O que é diodo emissor de luz: Funcionamento e suas aplicações

O que é diodo emissor de luz: Funcionamento e suas aplicações

O diodo emissor de luz é uma fonte de luz semicondutora de dois terminais. Em 1962, Nick Holonyak teve a ideia de um diodo emissor de luz e estava trabalhando para a companhia geral de eletricidade. O LED é um tipo especial de diodo e eles têm características elétricas semelhantes a um diodo de junção PN. Portanto, o LED permite o fluxo de corrente na direção direta e bloqueia a corrente na direção reversa. O LED ocupa uma pequena área que é menor que 1 mmdois . As aplicações dos LEDs usado para fazer vários projetos elétricos e eletrônicos. Neste artigo, discutiremos o princípio de funcionamento do LED e suas aplicações.



O que é um diodo emissor de luz?

O diodo emissor de luz é um diodo de junção p-n . É um diodo especialmente dopado e feito de um tipo especial de semicondutores. Quando a luz emite na polarização direta, é chamado de diodo emissor de luz.


Diodo emissor de luz

Diodo emissor de luz





Símbolo LED

O símbolo do LED é semelhante a um símbolo de diodo, exceto por duas pequenas setas que especificam a emissão de luz, por isso é chamado de LED (diodo emissor de luz). O LED inclui dois terminais, nomeadamente ânodo (+) e cátodo (-). O símbolo do LED é mostrado abaixo.



Símbolo LED

Símbolo LED

Construção de LED

A construção do LED é muito simples porque ele é projetado através da deposição de três camadas de material semicondutor sobre um substrato. Essas três camadas são organizadas uma a uma, onde a região superior é uma região do tipo P, a região do meio é ativa e, finalmente, a região inferior é do tipo N. As três regiões do material semicondutor podem ser observadas na construção. Na construção, a região do tipo P inclui os buracos, a região do tipo N inclui eleições, enquanto a região ativa inclui buracos e elétrons.

Quando a tensão não é aplicada ao LED, não há fluxo de elétrons e orifícios, portanto, eles ficam estáveis. Uma vez que a tensão é aplicada, o LED irá direcionar para a frente, de modo que os elétrons na região N e lacunas da região P se moverão para a região ativa. Esta região também é conhecida como região de esgotamento. Porque os portadores de carga, como buracos, incluem uma carga positiva, enquanto os elétrons têm uma carga negativa, então a luz pode ser gerada por meio da recombinação de cargas de polaridade.


Como funciona o diodo emissor de luz?

O diodo emissor de luz é simplesmente conhecido como diodo. Quando o diodo é polarizado para frente, os elétrons e as lacunas estão se movendo rapidamente através da junção e são combinados constantemente, removendo-se uns dos outros. Logo depois que os elétrons estão se movendo do silício tipo n para o tipo p, ele se combina com os buracos e depois desaparece. Conseqüentemente, torna o átomo completo e mais estável e fornece uma pequena explosão de energia na forma de um minúsculo pacote ou fóton de luz.

Trabalho de diodo emissor de luz

Trabalho de diodo emissor de luz

O diagrama acima mostra como funciona o diodo emissor de luz e o processo passo a passo do diagrama.

  • No diagrama acima, podemos observar que o silício do tipo N está na cor vermelha incluindo os elétrons que são indicados pelos círculos pretos.
  • O silício tipo P é de cor azul e contém orifícios indicados pelos círculos brancos.
  • A fonte de alimentação através da junção p-n torna o diodo polarizado para frente e empurra os elétrons do tipo n para o tipo p. Empurrando os furos na direção oposta.
  • O elétron e as lacunas na junção são combinados.
  • Os fótons são emitidos conforme os elétrons e os buracos são recombinados.

História do diodo emissor de luz

Os LEDs foram inventados no ano de 1927, mas não uma nova invenção. Uma breve revisão da história do LED é discutida abaixo.

  • No ano de 1927, Oleg Losev (inventor russo) criou o primeiro LED e publicou algumas teorias sobre suas pesquisas.
  • No ano de 1952, o Prof. Kurt Lechovec testou as teorias das teorias dos perdedores e explicou sobre os primeiros LEDs
  • No ano de 1958, o primeiro LED verde foi inventado por Rubin Braunstein & Egon Loebner
  • No ano de 1962, um LED vermelho foi desenvolvido por Nick Holonyak. Então, o primeiro LED é criado.
  • No ano de 1964, a IBM implementou LEDs em uma placa de circuito pela primeira vez em um computador.
  • No ano de 1968, a HP (Hewlett Packard) começou a usar LEDs em calculadoras.
  • No ano de 1971, Jacques Pankove e Edward Miller inventaram um LED azul
  • No ano de 1972, M. George Crawford (Engenheiro Elétrico) inventou o LED de cor amarela.
  • No ano de 1986, Walden C. Rhines & Herbert Maruska da Universidade de Stafford inventaram um LED de cor azul com magnésio incluindo padrões futuros.
  • No ano de 1993, Hiroshi Amano & Physicists Isamu Akaski desenvolveram um nitreto de gálio com LEDs de cor azul de alta qualidade.
  • Um engenheiro elétrico como Shuji Nakamura desenvolveu o primeiro LED azul com alto brilho através dos desenvolvimentos da Amanos & Akaski, o que leva rapidamente à expansão dos LEDs de cor branca.
    No ano de 2002, os LEDs de cor branca eram usados ​​para fins residenciais, com carga de £ 80 a £ 100 para cada lâmpada.
  • No ano de 2008, as luzes LED se tornaram muito populares em escritórios, hospitais e escolas.
  • No ano de 2019, os LEDs se tornaram as principais fontes de luz
  • O desenvolvimento do LED é incrível, pois varia desde pequenas indicações até iluminar escritórios, residências, escolas, hospitais, etc.

Circuito de diodo emissor de luz para polarização

A maioria dos LEDs tem classificações de tensão de 1 volt-3 volts, enquanto as classificações de corrente direta variam de 200 mA a 100 mA.

Polarização de LED

Polarização de LED

Se a tensão (1V a 3V) for aplicada ao LED, ele funcionará corretamente devido ao fluxo de corrente para a tensão aplicada estar na faixa de operação. Da mesma forma, se a voltagem aplicada a um LED for alta do que a voltagem operacional, a região de depleção dentro do diodo emissor de luz será interrompida devido ao alto fluxo de corrente. Este alto fluxo inesperado de corrente danificará o dispositivo.

Isso pode ser evitado conectando-se um resistor em série com a fonte de tensão e um LED. As classificações de tensão segura dos LEDs variam de 1 V a 3 V, enquanto as classificações de corrente segura variam de 200 mA a 100 mA.

Aqui, o resistor que está disposto entre a fonte de tensão e o LED é conhecido como o resistor limitador de corrente, porque esse resistor restringe o fluxo de corrente, caso contrário, o LED pode destruí-lo. Portanto, esse resistor desempenha um papel fundamental na proteção do LED.

Matematicamente, o fluxo de corrente através do LED pode ser escrito como

IF = Vs - VD / Rs

Onde,

‘IF’ é corrente direta

‘Vs’ é uma fonte de tensão

‘VD’ é a queda de tensão através do diodo emissor de luz

'Rs' é um resistor limitador de corrente

A quantidade de voltagem caiu para derrotar a barreira da região de depleção. A queda de tensão do LED irá variar de 2 V a 3 V, enquanto o diodo de Si ou Ge é 0,3, caso contrário, 0,7 V.

Assim, o LED pode ser operado usando alta tensão em comparação com diodos de Si ou Ge.
Os diodos emissores de luz consomem mais energia do que os diodos de silício ou germânio para operar.

Tipos de diodos emissores de luz

tem diferentes tipos de diodos emissores de luz presentes e alguns deles são mencionados abaixo.

  • Arsenieto de gálio (GaAs) - infravermelho
  • Fosfeto de arseneto de gálio (GaAsP) - vermelho a infravermelho, laranja
  • Fosfeto de arseneto de gálio e alumínio (AlGaAsP) - vermelho de alto brilho, vermelho alaranjado, laranja e amarelo
  • Fosfeto de Gálio (GaP) - vermelho, amarelo e verde
  • Fosfeto de alumínio e gálio (AlGaP) - verde
  • Nitreto de gálio (GaN) - verde, verde esmeralda
  • Nitreto de gálio e índio (GaInN) - quase ultravioleta, verde-azulado e azul
  • Carboneto de silício (SiC) - azul como substrato
  • Seleneto de zinco (ZnSe) - azul
  • Nitreto de alumínio e gálio (AlGaN) - ultravioleta

Princípio de funcionamento do LED

O princípio de funcionamento do diodo emissor de luz é baseado na teoria quântica. A teoria quântica diz que quando o elétron desce do nível de energia mais alto para o nível de energia mais baixo, a energia é emitida do fóton. A energia do fóton é igual à diferença de energia entre esses dois níveis de energia. Se o diodo de junção PN estiver polarizado direto, a corrente flui através do diodo.

Princípio de funcionamento do LED

Princípio de funcionamento do LED

O fluxo de corrente nos semicondutores é causado pelo fluxo de buracos na direção oposta da corrente e pelo fluxo de elétrons na direção da corrente. Conseqüentemente, haverá recombinação devido ao fluxo desses portadores de carga.

A recombinação indica que os elétrons na banda de condução saltam para a banda de valência. Quando os elétrons saltam de uma banda para outra, os elétrons emitem a energia eletromagnética na forma de fótons e a energia do fóton é igual ao intervalo de energia proibido.

Por exemplo, consideremos a teoria quântica, a energia do fóton é o produto da constante de Planck e da frequência da radiação eletromagnética. A equação matemática é mostrada

Eq = hf

Onde é conhecido como uma constante de Planck, e a velocidade da radiação eletromagnética é igual à velocidade da luz, ou seja, c. A radiação de frequência está relacionada à velocidade da luz como f = c / λ. λ é denotado como um comprimento de onda de radiação eletromagnética e a equação acima se tornará como um

Eq = he / λ

A partir da equação acima, podemos dizer que o comprimento de onda da radiação eletromagnética é inversamente proporcional ao intervalo proibido. No silício geral, semicondutores de germânio, esta lacuna de energia proibida está entre a condição e as bandas de valência são tais que a radiação total da onda eletromagnética durante a recombinação está na forma de radiação infravermelha. Não podemos ver o comprimento de onda do infravermelho porque eles estão fora de nossa faixa visível.

A radiação infravermelha é considerada como calor porque o silício e os semicondutores de germânio não são semicondutores de gap direto, mas sim semicondutores de gap indireto. Já nos semicondutores de gap direto, o nível máximo de energia da banda de valência e o nível mínimo de energia da banda de condução não ocorrem no mesmo momento dos elétrons. Portanto, durante a recombinação de elétrons e lacunas ocorrem a migração de elétrons da banda de condução para a banda de valência, o momento da banda de elétrons será alterado.

LEDs brancos

A fabricação de LEDs pode ser feita por meio de duas técnicas. Na primeira técnica, os chips de LED como vermelho, verde e azul são mesclados em um pacote semelhante para gerar luz branca, enquanto na segunda técnica é utilizada a fosforescência. A fluorescência dentro do fósforo pode ser resumida no epóxi ao redor, então o LED será ativado por meio da energia de comprimento de onda curto usando o dispositivo LED InGaN.

As luzes de cores diferentes, como as luzes azul, verde e vermelha, são combinadas em quantidades variáveis ​​para produzir uma sensação de cor diferente, que é conhecida como cores aditivas primárias. Essas três intensidades de luz são adicionadas igualmente para gerar a luz branca.

Mas, para atingir esta combinação através de uma combinação de LEDs verdes, azuis e vermelhos, que precisam de um complicado design eletro-óptico para controlar a combinação e difusão de diferentes cores. Além disso, essa abordagem pode ser complicada por causa das mudanças na cor do LED.

A linha de produtos de LED branco depende principalmente de um único chip de LED usando um revestimento de fósforo. Este revestimento gera luz branca uma vez que atinge o ultravioleta, caso contrário, fótons azuis. O mesmo princípio também é aplicado às lâmpadas fluorescentes, a emissão de ultravioleta de uma descarga elétrica dentro do tubo fará com que o fósforo pisque em branco.

Embora esse processo de LED possa gerar matizes diferentes, as diferenças podem ser controladas por triagem. Dispositivos baseados em LED branco são selecionados usando quatro coordenadas de cromaticidade exatas que são adjacentes ao centro do diagrama CIE.

O diagrama CIE descreve todas as coordenadas de cores possíveis dentro da curva em ferradura. Cores limpas ficam sobre o arco, mas a ponta branca fica no centro. A cor de saída do LED branco pode ser representada por quatro pontos que são representados no meio do gráfico. Mesmo que as quatro coordenadas do gráfico estejam próximas do branco puro, esses LEDs geralmente não são eficazes como uma fonte de luz comum para iluminar lentes coloridas.

Esses LEDs são úteis principalmente para lentes brancas de outra forma claras, luz de fundo opaca. Quando essa tecnologia continuar progredindo, os LEDs brancos certamente ganharão uma reputação como fonte e indicação de iluminação.

Eficácia Luminosa

A eficácia luminosa dos LEDs pode ser definida como o fluxo luminoso produzido em lm para cada unidade e a energia elétrica pode ser usada dentro de W. A ordem de eficácia interna nominal do LED de cor azul é 75 lm / W LEDs âmbar têm 500 lm / W e vermelho LEDs têm 155 lm / W. Devido à reabsorção interna, as perdas podem ser levadas em consideração, a ordem de eficácia luminosa varia de 20 a 25 lm / W para LEDs verdes e âmbar. Esta definição de eficácia também é conhecida como eficácia externa e é análoga à definição de eficácia normalmente usada para outros tipos de fontes de luz, como LED multicolorido.

Diodo Emissor de Luz Multicolor

Um diodo emissor de luz que produz uma cor quando conectado em polarização direta e produz uma cor quando conectado em polarização reversa é conhecido como LED multicolorido.

Na verdade, esses LEDs incluem duas junções PN e a conexão desta pode ser feita em paralelo com o ânodo de uma que está ligada ao cátodo da outra.

Os LEDs multicoloridos são normalmente vermelhos quando polarizados em uma direção e verdes quando polarizados em outra direção. Se este LED acender muito rápido entre duas polaridades, este LED irá gerar uma terceira cor. Um LED verde ou vermelho irá gerar uma luz de cor amarela, uma vez alternada rapidamente para frente e para trás entre as polaridades de polarização.

Qual é a diferença entre um diodo e um LED?

A principal diferença entre um diodo e um LED inclui o seguinte.

Diodo

LIDERADO

O dispositivo semicondutor, como um diodo, conduz simplesmente em uma direção.O LED é um tipo de diodo, usado para gerar luz.
O projeto do diodo pode ser feito com um material semicondutor e o fluxo de elétrons neste material pode dar a sua energia a forma de calor.O LED é projetado com fosfeto de gálio e arseneto de gálio, cujos elétrons podem gerar luz enquanto transmitem a energia.

O diodo muda o AC em DCO LED muda a voltagem para luz
Tem uma alta tensão de ruptura reversaEle tem uma baixa tensão de ruptura reversa.
A tensão no estado do diodo é de 0,7v para o silício enquanto, para o germânio, é de 0,3vA tensão no estado do LED varia aproximadamente de 1,2 a 2,0 V.
O diodo é usado em retificadores de tensão, circuitos de clipagem e fixação, multiplicadores de tensão.

As aplicações do LED são sinais de trânsito, faróis automotivos, em dispositivos médicos, flashes de câmeras, etc.

Características I-V do LED

Existem diferentes tipos de diodos emissores de luz disponíveis no mercado e existem diferentes características do LED, que incluem a luz colorida, ou radiação de comprimento de onda, intensidade da luz. A característica importante do LED é a cor. No início do uso do LED, existe a única cor vermelha. À medida que o uso de LED é aumentado com a ajuda do processo de semicondutores e fazendo pesquisas sobre os novos metais para LED, as diferentes cores foram formadas.

Características I-V do LED

Características I-V do LED

O gráfico a seguir mostra as curvas aproximadas entre a tensão direta e a corrente. Cada curva do gráfico indica uma cor diferente. A tabela mostra um resumo das características do LED.

Características do LED

Características do LED

Quais são os dois tipos de configurações de LED?

As configurações padrão de LED são dois emissores semelhantes, bem como COBs

O emissor é uma única matriz montada em direção a uma placa de circuito e, em seguida, a um dissipador de calor. Esta placa de circuito fornece energia elétrica para o emissor, ao mesmo tempo que retira calor.

Para ajudar na redução de custos, bem como melhorar a uniformidade da luz, os investigadores determinaram que o substrato de LED pode ser destacado e o dado único pode ser montado abertamente na placa de circuito. Portanto, esse projeto é denominado COB (chip-on-board array).

Vantagens e desvantagens dos LEDs

O vantagens do diodo emissor de luz inclui o seguinte.

  • O custo dos LEDs é menor e eles são minúsculos.
  • Usando a eletricidade do LED é controlada.
  • A intensidade do LED difere com a ajuda do microcontrolador.
  • Longa vida
  • Energia eficiente
  • Sem período de aquecimento
  • Áspero
  • Não afeta por baixas temperaturas
  • Direcional
  • A renderização de cores é excelente
  • Ambientalmente amigável
  • Controlável

O desvantagens do diodo emissor de luz inclui o seguinte.

  • Preço
  • Sensibilidade à temperatura
  • Dependência de temperatura
  • Qualidade de luz
  • Polaridade elétrica
  • Sensibilidade de voltagem
  • Eficiência caída
  • Impacto em insetos

Aplicações do diodo emissor de luz

Existem muitas aplicações de LED e algumas delas são explicadas a seguir.

  • LED é usado como lâmpada em residências e indústrias
  • Os diodos emissores de luz são usados ​​em motocicletas e carros
  • Eles são usados ​​em telefones celulares para exibir a mensagem
  • No semáforo, os sinais de LED são usados

Assim, este artigo discute uma visão geral do diodo emissor de luz princípio de funcionamento do circuito e aplicação. Espero que, ao ler este artigo, você tenha obtido algumas informações básicas e úteis sobre o diodo emissor de luz. Se você tiver alguma dúvida sobre este artigo ou sobre o projeto elétrico do último ano, sinta-se à vontade para comentar na seção abaixo. Aqui está uma pergunta para você, O que é LED e como funciona?