Mik a LED -ek és hogyan működnek?

A LED -ek vagy a fénykibocsátó diódák megváltoztatták a világításra gondolkodásmódot, mert energiát takarítanak meg, hosszabb ideig tartanak, és sokféle módon is felhasználhatók.A régimódi izzóktól eltérően, amelyek egy huzal melegítésével fényt készítenek, a LED-ek fényt hoznak létre azáltal, hogy elektromos áramot mozgatnak egy félvezetőnek nevezett speciális anyagon keresztül.A fény előállításának ilyen módja sokkal kevesebb energiát használ fel, és nem lesz olyan meleg.Ezen előnyök miatt a LED -eket mindent használják, az apró lámpáktól kezdve a modulokban, az épületekben a nagy világítási rendszerekig.Különböző típusú és színekben kaphatók, amelyek mindegyike különböző felhasználásra alkalmas.Ha megtanulják, hogyan működnek a LED -ek, és miért jobbak, mint a hagyományos fények, segítenek látni, hogy miért válnak ma olyan népszerűvé.

Katalógus

1. ábra: LED -ek vagy fénykibocsátó diódák

Meghatározás és alapvető művelet

A LED -ek vagy a fénykibocsátó diódák olyan eszközök, amelyek fényt bocsátanak ki, amikor egy elektromos áram áthalad rajta.Mindegyik LED két anyagból áll: egy p-típusú lyukból (pozitív töltésű hordozók) és egy N-típusú elektronnal (negatív töltéshordozók).Előre feszültség alkalmazásakor az N-típusú régióból származó elektronok energiát nyernek és a p-típusú régió felé mozognak.A P-N csomópontnál az elektronok kitöltik a lyukakat, és az energiát fényként bocsátják ki.

A hagyományos fényforrásokkal ellentétben, például az izzólámpákkal, amelyek az elektromos energiát hőre alakítják, majd a fényt, a LED -ek az elektromos energiát közvetlenül a fényre konvertálják.Ez a folyamat sokkal hatékonyabb, kevesebb hőt termel és kevesebb energiát használ fel.Következésképpen a LED -eket részesítik előnyben az energiahatékonyságuk és a hosszú élettartamuk miatt, ritkábban cserélni és erősebb teljesítményt nyújtva.

A LED -ek típusai

Lámpa típusú LED -ek (ólom)

2. ábra: Lámpa típusú LED -ek (ólom)

A lámpa típusú LED -ek (ólom) egy alap típusú fénybocsátó diódák (LED -ek), fém lábakkal, más néven vezetőknek, amelyek a LED elektromos áramkörhez csatlakoztatják.Ezeket a LED -eket általában egy kicsi, színes műanyag izzó borítja.Ennek az izzónak néhány funkciója van.Az egyenletesebben terjeszti a fényt, így nem csak egy irányba ragyog.Ezenkívül megvédi az apró részeket a LED belsejében a sérülésektől, és megtartja a port és a nedvességet.

Az ólomozott LED -ek egyszerű kialakításúak, ami nagyon hasznos és könnyen használható sok elektronikus projektben.Ennek az egyszerű kialakításnak köszönhetően gyakran jelzőfényként használják, hogy megmutatják, hogy egy eszköz be- vagy kikapcsol.Megtalálhatja azokat a digitális kijelzőkben is, mint például a számológépeken és az órákon, ahol segítenek a számok és egyéb információk megjelenítésében.

A dekoratív megvilágításhoz az ólom LED -ek kedvencek, mivel könnyen beállíthatók, és sokféle világítási mintázat létrehozására felhasználhatók.A fém lábak megkönnyítik az áramköri táblákhoz történő rögzítését, vagy a teszteléshez kenyérlemezekkel történő csatlakoztatását.Ez népszerűvé teszi őket mind a hobbisták, mind a profi mérnökök körében.Számos színben és méretben kaphatók, és növelik a kreatív és gyakorlati világítási beállítások hasznosságát.

Chip típusú LED -ek (felszíni rögzítés)

3. ábra: Chip típusú LED -ek (felszíni szerelés)

A chip típusú LED -ek (felszíni rögzítés) a LED -technológia modern fejlesztése, amelyet közvetlenül a nyomtatott áramköri táblákra (PCB) rögzítenek.Sokkal kisebbek és hatékonyabbak, mint a hagyományos lámpa típusú LED -ek, így tökéletesek kis elektronikus eszközökhöz, például okostelefonokhoz, táblagépekhez és LED TV -khez.

A chip típusú LED -ek fő előnye a kis méretük és hatékonyságuk.Mivel kompaktok, egymáshoz közel lehet helyezni a PCB -kre.Ez lehetővé teszi az összetett elektronikus tervek létrehozását, amelyek sok különböző dolgot csinálnak.Ez a közeli elhelyezés nagyon hasznos a modern eszközök számára, amelyeknek egy kis helyen jól kell működniük.A chip típusú LED -ek szintén jobban használják az energiát.A több villamos energiát kevesebb hővel világítják, ami hosszabb ideig tart, és kevesebb energiát használ fel.Ez különösen hasznos azokban az eszközökben, amelyek az akkumulátorokon futnak, ahol az energia megtakarítása nagyon fontos.

A chip típusú LED -ekhez használt felületi szerelt technológia (SMT) lehetővé teszi a gépek számára, hogy gyorsan és pontosan az áramköri táblákra helyezzék őket.Ez felgyorsítja a gyártási folyamatot és csökkenti a termelési költségeket.Ezenkívül ez a módszer biztosítja, hogy a LED -ek következetesen és megbízhatóan helyezzék el őket, ami fontos, hogy az eszközök megfelelően és hosszú ideig működjenek.

Mindkét típusú LED -típus ugyanazon az alapelven működik: Fény előállítása, amikor egy elektromos áram áthalad egy speciális anyagon belül.A lámpa típus és a chip típusú LED -ek közötti választás a projektkövetelményektől, például a méret, a hatékonyság és az integráció megkönnyítése függ.

Hullámhossz és szín

A LED színét az előállításhoz használt anyagok határozzák meg, amelyek különböző fényszíneket bocsátanak ki, amikor az elektromosság átfolyik rajtuk.Két fő tényező befolyásolja a LED színét:

Csúcshullámhossz (λp)

4. ábra: A LED csúcshullámhosszának (λp) grafikonja

A csúcshullámhossz (λp) az a hullámhossz, amelyen egy LED kibocsátja a legtöbb fényt.Például egy piros LED általában a legfényesebben ragyog, mintegy 630 nanométer.Ez azt jelenti, hogy a LED előállítja a legerősebb vörös fényét ezen a hullámhosszon. A csúcs hullámhosszának ismerete nagyon hasznos különböző alkalmazásokhoz.Meghatározza a LED -fény színét és fényerejét.A csúcshullámhossz megtalálásához megmérjük a LED fényspektrumát, és megtaláljuk azt a pontot, ahol a fény a legintenzív.Például a képernyő technológiájában a pontos csúcshullámhossz segít előállítani a megfelelő színeket.A növényi lámpákban a csúcshullámhossznak meg kell felelnie a hullámhossznak, amely a növények legjobban elnyeli, hogy jobban növekedjenek.

A csúcshullámhossz befolyásolja a LED -ek készítésének módját is.A mérnökök megváltoztathatják az anyagokat és a LED kialakítását, hogy elérjék a kívánt csúcshullámhosszot, így a LED -es munkák jobb felhasználásra szolgálnak.Ez magában foglalja a jobb félvezető anyagok kiválasztását, mivel ezek az anyagok meghatározzák a kibocsátott fény energiáját és hullámhosszát.

Domináns hullámhossz (λD)

5. ábra: A LED domináns hullámhosszának (λD) ábrázoló diagramja

A domináns hullámhossz (λD) alapvető ötlet a szín tanulmányozásában, különösen akkor, ha megértjük, hogy az emberi szemek miként látják a LED -ek és más fényforrások fényét.A domináns hullámhossz az a szín, amelyet az emberek világosan látnak, amikor egy fényforrást néznek, még akkor is, ha ez a fény több különböző színből áll.Ez a mérés azért számít, mert az emberi látás egyesíti ezeket a többszíneket egy fő színű, amelyet érzékelünk.Amikor egy LED fényt bocsát ki, ez általában a színválasztékon keresztül.Ezek az egyes színek összekeverednek, és a domináns hullámhossz az a szín, amely a legjobban kiemelkedik az emberi szem számára.Ennek a színnek a megtalálása nem mindig könnyű, mert ez a különféle színek specifikus keverékétől és erősségétől függ.Ez a folyamat részletes számításokat foglal magában, amelyek figyelembe veszik, hogy az emberi szemek milyen érzékenyek a fény spektrumának különböző részeire.

A domináns hullámhossz megtalálásához egy spektrométernek nevezett eszközt használnak a LED -es fény tanulmányozására.Az összegyűjtött adatok azt mutatják, hogy az egyes színeken milyen erős a fény.Ezt az információt ezután egy kromatikus diagramon ábrázolják, amely egy diagram, amely az emberi látáson alapuló színeket képviseli.A domináns hullámhosszot úgy találják meg, hogy egy vonalat húzunk a diagram központi fehér pontjáról a fényforrás koordinátáin keresztül, és kiterjeszti azt a diagram szélére.Az a pont, amikor ez a vonal megfelel a szélnek, az a domináns hullámhossz.

A domináns hullámhossz ismerete nagyon hasznos olyan területeken, ahol pontos színre van szükség, például a kijelző technológiájában, a világítás kialakításában és minden olyan területen, ahol pontos szín illesztésre van szükség.A domináns hullámhossz ellenőrzésével a gyártók olyan LED -eket hozhatnak létre, amelyek különböző célokra alkalmas színeket bocsátanak ki, például segítenek a növények jobb növekedésében bizonyos világos színekkel, vagy fényes és reális színek előállítása a képernyőkön.

Fehér fény létrehozása LED -ekkel

6. ábra: Két módszer a fehér fény létrehozására LED -ekkel

A fehér fény létrehozása LED -ekkel két fő módszert foglal magában, mindegyiknek megvan a maga előnyei és felhasználása.

Az egyik módszer a vörös, zöld és kék (RGB) LED -ek kombinálását jelenti.A három elsődleges szín intenzitásának gondos beállításával összekeverhetők, hogy fehér fényt teremtsenek.Ezt a technikát általában olyan eszközökben használják, amelyek pontos színvezérlést és pontos színváltozást igényelnek, például színes színű LED-es kijelzőket és dekoratív világítást.Noha ez a módszer kiváló ellenőrzést kínál a színteljesítmény felett, bonyolultabb és drágább a kék LED -hez képest, a sárga foszfor -megközelítéssel.Fejlett vezérlési áramkörökre és kalibrálásra van szükség annak biztosítása érdekében, hogy a színek helyesen keveredjenek a fehér fény előállításához.

A másik módszer egy kék LED -et használ, párosítva egy sárga foszfor bevonattal.Amikor a kék LED bekapcsol, izgatja a sárga foszforot, így sárga fényt bocsát ki.A fennmaradó kék fény és a kibocsátott sárga fény kombinációja fehér fényt eredményez.Ez a módszer népszerű, mert egyszerű és költséghatékony, így alkalmas a világítási alkalmazások széles skálájára.Ez azonban néha egy fehér fényt eredményezhet, enyhe kék vagy hűvös árnyalatú, ami esetleg nem minden helyzethez ideális.

Mindegyik módszert a költség, a komplexitás és a színminőség közötti kívánt egyensúly alapján választják meg.Az RGB LED-módszert olyan alkalmazásokhoz választják ki, amelyek pontos színhangolást és kiváló minőségű fénykimenetet igényelnek, míg a kék LED-ek sárga foszfor módszerrel gyakran előnyösek az egyszerűség és a megfizethetőség szempontjából.

LED világítási hatékonyság

A LED -ek sokkal kevesebb energiát használnak, mint a hagyományos izzólámpák, és akár 90% -ot takarítanak meg.Fényt termelnek úgy, hogy egy elektromos áramot átadnak egy kis chipen keresztül, és megvilágítják a LED -ek nevű apró fényforrásokat.Ellentétben az izzólámpákkal, amelyek fényt termelnek egy izzószál melegítésével, amíg az izzad, a LED -ek sokkal kevesebb energiával generálnak fényt.

A LED -ek olyan alkatrészekkel, amelyeket hőcsillapítóknak neveznek, amelyek elősegítik az általuk készített hő kezelését.Ezek a hűtőborda bevonja és eloszlatja a hőt, hogy a LED -ek jól működjenek.A jó hőkezelés miatt a LED -ek hosszabb ideig tartanak, és világossá teszik őket.Ha a hőt nem kezelik jól, akkor a LED -ek gyorsabban elhasználódhatnak, és tompítódhatnak.Mennyi ideig tart a LED -ek, és mennyire jól működnek, attól függ, hogy mennyire jók és mennyire működnek a hőcsökkentésük.

Élettartam és degradáció

Az élettartam és a bontás a LED (fénykibocsátó dióda) teljesítményének főbb pontjai.A szokásos izzókkal ellentétben, amelyek általában hirtelen kiégnek, a LED -ek lassan tompítanak az idő múlásával.Ezt a lassú tompítási folyamatot lumen értékcsökkenésnek nevezzük.

A lumen értékcsökkenés azért fordul elő, mert a LED -es anyagok elhasználódnak, ami kevesebb fényt eredményez.Általában egy LED életét arra a pontra mérjük, ahol a fényessége eredeti szintjének 70% -ára esett vissza.Például, ha egy LED 1000 lumennél kezdődik, akkor hasznos élettartamát figyelembe veszik, amikor fényessége 700 lumenre esik.

Számos dolog okozhat lumen értékcsökkenést a LED -ekben, mint például a hőmérséklet, az elektromos feszültség és az ezek előállításához használt anyagok minősége.A magas hőmérséklet felgyorsíthatja a LED -alkatrészek kopását, így gyorsabban tompíthatják őket.Hasonlóképpen, az elektromos stressz, mint például a túl sok áram vagy a feszültség, lerövidítheti a LED életét azáltal, hogy extra károkat okoz a belső részeiben.

A LED -ek készítéséhez használt anyagok minősége szintén nagymértékben befolyásolja, mennyi ideig tartanak.A jobb anyagokkal és az építési módszerekkel készített LED -ek általában hosszabb ideig tartanak és lassabban tompítják.Másrészt az alacsonyabb minőségű LED -ek gyorsabban csökkenhetnek, és rövidebb élettartamúak lehetnek.

A lumen értékcsökkenés akkor fordul elő, amikor a LED -ek idővel elveszítik a fényerőt.Ezt számos fő tényező okozhatja:

• A túlzott hő károsíthatja a LED belső részeit.A hűtőborda segít kezelni ezt a hőt, de ha nem működnek jól, a LED -alkatrészek károsíthatók.

• A nagy elektromos áramok és feszültségek elhasználódhatnak a LED -en belüli alkatrészek.Ez a kopás a LED kevésbé fényesvé teheti a LED -t.

• A LED -ekben, különösen a fehéreknél használt anyagok idővel lebomlanak.Ez az anyagi bontás a fényerő elvesztéséhez is vezet.

• A környezeti feltételek, például a nedvesség és a por, befolyásolhatják a LED -eket.A nedvesség okozhatja az alkatrészeket rozsda vagy rövidzárlat, és a por blokkolhatja a fényt vagy zavarhatja a LED működését.

LED -ek alkalmazása

A LED -ek vagy a fénykibocsátó diódák sokat megváltoztattak a világítási iparágban, mivel sokoldalúak és hatékonyak.Sok szempontból felhasználhatók, a szokásos izzóktól a beépített szerelvényekig.A LED -ek egyik fő előnye a kis méretük, amely lehetővé teszi a kreatív és innovatív világítási mintákat.Ez lehetővé teszi a LED-eket, amelyek tökéletesek a hagyományos izzók cseréjéhez, mind az egyedi berendezésekbe történő beépítéséhez, tartós és energiatakarékos világítási megoldások biztosításához.

A hibrid világítási megoldásokban a LED -eket a hagyományos világítási mintákkal kombinálják.Ezeknek a rendszereknek gyakran cserélhető LED -alkatrészei vannak a speciálisan kialakított szerelvényeken belül, megkönnyítve a karbantartást és a frissítést.Ez a kombináció a régi és az új világítási technológiák legjobb részeit veszi igénybe, javítva az általános felhasználói élményt.

A LED -ek sokféle helyen használhatók, az otthonoktól az ipari környezetig.Energiahatékonyságuk nagy előnye, mivel a LED -ek kevesebb energiát használnak a hagyományos fényekhez képest.Ez alacsonyabb energiaszámlákat és kisebb hatást jelent a környezetre.Ezenkívül a LED -ek hosszabb ideig tartanak, így nem kell olyan gyakran cserélni őket, időt és pénzt takarítva meg.

Hőgazdálkodás LED -ekben

7. ábra: Hőgazdálkodás LED -ekben

A megfelelő hőkezelés nagyon hasznos, hogy a LED -ek mennyire működnek és mennyi ideig tartanak.A LED -ek használatakor hőt termelnek.Ha ezt a hőt nem kezelik jól, akkor gyorsan károsíthatja a LED -eket, kevésbé hatékonyan és rövidítheti életüket.

A LED hő kezelésének nagy része a hűtőbányászat.A hűtőborda segít azáltal, hogy felszívja és eloszlatja a hőt a LED -es chip kapcsolatától az áramköri kártyával, hűvösebbé téve.Az, hogy mennyire jól működik a hűtőborda, az sokat attól függ, hogy miből készül, és annak kialakítását.

Az olyan anyagokat, mint az alumínium és a réz, gyakran használják a hűtőbányászathoz, mert hatékonyan mozoghatnak a hőtől.Ezenkívül a hűtőborda kialakítása általában olyan funkciókat tartalmaz, mint az uszonyok, amelyek növelik a felületet, amely felszabadíthatja a hőt.Ez a nagyobb felület elősegíti a hőcsökkentésnek a hőt a LED -ből történő eloszlatásában, a LED -es hűtőszekrények megőrzésében és annak biztosításában, hogy hosszú ideig jól működik -e.

Különbségek a LED és a hagyományos világítás között

A LED -ek számos előnyt kínálnak a hagyományos izzólámpa és a CFL (kompakt fluoreszkáló lámpa) megvilágításával szemben, különösen a könnyű irányban és a színtartományban:

• Irányított megvilágítás: A LED -ek egy meghatározott irányba bocsátanak ki fényt, ideálisak a célzott világítási igényekhez, például olvasó lámpákhoz vagy reflektorokhoz.Ezzel szemben az izzólámpák és a CFL izzók minden irányban fényt és hőt bocsátanak ki, gyakran reflektorokat vagy árnyalatokat igényelnek a fény fókuszálásához, ami energia pazarlást eredményez.

• Színes lehetőségek: A LED -ek széles színvonalat biztosítanak, beleértve a borostyán, a piros, a zöld és a kék színt.A fehér fény különféle színű LED-ek (például piros, zöld és kék) keverésével, vagy olyan foszfor-bevonatú LED-ek használatával készülhet, amelyek fehér fényt bocsátanak ki, amikor a kék vagy az ultraibolya fény áthalad a foszforon.Ez a széles színtartomány lehetővé teszi a LED-ek számára, hogy kielégítsék a különféle megvilágítási igényeket, a meleg, barátságos megvilágítástól a fényes, nappaliszerű megvilágításig.

Hogyan működnek a LED -ek?

8. ábra: A LED felépítése

A LED -ek (fénykibocsátó diódák) úgy működnek, mint a diódák, és a fényt adják ki, amikor előzetesen elfogultak.Ebben a beállításban a negatív oldalt (katód) csatlakoztatják az áramforrás negatív termináljához, és a pozitív oldal (anód) a pozitív terminálhoz van csatlakoztatva.Ez az elrendezés lehetővé teszi, hogy az N-régióból származó elektronok energiát szerezzenek, és a P-régió felé mozogjanak.Amikor ezek az elektronok átlépik a csomópontot, és találkoznak a P-régió lyukaival, az energiát fényként engedik el.

A LED -es fény színe a használt félvezető anyagoktól függ.Például a gallium -arzenid infravörös fényt termel, míg a gallium -foszfid zöld vagy vörös fényt eredményezhet.Ezek a színbeli különbségek az anyagok különféle energiaszintéből származnak, amelyek a kioltott fény hullámhosszát döntik.

Egy LED -et egy ólomkerettel építenek, amelyet gyakran üllőnek hívnak, amely a katód terminálhoz van csatlakoztatva.Ez a keret tartja a félvezető anyagot.A félvezető P-régióját a felszín közelében helyezik el, hogy megbizonyosodjon arról, hogy több fény kijön a LED-ből, ahelyett, hogy csapdába esik.Ez a kialakítás elősegíti a LED fényerejének és hatékonyságának növelését.

Következtetés

A LED -eknek számos előnye van a hagyományos lámpákkal szemben.Kevesebb energiát használnak, hosszabb ideig tartanak, és jobb fényminőséget biztosítanak.A LED -ek úgy működnek, hogy az elektronokat félvezetőn keresztül mozgatják, közvetlenül az elektromos energiát nagyon kevés hővel világítják.Különböző színeket tudnak előállítani a felhasznált anyagok alapján, és a lámpa típusú és a chip típusú LED -ek különböző kivitele még hasznosabbá teszi őket.A technológia javulásával a LED -ek tovább javulnak, több előnyt kínálnak, és több módon használják fel őket.Azáltal, hogy megérti, hogyan működnek a LED -ek és azok előnyei, egyértelmű, hogy miért válnak az otthonainkban, irodáinkban és azon kívüli megvilágításhoz preferált választás.

Gyakran feltett kérdések [GYIK]

1. Hogyan működik a LED kijelző?

A LED-kijelző sok apró lámpával működik, úgynevezett fénykibocsátó diódák (LED-ek).Ezek az apró fények különböző színekben ragyognak, hogy képeket és szövegeket készítsenek.Az elektronikus áramkörök vezérlik ezeket a lámpákat, gyorsan be- és kikapcsolják őket, hogy megmutassák a kívánt képeket és mintákat.

2. Melyek a két fő dologhoz használják a LED -eket?

A LED -eket elsősorban megvilágításhoz és kijelzőkhöz használják.A világításhoz fényes és energiatakarékos fényt kínálnak otthonok, utcák és járművek számára.A kijelzőkhöz a televíziók, a számítógépek és a hirdetőtáblák képernyőin használják őket.

3. Mi a LED és annak munkájának alapelve?

A LED elve egy elektrolumineszcencia nevű folyamaton alapul.Amikor egy elektromos áram átfolyik a LED anyagán, akkor fényt bocsát ki.Ez azért történik, mert az elektromos energia miatt az elektronok más részecskékkel kombinálódnak, és az energiát fényként szabadítják fel.

4. Miért fontosak a LED -ek?

A LED -ek számítanak, mert energiát takarítanak meg, hosszú ideig tartanak, és jót tesznek a környezetnek.Kevesebb villamos energiát használnak, mint a hagyományos lámpák, és sokkal hosszabb élettartamúak, tehát nem kell olyan gyakran cserélni őket.

5. Melyek a LED -ek előnyei?

A LED -ek előnyei között szerepel a kevesebb energia felhasználása, hosszabb élettartamú, tartósabb, kisebb méretű, valamint gyorsabb bekapcsolás.Ezenkívül kevesebb hőt termelnek, és sok színben kaphatók, így különféle célokra hasznosak.