LED | |
---|---|
5 mm type rød, grønn og blå LED | |
Fyr | Passiv , optoelektronikk |
Prinsipp for operasjon | Elektroluminescens |
Oppfunnet av | Nick Holonyak Jr. ( 1962 ) |
Elektrisk symbol | |
Pin-konfigurasjon | Anode og katode |
Se: elektronisk komponent | |
Lysdioden , i akronym LED (fra engelsk light-emitting diode ) , [1] er en optoelektronisk enhet som utnytter evnen til enkelte halvledermaterialer til å produsere fotoner gjennom et fenomen med spontan emisjon når den krysses av en elektrisk strøm .
Halvledermaterialet har to forskjellig dopede områder for å ha bærere av motsatt ladning, elektroner og hull , som, i henhold til driftsprinsippene til junction diode , rekombinerer, og sender ut energi i form av fotoner. Den første LED-en ble utviklet i 1962 av Nick Holonyak Jr. [2] [3] . I 2014 ble Nobelprisen i fysikk tildelt Isamu Akasaki og Hiroshi Amano fra University of Nagoya og til Shūji Nakamura fra University of California, Santa Barbara for forskning på blått lys LED.
På nittitallet ble LED produsert med stadig høyere effektivitet og i et stadig økende fargespekter, som også produserte hvitt lys. Samtidig har mengden lys som sendes ut økt til nivåer som er konkurransedyktige med vanlige lyspærer. I belysningsteknologi er LED konfigurert som en høyeffektiv teknologi som garanterer utmerkede energibesparelser .
I 1907 , ved laboratoriene til Marconi Company , oppdaget Henry Joseph Round effekten av fotoluminescens ved bruk av silisiumkarbid (SiC) og komponenten til en radio. [4] [5] Nøyaktig tjue år senere publiserte Oleg Losev en teori i Russland, hvor han hevdet å ha laget ekvivalenten til en rudimentær LED; [6] selv om publikasjonen også ble publisert i det tyske og britiske imperiet, var det i flere tiår ingen praktiske anvendelser for oppfinnelsen. [7] [8]
I 1936 , ved Marie Curie - laboratoriene , oppnådde fysikeren Georges Destriau elektroluminescens (som han selv definerte "Losev-lys") ved å kapsle inn sinksulfid (ZnS) i en beholder der han påførte et vekslende elektrisk felt . [9] [10] Tre år senere patenterte ungarerne Zoltán Bay og György Szigeti en silisiumkarbidenhet som var i stand til å sende ut hvitt eller hvitt lys som tenderer til gult eller grønt, avhengig av urenheten som er tilstede. [11] I 1951 forsto Kurt Lehovec, Carl Accardo og Edward Jamgochian for første gang den virkelige funksjonen til en diode som er i stand til å sende ut lys, ved å bruke silisiumkarbidkrystaller og som en elektrisk kilde et batteri og en pulsgenerator, sammenlignet i følgende to år oppnådde resultatene med andre oppnådd ved å variere typen krystaller og deres renhet. [12] [13]
I 1955 oppnådde Rubin Braunstein, [14] fra Radio Corporation of America , utslipp av infrarødt lys fra galliumarsenid (GaAs) [15] og andre halvledere, som galliumantimonid (GaSb), indiumfosfid (InP) og silisiumgermaniid ( SiGe), både ved romtemperatur og ved 77 kelvin . To år senere demonstrerte han at rudimentære enheter kunne brukes til å kommunisere over korte avstander; [16] disse enhetene vil senere bli brukt i optisk kommunikasjon .
I september 1961 , ved Texas Instruments , oppdaget James R. Biard og Gary Pittman at en tunneldiode med et galliumarsenidsubstrat var i stand til å sende ut infrarødt lys med en bølgelengde på 900 nanometer. [18] I oktober demonstrerte de effektiviteten av kommunikasjon mellom en slik diode og en elektrisk isolert fotodetektor . [19] Den 8. august 1962 søkte Biard og Pittman om et patent med tittelen "Semiconductor Radiant Diode": en diffus pn - junction diode med katoden adskilt for å tillate effektiv emisjon av infrarødt lys når enheten er i den såkalte direkte polarisering . Etter å ha mottatt forespørsler fra General Electric , Radio Corporation of America, IBM , Bell Laboratories og MIT Lincoln Laboratory , tildelte det amerikanske patentkontoret de to oppfinnerne patentet for galliumarsenid infrarød lysdiode, [20] den første virkelige LED for praktisk bruk . [18] Like etter startet Texas Instruments et prosjekt for å bygge dem, og i oktober 1962 kunngjorde selskapet kommersiell produksjon av lysdioder med krystallinske galliumarsenidstrukturer som er i stand til å sende ut lys med en bølgelengde på 890 nanometer. [18]
Den første emitterende LED-en i det synlige spekteret ble utviklet hos General Electric av Nick Holonyak Jr. som publiserte en artikkel om det 1. desember 1962 . [21] [22] Etter å ha skaffet seg en LED med synlig emisjon, for så å ha laget for første gang en elektronisk komponent som er i stand til å sende ut lys som kan oppfattes av mennesker, gjorde Holonyak til offentlighetens øyne som LED-ens "far". I 1972 laget George Craford, [23] en tidligere Holonyak-student, den første gule lysdioden og forbedret lyseffekten til de røde og rød-oransje lysdiodene med en faktor på ti. [24] Fire år senere skapte TP Pearsall den første høyeffektive, luminescerende LED-en, noe som resulterte i nye halvlederforbindelser spesielt egnet for fiberoptisk overføring . [25]
De første kommersielle lysdiodene ble brukt til å erstatte noen glødelamper og neonlamper , for syv-segments skjermer , [26] for optokoblere , for dyrt laboratorieutstyr først og deretter gå videre til kalkulatorer, fjernsyn, radioer, telefoner og mye mer. Imidlertid var både infrarøde og synlige lysdioder fortsatt ekstremt dyre, i størrelsesorden to hundre dollar hver, og ble følgelig brukt relativt lite. [27] Fra og med 1968 var Monsanto Company det første i verden som begynte masseproduksjon av synlige lysdioder, ved å bruke gallium , arsen og fosfor for å lage røde lysdioder egnet som indikatorer (piler, tall, etc.). [27] Senere begynte flere farger å bli tilgjengelige og lysdioder begynte å dukke opp på en rekke annet utstyr og enheter. På 1970-tallet ble LED-enheter produsert og markedsført for mindre enn fem cent hver. Disse diodene besto av halvlederbrikker produsert med den plane vekstprosessen utviklet av Jean Hoerni ved Fairchild Semiconductor . [28] Kombinasjonen av denne prosessen med innovative innkapslingsmetoder tillot Fairchild, under ledelse av optoelektronikk-pioneren Thomas Brandt, å redusere produksjonskostnadene kraftig, [29] og banet vei for alle andre produsenter. [30]
De første LED-ene hadde et metallhus som ligner det som ble brukt til transistorer , med en glasslinse for passasje av fotoner. Deretter flyttet de til gjennomsiktige plasthylser, av forskjellige former, og ofte med farger som tilsvarer fargen på lyset som sendes ut. Når det gjelder infrarøde lysdioder, kan fargetonen brukes for å oppnå motsatt effekt, dvs. blokkere det synlige lyset. Spesifikke innkapslinger ble deretter utviklet for effektiv varmespredning av høyeffekts LED-er.
Den første blåfiolette LED-en ble laget med magnesiumdopet galliumnitrid ( GaN ) ved Stanford University i 1972 av Herb Maruska og Wally Rhines, PhD-studenter i materialvitenskap og ingeniørfag. [31] [32] Året før oppnådde en tidligere kollega av Maruska, Jacques Pankive, sammen med Ed Miller, ved Radio Corporation of America, for første gang blå elektroluminescens gjennom galliumnitrid, men med sink -doping : fra de fikk de da den første galliumnitriddioden som sender ut grønt lys. [33] [34] I 1974 mottok Maruska, Rhines og professor David Stevenson patentet på oppfinnelsen deres. [35] På 1970-tallet fant man ingen praktisk bruk for magnesiumdopte galliumnitriddioder, og forskningen ble bremset, bare for å gjenopplive tiår senere med utviklingen av blå lysdioder og laserdioder .
I august 1989 var Cree det første selskapet som kommersialiserte silisiumkarbidblå LED-er, derfor med et indirekte båndgap som imidlertid gjør enheten svært ineffektiv. [36] [37] Også på slutten av 1980 -tallet brakte viktige milepæler i den epitaksiale veksten av galliumnitrid med akseptordoping [38] optoelektroniske enheter inn i moderne tid. På dette grunnlaget utviklet Theodore Moustakas fra Boston University i 1991 en metode for å produsere blå lysdioder med høy luminescens gjennom en to-trinns prosess, og oppnådde patent seks år senere. [39]
I 1993 , med en vekstprosess som ligner på Moustakas, laget Shūji Nakamura , fra Nichia , på sin side en blå LED med høy luminescens. [40] [41] [42] Både Moustakas og Nakamura fikk patent og dette skapte forvirring om hvem som var den sanne oppfinneren av den blå LED-en i galliumnitrid, faktisk oppdaget Moustakas metoden hans først, men hans registrering på patentkontoret den var etter den til Nakamura. Muligheten for å produsere blå lysdioder i industriell skala åpnet opp for utviklingen av nye teknologier og applikasjoner i de påfølgende tiårene, så mye at Nakamura mottok Millennium Technology-prisen i 2006 [43] og i 2014 , sammen med Hiroshi Amano og Isamu Akasaki , Nobelprisen i fysikk . [44]
Samtidig, i Nagoya , jobbet Isamu Akasaki og Hiroshi Amano selv med utviklingen av en metode for å dyrke galliumnitrid på et safirsubstrat , dopet med akseptorer, og med å demonstrere den større effektiviteten til lysdioder laget med denne prosedyren. I 1995 , ved Cardiff University , studerte Alberto Barbieri effektiviteten og påliteligheten til lysdioder med høy luminescens med en struktur dannet av lag av aluminium, gallium og indiumfosfid (AlGaInP) og galliumarsenid (GaAs), med en "klar kontakt" dvs. en klar kontakt. film av indiumtinnoksid (også kjent som ITO, indiumtinnoksid ).
Mellom 2001 [45] og 2002 ble [46] metoder for dyrking av galliumnitrid på silisium demonstrert med suksess , og i januar 2012 fant OSRAM en måte å produsere indium galliumnitrid-LED (InGaN) dyrket på silisiumsubstrater industrielt. [47] I det minste frem til 2017 brukte produksjonsbedrifter silisiumkarbidsubstrater, selv om det vanligste forble safir, da det har egenskaper som ligner veldig på galliumnitrid, noe som reduserer dannelsen av defekter i krystallstrukturen under vekst. .
På slutten av tiåret forsket Samsung og University of Cambridge på galliumnitrid-lysdioder dyrket på et silisiumsubstrat, først etterfulgt av Toshiba som deretter stoppet forskningen. [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] Noen har valgt epitaksial vekst via nano-print litografi [55] [56] [57] [58] [59] [ 60] [61] , mens andre for flerlagsvekst for å redusere forskjellene mellom krystallinske strukturer og termisk ekspansjonshastighet, i et forsøk på å unngå sponbrudd ved høye temperaturer, redusere varmeutslipp og øke lyseffektiviteten.
Hvitt lys kan produseres ved å bruke lysdioder i forskjellige farger sammen: en rød, en grønn og en blå; Fargekvaliteten vil imidlertid være lav da bare tre smale bånd av det synlige spekteret brukes. En bedre metode er å dra nytte av en høyeffektiv blå LED, og utnytte egenskapene til fosforet for å oppnå hvitt lys. I disse enhetene, når det blå LED-lyset treffer et overliggende lag av fosfor, dopet med granat av yttrium, aluminium (YAG) og cerium ( Y 3 Al 5 O 12 : Ce), produserer det et gult fluorescerende lys : den totale effekten av blått lys og gult lys har en veldig bred båndbredde og oppfattes derfor som hvitt lys av det menneskelige øyet, med en fargegjengivelsesindeks høyere enn den for hvitt oppnådd ved å kombinere røde, grønne og blå lysdioder.
Som med sine forgjengere, var den første hvite LED-en dyr og ineffektiv. Imidlertid vokste forbedringen i lyseffekt eksponentielt: den siste utviklingen og forskningen er utført av japanske, koreanske og kinesiske selskaper, som Panasonic , Nichia, Samsung og Kingsun. Trenden til denne veksten er definert av Haitzs lov (i figuren), som har fått navnet fra Roland Haitz. [62]
Lyseffekten og effektiviteten til blåfiolette lysdioder økte og samtidig falt kostnadene for enhetene, noe som gjorde det mulig å produsere hvite lysdioder med relativt høy effekt, potensielt egnet til å erstatte tradisjonell belysning. [63] [64]
På 10 -tallet av 2000-tallet produserte eksperimentelle hvite lysdioder 303 lumen per watt elektrisk strøm, med en varighet på opptil hundre tusen timer, [65] [66] selv om de på markedet stoppet på 223 lumen per watt. [67] [68] [69] Sammenlignet med en glødelampe , ble en betydelig økning i elektrisk effektivitet oppnådd for samme pris og noen ganger til enda lavere pris. [70]
En LED er en spesiell type pn-junction diode dannet av tynne lag av halvledermateriale og i stand til å sende ut lys når de krysses av en elektrisk strøm, ved hjelp av et fenomen kjent som elektroluminescens . Når en likespenning påføres dioden, skyves elektronene gjennom n - området mens hullene gjennom p -området , begge ender opp i det såkalte "aktive området", nær selve krysset, hvis naturlige potensialbarriere senkes . av den påtrykte spenningen. Den forskjellige p- og n - type dopingen av de respektive områdene er avgjørende for å favorisere passasjen av elektriske ladninger . Elektroner og hull beveger seg fra energinivå til energinivå: førstnevnte innenfor ledningsbåndet til halvlederen mens sistnevnte i valensbåndet .
De to båndene er de eneste energisonene der atomstrukturen til materialet lar ladningsbærerne bevege seg og forskjellen mellom lednings- og valensbåndene er definert som det forbudte båndet . Når elektroner og hull rekombinerer, et fenomen som kan tenkes som vist i figuren, frigjør de en viss mengde energi definert nøyaktig av dette båndgapet: hvis det er tilstrekkelig høyt vil disse energipakkene være fotoner og rekombinasjonen er definert som "strålende", ellers vil det være varme ( fononer ) og rekombinasjon er definert som "ikke-strålende". Hvis brikken har en tilstrekkelig liten tykkelse, kan et rimelig antall fotoner forlate den og enheten kan derfor sees på som en elektro-optisk transduser .
Frekvensen , og derfor fargen hvis den er synlig, av den utsendte strålingen er også definert av det forbudte båndet . Jo større energi som frigjøres, jo kortere er bølgelengden og omvendt. Valget av halvledere bestemmer derfor bølgelengden til toppfotonutslippet, effektiviteten i den elektro-optiske konverteringen og også lysstyrken ved utgangen. Som et eksempel, i silisium- og germaniumdioder blir energien som frigjøres i rekombinasjonen spredt til varme siden de to har et indirekte båndgap , som er svært dårlig egnet til formålet med en LED, mens i dioder produsert med galliumarsenid og nitrid er galliumfotoner generert, siden det forbudte båndet er direkte, dvs. minimumsverdiene for ledningsbåndet faller sammen med toppene av valensbåndet som favoriserer "hoppet" av ladningsbærerne.
Vanligvis, hvis et eksternt belegg ikke påføres halvledere, har de en høy brytningsindeks sammenlignet med luft. [71] [72] Generelt genererer en halvlederbrikke med flate og patinafrie overflater lys inne i den i alle retninger, men bare en del av den klarer å unnslippe, og danner en såkalt "lyskjegle" [73] eller "fluktkjegle". [74] Fotonene som genereres av punktkilden (tuppen av kjeglen) påvirker overflaten av silisiumplaten under deres reise , og hvis anslagsvinkelen overstiger den kritiske vinkelen , reflekteres fotonene totalt inne i selve waferen, som om de kolliderte med et speil. [74] Fotonene som treffer med en vinkel lavere enn den kritiske, og som derfor klarer å komme ut, krysser i løpet av sin bane områdene i rommet som er kjeglene som er tegnet på figuren.
De reflekterte fotonene, hvis de ikke reabsorberes av halvlederen, kan åpenbart gå ut fra en hvilken som helst annen overflate hvis de treffer i en vinkel som ikke overstiger den kritiske. Når det gjelder en halvlederblokk som ligner den på figuren, det vil si med flater vinkelrett på hverandre, fungerer disse alle som hjørnespeil og de fleste fotonene vil aldri kunne unnslippe, og sprer energien deres i varme over tid . [74] Uregelmessige "fasetterte" eller Fresnel- lignende overflater kan tillate flere fotoner å unnslippe. [75] Den ideelle formen for emisjonen vil derfor være sfærisk, for ikke å ha overflater som fotonene treffer med en vinkel større enn den kritiske. En annen løsning, den som er fysisk brukt, innebærer å lage dioden med en halvkuleformet form, hvis flate overflate fungerer som et speil slik at fotonene reflekteres tilbake og kommer ut av den sfæriske halvdelen. [76]
Ovennevnte har stor innflytelse på utslippseffektiviteten til LED og også på lysabsorpsjonskapasiteten til solcelleceller .
Mange lysdioder er innkapslet i plast, farget eller klart. Dette gjøres hovedsakelig av tre grunner:
Den tredje betingelsen favoriserer rømming av lys fra halvlederen ved å redusere Fresnel-refleksjonen av fotonene; dette forstørrer ikke lyskjeglen som kommer ut av halvlederen, derfor øker det ikke antallet fotoner som sendes ut, det utvider ganske enkelt retningsvinkelen. Innkapsling av dioden med et buet belegg øker effektiviteten ytterligere.
LED kan ha en emisjon:
Lysspekteret til LED varierer mye avhengig av LED. Hvis LED-en brukes til belysning, har den generelt en god dekning av spekteret, som også kan utnyttes til 100 %; i andre applikasjoner er det LED som sender ut usynlig lys.
Fargen på lyset som sendes utAvhengig av materialet som brukes, produserer LED-ene følgende farger:
Spenningen som påføres til krysset mellom lysdiodene avhenger av det forbudte båndet til materialet som igjen bestemmer fargen på lyset som sendes ut, som vist i følgende tabell:
LED type | koblingsspenning Vf ( volt ) |
---|---|
Infrarød farge | 1.3 |
Rød farge | 1.8 |
Gul farge | 1.9 |
Grønn farge | 2.0 |
Oransje farge | 2.0 |
Blå / hvit blits | 3.0 |
Blå farge | 3.5 |
Ultrafiolett farge | 4 - 4,5 |
Behovet for å ha en god variasjon av fargenyanser i hvitt lys, et rådende behov for belysning inne i bygninger, har ført til at byggherrer har differensiert disse enhetene betydelig basert på fargetemperatur , slik at det er på markedet enheter valgt og delt opp til 6 temperaturer. bånd, fra 2700 K ("varm" tone) til over 8000 K ("kaldt" lys).
Lysdioder er spesielt interessante for deres egenskaper med høy lyseffektivitet AU / A og pålitelighet
De første høyeffektive lysdiodene ble studert av ingeniøren Alberto Barbieri ved Cardiff Universitys laboratorier i 1995, og karakteriserte de utmerkede egenskapene for enheter i AlGaInP / GaAs med gjennomsiktig kontakt av indium og tinn (ITO), og legger dermed grunnlaget for høy effektivitet.
Utviklingen av materialer var derfor nøkkelen til å skaffe lyskilder som har egenskapene som er egnet til å erstatte nesten alle de som brukes i dag.
I de første mobiltelefonene var de til stede i det minste formatet på markedet for belysning av tastene. For øyeblikket utgjør de minste emissive brikkene den aktive sonen til lysdiodene kalt COB (Chip On Board), bittesmå striper av DIE arrangert i en matrise direkte på underlaget til enheten: et eksempel er Cree cxa2590-enheten i 2700 K-versjonen, disken med en diameter på 19 mm, den avgir 6000 lumen med en fargegjengivelse på 95. På noen modeller av nye biler og mopeder er de til stede i stedet for glødelamper for "posisjons" og "stopp" lys. Det finnes allerede direkte erstatningsenheter for spotlights og halogenpærer på markedet, med samme dimensjonsstandard. For gatebelysning finnes tilsvarende tradisjonelle gatelamper. Mengden lys som kreves for hver applikasjon oppnås med dyser med forskjellige antall. For eksempel lages en 100 watt enhet ved å plassere 100 1 watt dies i en kvadratisk matrise på 10 X 10. Den maksimale effekten som nå oppnås i en enkelt enhet er omtrent en kilowatt.
Økningen i effektivitet øker kontinuerlig: 13. februar 2013 kunngjorde produsenten Cree oppnåelsen av 276 lumen per watt i hvitt lys, fargetemperatur på 4401 K [78] , med Xlamp-enheten drevet på 350 mA. En klar forbedring, nesten et gjennombrudd når det gjelder pålitelighet, hadde allerede blitt introdusert med MT-G-enheten, som ble lansert på markedet 22. februar 2011 som en direkte erstatning for standard MR16 halogenspotlight. For første gang utføres karakteriseringen av parametrene til denne LED-en ved en temperatur på 85 ° C sammenlignet med de kanoniske 25 ° C, og i følgende enheter refererer hovedparametrene til begge temperaturene.
LED-ene har en svært variabel levetid avhengig av lysstrømmen, arbeidsstrømmen og driftstemperaturen [79] [80]
Den riktige måten å drive en LED på er å forsyne enheten med en konstant polarisert strøm, hvis verdi er angitt av produsenten i det tilhørende databladet . Dette kan oppnås ved å bruke en strømgenerator eller mer enkelt ved å plassere en motstand med passende verdi i serie med LED-en , med oppgaven å begrense strømmen som flyter gjennom den. I dette tilfellet forsvinner overskuddseffekten som varme i grensemotstanden koblet i serie med LED-en.
Denne løsningen er teknisk korrekt fra et elektrisk synspunkt, men straffer effektiviteten til systemet (som vist nedenfor), og gitt den resistive variasjonen til systemet i henhold til temperaturen det fungerer ved, garanterer den ikke at LED-en har en presis strømflyt som tilsvarer produsentens spesifikasjoner. Spenningsverdien som er tilstede i endene av enheten, også oppgitt som en nominell spesifikasjon på platen, er en direkte konsekvens av strømverdien som leveres. For tiden bruker bærbare lommelykter for profesjonell bruk, grotting, undervannsbruk, militær eller konkurrerende nattsport LED-er mekanisk montert selv i grupper, med påfølgende strømstrømmer som kan nå titalls ampere. For eksempel kan enkeltbrikkeenheten med SST-90-koden absorbere opptil 9 Ampere. Den mest hensiktsmessige informasjonen for bruk av strømlysdioder er hentet fra produsentens datablad: spesielt grafen som korrelerer den absorberte strømmen med mengden lys som sendes ut ( lumen ), er den beste hjelpen for å kjenne enhetens egenskaper. .
For å forberede den enkle kretsen med seriemotstand , beregnes Rs ved hjelp av Ohms lov og Kirchhoffs lov ved å kjenne den nødvendige arbeidsstrømmen I f , forsyningsspenningen V s og koblingsspenningen til LED ved den gitte arbeidsstrømmen , V f .
I detalj er formelen for å beregne nødvendig seriemotstand:
som har som måleenhet
Formelen demonstreres ved å betrakte LED-en som en andre verdimotstand ,
og sett V s lik summen av spenningene over motstanden og lysdioden:
så
derav formelen ovenfor.
Eksempel : forutsatt at V s = 12 V, V f = 1,8 V og I f = 20 mA har vi Energiberegning : LED-en alene sprer en kraft på mens motstanden Rs sprer en kraft på .Som man kan se, er overskuddseffekten som spres av motstanden Rs mye større enn kraften som kreves av LED. I tilfellet med små krefter er faktumet ikke signifikant, men i tilfellet med betydelig krefter blir den lineære strømforsyningen som nettopp er illustrert dyr, og det er å foretrekke å ta i bruk andre mer effektive systemer, for eksempel bytte av strømforsyninger .
Generelt sett, når det spesifikke dataarket ikke er tilgjengelig, kan en spenning Vf lik ca. 2 V og en forsiktig arbeidsstrøm If på 10-15 mA, opptil 20 mA, vurderes for de vanlige lysdiodene med en diameter på 5 mm. Høyere strømverdier tolereres generelt, men sikrer ikke langvarig drift. I henhold til seriemotstandsberegningsformelen må verdien være mellom:
( standardverdi = ) ( standardverdi = )Høyeffektive LED-er krever i gjennomsnitt ti ganger lavere strøm, derfor kan ti ganger høyere verdier brukes for de relative fallmotstandene Rs.
For lysdioder av blitstypen, hvor strømmen som nevnt kan variere mellom 20 og 40 mA, vil minimums- og maksimumsverdiene for motstanden være 250 og 500 (standardverdier 270 ohm og 470 ohm).
Siden lysdioder tåler lav reversspenning (bare noen få volt), må de, hvis de drives av vekselstrøm, beskyttes ved å plassere en diode parallelt med polariteten reversert i forhold til lysdioden ("antiparallell"). Det er ikke tilrådelig å sette en diode i serie av to grunner: For det første bør forsyningsspenningen være høyere enn summen av de to koblingsspenningene. For det andre, i tilfelle av en invertert strømforsyning, kan spenningen spre seg over de to diodene for å overskride reversspenningen som støttes av LED.
I noen tilfeller kan en bro med fire dioder brukes for å sikre at en foroverstrøm alltid flyter gjennom LED-en. I dette tilfellet vil alltid to dioder være involvert og derfor må forsyningsspenningen alltid være større enn det dobbelte av koblingsspenningen.
Hvis du ønsker å drive en LED med nettspenningen uten at kretsen avgir for mye energi i seriemotstanden, kan du bruke en krets bestående av en kondensator koblet i serie til en seksjon, som består av LED parallelt med en beskyttelsesdiode . , (med omvendt polaritet for å begrense reversspenningen) og hele vil bli fulgt igjen i serie, en beskyttelsesmotstand , som tjener til å begrense utladningen ved tenning. Motstandsverdien vil være en tidel av kondensatorreaktansen ved nettfrekvensen . Kapasitansverdien til kondensatoren vil avhenge av reaktansen ( impedansen ) som den må ha ved nettfrekvensen for å få ønsket strøm (If) til å flyte i LED.
Den maksimale mengden lys som kan sendes ut av en LED er i hovedsak begrenset av den maksimale gjennomsnittlige strømmen som kan støttes, som bestemmes av den maksimale effekten som kan spres av brikken. De nyere enhetene designet for profesjonell bruk har en form som er egnet for en kjøleribbe, nødvendig for å kvitte seg med varmen som produseres: LED-lys med hvitt lys med en effekt på 500 watt eller mer og et strømforbruk på 20 ampere er nå på markedet [81 ] . Når det kreves høyere effekter, er det vanligvis en tendens til ikke å bruke likestrøm, men å utnytte pulserende strømmer med passende valgt arbeidssyklus . Dette tillater en betydelig økning i strømmen og dermed i lyset, mens gjennomsnittsstrømmen og den tapte effekten holder seg innenfor de tillatte grensene. Bruken av disse vekslende strømforsyningene øker også effektiviteten betraktelig, noe som drastisk reduserer strømmen som går tapt for regulering.
De kjennetegnes av tre hovedparametre: effekt i W, strøm tilført i mA på en eller flere utganger, og utgangsspenning i V. Utgangsspenningen er ikke fast, men ligger mellom en minimums- og en maksimumsverdi, for å sikre at strømmen holdes konstant på sin nominelle verdi. Spenningen som leveres vil avhenge av typen lysdioder som brukes og antallet. Siden lysdiodene normalt er koblet i serie med hverandre, vil spenningen være lik summen av de enkelte steady-state spenningene over hver enhet. Et praktisk eksempel: rom utstyrt med 8 spotlights med 700 mA lysdioder, i dataarket rapporteres det at med denne arbeidsstrømmen er en spenning på 11,7 V til stede i endene av lysdioden, derfor plassert i serie, 11,7 x 8 = 93,6 V, for å få de 8 lyskasterne til å slå seg riktig på, trenger du en 700 mA strømforsyning som gir 93,6 V utgang mens hvis spottene var 7 skulle den levere 81,9 V. Det forstås derfor behovet for å ha et spenningsområde så bredt som mulig ved utgangen av strømforsyningen, for å tilby tilstrekkelig fleksibilitet i belysningsprosjektet til miljøer. I vårt eksempel er kraften til en enkelt spotlight gitt av 700 mA x 11,7 V og den totale effekten er 8,19 x 8 = 65,52 W. Det er nødvendig å velge en strømforsyning med denne effekten eller litt høyere, spenningsområdet til en av de kommersielle strømforsyningene som er egnet for dette eksemplet, varierer fra 64 til 129 V.
Bias av en indikator LEDVanligvis er den lengste ledningen til en indikator-LED (pakkediameter 3 mm, 5 mm eller større) anoden (+) og den korteste er katoden (-).
I tilfelle LED-en allerede er loddet på platen eller terminalene er kuttet til samme størrelse og/eller det ikke er mulig å gjenkjenne polariteten fra terminalene, hvis du ser nøye på innsiden av plasthuset vil du legge merke til en større katodeterminal (-) og en mindre anode (+) nøyaktig det motsatte av hva som skjer med de eksterne terminalene.
For å polarisere en LED riktig, kan vi også dra nytte av en spesiell egenskap ved pakken: faktisk, hvis du ser på LED-en ovenfra, kan du se hvordan siden av pakken ikke er vanlig, men firkantet på den ene siden: denne "kvadreringen" identifiserer katoden (-). Ved 3 mm lysdioder er det nødvendig å bruke en tester da dette "skiltet", hvis det finnes, nesten ikke er synlig.
Hvis du bruker en tester, etter å ha valgt motstandsskalaen med en faktor på 1 (X1), hvis du plasserer den positive spissen på anoden og den negative spissen på katoden , vil testeren vise en motstandsverdi i størrelsesorden en noen hundre ohm, hvis testeren var en analog modell med et 3 volts strømforsyningsbatteri, hvis LED-en er effektiv og er direkte polarisert, vil den lille strømmen som krysser den slå den på, ved å snu testledningene, men testeren trenger ikke å markere ingen kontinuitet.
AbsorpsjonStrømabsorpsjonen av strømforsyningen som kommer inn i enheten varierer sterkt avhengig av typen LED: de er lavere i vanlige LED-er som brukes som indikatorer enn i høylysstyrke (blits- og strøm-LED-er), i henhold til følgende tabell:
Type LED | Absorpsjon ( mA ) |
---|---|
LED med lavt forbruk | 3 - 10 |
Vanlige lysdioder | 10 - 15 |
Blink LED | 20 - 40 |
Strøm LED | 100 - 20000 |
De siste årene har lysdioder spredt seg til alle applikasjoner der det er nødvendig:
Noen hovedbruk er:
Siden 2006 har byen Raleigh , North Carolina , blitt ansett som den første LED-byen i verden, på grunn av den betydelige teknologiske fornyelsen implementert av byen for å fremme bruken av LED-belysning. [82]
Selv om de ikke er veldig godt kjent, produserer LED-er truffet av lysstråling i det synlige, infrarøde eller ultrafiolette spekteret, avhengig av LED-en som brukes som mottaker, elektrisitet akkurat som en fotovoltaisk modul . De blå og infrarøde lysdiodene produserer betydelige spenninger. Denne spesielle egenskapen gjør det mulig å bruke lysdioder for systemer for mottak av lysimpulser. Mange industrielle produkter som avstandssensorer, fargesensorer, berøringssensorer og transceivere er utviklet rundt denne eiendommen. Innen forbrukerelektronikk er irDA -kommunikasjonssystemet et godt eksempel nettopp fordi det drar full nytte av denne særegenheten.
Den kommersielle styrken til disse enhetene er basert på deres evne til å oppnå høy lysstyrke (mange ganger større enn for wolframglødelamper), på den lave prisen, på den høye effektiviteten og påliteligheten (varigheten til en LED er en-to bestillinger på styrke høyere enn for klassiske lyskilder, spesielt under forhold med mekanisk stress). LED fungerer ved lav spenning, har høy svitsjhastighet og deres konstruksjonsteknologi er kompatibel med integrerte silisiumkretser.
En SMD LED-modul er en type LED-modul som bruker overflatemonteringsteknologi (SMT) for å montere LED-brikker på kretskort (PCB).
LED brukes i økende grad i belysningssektoren for å erstatte noen tradisjonelle lyskilder. Deres bruk i husbelysning, derfor som erstatning for glødelamper , halogen- eller kompaktlysrør (ofte kalt energibesparende fordi de har et høyere utbytte), er nå mulig med bemerkelsesverdige resultater, oppnådd takket være de innovative teknikkene som er utviklet i feltet.
I begynnelsen av forskningen ble lyseffektiviteten mengde lys / forbruk ( lm / W ), beregnet i minimumsforholdet 3 til 1, deretter ble det mye bedre. Grensen for de første enhetene som var egnet for bruk i denne typen applikasjoner var den utilstrekkelige mengden lys som ble sendt ut (lysstrøm uttrykt i lumen). Dette problemet har blitt overvunnet med den nyeste generasjonsmodellene, og kombinerer økningen i effektivitet med teknikken for å arrangere matriser i samme pakke koblet sammen i serie og parallell eller lage matrisen direkte i substratet til enheten. Effektiviteten til nåværende enheter for profesjonell og sivil bruk er over 120 lm / W som imidlertid faller til rundt 80 lm / W i varmere lysenheter. For eksempel har Cree CXA3050-enheten Ra> 90 og 2700K. En 60 W glødelampe drevet på 220 V avgir en lysstrøm på rundt 650 lumen.
Som et sammenligningsbegrep, tenk bare at en glødelampe har en lysutbytte på ca. 10-19 lm/W, mens en halogenlampe ca. 12-20 lm/W og et lineært lysstoffrør ca. 50-110 lm/W. En mindre brukervennlighet i funksjonell belysning sammenlignet med tradisjonelle lamper utgjøres av egenskapene til strømforsyning og spredning, som sterkt påvirker lysutslipp og varighet over tid. Det blir imidlertid vanskelig å identifisere direkte sammenhenger mellom de ulike størrelsene, blant annet spiller en ytterligere parameter inn, nemlig emisjonsvinkelen til lysstrålen, som kan variere fra ca. 4 grader til over 120 grader, som imidlertid kan modifiseres ved hjelp av passende linser plassert frontalt.
LED-produsenter er halvlederprodusenter, silisiumfabrikker, mens lyspærer hovedsakelig produseres av andre produsenter. Det er derfor en viss forsinkelse mellom datoen for markedsføring av en ny LED-enhet og tilgjengeligheten på markedet av en pære som bruker den.
Fordelene med LED fra belysningssynspunkt er:
Ulempene er: