Che cos'è il diodo a emissione di luce: funzionamento e sue applicazioni

Prova Il Nostro Strumento Per Eliminare I Problemi





Il diodo a emissione di luce è una sorgente di luce a semiconduttore a due conduttori. Nel 1962, Nick Holonyak ha avuto l'idea di un diodo emettitore di luce e lavorava per la compagnia elettrica generale. Il LED è un tipo speciale di diodo e hanno caratteristiche elettriche simili a un diodo a giunzione PN. Quindi il LED consente il flusso di corrente in direzione avanti e blocca la corrente in direzione inversa. Il LED occupa una piccola area che è inferiore a 1 mmDue . Le applicazioni dei LED utilizzato per realizzare vari progetti elettrici ed elettronici. In questo articolo discuteremo il principio di funzionamento del LED e le sue applicazioni.

Cos'è un diodo a emissione di luce?

Il diodo luminoso è un diodo di giunzione p-n . È un diodo appositamente drogato e costituito da un tipo speciale di semiconduttori. Quando la luce emette nel polarizzato in avanti, viene chiamato un diodo a emissione di luce.




Diodo ad emissione luminosa

Diodo ad emissione luminosa

Simbolo LED



Il simbolo LED è simile al simbolo di un diodo ad eccezione di due piccole frecce che specificano l'emissione della luce, quindi è chiamato LED (diodo emettitore di luce). Il LED include due terminali e cioè l'anodo (+) e il catodo (-). Il simbolo del LED è mostrato di seguito.

Simbolo LED

Simbolo LED

Costruzione di LED

La costruzione del LED è molto semplice perché è progettata attraverso la deposizione di tre strati di materiale semiconduttore su un substrato. Questi tre strati sono disposti uno per uno dove la regione superiore è una regione di tipo P, la regione centrale è attiva e, infine, la regione inferiore è di tipo N. Le tre regioni di materiale semiconduttore possono essere osservate nella costruzione. Nella costruzione, la regione di tipo P include i buchi, la regione di tipo N include le elezioni mentre la regione attiva include sia i buchi che gli elettroni.

Quando la tensione non viene applicata al LED, non c'è flusso di elettroni e lacune, quindi sono stabili. Una volta applicata la tensione, il LED sarà polarizzato in avanti, quindi gli elettroni nella regione N e i buchi dalla regione P si sposteranno nella regione attiva. Questa regione è anche conosciuta come la regione di esaurimento. Perché i portatori di carica come i buchi includono una carica positiva mentre gli elettroni hanno una carica negativa, quindi la luce può essere generata attraverso la ricombinazione di cariche di polarità.


Come funziona il diodo a emissione di luce?

Il diodo emettitore di luce semplicemente, lo conosciamo come un diodo. Quando il diodo è polarizzato in avanti, gli elettroni e le lacune si muovono velocemente attraverso la giunzione e si combinano costantemente, rimuovendosi l'un l'altro. Subito dopo che gli elettroni si sono spostati dal silicio di tipo n a quello di tipo p, si combina con i buchi, quindi scompare. Quindi rende l'atomo completo e più stabile e fornisce la piccola scarica di energia sotto forma di un minuscolo pacchetto o fotone di luce.

Funzionamento del diodo luminoso

Funzionamento del diodo luminoso

Il diagramma sopra mostra come funziona il diodo emettitore di luce e il processo graduale del diagramma.

  • Dal diagramma sopra, possiamo osservare che il silicio di tipo N è di colore rosso compresi gli elettroni che sono indicati dai cerchi neri.
  • Il silicone di tipo P è di colore blu e contiene dei fori, sono indicati dai cerchi bianchi.
  • L'alimentazione attraverso la giunzione p-n rende il diodo polarizzato in avanti e spinge gli elettroni dal tipo n al tipo p. Spingendo i fori nella direzione opposta.
  • Elettrone e buchi alla giunzione sono combinati.
  • I fotoni vengono emessi quando gli elettroni e le lacune vengono ricombinati.

Storia del diodo a emissione di luce

I LED sono stati inventati nel 1927 ma non una nuova invenzione. Di seguito viene discussa una breve revisione della cronologia dei LED.

  • Nell'anno 1927, Oleg Losev (inventore russo) creò il primo LED e pubblicò alcune teorie sulla sua ricerca.
  • Nell'anno 1952, il Prof.Kurt Lechovec ha testato le teorie delle teorie dei perdenti e ha spiegato i primi LED
  • Nell'anno 1958, il primo LED verde fu inventato da Rubin Braunstein & Egon Loebner
  • Nell'anno 1962, un LED rosso è stato sviluppato da Nick Holonyak. Quindi, viene creato il primo LED.
  • Nel 1964, IBM implementò per la prima volta i LED su un circuito stampato su un computer.
  • Nell'anno 1968, HP (Hewlett Packard) ha iniziato a utilizzare i LED nelle calcolatrici.
  • Nell'anno 1971, Jacques Pankove e Edward Miller furono inventati un LED blu
  • Nell'anno 1972, M. George Crawford (ingegnere elettrico) è stato inventato il LED di colore giallo.
  • Nell'anno 1986, Walden C. Rhines e Herbert Maruska dell'Università di Stafford hanno inventato un LED di colore blu con magnesio che include standard futuri.
  • Nell'anno 1993, Hiroshi Amano & Physicists Isamu Akaski ha sviluppato un nitruro di gallio con LED di colore blu di alta qualità.
  • Un ingegnere elettrico come Shuji Nakamura ha sviluppato il primo LED blu ad alta luminosità attraverso gli sviluppi di Amanos & Akaski, che porta rapidamente all'espansione dei LED di colore bianco.
    Nell'anno 2002, i LED di colore bianco sono stati utilizzati per scopi residenziali che caricano circa £ 80 a £ 100 per ciascuna lampadina.
  • Nel 2008, le luci a LED sono diventate molto popolari in uffici, ospedali e scuole.
  • Nell'anno 2019 i LED sono diventati le principali sorgenti luminose
  • Lo sviluppo dei LED è incredibile, in quanto si va dalla piccola indicazione all'illuminazione di uffici, case, scuole, ospedali, ecc.

Circuito a diodi a emissione di luce per la polarizzazione

La maggior parte dei LED ha valori nominali di tensione da 1 volt-3 volt mentre i valori nominali di corrente diretta vanno da 200 mA a 100 mA.

Biasing LED

Biasing LED

Se la tensione (da 1 V a 3 V) viene applicata al LED, allora funziona correttamente perché il flusso di corrente per la tensione applicata sarà nell'intervallo operativo. Allo stesso modo, se la tensione applicata a un LED è superiore alla tensione operativa, la regione di esaurimento all'interno del diodo emettitore di luce si romperà a causa dell'elevato flusso di corrente. Questo flusso di corrente inaspettato danneggerà il dispositivo.

Ciò può essere evitato collegando un resistore in serie con la sorgente di tensione e un LED. I valori nominali di tensione di sicurezza dei LED saranno compresi tra 1 V e 3 V, mentre i valori nominali di corrente di sicurezza variano da 200 mA a 100 mA.

Qui, il resistore che è disposto tra la sorgente di tensione e il LED è noto come il resistore limitatore di corrente perché questo resistore limita il flusso di corrente altrimenti il ​​LED potrebbe distruggerlo. Quindi questo resistore gioca un ruolo chiave nella protezione del LED.

Matematicamente, il flusso di corrente attraverso il LED può essere scritto come

IF = Vs - VD / Rs

Dove,

'IF' è corrente diretta

'Vs' è una sorgente di tensione

'VD' è la caduta di tensione attraverso il diodo emettitore di luce

'Rs' è un resistore limitatore di corrente

La quantità di tensione è caduta per sconfiggere la barriera della regione di esaurimento. La caduta di tensione del LED varia da 2V a 3V mentre il diodo Si o Ge è 0,3 altrimenti 0,7 V.

Pertanto, il LED può essere azionato utilizzando alta tensione rispetto ai diodi Si o Ge.
I diodi emettitori di luce consumano più energia dei diodi al silicio o al germanio per funzionare.

Tipi di diodi emettitori di luce

Ci sono diversi tipi di diodi emettitori di luce presenti e alcuni di essi sono menzionati di seguito.

  • Arsenuro di gallio (GaAs) - infrarossi
  • Fosfuro di arseniuro di gallio (GaAsP) - da rosso a infrarosso, arancione
  • Fosfuro di arseniuro di gallio di alluminio (AlGaAsP) - rosso ad alta luminosità, rosso-arancio, arancione e giallo
  • Fosfuro di gallio (GaP) - rosso, giallo e verde
  • Fosfuro di gallio di alluminio (AlGaP) - verde
  • Nitruro di gallio (GaN) - verde, verde smeraldo
  • Nitruro di gallio indio (GaInN) - quasi ultravioletto, verde bluastro e blu
  • Carburo di silicio (SiC) - blu come substrato
  • Seleniuro di zinco (ZnSe) - blu
  • Nitruro di gallio di alluminio (AlGaN) - ultravioletto

Principio di funzionamento del LED

Il principio di funzionamento del diodo emettitore di luce si basa sulla teoria quantistica. La teoria quantistica dice che quando l'elettrone scende dal livello di energia superiore al livello di energia inferiore, allora l'energia viene emessa dal fotone. L'energia del fotone è uguale al divario energetico tra questi due livelli di energia. Se il diodo a giunzione PN è polarizzato in avanti, la corrente scorre attraverso il diodo.

Principio di funzionamento del LED

Principio di funzionamento del LED

Il flusso di corrente nei semiconduttori è causato dal flusso di fori nella direzione opposta della corrente e dal flusso di elettroni nella direzione della corrente. Quindi ci sarà la ricombinazione dovuta al flusso di questi portatori di carica.

La ricombinazione indica che gli elettroni nella banda di conduzione saltano giù nella banda di valenza. Quando gli elettroni saltano da una banda all'altra, gli elettroni emetteranno l'energia elettromagnetica sotto forma di fotoni e l'energia del fotone è uguale al gap energetico proibito.

Ad esempio, consideriamo la teoria quantistica, l'energia del fotone è il prodotto sia della costante di Planck che della frequenza della radiazione elettromagnetica. Viene mostrata l'equazione matematica

Eq = hf

Dove è noto come costante di Planck e la velocità della radiazione elettromagnetica è uguale alla velocità della luce, cioè c. La radiazione di frequenza è correlata alla velocità della luce come f = c / λ. λ è indicata come una lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica e l'equazione di cui sopra diventerà come a

Eq = he / λ

Dall'equazione di cui sopra, possiamo dire che la lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica è inversamente proporzionale al gap proibito. Nel silicio generale, nei semiconduttori al germanio questo gap energetico proibito è tra la condizione e le bande di valenza sono tali che la radiazione totale dell'onda elettromagnetica durante la ricombinazione è sotto forma di radiazione infrarossa. Non possiamo vedere la lunghezza d'onda degli infrarossi perché sono fuori dal nostro campo visibile.

Si dice che la radiazione infrarossa sia come calore perché i semiconduttori di silicio e germanio non sono semiconduttori a gap diretto, piuttosto sono semiconduttori a gap indiretto. Ma nei semiconduttori a gap diretto, il livello massimo di energia della banda di valenza e il livello minimo di energia della banda di conduzione non si verificano nello stesso momento degli elettroni. Pertanto, durante la ricombinazione di elettroni e lacune sono la migrazione di elettroni dalla banda di conduzione alla banda di valenza, la quantità di moto della banda elettronica verrà modificata.

LED bianchi

La produzione dei LED può essere eseguita attraverso due tecniche. Nella prima tecnica, i chip LED come rosso, verde e blu vengono uniti in un pacchetto simile per generare luce bianca, mentre nella seconda tecnica viene utilizzata la fosforescenza. La fluorescenza all'interno del fosforo può essere riassunta all'interno della resina epossidica circostante, quindi il LED verrà attivato attraverso l'energia a lunghezza d'onda corta utilizzando il dispositivo LED InGaN.

Le diverse luci di colore come le luci blu, verde e rossa sono combinate in quantità variabili per produrre una sensazione di colore diversa, nota come colori additivi primari. Queste tre intensità di luce vengono aggiunte ugualmente per generare la luce bianca.

Ma per ottenere questa combinazione attraverso una combinazione di LED verdi, blu e rossi che necessitano di un complicato design elettro-ottico per controllare la combinazione e la diffusione di diversi colori. Inoltre, questo approccio può essere complicato a causa dei cambiamenti all'interno del colore del LED.

La linea di prodotti di LED bianchi dipende principalmente da un singolo chip LED che utilizza un rivestimento di fosforo. Questo rivestimento genera luce bianca una volta colpita da fotoni ultravioletti altrimenti blu. Lo stesso principio viene applicato anche alle lampadine fluorescenti, l'emissione di ultravioletti da una scarica elettrica all'interno del tubo farà lampeggiare il fosforo bianco.

Anche se questo processo del LED può generare tonalità diverse, le differenze possono essere controllate mediante schermatura. I dispositivi basati su LED bianchi vengono schermati utilizzando quattro coordinate di cromaticità esatte adiacenti al centro del diagramma CIE.

Il diagramma CIE descrive tutte le coordinate di colore ottenibili all'interno della curva a ferro di cavallo. I colori puliti si trovano sull'arco, ma la punta bianca si trova al centro. Il colore di uscita del LED bianco può essere rappresentato attraverso quattro punti che sono rappresentati al centro del grafico. Anche se le quattro coordinate del grafico sono vicine al bianco pulito, questi LED di solito non sono efficaci come una comune sorgente di luce per illuminare lenti colorate.

Questi LED sono utili principalmente per lenti bianche altrimenti chiare, retroilluminazione opaca ,. Quando questa tecnologia continuerà a progredire, i LED bianchi guadagneranno sicuramente una reputazione come fonte di illuminazione e indicazione.

Efficacia luminosa

L'efficienza luminosa dei LED può essere definita come il flusso luminoso prodotto in lm per ciascuna unità e la potenza elettrica può essere utilizzata entro W. L'ordine di efficacia interna nominale del LED di colore blu è 75 lm / W I LED ambra hanno 500 lm / W e rosso I LED hanno 155 lm / W. A causa del riassorbimento interno, le perdite possono essere prese in considerazione l'ordine di efficienza luminosa varia da 20 a 25 lm / W per i LED verde e ambra. Questa definizione di efficacia è nota anche come efficacia esterna ed è analoga alla definizione di efficacia normalmente utilizzata per altri tipi di sorgenti luminose come i LED multicolori.

Diodo luminoso multicolore

Un diodo a emissione di luce che produce un colore una volta collegato in polarizzazione diretta e produce un colore una volta collegato in polarizzazione inversa è noto come LED multicolore.

In realtà, questi LED includono due giunzioni PN e il collegamento di questo può essere fatto in parallelo con l'anodo di uno che è collegato al catodo di un altro.

I LED multicolori sono normalmente rossi una volta polarizzati in una direzione e verdi una volta polarizzati in un'altra direzione. Se questo LED si accende molto velocemente tra due polarità, allora questo LED genererà un terzo colore. Un LED verde o rosso genererà una luce di colore giallo una volta commutata rapidamente avanti e indietro tra le polarità di polarizzazione.

Qual è la differenza tra un diodo e un LED?

La principale differenza tra un diodo e un LED include quanto segue.

Diodo

GUIDATO

Il dispositivo a semiconduttore come un diodo conduce semplicemente in una direzione.Il LED è un tipo di diodo, utilizzato per generare luce.
La progettazione del diodo può essere eseguita con un materiale semiconduttore e il flusso di elettroni in questo materiale può dare alla loro energia la forma del calore.Il LED è progettato con fosfuro di gallio e arseniuro di gallio i cui elettroni possono generare luce durante la trasmissione dell'energia.

Il diodo cambia l'AC in DCIl LED cambia la tensione in luce
Ha un'elevata tensione di rottura inversaHa una bassa tensione di rottura inversa.
La tensione di stato on del diodo è 0,7 V per il silicio mentre, per il germanio, è 0,3 V.La tensione di stato on del LED varia approssimativamente da 1,2 a 2,0 V.
Il diodo viene utilizzato in raddrizzatori di tensione, circuiti di clipping e di bloccaggio, moltiplicatori di tensione.

Le applicazioni dei LED sono segnali stradali, proiettori automobilistici, dispositivi medici, flash per fotocamere, ecc.

Caratteristiche I-V del LED

Esistono diversi tipi di diodi emettitori di luce disponibili sul mercato e ci sono diverse caratteristiche LED che includono la luce colorata, o la radiazione della lunghezza d'onda, l'intensità della luce. La caratteristica importante del LED è il colore. Nell'utilizzo iniziale del LED, c'è l'unico colore rosso. Poiché l'uso del LED è aumentato con l'aiuto del processo dei semiconduttori e facendo la ricerca sui nuovi metalli per LED, si sono formati i diversi colori.

Caratteristiche I-V del LED

Caratteristiche I-V del LED

Il grafico seguente mostra le curve approssimative tra la tensione diretta e la corrente. Ciascuna curva nel grafico indica un colore diverso. La tabella mostra un riepilogo delle caratteristiche dei LED.

Caratteristiche del LED

Caratteristiche del LED

Quali sono i due tipi di configurazioni LED?

Le configurazioni standard dei LED sono due come emettitori e COB

L'emettitore è un singolo die che viene montato su un circuito stampato, quindi su un dissipatore di calore. Questo circuito stampato fornisce energia elettrica verso l'emettitore, mentre assorbe anche il calore.

Per aiutare a ridurre i costi e migliorare l'uniformità della luce, i ricercatori hanno stabilito che il substrato LED può essere staccato e il singolo die può essere montato apertamente sulla scheda del circuito. Quindi questo design è chiamato COB (chip-on-board array).

Vantaggi e svantaggi dei LED

Il vantaggi del diodo emettitore di luce include il seguente.

  • Il costo dei LED è inferiore e sono minimi.
  • Utilizzando l'elettricità del LED è controllata.
  • L'intensità del LED differisce con l'aiuto del microcontrollore.
  • Lunga durata
  • Energia efficiente
  • Nessun periodo di riscaldamento
  • Robusto
  • Non influisce sulle basse temperature
  • Direzionale
  • La resa dei colori è eccellente
  • Ecologico
  • Controllabile

Il svantaggi del diodo emettitore di luce include il seguente.

  • Prezzo
  • Sensibilità alla temperatura
  • Dipendenza dalla temperatura
  • Qualità della luce
  • Polarità elettrica
  • Sensibilità alla tensione
  • Caduta di efficienza
  • Impatto sugli insetti

Applicazioni del diodo a emissione di luce

Esistono molte applicazioni dei LED e alcune di esse sono spiegate di seguito.

  • Il LED è utilizzato come lampadina nelle case e nelle industrie
  • I diodi emettitori di luce sono utilizzati in motociclette e automobili
  • Questi vengono utilizzati nei telefoni cellulari per visualizzare il messaggio
  • Al semaforo vengono utilizzati i led

Quindi, questo articolo discute una panoramica del diodo emettitore di luce principio di funzionamento e applicazione del circuito. Spero che leggendo questo articolo abbiate acquisito alcune informazioni di base e funzionanti sul diodo a emissione di luce. Se hai domande su questo articolo o sul progetto elettrico dell'ultimo anno, non esitare a commentare nella sezione sottostante. Ecco una domanda per te, Cos'è il LED e come funziona?