Пълната форма на светодиода е диод, излъчващ светлина. Светодиодите са специален тип полупроводникови диоди, които излъчват светлина в отговор на потенциална разлика, приложена през техните клеми, откъдето идва и името диод, излъчващ светлина. Точно като обикновения диод, светодиодите също имат два извода с полярност, а именно анод и катод. За осветяване на светодиод се прилага потенциална разлика или напрежение към анодните и катодните клеми.
Днес светодиодите се използват широко за производство на най-съвременни LED лампи с висока яркост. Те също се използват широко за производство на декоративни LED светлини и LED индикатори.
Кратка история
Въпреки факта, че днес светодиодите се считат за продукт на високотехнологичната полупроводникова индустрия, тяхното осветително свойство първоначално е идентифицирано преди много години. Първият човек, който забеляза ефекта на LED светлината, беше един от инженерите на Marconi, H. J. Round, който също е добре известен с няколко изобретения на вакуумни тръби и радио. Той случайно открива това през 1907 г., докато изследва с Маркони върху кристални детектори с точков контакт.
През 1907 г. списание Electrical World е първото, което съобщава за тези пробиви. Концепцията за светодиодите остава латентна няколко години, докато не бъде преоткрита през 1922 г. от руския учен О.В. Лосов.
Лосов е живял в Ленинград, където е трагично загинал през Втората световна война. Възможно е повечето от неговите проекти да са били изгубени по време на войната. Въпреки че подава общо четири патента между 1927 и 1942 г., изследванията му не са признати до смъртта му.
Концепцията за светодиодите се появява отново през 1951 г., когато група учени под ръководството на К. Леховец започват да изследват ефекта. Разследването продължи с участието на други организации и изследователи, включително У. Шокли (изобретател на транзистора). В крайна сметка LED концепцията претърпява значително усъвършенстване и започва да се комерсиализира в края на 60-те години.
Кой полупроводников материал се използва в LED кръстовище?
По същество диодите, излъчващи светлина, са специализиран PN преход, направен с помощта на съставен полупроводник.
Силицият и германият са двата най-широко използвани полупроводника, но тъй като това са само елементи, светодиодите не могат да бъдат направени от тях.
Обратно, материали като галиев арсенид, галиев фосфид и индиев фосфид, които комбинират два или повече елемента, често се използват за производството на светодиоди. Галиевият арсенид, например, има валентност три, а арсенът има валентност пет и следователно и двата са класифицирани като полупроводници от група III -V.
Материали, принадлежащи към група III-V, могат да се използват и за създаване на други съставни полупроводници.
Когато полупроводников преход е предубеден, дупки от P-тип регион и електрони от N-тип регион влизат в прехода и се комбинират, точно както биха направили в нормален диод.
Токът се движи през кръстовището по този начин.
В резултат на това се освобождава енергия, част от която се излъчва като фотони (светлина). За да се гарантира, че най-малкото количество фотони (светлина) се абсорбира от структурата, P-страната на кръстовището, която произвежда по-голямата част от светлината в повечето случаи, е разположена най-близо до повърхността на устройството.
Преходът трябва да бъде идеално оптимизиран и трябва да се използват правилните материали за създаване на видима светлина. Инфрачервената област на спектъра е мястото, където чистият галиев арсенид излъчва своята енергия.
Как светодиодите получават своите цветове
Алуминият се въвежда в полупроводника, за да се получи алуминиев галиев арсенид, който измества LED светлината в яркочервения край на спектъра (AIGaAs).
Червена светлина може да се получи и чрез добавяне на фосфор.
За други LED цветове се използват различни материали. Например галиевият фосфид излъчва зелена светлина, докато жълтата и оранжевата светлина се произвеждат от алуминиев индиев галиев фосфид. Повечето светодиоди са направени от галиеви полупроводници.
Светодиодите се произвеждат с две структури
Повърхностно излъчващият диод и крайно излъчващият диод, които се виждат на фиг. 1 A и B, съответно, са двете първични архитектури, използвани за светодиоди. Повърхностно излъчващият диод е най-популярният от тях, тъй като произвежда светлина в по-широк ъгъл.
След производството LED структурата трябва да бъде затворена по такъв начин, че да може безопасно да се използва без никаква повреда на LED.
По-голямата част от малките LED индикатори са капсулирани в епоксидно лепило с индекс на пречупване, който се намира някъде между този на полупроводника и този на околния въздух (вижте фиг. 2 по-долу). По този начин диодът е идеално защитен и светлината се пренася към външния свят по най-ефективния начин.
Спецификация на светодиодното напрежение (VF).
Тъй като светодиодите са чувствителни към ток устройства, приложеното напрежение никога не трябва да надвишава спецификацията на минималното напрежение на светодиода. Спецификацията на напрежението напред на светодиод (VF) е просто оптималното ниво на напрежение, което може да се използва за безопасно и ярко осветяване на светодиода. Ако токът надвиши спецификацията на напрежението на светодиода, светодиодът ще изгори и ще се повреди завинаги.
В случай, че захранващото напрежение е по-високо от предното напрежение на светодиода, се използва изчислен резистор последователно със захранването, за да се ограничи токът към светодиода. Това гарантира, че светодиодът може безопасно да свети с оптимална яркост.
Стойността на изправеното напрежение на повечето светодиоди днес е около 3,3 V. Независимо дали е червен, зелен или жълт светодиод, всички обикновено могат да бъдат осветени чрез прилагане на 3,3 V през анодните и катодните им клеми.
Захранващото напрежение към светодиода трябва да бъде DC. Може да се използва и AC, но тогава светодиодът трябва да има токоизправителен диод, свързан с него. Това гарантира, че промяната на поляритета на променливотоковото напрежение не причинява никаква вреда на светодиода.
Ограничаващ ток
Светодиодите, точно като нормалните диоди, нямат присъщо ограничение на тока. В резултат на това, ако е свързан директно през батерия, той ще изгори.
Ако захранващият DC е около 3,3 V, тогава светодиодът няма да изисква ограничаващ резистор. Въпреки това, ако захранващото напрежение е по-високо от 3,3 V, тогава ще е необходим резистор последователно с LED клема.
Резисторът може да бъде свързан или последователно с анодния извод на светодиода, или с катодния извод на светодиода.
За да избегнете повреда, към веригата трябва да бъде свързан резистор, който да контролира тока. Нормалните индикаторни светодиоди имат максимална спецификация на тока от приблизително 20 mA; ако токът е ограничен под това, светлинният поток на светодиода ще намалее пропорционално.
Както е показано на Фиг. 3 по-горе, може да се наложи да се вземе предвид напрежението на самия светодиод, докато се оценява количеството консумиран ток. Защото, ако напрежението се увеличи, консумацията на ток също ще се увеличи пропорционално.
Формулата за изчисляване на ограничаващия резистор е дадена по-долу:
R = V - LED FWD V / LED ток
- Тук V представлява входното DC захранване.
- LED FWD V е спецификацията на напрежението напред на светодиода.
- Светодиодният ток обозначава максималния капацитет за работа с ток на светодиода.
Да приемем, че V = 12 V, LED FWD V = 3,3 V и LED ток = 20 mA, тогава стойността на R може да бъде решена по следния начин:
R = 12 - 3,3 / 0,02 = 435 ома, най-близката стандартна стойност е 470 ома.
Мощността ще бъде = 12 - 3,3 x 0,02 = 0,174 вата или просто 1/4 вата ще свърши работа.
