Dioda LED, Jonizacja i Zasada Działania
- Szczegóły
Artykuł omawia zasadę działania diody LED, proces jonizacji oraz różne aspekty związane z tymi zjawiskami. Wyładowanie jarzeniowe to proces fizyczny zachodzący w gazach, który polega na przepływie prądu elektrycznego przez gaz pod niskim ciśnieniem, w wyniku czego gaz emituje światło. Zjawisko to jest wykorzystywane w technologii oświetleniowej, a także w innych dziedzinach nauki i techniki.
Charakterystyka Wyładowania Jarzeniowego
Wyładowanie jarzeniowe zachodzi, gdy różnica potencjałów między dwoma elektrodami umieszczonymi w naczyniu wypełnionym gazem osiągnie wartość wystarczającą do jonizacji atomów gazu. Jonizacja powoduje, że atomy gazu stają się przewodnikami prądu elektrycznego, a przepływający prąd powoduje ich wzbudzenie. Wzbudzone atomy, wracając do stanu podstawowego, emitują fotony, czyli kwanty światła, które mogą być widoczne gołym okiem.
Mechanizm działania
Podczas wyładowania jarzeniowego, elektrony przyspieszane przez pole elektryczne zderzają się z atomami gazu, przekazując im energię. W wyniku tych zderzeń elektrony zewnętrzne atomów są wzbudzane do wyższych poziomów energetycznych. Kiedy te wzbudzone elektrony powracają do swojego pierwotnego stanu energetycznego, emitują energię w formie światła. Długość fali emitowanego światła zależy od rodzaju gazu oraz od dodatków, które są używane do modyfikacji barwy światła.
Zastosowanie w oświetleniu
Wyładowanie jarzeniowe jest podstawą działania lamp jarzeniowych, które są szeroko stosowane jako źródła światła w pomieszczeniach biurowych, przemysłowych, a także w oświetleniu ulicznym i reklamowym. Lampy te składają się z długiej, cienkiej rury pokrytej wewnątrz substancją fluorescencyjną i wypełnionej gazem, najczęściej mieszaniną argonu z niewielką ilością rtęci. Przy zastosowaniu odpowiedniej aparatury sterującej, takiej jak stateczniki, lampy jarzeniowe mogą świecić przez tysiące godzin, co czyni je ekonomicznym rozwiązaniem oświetleniowym.
Zalety i wady
Wyładowanie jarzeniowe umożliwia uzyskanie wysokiej efektywności świetlnej przy stosunkowo niskim zużyciu energii, co jest główną zaletą lamp jarzeniowych. Jednakże, zawartość rtęci w lampach jarzeniowych stanowi problem ekologiczny, a także wymaga specjalnego postępowania przy utylizacji zużytych lamp. Ponadto, lampy te mogą generować migotanie światła oraz zakłócać pracę niektórych urządzeń elektronicznych z powodu generowania zakłóceń elektromagnetycznych.
Przeczytaj także: Co oznacza niebieska dioda w robotach sprzątających?
Aspekty środowiskowe
Ze względu na obecność rtęci, wyładowanie jarzeniowe i związane z nim produkty oświetleniowe podlegają rygorystycznym regulacjom dotyczącym bezpieczeństwa i ochrony środowiska.
Dioda jako element elektroniczny
Dioda półprzewodnikowa jest elementem elektronicznym, wyposażonym w dwie elektrody, który posiada nieliniową charakterystykę prądu wyściowego w funkcji napięcia wejściowego. Z powodu takiej charakterystyki diody, można ją stosować jako przyrząd przepuszczającym swobodnie prąd przy napięciu dodatnim oraz stanowiącym zaporę dla prądy płynącego w przeciwnym kierunku. Inaczej rzecz ujmując, dioda prostuje napięcie zmienne, przepuszczając jedynie dodatnie połówki sinusoidy.
Złącze p-n i jego działanie
Koncentracja swobodnych elektronów w obszarze typu n jest znacznie większa niż w obszarze typu p. Dlatego elektrony występujące w obszarze typu n nazywane są nośnikami większościowymi, natomiast elektrony występujące w obszarze typu p nazywamy nośnikami mniejszościowymi. Łącząc ze sobą dwa obszary typu p oraz typu n inicjuje się dyfuzję nośników większościowych do obszarów o mnejszej koncentracji ładunku. Na drodze dyfuzji w warstwie granicznej powstałej pomiędzy dwoma obszarami, po stronie obszaru n następuje zanik elektronów swobodnych. Pozostałe elektrycznie dodatnie jony donorów tworzą dodatni ładunek przestrzenny w tym obszarze. Analogocznie po stronie obszaru p niedostatek nośników większościowych w postaci dziur powoduje powstanie ujemnego ładunku przestrzennego.
Obszar na styku obu obszarów półprzewodnikowych, w którym występuje zmniejszona koncentracja nośników większościowych nazywamy obszarem zubożonym. W obszarze złącza, w wyniku istnienia ładunku przestrzennego o przeciwnym potencjale, indukuje się pole elektryczne i powstaje bariera potencjału. W przypadku kiedy do elektrod nie jest przyłożone zewnętrzne pole elektryczne, zachodzi stan równowagi dynamicznej. Prądy dyfuzyjne i nośników mniejszościowych powstałych z powodu powstania ładunku w pełni się równoważą.
Jeżeli do złącza p - n przyłożone zostanie dodatnie napięcie, czyli biegun dodatni źródła połączymy z obszarem typu p, natomiast biegun ujemny z obszarem typu n, to nastąpi obniżenie bariery o wartość napięcia polaryzującego. Dzięki obniżeniu wartości bariery potencjału znacznie zwiększa się dyfuzyjny prąd elektronów z obszaru typu n do obszaru typu p, oraz dyfuzyjny prąd dziurowy z obszaru typu p do obszaru typu n. Polaryzacja tego typu jest nazywana polaryzacją w kierunku przewodzenia, z powodu zwiększeniu zdolności przewodzenia prądu oraz zmniejszeniu rezystancji wewnętrznej.
Przeczytaj także: Jak naprawić migającą diodę w oczyszczaczu powietrza Webber?
Jeżeli diodę spolaryzujemy w odwrotny sposób, czyli podłączymy biegun dodatni do obszaru typu n oraz biegun ujemny do obszaru typu p, to bariera potencjału zostanie powiększona o wartość napięcia polaryzującego. Powoduje to drastyczne zahamowanie dyfuzyjnego przepływu nośników większościowych. Ten sposób polaryzacji nazywamy polaryzacją w kierunku zaporowym. Jedyny prąd jaki przepływa wtedy przez złącze jest niewielkim prądem wstecznym spowodowanym ruchem nośników mniejszościowych. Polaryzacja w kierunku zaporowym oznacza ogromny wzrost rezystancji wewnętrznej przy przepływie prądu w tym kierunku.
Rodzaje diod
Dioda prostownicza wytwarzana jest na płytce monokryształu krzemu lub germanu, korzystając z technologii dyfuzyjnej. Charakterystyka diody prostowniczej w różnych temperaturach wykazuje spadek napięcia w zakresie przewodzenia rzędu 1,4V, natomiast w zakresie zaporowym przez diodę przepływa niewielki wsteczny prąd nośników mniejszościowych, który jest silnie zależny od temperatury występującej na złączu.
Jeżeli przekroczona zostanie określona wartość wstecznego napięcia Umax, to niewielki dotychczas prąd wsteczny silnie narasta powodując w efekcie trwałe uszkodzenie diody. Temperatura złącza dopuszczalna dla diod krzemowych przyjmuje wartość maksymalną rzędu 150°C, natomiast w przypadku diod germanowych liczba ta oscyluje w granicach 90°C. Stosując diody prostownicze o dużej mocy, zaopatruje się je zazwyczaj w odpowiedniej wielkości radiatory, które odbierają ciepło z diody i są odpowiednio schładzane przez powietrze.
Dioda Zenera jest specjalną diodą krzemową, w której pracy wykorzystywane jest zakrzywienie charakterystyki napięciowo - prądowej w obszarze przebicia diody. Praca w obszarze przebicia nie jest szkodliwa dla diody Zenera, o ile nie przekroczy się mocy admisyjnej diody.
Dioda tunelowa jest dioda półprzewodnikową, w której dzięki bardzo dużej koncentracji domieszek, wytworzona zostaje niezwykle wąska bariera potencjału, która pozwala na zaistnienie zjawiska przejścia tunelowego przez wspomnianą barierę.
Przeczytaj także: Przemysłowe osuszanie powietrza
Fotodioda jest złączem p - n, które wykrozystuje zjawisko generowania nośników mniejszościowych, pod wpływem energii dostarczanej przez światło. Fotodioda spolaryzowana jest stałym napięciem w kierunku zaporowym i jest oświetlona przez specjalne okienko umieszczone w obudowie obszaru złącza diody
Dioda pojemnościowa swoją strukturą złącza przypomina zwykły płaski kondensator. Okładki tego tranzystora stanowią obszary półprzewodnikowe typu p oraz typu n, które cechuj mała rezystywność. Dielektrykiem jest warstwa zaporowa złącza. Pojemność złącza możemy zmieniać przez zmianę szerokości warstwy zaporowej.
Elektroluminescencja i diody LED
Elektroluminescencja diod półprzewodnikowych polega na wytworzeniu światła, które powstaje pod wpływem zewnętrznej polaryzacji elektrycznej, dzięki której w obszarze złącza p - n dochodzi do rekombinacji elektronów i dziur, powodując świecenie. Diody elektroluminescencyjne dzieli się na próżniowe, półprzewodnikowe oraz gazowane. Najczęściej stosowanym materiałem półprzewodnikowym jest GaAs - arsenek galu.
Skrót LED oznacza Light Emitting Diode, czyli diodę elektroluminescencyjną. Początkowo diody LED były używane jako wskaźniki optyczne w urządzeniach lub obwodach i występowały tylko w kolorach czerwonym, zielonym i żółtym. Obecnie jednak dostępne są również niebieskie i białe diody LED. Ponadto jasność świecenia została zwiększona do tego stopnia, że diody LED działają jako wydajne źródła światła, np.
Dioda LED jest jednym z elementów z grupy półprzewodników III/V. Oznacza to, że składa się z materiałów należących do trzeciej i piątej grupy w układzie okresowym. Zastosowane tu elementy półprzewodnikowe tworzą diodę, która umożliwia przepływ prądu (I) tylko w jednym kierunku. Prąd w diodzie LED płynie od anody w kierunku chipu LED. Plastikowa soczewka otacza strukturę i wpływa na kąt padania promieniowania i strumień świetlny.
Na krysztale półprzewodnika znajdują się dwie warstwy materiałów półprzewodnikowych. Warstwa z domieszką n wykazuje nadmiar elektronów, podczas gdy druga, cieńsza warstwa z domieszką p ma za dużo elektronów defektowych, znanych również jako dziury elektronowe. Jeśli napięcie zostanie przyłożone do obu warstw w kierunku przepływu diody LED, nadmiar elektronów migruje w kierunku warstwy p. Spotykają się one z dziurami elektronowymi w tak zwanej warstwie zaporowej. Tam migrujące elektrony i dziury elektronowe zaczynają ulegać reakcji rekombinacji. Oznacza to, że oba nośniki ładunku łączą się.
Barwa światła diody LED zależy od stopnia nasycenia warstw i zastosowanych materiałów półprzewodnikowych. Te różne kombinacje mają różne poziomy energii. Podczas rekombinacji elektronów uwalniane są fotony o różnych poziomach mocy. Krótkofalowe światło niebieskie jest wytwarzane z wysoką energią wyjściową, a długofalowe światło czerwone z niską. Poza pokazanymi kolorami, takimi jak czerwony, zielony, żółty lub niebieski, istnieją również diody LED, które działają z niewidzialnym światłem podczerwonym. Takie diody IR LED można znaleźć w pilotach do telewizorów, odtwarzaczy DVD lub odbiorników satelitarnych.
Wielokolorowe diody LED
Oświetlenie wymaga w szczególności wytwarzania światła białego. W tym celu łączone są różnokolorowe diody LED. Białe światło powstaje w wyniku nałożenia na siebie trzech podstawowych kolorów: czerwonego, niebieskiego i zielonego. Wielokolorowa dioda elektroluminescencyjna zawiera zatem trzy kryształy półprzewodnikowe, z których każdy wytwarza jeden z trzech kolorów podstawowych. Te diody LED są również znane jako diody LED RGB. Można je znaleźć w taśmach LED z funkcją zmiany kolorów.
Niebieska dioda LED pokryta jest wewnątrz cienką warstwą luminoforu. Niektóre fale światła niebieskiego o wysokiej energii wzbudzają luminofor, powodując emisję żółtego światła o niższej energii. Połączenie z niebieskimi falami świetlnymi daje żółtawe lub niebieskawe światło, które wydaje się bardziej ciepłe lub zimne.
Typy diod LED
Diody LED mogą być stosowane w wielu obszarach, dlatego wymagane są różne projekty LED. Diody LED SMD są często spotykane w przemyśle, a obecnie znajdują również zastosowanie w gospodarstwach domowych. Swoją nazwę SMD (surface mounted device) zawdzięczają sposobowi mocowania, ponieważ można je przylutować do płytki drukowanej. Konstrukcja sprawia, że jest ona bardziej płaska, mniejsza, a przez to bardziej wszechstronna niż przykładowo przewodowa dioda LED.
Trzecim wariantem są diody LED COB (Chip On Board), które są lutowane bezpośrednio do płytek drukowanych. Jeden lub dwa pozłacane przewody łączą połączenia chipa z płytką drukowaną. Ta dioda LED jest uważana za wydajną i nadaje się do ciasno ułożonych modułów LED. Można je znaleźć np. w lampach LED. W przeciwieństwie do przewodowych diod LED i diod LED SMD, które są już obudowane, dioda LED COB wymaga soczewki epoksydowej, która jest połączona z diodą emitującą światło. Zaleta: soczewka ta umożliwia dostosowanie kąta wiązki światła. Płytka drukowana służy również jako system chłodzenia.
Diody LED dużej mocy
Wielu producentów diod LED nazywa niektóre ze swoich produktów diodami LED dużej mocy. Zwłaszcza jeśli chodzi o generowanie bardzo jasnego światła na małym obszarze, np. w latarkach lub reflektorach. Należy jednak zauważyć, że nie ma oficjalnej definicji diody LED o dużej mocy.
Jeśli dioda elektroluminescencyjna przestaje działać, rzadko jest to spowodowane bezpośrednio wadliwym kryształem półprzewodnikowym. Najczęściej jest to wynikiem nadmiernego wzrostu temperatury, który może być wywołany nadmiernym prądem roboczym lub złym przetwarzaniem. Wynikające z tego ciepło niszczy np. Nawet jeśli na zewnątrz jest to ledwo zauważalne: wewnątrz diody elektroluminescencyjnej temperatura wzrasta, ponieważ niewielka ilość ciepła jest generowana jako produkt uboczny.
Im niższa temperatura otoczenia podczas pracy, tym lepiej dla diod LED pod względem funkcjonalności i żywotności. Zbyt wysoka temperatura otoczenia może znacznie skrócić żywotność źródła światła. W zależności od konstrukcji, istnieją różne sposoby chłodzenia. Z reguły ciepło jest odprowadzane przez inny materiał, taki jak aluminium lub ceramika. Podstawy źródeł światła LED są np. wykonane z jednego z tych dwóch materiałów.
Zalety diod LED: niskie zużycie energii dzięki wysokiej wydajności, niewielka konstrukcja, różnorodność typów i kolorów oraz możliwości przyciemniania. Źródła światła w wielu lampach LED są zainstalowane na stałe.
Termin OLED lub organiczna dioda elektroluminescencyjna jest często używany w odniesieniu do wyświetlaczy lub telewizorów. W przeciwieństwie do wyświetlaczy LCD, które wymagają podświetlenia, ekrany z organicznymi diodami LED zapalają się automatycznie. Nieaktywne diody LED pozostają po prostu ciemne, dzięki czemu czarne obszary obrazu są doskonale wyświetlane.
Zastosowanie Diod
Podstawowym zastosowaniem diod jest prostowanie, czyli zamiana napięcia przemiennego, pochodzącego najczęściej z transformatora, na jednokierunkowe. Zrozumienie zasady pracy tego układu nie powinno sprawić żadnych problemów jeśli potraktujemy diodę jako element przewodzący jednokierunkowo. Napięcie wyjściowe w tym układnie wykorzystuje obie połówki okresy sygnału wejściowego, jest to więc prostownik dwu-połówkowy. Poziome odcinki występujące w napięciu wyjściowym na poziomie zera Voltów są spowodowane przez spadek napięcia na przewodzących diodach. W układzie mostkowym zawsze szeregowo przewodzą dwie diody, a więc spadek napięcia na nich jest dwa razy większy niż na jednej diodzie.
tags: #dioda #led #jonizacja #zasada #działania
