Princip LED: jak lampa funguje, technické vlastnosti a historie jejího vzniku

LED je dvouvodičový polovodičový zdroj světla. Když je na svorky aplikován vhodný proud, elektrony jsou schopny rekombinovat se s elektronovými otvory uvnitř zařízení a uvolňovat energii ve formě fotonů. Tento efekt se nazývá elektroluminiscence a barva světla je určena energetickou mezerou polovodiče.

Co je to LED

Světelná dioda je optoelektronické zařízení schopné vyzařovat světlo, když jí prochází elektrický proud. Světelná dioda pouze prochází elektrický proud v jednom směru a vytváří nekoherentní monochromatické nebo polychromatické záření z přeměny elektrické energie.

On má několik derivátů:

• OLED.
• AMOLED.
• FOLED.

Díky své světelné účinnosti představují LED v současné době 75 % trhu s osvětlením interiérů a automobilů. Používají se při konstrukci televizorů s plochou obrazovkou, konkrétně k podsvícení LCD obrazovek nebo jako zdroj elektřiny. Používá se jako hlavní osvětlení v OLED televizorech.

První LED diody, které se začaly prodávat, produkovaly infračervené, červené, zelené a poté žluté světlo. Výstup modré LED, spojený s technickým a instalačním pokrokem, umožňuje pokrytí rozsahu vlnových délek záření od ultrafialového (350 nm) po infračervené (2000 nm). nm), který splňuje mnoho potřeb. Mnoho zařízení je vybaveno kompozitními LED diodami (tři v jedné komponentě: červená, zelená a modrá) pro zobrazení mnoha barev.

LED lampa

LED svítidla jsou osvětlovací produkty pro domácnosti, průmyslové a pouliční osvětlení, ve kterých je světelným zdrojem LED. V podstatě se jedná o sadu LED a silových obvodů pro přeměnu síťového napájení na nízkonapěťový stejnosměrný proud.

LED svítidlo je samostatné a nezávislé zařízení. Jeho tělo je nejčastěji designově individuální a speciálně navržené pro různé světelné zdroje. Velké množství lamp a jejich malé rozměry umožňují jejich umístění na různá místa, montáž panelů a jejich použití k osvětlení displejů a televizorů.

Obecné osvětlení vyžaduje bílé světlo. Princip činnosti LED lampy je založen na vyzařování světla ve velmi úzkém rozsahu vlnových délek: tedy s barevná charakteristika energie polovodičového materiálu, který se používá k výrobě LED diody. Chcete-li vyzařovat bílé světlo z LED lampy, musíte smíchat záření z červených, zelených a modrých LED nebo použít fosfor k přeměně částí světla na jiné barvy.

Jednou z metod - RGB (červená, zelená, modrá), je použití několika LED matic, každé který v těsné blízkosti vyzařuje různé vlnové délky, aby vytvořil celkovou bílou barvy.

Historie vzniku prvních lamp

První emise světla polovodičem se datuje do roku 1907 a objevil ji Henry Joseph Round. V roce 1927 podal Oleg Vladimirovič Losev první patent na to, co by se později nazývalo dioda vyzařující světlo.

V roce 1955 objevil Rubin Braunstein infračervené záření z arsenidu galia, polovodiče, který později použili Nick Holonyak, Jr. a S. Bevaccoy vytvořil první červenou LED v roce 1962. Již několik let se výzkumníci omezují na několik barev, jako je červená (1962), žlutá, zelená a později modrá (1972).

Příspěvek japonských vědců

V 90. letech 20. století výzkum Shuji Nakamury a Takashi Mukaie z Nichie v oblasti polovodičové technologie InGaN umožnilo vytvořit vysoce jasné modré LED diody a poté se přizpůsobit bílé přidáním žluté fosfor. Tento pokrok umožnil velké nové aplikace, jako je osvětlení a podsvícení televizních obrazovek a obrazovek LCD. 7. října 2014 obdrželi Shuji Nakamura, Isamu Akasaki a Hiroshi Amano Nobelovu cenu za fyziku za práci na modrých LED diodách.

Jak zařízení funguje

Když je dioda posunuta dopředu, elektrony se rychle pohybují přes přechod. Neustále se sjednocují, vzájemně se odstraňují. Brzy poté, co se elektrony začnou pohybovat z křemíku typu n na typ p, se dioda připojí k dírám a poté zmizí. Díky tomu je celý atom stabilnější a vydává malý puls energie ve formě fotonu světla.

Princip vzniku světelné vlny

Abyste pochopili, jak LED dioda funguje, musíte se dozvědět o jejích materiálech a jejich vlastnostech. LED je specializovaná forma PN přechodu, která využívá kompozitní spojení. Sloučenina musí být polovodičový materiál použitý pro připojení. Běžně používané materiály, včetně křemíku a germania, jsou jednoduché prvky a sloučenina vyrobená z těchto materiálů nevyzařuje světlo. Pokud jde o polovodiče, jako je arsenid galia, fosfid galia a fosfid india – jsou kompozitní a sloučeniny z těchto materiálů vyzařují světlo.

Tyto kompozitní polovodiče jsou klasifikovány podle valenčních pásem, které zabírají. Gallium arsenid má mocenství tři a arsen má mocenství pět. Toto se nazývá polovodič skupiny III-V. Do této kategorie patří řada dalších polovodičů. Existují polovodiče, které jsou vytvořeny z materiálů skupiny III-V.

Světelná dioda vyzařuje světlo, když je posunuta dopředu. Když je na přechod přivedeno napětí, aby byl předpjatý vpřed, teče proud, jako u každého přechodu PN. Díry z oblasti typu p a elektrony z oblasti typu n vstupují do přechodu a rekombinují se jako normální dioda, aby umožnily proudění proudu. Když k tomu dojde, uvolní se energie.

Bylo zjištěno, že většina světla pochází z přechodové oblasti blíže k oblasti typu P. Design diod je proveden tak, že tato oblast je umístěna co nejblíže k povrchu zařízení, aby konstrukce absorbovala minimální množství světla.

Abyste získali světlo, které lze vidět, musí být spojení optimalizováno a materiály musí být správné. Čistý arsenid gallia vydává energii v infračervené části spektra. Pro vyvolání světelné emise se do polovodiče ve viditelném červeném spektru přidává hliník a následně se vyrábí arsenid gallia (AlGaAs). K vytvoření červeného světla lze přidat fosfor. Pro jiné barvy se používají různé materiály. Například fosfid galia produkuje zelené světlo, zatímco fosfid vápenato-hlinitý se používá k výrobě žlutého a oranžového světla. Většina LED je založena na galliových polovodičích.

Kvantová teorie

Proud proudu v polovodičích je způsoben oběma toky volných elektronů v opačném směru. Dojde tedy k rekombinaci v důsledku toku těchto nosičů náboje.

Rekombinace ukazuje, že elektrony ve vodivém pásu klesají do valenčního pásma. Když přeskakují z jednoho pásma do druhého, vyzařují elektromagnetickou energii ve formě fotonů a energie fotonů se rovná zakázané energetické mezeře.

Zobrazí se matematická rovnice:

Eq = vf

H je známá jako Planckova konstanta a rychlost elektromagnetického záření se rovná rychlosti světla. Frekvenční záření souvisí s rychlostí světla jako f = c / λ. λ je označena jako vlnová délka elektromagnetického záření a rovnice zní:

Eq = he / λ

Na základě této rovnice můžete pochopit, jak LED funguje, na základě skutečnosti, že vlnová délka elektromagnetického záření je nepřímo úměrná zakázanému pásmu. Obecně je celkové záření elektromagnetické vlny během rekombinace ve formě infračerveného záření. Není možné vidět vlnovou délku infračerveného záření, protože je mimo viditelný rozsah.

Infračervené záření se nazývá teplo, protože křemíkové a germaniové polovodiče nejsou polovodiče s přímou mezerou, ale jsou nepřímými přechodnými druhy. Ale v polovodičích s přímou mezerou se maximální energetická hladina valenčního pásma a minimální energetická hladina vodivostního pásu nevyskytují současně s elektrony. Při rekombinaci elektronů a děr proto elektrony migrují z vodivého pásma do valenčního pásma a hybnost elektronového pásu se změní.

Výhody a nevýhody

Jako každé zařízení má i LED řadu svých vlastností, hlavních výhod a nevýhod.

Hlavní výhody vypadat takto:

• Malé rozměry: například je možné vyrábět LED diody malé jako pixely (což otevírá možnost použití diod k vytvoření obrazovek s vysokým rozlišením).
• Snadná montáž PCB, tradiční nebo CMS (Surface Mount Component).
• Spotřeba elektřiny je nižší než u žárovky a je řádově stejná jako u zářivky.
• Výborná mechanická stabilita.
• Sestavením více LED diod lze dosáhnout dobrého osvětlení s inovativními tvary.
• Životnost (přibližně 20 000 až 50 000 hodin), která je mnohem delší než u klasické žárovky (1 000 hodin). hodin) nebo halogenovou žárovkou (2 tis. hodiny). Řádově stejné jako u zářivek (od 5 tis. až 70 000 hodin).
• Velmi nízké napětí, bezpečné a snadno se přepravuje. Pro rekreanty jsou tu LED svítilny napájené jednoduchým ručním dynamem zpomaleným pohybem („kliková lampa“).
• Světelná setrvačnost je téměř nulová. Diody se zapínají a vypínají ve velmi krátkém čase, což umožňuje použití při přenosu signálů blízkých (optočleny) nebo vzdálených (optické vlákno) signálů. Okamžitě dosáhnou své jmenovité svítivosti.
• Klasické 5mm LED se díky svému výkonu sotva zahřejí a nemohou si popálit prsty.
• RGB (červená-zelená-modrá) LED diody umožňují vylepšení barev s neomezenými variacemi.

Z nedostatků lze poznamenat následující:

• LED diody, jako každá elektronická součástka, mají limity maximální provozní teploty, stejně jako některé pasivní součástky, které tvoří jejich napájecí obvod (například chemické kondenzátory, které se zahřívají v závislosti na efektivní proud). Odvod tepla komponent LED žárovek je limitujícím faktorem při zvyšování jejich příkonu, zejména u vícečipových sestav.
• Podle výrobce Philips světelná účinnost některých LED rapidně klesá. Teplota urychluje pokles světelné účinnosti. Philips také upozorňuje, že u některých bílých LED se barva může změnit a s přibývajícím věkem svítit zeleně.
• Proces výroby LED je velmi energeticky náročný. Znáte-li hlavní vlastnosti LED, jejich výhody a nevýhody, můžete si vybrat - buď je koupit, nebo odmítnout koupit a používat běžné žárovky. Vzhledem k hospodárnosti takového osvětlení však stojí za zvážení, že se může stát dobrou alternativou k běžným levnějším světelným zdrojům.