Il LED è una sorgente luminosa a semiconduttore a due fili. Quando viene applicata una corrente opportuna ai terminali, gli elettroni sono in grado di ricombinarsi con le lacune elettroniche all'interno del dispositivo, rilasciando energia sotto forma di fotoni. Questo effetto è chiamato elettroluminescenza e il colore della luce è determinato dal gap energetico del semiconduttore.
Contenuto
- Cos'è il LED
- Lampada a LED
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La storia della creazione delle prime lampade
- Contributo di scienziati giapponesi
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Come funziona il dispositivo
- Il principio della formazione di un'onda luminosa
- Teoria dei quanti
- Vantaggi e svantaggi
Cos'è il LED
Un diodo emettitore di luce è un dispositivo optoelettronico in grado di emettere luce quando viene attraversato da una corrente elettrica. Diodo ad emissione luminosa passa corrente elettrica solo in una direzione e produce radiazioni monocromatiche o policromatiche incoerenti dalla conversione dell'energia elettrica.
Lui ha diversi derivati:
- OLED.
- AMOLED.
- FOLTO.
Grazie alla loro efficienza luminosa, i LED rappresentano attualmente il 75% del mercato dell'illuminazione indoor e automotive. Sono utilizzati nella costruzione di televisori a schermo piatto, ovvero per retroilluminare schermi LCD o per fornire una fonte di elettricità. Utilizzato come illuminazione principale nei televisori OLED.
I primi LED messi in vendita producevano luce a infrarossi, rossa, verde e poi gialla. L'uscita del LED blu, associata all'andamento tecnico e installativo, consente la copertura della gamma di lunghezze d'onda della radiazione dall'ultravioletto (350 nm) all'infrarosso (2000 nm). nm) che soddisfa molte esigenze. Molti dispositivi sono dotati di LED compositi (tre in un componente: rosso, verde e blu) per visualizzare molti colori.
Lampada a LED
Le lampade a LED sono prodotti di illuminazione per l'illuminazione domestica, industriale e stradale in cui la sorgente luminosa è LED. Fondamentalmente è un insieme di LED e circuiti di alimentazione per convertire l'alimentazione di rete in corrente continua a bassa tensione.
L'apparecchio a LED è un dispositivo separato e indipendente. Il suo corpo è spesso individuale nel design e appositamente progettato per varie fonti di luce. Un gran numero di lampade e le loro ridotte dimensioni consentono di posizionarle in luoghi diversi, assemblare pannelli e utilizzarle per illuminare display e televisori.
L'illuminazione generale richiede luce bianca. Il principio di funzionamento di una lampada a LED si basa sull'emissione di luce in un intervallo di lunghezze d'onda molto ristretto: cioè con il colore caratteristico dell'energia del materiale semiconduttore che viene utilizzato per fabbricare LED. Per emettere luce bianca da una lampada a LED, devi mescolare la radiazione dei LED rossi, verdi e blu o utilizzare un fosforo per convertire parti della luce in altri colori.
Uno dei metodi - RGB (rosso, verde, blu), è l'uso di diverse matrici di LED, ciascuna di cui emette diverse lunghezze d'onda, in stretta vicinanza, per creare un bianco complessivo colori.
La storia della creazione delle prime lampade
La prima emissione di luce da parte di un semiconduttore risale al 1907 ed è stata scoperta da Henry Joseph Round. Nel 1927, Oleg Vladimirovich Losev ha depositato il primo brevetto per quello che in seguito sarebbe stato chiamato un diodo a emissione di luce.
Nel 1955, Rubin Braunstein scoprì la radiazione infrarossa dall'arseniuro di gallio, un semiconduttore che sarebbe poi stato utilizzato da Nick Holonyak, Jr. e S. Bevaccoy per creare il primo LED rosso nel 1962. Per diversi anni i ricercatori si sono limitati a pochi colori, come il rosso (1962), il giallo, il verde e poi il blu (1972).
Contributo di scienziati giapponesi
Negli anni '90, la ricerca di Shuji Nakamura e Takashi Mukai di Nichia sulla tecnologia dei semiconduttori InGaN permesso di creare LED blu ad alta luminosità e quindi adattarsi al bianco aggiungendo il giallo fosforo. Questo progresso ha permesso nuove importanti applicazioni come l'illuminazione e la retroilluminazione per schermi televisivi e schermi LCD. Il 7 ottobre 2014, Shuji Nakamura, Isamu Akasaki e Hiroshi Amano hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica per il loro lavoro sui LED blu.
Come funziona il dispositivo
Quando il diodo è polarizzato in avanti, gli elettroni si muovono rapidamente attraverso la giunzione. Si uniscono costantemente, si rimuovono a vicenda. Subito dopo che gli elettroni iniziano a spostarsi dal silicio di tipo n a quello di tipo p, il diodo si collega ai fori e poi scompare. Quindi, rende l'intero atomo più stabile e dà un piccolo impulso di energia sotto forma di un fotone di luce.
Il principio della formazione di un'onda luminosa
Per capire come funziona il LED, è necessario conoscere i suoi materiali e le loro proprietà. Un LED è una forma specializzata di giunzione PN che utilizza una connessione composita. Il composto deve essere il materiale semiconduttore utilizzato per la connessione. I materiali comunemente usati, inclusi silicio e germanio, sono elementi semplici e un composto composto da questi materiali non emette luce. Per quanto riguarda i semiconduttori come l'arseniuro di gallio, il fosfuro di gallio e il fosfuro di indio, sono compositi e i composti di questi materiali emettono luce.
Questi semiconduttori compositi sono classificati in base alle bande di valenza che occupano. L'arseniuro di gallio ha valenza tre e l'arsenico ha valenza cinque. Questo è chiamato un semiconduttore del gruppo III-V. Ci sono un certo numero di altri semiconduttori che rientrano in questa categoria. Esistono semiconduttori formati da materiali del gruppo III-V.
Un diodo emettitore di luce emette luce quando è polarizzato in avanti. Quando la tensione viene applicata alla giunzione per renderla polarizzata in avanti, la corrente scorre, come con qualsiasi giunzione PN. I fori della regione di tipo p e gli elettroni della regione di tipo n entrano nella giunzione e si ricombinano come un normale diodo per consentire il flusso di corrente. Quando ciò accade, l'energia viene rilasciata.
È stato scoperto che la maggior parte della luce proviene dalla regione di transizione più vicina alla regione di tipo P. Il design dei diodi è realizzato in modo tale che quest'area si trovi il più vicino possibile alla superficie del dispositivo in modo che la struttura assorba una quantità minima di luce.
Per ottenere la luce che si può vedere, la connessione deve essere ottimizzata e i materiali devono essere corretti. L'arseniuro di gallio puro emette energia nella parte infrarossa dello spettro. Per indurre l'emissione di luce, l'alluminio viene aggiunto al semiconduttore nello spettro del rosso visibile, seguito dalla produzione di arseniuro di gallio arseniuro (AlGaAs). Il fosforo può essere aggiunto per produrre luce rossa. Per altri colori vengono utilizzati materiali diversi. Ad esempio, il fosfuro di gallio produce luce verde, mentre il fosfuro di calcio alluminio viene utilizzato per produrre luce gialla e arancione. La maggior parte dei LED è basata su semiconduttori di gallio.
Teoria dei quanti
Il flusso di corrente nei semiconduttori è dovuto ad entrambi i flussi di elettroni liberi nella direzione opposta. Quindi, ci sarà una ricombinazione dovuta al flusso di questi portatori di carica.
La ricombinazione mostra che gli elettroni nella banda di conduzione scendono nella banda di valenza. Quando saltano da una banda all'altra, emettono energia elettromagnetica sotto forma di fotoni e l'energia del fotone è uguale al gap energetico proibito.
Equazione matematica visualizzata:
Eq = hf
H è nota come costante di Planck e la velocità della radiazione elettromagnetica è uguale alla velocità della luce. La radiazione di frequenza è correlata alla velocità della luce come f = c / λ. è indicato come la lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica e l'equazione diventa:
Eq = lui / λ
In base a questa equazione si può capire come funziona un LED, in base al fatto che la lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica è inversamente proporzionale al band gap. In generale, la radiazione totale di un'onda elettromagnetica durante la ricombinazione è sotto forma di radiazione infrarossa. È impossibile vedere la lunghezza d'onda della radiazione infrarossa perché è al di fuori della gamma visibile.
La radiazione infrarossa è chiamata calore perché i semiconduttori di silicio e germanio non sono semiconduttori a gap diretto, ma sono varietà intermedie indirette. Ma nei semiconduttori con un gap diretto, il livello energetico massimo della banda di valenza e il livello energetico minimo della banda di conduzione non si verificano contemporaneamente agli elettroni. Pertanto, durante la ricombinazione di elettroni e lacune, gli elettroni migrano dalla banda di conduzione alla banda di valenza e il momento della banda di elettroni verrà modificato.
Vantaggi e svantaggi
Come ogni dispositivo, anche il LED ha una serie di sue caratteristiche, i principali vantaggi e svantaggi.
Principali vantaggi Assomiglia a questo:
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Dimensioni ridotte: ad esempio, puoi realizzare LED piccoli come pixel (il che apre la possibilità di utilizzare diodi per creare schermi ad alta risoluzione).
- Facilità di assemblaggio PCB, tradizionale o CMS (Surface Mount Component).
- Il consumo di elettricità è inferiore a quello di una lampada ad incandescenza e dello stesso ordine di grandezza di quello di una lampada fluorescente.
- Eccellente stabilità meccanica.
- Assemblando più LED, è possibile ottenere una buona illuminazione con forme innovative.
- Durata della vita (da circa 20.000 a 50.000 ore), che è molto più lunga di una lampada a incandescenza convenzionale (1.000 ore). ore) o una lampada alogena (2 mila. ore). Lo stesso ordine di grandezza delle lampade fluorescenti (da 5 mila. fino a 70.000 ore).
- Bassissima tensione, sicuro e facile da trasportare. Per i vacanzieri, ci sono torce a LED alimentate da un semplice rallentatore a dinamo manuale ("lampada a manovella").
- L'inerzia della luce è quasi zero. I diodi si accendono e si spengono in un tempo molto breve, il che rende possibile l'uso durante la trasmissione di segnali di segnali vicini (optoaccoppiatori) o lontani (fibra ottica). Raggiungono immediatamente la loro intensità luminosa nominale.
- Grazie alla loro potenza, i classici LED da 5 mm si scaldano appena e non possono scottarti le dita.
- I LED RGB (rosso-verde-blu) consentono miglioramenti del colore con variazioni illimitate.
Delle carenze si può notare quanto segue:
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I LED, come qualsiasi componente elettronico, hanno limiti di temperatura massima di esercizio, oltre ad alcuni passivi componenti che compongono il loro circuito di potenza (ad esempio, condensatori chimici che si riscaldano a seconda del corrente efficace). La dissipazione del calore dei componenti delle lampadine a LED è un fattore limitante nell'aumentare la loro potenza, specialmente negli assemblaggi multi-chip.
- Secondo il produttore Philips, l'efficienza luminosa di alcuni LED diminuisce rapidamente. La temperatura accelera il declino dell'efficienza luminosa. Philips sottolinea inoltre che il colore può cambiare su alcuni LED bianchi e diventa verde man mano che invecchiano.
- Il processo di produzione dei LED richiede molta energia. Conoscendo le principali caratteristiche dei LED, i loro vantaggi e svantaggi, puoi fare una scelta: acquistarli o rifiutarti di acquistare e utilizzare normali lampade a incandescenza. Tuttavia, data l'economicità di tale illuminazione, vale la pena considerare che può diventare una buona alternativa alle solite sorgenti luminose più economiche.