发光二极管(led)是如何工作的

由:汤姆•哈里斯克里斯陶氏韦斯利Fenlon|

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五颜六色的LED灯照亮了这片风景。伊凡/盖蒂图片社

发光二极管led是电子世界真正的无名英雄。乐动体育网站5.0他们在各种各样的设备上做许多不同的工作。它们在数字时钟,从…传送信息遥控器,点亮手表,告诉你电器何时开启。收集在一起,它们可以形成图像在一个巨型电视屏幕或者照亮交通灯。

基本上,led只是很容易放入电路中的小灯泡。但不像白炽灯泡它们没有会烧坏的灯丝,耗电量更少,也不会变热。乐动体育网站5.0它们仅由a中的电子运动来照明半导体材料,它们的寿命乐动体育网站5.0和标准晶体管一样长。LED的寿命比白炽灯短几千小时。由于这些优点,微型led成为最流行的照明技术之一乐动-软件液晶显示器电视。

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与传统白炽灯相比,led有几个优点,但它们的主要优点是效率。在白炽灯泡,光的产生过程涉及产生大量的热量(灯丝必须加热才能照明)。这种能量完全被浪费了,除非你用这种灯作为加热器,因为很大一部分可用的电力不会产生可见光。相对而言,led产生的热量很少。更高比例的电能直接用于发电,这大大降低了电力需求。

每瓦led比普通白炽灯输出更多流明(或可见光数量)。发光二极管有较高的光视效能一个60瓦的白炽灯可以产生750-900流明,但是一个6-8瓦的LED灯泡可以产生相同的输出。同样的LED灯泡可以持续25,000小时,但60瓦的白炽灯只可能点亮约1,200小时。换句话说,一个LED灯泡可以持续21个60瓦白炽灯泡连续燃烧[来源:arafeaey]。

直到最近,led还过于昂贵,无法用于大多数照明应用,因为它们是用先进的半导体材料制成的。然而,半导体设备的价格在2000年之后直线下降,使得led成为在许多情况下更具成本效益的照明选择。虽然它们可能比前面的白炽灯更贵(大约5美元,白炽灯1美元),从长远来看,较低的成本可以使它们成为更好的选择。几家公司已经开始销售LED灯泡,旨在与白炽灯和紧凑型荧光灯竞争,它们承诺提供长寿命的强光和惊人的能源效率。

在本文中,我们将检查这些无处不在的闪光灯背后的技术,在该过程中照亮了一乐动-软件些很酷的电力原则。

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什么是二极管?

在结合处,来自n型材料的自由电子填补了来自p型材料的空穴。这就在二极管的中间形成了一个绝缘层,称为耗尽区。“width=
在结合处,来自n型材料的自由电子填补了来自p型材料的空穴。这就在二极管的中间形成了一个绝缘层,称为耗尽区。
©H乐动体育英超直播owStuffWorks

二极管是最简单的一种半导体设备。一般来说,一个乐动体育网站5.0半导体是一种具有可变导电流能力的材料。大多数半导体是由含有杂质的不良导体(原子另一种物质)添加到它。添加杂质的过程称为兴奋剂

就led而言,导体材料通常是铝-镓-砷化镓(AlGaAs)。在纯铝-砷化镓中,所有的原子都与它们的邻居完美结合,没有留下自由电乐动体育网站5.0子(带负电荷的粒子)来传导电流。在掺杂的材料中,额外的原子改变了平乐动体育网站5.0衡,要么添加自由电子,要么在电子可以进入的地方制造空穴。这两种改变都能使材料更具导电性。

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调用具有额外电子的半导体n型材料,因为它有额外的负电荷粒子。在n型材料中,自由电子从带负电荷的区域移动到带正电荷的区域。

当电路的负端连接到n型层,正端连接到p型层时,电子和空穴开始移动,耗尽区消失。“width=
当电路的负端连接到n型层,正端连接到p型层时,电子和空穴开始移动,耗尽区消失。
©H乐动体育英超直播owStuffWorks

带有额外空穴的半导体被称为半导体p型材料,因为它实际上有额外的带正电荷的粒子。电子可以从一个空穴跳到另一个空穴,从带负电荷的区域移动到带正电荷的区域。因此,孔洞本身似乎从带正电的区域移动到带负电的区域。

二极管由粘合到P型材料的一部分的N型材料的一部分组成,每个端部上的电极。这种布置仅在一个方向上进行电力。当没有电压被施加到二极管时,来自n型材料的电子沿着层之间的连接点填充来自p型材料的孔,形成耗尽区。在一个耗尽区,半导体材料回到它原来的绝缘状态-所有的空穴被填满,所以没有自由电子或电子的空空间,电流不能流动。乐动体育网站5.0

当电路的正端挂钩到n型层并且负端被钩在P型层上时,在二极管的一端和孔收集在另一端上的游离电子收集。耗尽区变得更大。“width=
当电路的正端挂钩到n型层并且负端被钩在P型层上时,在二极管的一端和孔收集在另一端上的游离电子收集。耗尽区变得更大。
©H乐动体育英超直播owStuffWorks

为了摆脱耗尽区,你必须让电子从n型区域移动到p型区域而空穴则反向移动。要做到这一点,你将二极管的n型面连接到电路的负端,并将p型面连接到正端。n型材料中的自由电子被负极排斥并被吸引到正极。p型材料中的孔向另一个方向移动。当两个电极之间的电压差足够高时,耗尽区中的电子被推出空穴,重新开始自由移动。耗尽区消失,电荷穿过二极管。乐动体育网站5.0

如果你试图让电流以另一种方式运行,将p型端连接到电路的负端,而n型端连接到正端,电流将不会流动。n型材料中的负电子被吸引到正极上。p型材料中的正孔被吸引到负电极上。由于空穴和电子都朝着错误的方向移动,所以没有电流流过结。消耗带增加。(见半导体如何工作有关整个过程的更多信息。)

在这个装置中,电子和空穴之间的相互作用有一个有趣的副作用——它产生光!

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二极管如何发光?

是一种能被释放的能量吗原子。它是由许多小的粒子组成的,它们有能量和动量,但没有质量。这些粒子,称为光子乐动体育网站5.0是光的最基本单位。

光子是电子运动的结果。在原子中,电子沿原子核周围的轨道运动。不同轨道上的电子有不同的能量。一般来说,能量较大的电子在远离原子核的轨道中运动。

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对于从较低的轨道跳跃到更高轨道的电子,一些东西必须提高其能量水平。相反,当它从更高的轨乐动体育网站5.0道到较低的轨道下降时,电子释放能量。这种能量以光子的形式释放。更大的节能释放更高能量的光子,其特征在于较高的频率。

正如我们之前所看到的那样,穿过二极管的自由电子可以从p型层落入空洞中。这涉及从导通带落到下轨道,因此电子以光子形式释放能量。这发生在任何二极管中,但是当二极管由某些材料组成时,只能看到光子。例如,标准硅二极管中的原子以这样的方式布置,使得电子降低相对较短的距离。乐动体育网站5.0结果,光子的频率如此之低,它是看不见的人类的眼睛-它在光谱的红外部分。当然,这并不一定是件坏事:红外线发光二极管是理想的选择遥控器乐动体育网站5.0在其他方面。

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二极管是如何发光的。
(c)乐动体育英超直播 HowStuffWorks

可见光发光二极管(VLED),例如在数字时钟中点亮数字的诸如其中的数字,其特征在于导电带和下轨道之间的更宽差。乐动体育网站5.0间隙的尺寸决定了光子的频率 - 换句话说,它决定了光的颜色。虽然LED用于从远程控制到电子设备上的数字显示器的所有内容,但由于它们的长寿和微型尺寸,可见LED很受欢迎。根据LED中使用的材料,它们可以在红外,紫外线和可见光谱之间的所有颜色中闪耀。乐动体育网站5.0

虽然所有的二极管都释放光,但大多数都不是很有效。在一个普通的二极管中半导体材料本身最终会吸收大量的光能。led的特殊构造是为了向外释放大量光子。此外,它们被安置在一个塑料灯泡中,可以将光线集中到特定的方向。大部分来自二极管的光从灯泡的侧面反射,穿过圆形的一端。

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LED灯泡vs.节能灯和白炽灯

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led照亮了这条隧道。OS Tartarouchos / Getty Images

几十年来,100瓦的白炽灯灯泡照亮了走廊和卧室;60瓦的白炽灯用阅读灯和壁橱发出更柔和的光线。但是白炽灯效率低下,浪费大量能量作为热量,而且寿命比荧光灯短。乐动体育网站5.0最近,更高效紧凑型荧光(CFL)灯泡已经成为流行的替代品。白炽灯平均持续1200小时,紧凑型荧光灯可以持续10000小时[来源:arafeaey]。不幸的是,CFL含有有毒汞,使它们潜在危险和痛苦。

进入LED灯泡。LED提供CFL的优势 - 较低的功耗和更长的寿命 - 没有毒性汞的缺点[来源:舍尔和苔藓]。例如,一个60瓦的白炽乐动体育网站5.0灯每年消耗超过150美元的电力,提供大约800流明的光;一个等效的紧凑型荧光灯使用不到15瓦,每年的电费仅为35美元。LED灯泡更好,耗电约8.5瓦,每年花费约21美元,可持续25,000小时或更长时间[来源:乐动体育网站5.0arafeaey]。全年只有8,760个小时 - 想象一下,LED灯泡将持续多长时间持续在平均家中!

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这使得LED听起来很棒 - 而且它们是 - 但有原因有白炽灯和紧凑型荧光灯泡仍然存在。最大的原因是价格;即使LED灯泡的价格近年来,LED灯泡成本超过其他选项。然而,他们的寿命越来越跨越,并且大大降低电力使用有助于弥补较高的进入屏障。

除了高成本障碍,led还容易受到高温的影响。如果LED电路变得太热,更多的电流将通过交界处本文前面提到过。当结变得太热时,它会导致灯泡烧坏[来源:led杂志]。尽管LED没有汞(与CFL灯泡不同),但它们可能包含其他危险因素,如铅或砷[来源:舍尔和苔藓]。此外,一项研究发现,光污染随着LED灯泡的使用而增加[来源:布雷迪]。

一些人也喜欢白炽灯的外观,感觉它们比黄色的荧光灯和蓝色的led更温暖。不同的照明类型可以进行一些调整,但led也有各种不同的色调。led是可调光的(不像节能灯),而且非常适合促进植物生长,因为它们能有效地释放大量的光而不产生可能损害植物生命的热量。

虽然紧凑型荧光灯和白炽灯泡的颜色受到限制,但一些LED灯泡可以改变发出数以百万计的颜色。这些灯泡通常比同类的白色LED灯泡更贵,但它们可以通过编程随时间改变颜色,让人们对环境有更多的控制权。

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LED电视和发光二极管的未来

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墙上排列着显示希腊群岛图像的LED电视。mbbirdy /盖蒂图片社

从早期的数字钟面照明开始,led已经取得了长足的进步。在2000年代,液晶显示器电视占领了高清市场,比老的标准清晰度CRT电视迈出了一大步。与重达100磅(45.4公斤)的高清背投电视机相比,LCD显示器更是迈出了重要一步。但LED技术改变乐动-软件了市场。虽然液晶电视比大型背投电视机更薄更轻,但它们仍然使用冷阴极荧光灯将白光投射到构成屏幕的像素上。它们增加了电视机的重量和厚度。led解决了这两个问题。

你见过只有一英寸厚的巨型平板电视吗?可能是一台LED电视。这就是首字母缩写让人有点困惑的地方:那些LED电视仍然是液晶电视,因为屏幕本身是由液晶组成的。乐动-软件从技术上讲,他们led背光液晶电视。与荧光灯管不同的是,led从屏幕后面发出光线,照亮像素,形成图像。由于led的体积小,功耗低,led背光电视比普通液晶电视薄得多,也更节能。它们还可以提供更宽的色域,产生更生动的图片。

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市场上有几种不同类型的led背光电视机——并不是所有的都是平等的。许多场景使用白色LED边缘照明使光线在显示器上照射这些集合提供的唯一真正的优势是薄。RGB LED背光集另一方面,提供改进的颜色。某些配置甚至允许调用的技术乐动-软件地方变暗在这里,显示屏不同部分的led可以单独变亮或变暗,以创造更动态的画面[来源:莫里森]。与节能灯相比,led还有一个更大的优势:因为led可以即时开关,所以在黑暗的场景中,它们会产生可怕的黑色水平。因为在使用电视时,白色荧光灯必须一直亮着,所以在黑暗的场景中,一些光线会渗透进来,使画面变亮。

有一些最新的LED显示器有机发光二极管, 或者oled。用来制造这些半导体的有机材料具有柔韧性,科学家们因此可以制造可弯曲的灯和显示器——一些制造商已经开始生产使用较小OLED屏幕的智能手机和其他乐动体育网站5.0设备。随着技术允许更乐动-软件好更大的显示,你可能会开始在以前从未能找到屏幕的地方看到它们。oled还可以完全关闭单个像素,让观众看到真正的黑色。

最初出版日期:2002年1月31日

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领导的常见问题

LED代表什么?
LED代表发光二极管。
led的用途是什么?
他们在各种电子设备中做许多不同的工作。它们在数字时钟上形成数字,从遥控器传送信息,在巨型电视屏幕上产生图像,并照亮交通灯。乐动体育网站5.0这样的例子不胜枚举。
LED灯能持续多久?
一个LED灯泡可以持续使用25,000小时,也就是说可以持续使用近三年。
你能在任何电灯插座上使用LED灯泡吗?
只要插座是相同的尺寸和类型,你可以在现有的夹具上使用一个LED灯泡。只要确保使用的灯泡功率与推荐的灯具功率相同。
LED灯泡值得吗?
LED灯泡更高效,耗电量更低,使用寿命更长。乐动体育网站5.0它们的价格要贵一些,然而,当你考虑到它们每年消耗大约8.5瓦的电力,花费大约21美元,而一个60瓦的白炽灯每年消耗超过150美元的电力,它们的前期成本是值得的。

更多的信息

相关文章

更大的链接

  • 艾伯斯,琥珀。乐动体育网站5.0“将LED灯泡最好是您的CFL和反对者吗?”2010年8月。(1月6日,2020年)。http://www.popularmechanics.com/science/environment/will-led-light-bulbs-best-cfls-andumandescents.
  • araweasy。“LED灯泡:比较图表。”(1月7日,2020年)。https://learn.eartheasy.com/guides/Led-light-bulbs-comparison-charts/
  • led杂志。“事实还是虚构:led不会产生热量。”2005年5月10日。(2020年1月9日)。https://www.ledsmagazine.com/leds-ssl-design/thermal/article/16696536/fact-or-fiction-leds-dont-produce-heat
  • 莫里森,杰弗里。“LED当地调光解释。”CNET。2017年3月26日。(1月8日,2020年)。https://www.cnet.com/news/less-local-dimming-explated/
  • Scheer,罗迪和苔藓,Doug。“LED灯泡的黑暗面。”科学的美国人。2012年9月15日。(1月7日,2020年1月)https://www.scientificamican.com/article/led-lightbulb-concerns/