LED คืออะไรและทำงานอย่างไร - อุปกรณ์และคุณสมบัติ

เพื่อให้เข้าใจว่า LED คืออะไร ก่อนอื่นคุณต้องเข้าใจการกำหนดที่ยอมรับโดยทั่วไป ซึ่งแสดงเป็นภาษาอังกฤษว่า LED แปลตามตัวอักษรว่า "การปล่อย LED ขนาดเล็ก" ตามตัวอักษร จากมุมมองทางเทคนิค เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่แปลงกระแสไฟฟ้าเป็นรังสีแสงที่มองเห็นได้ ผลิตภัณฑ์ที่เรียบง่ายที่สุดในลักษณะและการออกแบบนี้แตกต่างอย่างเห็นได้ชัดจากอุปกรณ์ให้แสงสว่างทั่วไป: หลอดไส้และสิ่งอื่นที่คล้ายคลึงกัน

ประวัติความเป็นมา

อุปกรณ์และหลักการทำงานของตัวปล่อย LED นั้นง่ายต่อการเข้าใจหากคุณทำความคุ้นเคยกับพื้นหลังของการเกิดขึ้น เป็นครั้งแรกที่ผลิตภัณฑ์เปล่งแสงนี้ถือกำเนิดขึ้นในปี 2505 ในรูปแบบของไดโอดสีแดงขาวดำ แม้จะมีข้อบกพร่องหลายประการ แต่เทคโนโลยีการผลิตก็ได้รับการยอมรับว่ามีแนวโน้มดี ทศวรรษหลังจากแสดงตัวอย่างสีแดง ไฟ LED สีเขียวและสีเหลืองก็ถูกแนะนำให้รู้จักกับสาธารณชนทั่วไป เนื่องจากแรงถีบกลับต่ำ ผลิตภัณฑ์เหล่านี้จึงถูกใช้ภายในบ้านเป็นหลักเป็นตัวบ่งชี้ที่แผงด้านหน้าของเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือน

เมื่อเวลาผ่านไป ความเข้มของการเรืองแสงเพิ่มขึ้นหลายครั้ง และในช่วงทศวรรษ 90 ของศตวรรษที่ผ่านมา เป็นไปได้ที่จะสร้างตัวอย่างที่มีฟลักซ์การส่องสว่างเท่ากับ 1 ลูเมน ในปี 1993 วิศวกรชาวญี่ปุ่น S. Nakamura ได้สร้างไดโอดสีน้ำเงินตัวแรกที่โดดเด่นด้วยระดับความสว่างที่เพิ่มขึ้น นับจากนั้นเป็นต้นมา นักพัฒนาของพวกเขาได้เรียนรู้วิธีสร้างสีใดๆ ในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ซึ่งรวมถึงสีขาว

ด้วยคุณสมบัติที่โดดเด่นของผลิตภัณฑ์ LED เมื่อเวลาผ่านไปพวกเขาได้กลายเป็นคู่แข่งสำคัญของหลอดไส้ที่หลายคนคุ้นเคย

ตั้งแต่ปี 2548 อุตสาหกรรมได้เชี่ยวชาญในการผลิตไฟ LED สีขาวที่มีฟลักซ์การส่องสว่างสูงถึง 100 ลูเมนและอื่น ๆ นอกจากนี้ พวกเขายังได้เรียนรู้วิธีสร้างองค์ประกอบแสงด้วยเฉดสีขาวต่างๆ ("อบอุ่น" "เย็น" และแสงอื่นๆ)

อุปกรณ์และหลักการสร้างรังสี

เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการทำงานของ LED ก่อนอื่นคุณต้องคำนึงถึงประเด็นหลายประการเกี่ยวกับการออกแบบ:

• พื้นฐานขององค์ประกอบ LED คือคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ที่ไหลผ่านกระแสในทิศทางเดียวเท่านั้น
• อุปกรณ์ LED แบบคลาสสิกถือว่ามีสารตั้งต้นที่เป็นฉนวน
• ตัวแก้วของไดโอดปกป้องคริสตัลจากอิทธิพลภายนอกได้อย่างน่าเชื่อถือและในขณะเดียวกันก็เป็นองค์ประกอบที่กระเจิง
• ด้านหลังเคสมีหน้าสัมผัสสองหน้า ซึ่งไฟ LED จะจ่ายไฟมาให้

เพื่อเพิ่มอายุการใช้งานของอุปกรณ์เปล่งแสง ช่องว่างระหว่างเลนส์กระจายและตัวคริสตัลเองจะเต็มไปด้วยสารประกอบซิลิโคนโปร่งใส

ในโครงสร้างของไฟ LED บางตัวมีพื้นผิวอลูมิเนียมพิเศษซึ่งเป็นฐานของอุปกรณ์และในขณะเดียวกันก็ขจัดความร้อนส่วนเกินออกจากตัวเครื่อง

จะเข้าใจได้ง่ายขึ้นว่า LED ทำงานอย่างไรโดยการตรวจสอบทางแยกเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งผู้เชี่ยวชาญเรียกว่าจุดต่ออิเล็กตรอน ชื่อของมันสัมพันธ์กับลักษณะที่แตกต่างกันของพาหะหลักในเลเยอร์ขอบเขตของโครงสร้างทั้งสอง ในเซมิคอนดักเตอร์หนึ่งมีอิเล็กตรอนมากเกินไปที่ขอบเขตการสัมผัสและในวัสดุที่อยู่ติดกันมีรูส่วนเกินในกระบวนการผลิตหัวต่อเซมิคอนดักเตอร์ พวกมันจะเจาะเข้าไปในชั้นที่อยู่ติดกัน ทำให้เกิดสิ่งกีดขวางที่อาจป้องกันอคติย้อนกลับ ค่าของแรงดันไปข้างหน้าบน LED ระหว่างการทำงานขึ้นอยู่กับความกว้างของทางแยก

เมื่อศักย์ไฟฟ้าของขั้วที่กำหนดและค่าที่สร้างโดยแหล่งกำเนิดกระแสคงที่ถูกนำไปใช้กับไดโอด เป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนทางแยกไปในทิศทางที่ต้องการ สิ่งนี้จะนำไปสู่การเปิดและการปรากฏตัวของการไหลย้อนกลับของอนุภาคที่มีประจุตรงข้าม เมื่อพวกเขาชนกัน ปริมาณพลังงานแสง - โฟตอน - จะถูกปล่อยออกมาภายในขอบเขตของการเปลี่ยนแปลง ขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์เหล่านี้ การแผ่รังสีจะได้สีที่แน่นอน

สิ่งที่กำหนดสีของ LED

ในการผลิตไฟ LED ใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ประเภทต่างๆ ซึ่งการเลือกใช้เป็นตัวกำหนดเฉดสีที่ปล่อยออกมา

ความสามารถในการแยกแยะสีเป็นคุณสมบัติโดยธรรมชาติของดวงตามนุษย์ ซึ่งสามารถจับการไล่สีได้อย่างแม่นยำ มันมีการเชื่อมโยงอย่างแยกไม่ออกกับความยาวคลื่นของรังสีควอนตัมที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของความถี่หนึ่ง ๆ พกพาติดตัวไปด้วย ในกรณีนี้ พัลส์แสงจะเกิดขึ้นที่ขอบทางแยกเซมิคอนดักเตอร์ของ LED

เมื่อศึกษาคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ ในระยะเริ่มต้นของการศึกษา นักวิทยาศาสตร์ได้ระบุวัสดุ เช่น แกลเลียมฟอสไฟด์ รวมถึงสารประกอบไตรภาค AlGaAs และ GaAsP เมื่อใช้มันเป็นไปได้ที่จะได้รับรังสีสีแดงและสีเหลืองสีเขียว ในปัจจุบัน เพื่อให้ได้การผสมสีที่หลากหลาย จะใช้การผสมผสานที่ซับซ้อนมากขึ้นของอะลูมิเนียมกับอินเดียมและแกลเลียม (AllnGaP) หรืออินเดียม-แกลเลียมไนไตรด์ (InGaN) เซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้สามารถทนต่อกระแสที่มีนัยสำคัญ ซึ่งทำให้สามารถรับประสิทธิภาพการส่องสว่างสูงจากพวกมันได้

เทคนิคการผสมสี

แถบไดโอดสมัยใหม่และกลุ่มโมดูลาร์ LED สามารถผลิตเฉดสีต่างๆ ของช่วงแสงได้ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงครั้งเดียวทำให้เกิดการแผ่รังสีเอกซ์เรย์ จึงจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์หลายชิปเพื่อสร้างแสงหลากสี ผลิตภัณฑ์ที่ซับซ้อนนี้ทำงานเหมือนจอคอมพิวเตอร์ซึ่งเป็นไปได้ที่จะได้สีเกือบทุกชนิด (สำหรับสิ่งนี้จะใช้โมดูล RGB พิเศษ)

การใช้ประโยชน์จากหลักการของการสร้างแรเงานี้ ทำให้สามารถรับแสงสีขาวได้ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในไฟสปอร์ตไลท์ LED เป็นต้น ในการทำเช่นนี้ สีดั้งเดิมหรือสีพื้นทั้งสามสีถูกผสมในสัดส่วนที่เท่ากัน

นอกจากนี้ยังสามารถรับได้โดยการรวมโครงสร้างไดโอดของรังสีอัลตราไวโอเลตหรือรังสีสีน้ำเงินเข้ากับสารเคลือบประเภทฟอสเฟอร์สีเหลือง

คุณสมบัติของการผลิต LED

เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการผลิต LED คุณต้องทำความคุ้นเคยกับคุณสมบัติโครงสร้างในแง่ของเทคโนโลยีที่ใช้ในการผลิต ดังนั้นเมื่อพิจารณาถึงลักษณะเฉพาะของการผลิตจะคำนึงถึงประเด็นต่อไปนี้เป็นหลัก:

• วิธีการเฉพาะในการสร้างสีของรังสี (เมทริกซ์หรือสารเรืองแสง)
• ไฟ LED ถูกออกแบบมาสำหรับกี่โวลต์และค่าปัจจุบันที่พวกเขาทนต่อ
• เทคโนโลยีใดช่วยให้คุณได้แสงที่มีคุณภาพดีที่สุดและราคาถูกกว่า

การผลิตชิปโดยใช้รูปแบบเมทริกซ์จะทำให้ผู้ผลิตเสียค่าใช้จ่ายมากขึ้น ซึ่งให้ผลตอบแทนด้วยรังสีคุณภาพสูง ข้อเสียของสารเรืองแสงรวมถึงแสงที่ออกมาน้อย เช่นเดียวกับสีของรังสีที่ไม่บริสุทธิ์ทั้งหมด นอกจากนี้ พวกเขามีอายุการทำงานสั้นลงและมีแนวโน้มที่จะล้มเหลวมากกว่า

ในการผลิตไดโอดตัวบ่งชี้อย่างง่ายที่มีแรงดันตรง 2-4 โวลต์ การเปลี่ยนแปลงจะถูกคำนวณสำหรับกระแสขนาดเล็ก (สูงถึง 50 mA) ในการสร้างอุปกรณ์ให้แสงสว่างเต็มรูปแบบและวงจรบริดจ์ LED จะต้องใช้อุปกรณ์ที่มีอัตรากระแสไฟสูง (สูงถึง 1 แอมแปร์) หากต่อไดโอดโมดูลเดียวในสายอนุกรม แรงดันรวมที่จุดต่อจะสูงถึง 12 หรือ 24 โวลต์ในระหว่างการผลิตผลิตภัณฑ์ เครื่องหมายบวกสำหรับ LED แต่ละดวงจะถูกทำเครื่องหมายด้วยวิธีพิเศษ (มีการยื่นออกมาเล็กน้อยบนขาที่เกี่ยวข้อง)

แอปพลิเคชั่นและการควบคุมการเรืองแสง

เนื่องจากการปรับเปลี่ยนที่หลากหลาย ผลิตภัณฑ์ LED จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ:

• ในการผลิตหลอดประหยัดไฟที่ติดตั้งในโคมระย้าทั่วไปเช่นหรือในเชิงเทียนผนังธรรมดา
• สำหรับใช้เป็นไฟส่องสว่างในโคมจิ๋วทั่วไป เช่นเดียวกับในโครงสร้างขนาดใหญ่ เช่น "ตะเกียงสำหรับตั้งแคมป์"
• หากจำเป็นให้ตกแต่งสถานที่ในรูปแบบของริบบิ้นยาวที่มีสีต่างกัน

การใช้งานเกิดจากระดับความต้านทานของอุปกรณ์ต่อปัจจัยทางภูมิอากาศ ซึ่งประเมินโดยระดับการป้องกันของผลิตภัณฑ์ ขึ้นอยู่กับการออกแบบ จะใช้เฉพาะในอาคารหรือทำงานในพื้นที่เปิดโล่ง (โดยเฉพาะสำหรับตกแต่งป้ายโฆษณาหรือไฟ LED)

คุณสามารถควบคุมระดับความส่องสว่างในโคมไฟธรรมดาหรือโคมระย้าได้หลายวิธี สำหรับสิ่งนี้มักใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์พิเศษซึ่งอนุญาตให้ปรับแอมพลิจูดและพารามิเตอร์อื่น ๆ ของพัลส์แสง เพื่อความสะดวกในการทำงานกับอุปกรณ์ในครัวเรือน โมดูลดังกล่าวผลิตขึ้นในรูปแบบของแผงควบคุมมาตรฐาน