LED의 구성과 동작원리

LED는 반도체입이며 갈륨 비소(GaAs), 갈륨 비소 인산염(GaAsP), 질화 갈륨(GaN) 및 인화 갈륨(GaP)과 같은 화합물은 일반적으로 많은 LED를 구성합니다.

GaAs LED는 IR 방사선을 생성하는 반면 GaAsP LED는 빨간색 또는 노란색 빛을 방출합니다. GaP 장치는 녹색 또는 적색광을 방출하고 GaN LED는 청색광을 방출합니다. LED 제조에도 사용되는 다른 재료가 있습니다.

 

장치가 방출하는 것과 동일한 색상의 플라스틱 에폭시 렌즈가 LED를 구성하는 반도체 칩을 둘러쌉니다. 렌즈는 반도체 칩을 보호하고 LED가 방출하는 빛의 초점을 맞추는 데 도움이 되어 더 쉽게 볼 수 있습니다. 이것은 일반적인 벤치탑 LED에 익숙한 돔과 같은 모양을 제공합니다.

 

처음에는 적색, 녹색 및 청색 LED의 조합을 사용하여 백색광을 만들었습니다. 나중에 형광체 기반 백색 LED가 등장했습니다. 각 색상의 강도에 따라 흰색을 포함한 다양한 색상을 만들 수 있습니다.

 

최신 백색 LED는 일반적으로 일종의 발광 형광체 물질이 코팅된 청색 LED 칩으로 구성됩니다. 이 형광체는 청색광의 일부를 적색, 주황색 및 황색광으로 변환합니다. 이러한 색상이 LED 칩의 청색광과 혼합되면 장치가 백색광을 방출하는 것처럼 사람의 눈에 나타납니다.

 

 

 

 

LED의 작동원리

 

LED가 순방향 바이어스되면 전자는 n형 재료에서 p형 재료로 pn 접합을 교차하고 전자는 p형 물질의 정공과 재결합합니다. LED는 전자가 광자(빛 형태의 에너지)를 방출하기 때문에 이 재결합이 발생할 때 빛을 방출하여 작동합니다. 

 

LED의 작동 방식

 

 

이러한 광자의 방출은 전도대의 전자가 원자가대의 정공보다 에너지 준위가 높기 때문입니다. 이 과도한 에너지를 방출하기 위해 구멍과 재결합하면 다양한 주파수에서 약간의 열과 전자기 복사 광자를 방출합니다. 주파수는 LED가 방출하는 빛의 색상을 결정합니다.

 

 

 

 

일반적인 리모컨의 유형과 같은 일부 LED는 사람의 눈에는 보이지 않는 적외선(또는 IR)을 방출합니다. 전계 발광으로 알려진 이 프로세스는 LED가 작동하는 방식의 기초입니다. LED가 방출할 빛의 색상을 설정하기 위해 도핑 과정에서 다양한 불순물이 추가됩니다.

 

 

 

 LED의 회로도 기호

 

 

LED 두 끝에는 레이블이 있으며 양극은 LED의 양극이고 음극은 음극입니다. LED를 켜려면 양극이 음극보다 더 양극이어야 합니다. 이를 위해 양극에 전압을 인가하고 음극을 접지와 같은 더 낮은 전압에 연결합니다. 이것이 LED가 작동하는 방식입니다.

 

실제 LED를 보면 다리 중 하나가 다른 다리보다 짧다는 것을 알 수 있는데 이것은 LED의 음극입니다.

LED의 양극과 음극

 

 

 

또한 LED의 돔 아래 테두리에 평평한 점이 있음을 알 수 있는데 리드가 보이지 않는 경우 어떤 단자가 음극인지 알 수 있는 또 다른 방법입니다. 예를 들어, 이미 보드에 납땜된 LED를 봐야 하는 경우 이 평평한 부분을 보면 어떤 리드가 음극인지 알 수 있습니다.

 

LED에는 순방향(일명 임계값) 전압이 있으며 그 이하에서는 작동하지 않습니다. 순방향 임계 전압은 LED의 색상에 따라 다르지만 LED의 색상에 관계없이 실리콘 다이오드가 전도해야 하는 0.7V보다 훨씬 높습니다. 반대로, LED의 역 항복 전압은 일반적인 실리콘 다이오드의 전압보다 상당히 낮습니다(일반적으로 LED의 경우 약 3V – 10V).

 

발광 다이오드가 붉을수록 순방향 전압이 낮아지고 IR LED는 약 1.2V의 순방향 전압으로 가장 낮게 들어옵니다.

실제로 LED가 방출하는 방사 주파수가 높을수록 이 임계 순방향 전압이 높아집니다. IR "조명"은 주파수가 낮고 빨간색이 두 번째로 마지막에 나오기 때문에 이 LED는 임계 전압이 가장 낮습니다. 청색 및 백색 LED는 일반적으로 약 3.5V로 가장 높습니다(청색광은 IR 또는 적색광보다 주파수가 높음). 모든 구성 요소와 마찬가지로 전류, 온도 및 기타 요인에 따라 변동이 있습니다.

 

다양한 LED 색상에 대한 일반적인 순방향 전압은 다음과 같습니다. 

 

 

 LED 순방향 전압 차트

 

 

 

가시광선에 중점을 둔 전자기 스펙트럼

 

 

 

LED 회로 및 전류

LED의 휘도는 일반적으로 전류와 선형입니다. 즉, 더 많은 전류를 흘릴수록 LED가 더 밝아집니다. 과도한 전류는 장치를 파괴하기에 충분하지 않은 경우 장치의 수명을 단축시킵니다. 전류가 너무 적고 LED가 전혀 켜지지 않거나 매우 어둡습니다.

 

전류를 줄이면 수명이 늘어납니다. 전류와 LED 수명 사이의 관계는 기하급수적이므로 전류를 50% 줄이면 수명이 50배 정도 증가할 수 있습니다. 이것은 양방향으로 작동하므로 이미 알고 있듯이 전류가 너무 많으면 LED 수명이 크게 단축됩니다

.

회로는 100 Ohms에서 1k Ohms 이상의 값을 가지고 존재하지만 220 – 240 Ohms는 종종 허용되는 일반적인 값입니다.

LED가 있는 간단한 회로를 자세히 살펴보겠습니다.

 

 

LED 회로

 

 

빨간색 LED이므로 1.5V의 순방향 전압 강하를 사용합니다. LED를 편안하게 유지하기를 원하기 때문에 데이터 시트에 최대 전류가 20mA라고 명시되어 있지만 목적에 맞게 충분히 밝아야 하므로 약 10mA에서 실행할 것입니다.

 

회로에는 9V 소스가 있고 LED는 1.5V를 떨어뜨리므로 저항은 9V – 1.5V = 7.5V를 떨어뜨립니다.

10mA를 원한다는 것을 알고 있으므로 저항에 대해 7.5V / 0.010A = 750옴의 옴의 법칙을 사용합니다.

 

750옴은 허용 오차가 5%인 저항의 표준 값이며 계산에서 703옴과 같은 비표준 값이 나오면 가까운 값을 선택하기만 하면 됩니다. 이 경우 750 Ohm 저항 또는 680 Ohm 저항 중에서 선택할 수 있습니다. 이 중 하나는 전류를 원하는 값에 충분히 가깝게 만듭니다.

 

  

 

 

 

하나의 LED와 저항이 있는 회로는 매우 간단하지만 LED가 두 개 이상일 경우에는 아래그림에서  볼 수 있듯이 단일 저항으로 여러 LED를 병렬로 연결할 수 없습니다.

 

이는 순방향 전압이 낮은 LED가 전압을 해당 레벨로 낮추기 때문입니다.이 경우 빨간색 LED는 병렬 조합을 1.5V로 낮추므로 파란색 LED가 켜지지 않습니다. 같은 색상의 LED가 두 개 있더라도 LED가 완벽하게 동일하지 않을 수 있기 때문에  작동하지 않을 수 있습니다.

 

 

이 회로의 파란색 LED는 빨간색 LED가 상단 근처의 노드에서 전압을 1.5V까지 끌어내리기 때문에 켜지지 않습니다. 이는 LED가 전압 조정에 자주 사용되는 또 다른 특수 유형의 다이오드인 제너 다이오드처럼 작동하기 때문입니다.

 

 

 

 

회로에서 여러 LED를 올바르게 사용하는 몇 가지 옵션이 있습니다.

첫째, 각 LED는 자체 직렬 저항을 가질 수 있습니다. 이것은 일을 하는 가장 쉽고 일반적인 방법입니다.

저항을 절약하고 싶다면 아래그림과 같이 저항을 사용하여 여러 LED를 직렬로 연결할 수도 있습니다. 단점은 소스 전압이 모든 LED의 순방향 전압의 합보다 높아야 한다는 것입니다.  결론은 직렬로 연결되어 있기 때문에 모든 LED를 통해 동일한 전류가 흐른다는 것입니다.

 

 

저항기와 직렬로 연결된 여러 LED

 

소스 전압은 LED의 결합된 순방향 전압(이 경우 5V)보다 높아야 합니다. 이 설정은 또한 각 LED를 통해 동일한 전류가 흐르도록 합니다.

 

 

 

 

 

요약

• LED 또는 발광 다이오드는 빛을 방출하는 반도체 장치입니다.
• LED 조명은 가정 및 기타 건물의 백열등, 형광등 및 기타 형태의 조명을 대체하기 시작했습니다.
• LED가 방출하는 빛의 색상은 LED를 만든 재료에 따라 다릅니다.
• LED의  음극을 식별하려면 돔 바로 아래에 있는 에폭시 케이스의 짧은 다리나 평평한 지점을 찾으십시오. 회로도에서 음극은 일반 다이오드 회로도 기호와 마찬가지로 삼각형 끝의 수직선으로 식별됩니다.
• IR LED는 순방향(또는 임계값) 전압이 가장 낮고 빨간색이 두 번째로 낮습니다. 파란색과 흰색 LED가 가장 높습니다. 순방향 전압의 범위는 일반적으로 로우엔드에서 1.2V에서 하이엔드에서 3.5V – 4V입니다.
• 전류를 제한하기 위해 LED가 있는 직렬 저항을 사용해야 합니다. 저항의 값은 LED에 따라 다릅니다. 
• LED는 종종 펄스될 수 있으며, 이를 통해 데이터 시트에서 권장하는 것보다 더 높은 전류를 사용할 수 있습니다.
• 각각 자체 직렬 저항이 없는 한 LED를 병렬로 배치하는 것은 좋지 않습니다.
• 여러 LED를 하나의 저항으로 직렬로 연결할 수 있지만 공급 전압은 모든 LED의 순방향 전압의 합과 저항 강하를 위해 약간 더 높은 합을 극복할 수 있을 만큼 충분히 높아야 합니다.
• LED는 7세그먼트 디스플레이, 광절연기 및 기타 용도로 사용됩니다. LED는 매우 민감하지 않고 LED가 방출하도록 설계된 빛의 색상에 가장 잘 반응하지만 저렴한 광검출기를 만들 수 있습니다.