発光ダイオードの基本原則

発光ダイオードまたは単にLEDは、最も一般的に使用される光源の一つです。 それがあなたの車のヘッドライト(または昼間の連続したライト)またはあなたの家の居間ライトであるかもしれないかどうかLEDsの適用は無数で

(ほとんど)レガシーフィラメント電球とは異なり、Led(および蛍光灯)は、それらを動作させるために特別な回路を必要とします。 それらはLEDの運転者(または蛍光球根の場合にはバラスト)として単に呼ばれます。 Ledは私たちの生活の中で避けられないので、それは興味のある人々(エンジニア、ドライバデザイナーなど)のための良いアイデアです。

Ledは私たちの生活の中で避けられないものです。

)発光ダイオードの基礎を知るために。 この記事は、簡単な紹介、LEDの電気的シンボル、種類、構造、特性、LEDドライバおよび多くを含むLEDへの簡単な理解ガイドとして構成されています。

注:技術的な詳細に入ることなく、より簡単な方法でLEDの概要を与えるこの記事”LED–発光ダイオード”の簡単なバージョンがあります。

概要

はじめに

広く様々なアプリケーションで使用される二つの最も重要な半導体発光源は、レーザダイオードとLEDのです。

電子部品で利用可能な最も一般的な著名な光源は、発光ダイオードです。 例えば、それらは、特定の表示装置の画面上に時間および他の多くのタイプのデータを表示するために広く使用されている。 LEDは、電流を照明(または光)に容易に変換する光半導体デバイスです。 LEDの区域は通常1よりより少しであり、多くの統合された光学部品は放射パターンの設計で使用されるかもしれません。 それに低い製造原価の主要な利点があり、半導体レーザーより長い生命をします。 発光ダイオードは、半導体の2つの主要な要素からなる。 それらは正に帯電したP型正孔および負に帯電したN型電子である。p>

2. 発光ダイオード

ダイオードの正のP側が電源に接続され、n側がグランドに接続されている場合、接続は電流がダイオードを流れることを可能にす P側とn側の大多数電荷キャリアと少数電荷キャリアは互いに結合し,pn接合で空乏層の電荷キャリアを中和する。

電子と正孔の移動は、通常、ledの色に似たnmの一定の波長で単色光の形でエネルギーを放出する光子のいくつかの量を放出します。

電子と正孔の移動は、LEDの色に似ています。 LEDの放出の色スペクトルは普通非常に狭いです。一般に、電磁スペクトルの特定の特定の波長範囲として指定することができます。

LEDからの色の放出の選択は製造で使用される半導体の性質がかなり限られた原因である。 LEDの一般的に利用できる色は赤く、緑、青、黄色、こはく色および白です。赤、青、緑の色からの光を簡単に組み合わせて、明るさが限られた白色光を生成することができます。

赤、青、緑の色からの光は、限られた明るさで白色光 赤く、緑の、こはく色および黄色色の定常電圧はおよそ1.8ボルトです。 発光ダイオードの動作電圧の実際の範囲は、LEDの構築に関与する半導体材料の絶縁破壊電圧によって決定することができる。 LEDで放出される光の色は、ダイオードのPN接合を形成する半導体材料によって決定されます。

これは、半導体材料のエネルギーギャップバンド構造の違いによるものであり、光子の数が異なるため、周波数が変化して放出されます。 しかし、光の波長は接合部の半導体材料のバンドギャップに依存し、光の強度はダイオードを介して印加される電力またはエネルギーの量に依存する。 化合物半導体を使用することにより、出力波長を維持することができ、必要な色を観察することができ、可視範囲内の出力を提供する。

光は、いくつかの方法で電子的手段によって生成され、制御することができます。 発光ダイオードでは、固体プロセスであるエレクトロルミネッセンスの概念によって光が生成されます。 光を生成する特定の特定の条件下では、固体状態の手順は、同様にレーザダイオードのように、コヒーレント光を生成することができます。

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Ledの種類

発光ダイオードは、Ledの二つの主要なカテゴリとして広く分類することができます。 彼らは

  • 可視Led
  • 目に見えないLed

可視Ledは、主にスイッチ、光学ディスプレイ、および光センサーを使用せずに照明目的で使用されます。 目に見えないLEDsは光スイッチを含む適用で、分析および光通信、等使用されます。、光センサーの使用を使って。

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有効性

発光ダイオードの定格は、その発光効率の観点から決定されます。 これは、ダイオードに供給される電気入力電力に対する光束の比として定義され、ワットあたりのルーメンで表すことができます。 光束は、異なる波長の光に対する眼の応答を表す。

Color
Wavelength (nm)
Typical Efficacy (lm/W)
Typical Efficacy (W/W)
Red
Green
Blue
Cyan
Red – Orange

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LED Construction

The structure and construction of Light Emitting Diodes are much different from that of a regular semiconductor signal diode. PN接合部が順方向にバイアスされると、LEDから光が放射されます。 PNの接続点は大気妨害、振動および熱衝撃からLEDを保護する透明な固体およびプラスチックエポキシ樹脂半球の定形貝ボディによって覆われる。 PN接合は、アンチモン化ガリウム、ヒ化ガリウム、アンチモン化インジウム、ヒ化インジウムなどの最低バンドギャップ材料を使用して形成されます。

実際にはLEDジャンクションはあまり発光しないため、エポキシ樹脂本体は、ジャンクションから放出された光の光子が周囲の基板ベースから反射

それが、放出された光がLEDの上部で最も明るいように見える理由です。

それは、ledの上部で最も明るいように見える理由です。p>

2。 発光ダイオードの詳細な構造

通常、赤色の光を放出する発光ダイオードはヒ化ガリウム基板上に架空のものであり、緑色/黄色/オレンジ色の光を放出するダイオードはリン酸ガリウム基板上に架空のものである。 赤色発光の場合,n型層にテリリウム(T e)をドープし,p型層に亜鉛をドープした。 接触層は、それぞれP側にA L、N側にAlsnを用いて形成される。

Ledは、電荷キャリアの再結合の大部分がPN接合の表面で以下の方法で起こることを確実にするように設計されています。

  • 基板ドーピング濃度を増加させることにより、追加の少数電荷キャリア電子は、構造の上部に移動再結合し、LEDの表面に光を放出します。
  • 電荷キャリアの拡散長を増加させることによって、すなわち、L=Π Dt、dは拡散係数であり、πは電荷キャリア寿命時間である。
  • 臨界値を超えて増加すると、放出された光子がデバイスに再吸収される可能性があります。

ダイオードが順方向バイアスで接続されている場合、電荷キャリアはPN接合に存在する障壁電位を克服するのに十分な量のエネルギーを獲得します。 順方向バイアスが印加されるたびに,p型とN型の両方の少数電荷キャリアが接合部を横切って注入され,多数キャリアと再結合する。 多数の電荷キャリアと少数の電荷キャリアのこの再結合は、放射性または非放射性のいずれかであり得る。 放射再結合は光を放出し、非放射再結合は熱を生成する。

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有機発光ダイオード

有機発光ダイオードでは、LEDの設計に使用される化合物半導体材料は、本質的に有機 有機半導体材料は、共役電子のために分子の一部または全体において電気的に導電性であり、その結果、有機半導体である。 材料は、結晶相または高分子分子であってもよい。 それに運転のための薄い構造、より少ない費用、低電圧、優秀な放射パターン、高い光輝、最高の対照および強度の利点があります。

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発光ダイオードの色

通常の半導体とは対照的に、スイッチング回路、整流器、パワーエレクトロニクス回路に使用される信号ダイオードは、シリコンまたはゲルマニウム半導体材料のいずれかから作られた、発光ダイオードは、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、炭化ガリウム、窒化ガリウムなどの化合物半導体材料から製造されています。…..

異なる半導体化合物は、可視光スペクトルの明確な領域で光を放出するため、それらは異なる強度レベルの光を生成する。

異なる半導体化合物 LEDの製造に使用される半導体材料の選択は、光子放出の波長および放出される光の結果として生じる色を決定する。

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放射パターン

これは、発光面に対する発光の角度として定義されます。 パワー、強度またはエネルギーの最大量は、表面発光と垂直方向に得られます。 発光の角度は、放出される色に依存し、それは通常、約80°から110°の間で変化する。

Color
Wavelength (nm)
Voltage Drop (V)
Semiconductor Material
Infrared
>
Gallium Arsenide
Aluminium Gallium Arsenide
Red
Aluminium Gallium Arsenide
Gallium Arsenide Phosphide
Aluminium Gallium Indium Phosphide
Gallium Phosphide
Orange
Gallium Arsenide Phosphide
Aluminium Gallium Indium Phosphide
Gallium Phosphide
Yellow
Gallium Arsenide Phosphide
Aluminium Gallium Indium Phosphide
Gallium Phosphide
Green
Gallium Indium Phosphide
Aluminium Gallium Indium Phosphide
Aluminium Gallium Phosphide
Indium Gallium Nitride
Blue
Zinc Selenide
Indium Gallium Nitride
Silicon Carbide
Silicon
Violet
Indium gallium Nitride
Purple
multiple types
Dual Blue/Red LEDs
Blue with Red Phosphor
White with Purple Plastic
ultraviolet
Diamond
Boron Nitride
Aluminium Nitride
Aluminium Gallium Nitride
Aluminium gallium Indium Nitride
Pink
multiple types
Blue with phosphor
Yellow with Red, Orange or Pink phospor
White with Pink pigment
White
Broad spectrum
黄色の蛍光体を持つ青/UVダイオード

LEDによって放出される光の色は、LEDを囲むプラスチックボディの色 囲むことが電気供給によって運転されないとき光の放出を高め、色を示すのに使用されています。 近年、青色Ledと白色Ledも利用可能ですが、半導体化合物内で2つ以上の補色を正確な比率で混合する生産コストのため、通常の標準色Ledよりも高価で

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光源の一般的な特性

駆動電流対光出力

順方向駆動電流の値が高い場合、半導体のPN接合の温度はかなりの このタイプの接合部での温度上昇は、放射再結合の効率を低下させる。 その結果、電流密度はさらに増加し、内部直列抵抗は任意の光源の発光効率を低下させる傾向がある。

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量子効率

任意の光源の量子効率は、総再結合率に光を放出する放射再結合率の比として定義され、それは次のように与えられます

λ=Rr/Rt

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スイッチング速度

光源のスイッチング速度は、光源が光出力の対応するパターンを生成するために印加された電気供給によ LEDsに通常の半導体レーザーより遅い切換えの速度があります。

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スペクトル波長

ピークスペクトル波長は、光の最大強度が生成される波長として定義されます。 これは、LED製造に使用される半導体材料のエネルギーバンドギャップによって決定されます。

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スペクトル幅

光源のスペクトル幅は、光源が光を発する波長の範囲として定義されます。 光源はより狭い分光幅の内のライトを出さなければならない。

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LED I-V特性

任意の発光ダイオードから光を放出する前に、LEDは、その出力光強度がLEDを通過する順方向電流に正比例して電流依存デバイスであるため、それを横切って流れる電流を持っている必要があります。

発光ダイオードは、電源全体に順方向バイアスの組み合わせで接続する必要があり、過剰な電流の流れから保護するために直列に接続された抵抗を使用して電流を制限する必要があります。 過剰な電流が流れ、LEDが損傷する可能性があるため、LEDをバッテリまたは電源に直接接続しないでください。

各LEDは、PN接合に沿ってそれ自身の個々の順方向電圧降下を有し、このパラメータは、通常約20maの順方向電流のために、指定された量の順方向導電電流のためにLEDの製造に使用される半導体材料によって決定されている。

低い順方向電圧では、ダイオードの駆動電流は、LEDチップの長さにわたる電荷キャリアの再結合による非放射再結合電流によって支配されます。 より高い順方向電圧では、ダイオード駆動電流は放射拡散電流によって支配されます。

通常よりも大きな電圧でも、ダイオード電流は直列抵抗によって制限されます。 ダイオードの永久的な損傷が起こるかもしれないのでダイオードは短い持続期間のための逆の絶縁破壊電圧に決して達するべきではないです。 下の図は、異なる色のLedのI-V特性を示しています。p>

3. LED I-V特性

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LEDシリーズ抵抗計算

発光ダイオードは、抵抗と直列に接続されているときにうまく機能し、その結果、LED 直列抵抗の抵抗値は、以下の式を使用して計算することができます。 通常、通常のLEDの順方向電流は20mAと見なされます。

4。 LED直列抵抗回路

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マルチカラー発光ダイオード

様々な形状やサイズ、異なる色と異なる光出力強度を持つ市場で ガリウム砒素リン化物は、直径が5mmの赤色Ledが最も一般的に使用されるLEDであり、製造するのは非常に安価です。 多数色の放出の発光ダイオードはこの頃は製造されて、多くのパッケージ、殆んどで利用できますです単一のパッケージ内の2つから3つのLEDsです。

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バイカラー発光ダイオード

5。単一回路を使用してLED光の色の選択

バイカラー発光ダイオードは、単にパッケージに封入された追加のもう一つのLEDチップと単一色Ledに似たLedの一種 Bicolour LEDsは接続のための2つか3つの鉛を備えているかもしれません; それは使用される方法に依存します。 一般に、2つのLEDリード線は逆並列の組み合わせで接続されています。 1つのLEDの陽極は別のLEDの陰極に接続され、その逆もまた同様である。 いずれかの陽極に電源が供給されると、1つのLEDのみが点灯します。 私達はまた動的切換えと高速で両方のLEDsを同時につけてもいいです。

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三色発光ダイオード

通常、三つのリードLEDは、他の二つのLEDチップの両方が内部的に接続されている共通のカソードリ 1つまたは2つのLedをオンにする必要がありますが、共通のカソードをグランドに接続する必要があります。 電流制限抵抗は、電流を個別に制御するために両方の陽極に接続されています。

発光ダイオードの基本RGB LED

シングルまたはバイカラー LED照明のためには、個別にまたは同時に陽極のいずれかに電源を接続する必 これらのtricolored LEDsは同じ陰極に接続される単一の赤くおよび緑LEDの破片で構成する。 このタイプのダイオードは、順方向電流の異なる比率で2つのLedをオンにすることによって、原色の追加の色合いを生成します。

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LEDドライバ回路

集積回路組み合わせ回路または順序回路のいずれかを使用して発光ダイオードを駆動 発光ダイオードは集積回路を使用してオンまたはオフに切り替えることができます。 TTLまたはCMOS論理ゲートの出力段は、発光ダイオードをスイッチとして二つのモードの構成で駆動するために使用することができます。 これらは、構成のソースモードとシンクモードです。

シンクモード構成では集積回路によって与えられる出力電流は約50mAであり、ソースモード構成では順方向電流は約30mAであることができます。

シンクモード構成では、順方向電流は約30mAであることができます。 しかし、発光ダイオードによって駆動される電流は、直列に接続された抵抗によって制限されるべきである。p>

6. LED回路の駆動

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トランジスタを使用してLEDを駆動

集積回路を使用する代わりに、ledはバイポーラPNPやNPNトラン ディスクリート部品は、大型LEDアレイ構造のように複数のLEDを駆動する際に使用することができます。

機能に単一のLEDのみを使用するアプリケーションは少なくなります。 接合トランジスタは、LEDによって駆動される順方向電流が約10–20mAになるように、複数の発光ダイオード間で電流を駆動するために使用されます。 LEDの駆動にNPNトランジスタを使用すると、直列抵抗が電流源として機能します。 PNPトランジスタがLedの駆動に使用される場合、直列抵抗は電流シンクとして機能します。

7。 Ledを駆動するトランジスタ

このような画面のバックライトアレイ、街路灯や蛍光灯や白熱灯の代替としてなどのアプリケーションは、アプリケーシ 一般に、多数の単一のLedを並列に駆動すると、Led間で不均一な電流共有が発生します。; それでも、すべてのLedは同じ順方向電圧降下に対して定格されます。

単一のLEDが直列のLedを駆動するのに失敗した場合は、直列の各単一のLEDに並列ツェナーダイオードまたはシリコン制御整流器(SCRs)を提供することによ SCRsは失敗したLEDのまわりで遂行しなければならなければより少ない力を散らすのでスマートな選択である。

各文字列に個別のドライバを含む並列組み合わせの場合は、適切な出力容量を持ついくつかのドライバを使用するよりも高価です。

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PWMを使用してLED光強度の制御

LEDが放出する光の強度は、それを流れる電流によって制御されます。 それを横切る電流が変化するにつれて、光の明るさを制御することができる。 大量の電流がダイオードを通過することが許可されている場合、LEDライトは通常よりもはるかに良く点灯します。

電流が最大値を超えると、光の強度がさらに増加し、LEDが熱を放散させます。

電流が最大値を超えると、光の強度がさらに増加し、LEDが熱を放散 順方向電流制限は、約10~40mAの範囲のLEDを設計するために設定されています。 必要な電流が非常に少ない場合は、LEDをオフにする可能性があります。

このような場合、光の明るさとLEDに必要な電流を制御するために、必要な光の強度に応じてLEDを繰り返しオンとオフにするためのパルス幅変調と リニア制御デバイスは、余分なエネルギーを熱の形で放散し、その結果、必要な量の電力を供給するために、PWMドライバが使用されます。

まず、LED回路にPWMパルスを注入するには、まずPWM発振器が必要です。 PWM発電機にはさまざまな数があります。p>

8. PWMを使用してLED光強度の制御

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LEDディスプレイ

単色、二色、多色および他のいくつかの発光ダイオードは、単一のパッケー それらは背部軽減、ストリップおよび棒グラフとして使用することができる。 デジタル表示装置の1つの必要な条件は視覚数字表示です。 このような複数のLedの単一パッケージの一般的な例は、7つのセグメントディスプレイに見られます。

名前が示すように、それは単一のディスプレイパッケージ内の七つのLedで構成されています。 それは情報の表示に使用することができます。 表示情報は、数字、文字、文字、および英数字のデジタルデータ形式であってもよい。

表示情報は、数字、文字、および英数字のデジタルデータ形式であってもよい。

Seven segment displayには、通常、各LEDに1つずつの入力接続の8つの組み合わせがあり、残りの1つはすべての内部Ledに共通の接続ポイントです。

すべてのLedの陰極が一緒に接続され、論理ハイ信号を印加することによって、個々のセグメントが点灯する。 同様に、すべてのLedの陽極が一緒に接続され、論理LOW信号を印加することによって、個々のセグメントが照明される。p>

9。 共通アノードセブンセグメント表示

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LEDの利点、欠点とアプリケーション

利点

  • 小さなチップサイズと低コ
  • 長い寿命。
  • 高エネルギー効率。
  • 低温。
  • デザインの柔軟性。
  • 多くの色。
  • 環境に優しい。
  • 高いスイッチング速度。
  • 高い光度。
  • 特定の方向に光を集中させるように設計されています。
  • 損害賠償の影響を受けにくい。
  • 放射熱が少なくなります。
  • 熱衝撃や振動に対してより耐性があります。
  • 紫外線の存在はありません。

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デメリット

  • 放射出力電力とLEDの波長の周囲温度依存性。
  • 過剰電圧および/または過剰電流による損傷に対する感度。
  • 理論的な全体的な効率は、特別なクールまたはパルス条件でのみ達成されます。

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アプリケーション

  • 自動車や自転車のライトで。
  • 信号機のインジケータ、標識や信号で。データ表示ボードの
  • 医療アプリケーションやおもちゃで
  • 非視覚的なアプリケーション。
  • 電球や、より多くの。
  • Remote controls

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