Cos'è il diodo a emissione luminosa: funzionamento e sue applicazioni
Il LED è una sorgente luminosa a semiconduttore con due conduttori. Un diodo emettitore di luce-è stato inventato nel 1962 da Nick Holonyak quando era impiegato presso la General Electric. Il LED è un tipo unico di diodo con proprietà elettriche paragonabili a quelle di un diodo a giunzione PN. Pertanto, il LED consente all'elettricità di fluire in una direzione mentre la blocca nell'altra. Meno di 1 mm2 è tutto ciò che occupa il LED. I LED sono impiegati in una varietà di progetti elettrici ed elettronici. Il funzionamento del LED e i suoi usi saranno trattati in questo articolo.
Un diodo emettitore di luce: cos'è?
Un diodo a giunzione p-n funge da diodo emettitore di luce-. È una forma unica di semiconduttore e un diodo particolarmente drogato. Un diodo a emissione luminosa-è un dispositivo che emette luce quando è polarizzato direttamente.
Due minuscole frecce che indicano l'emissione di luce distinguono il simbolo del LED dal simbolo del diodo, motivo per cui viene chiamato LED (diodo a emissione luminosa). Il LED ha due terminali: il catodo (-) e l'anodo (+). (-).
Il simbolo LED Costruzione del simbolo LED
La costruzione del LED è abbastanza semplice perché è progettata attraverso la deposizione di tre strati di materiale semiconduttore su un substrato. Questi tre livelli sono posizionati uno sopra l'altro, dove il livello superiore è di tipo P-, il livello intermedio è un livello attivo e il livello inferiore è di tipo N-. La struttura permette di vedere le tre zone di materiale semiconduttore. Nella struttura, le lacune sono presenti nella regione di tipo P-, le elezioni sono presenti nella regione di tipo N- e nella regione attiva sono presenti sia le lacune che gli elettroni.
Il LED è fisso perché non c'è flusso di elettroni o lacune quando non viene fornita tensione. Il LED diventa polarizzato direttamente non appena viene fornita la tensione, facendo sì che gli elettroni nella regione N- e le lacune nella regione P- viaggino nell'area attiva. La regione di esaurimento è un altro nome per quest'area. La luce può essere prodotta attraverso la ricombinazione delle cariche di polarità poiché i portatori di carica, come i buchi, hanno una carica positiva mentre gli elettroni hanno una carica negativa.
Qual è il processo del diodo luminescente?
Comunemente ci riferiamo a un diodo emettitore di luce-come diodo. Gli elettroni e le lacune fluiscono rapidamente attraverso la giunzione quando il diodo è polarizzato direttamente e si combinano continuamente e si allontanano a vicenda. Si combina con le lacune proprio mentre gli elettroni passano dal silicio di tipo n-al tipo p-, quindi svanisce.
Oleg Losev, un inventore russo, sviluppò il primo LED nel 1927 e pubblicò parte dei fondamenti teorici della sua ricerca.
Il professor Kurt Lechovec verificò l'ipotesi dei perdenti nel 1952 e fornì una spiegazione dei primi LED.
Il primo LED verde fu creato nel 1958 da Rubin Braunstein e Egon Loebner.
Nicholas Holonyak creò un LED rosso nel 1962. Così venne realizzato il primo LED.
Il primo computer ad utilizzare i LED su un circuito stampato era un modello IBM del 1964.
Hewlett Packard (HP) introdusse i LED nelle calcolatrici nel 1968.
Un LED blu è stato creato da Jacques Pankove e Edward Miller nel 1971.
L'ingegnere elettrico M. George Crawford creò il LED giallo nel 1972.
Un LED blu con magnesio e standard futuri è stato creato nel 1986 da Walden C. Rhines e Herbert Maruska dell'Università di Stafford.
Hiroshi Amano e il fisico Isamu Akaski hanno creato un nitruro di gallio con eccellenti LED blu nell'anno 1993.
Shuji Nakamura, un ingegnere elettrico, ha creato il primo LED blu ad alta luminosità grazie ai progressi di Amanos e Akaski, che hanno accelerato lo sviluppo dei LED di colore bianco.
I LED di colore bianco che costavano tra £ 80 e £ 100 per lampadina sono stati utilizzati per scopi residenziali nel 2002.
Le luci a LED hanno guadagnato molta popolarità nelle aziende, negli ospedali e nelle scuole nel 2008.
Le principali fonti luminose nel 2019 sono i LED; si tratta di un progresso notevole poiché ora i LED possono essere utilizzati per illuminare una varietà di luoghi, tra cui case, uffici, ospedali e scuole.
Circuito di polarizzazione del diodo a emissione luminosa
La maggior parte dei LED ha specifiche di tensione comprese tra 1 e 3 volt, mentre i valori di corrente diretta sono compresi tra 200 e 100 mA.
Il bias di un LED
Il LED funziona correttamente se viene applicata una tensione compresa tra 1 e 3 volt in quanto il flusso di corrente indica che la tensione rientra nel range di funzionamento. In modo simile, se a un LED viene fornita una tensione superiore alla sua tensione operativa, l'elevato flusso di corrente causerà il guasto della zona di esaurimento. Questo imprevisto flusso di corrente elevato distruggerà il gadget.
Collegando un resistore in serie con la sorgente di tensione e un LED è possibile evitare questo problema. I livelli di corrente sicuri per i LED vanno da 200 mA a 100 mA, mentre i valori di tensione sicuri per i LED vanno da 1 V a 3 V.
In questo caso, il resistore posizionato tra la sorgente di tensione e il LED è chiamato resistore di limitazione della corrente poiché questo resistore regola il flusso di corrente altrimenti il LED potrebbe ucciderlo. Quindi, questo resistore è essenziale per salvaguardare il LED.
L'equazione per il flusso matematico della corrente attraverso il LED è
SE=Vs – VD/Rs
Dove,
"SE" la corrente è diretta
Sorgente di tensione 'Vs'
La caduta di tensione attraverso il diodo emettitore di luce-è indicata con "VD".
Rs è un resistore che limita il flusso di corrente.
la caduta di tensione necessaria per sfondare la barriera della regione di esaurimento. Quando la caduta di tensione del diodo Si o Ge è pari o inferiore a 0,3 V, la caduta di tensione del LED sarà compresa tra 2 e 3 V.
A differenza dei diodi Si o Ge, il LED può funzionare ad alta tensione.
Rispetto ai diodi al silicio o al germanio, i diodi emettitori di luce-richiedono più energia per funzionare.
Tipi di diodi-emettitori di luce
I diodi emettitori di luce-sono disponibili in diverse varietà, alcune delle quali sono elencate di seguito.
Arsenuro di gallio infrarosso (GaAs) e fosfuro arseniuro di gallio (GaAsP) da rosso a infrarosso, arancione
LED-rosso, arancione-rosso, arancione e giallo ad alta luminosità realizzati in alluminio-gallio-arseniuro-fosforo (AlGaAsP)
Fosfato di gallio rosso, giallo e verde (GaP)
Il verde è il colore del fosfuro di alluminio e gallio (AlGaP), il verde smeraldo è il colore del nitruro di gallio (GaN) e il blu è il colore del nitruro di gallio indio (GaInN).
Come substrato, carburo di silicio (SiC) di colore blu
Seleniuro di zinco blu (ZnSe) e nitruro di gallio e alluminio ultravioletto (AlGaN)
Principio di funzionamento del LED
La teoria quantistica costituisce la base per il funzionamento-del diodo a emissione luminosa. Secondo la teoria quantistica, il fotone rilascia energia quando l’elettrone discende da uno stato energetico più alto a uno stato energetico più basso. La differenza di energia tra questi due livelli energetici è uguale all'energia del fotone. Quando viene raggiunto lo stato di polarizzazione diretta del diodo di giunzione PN-, la corrente passa attraverso il diodo.
Principio di funzionamento del LED
Il flusso di lacune nella direzione opposta alla corrente e il flusso di elettroni nella direzione della corrente sono ciò che fa sì che la corrente scorra nei semiconduttori. Pertanto, la ricombinazione avverrà come risultato del movimento di questi portatori di carica.
Secondo la ricombinazione, gli elettroni della banda di conduzione saltano nella banda di valenza. L'energia elettromagnetica viene rilasciata dagli elettroni come fotoni quando si spostano da una banda all'altra e l'energia dei fotoni è uguale al gap energetico proibito.
Consideriamo come esempio la teoria quantistica. Secondo questa teoria, l'energia di un fotone è uguale alla somma della sua frequenza e della costante di Planck. Viene visualizzata la formula matematica.
Eq=hf
dove è detta costante di Planck e la velocità della radiazione elettromagnetica, indicata con il simbolo c, è uguale alla velocità della luce. Come af= c /, il rapporto tra la frequenza della radiazione e la velocità della luce. L'equazione precedente risulterà come una lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica dove
Eq=lui / λ
La lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica è inversamente proporzionale allo spazio proibito, secondo l'equazione sopra. In generale, lo stato e le bande di valenza dei semiconduttori di silicio e germanio sono tali che la radiazione completa delle onde elettromagnetiche durante la ricombinazione assume la forma di radiazione infrarossa. Le lunghezze d'onda degli infrarossi sono invisibili per noi perché sono al di fuori della portata della luce visibile.
Poiché i semiconduttori di silicio e germanio sono semiconduttori a gap indiretto anziché semiconduttori a gap diretto, la radiazione infrarossa viene spesso definita calore. Il livello energetico più alto della banda di valenza e il livello energetico minimo della banda di conduzione, tuttavia, non esistono quando sono presenti elettroni nei semiconduttori a gap diretto. Di conseguenza, la quantità di moto della banda elettronica varierà durante la ricombinazione di elettroni e lacune o durante la migrazione degli elettroni dalla banda di conduzione alla banda di valenza.
LED luminosi
Esistono due metodi che possono essere utilizzati per produrre LED. Nel primo metodo, i chip LED rossi, verdi e blu vengono combinati in un unico pacchetto per produrre luce bianca, mentre nel secondo metodo viene utilizzata la fosforescenza. È possibile sommare la resina epossidica che circonda la fluorescenza del fosforo e il dispositivo LED InGaN attiverà quindi il LED utilizzando la radiazione a lunghezza d'onda corta-.
Per creare più sensazioni cromatiche, note come colori additivi primari, luci di colore diverso, come luci blu, verdi e rosse, vengono combinate in quantità variabili. La luce bianca viene creata combinando uniformemente queste tre intensità luminose.
Tuttavia, per ottenere questa combinazione utilizzando una combinazione di LED verdi, blu e rossi, è necessaria un'impegnativa architettura elettro-ottica per gestire la combinazione e la diffusione dei vari colori. Inoltre, questo metodo può risultare complicato a causa delle variazioni nella tonalità dei LED.
Un chip LED con rivestimento al fosforo alimenta la maggior parte della linea di prodotti LED bianchi. Quando questo rivestimento viene esposto alla radiazione ultravioletta anziché ai fotoni blu, viene prodotta luce bianca. La stessa teoria vale anche per le lampade fluorescenti; una scarica elettrica all'interno del tubo emetterà raggi UV, che faranno lampeggiare il fosforo in bianco.
Sebbene questa tecnica del LED possa produrre tonalità diverse, le variazioni possono essere regolate mediante schermatura. Utilizzando quattro coordinate cromatiche precise vicine al centro del diagramma CIE, i dispositivi basati su LED bianchi-vengono schermati.
Tutte le coordinate di colore ottenibili all'interno della curva a ferro di cavallo sono mostrate nel diagramma CIE. Le tonalità pulite dell'arco sono sparse, ma il punto bianco è al centro. Quattro punti mostrati al centro del grafico possono essere utilizzati per rappresentare il colore di uscita del LED bianco. Le quattro coordinate del grafico sono quasi di colore bianco puro, ma questi LED in genere non funzionano bene come una sorgente luminosa standard per illuminare le lenti colorate.
Questi LED sono più vantaggiosi per le lenti bianche, altrimenti trasparenti con retroilluminazione opaca. I LED bianchi diventeranno senza dubbio più popolari come fonte di illuminazione e indicatore finché questa tecnologia continuerà a svilupparsi.
Efficacia brillante
Il flusso luminoso prodotto per ciascuna unità di LED è misurato in lm, mentre il consumo di energia elettrica è misurato in W. I LED rossi hanno 155 lm/W, i LED ambra hanno 500 lm/W e i LED blu hanno un ordine di efficacia interna nominale di 75 lm/W. Le perdite possono essere considerate dovute al riassorbimento interno; l'efficienza luminosa dei LED verdi e ambra è compresa tra 20 e 25 lm/W. Questo concetto di efficacia, noto anche come efficacia esterna, è paragonabile alla nozione di efficacia tipicamente utilizzata per altri tipi di sorgenti luminose, come i LED multicolori.
Sorgente luminosa a diodi in molti colori
I LED multicolori sono-diodi emettitori di luce che, se collegati con polarizzazione diretta, creano una tonalità e, se collegati con polarizzazione inversa, producono un altro colore.
Questi LED hanno in realtà due giunzioni PN-ed è possibile collegarli in parallelo collegando il catodo dell'uno all'anodo dell'altro.
Se polarizzati in una direzione, i LED multicolori sono generalmente rossi, mentre se polarizzati nella direzione opposta sono verdi. Questo LED produrrà un terzo colore se viene acceso molto rapidamente tra due polarità. Passando rapidamente tra le polarità di polarizzazione, un LED verde o rosso produrrà una luce di colore giallo.
Quali sono le due diverse configurazioni per i LED?
Due emettitori e COB simili sono le configurazioni LED di base.
L'emettitore è un singolo die collegato a un dissipatore di calore prima di essere posizionato verso un circuito stampato. Questo circuito allontana il calore dall'emettitore fornendo contemporaneamente energia elettrica.
I ricercatori hanno scoperto che il substrato del LED può essere rimosso e il singolo die può essere posizionato liberamente sul circuito, contribuendo a ridurre i costi e a migliorare l'uniformità della luce. Pertanto, questo progetto è noto come COB (chip-on-board array).
Vantaggi e svantaggi dei LED
Di seguito sono riportati alcuni vantaggi dei diodi-emettitori di luce.
I LED sono piccoli e hanno un prezzo inferiore.
L'elettricità è controllata utilizzando LED.
Con l'aiuto del microprocessore l'intensità del LED può variare.
molto tempo
efficiente dal punto di vista energetico
Nessun riscaldamento pre-partita
Robusto
non influenzato dalle temperature gelide
Ottima resa cromatica direzionale
Controllabile e rispettoso dell'ambiente
Di seguito sono riportati alcuni degli svantaggi della tecnologia LED.
Prezzo
sensibilità alla temperatura
sensibilità alla temperatura
Polarità elettrica e qualità della luce
Sensibilità elettrica
L’efficienza crolla
Risultato per gli insetti
Utilizza per diodi emettitori di luce-
Esistono numerosi usi per i LED, alcuni dei quali sono descritti di seguito.
Sia nelle case che nelle aziende, i LED vengono utilizzati come lampadine.
I diodi emettitori di luce-vengono utilizzati nelle automobili e nei motocicli.
Il messaggio viene visualizzato utilizzando questi nei telefoni cellulari.
I led vengono utilizzati ai segnali semaforici.
Di conseguenza, questo articolo offre una panoramica dell'applicazione e della teoria di funzionamento dei circuiti a diodi emettitori di luce. Spero che tu abbia imparato alcuni fatti pratici e fondamentali sui diodi emettitori di luce-leggendo questo articolo.
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