سطح انرژی برابر با انرژی فوتون است. وقتی به حالت بایاس رو به جلو دیود اتصال PN- رسید، جریان از دیود عبور می کند.

اصل عملیات LED

جریان حفره ها در خلاف جهت جریان و جریان الکترون ها در جهت جریان هستند که باعث می شوند جریان در نیمه هادی ها جریان یابد. بنابراین، نوترکیبی در نتیجه حرکت این حامل های بار رخ خواهد داد.

طبق نوترکیبی، الکترون‌های باند رسانایی به سمت نوار ظرفیت می‌پرند. انرژی الکترومغناطیسی توسط الکترون ها به صورت فوتون در هنگام حرکت از یک باند به نوار دیگر آزاد می شود و انرژی فوتون برابر با شکاف انرژی ممنوع است.

به عنوان مثال نظریه کوانتومی را در نظر بگیرید. بر اساس این نظریه، انرژی فوتون برابر است با مجموع فرکانس آن و ثابت پلانک. فرمول ریاضی نمایش داده می شود.

معادله=hf

که به آن ثابت پلانک می گویند و سرعت تابش الکترومغناطیسی که با علامت c نشان داده می شود برابر با سرعت نور است. به عنوان af= c /، رابطه بین فرکانس تابش و سرعت نور. معادله قبلی به عنوان یک طول موج تابش الکترومغناطیسی در جایی که

معادله=او / λ

طول موج تابش الکترومغناطیسی با شکاف ممنوع مطابق با معادله بالا نسبت معکوس دارد. به طور کلی، وضعیت و نوارهای ظرفیت نیمه هادی های سیلیکونی و ژرمانیومی به گونه ای است که تابش کامل امواج الکترومغناطیسی در حین نوترکیبی به شکل تابش مادون قرمز به خود می گیرد. طول موج های فروسرخ برای ما نامرئی هستند زیرا خارج از محدوده نور مرئی هستند.

از آنجایی که نیمه هادی های سیلیکونی و ژرمانیومی به جای نیمه هادی های شکاف مستقیم، نیمه هادی های شکاف غیرمستقیم هستند، تابش مادون قرمز اغلب به عنوان گرما نامیده می شود. با این حال، بالاترین سطح انرژی نوار ظرفیت و حداقل سطح انرژی نوار رسانایی زمانی وجود ندارد که الکترون ها در نیمه هادی های شکاف مستقیم وجود داشته باشند. در نتیجه، تکانه باند الکترونی در طول بازترکیب الکترون ها و حفره ها یا مهاجرت الکترون ها از نوار رسانایی به نوار ظرفیت متفاوت خواهد بود.

ال ای دی های روشن

برای تولید ال ای دی می توان از دو روش استفاده کرد. در روش اول، تراشه های LED قرمز، سبز و آبی در یک بسته برای تولید نور سفید ترکیب می شوند، در حالی که در روش دوم از فسفرسانس استفاده می شود. اپوکسی اطراف فلورسانس فسفر را می توان جمع کرد و دستگاه LED InGaN سپس LED را با استفاده از تابش طول موج کوتاه- فعال می کند.

برای ایجاد حس های رنگی متعدد، که به عنوان رنگ های افزودنی اولیه شناخته می شوند، نورهای رنگی مختلف مانند نورهای آبی، سبز و قرمز در مقادیر متفاوت با هم ترکیب می شوند. نور سفید با ترکیب یکنواخت این سه شدت نور ایجاد می شود.

با این وجود، برای دستیابی به این ترکیب با استفاده از ترکیبی از LED های سبز، آبی و قرمز، یک معماری الکترو{0}اپتیکال چالش برانگیز برای مدیریت ترکیب و انتشار رنگ های مختلف مورد نیاز است. علاوه بر این، این روش ممکن است به دلیل تغییرات در رنگ LED چالش برانگیز باشد.

یک تراشه LED با پوشش فسفر، اکثر خط تولید LED سفید را تامین می کند. هنگامی که این پوشش به جای فوتون های آبی در معرض تابش فرابنفش قرار می گیرد، نور سفید تولید می شود. همین نظریه در مورد لامپ های فلورسنت نیز صدق می کند. یک تخلیه الکتریکی در داخل لوله UV منتشر می کند که باعث می شود فسفر سفید چشمک بزند.

اگرچه این تکنیک LED می تواند رنگ های متنوعی را ارائه دهد، واریانس ها را می توان با غربالگری تنظیم کرد. با استفاده از چهار مختصات رنگی دقیق که نزدیک به مرکز نمودار CIE هستند، دستگاه‌های مبتنی بر LED{1}}سفید غربال می‌شوند.

تمام مختصات رنگی قابل دستیابی در منحنی نعل اسبی در نمودار CIE نشان داده شده است. رنگ های تمیز قوس پخش شده است، اما نقطه سفید در وسط است. از چهار نقطه که در وسط نمودار نشان داده شده اند می توان برای نمایش رنگ خروجی LED سفید استفاده کرد. چهار مختصات نمودار تقریباً سفید خالص هستند، اما این LED ها معمولاً به خوبی یک منبع نور استاندارد برای روشن کردن لنزهای رنگی کار نمی کنند.

این LED ها برای لنزهای سفید و در غیر این صورت شفاف با نور پس زمینه مات بسیار مفید هستند. تا زمانی که این فناوری همچنان در حال توسعه باشد، LED های سفید بدون شک به عنوان منبع روشنایی و نشانگر محبوب تر خواهند شد.

اثربخشی درخشان

شار نوری تولید شده برای هر واحد از LED ها بر حسب lm اندازه گیری می شود، در حالی که مصرف برق با W اندازه گیری می شود. LED های قرمز دارای 155 lm/W، ال ای دی های کهربایی دارای 500 lm/W و LED های آبی دارای درجه کارایی داخلی 75 lm/W هستند. تلفات را می توان به دلیل جذب مجدد داخلی در نظر گرفت. بازده نورانی برای LED های سبز و کهربایی بین 20 تا 25 lm/W است. این مفهوم از کارایی، که به عنوان اثربخشی خارجی نیز شناخته می شود، با مفهوم کارایی که معمولاً برای انواع دیگر منابع نور مانند LED های چند رنگ استفاده می شود، قابل مقایسه است.

منبع نور دیود در بسیاری از رنگ ها

ال ای دی های چند رنگ دیودهایی هستند که{0} نور ساطع می کنند که وقتی با بایاس رو به جلو متصل می شوند، یک رنگ ایجاد می کنند و وقتی با بایاس معکوس متصل می شوند، رنگ دیگری تولید می کنند.

این ال ای دی ها در واقع دو اتصال PN{0}} دارند و امکان اتصال موازی آنها با اتصال کاتد یکی به آند دیگری وجود دارد.

هنگامی که در یک جهت بایاس می شوند، LED های چند رنگ معمولاً قرمز هستند و هنگامی که در جهت مخالف بایاس می شوند، سبز هستند. این LED اگر خیلی سریع بین دو قطبی روشن شود، رنگ سوم را تولید می کند. یک LED سبز یا قرمز که به سرعت بین قطب های بایاس جابجا می شود، نور زرد رنگی تولید می کند.

دو تنظیم مختلف برای LED ها چیست؟

دو قطره چکان مشابه و COB تنظیمات اولیه LED هستند.

امیتر یک قالب تکی است که قبل از قرار گرفتن در سمت برد مدار به یک هیت سینک متصل می شود. این برد مدار گرما را از امیتر می گیرد و همزمان برق را تامین می کند.

محققان دریافتند که بستر LED را می توان جدا کرد و قالب تکی را می توان آزادانه روی صفحه مدار قرار داد، که به کاهش هزینه ها و بهبود یکنواختی نور کمک می کند. بنابراین، این طرح به عنوان COB (تراشه-روی-آرایه تخته) شناخته می‌شود.

مزایا و معایب LED

در زیر برخی از مزایای دیودهای نورانی- آمده است.

ال ای دی ها کوچک هستند و قیمت پایین تری دارند.

برق با استفاده از LED ها کنترل می شود.

با کمک ریزپردازنده، شدت LED می تواند متفاوت باشد.

مدت طولانی
کارآمد از نظر انرژی
بدون گرم کردن قبل از بازی
ناهموار
تحت تأثیر دماهای سرد قرار نمی گیرد
رندر رنگ جهت دار عالی
قابل کنترل و سازگار با محیط زیست
در زیر به برخی از معایب تکنولوژی LED اشاره شده است.

قیمت
حساسیت به دما
حساسیت دما
قطبیت الکتریکی و کیفیت روشنایی
حساسیت الکتریکی
راندمان به شدت کاهش می یابد
نتیجه برای حشرات
برای دیودهای نورانی-استفاده می‌شود

ال ای دی کاربردهای زیادی دارد که در زیر به برخی از آنها اشاره می شود.

هم در خانه ها و هم در مشاغل از ال ای دی به عنوان لامپ استفاده می شود.

دیودهای ساطع کننده نور در خودروها و موتورسیکلت ها استفاده می شوند.

پیام با استفاده از اینها در تلفن های همراه نمایش داده می شود.

از چراغ های LED در چراغ راهنمایی استفاده می شود.

در نتیجه، این مقاله مروری بر کاربرد و تئوری کار مدارهای دیود ساطع کننده نور ارائه می‌کند. امیدوارم با خواندن این مقاله حقایق اساسی و عملی در مورد دیود{2}}تابش نور یاد گرفته باشید.

برای اطلاعات بیشتر لطفا توجه فرماییدوب سایت رسمی BENWEI