Was ist eine Leuchtdiode: Funktionsweise und ihre Anwendungen
Die LED ist eine Halbleiterlichtquelle mit zwei Anschlüssen. Eine Leuchtdiode wurde 1962 von Nick Holonyak erfunden, als er bei General Electric angestellt war. Die LED ist eine einzigartige Art von Diode mit elektrischen Eigenschaften, die mit denen einer PN-Übergangsdiode vergleichbar sind. Daher lässt die LED den Stromfluss in eine Richtung zu, während sie ihn in die andere blockiert. Weniger als 1 mm2 ist alles, was die LED einnimmt. LEDs werden in einer Vielzahl elektrischer und elektronischer Projekte eingesetzt. Der Betrieb der LED und ihre Verwendung werden in diesem Artikel behandelt.
Eine Leuchtdiode: Was ist das?
Als Leuchtdiode dient eine p-n-Übergangsdiode. Es handelt sich um eine einzigartige Halbleiterform und eine besonders dotierte Diode. Eine Leuchtdiode ist ein Gerät, das Licht aussendet, wenn es in Vorwärtsrichtung betrieben wird.
Zwei winzige Pfeile, die die Emission von Licht anzeigen, unterscheiden das LED-Symbol von einem Diodensymbol, weshalb es als LED (light-emitting diode) bezeichnet wird. Die LED hat zwei Anschlüsse: die Kathode (-) und die Anode (+). (-).
Das LED-Symbol Aufbau des LED-Symbols
Der Aufbau von LEDs ist ziemlich einfach, da sie durch die Abscheidung von drei Halbleitermaterialschichten auf einem Substrat entstehen. Diese drei Schichten werden übereinander gelegt, wobei die oberste Schicht eine Schicht vom Typ P- ist, die mittlere Schicht eine aktive Schicht und die untere Schicht eine Schicht vom Typ N-. Die Struktur ermöglicht den Blick auf die drei Zonen des Halbleitermaterials. In der Struktur sind Löcher in der P--Typ-Region vorhanden, Wahlen sind in der N--Typ-Region vorhanden und sowohl Löcher als auch Elektronen sind in der aktiven Region vorhanden.
Die LED leuchtet konstant, da kein Elektronen- oder Lochfluss stattfindet, wenn keine Spannung anliegt. Sobald die Spannung angelegt wird, wird die LED in Durchlassrichtung vorgespannt, wodurch die Elektronen im N--Bereich und die Löcher im P--Bereich in den aktiven Bereich wandern. Die Erschöpfungsregion ist ein anderer Name für dieses Gebiet. Licht kann durch die Rekombination von Polaritätsladungen erzeugt werden, da die Ladungsträger, wie zum Beispiel Löcher, eine positive Ladung haben, während Elektronen eine negative Ladung haben.
Was ist der Prozess der Leuchtdiode?
Wir bezeichnen eine Leuchtdiode üblicherweise als Diode. Wenn die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt ist, fließen die Elektronen und Löcher schnell über den Übergang, verbinden sich ständig und drängen sich gegenseitig aus dem Weg. Es verbindet sich mit den Löchern, gerade wenn die Elektronen vom Silizium vom n--Typ zum p--Typ wechseln, und verschwindet dann.
Oleg Losev, ein russischer Erfinder, entwickelte 1927 die erste LED und veröffentlichte einen Teil der theoretischen Grundlagen seiner Forschung.
Professor Kurt Lechovec testete 1952 die Verlierer-Hypothesen und lieferte eine Erklärung für die ersten LEDs.
Die erste grüne LED wurde 1958 von Rubin Braunstein und Egon Loebner entwickelt.
Nicholas Holonyak schuf im Jahr 1962 eine rote LED. Damit wurde die erste LED hergestellt.
Der erste Computer, der LEDs auf einer Platine verwendete, war ein IBM-Modell aus dem Jahr 1964.
Hewlett Packard (HP) führte 1968 LEDs in Taschenrechnern ein.
Eine blaue LED wurde 1971 von Jacques Pankove und Edward Miller entwickelt.
Der Elektroingenieur M. George Crawford entwickelte die gelbe LED im Jahr 1972.
Eine blaue LED mit Magnesium und zukünftigen Standards wurde 1986 von Walden C. Rhines und Herbert Maruska von der University of Stafford entwickelt.
Hiroshi Amano und der Physiker Isamu Akaski entwickelten im Jahr 1993 ein Galliumnitrid mit hervorragenden blauen LEDs.
Shuji Nakamura, ein Elektroingenieur, schuf durch Fortschritte von Amanos & Akaski die erste blaue LED mit hoher Helligkeit, was die Entwicklung weißer LEDs beschleunigte.
Im Jahr 2002 wurden für Wohnzwecke weiße LEDs verwendet, die zwischen 80 und 100 £ pro Glühbirne kosteten.
LED-Leuchten erfreuen sich im Jahr 2008 in Unternehmen, Krankenhäusern und Schulen großer Beliebtheit.
Die Hauptlichtquellen im Jahr 2019 sind LEDs; Dies ist ein bemerkenswerter Durchbruch, da LEDs nun zur Beleuchtung einer Vielzahl von Orten eingesetzt werden können, darunter Häuser, Büros, Krankenhäuser und Schulen.
Vorspannungsschaltung für eine lichtemittierende Diode
Die meisten LEDs haben Spannungsspezifikationen zwischen 1 und 3 Volt, während die Durchlassstromwerte zwischen 200 und 100 mA liegen.
Die Vorspannung einer LED
Die LED funktioniert ordnungsgemäß, wenn eine Spannung zwischen 1 und 3 Volt an sie angelegt wird, da der Stromfluss anzeigt, dass die Spannung innerhalb des Funktionsbereichs liegt. Ähnlich verhält es sich: Wenn an eine LED eine Spannung angelegt wird, die höher als ihre Betriebsspannung ist, führt der hohe Stromfluss zum Ausfall der Verarmungszone. Dieser unvorhergesehene hohe Stromfluss führt zum Ausfall des Geräts.
Durch die Reihenschaltung eines Widerstands mit der Spannungsquelle und einer LED kann dies verhindert werden. Die sicheren Stromstärken für LEDs liegen zwischen 200 mA und 100 mA, während die sicheren Spannungswerte für LEDs zwischen 1 V und 3 V liegen.
Hier wird der Widerstand, der zwischen der Spannungsquelle und der LED positioniert ist, als Strombegrenzungswiderstand bezeichnet, da dieser Widerstand den Stromfluss reguliert, andernfalls könnte die LED ihn zerstören. Daher ist dieser Widerstand für den Schutz der LED unerlässlich.
Die Gleichung für den mathematischen Stromfluss durch die LED lautet
WENN=Vs – VD/Rs
Wo,
„WENN“ der Strom vorwärts ist
Spannungsquelle 'Vs'
Der Spannungsabfall an der Leuchtdiode wird mit „VD“ bezeichnet.
Rs ist ein Widerstand, der den Stromfluss begrenzt.
der Spannungsabfall, der erforderlich ist, um die Barriere der Verarmungsregion zu durchbrechen. Wenn der Spannungsabfall der Si- oder Ge-Dioden 0,3 V oder weniger beträgt, liegt der Spannungsabfall der LED zwischen 2 und 3 V.
Im Gegensatz zu Si- oder Ge-Dioden kann die LED mit Hochspannung betrieben werden.
Im Vergleich zu Silizium- oder Germaniumdioden benötigen Leuchtdioden mehr Energie zum Betrieb.
Arten von Leuchtdioden
Leuchtdioden gibt es in verschiedenen Varianten, von denen einige unten aufgeführt sind.
Infra-rotes Galliumarsenid (GaAs) und rotes bis infra-rotes, orangefarbenes Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
Rote, orangefarbene{{1}rote, orangefarbene und gelbe LEDs mit hoher-Helligkeit aus Aluminium-Gallium-Arsenid-Phosphor (AlGaAsP)
Rotes, gelbes und grünes Galliumphosphat (GaP)
Grün ist die Farbe von Aluminiumgalliumphosphid (AlGaP), Smaragdgrün ist die Farbe von Galliumnitrid (GaN) und Blau ist die Farbe von Galliumindiumnitrid (GaInN).
Als Substrat dient Siliziumkarbid (SiC) in blauer Farbe
Blaues Zinkselenid (ZnSe) und ultraviolettes Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)
LED-Funktionsprinzip
Die Quantentheorie dient als Grundlage für die Funktionsweise der Leuchtdiode. Nach der Quantentheorie gibt das Photon Energie ab, wenn das Elektron von einem höheren in einen niedrigeren Energiezustand absteigt. Der Energieunterschied zwischen diesen beiden Energieniveaus ist gleich der Energie des Photons. Wenn der in Durchlassrichtung vorgespannte Zustand der PN--Übergangsdiode erreicht ist, fließt Strom durch die Diode.
LED-Funktionsprinzip
Der Fluss von Löchern in der entgegengesetzten Richtung des Stroms und der Fluss von Elektronen in der Richtung des Stroms sind die Ursachen für den Stromfluss in Halbleitern. Somit kommt es aufgrund der Bewegung dieser Ladungsträger zu einer Rekombination.
Die Leitungsbandelektronen springen entsprechend der Rekombination in das Valenzband. Die elektromagnetische Energie wird von den Elektronen als Photonen freigesetzt, wenn sie sich von einem Band in ein anderes bewegen, und die Photonenenergie entspricht der verbotenen Energielücke.
Betrachten Sie als Beispiel die Quantentheorie. Nach dieser Theorie entspricht die Energie eines Photons der Summe seiner Frequenz und der Planck-Konstante. Die mathematische Formel wird angezeigt.
Gl.=hf
wobei dies als Planck-Konstante bezeichnet wird und die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung, mit dem Symbol c bezeichnet, gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Als af= c / bezeichnet man die Beziehung zwischen der Strahlungsfrequenz und der Lichtgeschwindigkeit. Die vorhergehende Gleichung ergibt eine Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung wo
Gl.=he / λ
Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist gemäß der obigen Gleichung umgekehrt proportional zur verbotenen Lücke. Im Allgemeinen sind Zustand und Valenzbänder von Silizium- und Germaniumhalbleitern so, dass die gesamte Strahlung elektromagnetischer Wellen bei der Rekombination die Form von Infrarotstrahlung annimmt. Die Wellenlängen des Infrarots sind für uns unsichtbar, da sie außerhalb des Bereichs des sichtbaren Lichts liegen.
Da es sich bei Silizium- und Germanium-Halbleitern eher um Halbleiter mit indirekter Lücke als um Halbleiter mit direkter Lücke handelt, wird Infrarotstrahlung oft als Wärme bezeichnet. Das höchste Energieniveau des Valenzbandes und das minimale Energieniveau des Leitungsbandes existieren jedoch nicht, wenn Elektronen in Halbleitern mit direkter Bandlücke vorhanden sind. Infolgedessen variiert der Impuls des Elektronenbandes während der Rekombination von Elektronen und Löchern oder der Wanderung von Elektronen vom Leitungsband zum Valenzband.
Helle LEDs
Für die Herstellung von LEDs gibt es zwei Methoden. Bei der ersten Methode werden rote, grüne und blaue LED-Chips in einem einzigen Gehäuse kombiniert, um weißes Licht zu erzeugen, während bei der zweiten Methode Phosphoreszenz verwendet wird. Das Epoxidharz, das die Fluoreszenz des Leuchtstoffs umgibt, kann summiert werden, und das InGaN-LED-Gerät aktiviert dann die LED mithilfe von kurzwelliger Strahlung.
Um mehrere Farbempfindungen, sogenannte primäre additive Farben, zu erzeugen, werden verschiedene Farblichter wie blaues, grünes und rotes Licht in unterschiedlichen Mengen kombiniert. Das weiße Licht entsteht durch die gleichmäßige Kombination dieser drei Lichtintensitäten.
Um diese Kombination mit einer Kombination aus grünen, blauen und roten LEDs zu erreichen, ist jedoch eine anspruchsvolle elektro{0}}optische Architektur zur Verwaltung der Kombination und Diffusion verschiedener Farben erforderlich. Darüber hinaus kann diese Methode aufgrund der Unterschiede im LED-Farbton eine Herausforderung darstellen.
Ein LED-Chip mit Phosphorbeschichtung versorgt den Großteil der weißen LED-Produktlinie mit Strom. Wenn diese Beschichtung ultravioletter Strahlung statt blauen Photonen ausgesetzt wird, entsteht weißes Licht. Die gleiche Theorie gilt auch für Leuchtstofflampen; Durch eine elektrische Entladung in der Röhre wird UV-Strahlung emittiert, wodurch der Leuchtstoff weiß blinkt.
Obwohl diese LED-Technik verschiedene Farbtöne erzeugen kann, können Abweichungen durch Rasterung reguliert werden. Unter Verwendung von vier präzisen Farbkoordinaten, die nahe der Mitte des CIE-Diagramms liegen, werden Geräte auf der Basis weißer LED-gescreent.
Alle erreichbaren Farbkoordinaten innerhalb der Hufeisenkurve werden im CIE-Diagramm angezeigt. Die reinen Farbtöne des Bogens sind verteilt, aber der Weißpunkt liegt in der Mitte. Vier Punkte, die in der Mitte des Diagramms angezeigt werden, können zur Darstellung der weißen LED-Ausgangsfarbe verwendet werden. Die vier Diagrammkoordinaten sind nahezu reinweiß, aber diese LEDs funktionieren normalerweise nicht so gut wie eine Standardlichtquelle, um farbige Linsen zu beleuchten.
Diese LEDs eignen sich am besten für weiße, ansonsten transparente Linsen mit undurchsichtiger Hintergrundbeleuchtung. Weiße LEDs werden zweifellos als Beleuchtungs- und Anzeigequelle immer beliebter, solange sich diese Technologie weiterentwickelt.
Brillante Wirksamkeit
Der erzeugte Lichtstrom für jede LED-Einheit wird in lm gemessen, während der Stromverbrauch in W gemessen wird. Rote LEDs haben 155 lm/W, bernsteinfarbene LEDs haben 500 lm/W und blaue LEDs haben eine interne Nenneffizienz von 75 lm/W. Die Verluste können aufgrund interner Re-absorption berücksichtigt werden; die Lichtausbeute für grüne und bernsteinfarbene LEDs liegt zwischen 20 und 25 lm/W. Dieses Effizienzkonzept, auch externe Effizienz genannt, ist vergleichbar mit dem Effizienzbegriff, der typischerweise für andere Arten von Lichtquellen, wie z. B. mehrfarbige LEDs, verwendet wird.
Diodenlichtquelle in vielen Farben
Mehrfarbige LEDs sind Leuchtdioden, die, wenn sie in Vorwärtsrichtung angeschlossen werden, einen Farbton erzeugen und, wenn sie in Rückwärtsrichtung angeschlossen werden, eine andere Farbe erzeugen.
Diese LEDs verfügen tatsächlich über zwei PN--Übergänge, und es ist möglich, sie parallel zu schalten, indem man die Kathode des einen mit der Anode des anderen verbindet.
Bei Ausrichtung in eine Richtung sind mehrfarbige LEDs typischerweise rot, bei Ausrichtung in die entgegengesetzte Richtung sind sie grün. Diese LED erzeugt eine dritte Farbe, wenn sie sehr schnell zwischen zwei Polaritäten eingeschaltet wird. Durch schnelles Umschalten zwischen den Vorspannungspolaritäten erzeugt eine grüne oder rote LED ein gelbes Farblicht.
Welche zwei unterschiedlichen Aufbauten gibt es für LEDs?
Zwei ähnliche Emitter und COBs sind die grundlegenden LED-Aufbauten.
Der Emitter ist ein einzelner Chip, der an einem Kühlkörper befestigt wird, bevor er auf einer Leiterplatte positioniert wird. Diese Leiterplatte leitet die Wärme vom Emitter ab und liefert gleichzeitig elektrische Energie.
Die Forscher fanden heraus, dass das LED-Substrat entfernt und der einzelne Chip frei auf der Leiterplatte platziert werden kann, was dazu beiträgt, die Kosten zu senken und die Lichtgleichmäßigkeit zu verbessern. Daher ist dieses Design als COB (Chip-on-Board Array) bekannt.
Vor- und Nachteile von LEDs
Im Folgenden sind einige Vorteile von Leuchtdioden aufgeführt.
LEDs sind klein und günstiger.
Die Stromsteuerung erfolgt über LEDs.
Mit Hilfe des Mikroprozessors kann die Intensität der LEDs variiert werden.
lange
energieeffizient
Kein Aufwärmen vor-dem Spiel
Robust
nicht durch eisige Temperaturen beeinträchtigt
Hervorragende gerichtete Farbwiedergabe
Kontrollierbar und umweltfreundlich
Im Folgenden sind einige der Nachteile der LED-Technologie aufgeführt.
Preis
Temperaturempfindlichkeit
Temperaturempfindlichkeit
Elektrische Polarität und Lichtqualität
Elektrische Empfindlichkeit
Effizienz sinkt
Ergebnis für Insekten
Wird für Leuchtdioden verwendet
Es gibt zahlreiche Einsatzmöglichkeiten für LED, einige davon werden im Folgenden beschrieben.
Sowohl in Haushalten als auch in Unternehmen werden LEDs als Leuchtmittel eingesetzt.
Leuchtdioden werden in Autos und Motorrädern eingesetzt.
Über diese wird die Nachricht in Mobiltelefonen angezeigt.
An den Ampelsignalen werden LEDs eingesetzt.
Daher bietet dieser Artikel einen Überblick über die Anwendung und Funktionstheorie von Leuchtdiodenschaltungen. Ich hoffe, dass Sie durch die Lektüre dieses Artikels einige grundlegende und praktische Fakten über die Leuchtdiode erfahren haben.
Weitere Informationen finden Sie unterBENWEIs offizielle Website
