일반적으로 LED라고 하는 발광 다이오드는 일반 다이오드와 유사한 특성을 가진 특수한 유형의 다이오드입니다. LED는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하는 장치입니다. LED는 전류 구동 반도체 장치이며 순방향 바이어스가 되면 LED의 구성에 따라 좁은 대역폭의 빛을 방출합니다. 방출된 빛은 가시광선 또는 비가시광선 스펙트럼에 있을 수 있습니다. LED는 가장 널리 사용되는 반도체 장치로 분류할 수 있으며 주로 텔레비전, 컬러 디스플레이 및 가로등 등에 사용됩니다.
LED는 고농도로 도핑된 반도체 재료의 얇은 층을 갖도록 제작됩니다. 반도체 재료와 그 도핑 수준은 순방향 바이어스될 때 방출되는 빛을 특성화합니다. 상이한 반도체 재료와 도핑 레벨은 상이한 파장의 빛을 방출한다. 광자 형태로 방출되는 빛은 전도 전자가 원자가 밴드의 정공과 재결합 할 때 방출되는 에너지입니다. 재결합하는 동안 광자에 의해 단색광을 생성하기에 충분한 양의 에너지가 방출됩니다.
물리적 구성
LED의 물리적 외관과 구조는 기존 다이오드와 다릅니다. 일반적으로 LED의 PN 접합은 반구형의 강한 투명 에폭시 수지로 덮여 있습니다. 이 구조는 LED의 섬세한 구조를 보호하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 방출된 빛을 집중/초점을 맞추는 렌즈 역할도 합니다. PN 접합에서 방출되는 빛은 강도가 크지 않으며 눈에 띄지 않게 반사됩니다. 그러나 돔형 덮개의 구조는 빛이 초점을 맞추고 강화하며 더 두드러지게 하는 데 도움이 됩니다.
단색광이 있는 LED에는 양극(+)과 음극(-)이라는 두 개의 다리가 있습니다. LED의 음극은 평평한 표면/노치 또는 더 짧은 리드로 식별할 수 있습니다. LED는 효율성과 구조 크기 때문에 기존 전구를 대체하고 있습니다. 기존 광원은 열을 발산하고 많은 에너지를 손실하는 반면 LED는 가열되지 않아 전압 강하가 최소화됩니다. 정전기 장치이기 때문에 LED는 애플리케이션 요구 사항에 따라 매우 작은 크기와 모양으로 구성할 수 있습니다.
발광 다이오드의 조성
PN 접합의 조성은 특정 파장/색상을 방출하는 방식으로 선택되며, 따라서 반도체 재료는 이를 달성하기 위해 의도적으로 선택됩니다. 종래의 다이오드에 사용되는 반도체 재료는 실리콘과 게르마늄인 반면, LED에서는 인화갈륨(GaP), 탄화규소(SiC), 갈륨비소인화물(GaAsP), 갈륨비소(GaAs) 또는 질화갈륨인듐(GaInN) 등과 같은 반도체 화합물이 사용됩니다. 이 화합물 반도체는 특정 파장을 강화하기 위해 특정 비율/혼합물로 반도체를 혼합하여 만들어집니다.
상이한 화합물 및 혼합 비율은 광 스펙트럼에서 특정 대역폭의 빛을 생성하고 방출되는 빛의 강도를 특성화합니다.
위의 차트에서 어떤 반도체 화합물과 그 파장에 의해 어떤 색이 방출되는지 분명합니다. LED의 덮개는 일반적으로 PN 접합에 의해 방출되는 빛에 속하는 색상으로 만들어집니다. 그것은 단지 LED의 색상을 빛으로 표시하고, 추가적으로, 방출되는 빛의 출력을 향상시키기 위한 것입니다.
가장 일반적이고 저렴하게 구할 수 있는 색상은 반도체 화합물에 의해 쉽게 생성되는 기본 색상인 Red, Green 및 Blue입니다. 다른 색상은 비싸고 기본 색상을 혼합하여 생산됩니다.
발광 다이오드의 종류
- 갈륨 비소 (GaAs) : 적외선
- 갈륨 비소 인화물 (GaAsP) : 적색, 적외선 및 주황색
- 알루미늄 갈륨 비소 인화물 (AlGaAsP) : 빨간색 (밝음), 주황색 및 노란색
- 갈륨 인화물 (GaP) : 빨강, 노랑 및 녹색
- 알루미늄 갈륨 인화물 (AlGaP) : 녹색
- 질화 갈륨 (GaN) : 에메랄드 그린
- 질화 인듐 갈륨 (GaInN) : 자외선, 녹색 (푸르스름한) 및 파란색
- 탄화규소(SiC): 파란색(기판)
- 아연 셀레나이드(ZnSe): 청색
- 알루미늄 질화 갈륨 (AlGaN) : 자외선
전압 강하 및 직렬 저항
기존 다이오드와 유사하게 LED는 전류가 구동되며 순방향 바이어스 모드에 놓이면 특정 전압 강하가 발생합니다. 순방향 전압 강하(VF) 범위는 1.2V에서 4.0V까지이며 LED에 사용되는 복합 재료의 유형에 따라 다릅니다. LED는 순방향 전압 강하보다 큰 전압이 인가되고 전류가 흐를 때 빛을 방출합니다. 과도한 전류 흐름은 LED의 민감한 PN 접합을 손상시킬 수 있으므로 LED와 전압 소스 사이에 적절한 직렬 저항을 삽입해야 합니다.
직렬 저항 값은 LED 정격 전류의 80% 이상을 허용하지 않아야 하며 LED를 크게 밝게 하기에 충분한 양의 전류를 허용해야 합니다.
단일 LED 예제
직렬 저항의 값은 옴의 법칙을 사용하여 결정할 수 있습니다. 이를 위해 순방향 전압 강하(VF), 순방향 전류(IF), 공급 전압(VS)를 알아야 합니다. 예를 들어, 빨간색 LED의 경우: VF = 1.8V, 순방향 전류가 I로 제한됨F = 10 mA 및 전압 공급 VS = 5V. 그런 다음 직렬 저항 값(RS빨간색 LED에 필요한 )는 다음과 같습니다.
330 Ω의 표준 값 저항은 선택한 적색 LED에 적합합니다. 순방향 전류의 안전 한계 미만으로 유지되도록 계산된 저항보다 더 높은 값의 저항이 선택됩니다.
다중 LED
여러 개의 LED를 직렬로 연결할 수 있으므로 직렬로 연결된 LED의 구동 전류는 동일합니다. 그러나 직렬 저항의 선택을 위해 전압 강하(VF)를 고려해야 합니다. 예를 들어, 두 개의 적색 LED 회로는 2 X 1.8 = 3.6V의 전압과 직렬 저항(RS)는 다음과 같이 계산되어야 합니다.
140개의 LED의 경우 10mA의 구동 전류를 제공하기 위해 140Ω의 직렬 저항이 필요합니다.
마찬가지로, 복수의 LED를 직렬 및 병렬로 조합하여 만들 수 있습니다. 두 개의 적색 LED의 다른 분기를 이전에 구성된 회로에 병렬로 추가하여 동일한 전원으로 총 4개의 LED를 구동할 수 있습니다. 각 분기의 전류는 동일합니다. 즉, IF1 = IF2 = 10 mA. 그러나 소스 전류(IS)는 두 배로 증가하여 4개의 LED를 구동할 수 있습니다.
LED 제어
LED는 여러 가지 방법으로 ON 및 OFF를 제어 할 수 있습니다. 대부분 LED는 마이크로 컨트롤러 또는 로직 게이트에 의해 구동되는 저전압 디지털 회로에 사용됩니다. 로직 게이트 또는 마이크로 컨트롤러 핀은 입력 또는 출력으로 작동할 수 있습니다. 핀이 출력으로 설정되면 입력 유형에서 전류 소스 및 싱크 역할을 합니다.
소스 또는 싱크로서의 전류 처리 기능은 다양하며 20mA에서 50mA까지 다양합니다. 이것은 또한 LED 손상을 방지하기 위해 디지털 회로에 직렬 저항이 필수적임을 나타냅니다.
다음 그림에서 TTL 또는 CMOS 로직은 LED를 구동하는 데 사용됩니다. 직렬 저항의 값은 앞에서 설명한 것과 동일한 방식으로 계산할 수 있습니다. 로직 게이트는 그림에서 소스와 싱크로 LED에 연결됩니다.
LED의 음극이 접지에 연결되고 양극이 저항을 통해 논리 회로에 연결될 때. 그런 다음 로직 하이가 LED를 켜고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 논리 게이트는 이 구성에서 소스 역할을 합니다. 반면에 양극이 저항을 통해 로직 고전압에 연결되고 음극이 논리 회로에 연결되면 로직 로우가 LED를 켜고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이 구성에서 싱크 역할을 하는 디지털 게이트.
그러나 논리 회로의 전력 및 전류 처리 제한으로 인해 일부 LED를 회로에 직접 연결할 수 있습니다. 외부/절연 회로는 더 큰 LED 디스플레이에 사용되는 것과 같은 많은 수의 LED를 구동하는 데 필요합니다. 트랜지스터와 같은 개별 부품은 고속 스위칭 LED를 구동하는 데 사용됩니다. 트랜지스터의 정격은 구동할 LED에 따라 신중하게 선택할 수 있습니다.
다음 그림에서 NPN 및 PNP 트랜지스터는 마이크로 컨트롤러 또는 논리 회로에서 LED를 구동하는 데 사용됩니다. 직렬 저항은 다음 공식을 사용하여 계산됩니다.
트랜지스터를 이용한 로직 하이 및 로우 구동 회로가 표시됩니다. 로직 소스는 트랜지스터의 베이스에 연결되고 로직 및 회로에 따라 트랜지스터를 켜고 끕니다. 활성 모드에서 트랜지스터를 켜면 LED 회로가 완성되고 LED가 켜집니다.
멀티 컬러 LED
단색 LED는 표시 목적 또는 7세그먼트 디스플레이에 가장 일반적으로 사용됩니다. 그들은 간단한 구조로 인해 비용이 저렴하며 다양한 크기와 모양으로 제공됩니다. 단색 LED 외에도 이색 및 삼색 LED는 전원 또는 배터리 잔량 등과 같은 다양한 상태를 표시하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다.
바이 컬러 LED는 두 개의 다른 색 LED가 역병렬로 연결되어 있습니다. 바이 컬러 LED는 두 개의 단자를 가지고 있고 양쪽에서 공급되는 단자가 색을 만들어 냅니다. 극성의 반전은 LED에 의해 생성되는 색을 변화시킵니다. 이것들은 배터리 극성 단자 또는 기타 표시 등을 확인하기 위해 사용됩니다..
인가된 교류 또는 양방향 전류는 상당히 높은 속도로 두 LED를 켜고 끕니다. 전환은 육안으로 감지할 수 없으므로 두 색상의 혼합이 관찰됩니다.
멀티 컬러 LED는 서로 병렬로 연결된 적색 및 녹색 LED로 구성됩니다. 복합 LED에서 방출되는 색상은 두 개별 LED의 구동 전류에 따라 달라집니다. 방출되는 색상은 개별 LED와 구동 전류원의 조합입니다. 다음 그림은 멀티 컬러 LED와 구동 전류 색상표를 보여줍니다.
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