발광 다이오드

발광 다이오드

발광 다이오드(Light Emitting Diodes ) 또는 단순히 LED는 오늘날 사용 가능한 다양한 유형의 반도체 다이오드 중 가장 널리 사용되는 것 중 하나이며 일반적으로 TV 및 컬러 디스플레이에 사용됩니다.

발광 다이오드는 가장 눈에 띄는 유형의 반도체 다이오드입니다. 이 장치는 서로 다른 색상의 파장의 가시광선, 원격 제어를 위한 보이지 않는 적외선 또는 순방향 전류가 통과할 때 레이저 유형의 빛 중 상당히 좁은 대역폭을 방출합니다.

더 일반적으로 불리는 " 발광 다이오드 " 또는 LED는 기본적으로 PN 접합 다이오드와 매우 유사한 전기적 특성을 갖기 때문에 특수한 유형의 다이오드입니다. 이는 LED가 순방향으로 전류를 전달하지만 역방향으로 전류의 흐름을 차단한다는 것을 의미합니다.

발광 다이오드는 상당히 강하게 도핑된 반도체 재료의 매우 얇은 층으로 만들어지며, 사용된 반도체 재료와 도핑량에 따라 순방향 바이어스 시 LED는 특정 스펙트럼 파장의 유색광을 방출합니다.

다이오드가 순방향 바이어스되면 반도체 전도대의 전자는 원자가대의 정공과 재결합하여 단색(단일 색상)의 빛을 방출하는 광자를 생성하기에 충분한 에너지를 방출합니다. 이 얇은 층으로 인해 적당한 수의 광자가 접합부를 떠나 방출되어 유색 광 출력을 생성할 수 있습니다.

 

LED 건설

그러면 순방향 바이어스 방향으로 작동할 때 발광 다이오드 는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하는 반도체 장치라고 말할 수 있습니다.

발광 다이오드의 구성은 일반 신호 다이오드의 구성과 매우 다릅니다. LED의 PN 접합은 진동과 충격으로부터 LED를 보호하는 투명하고 단단한 플라스틱 에폭시 수지 반구형 쉘 또는 본체로 둘러싸여 있습니다.

놀랍게도, LED 접합부는 실제로 그렇게 많은 빛을 방출하지 않으므로 접합부에서 방출된 빛의 광자가 다이오드가 부착된 주변 기판 베이스에서 반사되어 위쪽으로 집중되는 방식으로 에폭시 수지 본체가 구성됩니다. LED의 돔형 상단을 통해 빛의 양을 집중시키는 렌즈 역할을 합니다. 이것이 방출된 빛이 LED 상단에서 가장 밝게 나타나는 이유입니다.

그러나 모든 LED가 에폭시 쉘용 반구형 돔으로 제작되는 것은 아닙니다. 일부 표시 LED는 상단이 평평한 직사각형 또는 원통형 구조이거나 몸체가 막대 또는 화살표 모양입니다. 일반적으로 모든 LED는 본체 바닥에 두 개의 다리가 돌출되어 제작됩니다.

또한 거의 모든 최신 발광 다이오드에는 몸체의 노치 또는 평평한 점으로 식별되는 음극, (  –  ) 단자가 있거나 양극 (  +  ) 리드가 음극 ( 케이).

빛을 비출 때 많은 양의 열을 발생시키는 일반 백열등 및 전구와는 달리, 발광 다이오드는 생성된 에너지의 대부분이 가시광선 내에서 방출되기 때문에 일반 "전구"보다 효율성이 높은 "저온" 빛을 생성합니다. 스펙트럼. LED는 고체 장치이기 때문에 매우 작고 내구성이 뛰어나며 일반 광원보다 훨씬 긴 램프 수명을 제공합니다.

발광 다이오드 색상

그러면 발광 다이오드는 어떻게 색상을 얻습니까? 감지 또는 전력 정류용으로 제작되고 게르마늄 또는 실리콘 반도체 재료로 제작되는 일반 신호 다이오드와 달리 발광 다이오드는 갈륨 비화물(GaAs), 갈륨 인화물(GaP), 갈륨 비소와 같은 이국적인 반도체 화합물로 제작됩니다. 인화물(GaAsP), 실리콘 카바이드(SiC) 또는 갈륨 인듐 질화물(GaInN)은 모두 서로 다른 비율로 혼합되어 뚜렷한 파장의 색상을 생성합니다.

다양한 LED 화합물은 가시광선 스펙트럼의 특정 영역에서 빛을 방출하므로 다양한 강도 수준을 생성합니다. 사용되는 반도체 재료의 정확한 선택에 따라 광자 빛 방출의 전체 파장이 결정되고 이에 따라 방출되는 빛의 색상이 결정됩니다.

발광 다이오드 색상

일반적인 LED 특성
반도체 소재	파장	색상	VF @  20mA
GaAs	850-940nm	적외선	1.2v
GaAsP	630-660nm	빨간색	1.8v
GaAsP	605-620nm	호박색	2.0v
GaAsP:N	585-595nm	노란색	2.2v
AlGaP	550-570nm	녹색	3.5v
SiC	430-505nm	파란색	3.6v
게인N	450nm	하얀색	4.0v

따라서, 발광 다이오드의 실제 색상은 방출되는 빛의 파장에 따라 결정되며, 이는 다시 제조 과정에서 PN 접합을 형성하는 데 사용되는 실제 반도체 화합물에 의해 결정됩니다.

따라서 LED에서 방출되는 빛의 색상은 LED 플라스틱 몸체의 색상에 의해 결정되지 않습니다. 비록 이러한 색상은 광 출력을 향상시키고 전원 공급 장치에 의해 조명되지 않을 때 색상을 표시하기 위해 약간 색상이 지정되어 있습니다.

 

발광 다이오드는 다양한 색상으로 제공되며 가장 일반적인 색상은 RED , AMBER ,  YELLOW  및 GREEN 이므로 시각적 표시기 및 이동 조명 디스플레이로 널리 사용됩니다.

최근 개발된 청색 및 백색 LED도 사용 가능하지만 반도체 화합물 내에서 두 개 이상의 보색을 정확한 비율로 혼합하고 질소 원자를 주입하는 생산 비용으로 인해 일반 표준 색상보다 훨씬 비싼 경향이 있습니다. 도핑 과정에서 결정 구조에 들어갑니다.

위의 표를 보면 발광다이오드 제조에 주로 사용되는 P형 도펀트 는 갈륨(Ga, 원자번호 31)이고, 주로 사용되는 N형 도펀트는 비소(As, 원자번호 33)임을 알 수 있습니다. 갈륨비소(GaAs) 결정 구조의 결과 화합물입니다.

갈륨비소를 반도체 화합물로 사용할 때의 문제점은 순방향 전류가 흐를 때 접합부에서 많은 양의 저휘도 적외선(대략 850nm-940nm)을 방출한다는 것입니다.

그것이 생성하는 적외선 빛의 양은 텔레비전 리모컨에는 적합하지만 LED를 표시 등으로 사용하려는 경우에는 그다지 유용하지 않습니다. 그러나 세 번째 도펀트인 인(P, 원자 번호 15)을 추가하면 방출된 방사선의 전체 파장이 680nm 미만으로 감소되어 사람의 눈에 가시적인 적색광이 제공됩니다. PN 접합의 도핑 공정이 더욱 개선되면서 위에서 본 가시광선 스펙트럼은 물론 적외선 및 자외선 파장에 걸쳐 다양한 색상이 생성되었습니다.

다양한 반도체, 금속 및 가스 화합물을 혼합하여 다음 목록의 LED를 생산할 수 있습니다.

발광 다이오드의 종류

• 갈륨비소(GaAs) - 적외선
• 갈륨 비소 인화물(GaAsP) – 빨간색에서 적외선, 주황색
• 알루미늄 갈륨 비화물 인화물(AlGaAsP) – 고휘도 빨간색, 주황색-빨간색, 주황색 및 노란색
• 인화갈륨(GaP) – 빨간색, 노란색 및 녹색
• 알루미늄 갈륨 인화물(AlGaP) – 녹색
• 질화갈륨(GaN) – 녹색, 에메랄드 그린
• 갈륨 인듐 질화물(GaInN) – 근자외선, 청록색 및 청색
• 실리콘 카바이드(SiC) – 파란색을 기판으로 사용
• 아연 셀레나이드(ZnSe) – 파란색
• 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN) – 자외선

기존 PN 접합 다이오드와 마찬가지로 발광 다이오드는 반도체 화합물(광 색상) 및 순방향 바이어스된 LED 전류에 따라 순방향 전압 강하 V F 를 갖는 전류 의존형 장치입니다 . 가장 일반적인 LED에는 약 1.2~3.6V의 순방향 작동 전압과 약 10~30mA의 순방향 정격 전류가 필요하며, 12~20mA가 가장 일반적인 범위입니다.

순방향 작동 전압과 순방향 전류는 사용되는 반도체 재료에 따라 다르지만 전도가 시작되고 빛이 생성되는 지점은 표준 빨간색 LED의 경우 약 1.2V, 파란색 LED의 경우 약 3.6V입니다.

물론 정확한 전압 강하는 사용되는 도펀트 재료와 파장이 다르기 때문에 제조업체에 따라 다릅니다. 특정 전류 값(예: 20mA)에서 LED의 전압 강하는 초기 전도 V F 지점에 따라 달라집니다. LED는 사실상 다이오드이므로 순방향 전류-전압 특성 곡선은 아래와 같이 각 다이오드 색상에 대해 플롯될 수 있습니다.

발광 다이오드 IV 특성.

사용 가능한 다양한 색상을 보여주는 LED(발광 다이오드) 회로도 기호 및 IV 특성 곡선 .

발광 다이오드가 모든 형태의 빛을 "방출"하려면 이를 통해 흐르는 전류가 필요합니다. 이는 발광 다이오드의 광 출력 강도가 LED를 통해 흐르는 순방향 전류에 정비례하는 전류 의존형 장치이기 때문입니다.

LED는 전원 공급 장치 전체에 걸쳐 순방향 바이어스 조건으로 연결되므로 과도한 전류 흐름으로부터 LED를 보호하기 위해 직렬 저항을 사용하여 전류를 제한 해야 합니다. LED를 배터리나 전원 공급 장치에 직접 연결하지 마십시오. 너무 많은 전류가 통과하여 소진되기 때문에 거의 즉시 파괴됩니다.

위의 표에서 각 LED는 PN 접합에 걸쳐 고유한 순방향 전압 강하를 갖고 있으며 사용된 반도체 재료에 의해 결정되는 이 매개변수는 지정된 양의 순방향 전도 전류에 대한 순방향 전압 강하입니다. 전류는 20mA입니다.

대부분의 경우 LED는 직렬 저항을 사용하여 저전압 DC 공급 장치에서 작동합니다. RS 는 순방향 전류를 간단한 LED 표시기의 경우 5mA에서 고휘도 광 출력이 필요한 경우 30mA 이상까지 안전한 값으로 제한하는 데 사용됩니다. .

LED 시리즈 저항.

직렬 저항 값 RS 는 LED의 필요한 순방향 전류 I F , 조합 전체의 공급 전압 V S 및 LED의 예상 순방향 전압 강하 V F를 알고 옴의 법칙을 사용하여 간단히 계산됩니다. 필요한 전류 수준에서 전류 제한 저항은 다음과 같이 계산됩니다.

LED 직렬 저항 회로

발광 다이오드 실시예 No1

2V의 순방향 전압 강하를 갖는 황색 LED는 5.0V 안정화 DC 전원 공급 장치에 연결됩니다. 위의 회로를 사용하여 순방향 전류를 10mA 미만으로 제한하는 데 필요한 직렬 저항의 값을 계산합니다. 먼저 계산한 값 대신 100Ω 직렬 저항을 사용하는 경우 다이오드를 통해 흐르는 전류도 계산합니다.

1). 10mA에서는 직렬 저항이 필요합니다.

2). 100Ω 직렬 저항을 사용합니다.

우리는 저항기 튜토리얼에서 저항기가 표준 선호 값으로 제공된다는 것을 기억합니다. 위의 첫 번째 계산은 LED를 통해 흐르는 전류를 정확히 10mA로 제한하려면 300Ω 저항이 필요하다는 것을 보여줍니다 . E12 저항 시리즈 에는 300Ω 저항이 없으므로 다음으로 높은 값인 330Ω을 선택해야 합니다 . 빠른 재계산을 통해 새로운 순방향 전류 값이 이제 9.1mA임을 알 수 있으며 이는 괜찮습니다.

LED를 직렬로 연결하기

LED를 직렬로 연결하면 필요한 수를 늘리거나 디스플레이에 사용할 때 조명 수준을 높일 수 있습니다. 직렬 저항과 마찬가지로 직렬로 연결된 LED는 모두 동일한 순방향 전류를 가지며, IF 는 이를 통해 하나처럼 흐릅니다. 직렬로 연결된 모든 LED는 동일한 전류를 전달하므로 일반적으로 색상이나 유형이 모두 동일한 것이 가장 좋습니다.

LED를 직렬로 연결하기

LED 직렬 체인에는 동일한 전류가 흐르지만 전류 제한 저항기 R S 의 필수 저항을 계산할 때 직렬 전압 강하를 고려해야 합니다 . 각 LED에 조명이 켜졌을 때 1.2V의 전압 강하가 있다고 가정하면 세 LED 모두의 전압 강하는 3 x 1.2v = 3.6V가 됩니다.

또한 3개의 LED가 동일한 5V 논리 장치에서 조명되거나 약 10mA의 순방향 전류를 공급한다고 가정하면 위와 동일합니다. 그런 다음 저항기의 전압 강하 RS 및 해당 저항 값은 다음과 같이 계산됩니다.

다시 말하지만, E12 (10% 공차) 저항 시리즈에는 140Ω 저항 이 없으므로 다음으로 높은 값인 150Ω 을 선택해야 합니다 .

LED 드라이버 회로

이제 LED가 무엇인지 알았으니 LED를 "켜기"와 "끄기"로 전환하여 제어하는 ​​방법이 필요합니다. TTL 및 CMOS 논리 게이트의 출력 단계는 유용한 양의 전류를 소스 및 싱크할 수 있으므로 LED를 구동하는 데 사용할 수 있습니다. 일반 집적 회로(IC)는 싱크 모드 구성에서 최대 50mA의 출력 구동 전류를 갖지만 소스 모드 구성에서는 약 30mA로 내부적으로 제한된 출력 전류를 갖습니다.

어느 쪽이든 이미 살펴본 것처럼 직렬 저항을 사용하여 LED 전류를 안전한 값으로 제한해야 합니다. 다음은 반전 IC를 사용하여 발광 다이오드를 구동하는 몇 가지 예이지만 아이디어는 조합 또는 순차 여부에 관계없이 모든 유형의 집적 회로 출력에 대해 동일합니다.

IC 드라이버 회로

대형 LED 어레이와 같이 둘 이상의 LED를 동시에 구동해야 하거나 집적 회로의 부하 전류가 너무 높거나 IC 대신 개별 구성 요소를 사용하려는 경우 다른 구동 방법이 필요합니다. 바이폴라 NPN 또는 PNP 트랜지스터를 스위치로 사용하는 LED는 다음과 같습니다. 이전과 마찬가지로 LED 전류를 제한하려면 직렬 저항 RS 가 필요합니다.

트랜지스터 드라이버 회로

단순히 흐르는 전류의 변화만으로는 발광 다이오드의 밝기를 제어할 수 없습니다. LED를 통해 더 많은 전류가 흐르도록 허용하면 LED가 더 밝게 빛나지만 더 많은 열을 발산하게 됩니다. LED는 약 10~20mA 범위의 특정 순방향 전류에서 작동하여 설정된 양의 빛을 생성하도록 설계되었습니다.

절전이 중요한 상황에서는 더 적은 전류가 가능할 수도 있습니다. 그러나 전류를 5mA 이하로 줄이면 광 출력이 너무 어두워지거나 LED가 완전히 꺼질 수도 있습니다. LED의 밝기를 제어하는 ​​훨씬 더 좋은 방법은 "펄스 폭 변조" 또는 PWM이라고 알려진 제어 프로세스를 사용하는 것입니다. 여기서 LED는 필요한 광 강도에 따라 다양한 주파수에서 "ON" 및 "OFF"를 반복적으로 켭니다. LED.

PWM을 이용한 LED 광도

더 높은 광 출력이 필요한 경우, 상당히 짧은 듀티 사이클("ON-OFF" 비율)을 갖는 펄스 폭 변조 전류를 사용하면 LED를 유지하면서 다이오드 전류와 그에 따른 출력 광도가 실제 펄스 동안 크게 증가할 수 있습니다. "평균 전류 수준" 및 안전 한도 내의 전력 손실.

이 "ON-OFF" 깜박임 상태는 "ON"과 "OFF" 광 펄스 사이의 간격을 "채워서" 펄스 주파수가 충분히 높아서 다음과 같이 보이도록 하기 때문에 사람의 눈으로 보는 것에 영향을 미치지 않습니다. 지속적인 빛 출력. 따라서 100Hz 이상의 주파수 펄스는 실제로 동일한 평균 강도의 연속 빛보다 눈에 더 밝게 보입니다.

다색 발광 다이오드

LED는 다양한 모양, 색상 및 다양한 크기로 제공되며 다양한 광 출력 강도를 제공하며 가장 일반적이고 생산 비용이 저렴한 것은 표준 5mm GaAsP(적색 갈륨 비화물 인화물) LED입니다.

LED는 또한 문자와 숫자를 모두 생성하도록 배열된 다양한 "패키지"로 제공되며 가장 일반적인 것은 "7 세그먼트 디스플레이" 배열입니다.

요즘에는 자체 전용 IC에 의해 직접 구동되는 수많은 다색 LED를 사용하는 풀 컬러 평면 스크린 LED 디스플레이, 휴대용 장치 및 TV를 사용할 수 있습니다.

대부분의 발광 다이오드는 단일 색상의 빛을 출력하지만 이제는 단일 장치 내에서 다양한 색상을 생성할 수 있는 다중 색상 LED를 사용할 수 있습니다. 이들 중 대부분은 실제로 단일 패키지 내에 제작된 2개 또는 3개의 LED입니다.

이중색 발광 다이오드

2색 발광 다이오드에는 "역병렬"(하나는 정방향, 하나는 역방향)로 연결된 두 개의 LED 칩이 하나의 단일 패키지에 결합되어 있습니다. 바이컬러 LED는 세 가지 색상 중 하나를 생성할 수 있습니다. 예를 들어 장치에 전류가 한 방향으로 흐르면 빨간색이 방출되고, 다른 방향으로 바이어스되면 녹색이 방출됩니다.

이러한 유형의 양방향 배열은 극성 표시(예: 배터리 또는 전원 공급 장치 등의 올바른 연결)를 제공하는 데 유용합니다. 또한 양방향 전류는 두 개의 LED가 차례로 켜지므로 함께 혼합된 두 색상을 생성합니다. 장치가 (적절한 저항기를 통해) 저전압, 저주파 AC 공급 장치에 연결된 경우.

2색 LED

삼색 발광 다이오드

가장 널리 사용되는 유형의 삼색 발광 다이오드는 하나의 패키지에 결합된 단일 빨간색 및 녹색 LED로 구성되며 음극 단자는 함께 연결되어 3단자 장치를 생성합니다. 한 번에 하나의 LED만 "ON"하여 단일 빨간색 또는 녹색 색상을 제공할 수 있기 때문에 삼색 LED라고 합니다.

이러한 삼색 LED는 또한 표에 표시된 대로 순방향 전류의 서로 다른 비율로 두 개의 LED를 "ON"하여 단 두 개의 다이오드에서 네 가지 다른 색상을 생성함으로써 주황색 또는 노란색과 같은 기본 색상(세 번째 색상)의 추가 음영을 생성할 수 있습니다. 접합.

다중 또는 삼색 LED

LED 디스플레이

개별 색상 또는 다중 색상 LED뿐만 아니라 여러 개의 발광 다이오드를 단일 패키지 내에 결합하여 막대 그래프, 스트립, 어레이 및 7세그먼트 디스플레이와 같은 디스플레이를 생성할 수 있습니다.

7세그먼트 LED 디스플레이는 적절하게 디코딩되면 숫자, 문자 또는 영숫자의 형태로 정보나 디지털 데이터를 표시하는 매우 편리한 방법을 제공하며 이름에서 알 수 있듯이 7개의 개별 LED(세그먼트)로 구성됩니다. 하나의 단일 디스플레이 패키지 내에서.

각각 0 에서 9 , A 에서 F 까지 필요한 숫자나 문자를 생성하려면 디스플레이에 LED 세그먼트의 올바른 조합이 켜져야 합니다. 표준 7세그먼트 LED 디스플레이에는 일반적으로 8개의 입력 연결이 있습니다. 각 LED 세그먼트에 하나씩, 다른 하나는 모든 내부 세그먼트에 대한 공통 터미널 또는 연결 역할을 합니다.

• 공통 음극 디스플레이(CCD)  - 공통 음극 디스플레이에서는 LED의 모든 음극 연결이 함께 결합되고 개별 세그먼트는 HIGH 논리 "1" 신호를 적용하여 조명됩니다.
• 공통 양극 디스플레이(CAD)  - 공통 양극 디스플레이에서는 LED의 모든 양극 연결이 함께 결합되고 터미널을 LOW 논리 "0" 신호에 연결하여 개별 세그먼트가 켜집니다.

일반적인 7세그먼트 LED 디스플레이

광커플러

마지막으로, 발광 다이오드의 또 다른 유용한 응용 분야는 광결합 입니다 . 광 커플러 또는 광 절연체라고도 불리는 광 다이오드, 광 트랜지스터 또는 포토 트라이악과 결합된 발광 다이오드로 구성된 단일 전자 장치로, 입력 사이에 광 신호 경로를 제공합니다. 두 회로 사이의 전기적 절연을 유지하면서 연결 및 출력 연결을 수행합니다.

광절연체는 입력(포토 다이오드)과 출력(포토 트랜지스터) 회로 사이의 일반적인 항복 전압이 최대 5000V인 차광 플라스틱 본체로 구성됩니다. 이러한 전기 절연은 잠재적으로 위험한 주 전압에서 작동하는 다른 외부 회로를 작동하거나 제어하기 위해 배터리 구동 회로, 컴퓨터 또는 마이크로 컨트롤러와 같은 저전압 회로의 신호가 필요한 경우 특히 유용합니다.

포토다이오드 및 포토트랜지스터 광커플러

광절연체에 사용되는 두 가지 구성 요소인 적외선 방출 갈륨 비소 LED와 같은 광 송신기와 광 트랜지스터와 같은 광 수신기는 광학적으로 밀접하게 결합되어 있으며 빛을 사용하여 입력 사이에 신호 및/또는 정보를 보냅니다. 그리고 출력. 이를 통해 전기 연결이나 공통 접지 전위 없이 회로 간에 정보를 전송할 수 있습니다.

광절연체는 디지털 또는 스위칭 장치이므로 "ON-OFF" 제어 신호 또는 디지털 데이터를 전송합니다. 아날로그 신호는 주파수 또는 펄스 폭 변조를 통해 전송할 수 있습니다.