Light Emitting Diode Basics

Light Emitting Diode eller simpelthen LED er en af de mest almindeligt anvendte lyskilder nu om dage. Uanset om det kan være din bils forlygter (eller kørelys) eller dit hjem stue lys, er anvendelsen af lysdioder utallige.

I modsætning til (næsten) ældre glødepærer har led ‘ er (og lysstofrør) brug for et specielt kredsløb for at få dem til at fungere. De kaldes simpelthen som LED-drivere (eller en ballast i tilfælde af fluorescerende pærer).

da LED ‘ er er uundgåelige i vores liv, er det en god ide for de interesserede folk (ingeniører, driverdesignere osv.) for at lære de grundlæggende lysdioder at kende. Denne artikel er sammensat som en kort forståelsesvejledning til LED, der inkluderer en kort introduktion, det elektriske symbol på LED, typer, konstruktion, egenskaber, LED-drivere og mange.

Bemærk: Der er en enklere version af denne artikel “LED – Light Emitting Diode”, som giver et overblik over en LED på en mere enklere måde uden at gå ind i de tekniske detaljer.

Outline

introduktion

de to mest betydningsfulde halvlederlysemitterende kilder, der i vid udstrækning anvendes i forskellige applikationer, er laserdioder og LED ‘ er. princippet om drift af laserdioder er baseret på stimuleret emission, mens LED er baseret på spontan emission.

den mest almindelige fremtrædende lyskilde, der findes i elektroniske komponenter, er lysemitterende dioder. For eksempel bruges de i vid udstrækning til visning af tiden og mange andre typer data på skærme i visse displayenheder. LED ‘ er er opto – halvlederenheder, der let konverterer elektrisk strøm til belysning (eller lys). LED-området er normalt mindre end 1, og mange integrerede optiske komponenter kan bruges til at designe dets strålingsmønster. Det har den største fordel ved lave produktionsomkostninger og giver længere levetid end laserdioden. En lysemitterende diode består af to hovedelementer af halvleder. De er positivt ladede p-type huller og negativt ladede N-type elektroner.

2. Lysemitterende diode

når den positive p-side af dioden er forbundet til strømforsyningen og N-siden til jorden, siges forbindelsen at være i fremad bias, som gør det muligt for den elektriske strøm at strømme gennem dioden. De fleste og mindretal ladningsbærere af P side og N side kombineres med hinanden og neutraliserer ladningsbærere i udtømningslaget ved PN-krydset.migrationen af elektroner og huller frigiver igen en vis mængde fotoner, der udleder energi i form af monokromatisk lys ved en konstant bølgelængde normalt i nm, som ligner farven på en LED. Farvespektret for LED-emission er typisk ekstremt smalt.

generelt kan det specificeres som et bestemt specifikt bølgelængdeområde i det elektromagnetiske spektrum. Valget af farveemission fra LED ‘ en er ret begrænset på grund af arten af halvleder, der anvendes til fremstilling. Almindeligt tilgængelige farver LED er rød, grøn, blå, gul, rav og hvid.

lyset fra røde, blå og grønne farver kan let kombineres for at producere hvidt lys med begrænset lysstyrke. Arbejdsspændingen i røde, grønne, gule og gule farver er omkring 1, 8 volt. Det faktiske interval for arbejdsspænding for en lysemitterende diode kan bestemmes ved nedbrydningsspændingen af halvledermateriale involverer i konstruktionen af LED. Farven på det lys, der udsendes i LED, bestemmes af halvledermaterialerne, der danner diodens PN-kryds.

det skyldes forskellene i halvledermaterialernes energigabbåndstruktur, og så udsendes forskellige antal fotoner med forskellige frekvenser. Lysets bølgelængde afhænger imidlertid af båndgabet for halvledermaterialerne ved krydset, og lysets intensitet afhænger af mængden af strøm eller energi, der påføres gennem dioden. Udgangsbølgelængden kan opretholdes ved hjælp af sammensatte halvledere, så den krævede farve kan observeres, hvilket giver output inden for det synlige område.

lys kan produceres og styres elektronisk på en række måder. I lysemitterende dioder produceres lys gennem begrebet elektroluminescens, som er en faststofproces. Under visse specifikke betingelser for fremstilling af lyset kan solid state-procedurer producere et sammenhængende lys på samme måde som i laserdioder.

tilbage til toppen

typer af LED ‘er

lysemitterende dioder kan bredt klassificeres som to hovedkategorier af LED’ er. De er

  • synlige led ‘er
  • usynlige LED’ er

synlige led ‘ er bruges primært til afbrydere, optiske skærme og til belysningsformål uden brug af fotosensorer. Usynlige LED ‘ er bruges i applikationer, herunder optiske kontakter, analyse og optisk kommunikation osv., med brug af fotosensorer.

tilbage til toppen

effekt

vurderingen af lysemitterende dioder bestemmes med hensyn til dens lyseffekt. Det defineres som forholdet mellem lysstrøm og den elektriske indgangseffekt, der leveres til dioden, og det kan udtrykkes i lumen pr. Lysstrøm repræsenterer øjets reaktion på forskellige bølgelængder af lys.

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

BACK TO TOP

LED Construction

The structure and construction of Light Emitting Diodes are much different from that of a regular semiconductor signal diode. Lys udsendes fra LED ‘ en, når dens PN-kryds er forudindtaget. PN-krydset er dækket af et gennemsigtigt FAST og plastisk halvkugleformet skallegeme, der beskytter LED ‘ en mod atmosfæriske forstyrrelser, vibrationer og termisk chok. PN-krydset dannes ved hjælp af de laveste båndgabsmaterialer som galliumantimonid, galliumarsenid, indiumantimonid og indiumarsenid osv.

faktisk udsender et LED-kryds ikke meget lys, så epokharpikslegemet er bygget på en sådan måde, at fotonerne af lys, der udsendes af krydset, reflekteres væk fra den omgivende substratbase og fokuseres gennem den kuplede top af LED ‘ en, som i sig selv fungerer som en linse, der koncentrerer den større mængde lys.

det er grunden til, at det udsendte lys ser ud til at være lyseste øverst på LED.

2. Detaljeret struktur af lysemitterende Diode

normalt er lysemitterende dioder, der udsender rødt farvet lys, fiktive på Galliumarsenidsubstrat, og dioderne, der udsender grønne/gule / orange farvede lys, er fiktive på Galliumphosphoridsubstratet. For rød farveemission er N-type laget doteret med terillium (Te), og p – type laget doteres med sinc. Kontaktlag dannes ved hjælp af henholdsvis Al på P – side og AlSn på N – side.

LED ‘ erne er designet til at sikre, at det meste af rekombinationen af ladningsbærere finder sted på overfladen af PN-krydset på følgende måder.

  • ved at øge substratdopingkoncentrationen bevæger de ekstra minoritetsladningsbærere elektroner sig til toppen af strukturen, rekombineres og udsender lys på overfladen af LED.
  • ved at øge diffusionslængden af ladningsbærere, dvs. L = Chr Dt, hvor D er diffusionskoefficienten og Chr er ladningsbærerens levetid. Når den øges ud over den kritiske værdi, vil der være en chance for genoptagelse af de frigivne fotoner i enheden.

Når dioden er forbundet i fremad bias, får ladningsbærerne tilstrækkelig mængde energi til at overvinde barrierepotentialet, der findes ved PN-krydset. Når den forreste bias anvendes, injiceres mindretalsbærerne på både P – type og N – type over krydset og rekombineres med majoritetsbærerne. Denne rekombination af majoritets-og mindretalsafladningsbærere kan være enten strålingsgivende eller ikke-radioaktive. Radiativ rekombination udsender lys, og ikke-Radiativ rekombination producerer varme.

tilbage til toppen

organiske lysemitterende dioder

i organiske lysemitterende dioder er det sammensatte halvledermateriale, der bruges til at designe LED ‘ en, organisk. Det organiske halvledermateriale er elektrisk ledende i en del eller hele molekylet på grund af den konjugerede elektron; som et resultat er det en organisk halvleder. Materialet kan være i krystallinsk fase eller polymere molekyler. Det har fordelen ved tynd struktur, mindre omkostninger, lav spænding til kørsel, fremragende strålingsmønster, høj udstråling, maksimal kontrast og intensitet.

tilbage til toppen

lysemitterende Diodefarver

i modsætning til den normale halvleder, signaldioder, der bruges til at skifte kredsløb, ensrettere og effektelektronik kredsløb fremstillet af enten silicium-eller germanium-halvledermaterialer, er lysemitterende dioder fremstillet af sammensatte halvledermaterialer såsom galliumarsenid, Galliumarsenidphosphid, siliciumcarbid og Galliumindiumnitrid alle blandet sammen i forskellige forhold at producere en unik karakteristisk bølgelængde af farve.

forskellige halvlederforbindelser udsender lys i bestemte områder af det synlige lysspektrum, og derfor producerer de forskellige intensitetsniveauer af lys. Valget af halvledermaterialet, der anvendes til fremstilling af LED, bestemmer bølgelængden af fotonemissionerne og den resulterende farve af det udsendte lys.

tilbage til toppen

Strålingsmønster

det er defineret som vinklen på lysemissionen i forhold til den emitterende overflade. Den maksimale mængde effekt, intensitet eller energi opnås i vinkelret retning med overfladen udsender. Vinklen på lysemission afhænger af den farve, der udsendes, og den varierer normalt mellem omkring 80 og 110.

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
blå/UV-diode med gul fosfor

farven på det lys, der udsendes af en LED, bestemmes ikke af farven på plastlegemet, der omslutter LED ‘ en. Indkapslingen bruges til både at forbedre lysemissionen og til at indikere dens farve, når den ikke drives af en strømforsyning. I de senere år er blå og hvide LED ‘er også tilgængelige, men disse er dyrere end de normale standardfarve-LED’ er på grund af produktionsomkostningerne ved at blande to eller flere komplementære farver i et nøjagtigt forhold inden for halvlederforbindelsen.

tilbage til toppen

generelle egenskaber ved lyskilder

Drevstrøm Vs lysudgang

for høje værdier for fremadgående drevstrøm øges temperaturen på PN-krydset mellem halvleder på grund af betydelig strømafledning. Denne type temperaturstigning ved krydset resulterer i fald i effektiviteten af radiativ rekombination. Som et resultat øges strømtætheden yderligere; intern seriemodstand vil have en tendens til at reducere den lysemitterende effektivitet for enhver lyskilde.

tilbage til toppen

Kvanteeffektivitet

Kvanteeffektiviteten af enhver lyskilde er defineret som forholdet mellem den strålingsrekombinationshastighed, som udsender lys til den samlede rekombinationshastighed, og den er angivet som

Lira=RR/Rt

tilbage til toppen

SKIFTEHASTIGHED

Skiftehastigheden for en lyskilde ligner, hvor hurtigt en lyskilde kan tænde og slukke ved hjælp af en påført strømforsyning for at producere et tilsvarende mønster for optisk output. Led ‘ er har langsom skiftehastighed end sædvanlige laserdioder.

tilbage til toppen

spektral bølgelængde

den maksimale spektrale bølgelængde defineres som den bølgelængde, ved hvilken den maksimale lysintensitet genereres. Det bestemmes af energibåndgabet i halvledermaterialet, der anvendes til LED-fremstilling.

tilbage til toppen

Spektralbredde

en lyskildes spektralbredde defineres som det bølgelængdeområde, som en lyskilde udsender lys over. Lyskilden skal udsende lys inden for den smallere spektralbredde.

tilbage til toppen

LED i-V-egenskaber

før den udsender lys fra en lysdiode, skal den have strøm til at strømme over den, da LED er en strømafhængig enhed, hvor dens udgangslysintensitet er direkte proportional med den fremadrettede strøm, der passerer gennem LED ‘ en.

lysemitterende diode skal tilsluttes i en fremadrettet forspændingskombination på tværs af strømforsyningen, og den skal være strømbegrænset ved hjælp af en modstand, der er forbundet i serie for at beskytte den mod overskydende strømstrøm. LED bør ikke tilsluttes direkte til batteriet eller strømforsyningen, fordi overskydende mængder strøm vil strømme igennem det, og LED kan beskadige.

hver LED har sit eget individuelle fremadspændingsfald langs PN-krydset, og denne parameter er blevet bestemt af halvledermaterialet, der anvendes til fremstilling af LED til en specificeret mængde fremadledningsstrøm, normalt for en fremadstrøm på ca.20ma.

Ved lave fremadspændinger domineres diodens kørestrøm af den ikke-strålende rekombinationsstrøm på grund af rekombination af ladningsbærere over LED-chipets længde. Ved højere fremadspændinger domineres diodekørestrømmen af den strålingsdiffusionsstrøm.

selv ved større spændinger end det sædvanlige er diodestrømmen begrænset af seriemodstanden. Dioden bør aldrig nå for at vende nedbrydningsspændingen i en kort periode, da der kan forekomme permanent skade på dioden. Nedenstående figur viser I-V-karakteristika for de forskellige farve-LED ‘ er.

3. LED i-V-egenskaber

tilbage til toppen

beregning af LED-seriens modstand

lysemitterende diode fungerer godt, når den er forbundet i serie med modstanden, som et resultat leveres den fremadgående strøm, der kræves af LED ‘ en, af forsyningsspænding over hele kombinationen. Modstandsværdien af seriemodstanden kan beregnes ved hjælp af nedenstående formel. Normalt betragtes den forreste strøm af en normal LED som 20mA.

4. LED-serie modstandskredsløb

tilbage til toppen

Multi – Color Light Emitting Diode

der er et stort antal led ‘ er tilgængelige på markedet med forskellige former og størrelser, forskellige farver og forskellige lysudgangsintensiteter. Galliumarsenidphosphid rødfarvet Led med en diameter på 5 mm er den mest anvendte LED, og det er meget billigt at producere. Lysemitterende dioder med flere farveemission fremstilles i dag, og de Fås i mange pakker, de fleste af dem er to til tre lysdioder inden for en enkelt pakke.

tilbage til toppen

bi-farve lysemitterende dioder

5.Valg af LED-lysfarver ved hjælp af enkelt kredsløb

bi-farve lysemitterende dioder er en type LED ‘er, der ligner LED’ er med en farve, bare med yderligere en LED-chip, der er vedlagt i pakken. De tofarvede LED ‘ er kan have enten to eller tre ledninger til tilslutning; det afhænger af den anvendte metode. Generelt er de to LED-ledninger forbundet i omvendt parallel kombination. Anoden på en LED er forbundet med katoden på en anden LED og omvendt. Når forsyningen gives til en af anoden, lyser kun en LED. Vi kan også tænde begge led ‘ er på samme tid med dynamisk skift i høj hastighed.

tilbage til toppen

Tri farvet lysemitterende Diode

normalt har tre LED-LED fælles katodeledning, hvor begge de to andre LED-chips er tilsluttet internt. Enten skal en eller to lysdioder tændes, det er nødvendigt at forbinde den fælles katode til jorden. De nuværende begrænsende modstande er forbundet til begge anoder til styring af strømmen individuelt.

grundlæggende lysdioder RGB LED

for enkelt-eller bicolour LED-belysning er det nødvendigt at tilslutte strømforsyningen til en af anoderne individuelt eller på samme tid. Disse trefarvede lysdioder består af enkelt røde og grønne LED chips forbundet til den samme katode. Denne type dioder genererer yderligere nuancer af de primære farver ved at tænde de to lysdioder i forskellige forhold mellem fremadstrøm.

tilbage til toppen

LED-Driverkredsløb

integrerede kredsløb enten kombinationskredsløbene eller sekventielle kredsløb kan bruges til at drive lysemitterende dioder. Lysdioderne kan tændes eller slukkes ved hjælp af integrerede kredsløb. Outputtrinnene for TTL-eller CMOS-logiske porte kan bruges til at drive lysemitterende dioder som afbrydere i to konfigurationsformer. De er kilde og sink former for konfiguration.

udgangsstrømmen givet af integrerede kredsløb i sink mode konfiguration kan være omkring 50 mA og i source mode konfiguration fremadstrøm kan være omkring 30 mA. Den strøm, der drives af den lysemitterende diode, bør dog begrænses af modstanden, der er forbundet i serie.

6. Kørsel af LED-kredsløb

tilbage til toppen

kørsel af en LED ved hjælp af Transistor

i stedet for at bruge integrerede kredsløb kan LED ‘ erne drives ved hjælp af diskrete komponenter såsom bipolære PNP-og NPN-transistorer. De diskrete komponenter kan bruges til at køre mere end en LED som i store LED-array-strukturer.

færre applikationer bruger udelukkende en enkelt LED i deres funktion. Junction transistorer bruges til at drive strøm over de flere lysemitterende dioder på en sådan måde, at den fremadgående strøm drevet af LED er omkring 10 – 20 mA. Hvis NPN-transistor bruges til at køre LED ‘ en, fungerer seriemodstanden som en strømkilde. Hvis PNP-transistor bruges til at køre LED ‘ er, fungerer seriemodstanden som en strømvask.

7. Transistorer, der kører lysdioder

applikationer såsom baggrundsbelysning af skærm, gadebelysning eller som erstatning for lysstofrør eller glødelampe, kræver de fleste applikationer mere end en LED. Generelt forårsager kørsel af et antal enkelt LED ‘er parallelt ikke ensartet strømdeling mellem LED’ erne; selv da er alle LED ‘ erne bedømt til det samme spændingsfald fremad.

Hvis enkelt LED mislykkes i at køre LED ‘erne i serie, kan det overvindes ved at tilvejebringe parallelle lysdioder eller siliciumstyrede ensrettere (SCR’ er) på tværs af hver enkelt LED i serie. SCR ‘ er er det smarte valg, fordi de spreder mindre strøm, hvis de skal udføre omkring den mislykkede LED.

i tilfælde af en parallel kombination inklusive en separat driver for hver streng er dyrere end at bruge et par drivere med passende outputkapacitet.

tilbage til toppen

styring af LED-lysintensitet ved hjælp af PMM

intensiteten af lys, der udsendes af LED ‘ en, styres af strømmen, der strømmer gennem den. Da strømmen på tværs af det varierer, kan lysets lysstyrke styres. Hvis en stor mængde strøm får lov til at passere gennem dioden, lyser LED-lyset meget bedre end det sædvanlige.

hvis strømmen overstiger dens maksimale værdi, øges lysets intensitet yderligere og får LED ‘ en til at sprede varmen. Den fremadrettede nuværende grænse indstillet til at designe LED spænder omkring 10 til 40 mA. Når den krævede strøm er meget mindre, kan der være chancer for at slukke for LED ‘ en.

i sådanne tilfælde for at kontrollere lysets lysstyrke og den strøm, der kræves af LED, bruges en proces kendt som pulsbreddemodulation til gentagne gange at tænde og slukke for LED ‘ en afhængigt af den krævede lysintensitet. Lineære styringsenheder spreder den overskydende energi i form af varme, som et resultat af at levere den krævede mængde strøm, bruges PV-drivere, fordi de slet ikke leverer strømmen.

først og fremmest for at injicere PV-pulser til LED-kredsløbene, kræves der først en PV-oscillator. Der er forskellige antal PM-generatorer.

8.

tilbage til toppen

LED-skærme

enkeltfarve, bicolor, flerfarvet og flere andre lysemitterende dioder kombineres som en enkelt pakke. De kan bruges som tilbage lynnedslag, strimler og søjlediagrammer. Et væsentligt krav til digitale displayenheder er visuel numerisk skærm. Det almindelige eksempel på en sådan enkelt pakke med flere lysdioder ses i syv segmentskærme.

et syv segmentdisplay, som navnet antyder, består det af syv lysdioder inden for den enkelte displaypakke. Det kan bruges til at vise oplysningerne.

visningsoplysningerne kan være i den digitale dataform af tal, bogstaver, tegn og også alfanumeriske tegn. Det syv segmentdisplay har normalt otte kombinationer af inputforbindelser, en for hver LED, og den resterende er et fælles forbindelsespunkt for alle de interne LED ‘ er.

Hvis katoderne på alle LED ‘ erne er forbundet sammen og ved at anvende et logisk højt signal, lyser de enkelte segmenter. På samme måde, hvis anoder af alle LED ‘ erne er forbundet sammen og ved at anvende et logisk lavt signal, lyser de enkelte segmenter.

9. Fælles anode syv Segment Display

tilbage til toppen

LED Fordele, Ulemper og applikationer

fordele

  • lille Chip størrelse og lave omkostninger.
  • Lang levetid.
  • høj energieffektivitet.
  • lav temperatur.
  • fleksibilitet i design.
  • mange farver.
  • miljøvenlig.
  • høj skiftehastighed.
  • høj lysstyrke.
  • designet til at fokusere sit lys i en bestemt retning.
  • mindre påvirket af skader.
  • mindre udstrålet varme.
  • mere modstandsdygtig over for termisk stød og vibrationer.
  • ingen tilstedeværelse af UV-stråler.

tilbage til toppen

ulemper

  • Omgivelsestemperaturafhængighed af strålende udgangseffekt og bølgelængde af LED.
  • følsomhed over for skader på grund af overspænding og/eller overstrøm.
  • teoretisk samlet effektivitet opnås kun under særlige kølige eller pulserende forhold.

tilbage til toppen

applikationer

  • i motorkøretøjer og cykellygter.
  • i Trafiklysindikatorer, tegn og signaler.
  • i data viser bestyrelser.
  • i medicinske applikationer og legetøj
  • ikke visuelle applikationer.
  • i pærer og mange flere.
  • Remote controls

BACK TO TOP

PREVIOUS – ZENER DIODE

NEXT – POWER DIODES AND RECTIFIERS

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.