Was ist eine Leuchtdiode? Arbeiten und ihre Anwendungen

Die Leuchtdiode ist eine Halbleiterlichtquelle mit zwei Leitungen. 1962 kam Nick Holonyak auf die Idee einer Leuchtdiode und arbeitete für das allgemeine Elektrizitätsunternehmen. Die LED ist ein spezieller Diodentyp und hat ähnliche elektrische Eigenschaften wie eine PN-Sperrschichtdiode. Daher ermöglicht die LED den Stromfluss in Vorwärtsrichtung und blockiert den Strom in Rückwärtsrichtung. Die LED nimmt einen kleinen Bereich ein, der kleiner als ist 1 mm^zwei . Die Anwendungen von LEDs verwendet, um verschiedene elektrische und elektronische Projekte zu machen. In diesem Artikel werden wir das Funktionsprinzip der LED und ihre Anwendungen diskutieren.

Was ist eine Leuchtdiode?

Die Leuchtdiode ist a pn-Sperrschichtdiode . Es ist eine speziell dotierte Diode, die aus einem speziellen Halbleitertyp besteht. Wenn das Licht in Vorwärtsrichtung emittiert wird, spricht man von einer Leuchtdiode.

Leuchtdiode

LED-Symbol

Das LED-Symbol ähnelt einem Diodensymbol mit Ausnahme von zwei kleinen Pfeilen, die die Lichtemission angeben. Daher wird es als LED (Leuchtdiode) bezeichnet. Die LED enthält zwei Anschlüsse, nämlich Anode (+) und Kathode (-). Das LED-Symbol wird unten angezeigt.

LED-Symbol

Aufbau von LED

Der Aufbau von LED ist sehr einfach, da er durch Abscheidung von drei Halbleitermaterialschichten über einem Substrat konstruiert wird. Diese drei Schichten sind nacheinander angeordnet, wobei der obere Bereich ein Bereich vom P-Typ ist, der mittlere Bereich aktiv ist und schließlich der untere Bereich vom N-Typ ist. Die drei Bereiche des Halbleitermaterials können bei der Konstruktion beobachtet werden. Bei der Konstruktion umfasst der Bereich vom P-Typ die Löcher, während der Bereich vom N-Typ Wahlen enthält, während der aktive Bereich sowohl Löcher als auch Elektronen enthält.

Wenn die Spannung nicht an die LED angelegt wird, fließen keine Elektronen und Löcher, sodass sie stabil sind. Sobald die Spannung angelegt ist, wird die LED in Vorwärtsrichtung vorgespannt, so dass sich die Elektronen im N-Bereich und die Löcher im P-Bereich in den aktiven Bereich bewegen. Diese Region ist auch als Verarmungsregion bekannt. Da die Ladungsträger wie Löcher eine positive Ladung enthalten, während Elektronen eine negative Ladung haben, kann das Licht durch die Rekombination von Polaritätsladungen erzeugt werden.

Wie funktioniert die Leuchtdiode?

Die Leuchtdiode kennen wir einfach als Diode. Wenn die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, bewegen sich die Elektronen und Löcher schnell über den Übergang und sie werden ständig kombiniert, wobei sie sich gegenseitig entfernen. Kurz nachdem sich die Elektronen vom n-Typ zum p-Typ-Silizium bewegt haben, verbindet es sich mit den Löchern und verschwindet dann. Daher macht es das gesamte Atom stabiler und gibt den kleinen Energiestoß in Form eines winzigen Pakets oder Photons von Licht ab.

Arbeiten der Leuchtdiode

Das obige Diagramm zeigt die Funktionsweise der Leuchtdiode und den schrittweisen Ablauf des Diagramms.

• Aus dem obigen Diagramm können wir erkennen, dass das Silizium vom N-Typ rot ist, einschließlich der Elektronen, die durch die schwarzen Kreise angezeigt werden.
• Das Silizium vom P-Typ hat die blaue Farbe und enthält Löcher, die durch die weißen Kreise gekennzeichnet sind.
• Durch die Stromversorgung über den pn-Übergang wird die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt und die Elektronen werden vom n-Typ zum p-Typ gedrückt. Schieben Sie die Löcher in die entgegengesetzte Richtung.
• Elektronen und Löcher an der Verbindungsstelle werden kombiniert.
• Die Photonen werden abgegeben, wenn die Elektronen und Löcher rekombiniert werden.

Geschichte der Leuchtdiode

LEDs wurden im Jahr 1927 erfunden, aber keine neue Erfindung. Ein kurzer Überblick über den LED-Verlauf wird unten erläutert.

• Im Jahr 1927 wurde Oleg Losev (russischer Erfinder) zur ersten LED ernannt und veröffentlichte einige Theorien zu seiner Forschung.
• Im Jahr 1952 hat Prof. Kurt Lechovec die Theorien der Loser-Theorien getestet und die ersten LEDs erklärt
• Im Jahr 1958 wurde die erste grüne LED von Rubin Braunstein & Egon Loebner erfunden
• Im Jahr 1962 wurde von Nick Holonyak eine rote LED entwickelt. So wird die erste LED erstellt.
• Im Jahr 1964 implementierte IBM erstmals LEDs auf einer Leiterplatte auf einem Computer.
• Im Jahr 1968 begann HP (Hewlett Packard), LEDs in Taschenrechnern einzusetzen.
• Im Jahr 1971 erfanden Jacques Pankove & Edward Miller eine blaue LED
• Im Jahr 1972 wurde M. George Crawford (Elektroingenieur) die gelbe Farbe LED erfunden.
• Im Jahr 1986 erfanden Walden C. Rhines und Herbert Maruska von der University of Stafford eine blaue LED mit Magnesium einschließlich zukünftiger Standards.
• Im Jahr 1993 hat Hiroshi Amano & Physiker Isamu Akaski ein Galliumnitrid mit hochwertigen blauen LEDs entwickelt.
• Ein Elektrotechniker wie Shuji Nakamura hat durch die Entwicklungen von Amanos & Akaski die erste blaue LED mit hoher Helligkeit entwickelt, die schnell zur Erweiterung der weißen LED führt.
  Im Jahr 2002 wurden weiße LEDs für Wohnzwecke verwendet, die für jede Glühbirne etwa 80 bis 100 GBP aufladen.
• Im Jahr 2008 sind LED-Leuchten in Büros, Krankenhäusern und Schulen sehr beliebt geworden.
• Im Jahr 2019 sind die LEDs zu den Hauptlichtquellen geworden
• Die LED-Entwicklung ist unglaublich, da sie von kleinen Anzeigen bis zur Beleuchtung von Büros, Wohnungen, Schulen, Krankenhäusern usw. reicht.

Leuchtdiodenschaltung zum Vorspannen

Die meisten LEDs haben Nennspannungen von 1 Volt bis 3 Volt, während die Durchlassstromwerte von 200 mA bis 100 mA reichen.

LED-Vorspannung

Wenn die Spannung (1 V bis 3 V) an die LED angelegt wird, funktioniert sie ordnungsgemäß, da der Stromfluss für die angelegte Spannung im Betriebsbereich liegt. Wenn die an eine LED angelegte Spannung höher als die Betriebsspannung ist, bricht der Verarmungsbereich innerhalb der Leuchtdiode aufgrund des hohen Stromflusses zusammen. Dieser unerwartet hohe Stromfluss beschädigt das Gerät.

Dies kann vermieden werden, indem ein Widerstand in Reihe mit der Spannungsquelle und einer LED geschaltet wird. Die sicheren Spannungswerte von LEDs liegen zwischen 1 V und 3 V, während die sicheren Stromwerte zwischen 200 mA und 100 mA liegen.

Hier ist der Widerstand, der zwischen der Spannungsquelle und der LED angeordnet ist, als Strombegrenzungswiderstand bekannt, da dieser Widerstand den Stromfluss einschränkt, da die LED ihn sonst zerstören kann. Dieser Widerstand spielt also eine Schlüsselrolle beim Schutz der LED.

Mathematisch kann der Stromfluss durch die LED wie folgt geschrieben werden

IF = Vs - VD / Rs

Wo,

'IF' ist Vorwärtsstrom

'Vs' ist eine Spannungsquelle

'VD' ist der Spannungsabfall an der Leuchtdiode

'Rs' ist ein Strombegrenzungswiderstand

Die Spannungsmenge fiel ab, um die Barriere des Verarmungsbereichs zu überwinden. Der LED-Spannungsabfall reicht von 2 V bis 3 V, während die Si- oder Ge-Diode 0,3 beträgt, andernfalls 0,7 V.

Somit kann die LED unter Verwendung von Hochspannung im Vergleich zu Si- oder Ge-Dioden betrieben werden.
Leuchtdioden verbrauchen zum Betrieb mehr Energie als Silizium- oder Germaniumdioden.

Arten von Leuchtdioden

Es gibt verschiedene Arten von Leuchtdioden vorhanden und einige von ihnen sind unten erwähnt.

• Galliumarsenid (GaAs) - Infrarot
• Galliumarsenidphosphid (GaAsP) - rot bis infrarot, orange
• Aluminiumgalliumarsenidphosphid (AlGaAsP) - hochhelles Rot, Orangerot, Orange und Gelb
• Galliumphosphid (GaP) - rot, gelb und grün
• Aluminiumgalliumphosphid (AlGaP) - grün
• Galliumnitrid (GaN) - grün, smaragdgrün
• Galliumindiumnitrid (GaInN) - nahezu ultraviolett, bläulich-grün und blau
• Siliziumkarbid (SiC) - blau als Substrat
• Zinkselenid (ZnSe) - blau
• Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) - ultraviolett

Funktionsprinzip von LED

Das Arbeitsprinzip der Leuchtdiode basiert auf der Quantentheorie. Die Quantentheorie besagt, dass, wenn das Elektron vom höheren Energieniveau auf das niedrigere Energieniveau abfällt, die Energie vom Photon emittiert wird. Die Photonenenergie ist gleich der Energielücke zwischen diesen beiden Energieniveaus. Befindet sich die PN-Sperrschichtdiode in Vorwärtsrichtung, fließt der Strom durch die Diode.

Funktionsprinzip von LED

Der Stromfluss in den Halbleitern wird durch den Fluss von Löchern in entgegengesetzter Stromrichtung und den Elektronenfluss in Stromrichtung verursacht. Daher kommt es aufgrund des Flusses dieser Ladungsträger zu einer Rekombination.

Die Rekombination zeigt an, dass die Elektronen im Leitungsband zum Valenzband hinunter springen. Wenn die Elektronen von einem Band zum anderen springen, emittieren die Elektronen die elektromagnetische Energie in Form von Photonen und die Photonenenergie ist gleich der verbotenen Energielücke.

Betrachten wir zum Beispiel die Quantentheorie, die Energie des Photons ist das Produkt sowohl der Planck-Konstante als auch der Frequenz elektromagnetischer Strahlung. Die mathematische Gleichung wird gezeigt

Gl. = Hf

Wenn seine als Planck-Konstante bekannte Geschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, d.h. Die Frequenzstrahlung steht in Beziehung zur Lichtgeschwindigkeit als f = c / λ. λ wird als Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung bezeichnet und die obige Gleichung wird als a

Gl = he / λ

Aus der obigen Gleichung können wir sagen, dass die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung umgekehrt proportional zur verbotenen Lücke ist. Im Allgemeinen ist diese verbotene Energielücke zwischen dem Zustand und den Valenzbändern so, dass die Gesamtstrahlung der elektromagnetischen Welle während der Rekombination in Form von Infrarotstrahlung vorliegt. Wir können die Wellenlänge von Infrarot nicht sehen, da sie außerhalb unseres sichtbaren Bereichs liegen.

Die Infrarotstrahlung wird als Wärme bezeichnet, da die Silizium- und Germaniumhalbleiter keine Halbleiter mit direkter Lücke sind, sondern Halbleiter mit indirekter Lücke. In den Halbleitern mit direkter Lücke treten jedoch das maximale Energieniveau des Valenzbandes und das minimale Energieniveau des Leitungsbandes nicht im gleichen Moment der Elektronen auf. Während der Rekombination von Elektronen und Löchern wandern Elektronen vom Leitungsband zum Valenzband, ändert sich daher der Impuls des Elektronenbandes.

Weiße LEDs

Die Herstellung von LEDs kann durch zwei Techniken erfolgen. Bei der ersten Technik werden die LED-Chips wie Rot, Grün und Blau in einem ähnlichen Paket zusammengeführt, um weißes Licht zu erzeugen, während bei der zweiten Technik die Phosphoreszenz verwendet wird. Die Fluoreszenz innerhalb des Leuchtstoffs kann innerhalb der Epoxidumgebung zusammengefasst werden, dann wird die LED durch die kurzwellige Energie unter Verwendung des InGaN-LED-Geräts aktiviert.

Die verschiedenen Farblichter wie blaues, grünes und rotes Licht werden in veränderlichen Mengen kombiniert, um ein unterschiedliches Farbgefühl zu erzeugen, das als primäre additive Farben bekannt ist. Diese drei Lichtintensitäten werden gleichermaßen addiert, um das weiße Licht zu erzeugen.

Um diese Kombination jedoch durch eine Kombination von grünen, blauen und roten LEDs zu erreichen, die ein kompliziertes elektrooptisches Design zur Steuerung der Kombination und Diffusion verschiedener Farben benötigen. Ferner kann dieser Ansatz aufgrund der Änderungen innerhalb der LED-Farbe kompliziert sein.

Die Produktlinie der weißen LED hängt hauptsächlich von einem einzelnen LED-Chip ab, der eine Leuchtstoffbeschichtung verwendet. Diese Beschichtung erzeugt weißes Licht, sobald sie durch ultraviolette, ansonsten blaue Photonen getroffen wird. Das gleiche Prinzip gilt auch für Leuchtstofflampen. Durch die Emission von Ultraviolett aus einer elektrischen Entladung in der Röhre blinkt der Leuchtstoff weiß.

Obwohl dieser LED-Prozess unterschiedliche Farbtöne erzeugen kann, können Unterschiede durch Screening kontrolliert werden. Weiße LED-basierte Geräte werden unter Verwendung von vier exakten Chromatizitätskoordinaten gescreent, die neben der Mitte des CIE-Diagramms liegen.

Das CIE-Diagramm beschreibt alle erreichbaren Farbkoordinaten innerhalb der Hufeisenkurve. Saubere Farben liegen über dem Bogen, aber die weiße Spitze befindet sich in der Mitte. Die weiße LED-Ausgabefarbe kann durch vier Punkte dargestellt werden, die in der Mitte des Diagramms dargestellt werden. Obwohl die vier Diagrammkoordinaten nahe an sauberem Weiß liegen, sind diese LEDs normalerweise nicht wie eine herkömmliche Lichtquelle zum Aufleuchten farbiger Linsen wirksam.

Diese LEDs eignen sich hauptsächlich für weiße, ansonsten klare Linsen mit undurchsichtiger Hintergrundbeleuchtung. Wenn diese Technologie weiterentwickelt wird, werden weiße LEDs sicherlich als Beleuchtungsquelle und -anzeige bekannt.

Lichtausbeute

Die Lichtausbeute der LEDs kann als der erzeugte Lichtstrom in lm für jede Einheit definiert werden, und die elektrische Leistung kann innerhalb von W verwendet werden. Die interne Nennleistung der blauen LED beträgt 75 lm / W Bernstein-LEDs haben 500 lm / W & Rot LEDs haben 155 lm / W. Aufgrund der internen Resorption können die Verluste in der Größenordnung der Lichtausbeute von 20 bis 25 lm / W für grüne und gelbe LEDs berücksichtigt werden. Diese Wirksamkeitsdefinition wird auch als externe Wirksamkeit bezeichnet und entspricht der Wirksamkeitsdefinition, die normalerweise für andere Arten von Lichtquellen wie mehrfarbige LED verwendet wird.

Mehrfarbige Leuchtdiode

Eine Leuchtdiode, die eine Farbe erzeugt, sobald sie in Vorwärtsrichtung angeschlossen ist, und eine Farbe erzeugt, wenn sie in Rückwärtsrichtung angeschlossen ist, wird als mehrfarbige LED bezeichnet.

Tatsächlich enthalten diese LEDs zwei PN-Übergänge, und der Anschluss kann parallel zur Anode einer erfolgen, die mit der Kathode einer anderen verbunden ist.

Mehrfarbige LEDs sind normalerweise rot, wenn sie in eine Richtung vorgespannt sind, und grün, wenn sie in eine andere Richtung vorgespannt sind. Wenn diese LED zwischen zwei Polaritäten sehr schnell eingeschaltet wird, erzeugt diese LED eine dritte Farbe. Eine grüne oder rote LED erzeugt ein gelbes Farblicht, sobald sie zwischen den Vorspannungspolaritäten schnell vor- und zurückgeschaltet wird.

Was ist der Unterschied zwischen einer Diode und einer LED?

Der Hauptunterschied zwischen einer Diode und einer LED umfasst Folgendes.

I-V Eigenschaften der LED

Es gibt verschiedene Arten von Leuchtdioden auf dem Markt und es gibt verschiedene LED-Eigenschaften, einschließlich der Lichtintensität Farblicht oder Wellenlängenstrahlung. Das wichtige Merkmal der LED ist die Farbe. Bei der anfänglichen Verwendung von LED gibt es die einzige rote Farbe. Da der Einsatz von LED mit Hilfe des Halbleiterprozesses und der Erforschung der neuen Metalle für LED zunimmt, wurden die verschiedenen Farben gebildet.

I-V Eigenschaften der LED

Die folgende Grafik zeigt die ungefähren Kurven zwischen der Durchlassspannung und dem Strom. Jede Kurve in der Grafik zeigt eine andere Farbe an. Die Tabelle zeigt eine Zusammenfassung der LED-Eigenschaften.

Eigenschaften der LED

Was sind die beiden Arten von LED-Konfigurationen?

Die Standardkonfigurationen von LED sind zwei ähnliche Emitter sowie COBs

Der Emitter ist ein einzelner Chip, der in Richtung einer Leiterplatte und dann in Richtung eines Kühlkörpers montiert wird. Diese Leiterplatte gibt dem Emitter elektrische Energie und leitet gleichzeitig Wärme ab.

Um die Kosten zu senken und die Lichtgleichmäßigkeit zu verbessern, stellten die Forscher fest, dass das LED-Substrat abgenommen und der einzelne Chip offen auf der Leiterplatte montiert werden kann. Daher wird dieses Design als COB (Chip-on-Board-Array) bezeichnet.

Vor- und Nachteile von LEDs

Das Vorteile der Leuchtdiode das Folgende einschließen.

• Die Kosten für LEDs sind geringer und sie sind winzig.
• Durch die Verwendung der LED wird der Strom gesteuert.
• Die Intensität der LED unterscheidet sich mit Hilfe des Mikrocontrollers.
• Lange Lebensdauer
• Energieeffizient
• Keine Aufwärmphase
• Robust
• Beeinflusst nicht die kalten Temperaturen
• Richtung
• Die Farbwiedergabe ist ausgezeichnet
• Umweltfreundlich
• Steuerbar

Das Nachteile der Leuchtdiode das Folgende einschließen.

• Preis
• Temperaturempfindlichkeit
• Temperaturabhängigkeit
• Lichtqualität
• Elektrische Polarität
• Spannungsempfindlichkeit
• Effizienzverlust
• Auswirkungen auf Insekten

Anwendungen der Leuchtdiode

Es gibt viele Anwendungen von LED und einige davon werden unten erläutert.

• LED wird als Glühbirne in Haushalten und Industrie verwendet
• Die Leuchtdioden werden in Motorrädern und Autos eingesetzt
• Diese werden in Mobiltelefonen verwendet, um die Nachricht anzuzeigen
• An den Ampeln werden LEDs verwendet

Daher wird in diesem Artikel erläutert eine Übersicht über die Leuchtdiode Funktionsprinzip und Anwendung der Schaltung. Ich hoffe, dass Sie durch das Lesen dieses Artikels einige grundlegende und funktionierende Informationen über die Leuchtdiode erhalten haben. Wenn Sie Fragen zu diesem Artikel oder zum Elektroprojekt des letzten Jahres haben, können Sie diese gerne im folgenden Abschnitt kommentieren. Hier ist eine Frage an Sie, Was ist LED und wie funktioniert es?