18新利最新登入发光二极管(led)如何工作

由:汤姆•哈里斯 克里斯Pollette韦斯利Fenlon|
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五彩缤纷的LED灯照亮了这片景观。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。它们在各种各样的设备中做着许多不同的工作。它们在上形成数数字时钟,从18luck手机登录遥控器它会点亮手表,并告诉你家电什么时候打开了。把它们收集在一起,就能形成图像超大电视屏幕或者点亮交通灯。

基本上,led只是很容易融入电路的微型灯泡。但与白炽灯不同的是,它们没有容易烧坏的灯丝,耗电量更少,也不会特别热。它们只被电子的运动照亮半导体材料,而且它们的寿命和标准晶体管一样长。LED的寿命比白炽灯的寿命短数千小时。由于这些优点,微型led成为最受欢迎的照明技术之一液晶显示器电视。

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与传统的白炽灯相比,led有几个优点,但它们的主要优点是效率.在白炽灯中,发光的过程包括产生大量的热量(灯丝必须被加热才能发光)。这些能量完全被浪费了,除非你把灯用作加热器,因为很大一部分可用的电能并没有用于产生可见光。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。

每瓦特,led比普通白炽灯输出更多流明(或可见光的数量)。发光二极管有较高的光视效能一18新利最新登入个60瓦的白炽灯可以产生750-900流明的电流,但是一个LED灯泡只需要6-8瓦就可以得到同样的输出。同样的LED灯泡可以使用25000小时,但是60瓦的白炽灯只能点亮1200小时。换句话说,一个LED灯泡可以持续燃烧21个60瓦的白炽灯泡[来源:EarthEasy].

直到最近,led都太贵了,无法用于大多数照明应用,因为它们是基于先进的半导体材料建造的。然而,在2000年之后,半导体器件的价格暴跌,使得led在广泛的情况下成为更具成本效益的照明选择。18新利最新登入虽然它们可能比白炽灯更贵(白炽灯泡大约5美元对1美元),从长远来看,它们较低的成本会使它们更值得购买。几家公司已经开始销售旨在与白炽灯和紧凑型荧光灯竞争的LED灯泡,这些灯泡承诺提供长寿命的明亮光线和惊人的能源效率。

在这篇文章中,我们将研究这些无处不在的闪光灯背后的技术,在这个过程中阐明一些很酷的电和光原理。

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什么是二极管?

在结处,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层绝缘层,称为损耗区。"width=
在结处,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层绝缘层,称为损耗区。
©H18新利最新登入owStuffWorks

二极管是最简单的一种半导体设备。一般而言,半导体是一种导电能力不同的材料。大多数半导体是由添加了杂质(另一种材料的原子)的不良导体制成的。添加杂质的过程叫做兴奋剂

在led的情况下,导体材料通常是铝-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地结合在一起,没有留下自由电子(带负电的粒子)来传导电流。在掺杂材料中,额外的原子改变了平衡,要么增加自由电子,要么创造电子可以去的空穴。这两种改变都使材料更具导电性。

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有多余电子的半导体被称为半导体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,损耗区消失。"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,损耗区消失。
©H18新利最新登入owStuffWorks

有额外孔洞的半导体被称为半导体p型材料,因为它实际上有额外的正电荷粒子。电子可以从一个空穴跳到另一个空穴,从带负电的区域移动到带正电的区域。结果,这些洞本身似乎从一个带正电的区域移动到一个带负电的区域。

二极管由一段n型材料与一段p型材料结合而成,两端各有电极。这种结构只在一个方向上导电。当没有电压施加到二极管上时,来自n型材料的电子沿着层之间的结填满来自p型材料的空穴,形成耗尽区。在一个耗尽区,半导体材料就会恢复到原来的绝缘状态——所有的空穴都被填满了,所以没有自由电子或电子的空白空间,电流就无法流动。

当电路的正极端连接到n型层,负极端连接到p型层时,自由电子聚集在二极管的一端,空穴聚集在另一端。损耗区变大了。"width=
当电路的正极端连接到n型层,负极端连接到p型层时,自由电子聚集在二极管的一端,空穴聚集在另一端。损耗区变大了。
©H18新利最新登入owStuffWorks

为了摆脱损耗区,你必须让电子从n型区域移动到p型区域,而空穴朝相反的方向移动。为此,将二极管的n型端连接到电路的负极,将p型端连接到电路的正极。n型材料中的自由电子被负极排斥,并被吸引到正极。p型材料中的孔向相反方向移动。当电极之间的电压差足够大时,损耗区的电子就会从空穴中被激发出来,重新开始自由移动。耗尽区消失,电荷穿过二极管移动。

如果你试图以另一种方式运行电流,将p型侧连接到电路的负端,n型侧连接到正端,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极上。没有电流流过结,因为空穴和电子都朝着错误的方向移动。损耗区增加。(见18新利最新登入半导体的工作原理以了解更多有关整个18luck手机登录过程的资料。)

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——它会发光!

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18新利最新登入二极管如何发光?

光是一种可以由原子释放的能量。它由许多类似粒子的小包裹组成,它们有能量和动量,但没有质量。这些粒子叫做光子,是光的最基本单位。

光子由于电子移动而被释放出来。在原子中,电子绕原子核轨道运动。不同轨道上的电子有不同的能量。一般来说,能量大的电子在轨道上离原子核越远。

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一个电子要从低能级轨道跃迁到高能级轨道,必须有某种物质提高它的能级。相反,当电子从高轨道掉到低轨道时,它会释放能量。这种能量以光子的形式释放出来。更大的能量下降会释放出更高能量的光子,其特征是更高的频率。

正如我们前面看到的,在二极管上移动的自由电子可以从p型层落入空穴。这涉及到从导带到较低轨道的下降,因此电子以光子的形式释放能量。这发生在任何二极管,但你只能看到光子二极管是由特定的材料。例如,标准硅二极管中的原子排列方式使电子下落的距离相对较短。因此,光子的频率非常低,以至于人眼无法看到——它处于光谱的红外部分。当然,这并不一定是件坏事:红外led是理想的遥控器,以及其他事情。

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18新利最新登入二极管如何发光。
(c)18新利最新登入 HowStuffWorks

可见发光二极管(vled),例如那些在数字时钟中照亮数字的发光二极管,是由传导带和较低轨道之间有较宽间隙的材料制成的。间隙的大小决定了光子的频率——换句话说,它决定了光的颜色。从遥控器到电子设备上的数字显示,led被广泛应用,但可见光led因其长寿命和小巧的尺寸而广受欢迎。根据led所使用的材料,它们可以在红外、紫外线和可见光光谱之间的所有颜色中发光。

虽然所有的二极管都能发光,但大多数都不是很有效。在一个普通的二极管中半导体物质本身最终会吸收大量的光能。led是专门用来向外释放大量光子的。此外,它们被安置在一个塑料灯泡中,将光线集中到特定的方向。来自二极管的大部分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灯照亮了这条隧道。Os Tartarouchos/Getty Images

几十年来,100瓦的白炽灯泡点亮了走廊和卧室;60瓦的白炽灯发出了来自阅读灯和壁橱的更柔和的光线。但是白炽灯效率低,浪费了大量的能量作为热量,而且寿命比荧光灯短。最近,更高效紧凑型荧光灯灯泡已经成为流行的替代品。白炽灯的平均寿命约为1200小时,而节能灯可以持续1万小时[来源:EarthEasy].不幸的是,节能灯含有有毒的汞,这使得它们具有潜在的危险,处理起来很痛苦。

进入LED灯泡。led具有节能灯的优点——更低的功耗和更长的使用寿命——没有有毒汞的缺点[来源:希尔和莫斯].例如,一个60瓦的白炽灯每年耗电量超过150美元,提供约800流明的光;一个等效的紧凑型荧光灯的耗电量不到15瓦,每年的电费仅为35美元。LED灯泡甚至更好,耗电量约8.5瓦,每年成本约21美元,持续使用25,000小时或更长时间[来源:EarthEasy].一整年只有8760个小时——想象一下一个LED灯泡在普通家庭里能使用多久!18新利最新登入

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这让led听起来相当不错——事实也确实如此——但白炽灯和紧凑型荧光灯仍然存在是有原因的。最大的原因是价格;尽管近年来LED灯泡的价格有所下降,但LED灯泡的成本仍高于其他选择。18新利最新登入然而,它们更长的寿命和显著降低的耗电量有助于弥补更高的准入门槛。

除了高成本之外,led还容易受到高温的影响。如果LED电路变得太热,更多的电流将通过本文前面提到过。当接点过热时,会导致灯泡烧坏[来源:led杂志].尽管led不含汞(不像CFL灯泡),但它们可能含有其他危险元素,如铅或砷[来源:希尔和莫斯].此外,一项研究发现,使用LED灯泡会增加光污染[来源:布雷迪].

有些人也更喜欢白炽灯的外观,他们觉得白炽灯比黄色的节能灯和蓝色的led灯更温暖。不同的照明类型可能需要一些调整,但led也有各种色调可供选择。led是可调光的(与节能灯不同),非常适合促进植物生长,因为它们能有效地阻挡大量的光,而不产生可能损害植物生命的热量。

节能灯和白炽灯的外壳颜色受到限制,而一些LED灯泡可以改变发出数百万种颜色。这些灯泡通常比白色LED灯泡更贵,但它们可以通过编程随着一天中的时间改变颜色,让人们更好地控制他们的环境。

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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18新利最新登入岛图像的LED电视。mbbirdy /盖蒂图片社

从点亮数字钟面的早期开始,led已经取得了长足的进步。在21世纪,液晶显示器电视占领了高清市场,代表着相对于旧的标准清晰度CRT电视的巨大进步。液晶显示器甚至比重超过100磅(45.4公斤)的高清背投电视机还要先进一大步。但是LED技术改变了市场。虽然液晶电视比大型背投电视机要薄得多、轻得多,但它们仍然使用冷阴极荧光灯管将白光投射到构成屏幕的像素上。这些会增加电视机的重量和厚度。led解决了这两个问题。

你见过不到一英寸厚的巨型平板电视吗?可能是一台LED电视。这里是首字母缩写有点令人困惑的地方: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。从技术上讲,他们led背光液晶电视。led取代了荧光灯管,从屏幕后面发出光,照亮像素,形成图像。由于led的小尺寸和低功耗,led背光电视比普通液晶电视要薄得多,而且更节能。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背光灯,但并不是所有的led背光灯都是一样的。许多套装使用白色LED边缘照明把光照射在显示器上。这些设备唯一的真正优势是轻薄。RGB led背光组,另一方面,提供更好的颜色。一些配置甚至允许使用一种叫做地方变暗,显示屏不同部分的led可独立调亮或调暗,以创造更动态的画面[来源:莫里森].这突出了led相对于节能灯的另一个巨大优势:因为led实际上可以立即开关,它们在黑暗场景中产生令人惊叹的黑色水平。由于白色荧光灯在电视使用过程中必须保持开着,因此在黑暗场景中,一些光线会渗透进来,使画面变亮。

一些最新的LED显示屏是用有机发光二极管,或oled.用于制造这些半导体的有机材料是柔性的,这使得科学家们能够制造出可弯曲的灯和显示器——一些制造商已经开始生产使用更小OLED屏幕的智能手机和其他设备。随着技术允许更好更大的显示器,你可能会在以前永远找不到屏幕的地方看到它们。oled还允许完全关闭单个像素,让观众看到真正的黑色。

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最初发表于2002年1月31日

领导的常见问题

LED代表什么?
LED是发光二极管的缩写。
led的用途是什么?
它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,通过遥控器传输信息,在巨大的电视屏幕上产生图像,并照亮交通灯。18luck手机登录这样的例子不胜枚举。
18新利最新登入LED灯能用多久?
一个LED灯泡可以持续使用25000小时,也就是连续使用近3年。
你可以在任何电灯插座上使用LED灯泡吗?
只要插座的大小和类型相同,你就可以在现有的灯具中使用LED灯泡。只是要确保使用的灯泡的瓦数与推荐的灯具相同。
LED灯泡值得吗?
LED灯泡效率更高,功耗更低,寿命更长。它们的购买价格要贵一些,但是当你考虑到它们消耗大约8.5瓦的电力,每年花费大约21美元,而60瓦18新利最新登入的白炽灯每年消耗超过150美元的电力时,它们的前期成本是值得的。

更多信息18luck手机登录

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更多优质链接

  • 安吉拉,琥珀。“LED灯泡会比节能灯和白炽灯更好吗?”2010年8月。(2020年1月6日)。http://www.popularmechanics.com/science/environment/will-led-light-bulbs-best-cfls-and-incandescents
  • EarthEasy。“LED灯泡:比较图表。”(2020年1月7日)。https://learn.eartheasy.com/guides/led-light-bulbs-comparison-charts/
  • led杂志。“事实还是虚构:led不发热。”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局部调光解释。”CNET。2017年3月26日。(2020年1月8日)https://www.cnet.com/news/led-local-dimming-explained/
  • 希尔,罗迪,莫斯,道格。“LED灯泡的黑暗面”。《科学美国人》。2012年9月15日。(2020年1月7日)https://www.scientificamerican.com/article/led-lightbulb-concerns/
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