Pilna LED forma ir gaismas diode. Gaismas diodes ir īpaša veida pusvadītāju diodes, kas izstaro gaismu, reaģējot uz potenciālu starpību, kas tiek pielietota to spailēs, tāpēc nosaukums ir gaismas diode. Tāpat kā parastajām diodes gaismas diodēm, ir arī divi spailes ar polaritāti, proti, anods un katods. Lai apgaismotu LED, potenciālu starpība vai spriegums tiek pielietots pāri tās anoda un katoda spailēm.
Mūsdienās gaismas diodes tiek plaši izmantotas augstas spilgtas un mūsdienīgas LED lampas. Tos populāri izmanto arī dekoratīvo LED stīgu lampu un LED indikatoru ražošanā.
Īsa vēsture
Neskatoties uz to, ka gaismas diodes mūsdienās tiek uzskatītas par augsto tehnoloģiju pusvadītāju nozares produktu, to apgaismojošā īpašība sākotnēji tika identificēta pirms daudziem gadiem. Pirmais, kurš pamanīja LED gaismas efektu, bija viens no Markoni inženieriem H. J. Raunds, kurš ir labi pazīstams arī ar vairākiem vakuuma lampu un radio izgudrojumiem. Viņš to atklāj 1907. gadā, kopā ar Markoni pētot punktkontakta kristāla detektorus.
1907. gadā žurnāls Electrical World bija pirmais, kas ziņoja par šiem sasniegumiem. LED koncepcija vairākus gadus palika neaktīva, līdz to 1922. gadā no jauna atklāja krievu zinātnieks O.V. Losovs.
Losovs dzīvoja Ļeņingradā, kur viņš traģiski gāja bojā Otrajā pasaules karā. Iespējams, ka lielākā daļa viņa dizainu tika zaudēti karā. Lai gan laikā no 1927. līdz 1942. gadam viņš iesniedza kopumā četrus patentus, viņa pētījumi tika atzīti tikai pēc viņa nāves.
LED koncepcija atkal parādījās 1951. gadā, kad K. Lehoveca vadītā zinātnieku grupa sāka pētīt efektu. Izmeklēšana noritēja, piedaloties citām organizācijām un pētniekiem, tostarp V. Šoklijam (tranzistora izgudrotājs). Galu galā LED koncepcija tika ievērojami pilnveidota, un to sāka komercializēt 1960. gadu beigās.
Kurš pusvadītāju materiāls tiek izmantots LED savienojumā?
Būtībā gaismas diodes ir specializēts PN savienojums, kas izgatavots, izmantojot saliktu pusvadītāju.
Silīcijs un germānija ir divi visplašāk izmantotie pusvadītāji, taču, tā kā tie ir tikai elementi, no tiem nevar izgatavot gaismas diodes.
Un otrādi, gaismas diožu izgatavošanai bieži izmanto tādus materiālus kā gallija arsenīds, gallija fosfīds un indija fosfīds, kas apvieno divus vai vairākus elementus. Piemēram, gallija arsenīda valence ir trīs, bet arsēna valence ir pieci, un tāpēc abi tiek klasificēti kā III-V grupas pusvadītāji.
Materiālus, kas pieder pie III-V grupas, var izmantot arī citu saliktu pusvadītāju radīšanai.
Ja pusvadītāju pāreja ir nobīdīta uz priekšu, caurumi no P tipa apgabala un elektroni no N tipa apgabala nonāk krustojumā un apvienojas, tāpat kā parastajā diodē.
Šādā veidā strāva pārvietojas pa krustojumu.
Rezultātā tiek atbrīvota enerģija, no kuras daļa tiek izstarota kā fotoni (gaisma). Lai garantētu, ka struktūra absorbē vismazāko fotonu (gaismas) daudzumu, savienojuma P puse, kas vairumā gadījumu rada lielāko daļu gaismas, ir novietota vistuvāk ierīces virsmai.
Krustojumam ir jābūt perfekti optimizētam, un, lai radītu redzamu gaismu, ir jāizmanto pareizie materiāli. Spektra infrasarkanais apgabals ir vieta, kur tīrs gallija arsenīds izstaro savu enerģiju.
Kā gaismas diodes iegūst savas krāsas
Alumīnijs tiek ievadīts pusvadītājā, lai iegūtu alumīnija gallija arsenīdu, kas novirza LED gaismu spektra spilgti sarkanajā galā (AIGaAs).
Sarkano gaismu var iegūt arī, pievienojot fosforu.
Citām LED krāsām tiek izmantoti dažādi materiāli. Piemēram, gallija fosfīds izstaro zaļo gaismu, bet dzelteno un oranžo gaismu ražo alumīnijaindija gallija fosfīds. Lielākā daļa gaismas diožu ir izgatavotas no gallija pusvadītājiem.
Gaismas diodes tiek ražotas ar divām konstrukcijām
Virsmas izstarojošā diode un malu izstarojošā diode, kas redzamas 1. 1 A un B attiecīgi ir divas galvenās gaismas diožu arhitektūras. Virsmas izstarojošā diode ir vispopulārākā no tām, jo tā rada gaismu plašākā leņķī.
Pēc izgatavošanas LED struktūra ir jānoslēdz tā, lai to varētu droši lietot bez gaismas diodes bojājumiem.
Lielākā daļa mazo LED indikatoru ir iekapsulēti epoksīda līmē ar refrakcijas koeficientu, kas atrodas kaut kur starp pusvadītāja un apkārtējā gaisa laušanas koeficientu (skat. 2. attēlu zemāk). Tādējādi diode ir lieliski aizsargāta, un gaisma tiek pārnesta uz ārējo pasauli visefektīvākajā veidā.
LED Forward Voltage (VF) specifikācija
Tā kā gaismas diodes ir strāvas jutīgas ierīces, pielietotais spriegums nekad nedrīkst pārsniegt gaismas diodes minimālo tiešā sprieguma specifikāciju. Gaismas diodes (VF) tiešā sprieguma specifikācija ir vienkārši optimālais sprieguma līmenis, ko var izmantot, lai LED apgaismotu droši un spilgti. Ja strāva pārsniedz gaismas diodes tiešā sprieguma specifikāciju, LED degs un tiks neatgriezeniski bojāts.
Gadījumā, ja barošanas spriegums ir lielāks par gaismas diodes priekšējo spriegumu, tiek izmantots aprēķinātais rezistors virknē ar barošanu, lai ierobežotu strāvu uz LED. Tas nodrošina, ka gaismas diode var droši apgaismot ar optimālu spilgtumu.
Mūsdienās lielākajai daļai gaismas diožu tiešā sprieguma vērtība ir aptuveni 3,3 V. Neatkarīgi no tā, vai tā ir sarkana, zaļa vai dzeltena gaismas diode, visas parasti var izgaismot, pieliekot 3,3 V pāri to anoda un katoda spailēm.
LED barošanas spriegumam jābūt līdzstrāvai. Var izmantot arī maiņstrāvu, bet tad LED jābūt savienotai ar taisngrieža diode. Tas nodrošina, ka maiņstrāvas sprieguma polaritātes maiņa nerada nekādu kaitējumu LED.
Ierobežojoša strāva
Gaismas diodēm, tāpat kā parastajām diodēm, nav raksturīga strāvas ierobežojuma. Tā rezultātā, ja tas ir savienots tieši ar akumulatoru, tas tiks sadedzināts.
Ja barošanas līdzstrāva ir aptuveni 3,3 V, gaismas diodei nav nepieciešams ierobežojošs rezistors. Tomēr, ja barošanas spriegums ir lielāks par 3,3 V, tad būs nepieciešams rezistors virknē ar LED spaili.
Rezistoru var savienot vai nu virknē ar LED anoda spaili, vai ar LED katoda spaili.
Lai izvairītos no bojājumiem, ķēdei jāpievieno rezistors, lai kontrolētu strāvu. Parasta indikatora gaismas diodes maksimālā strāvas specifikācija ir aptuveni 20 mA; ja strāva ir ierobežota zem šī, LED gaismas jauda proporcionāli samazināsies.
Kā parādīts 3. attēlā, var būt jāņem vērā spriegums pāri pašai LED, aplēšot patērētās strāvas daudzumu. Jo, ja spriegums palielinās, arī strāvas patēriņš proporcionāli palielināsies.
Ierobežojošā rezistora aprēķināšanas formula ir šāda:
R = V - LED FWD V / LED strāva
- Šeit V apzīmē ieejas līdzstrāvas padevi.
- LED FWD V ir gaismas diodes tiešā sprieguma specifikācija.
- LED strāva apzīmē gaismas diodes maksimālo strāvas apstrādes jaudu.
Pieņemsim, ka V = 12 V, LED FWD V = 3,3 V un LED strāva = 20 mA, tad R vērtību var atrisināt šādi:
R = 12 - 3,3 / 0,02 = 435 omi, tuvākā standarta vērtība ir 470 omi.
Jauda būs = 12 - 3,3 x 0,02 = 0,174 vati vai vienkārši der 1/4 vati.
