Light Emitting Diode คืออะไร: การทำงานและการใช้งาน
LED เป็นแหล่งกำเนิดแสงเซมิคอนดักเตอร์ที่มีสายไฟ 2 เส้น ไดโอดเปล่งแสง-ถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1962 โดย Nick Holonyak เมื่อเขาทำงานที่ General Electric LED เป็นไดโอดชนิดพิเศษที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเทียบได้กับไดโอดของจุดเชื่อมต่อ PN ดังนั้น LED จึงยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลไปในทิศทางหนึ่งในขณะที่ปิดกั้นอีกด้านหนึ่ง น้อยกว่า 1 mm2 คือทั้งหมดที่ LED ใช้ LED ถูกนำมาใช้ในโครงการไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์หลายประเภท บทความนี้จะกล่าวถึงการทำงานของ LED และการใช้งาน
ไดโอดเปล่งแสง: มันคืออะไร?
p-n Junction Diode ทำหน้าที่เป็น-ไดโอดเปล่งแสง มันเป็นรูปแบบเฉพาะของเซมิคอนดักเตอร์และไดโอดที่เจือโดยเฉพาะ ไดโอดเปล่งแสง-คืออุปกรณ์ที่เปล่งแสงเมื่อมีอคติไปข้างหน้า
ลูกศรเล็กๆ สองลูกที่ระบุถึงการปล่อยแสงทำให้สัญลักษณ์ LED แตกต่างจากสัญลักษณ์ไดโอด ซึ่งเป็นสาเหตุที่เรียกว่า LED (ไดโอดเปล่งแสง-) LED มีขั้วสองขั้ว: แคโทด (-) และขั้วบวก (+) (-)
สัญลักษณ์ LED สัญลักษณ์ LED การก่อสร้าง
การสร้าง LED ค่อนข้างตรงไปตรงมาเนื่องจากได้รับการออกแบบโดยการทับถมของชั้นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สามชั้นเหนือพื้นผิว สามเลเยอร์นี้วางซ้อนกันโดยชั้นบนสุดเป็นเลเยอร์ประเภท P- ชั้นกลางเป็นเลเยอร์ที่ใช้งานอยู่ และชั้นล่างสุดเป็นเลเยอร์ประเภท N- โครงสร้างช่วยให้มองเห็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ทั้งสามโซน ในโครงสร้าง มีรูอยู่ในภูมิภาคประเภท P- มีการเลือกตั้งในบริเวณประเภท N- และทั้งรูและอิเล็กตรอนมีอยู่ในบริเวณแอคทีฟ
LED จะคงที่เนื่องจากไม่มีการไหลของอิเล็กตรอนหรือรูเมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้า LED จะเอนเอียงไปข้างหน้าทันทีที่มีการจ่ายแรงดันไฟฟ้า ส่งผลให้อิเล็กตรอนในภูมิภาค N- และรูในภูมิภาค P- เดินทางเข้าสู่พื้นที่แอคทีฟ ภูมิภาคพร่องเป็นอีกชื่อหนึ่งของบริเวณนี้ แสงสามารถเกิดขึ้นได้จากการรวมตัวกันใหม่ของประจุที่มีขั้ว เนื่องจากตัวพาประจุ เช่น รู มีประจุเป็นบวก ในขณะที่อิเล็กตรอนมีประจุลบ
กระบวนการของ Light Emitting Diode คืออะไร?
โดยทั่วไปเราเรียกไดโอดเปล่งแสง-ว่าไดโอด อิเล็กตรอนและรูจะไหลอย่างรวดเร็วข้ามทางแยกเมื่อไดโอดมีอคติไปข้างหน้า และพวกมันจะรวมตัวกันอย่างต่อเนื่องและผลักกันออกไปให้พ้นทาง มันรวมตัวกับรูขณะที่อิเล็กตรอนเปลี่ยนจากซิลิคอนชนิด n- ไปเป็นชนิด p- แล้วหายไป
Oleg Losev นักประดิษฐ์ชาวรัสเซีย พัฒนา LED ตัวแรกในปี 1927 และตีพิมพ์ส่วนหนึ่งของรากฐานทางทฤษฎีของการวิจัยของเขา
ศาสตราจารย์ Kurt Lechovec ทดสอบสมมติฐานของผู้แพ้ในปี 1952 และให้คำอธิบายเกี่ยวกับ LED ตัวแรก
LED สีเขียวดวงแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1958 โดย Rubin Braunstein และ Egon Loebner
Nicholas Holonyak ได้สร้าง LED สีแดงในปี 1962 ดังนั้น LED ตัวแรกจึงถูกสร้างขึ้น
คอมพิวเตอร์เครื่องแรกที่ใช้ LED บนแผงวงจรคือรุ่น IBM ตั้งแต่ปี 1964
Hewlett Packard (HP) เปิดตัว LED ในเครื่องคิดเลขในปี 1968
ไฟ LED สีฟ้าถูกสร้างขึ้นโดย Jacques Pankove และ Edward Miller ในปี 1971
วิศวกรไฟฟ้า M. George Crawford ได้สร้างไฟ LED สีเหลืองในปี 1972
LED สีน้ำเงินที่มีแมกนีเซียมและมาตรฐานแห่งอนาคตถูกสร้างขึ้นในปี 1986 โดย Walden C. Rhines และ Herbert Maruska จากมหาวิทยาลัย Stafford
Hiroshi Amano และนักฟิสิกส์ Isamu Akaski ได้สร้าง Gallium Nitride พร้อมด้วย LED สีฟ้าที่ยอดเยี่ยมในปี 1993
Shuji Nakamura วิศวกรไฟฟ้าได้สร้าง LED สีน้ำเงินตัวแรกที่มีความสว่างสูงผ่านความก้าวหน้าของ Amanos และ Akaski ซึ่งเร่งการพัฒนา LED สีขาว
ไฟ LED สีขาวซึ่งมีราคาระหว่าง 80 ถึง 100 ปอนด์ต่อหลอดถูกนำมาใช้เพื่อที่อยู่อาศัยในปี 2545
ไฟ LED ได้รับความนิยมอย่างมากในบริษัท โรงพยาบาล และโรงเรียน ในปี 2551
แหล่งกำเนิดแสงหลักในปี 2019 คือ LED; นี่เป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญเนื่องจากขณะนี้ LED สามารถใช้ส่องสว่างสถานที่ต่างๆ ได้ รวมถึงบ้าน สำนักงาน โรงพยาบาล และโรงเรียน
ไบอัสวงจรไดโอดเปล่งแสง
LED ส่วนใหญ่มีข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าระหว่าง 1 ถึง 3 โวลต์ ในขณะที่พิกัดกระแสไปข้างหน้าอยู่ระหว่าง 200 ถึง 100 mA
อคติของ LED
LED จะทำงานได้อย่างถูกต้องหากจ่ายแรงดันไฟฟ้าระหว่าง 1 ถึง 3 โวลต์ เนื่องจากกระแสไฟบ่งชี้ว่าแรงดันไฟฟ้าอยู่ภายในช่วงการทำงาน ในทำนองเดียวกัน หาก LED มีแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน กระแสไฟสูงจะทำให้โซนพร่องล้มเหลว กระแสไฟฟ้าแรงสูงที่ไม่คาดคิดนี้จะทำให้อุปกรณ์พัง
การป้องกันนี้สามารถป้องกันได้โดยการเชื่อมต่อตัวต้านทานแบบอนุกรมกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าและ LED ระดับกระแสไฟที่ปลอดภัยสำหรับ LED มีตั้งแต่ 200 mA ถึง 100 mA ในขณะที่พิกัดแรงดันไฟฟ้าที่ปลอดภัยสำหรับ LED มีตั้งแต่ 1V ถึง 3V
ในที่นี้ ตัวต้านทานซึ่งอยู่ระหว่างแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าและ LED เรียกว่าเป็นตัวต้านทานจำกัดกระแส เนื่องจากตัวต้านทานนี้จะควบคุมการไหลของกระแส มิฉะนั้น LED อาจฆ่ากระแสได้ ดังนั้นตัวต้านทานนี้จึงจำเป็นต่อการปกป้อง LED
สมการสำหรับการไหลของกระแสทางคณิตศาสตร์ผ่าน LED คือ
ถ้า=กับ – VD/Rs
ที่ไหน,
"IF" กระแสไปข้างหน้า
แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า 'Vs'
แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมไดโอดเปล่งแสง-จะแสดงด้วย "VD"
Rs เป็นตัวต้านทานที่จำกัดการไหลของกระแส
แรงดันไฟฟ้าตกที่ต้องใช้เพื่อทะลุผ่านสิ่งกีดขวางของบริเวณพร่อง เมื่อแรงดันตกของไดโอด Si หรือ Ge อยู่ที่ 0.3 V หรือน้อยกว่า แรงดันไฟตกของ LED จะอยู่ระหว่าง 2 ถึง 3 V
ตรงกันข้ามกับไดโอด Si หรือ Ge LED อาจทำงานที่ไฟฟ้าแรงสูง
เมื่อเปรียบเทียบกับไดโอดซิลิคอนหรือเจอร์เมเนียม ไดโอดเปล่งแสง-ต้องใช้พลังงานมากกว่าในการทำงาน
ประเภทไดโอดเปล่งแสง-
ไดโอดเปล่งแสง-มีหลากหลายแบบ ซึ่งบางส่วนมีดังต่อไปนี้
แกลเลียมอาร์เซไนด์อินฟาเรด (GaAs) และสีแดงเป็นอินฟาเรด- แกลเลียมอาร์เซไนด์ฟอสไฟด์ (GaAsP) สีส้ม
ไฟ LED สีแดงสีส้มและสีเหลืองความสว่างสูง-ทำจากอะลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ฟอสฟอรัส (AlGaAsP)
แกลเลียมฟอสเฟต (GaP) สีแดง เหลือง และเขียว
สีเขียวเป็นสีของอะลูมิเนียมแกลเลียมฟอสไฟด์ (AlGaP) สีเขียวมรกตเป็นสีของแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และสีน้ำเงินเป็นสีของแกลเลียมอินเดียมไนไตรด์ (GaInN)
เป็นสารตั้งต้น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) สีฟ้า
Blue Zinc Selenide (ZnSe) และอัลตราไวโอเลตอะลูมิเนียมแกลเลียมไนไตรด์ (AlGaN)
หลักการทำงานของ LED
ทฤษฎีควอนตัมทำหน้าที่เป็นรากฐานสำหรับการทำงานของไดโอดเปล่งแสง- ตามทฤษฎีควอนตัม โฟตอนจะปล่อยพลังงานเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนตัวจากสถานะพลังงานสูงไปยังสถานะพลังงานต่ำ ความแตกต่างของพลังงานระหว่างระดับพลังงานทั้งสองนี้เท่ากับพลังงานของโฟตอน เมื่อถึงสถานะเอนเอียงไปข้างหน้าของไดโอดจุดเชื่อมต่อ PN- กระแสจะไหลผ่านไดโอด
หลักการทำงานของ LED
การไหลของรูในทิศทางตรงกันข้ามกับกระแสและการไหลของอิเล็กตรอนในทิศทางของกระแสคือสิ่งที่ทำให้กระแสไหลในเซมิคอนดักเตอร์ ดังนั้นการรวมตัวกันใหม่จะเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุเหล่านี้
อิเล็กตรอนของแถบการนำไฟฟ้าจะกระโดดลงไปที่แถบเวเลนซ์ ตามการรวมตัวกันใหม่ พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกปล่อยออกมาโดยอิเล็กตรอนในรูปโฟตอนเมื่อพวกมันเคลื่อนที่จากแถบหนึ่งไปยังอีกแถบหนึ่ง และพลังงานโฟตอนจะเท่ากับช่องว่างพลังงานต้องห้าม
ลองพิจารณาทฤษฎีควอนตัมเป็นตัวอย่าง ตามทฤษฎีนี้ พลังงานของโฟตอนเท่ากับผลรวมของความถี่ของมันและค่าคงที่ของพลังค์ สูตรทางคณิตศาสตร์จะปรากฏขึ้น
สมการ=hf
โดยที่เรียกว่าค่าคงที่พลังค์ และความเร็วของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งแสดงด้วยสัญลักษณ์ c เท่ากับความเร็วแสง ดังที่= c / ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ของการแผ่รังสีและความเร็วแสง จากสมการก่อนหน้าจะส่งผลให้มีความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ที่ไหน
สมการ=เขา / แลม
ความยาวคลื่นของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจะแปรผกผันกับช่องว่างต้องห้ามตามสมการข้างต้น โดยทั่วไป สภาพและแถบเวเลนซ์ของซิลิคอนและเซมิคอนดักเตอร์เจอร์เมเนียมนั้น การแผ่รังสีที่สมบูรณ์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในระหว่างการรวมตัวกันใหม่จะอยู่ในรูปของรังสีอินฟราเรด ความยาวคลื่นของอินฟราเรดนั้นเราไม่สามารถมองเห็นได้เนื่องจากอยู่นอกช่วงแสงที่มองเห็นได้
เนื่องจากซิลิคอนและเจอร์เมเนียมเซมิคอนดักเตอร์เป็นเซมิคอนดักเตอร์แบบช่องว่างทางอ้อมมากกว่าเป็นเซมิคอนดักเตอร์แบบช่องว่างโดยตรง การแผ่รังสีอินฟราเรดจึงมักถูกเรียกว่าความร้อน อย่างไรก็ตาม ระดับพลังงานสูงสุดของแถบเวเลนซ์และระดับพลังงานขั้นต่ำของแถบการนำไฟฟ้าไม่มีอยู่เมื่อมีอิเล็กตรอนอยู่ในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างโดยตรง ผลก็คือ โมเมนตัมของแถบอิเล็กตรอนจะแปรผันระหว่างการรวมตัวกันของอิเล็กตรอนและรู หรือการอพยพของอิเล็กตรอนจากแถบการนำไฟฟ้าไปยังแถบเวเลนซ์
ไฟ LED สว่าง
มีสองวิธีที่สามารถใช้ในการผลิต LED ได้ ในวิธีแรก ชิป LED สีแดง เขียว และน้ำเงินจะรวมกันเป็นแพ็คเกจเดียวเพื่อสร้างแสงสีขาว ในขณะที่วิธีที่สองจะใช้สารเรืองแสง สามารถสรุปอีพอกซีที่อยู่รอบๆ สารเรืองแสงของฟอสเฟอร์ได้ และอุปกรณ์ InGaN LED จะเปิดใช้งาน LED โดยใช้การแผ่รังสีความยาวคลื่นสั้น-
ในการสร้างความรู้สึกหลายสี หรือที่เรียกว่าสีเสริมหลัก แสงสีต่างๆ เช่น แสงสีฟ้า สีเขียว และสีแดง จะถูกนำมารวมกันในปริมาณที่แตกต่างกัน แสงสีขาวถูกสร้างขึ้นโดยการผสมผสานความเข้มของแสงทั้งสามนี้เข้าด้วยกัน
อย่างไรก็ตาม เพื่อให้บรรลุถึงการผสมผสานนี้โดยใช้การผสมผสานระหว่างไฟ LED สีเขียว สีน้ำเงิน และสีแดง จำเป็นต้องมีสถาปัตยกรรมออปติคอลไฟฟ้า-ที่ท้าทายสำหรับการจัดการการผสมผสานและการแพร่กระจายของสีต่างๆ นอกจากนี้ วิธีการนี้อาจเป็นเรื่องที่ท้าทายเนื่องจากความแตกต่างของเฉดสี LED
ชิป LED หนึ่งตัวที่มีการเคลือบฟอสเฟอร์ให้พลังงานแก่กลุ่มผลิตภัณฑ์ LED สีขาวส่วนใหญ่ เมื่อสารเคลือบนี้สัมผัสกับรังสีอัลตราไวโอเลตแทนโฟตอนสีน้ำเงิน แสงสีขาวจะถูกสร้างขึ้น ทฤษฎีเดียวกันนี้ใช้กับหลอดฟลูออเรสเซนต์ด้วย การปล่อยกระแสไฟฟ้าภายในหลอดจะปล่อยรังสียูวีออกมา ซึ่งจะทำให้สารเรืองแสงกะพริบเป็นสีขาว
แม้ว่าเทคนิคของ LED นี้สามารถให้เฉดสีที่หลากหลายได้ แต่ความแปรปรวนสามารถควบคุมได้โดยการคัดกรอง การใช้พิกัดสีที่แม่นยำสี่พิกัดซึ่งอยู่ใกล้กับศูนย์กลางของแผนภาพ CIE อุปกรณ์ที่ใช้ LED สีขาว-จะถูกคัดกรอง
พิกัดสีที่ได้ทั้งหมดภายในเส้นโค้งเกือกม้าจะแสดงในแผนภาพ CIE เฉดสีที่สะอาดตาของส่วนโค้งนั้นกระจายออกไป แต่จุดสีขาวอยู่ตรงกลาง สามารถใช้จุดสี่จุดที่แสดงตรงกลางกราฟเพื่อแสดงสีของเอาต์พุต LED สีขาว พิกัดกราฟทั้งสี่นั้นเกือบจะเป็นสีขาวบริสุทธิ์ แต่โดยทั่วไปแล้ว LED เหล่านี้จะใช้งานไม่ได้เช่นเดียวกับแหล่งกำเนิดแสงมาตรฐานในการส่องสว่างเลนส์สี
LED เหล่านี้มีประโยชน์มากที่สุดสำหรับเลนส์สีขาวหรือเลนส์โปร่งใสที่มีแสงพื้นหลังทึบแสง ไม่ต้องสงสัยเลยว่าไฟ LED สีขาวจะได้รับความนิยมมากขึ้นในฐานะแหล่งแสงสว่างและเป็นตัวบ่งชี้ตราบใดที่เทคโนโลยีนี้ยังคงพัฒนาต่อไป
ประสิทธิภาพอันยอดเยี่ยม
ฟลักซ์การส่องสว่างที่ผลิตได้สำหรับ LED แต่ละหน่วยมีหน่วยเป็น lm ในขณะที่ปริมาณการใช้พลังงานไฟฟ้าวัดเป็น W โดย LED สีแดงมี 155 ลูเมน/วัตต์, LED สีเหลืองอำพันมี 500 ลูเมน/วัตต์ และ LED สีน้ำเงินมีลำดับประสิทธิภาพภายในที่ได้รับการจัดอันดับที่ 75 ลูเมน/วัตต์ การสูญเสียสามารถพิจารณาได้เนื่องจากการดูดซึมซ้ำภายใน- ประสิทธิภาพการส่องสว่างสำหรับไฟ LED สีเขียวและสีเหลืองอำพันอยู่ระหว่าง 20 ถึง 25 ลูเมน/วัตต์ แนวคิดเรื่องประสิทธิภาพนี้หรือที่เรียกว่าประสิทธิภาพภายนอก เทียบได้กับแนวคิดเรื่องประสิทธิภาพที่มักใช้กับแหล่งกำเนิดแสงประเภทอื่นๆ เช่น LED หลากสี
แหล่งกำเนิดแสงไดโอดมีหลายสี
LED หลากสีเป็นไดโอดเปล่งแสง-ที่เมื่อเชื่อมต่อแบบฟอร์เวิร์ดไบแอส จะสร้างสีเดียว และเมื่อเชื่อมต่อแบบรีเวอร์สไบแอสจะทำให้เกิดสีอื่น
จริงๆ แล้ว LED เหล่านี้มีทางแยก PN- สองจุด และคุณสามารถเชื่อมต่อแบบขนานได้โดยการเชื่อมต่อแคโทดของจุดหนึ่งเข้ากับขั้วบวกของอีกจุดหนึ่ง
เมื่อเอียงไปในทิศทางเดียว ไฟ LED หลากสีมักจะเป็นสีแดง และเมื่อเอียงไปในทิศทางตรงกันข้าม ไฟ LED หลากสีจะเป็นสีเขียว LED นี้จะสร้างสีที่สามหากเปิดอย่างรวดเร็วระหว่างสองขั้ว เมื่อสลับระหว่างขั้วไบแอสอย่างรวดเร็ว ไฟ LED สีเขียวหรือสีแดงจะสร้างแสงสีเหลือง
การตั้งค่า LED สองแบบที่แตกต่างกันมีอะไรบ้าง
ตัวปล่อยและ COB ที่คล้ายกันสองตัวคือการตั้งค่า LED พื้นฐาน
ตัวส่งสัญญาณคือแม่พิมพ์ตัวเดียวที่ติดอยู่กับแผงระบายความร้อนก่อนที่จะวางตำแหน่งไปทางแผงวงจร แผงวงจรนี้จะดึงความร้อนออกจากตัวส่งสัญญาณพร้อมกับจ่ายพลังงานไฟฟ้าไปพร้อมๆ กัน
นักวิจัยพบว่าสามารถถอดพื้นผิว LED ออกได้ และแม่พิมพ์ตัวเดียวสามารถวางบนแผงวงจรได้อย่างอิสระ ซึ่งช่วยลดต้นทุนและปรับปรุงความสม่ำเสมอของแสง ดังนั้น การออกแบบนี้จึงเรียกว่า COB (ชิป-บน-อาร์เรย์บอร์ด)
ประโยชน์และข้อเสียของ LED
ต่อไปนี้คือข้อดีบางประการของ-ไดโอดเปล่งแสง
LED มีขนาดเล็กและมีราคาต่ำกว่า
ไฟฟ้าถูกควบคุมโดยการใช้ไฟ LED
ด้วยความช่วยเหลือของไมโครโปรเซสเซอร์ ความเข้มของ LED อาจแตกต่างกันไป
เป็นเวลานาน
มีประสิทธิภาพในเรื่องพลังงาน
ไม่มีการวอร์มก่อน-เกม
ทนทาน
ไม่ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิที่เย็นจัด
การแสดงสีทิศทางที่ยอดเยี่ยม
สามารถควบคุมได้และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
ต่อไปนี้คือข้อเสียบางประการของเทคโนโลยี LED
ราคา
ความไวต่ออุณหภูมิ
ความไวต่ออุณหภูมิ
ขั้วไฟฟ้าและคุณภาพแสงสว่าง
ความไวทางไฟฟ้า
ประสิทธิภาพลดลง
ผลแมลง
ใช้สำหรับ-ไดโอดเปล่งแสง
LED มีประโยชน์หลายอย่าง บางส่วนได้อธิบายไว้ด้านล่างนี้
ทั้งในครัวเรือนและธุรกิจ ไฟ LED ถูกใช้เป็นหลอดไฟ
ไดโอดเปล่งแสง-ใช้ในรถยนต์และรถจักรยานยนต์
ข้อความจะแสดงโดยใช้สิ่งเหล่านี้ในโทรศัพท์มือถือ
ไฟ LED ถูกใช้ที่สัญญาณไฟจราจร
ด้วยเหตุนี้ บทความนี้จึงนำเสนอภาพรวมของการประยุกต์และทฤษฎีการทำงานของวงจรไดโอดเปล่งแสง- ฉันหวังว่าคุณจะได้เรียนรู้ข้อเท็จจริงพื้นฐานและการปฏิบัติบางประการเกี่ยวกับ-ไดโอดเปล่งแสงจากการอ่านบทความนี้
สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมกรุณาให้ความสนใจเว็บไซต์อย่างเป็นทางการของ BENWEI
