Co to są diody LED i jak działają?

Diody LED lub diody emitujące światło zmieniły sposób myślenia o oświetleniu, ponieważ oszczędzają energię, trwają dłużej i mogą być używane na wiele różnych sposobów.W przeciwieństwie do staromodnych żarówek, które powodują światło poprzez podgrzewanie drutu, diody LED tworzą światło, przesuwając prąd elektryczny przez specjalny materiał o nazwie półprzewodnik.Ten sposób robienia światła wykorzystuje znacznie mniej energii i nie jest tak gorący.Z powodu tych korzyści LED są używane do wszystkiego, od małych świateł w gadżetach po duże systemy oświetleniowe w budynkach.Występują w różnych typach i kolorach, każdy odpowiedni do różnych zastosowań.Uczenie się, jak działają diody LED i dlaczego są lepsze niż tradycyjne światła, pomaga nam zobaczyć, dlaczego stają się dziś tak popularne.

Katalog

Rysunek 1: diody LED lub światło emitujące

Definicja i podstawowa operacja

Diody LED lub diody emitujące światło to urządzenia, które emitują światło, gdy przechodzi przez nie prąd elektryczny.Każda dioda LED składa się z dwóch materiałów: typu p z wieloma otworami (nośnikami dodatnimi) i typu N z wieloma elektronami (nośnik ładunku ujemnego).Po zastosowaniu napięcia do przodu elektron z regionu typu N zyskują energię i przechodzą w kierunku regionu typu p.Na połączeniu P-N elektrony wypełniają otwory, uwalniając energię jako światło.

W przeciwieństwie do tradycyjnych źródeł światła, takich jak żarówki, które przekształcają energię elektryczną w ciepło, a następnie światło, LED przekształcają energię elektryczną bezpośrednio w światło.Ten proces jest znacznie bardziej wydajny, wytwarzając mniej ciepła i wykorzystując mniej energii.W związku z tym preferowane są diody LED ze względu na ich efektywność energetyczną i długą żywotność, wymagając rzadziej zastępowania i oferujących mocniejsze wydajność.

Rodzaje diod LED

Lampa LED (ołowiana)

Rysunek 2: LED typu lampy (ołowiany)

Diody Lampy (ołowiane) są podstawowym rodzajem diod emitujących światło (diody LED) z metalowymi nogami, zwanymi także przewodami, które łączą LED do obwodu elektrycznego.Diody LED są zwykle pokryte małą, kolorową plastikową żarówką.Ta żarówka ma kilka funkcji.Rozkłada światło bardziej równomiernie, więc nie świeci tylko w jednym kierunku.Chroni także małe części wewnątrz diody LED przed uszkodzeniami i utrzymuje kurz i wilgoć.

LED ołowiu mają prosty projekt, co czyni je bardzo przydatnymi i łatwymi w użyciu w wielu projektach elektronicznych.Z powodu tego prostego projektu są one często używane jako światła wskaźnika, aby pokazać, czy urządzenie jest włączone lub wyłączone.Można je również znaleźć w wyświetlaczach cyfrowych, takich jak te na kalkulatorach i zegarach, gdzie pomagają wyświetlać liczby i inne informacje.

W przypadku oświetlenia dekoracyjnego diody LED ołowiowe są ulubione, ponieważ są łatwe do skonfigurowania i mogą być używane do tworzenia wielu różnych wzorów oświetleniowych.Metalowe nogi ułatwiają przymocowanie ich do płyt obwodowych lub podłączanie ich za pomocą desek do testowania.To sprawia, że ​​są popularne zarówno wśród hobbystów, jak i profesjonalnych inżynierów.Występują w wielu kolorach i rozmiarach, zwiększając ich przydatność w kreatywnych i praktycznych konfiguracjach oświetlenia.

LED typu chipów (mocowanie powierzchniowe)

Rysunek 3: LED typu układu (mocowanie powierzchniowe)

LED typu chipów (mocowanie powierzchniowe) to nowoczesna poprawa technologii LED, wykonana do podłączenia bezpośrednio na płytkach drukowanych (PCB).Są znacznie mniejsze i bardziej wydajne niż tradycyjne diody Lampy, dzięki czemu są idealne do małych urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony, tablety i telewizory LED.

Główną zaletą diod LED typu chip jest ich niewielki rozmiar i wydajność.Ponieważ są kompaktowe, można je umieścić blisko siebie na PCB.Pozwala to na tworzenie złożonych projektów elektronicznych, które wykonują wiele różnych rzeczy.To bliskie umieszczenie jest bardzo pomocne dla nowoczesnych urządzeń, które muszą działać dobrze w małej przestrzeni.LED typu chipów również lepiej wykorzystują energię.Zmieniają więcej energii elektrycznej w światło z mniejszym ciepłem, co sprawia, że ​​trwają dłużej i zużywają mniej energii.Jest to szczególnie przydatne w urządzeniach działających na akumulatorach, w których oszczędzanie energii jest bardzo ważne.

Technologia Mount Surface Mount (SMT) używana do diod LED typu chipów pozwala maszynom na szybkie i dokładnie umieszczać je na płytach obwodowych.To przyspiesza proces produkcji i obniża koszty produkcji.Również ta metoda zapewnia, że ​​diody LED są konsekwentnie i niezawodnie, co jest ważne, aby urządzenia działały prawidłowo i trwać długi czas.

Oba typy diod LED działają na tej samej podstawowej zasadzie: wytwarzanie światła, gdy prąd elektryczny przechodzi przez specjalny materiał w nich.Wybór między typem lampy a diodami LED typu chipów zależy od wymagań projektu, takich jak wielkość, wydajność i łatwość integracji.

Długość fali i kolor

Kolor diody LED zależy od materiałów użytych do jego wytwarzania, które emitują różne kolory światła, gdy przepływa przez nie elektryczność.Dwa główne czynniki wpływają na kolor diody LED:

Szczytowa długość fali (λp)

Rysunek 4: Wykres pokazujący szczytową długość fali (λp) diody LED

Peak długości fali (λp) to długość fali, na której dioda LED emituje najwięcej światła.Na przykład czerwona dioda LED zwykle świeci najjaśniej na około 630 nanometrach.Oznacza to, że dioda LED wytwarza najsilniejsze czerwone światło przy tej długości fali. Nakładowanie szczytowej długości fali jest bardzo przydatne w różnych zastosowaniach.Określa kolor i jasność światła LED.Aby znaleźć szczytową długość fali, mierzymy widmo światła diody LED i lokalizujemy punkt, w którym światło jest najbardziej intensywne.Na przykład w technologii ekranu dokładna długość fali szczytowej pomaga wytwarzać odpowiednie kolory.W światłach roślin szczytowa długość fali powinna pasować do długości fali, które rośliny najlepiej pochłaniają, aby pomóc im się lepiej.

Szczytowa długość fali wpływa również na sposób wykonania diod LED.Inżynierowie mogą zmienić materiały i konstrukcję LED, aby uzyskać pożądaną długość fali szczytowej, dzięki czemu praca LED była lepsza do określonych zastosowań.Obejmuje to wybór odpowiednich materiałów półprzewodników, ponieważ materiały te określają energię i długość fali emitowanego światła.

Dominująca długość fali (λd)

Rysunek 5: Wykres pokazujący dominującą długość fali (λd) diody LED

Dominująca długość fali (λd) jest podstawową ideą w badaniu koloru, szczególnie gdy rozumie, jak ludzkie oczy widzi światło z diod LED i innych źródeł światła.Dominująca długość fali to kolor, który ludzie widzą najwyraźniej, gdy patrzą na źródło światła, nawet jeśli to światło składa się z kilku różnych kolorów.Ten pomiar ma znaczenie, ponieważ ludzka wizja łączy te wiele kolorów w jeden główny kolor, który postrzegamy.Gdy dioda LED emituje światło, zwykle robi to w różnych kolorach.Te indywidualne kolory mieszają się ze sobą, a dominującą długością fali jest kolor, który najbardziej wyróżnia się ludzkim okiem.Znalezienie tego koloru nie zawsze jest łatwe, ponieważ zależy od konkretnej mieszanki i siły różnych kolorów.Proces ten obejmuje szczegółowe obliczenia, które uwzględniają wrażliwe ludzkie oczy na różne części spektrum świetlnego.

Aby znaleźć dominującą długość fali, do badania światła z diody LED jest używane urządzenie zwane spektrometrem.Zebrane dane pokazują, jak silne jest światło w każdym kolorze.Informacje te są następnie wykreślane na schemacie chromatyczności, który jest wykresem reprezentującym kolory oparte na ludzkiej wizji.Dominującą długość fali znajduje się poprzez narysowanie linii z centralnego białego punktu na schemacie przez współrzędne źródła światła i rozszerzenie go na krawędź wykresu.Punktem, w którym ta linia spełnia krawędź, jest dominująca długość fali.

Znajomość dominującej długości fali jest bardzo przydatna na polach, w których potrzebny jest precyzyjny kolor, na przykład w technologii wyświetlacza, projektowanie oświetlenia i każdy obszar, w którym wymagane jest dokładne dopasowanie kolorów.Kontrolując dominującą długość fali, producenci mogą tworzyć diody LED, które emitują określone kolory dostosowane do różnych celów, takich jak pomaganie roślinom w rozwoju z niektórymi jasnymi kolorami lub wytwarzając jasne i realistyczne kolory na ekranach.

Tworzenie białego światła z diodami LED

Rysunek 6: Dwie metody tworzenia białego światła z diodami LED

Tworzenie białego światła z diodami LED obejmuje dwie główne metody, z których każda ma własne zalety i zastosowania.

Jedna metoda polega na łączeniu diod LED czerwonego, zielonego i niebieskiego (RGB).Starannie dostosowując intensywność tych trzech podstawowych kolorów, można je wymieszać, aby stworzyć białe światło.Ta technika jest powszechnie stosowana w urządzeniach, które wymagają precyzyjnej kontroli kolorów i dokładnej reprezentacji kolorów, takich jak pełne kolory LED i oświetlenie dekoracyjne.Chociaż ta metoda oferuje doskonałą kontrolę nad wyjściem kolorów, jest bardziej złożona i kosztowna w porównaniu z niebieską diodą LED z metodą żółtego fosforowego.Wymaga to zaawansowanych obwodów kontrolnych i kalibracji, aby zapewnić prawidłowe mieszanie kolorów w celu uzyskania białego światła.

Druga metoda wykorzystuje niebieską diodę LED w połączeniu z żółtą powłoką fosforową.Kiedy niebieska dioda LED jest włączona, podnieca żółty fosfor, dzięki czemu emituje żółte światło.Połączenie pozostałego niebieskiego światła i emitowanego żółtego światła wytwarza białe światło.Ta metoda jest popularna, ponieważ jest prosta i opłacalna, dzięki czemu nadaje się do szerokiej gamy zastosowań oświetleniowych.Jednak czasami może to spowodować białe światło z lekkim niebieskim lub chłodnym odcieniem, co może nie być idealne dla każdej sytuacji.

Każda metoda jest wybierana na podstawie pożądanej równowagi między kosztami, złożonością i jakością kolorów.Metoda LED RGB jest wybierana do zastosowań, które wymagają precyzyjnego strojenia kolorów i wysokiej jakości wyjściu światła, podczas gdy niebieska dioda LED z metodą żółtej fosforu jest często preferowana ze względu na jego prostotę i przystępność cenową.

Wydajność oświetlenia LED

LED zużywają znacznie mniej energii niż tradycyjne żarówki, oszczędzając do 90% energii.Wytwarzają światło, przepuszczając prąd elektryczny przez mały chip, oświetlając małe źródła światła zwane diodami LED.W przeciwieństwie do żarówek, które wytwarzają światło poprzez ogrzewanie filamentu, aż świeci, diody LED generują światło o znacznie mniejszej energii.

Diody LED mają części zwane radiatorami, które pomagają radzić sobie z wytwarzanym ciepłem.Te radiowle przyjmują i rozkładają ciepło, aby diody LED działały dobrze.Dobre zarządzanie ciepłem sprawia, że ​​diody LED trwają dłużej i utrzymuje je jasno.Jeśli ciepło nie jest dobrze obsługiwane, diody LED mogą się szybciej zużywać i stać się cierą.Jak długo trwają diody LED i jak dobrze pracują, zależą od tego, jak są dobrzy i jak dobrze działają ich ciepła.

Długość życia i degradacja

Żywotność i awaria są głównymi punktami w zakresie zrozumienia wydajności diody LED (diody Emitującego światło).W przeciwieństwie do zwykłych żarówek, które zwykle nagle się wypalają, z czasem LED powoli stają się ciemniejsze.Ten powolny proces przyciemniania nazywa się amortyzacją światła.

Amortyzacja światła ma miejsce, ponieważ materiały wewnątrz diody LED zużywają się, powodując, że wytwarza mniej światła.Zwykle mierzymy życie diody LED w momencie, w którym jej jasność spadła do 70% pierwotnego poziomu.Na przykład, jeśli dioda LED zaczyna się od 1000 lumenów, jej okres użytkowania jest rozważany, gdy jej jasność spadnie do 700 lumenów.

Kilka rzeczy może powodować amortyzację światła w diodach LED, takich jak temperatura, naprężenie elektryczne i jakość materiałów używanych do ich tworzenia.Wysokie temperatury mogą przyspieszyć zużycie z części LED, dzięki czemu są szybsze.Podobnie naprężenie elektryczne, takie jak zbyt dużo prądu lub napięcia, może skrócić żywotność diody LED, powodując dodatkowe uszkodzenia jej części wewnętrznych.

Jakość materiałów używanych do tworzenia diod LED również ma również wpływ na to, jak długo trwają.Diody LED wykonane z lepszych materiałów i metod budowy zwykle trwają dłużej i przyciemniać wolniej.Z drugiej strony, niższa jakość diody LED mogą szybciej przyciemnić i mieć krótszy okres użytkowania.

Amortyzacja światła ma miejsce, gdy diody LED tracą jasność z czasem.Może to być spowodowane kilkoma głównymi czynnikami:

• Nadmierne ciepło może uszkodzić wewnętrzne części diody LED.Władzie cieplne pomagają zarządzać tym ciepłem, ale jeśli nie działają dobrze, części LED mogą zostać skrzywdzone.

• Wysokie prądy elektryczne i napięcia mogą zużywać komponenty wewnątrz diody LED.To zużycie może sprawić, że dioda LED jest mniej jasna.

• Materiały zastosowane w diodach LED, zwłaszcza białe, mogą z czasem degradować.Ten rozkład materiału prowadzi również do utraty jasności.

• Warunki środowiskowe, takie jak wilgoć i kurz, mogą wpływać na diody LED.Wilgoć może powodować rdzewieje lub zwarcie, a kurz może blokować światło lub zakłócać działanie diody LED.

Zastosowania diod LED

LED lub diody emitujące światło bardzo zmieniły przemysł oświetlenia, ponieważ są wszechstronne i wydajne.Można je używać na wiele sposobów, od zwykłych żarówek po wbudowane urządzenia.Jedną z głównych zalet diod LED jest ich niewielki rozmiar, który pozwala na kreatywne i innowacyjne projekty oświetlenia.To sprawia, że ​​diody LED idealnie nadają się do wymiany tradycyjnych żarówek, jak i wbudowanych w niestandardowe urządzenia, zapewniając długotrwałe i energooszczędne rozwiązania oświetleniowe.

W hybrydowych roztworach oświetleniowych diody LED są łączone z tradycyjnymi wzorami oświetleniowymi.Systemy te często mają wymienne części LED w specjalnie zaprojektowanych urządzeniach, co ułatwia ich utrzymanie i aktualizację.Ta kombinacja ma najlepsze części starych, jak i nowych technologii oświetleniowych, poprawiając ogólny wrażenia użytkownika.

LED mogą być używane w wielu różnych miejscach, od domów po warunki przemysłowe.Ich efektywność energetyczna jest dużą zaletą, ponieważ diody LED zużywają mniej mocy w porównaniu z tradycyjnymi światłami.Oznacza to niższe rachunki za energię i mniejszy wpływ na środowisko.Również diody LED trwają dłużej, więc nie trzeba ich wymieniać tak często, oszczędzając czas i pieniądze.

Zarządzanie termicznie w diodach LED

Rysunek 7: Zarządzanie termicznie w diodach LED

Właściwe zarządzanie ciepłem jest bardzo pomocne w zakresie, jak dobrze działają diody LED i jak długo trwają.Gdy używane są diody LED, wytwarzają ciepło.Jeśli to ciepło nie jest dobrze zarządzane, może szybko uszkodzić diody LED, czyniąc je mniej wydajnymi i skracając ich życie.

Główną częścią zarządzania ciepłem LED jest radiator.Władzie cieplne pomagają wchłanianie i rozkładając ciepło od połączenia układu LED z płytką drukowaną, dzięki czemu jest chłodniejszy.To, jak dobrze działa radiator, zależy wiele od tego, co jest wykonane i jego projekt.

Materiały takie jak aluminium i miedź są często używane do radiatorów, ponieważ mogą skutecznie odsuwać ciepło.Ponadto konstrukcja radiatorów zwykle zawiera takie funkcje takie jak płetwy, które zwiększają powierzchnię, która może uwalniać ciepło.Ta większa powierzchnia pomaga radiowołowi rozłóż ciepło z diody LED, utrzymując chłodnię LED i upewniając się, że działa dobrze przez długi czas.

Różnice między LED a tradycyjnym oświetleniem

Diody LED oferują kilka zalet w zakresie tradycyjnego oświetlenia żarowego i CFL (Compact Fluorescent Lampa), szczególnie w kierunku światła i zakresu kolorów:

• Oświetlenie kierunkowe: diody LED emitują światło w określonym kierunku, idealne do ukierunkowanych potrzeb oświetlenia, takich jak czytanie lamp lub reflektory.W przeciwieństwie do tego, żarówki żarowe i CFL emitują światło i ciepło we wszystkich kierunkach, często wymagając odcieni lub odcieni do skupienia światła, co powoduje marnotrawstwo energii.

• Opcje kolorów: LED zapewniają szeroką gamę kolorów, w tym bursztyn, czerwony, zielony i niebieski.Białe światło można tworzyć przez zmieszanie różnych kolorowych diod LED (np. Czerwony, zielony i niebieski) lub za pomocą diod LED powlekanych fosforami, które emitują białe światło, gdy światło niebieskie lub ultrafioletowe przechodzi przez fosfor.Ten szeroki zakres kolorów pozwala diodom LED zaspokoić różne potrzeby oświetlenia, od ciepłego, przytulnego oświetlenia po jasne, przypominające dziennik oświetlenie.

Jak działają diody LED?

Rysunek 8: Struktura diody LED

Diody LED (diody emitujące światło) działają jak diody i wydzielają światło, gdy są stronnicze.W tej konfiguracji strona ujemna (katoda) jest podłączona do ujemnego zacisku źródła zasilania, a strona dodatnia (anoda) jest podłączona do dodatniego zacisku.Ten układ pozwala elektronom z N-Regionu zyskuj energię i przejść w kierunku regionu P.Kiedy elektrony te przekraczają skrzyżowanie i spotykają dziury w regionie P, uwalniają energię jako światło.

Kolor światła emituje diodę LED, zależy od zastosowanych materiałów półprzewodnikowych.Na przykład arsenid galu wytwarza światło w podczerwieni, podczas gdy fosfor galu może wytwarzać zielone lub czerwone światło.Te różnice w kolorze pochodzą z różnych poziomów energii materiałów, które decydują o długości fali wydanej światła.

LED jest zbudowany z ramą ołowiową, często nazywaną kowadłem, podłączoną do terminalu katodowego.Rama ta zawiera materiał półprzewodnikowy.Region P półprzewodnika jest umieszczony w pobliżu powierzchni, aby upewnić się, że więcej światła wychodzi z diody LED zamiast uwięzienia w środku.Ten projekt pomaga zwiększyć jasność i skuteczność diody LED.

Wniosek

Diody LED mają wiele zalet w stosunku do tradycyjnych świateł.Zużywają mniej energii, trwają dłużej i zapewniają lepszą jakość światła.Diody LED działają poprzez przemieszczanie elektronów przez półprzewodnik, bezpośrednio przekształcając energię elektryczną w światło z bardzo małym ciepłem.Mogą wytwarzać różne kolory na podstawie użytych materiałów, a różne projekty typu lampy i diod LED, czynią je jeszcze bardziej przydatnymi.W miarę poprawy technologii diody LED stają się coraz lepsze, oferując więcej korzyści i są wykorzystywane na wiele sposobów.Rozumiejąc, jak działają diody LED i ich korzyści, jasne jest, dlaczego stają się preferowanym wyborem do oświetlenia w naszych domach, biurach i poza nim.

Często zadawane pytania [FAQ]

1. Jak działa wyświetlacz LED?

Wyświetlacz LED działa przy użyciu wielu małych świateł zwanych diodami emitującymi światłem (diody LED).Te małe światła świecą w różnych kolorach, aby tworzyć zdjęcia i tekst.Obwody elektroniczne kontrolują te światła, szybko włączając je i wyłączając, aby pokazać pożądane obrazy i wzory.

2. Do czego są dwie główne rzeczy diody LED?

LED są używane głównie do oświetlenia i wyświetlaczy.Do oświetlenia oferują jasne i energooszczędne światło dla domów, ulic i pojazdów.W przypadku wyświetlaczy są one używane na ekranach dla telewizorów, komputerów i billboardów.

3. Jaka jest zasada LED i jej pracy?

Zasada diody LED opiera się na procesie zwanym elektroluminescencją.Kiedy prąd elektryczny przepływa przez materiał diody LED, oddaje światło.Dzieje się tak, ponieważ energia elektryczna powoduje połączenie elektronów z innymi cząsteczkami, uwalniając energię jako światło.

4. Dlaczego diody LED są ważne?

LED mają znaczenie, ponieważ oszczędzają energię, trwają długo i są dobre dla środowiska.Używają mniej energii elektrycznej niż tradycyjne światła i mają znacznie dłuższe życie, więc nie trzeba ich wymieniać tak często.

5. Jakie są zalety diod LED?

Zalety diod LED obejmują użycie mniejszej energii, dłuższą żywotność, bardziej trwałą, mniejszą rozmiarem oraz szybciej włączanie i wyłączanie.Wytwarzają również mniej ciepła i są w wielu kolorach, co czyni je przydatnymi do różnych celów.