Apa itu Light Emitting Diode: Bekerja & Aplikasinya

Coba Instrumen Kami Untuk Menghilangkan Masalah





Dioda pemancar cahaya adalah sumber cahaya semikonduktor dua kabel. Pada tahun 1962, Nick Holonyak mendapatkan ide tentang dioda pemancar cahaya, dan dia bekerja untuk perusahaan listrik umum. LED adalah jenis dioda khusus dan memiliki karakteristik kelistrikan yang mirip dengan dioda sambungan PN. Karenanya LED memungkinkan aliran arus ke arah depan dan memblokir arus ke arah sebaliknya. LED menempati area kecil yang kurang dari 1 mmdua . Aplikasi LED digunakan untuk membuat berbagai proyek kelistrikan dan elektronik. Pada artikel ini, kita akan membahas prinsip kerja LED dan aplikasinya.

Apa itu Light Emitting Diode?

Dioda pemancar pencahayaan adalah a dioda persimpangan p-n . Ini adalah dioda yang diolah secara khusus dan terdiri dari jenis semikonduktor khusus. Ketika cahaya dipancarkan dalam bias maju, maka itu disebut dioda pemancar cahaya.




Light Emitting Diode

Light Emitting Diode

Simbol LED



Simbol LED mirip dengan simbol dioda kecuali dua panah kecil yang menentukan pancaran cahaya, oleh karena itu dinamakan LED (light-emitting diode). LED mencakup dua terminal yaitu anoda (+) dan katoda (-). Simbol LED ditunjukkan di bawah ini.

Simbol LED

Simbol LED

Konstruksi LED

Konstruksi LED sangat sederhana karena dirancang melalui pengendapan tiga lapisan bahan semikonduktor di atas substrat. Ketiga lapisan ini disusun satu per satu dimana wilayah atas merupakan wilayah tipe-P, wilayah tengah aktif dan terakhir, wilayah bawah adalah tipe-N. Tiga wilayah material semikonduktor dapat diamati dalam konstruksi. Dalam konstruksi, wilayah tipe-P mencakup lubang-lubang di wilayah tipe-N termasuk pemilihan sedangkan wilayah aktif mencakup lubang dan elektron.

Ketika tegangan LED tidak diterapkan, maka tidak ada aliran elektron dan lubang sehingga stabil. Setelah tegangan diterapkan maka LED akan bias maju, sehingga elektron di daerah N dan lubang dari daerah P akan pindah ke daerah aktif. Wilayah ini juga dikenal sebagai wilayah deplesi. Karena pembawa muatan seperti lubang mengandung muatan positif sedangkan elektron memiliki muatan negatif sehingga cahaya dapat dihasilkan melalui rekombinasi muatan polaritas.


Bagaimana Cara Kerja Light Emitting Diode?

Dioda pemancar cahaya sederhananya, kita kenal sebagai dioda. Ketika dioda bias maju, maka elektron & lubang bergerak cepat melintasi persimpangan dan mereka digabungkan secara konstan, melepaskan satu sama lain. Segera setelah elektron berpindah dari silikon tipe-n ke silikon tipe-p, ia bergabung dengan lubang, kemudian menghilang. Oleh karena itu membuat atom lengkap & lebih stabil dan memberikan sedikit ledakan energi dalam bentuk paket kecil atau foton cahaya.

Cara Kerja Light Emitting Diode

Cara Kerja Light Emitting Diode

Diagram di atas menunjukkan cara kerja dioda pemancar cahaya dan proses diagram langkah demi langkah.

  • Dari diagram di atas, kita dapat mengamati bahwa silikon tipe-N berwarna merah termasuk elektron-elektron yang ditunjukkan oleh lingkaran hitam.
  • Silikon tipe P berwarna biru dan mengandung lubang yang ditandai dengan lingkaran putih.
  • Catu daya melintasi persimpangan p-n membuat dioda maju bias dan mendorong elektron dari tipe-n ke tipe-p. Mendorong lubang ke arah yang berlawanan.
  • Elektron dan lubang di persimpangan digabungkan.
  • Foton dilepaskan saat elektron dan lubang digabungkan kembali.

Sejarah Light Emitting Diode

LED ditemukan pada tahun 1927 tetapi bukan penemuan baru. Tinjauan singkat tentang sejarah LED dibahas di bawah ini.

  • Pada tahun 1927, Oleg Losev (penemu Rusia) menciptakan LED pertama dan menerbitkan beberapa teori tentang penelitiannya.
  • Pada tahun 1952, Prof Kurt Lechovec telah menguji teori-teori Losers dan menjelaskan tentang LED pertama.
  • Pada tahun 1958, LED hijau pertama ditemukan oleh Rubin Braunstein & Egon Loebner
  • Pada tahun 1962, LED merah dikembangkan oleh Nick Holonyak. Jadi, LED pertama dibuat.
  • Pada tahun 1964, IBM menerapkan LED pada papan sirkuit untuk pertama kalinya pada komputer.
  • Pada tahun 1968, HP (Hewlett Packard) mulai menggunakan LED di kalkulator.
  • Pada tahun 1971, Jacques Pankove & Edward Miller menemukan LED biru
  • Pada tahun 1972, M. George Crawford (Insinyur Listrik) menemukan LED berwarna kuning.
  • Pada tahun 1986, Walden C. Rhines & Herbert Maruska dari Universitas Stafford menemukan LED warna biru dengan Magnesium termasuk standar masa depan.
  • Pada tahun 1993, Hiroshi Amano & Fisikawan Isamu Akaski telah mengembangkan Gallium Nitride dengan LED warna biru berkualitas tinggi.
  • Seorang insinyur listrik seperti Shuji Nakamura mengembangkan LED biru pertama dengan kecerahan tinggi melalui pengembangan Amanos & Akaski, yang dengan cepat mengarah pada perluasan LED warna putih.
    Pada tahun 2002, LED warna putih digunakan untuk keperluan perumahan yang mengisi daya sekitar £ 80 hingga £ 100 untuk setiap bohlam.
  • Pada tahun 2008, lampu LED menjadi sangat populer di perkantoran, rumah sakit & sekolah.
  • Di tahun 2019 ini, LED sudah menjadi sumber cahaya utama
  • Perkembangan LED luar biasa, karena berkisar dari indikasi kecil hingga menerangi kantor, rumah, sekolah, rumah sakit, dll.

Rangkaian Light Emitting Diode untuk Biasing

Sebagian besar LED memiliki peringkat tegangan dari 1 volt-3 volt sedangkan peringkat arus maju berkisar dari 200 mA-100 mA.

Biasing LED

Biasing LED

Jika tegangan (1V ke 3V) dialirkan ke LED, maka LED berfungsi dengan baik karena aliran arus untuk tegangan yang diberikan akan berada dalam rentang operasi. Demikian pula, jika tegangan yang diberikan ke LED lebih tinggi dari tegangan operasi maka daerah penipisan di dalam dioda pemancar cahaya akan rusak karena aliran arus yang tinggi. Arus tinggi yang tidak terduga ini akan merusak perangkat.

Ini dapat dihindari dengan menghubungkan resistor secara seri dengan sumber tegangan & LED. Peringkat voltase aman dari LED akan berkisar dari 1V hingga 3 V sedangkan peringkat arus aman berkisar dari 200 mA hingga 100 mA.

Di sini, resistor yang disusun di antara sumber tegangan dan LED dikenal sebagai resistor pembatas arus karena resistor ini membatasi aliran arus, jika tidak LED dapat merusaknya. Jadi resistor ini berperan penting dalam melindungi LED.

Secara matematis, aliran arus melalui LED dapat ditulis sebagai

JIKA = Vs - VD / Rs

Dimana,

'JIKA' adalah arus maju

'Vs' adalah sumber tegangan

'VD' adalah penurunan tegangan melintasi dioda pemancar cahaya

'Rs' adalah resistor pembatas arus

Jumlah tegangan yang turun untuk mengalahkan penghalang dari wilayah penipisan. Penurunan tegangan LED akan berkisar dari 2V ke 3V sementara dioda Si atau Ge adalah 0,3 jika tidak 0,7 V.

Dengan demikian, LED dapat dioperasikan dengan menggunakan tegangan tinggi dibandingkan dengan dioda Si atau Ge.
Dioda pemancar cahaya mengkonsumsi lebih banyak energi daripada dioda silikon atau germanium untuk beroperasi.

Jenis Dioda Pemancar Cahaya

Ada berbagai jenis dioda pemancar cahaya hadir dan beberapa di antaranya disebutkan di bawah.

  • Gallium Arsenide (GaAs) - infra-merah
  • Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP) - merah ke infra-merah, oranye
  • Aluminium Gallium Arsenide Phosphide (AlGaAsP) - kecerahan tinggi merah, oranye-merah, oranye, dan kuning
  • Gallium Phosphide (GaP) - merah, kuning dan hijau
  • Aluminium Gallium Phosphide (AlGaP) - hijau
  • Gallium Nitride (GaN) - hijau, hijau zamrud
  • Gallium Indium Nitride (GaInN) - hampir ultraviolet, hijau kebiruan dan biru
  • Silicon Carbide (SiC) - biru sebagai substrat
  • Zinc Selenide (ZnSe) - biru
  • Aluminium Gallium Nitride (AlGaN) - ultraviolet

Prinsip Kerja LED

Prinsip kerja dioda pemancar cahaya didasarkan pada teori kuantum. Teori kuantum mengatakan bahwa ketika elektron turun dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah, energi tersebut dipancarkan dari foton. Energi foton sama dengan celah energi antara dua tingkat energi ini. Jika dioda PN-junction berada pada bias maju, maka arus mengalir melalui dioda.

Prinsip Kerja LED

Prinsip Kerja LED

Aliran arus dalam semikonduktor disebabkan oleh aliran lubang yang berlawanan arah dengan arus dan aliran elektron ke arah arus. Oleh karena itu akan terjadi rekombinasi karena aliran pembawa muatan ini.

Rekombinasi menunjukkan bahwa elektron dalam pita konduksi melompat ke pita valensi. Ketika elektron meloncat dari satu pita ke pita lainnya elektron akan memancarkan energi elektromagnetik dalam bentuk foton dan energi fotonnya sama dengan celah energi terlarang.

Sebagai contoh, mari kita pertimbangkan teori kuantum, energi foton adalah produk dari konstanta Planck dan frekuensi radiasi elektromagnetik. Persamaan matematika ditampilkan

Persamaan = hf

Dimana dikenal sebagai konstanta Planck, dan kecepatan radiasi elektromagnetik sama dengan kecepatan cahaya yaitu c. Radiasi frekuensi terkait dengan kecepatan cahaya sebagai f = c / λ. λ dilambangkan sebagai panjang gelombang radiasi elektromagnetik dan persamaan di atas akan menjadi a

Persamaan = dia / λ

Dari persamaan di atas, dapat dikatakan bahwa panjang gelombang radiasi elektromagnetik berbanding terbalik dengan jarak terlarang. Pada silikon umum semikonduktor germanium, celah energi terlarang ini berada di antara pita kondisi dan valensi sedemikian rupa sehingga total radiasi gelombang elektromagnetik selama rekombinasi berupa radiasi infra merah. Kami tidak dapat melihat panjang gelombang inframerah karena berada di luar jangkauan terlihat kami.

Radiasi infra merah dikatakan sebagai panas karena silikon dan semikonduktor germanium bukanlah semikonduktor gap langsung, melainkan semikonduktor gap tidak langsung. Tetapi pada semikonduktor gap langsung, tingkat energi maksimum pita valensi dan tingkat energi minimum pita konduksi tidak terjadi pada momen elektron yang sama. Oleh karena itu, selama rekombinasi elektron dan lubang terjadi migrasi elektron dari pita konduksi ke pita valensi momentum pita elektron akan berubah.

LED putih

Pembuatan LED dapat dilakukan melalui dua teknik. Pada teknik pertama, chip LED seperti merah, hijau & biru digabungkan dalam paket yang sama untuk menghasilkan cahaya putih sedangkan pada teknik kedua, digunakan pendar. Fluoresensi dalam fosfor dapat diringkas dalam epoksi sekitarnya kemudian LED akan diaktifkan melalui energi panjang gelombang pendek menggunakan perangkat LED InGaN.

Lampu warna yang berbeda seperti lampu biru, hijau & merah digabungkan dalam jumlah yang dapat diubah untuk menghasilkan sensasi warna berbeda yang dikenal sebagai warna aditif primer. Ketiga intensitas cahaya ini ditambahkan secara merata untuk menghasilkan cahaya putih.

Namun, untuk mencapai kombinasi ini melalui kombinasi LED hijau, biru & merah yang membutuhkan desain elektro-optik yang rumit untuk mengontrol kombinasi & difusi warna yang berbeda. Lebih lanjut, pendekatan ini bisa menjadi rumit karena perubahan dalam warna LED.

Lini produk LED putih terutama bergantung pada satu chip LED menggunakan lapisan fosfor. Lapisan ini menghasilkan cahaya putih setelah menembus foton ultraviolet atau biru. Prinsip yang sama juga diterapkan pada lampu Fluoresen, emisi ultraviolet dari pelepasan listrik di dalam tabung akan menyebabkan fosfor berkedip putih.

Meskipun proses LED ini dapat menghasilkan corak yang berbeda, perbedaan dapat dikontrol dengan penyaringan. Perangkat berbasis LED putih disaring dengan menggunakan empat koordinat kromatisitas yang tepat yang berdekatan dengan pusat diagram CIE.

Diagram CIE menjelaskan semua koordinat warna yang dapat dicapai dalam kurva tapal kuda. Warna bersih terletak di atas busur, tetapi ujung putih ada di tengah. Warna keluaran LED putih dapat direpresentasikan melalui empat titik yang direpresentasikan di tengah grafik. Meskipun empat koordinat grafik mendekati putih bersih, LED ini biasanya tidak efektif seperti sumber cahaya umum untuk menerangi lensa berwarna.

LED ini terutama berguna untuk lensa putih jika tidak bening, buram lampu latar. Ketika teknologi ini terus berkembang, LED putih pasti akan mendapatkan reputasi sebagai sumber & indikasi iluminasi.

Khasiat Bercahaya

Kemanjuran cahaya LED dapat didefinisikan sebagai fluks bercahaya yang dihasilkan dalam lm untuk setiap unit dan daya listrik dapat digunakan dalam W. Urutan efektivitas internal terukur dari LED warna Biru adalah 75 lm / W LED kuning memiliki 500 lm / W & merah LED memiliki 155 lm / W. Karena penyerapan ulang internal, kehilangan dapat dipertimbangkan urutan efektivitas bercahaya berkisar dari 20 hingga 25 lm / W untuk LED hijau & kuning. Definisi khasiat ini juga dikenal sebagai khasiat eksternal & sejalan dengan definisi khasiat yang biasanya digunakan untuk jenis sumber cahaya lain seperti LED multiwarna.

Multicolor Light Emitting Diode

Dioda pemancar cahaya yang menghasilkan satu warna setelah tersambung dalam bias maju & menghasilkan warna setelah tersambung dalam bias balik dikenal sebagai LED multiwarna.

Sebenarnya, LED ini mencakup dua PN-junction dan sambungan ini dapat dilakukan secara paralel dengan anoda dari satu yang dihubungkan ke katoda yang lain.

LED multicolor biasanya berwarna merah setelah bias ke satu arah & hijau setelah bias ke arah lain. Jika LED ini dinyalakan dengan sangat cepat di antara dua polaritas, maka LED ini akan menghasilkan warna ketiga. Sebuah LED hijau atau merah akan menghasilkan lampu warna kuning setelah dengan cepat beralih ke belakang dan ke depan di antara polaritas biasing.

Apa perbedaan antara Dioda dan LED?

Perbedaan utama antara dioda dan LED meliputi yang berikut ini.

Diode

LED

Perangkat semikonduktor seperti dioda berjalan hanya dalam satu arah.LED adalah salah satu jenis dioda yang digunakan untuk menghasilkan cahaya.
Perancangan dioda dapat dilakukan dengan bahan semikonduktor & aliran elektron dalam bahan ini dapat memberikan energi dalam bentuk panas.LED dirancang dengan gallium phosphide & gallium arsenide yang elektronnya dapat menghasilkan cahaya saat mentransmisikan energi.

Dioda mengubah AC menjadi DCLED mengubah voltase menjadi cahaya
Ini memiliki tegangan kerusakan terbalik yang tinggiIni memiliki tegangan kerusakan mundur rendah.
Tegangan on-state dioda adalah 0.7v untuk silikon sedangkan untuk germanium, 0.3vTegangan LED pada kondisi kira-kira berkisar dari 1,2 hingga 2,0 V.
Dioda digunakan dalam penyearah tegangan, rangkaian kliping & penjepit, pengganda tegangan.

Aplikasi LED adalah sinyal lalu lintas, lampu depan otomotif, perangkat medis, flash kamera, dll.

Karakteristik I-V LED

Ada berbagai jenis dioda pemancar cahaya yang tersedia di pasaran dan ada karakteristik LED yang berbeda yang meliputi cahaya warna, atau radiasi panjang gelombang, intensitas cahaya. Ciri penting dari LED adalah warna. Saat mulai menggunakan LED, hanya ada warna merah. Karena penggunaan LED meningkat dengan bantuan proses semikonduktor dan melakukan penelitian pada logam baru untuk LED, warna yang berbeda terbentuk.

Karakteristik I-V LED

Karakteristik I-V LED

Grafik berikut menunjukkan kurva perkiraan antara tegangan maju dan arus. Setiap kurva pada grafik menunjukkan warna yang berbeda. Tabel menunjukkan ringkasan karakteristik LED.

Karakteristik LED

Karakteristik LED

Apa dua jenis konfigurasi LED?

Konfigurasi standar LED adalah dua seperti pemancar dan juga COB

Emitor adalah cetakan tunggal yang dipasang ke papan sirkuit, kemudian ke unit pendingin. Papan sirkuit ini memberikan daya listrik ke emitor, sekaligus menarik panas.

Untuk membantu mengurangi biaya serta meningkatkan keseragaman cahaya, peneliti menentukan bahwa substrat LED dapat dilepas & dadu tunggal dapat dipasang secara terbuka ke papan sirkuit. Jadi desain ini disebut COB (chip-on-board array).

Keuntungan dan Kerugian LED

Itu keuntungan dari dioda pemancar cahaya termasuk yang berikut ini.

  • Harga LED lebih murah dan kecil.
  • Dengan menggunakan LED listrik dikendalikan.
  • Intensitas LED berbeda dengan bantuan mikrokontroler.
  • Seumur Hidup Panjang
  • Hemat energi
  • Tidak ada periode pemanasan
  • Kasar
  • Tidak terpengaruh oleh suhu dingin
  • Terarah
  • Color Rendering sangat bagus
  • Ramah lingkungan
  • Terkendali

Itu kerugian dari dioda pemancar cahaya termasuk yang berikut ini.

  • Harga
  • Sensitivitas suhu
  • Ketergantungan suhu
  • Kualitas cahaya
  • Polaritas listrik
  • Sensitivitas tegangan
  • Efisiensi terkulai
  • Dampak pada serangga

Aplikasi Light Emitting Diode

Ada banyak aplikasi LED dan beberapa di antaranya dijelaskan di bawah ini.

  • LED digunakan sebagai bohlam di rumah dan industri
  • Dioda pemancar cahaya digunakan pada sepeda motor dan mobil
  • Ini digunakan di ponsel untuk menampilkan pesan
  • Di lampu lalu lintas, led sinyal digunakan

Demikian artikel ini membahas gambaran umum tentang dioda pemancar cahaya prinsip kerja sirkuit dan aplikasi. Saya harap dengan membaca artikel ini Anda memperoleh beberapa informasi dasar dan cara kerja dioda pemancar cahaya. Jika Anda memiliki pertanyaan tentang artikel ini atau tentang proyek kelistrikan tahun terakhir, silakan berkomentar di bagian bawah. Ini pertanyaan untukmu, Apa itu LED dan bagaimana cara kerjanya?