Princíp činnosti LED: ako lampa funguje, technické vlastnosti a história jej vzniku

LED je dvojvodičový polovodičový svetelný zdroj. Keď sa na svorky aplikuje vhodný prúd, elektróny sú schopné rekombinovať sa s elektrónovými otvormi vo vnútri zariadenia a uvoľňujú energiu vo forme fotónov. Tento efekt sa nazýva elektroluminiscencia a farba svetla je určená energetickou medzerou polovodiča.

Čo je to LED

Svetelná dióda je optoelektronické zariadenie schopné vyžarovať svetlo, keď ňou prechádza elektrický prúd. Dióda vyžarujúca svetlo elektrický prúd prechádza iba jedným smerom a pri premene elektrickej energie vytvára nekoherentné monochromatické alebo polychromatické žiarenie.

On má niekoľko derivátov:

• OLED.
• AMOLED.
• FOLED.

Vďaka svojej svetelnej účinnosti predstavujú LED diódy v súčasnosti 75 % trhu s interiérovým a automobilovým osvetlením. Používajú sa pri konštrukcii televízorov s plochou obrazovkou, konkrétne na podsvietenie LCD obrazoviek alebo ako zdroj elektrickej energie. Používa sa ako hlavné osvetlenie v televízoroch OLED.

Prvé LED diódy, ktoré sa začali predávať, produkovali infračervené, červené, zelené a potom žlté svetlo. Výstup modrej LED, spojený s technickým a inštalačným pokrokom, umožňuje pokrytie rozsahu vlnových dĺžok žiarenia od ultrafialového (350 nm) po infračervené (2000 nm). nm), ktorý spĺňa mnohé potreby. Mnoho zariadení je vybavených kompozitnými LED diódami (tri v jednom komponente: červená, zelená a modrá) na zobrazenie mnohých farieb.

LED lampa

LED svietidlá sú osvetľovacie produkty pre domácnosti, priemyselné a pouličné osvetlenie, v ktorých je zdrojom svetla LED. V podstate ide o sadu LED diód a výkonových obvodov na premenu sieťového napájania na nízkonapäťový jednosmerný prúd.

LED svietidlo je samostatné a nezávislé zariadenie. Jeho telo je najčastejšie dizajnovo individuálne a špeciálne navrhnuté pre rôzne zdroje svetla. Veľký počet svietidiel a ich malá veľkosť umožňujú ich umiestnenie na rôznych miestach, montáž panelov a ich použitie na osvetlenie displejov a televízorov.

Všeobecné osvetlenie vyžaduje biele svetlo. Princíp činnosti LED lampy je založený na emisii svetla vo veľmi úzkom rozsahu vlnových dĺžok: teda s farebná charakteristika energie polovodičového materiálu, ktorý sa používa na výrobu LED diódy. Ak chcete vyžarovať biele svetlo z LED lampy, musíte zmiešať žiarenie z červenej, zelenej a modrej LED alebo použiť fosfor na premenu častí svetla na iné farby.

Jednou z metód - RGB (červená, zelená, modrá), je použitie niekoľkých LED matíc, každej ktorý vyžaruje rôzne vlnové dĺžky v tesnej blízkosti, aby vytvoril celkovú bielu farby.

História vzniku prvých svietidiel

Prvá emisia svetla polovodičom sa datuje do roku 1907 a objavil ju Henry Joseph Round. V roku 1927 podal Oleg Vladimirovič Losev prvý patent na to, čo sa neskôr nazývalo dióda vyžarujúca svetlo.

V roku 1955 Rubin Braunstein objavil infračervené žiarenie z arzenidu gália, polovodiča, ktorý neskôr použili Nick Holonyak, Jr. a S. Bevaccoy vytvoril prvú červenú LED v roku 1962. Výskumníci sa niekoľko rokov obmedzili na niekoľko farieb, ako je červená (1962), žltá, zelená a neskôr modrá (1972).

Príspevok japonských vedcov

V deväťdesiatych rokoch minulého storočia výskum Shujiho Nakamuru a Takashi Mukai z Nichie v oblasti polovodičovej technológie InGaN umožnilo vytvárať modré LED diódy s vysokým jasom a potom sa prispôsobiť bielej pridaním žltej fosfor. Tento pokrok umožnil veľké nové aplikácie, ako je osvetlenie a podsvietenie televíznych obrazoviek a obrazoviek LCD. 7. októbra 2014 dostali Shuji Nakamura, Isamu Akasaki a Hiroshi Amano Nobelovu cenu za fyziku za prácu na modrých LED diódach.

Ako zariadenie funguje

Keď je dióda posunutá dopredu, elektróny sa rýchlo pohybujú cez spojenie. Neustále sa spájajú, navzájom sa odstraňujú. Čoskoro potom, čo sa elektróny začnú pohybovať z kremíka typu n na typ p, dióda sa pripojí k otvorom a potom zmizne. Preto robí celý atóm stabilnejším a dáva malý impulz energie vo forme fotónu svetla.

Princíp vzniku svetelnej vlny

Aby ste pochopili, ako LED dióda funguje, musíte sa dozvedieť o jej materiáloch a ich vlastnostiach. LED je špecializovaná forma PN prechodu, ktorý využíva kompozitné spojenie. Zlúčenina musí byť polovodičový materiál použitý na spojenie. Bežne používané materiály, vrátane kremíka a germánia, sú jednoduché prvky a zlúčenina vyrobená z týchto materiálov nevyžaruje svetlo. Pokiaľ ide o polovodiče, ako je arzenid gália, fosfid gália a fosfid india - sú kompozitné a zlúčeniny z týchto materiálov vyžarujú svetlo.

Tieto kompozitné polovodiče sú klasifikované podľa valenčných pásiem, ktoré zaberajú. Arzenid gália má valenciu tri a arzén päť. Toto sa nazýva polovodič skupiny III-V. Existuje množstvo ďalších polovodičov, ktoré vyhovujú tejto kategórii. Existujú polovodiče, ktoré sú vytvorené z materiálov skupiny III-V.

Svetelná dióda vyžaruje svetlo, keď je predpätá dopredu. Keď sa na prechod privedie napätie, aby bol predpätý dopredu, prúd tečie, ako pri akomkoľvek PN prechode. Otvory z oblasti typu p a elektróny z oblasti typu n vstupujú do križovatky a rekombinujú sa ako normálna dióda, aby umožnili prúdenie prúdu. Keď sa to stane, energia sa uvoľní.

Zistilo sa, že väčšina svetla pochádza z prechodovej oblasti bližšie k oblasti typu P. Dizajn diód je vyrobený tak, že táto oblasť je umiestnená čo najbližšie k povrchu zariadenia, aby konštrukcia absorbovala minimálne množstvo svetla.

Ak chcete získať svetlo, ktoré je možné vidieť, pripojenie musí byť optimalizované a materiály musia byť správne. Čistý arzenid gália uvoľňuje energiu v infračervenej časti spektra. Na vyvolanie emisie svetla sa do polovodiča vo viditeľnom červenom spektre pridáva hliník, po čom nasleduje produkcia arzenidu gália (AlGaAs). Na vytvorenie červeného svetla je možné pridať fosfor. Pre iné farby sa používajú rôzne materiály. Napríklad fosfid gália produkuje zelené svetlo, zatiaľ čo fosfid vápenato-hlinitý sa používa na výrobu žltého a oranžového svetla. Väčšina LED diód je založená na gálových polovodičoch.

Kvantová teória

Prúdový tok v polovodičoch je spôsobený oboma tokmi voľných elektrónov v opačnom smere. Preto dôjde k rekombinácii v dôsledku toku týchto nosičov náboja.

Rekombinácia ukazuje, že elektróny vo vodivom pásme klesajú do valenčného pásma. Keď preskočia z jedného pásma do druhého, vyžarujú elektromagnetickú energiu vo forme fotónov a energia fotónu sa rovná zakázanej energetickej medzere.

Zobrazená matematická rovnica:

Eq = vf

H je známa ako Planckova konštanta a rýchlosť elektromagnetického žiarenia sa rovná rýchlosti svetla. Frekvenčné žiarenie súvisí s rýchlosťou svetla ako f = c / λ. λ sa označuje ako vlnová dĺžka elektromagnetického žiarenia a rovnica znie:

Eq = he / λ

Na základe tejto rovnice môžete pochopiť, ako LED funguje, na základe skutočnosti, že vlnová dĺžka elektromagnetického žiarenia je nepriamo úmerná šírke pásma. Vo všeobecnosti je celkové žiarenie elektromagnetickej vlny počas rekombinácie vo forme infračerveného žiarenia. Nie je možné vidieť vlnovú dĺžku infračerveného žiarenia, pretože je mimo viditeľného rozsahu.

Infračervené žiarenie sa nazýva teplo, pretože kremíkové a germániové polovodiče nie sú polovodiče s priamou medzerou, ale sú nepriamymi medziľahlými druhmi. Ale v polovodičoch s priamou medzerou sa maximálna energetická hladina valenčného pásma a minimálna energetická hladina vodivého pásma nevyskytujú súčasne s elektrónmi. Preto počas rekombinácie elektrónov a dier migrujú elektróny z vodivého pásma do valenčného pásma a hybnosť elektrónového pásma sa zmení.

Výhody a nevýhody

Ako každé zariadenie, aj LED má množstvo svojich vlastností, hlavných výhod a nevýhod.

Hlavné výhody vyzerať takto:

• Malá veľkosť: môžete napríklad vyrobiť LED diódy malé ako pixely (čo otvára možnosť použitia diód na vytváranie obrazoviek s vysokým rozlíšením).
• Jednoduchá montáž PCB, tradičná alebo CMS (Surface Mount Component).
• Spotreba elektrickej energie je nižšia ako u žiarovky a je rádovo rovnaká ako pri žiarivke.
• Výborná mechanická stabilita.
• Zložením viacerých LED diód je možné dosiahnuť dobré osvetlenie s inovatívnymi tvarmi.
• Životnosť (približne 20 000 až 50 000 hodín), čo je oveľa dlhšie ako pri klasickej žiarovke (1 000 hodín). hodiny) alebo halogénová žiarovka (2 tis. hodiny). Rovnaký rádovo ako pri žiarivkách (od 5 tis. až 70 000 hodín).
• Veľmi nízke napätie, bezpečné a ľahko sa prepravuje. Pre dovolenkárov sú tu LED baterky napájané jednoduchým ručným dynamom spomalene („kľuková lampa“).
• Zotrvačnosť svetla je takmer nulová. Diódy sa zapínajú a vypínajú vo veľmi krátkom čase, čo umožňuje použitie pri prenose signálov na blízko (optočleny) alebo na diaľku (optické vlákno). Okamžite dosahujú svoju nominálnu svietivosť.
• Klasické 5mm LED diódy sa vďaka svojej sile sotva zahrejú a nemôžu si popáliť prsty.
• RGB (červená-zelená-modrá) LED diódy umožňujú vylepšenie farieb s neobmedzenými variáciami.

Z nedostatkov možno poznamenať nasledovné:

• LED diódy, ako každá elektronická súčiastka, majú limity maximálnej prevádzkovej teploty, ako aj niektoré pasívne komponenty, ktoré tvoria ich napájací obvod (napríklad chemické kondenzátory, ktoré sa zahrievajú v závislosti od rms prúd). Odvod tepla komponentov LED žiaroviek je limitujúcim faktorom pri zvyšovaní ich príkonu, najmä pri viacčipových zostavách.
• Podľa výrobcu Philips svetelná účinnosť niektorých LED rapídne klesá. Teplota urýchľuje pokles svetelnej účinnosti. Philips tiež poukazuje na to, že na niektorých bielych LED diódach sa farba môže meniť a s pribúdajúcim vekom svieti na zeleno.
• Proces výroby LED je veľmi energeticky náročný. Keď poznáte hlavné charakteristiky LED diód, ich výhody a nevýhody, môžete si vybrať - buď ich kúpiť, alebo odmietnuť kúpiť a používať bežné žiarovky. Vzhľadom na hospodárnosť takéhoto osvetlenia však stojí za zváženie, že sa môže stať dobrou alternatívou k bežným lacnejším svetelným zdrojom.