Bevezetés

A látható fénykibocsátó diódákat nagy mennyiségben használják pilotjelzőként, numerikus megjelenítő eszközként és oszlopkijelző eszközként, mind a háztartási alkalmazásokhoz, mind az ipari berendezésekhez, ez nagy előnyeiknek köszönhető, amelyek: elhanyagolható súly és hely, mérsékelt ár és bizonyos mértékig egy kis tehetetlenség, amely nemcsak két logikai állapotot képes megjeleníteni, hanem olyan jelenségeket is, amelyek jellemzői fokozatosan változnak.

korlátozó ellenállás

Betűszava az angolból (Light Emitting Diode) származik: Led.

A többi kijelzőeszközhöz hasonlóan a LED-ek is piros, zöld és kék fényt adhatnak. A Led anyaga főleg félvezető kombinációból áll.
A GaP-t piros vagy zöld fénykibocsátó LED-ekben használják; GaAsP a vörös, narancssárga vagy sárga fénykibocsátókhoz és GaAlA a vörös fényű LED-ekhez. A kék kibocsátókhoz olyan anyagokat használtak, mint SiC, GaN, ZnSe és ZnS.

Fizikai elv

A fénykibocsátás jelensége a sávelméleten alapszik, amely által a közvetlenül polarizált p-n kereszteződésre alkalmazott külső feszültség gerjeszti az elektronokat, így képesek átlépni a két régiót elválasztó energiasávot.
Ha az energia elegendő, az elektronok fotonok formájában távoznak az anyagból.
Minden félvezető anyagnak vannak bizonyos jellemzői, és ezért a kibocsátott fény hullámhossza.

Anyag Hullámhossz Szín
GaAs: Zn 9000 Е Infravörös
GaAsP.4 6600 Е Piros
GaAsP.5 6100 Е Borostyán
GaAsP.85: N 5900 Е Sárga
GaP: N 5600 Е Zöld

1. táblázat Néhány hullámhossza
Gallium vegyületek

Ellentétben az izzólámpákkal, amelyek bizonyos feszültséggel működnek, a LED-ek a rajtuk keresztül áramló áram szerint működnek. Állandó feszültségforráshoz való csatlakozását korlátozó ellenállással kell védeni, néhány példát később láthatunk.

Sávelmélet

A szigetelőkben az alsó kevésbé energikus sáv (valencia sáv) teljes az atomok belső e-jével, de a felső sáv (vezetési sáv) üres és nagyon széles tiltott sáv választja el (

10 eV), e-vel lehetetlen áthaladni. Vezetők esetén a vezető és a vegyérték sávok egymásra helyezkednek, így minden energiabevitel elegendő az elektronok elmozdulásának előidézéséhez.
Mindkét eset között vannak olyan félvezetők, amelyek sávszerkezete nagyon hasonlít a szigetelőkhöz, de azzal a különbséggel, hogy a tiltott sáv szélessége meglehetősen kicsi. A félvezetők tehát normál körülmények között szigetelők, de a hőmérséklet emelkedése elegendő energiát szolgáltat az elektronoknak, így a tiltott sávot kihagyva átjutnak a vezetősávba, így a megfelelő rés a vegyérték sávban marad. (2. ábra)

A Led diódák esetében az elektronoknak sikerül kiugraniuk a szerkezetből sugárzás formájában, amelyet fényként érzékelünk (fotonok).

A LED-ek összetétele

  • Piros Led
A GaP által alkotott p-n elágazásból áll, amelyet folyékony fázisában a kristály epitaxiális növekedési módszerével kapunk, egy hordozón.
A fényforrás egy p-kristály rétegből és egy ZnO komplexből áll, amelynek maximális koncentrációja korlátozott, így fénysűrűsége nagy áramsűrűségnél telített. Ez a típusú Led alacsony áramsűrűséggel működik, jó fényerőt kínál, és hordozható berendezésekben kijelző eszközként használják.

A GaAsP által alkotott réteg egy p rétegből áll, amelyet Zn diffúziójával kapunk, amikor GaAsP szubsztráton képződött GaAsP n kristálya szaporodik, a gázfázis epitaxiális növekedésének módszerével.
Jelenleg a GaAlAs LED-eket használják nagyobb fényerejük miatt.
A maximális sugárzás a 660 nm hullámhosszon van. (3. ábra)

  • Narancs és sárga led
GaAsP-ből állnak, mint vörös testvéreik, de ebben az esetben a narancssárga és a sárga, valamint a rövidebb hullámhosszúságú fény megszerzéséhez a félvezető foszfor növelésével növeljük a "tiltott sáv" szélességét.
Előállítása megegyezik a vörös diódákéval, mivel a kristály epitaxiális növekedése a gázfázisban a p-n kereszteződés kialakulását Zn diffúziójával hajtják végre.
Fontos újdonságként ezekben a LED-ekben a kibocsátó területet izoelektronikus nitrogéncsapdával keverik a teljesítmény javítása érdekében.
  • Zöld Led
A zöld LED GaP-ből áll. A folyékony fázisú kristályos epitaxiális növekedési módszert alkalmazzuk a p-n csomópont kialakításához.
A sárga LED-ekhez hasonlóan izoelektronikus nitrogénfogót is használnak a teljesítmény javításához. Mivel ennek a Led-típusnak alacsony a fotonikus átmenetének valószínűsége, fontos az n réteg kristályosságának javítása. A szennyeződések csökkentése a hordozók hosszú élettartama alatt, javítva a kristályosságot.
Maximális emisszióját 555 nm hullámhosszon érik el

Kiválasztási feltételek


1. A dióda méretei és színe

Jelenleg a LED-ek különböző méretűek, formájúak és színűek. Kerek, négyzet alakú, téglalap alakú, háromszög alakú és különböző alakú LED-ekkel rendelkezünk.
Az alapszínek vörös, zöld és kék, bár narancssárgának, sárgának találhatjuk őket, még egy fehér LED is világít.
A kerek LED-ek méretei 3 mm, 5 mm, 10 mm és egy óriási 20 mm. A polihidrid alakúak méretei megközelítőleg 5x5 mm.

két. Látószög

Ez a jellemző fontos, mivel a Led megfigyelési módja ettől függ, vagyis az eszköz gyakorlati használatától.
Ha a Led pontos, a fénykibocsátás Lambert törvényét követi, ez lehetővé teszi a viszonylag nagy látószöget, és a fénypont minden szögből látható. (4. ábra)

A tengely fényerőssége és a fényerő szorosan összefügg. Függetlenül attól, hogy a led spot vagy diffúzor, a fényerő arányos a kibocsátó felülettel.
Ha a Led pontos, akkor a pont világosabb lesz, mivel túl kicsi a felület. A diffúzorban a tengely intenzitása magasabb, mint a pontmodell.

A fogyasztás nagyban függ a választott Led típusától:

Szín Fényerősség Fogyasztás Hullámhossz Átmérő
Piros 1,25 mcd 10 mA 660 nm 3 és 5 mm
Zöld, sárga narancssárga 8 mcd 10 mA 3 és 5 mm
Piros (nagy fényerejű) 80 mcd 10 mA 625 nm 5 mm
Zöld (nagy fényerő) 50 mcd 10 mA 565 nm 5 mm
Hyper Red 3500 mcd 20 mA 660 nm 5 mm
Hyper Red 1600 mcd 20 mA 660 nm 5 mm
Hyper Green 300 mcd 20 mA 565 nm 5 mm
Diffúz kék 1 gcd 60є 470 5 mm
Piros Y Zöld 40 mcd 20 mA 10 mm

2. táblázat: A LED-ek jellemzői.

A LED felépítése


A LED-eket a félvezető anyag alkotja, amelyet a modellektől függően áttetsző vagy átlátszó műanyagba csomagolnak. Az ábrán a belső eloszlást láthatjuk.
A legkisebb belső elektróda az anód, a legnagyobb pedig a katód.
Az első LED-eket úgy tervezték, hogy a maximális mennyiségű fény átmenjen a szerelési felületre merőleges irányba, később pedig a LED-ek megnövekedett fénykibocsátásának köszönhetően szélesebb területen szórják a fényt. (5. ábra)

Néhány szempont


Ha az alkalmazott áram elegendő ahhoz, hogy a dióda vezetőképessé váljon, akkor bizonyos mennyiségű fényt bocsát ki, amely az áram mennyiségétől és a Led hőmérsékletétől függ.

A fényerő az intenzitás növelésével növekszik, de figyelembe kell venni a maximális intenzitást, amelyet a Led támogat.

Mielőtt egy diódát behelyeznénk az összeállításba, meg kell adnunk a dióda színét ahhoz, hogy tudjuk a feszültségesést, a későbbi számításokhoz szükséges paramétert:

Feszültségesés

3. táblázat. Feszültségesés és intenzitás.

Alap áramkör folyamatos


A 6. ábrán látható korlátozó ellenállás a következő képlet alapján számítható ki:

Ha V-t V-ban, I-t milliamperben fejezzük ki, az ellenállás értéke közvetlenül kilohm-ban lesz kifejezve.
Figyelembe kell vennünk az ellenállás által elvezetett hőt is, azt Joule törvénye számítja ki. (6. ábra)

Joule törvénye:

Hol én a diódán áthaladó intenzitás és R az előző szakaszban számított ellenállás.

Leds Egyesület

  • Serie
A diódák sorba köthetők, amennyiben a feszültségesések összege kisebb, mint a tápfeszültség.
A korlátozó ellenállás kiszámításához használt képlet a következő: V - NVled
R = ---------------
én Ahol N a sorba kapcsolt LED-ek száma.
Összekapcsolását lásd a 7. ábrán.
  • Párhuzamos


Több LED párhuzamos csatlakoztatásához csak egy LED értékét kell kiszámítanunk, majd a 8. ábra szerint tesszük őket.
Ebben az esetben ügyelni kell a tápellátás intenzitására, amelynek nagyobbnak kell lennie, mint az összes LED összege.

Tegyük fel, hogy a tápfeszültség 12 volt, és egy piros LED diódát fogunk használni, amelyen keresztül 5 mA áram folyik.
A korlátozó ellenállás a következő lesz:

2K2 értékű normalizált ellenállást (lásd a normalizált listát) fogunk használni, ezzel az ellenállással a tényleges keringő áram 4,86 ​​mA. Az elméleti értékekhez legközelebb eső érték.
A teljesítmény kiszámítását a Joule-törvény alapján fogjuk elvégezni, amelynek eredménye P = 0,055 W, azaz 55 mW; ezért csak egy di wattos (250 mW) 2K2 ellenállást használjon sorosan a Led diódával.

Váltakozó áramkör


Ha egy Led-et egy váltakozó áramkörhöz szeretnénk csatlakoztatni, akkor figyelembe kell vennünk, hogy a váltakozó áramban vannak pozitív és negatív feszültségek, amelyek váltakoznak olyan időtartamban, amely a frekvencia fele lesz, ez a pont azért fontos, mert a diódáknak egy működése van feszültség közvetlen polarizációban és egy másik fordított polarizációban, és túlléphetjük azt, hogy ne pusztítsuk el a félvezetői csomópontot.
Ehhez két lehetőségünk van:

Ez abból áll, hogy egy diódát állítunk a Leddel szemben, így amikor a Led nem vezet, akkor a dióda vezet, és fordítva, ami 0,7 voltos feszültségesést jelent a diódában, és nem haladja meg a 3 voltos Led meghibásodását.
Ezzel elkerüljük a pusztulást, ha fordítottan polarizált, de korlátoznunk kell a feszültséget, és ezt egy soros ellenállással érhetjük el, amelyet az Alapvető folyamatos áramkör szakaszban használt képlettel számolunk.
A teljesítményt Joule-törvény alapján számíthatjuk ki (9. ábra)

Számoljunk ki egy kis gyakorlati példát:
Legyen egy LED-dióda, amelynek feszültségesése 1,2 volt és maximális intenzitása 20 mA, amelyet 220 V váltakozó feszültséghez kell csatlakoztatni.

220 - Vdl1 220 - 1,2
R = ----------------- R = -------------- »22 K W
Idl1 10
Az ereje

R1 = VR1 x Il1 = (220 -1,2) x 10 »3W

Ennek a megoldásnak az a hátránya, hogy az ellenállás nagyon terjedelmes lesz, mivel jelentős erővel bír.

A 3 W-os ellenállás elhelyezésének elkerülése érdekében elhelyezhetünk egy kondenzátort, amely úgy viselkedik, mint egy ellenállás, amikor váltakozó feszültséggel néz szembe.
Az előző áramkörhöz hasonlóan korlátozni kell az áramkör intenzitását, példaként az előző adatokat fogjuk használni.
Ebben az esetben az Rs az intenzitás korlátozására szolgál, amikor a kondenzátor lemerül, mivel jelentős csúcs keletkezik, amelyet a Led nem támogat, mivel a maximális csúcsérték, amelyet a Led képes támogatni, van:
Ipeak = 220/1 »220 mA.
Ezért az ellenállás értéke:

220 V
RS = ------------ = 1 K VRS = 1K x 10 mA = 10V
220 mA

A kondenzátor értékének kiszámításához figyelembe kell venni, hogy a kondenzátor feszültsége 90 fázison kívül van az ellenállások és a dióda feszültségéhez képest, így Pythagoras alkalmazásával (lásd az ábrát):

VC = (220 2 - (VR + VLED) 2) 1/2 = (220 2 - (11.2) 2) 1/2 »219,7 V

A kondenzátor intenzitása Ic = 10 mA.
A kapacitív ellenállás a következő lesz:
Normalizált értéket veszünk Xc = 22 K W

219,7 V
XC = --------------- = 21,9K W
10 mA

A kondenzátor kapacitása a következő lesz:

Láthatjuk, hogy ezzel a megoldással csökkentjük az ellenállás értékét azzal, hogy 150 nF kondenzátorra cseréljük, amelynek működési feszültsége 400 V, mivel a 220 hatékony.
Előnyként megemlítjük, hogy nem annyira terjedelmes és a 3 W-os ellenállást kicserélve nem lesz olyan nagy a hőelvezetés (10. ábra).