เมื่อเราใช้แรงดันไฟฟ้าผ่าน LED มันจะสร้างแสง ทั้งหมดนี้มาจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชิ้นเล็กๆ ภายใน LED ซึ่งปล่อยพลังงานเป็นโฟตอน ที่น่าสนใจคือถ้าเราส่องแสงลงบนไฟ LED เราจะยิงโฟตอนกลับเข้าไปย้อนกลับกระบวนการและสร้างแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็ก ไฟ LED มีรูปร่าง สี และขนาดต่างกันสําหรับการใช้งานที่หลากหลาย LED ย่อมาจาก Light Emitting Diode
สัญลักษณ์ LED และพื้นฐาน
ในแบบวิศวกรรมเราใช้สัญลักษณ์เฉพาะสําหรับ LED สังเกตว่ามันดูคล้ายกับสัญลักษณ์ไดโอดมาก แต่มีลูกศรที่ระบุว่ากําลังปล่อยแสงออกมา ทั้ง LED และไดโอดทํางานบนหลักการเดียวกัน: วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ถูกประกบระหว่างขั้วต่อไฟฟ้า แม้ว่าทั้งคู่จะปล่อยโฟตอน แต่มีเพียง LED เท่านั้นที่ปล่อยโฟตอนในช่วงที่มนุษย์มองเห็นได้ โดยเฉพาะความยาวคลื่นประมาณ 400 ถึง 700 นาโนเมตร ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นเรารับรู้สีที่แตกต่างกัน
เช่น:
- สัญญาณวิทยุ FM เป็นคลื่นโฟตอนประมาณ 3 เมตร
- สัญญาณ Wi-Fi มีขนาดเล็กลงประมาณหกเซนติเมตร
- รังสีเอกซ์ทางการแพทย์มีขนาดเล็กประมาณ 0.01 นาโนเมตร
สิ่งเหล่านี้อยู่นอกสเปกตรัมที่มองเห็นได้ของเรา คุณอาจสังเกตเห็นไฟ LED ในรีโมททีวีของคุณเปล่งแสงอินฟราเรด ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 940 นาโนเมตร ซึ่งมนุษย์มองไม่เห็น แต่มองเห็นได้จากกล้องโทรศัพท์
ไฟ LED แตกต่างจากไดโอดมาตรฐานอย่างไร
ภายใน LED อิเล็กตรอนจะรวมตัวกับรูปล่อยโฟตอนในกระบวนการ ไดโอดมาตรฐานใช้วัสดุที่แตกต่างกันในชั้นเซมิคอนดักเตอร์ ผลิตโฟตอนในช่วงใกล้อินฟราเรด โฟตอนเหล่านี้ถูกดูดซับโดยปลอกและแปลงเป็นความร้อนทําให้ไดโอดร้อน ในทางตรงกันข้าม LED ผลิตความร้อนน้อยมาก ทําให้ประหยัดพลังงานมากกว่าเมื่อเทียบกับหลอดไส้แบบดั้งเดิม ซึ่งสร้างความร้อนอย่างมากโดยการให้ความร้อนแก่ไส้หลอดเพื่อสร้างแสงที่มองเห็นได้
ไฟ LED ส่วนใหญ่ที่คุณจะรู้จักเป็นแบบรูทะลุห้ามม. ซึ่งมักจะมีด้านหนึ่งที่มีขอบแบน ขอบแบนนี้บ่งบอกถึงด้านแคโทด ทําให้ง่ายต่อการระบุขั้วที่ถูกต้อง ไฟ LED แบบทะลุรูเหมาะอย่างยิ่งสําหรับการเรียนรู้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งมีจําหน่ายจํานวนมากในราคาถูกและเหมาะสําหรับการใส่ลงในบอร์ดทดสอบหรือบัดกรีลงในแผงวงจรพิมพ์ นอกจากนี้ยังมีรุ่นที่เล็กกว่า 3 มม. และรุ่นใหญ่กว่า 10 มม. โดยทั่วไปจะเป็นรูปโดมและรูปทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัส
อุปกรณ์ยึดพื้นผิว (SMD) และไฟ LED กําลังสูง
ไฟ LED SMD หรืออุปกรณ์ยึดพื้นผิวถูกบัดกรีโดยตรงกับแผงวงจรสําหรับการออกแบบที่กะทัดรัด รุ่นเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่ามากบางครั้งต้องใช้กล้องจุลทรรศน์ในการบัดกรี ไฟ LED SMD มักใช้ในหลอดไฟ ตัวอย่างเช่น LED สีน้ําเงินที่มีชั้นฟอสฟอรัสสีเหลืองรวมแสงสีเหลืองและสีน้ําเงินเพื่อสร้างแสงสีขาว ไฟ LED กําลังสูง ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นไฟ LED จํานวนมากที่บรรจุเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา มักใช้สําหรับไฟฉายและไฟสปอร์ตไลท์ เนื่องจากความสว่างและการมองเห็นจากระยะไกล
ขั้ว LED และการป้องกัน
ไฟ LED จะสว่างขึ้นก็ต่อเมื่อสายขั้วบวกเชื่อมต่อกับขั้วบวกและขั้วลบกับขั้วลบ โดยทั่วไปแล้วสายนําที่ยาวที่สุดของ LED จะเป็นขั้วบวก ทําให้การระบุขั้วตรงไปตรงมา หากตัดแต่งตะกั่ว ขอบแบนบนเคสของ LED จะระบุด้านแคโทด นอกจากนี้ ไฟ LED ยังมีแผ่นโลหะสองแผ่นอยู่ภายใน แผ่นที่ใหญ่กว่าคือแคโทด ไฟ LED บางดวงมีจุดเล็กๆ เพื่อระบุขั้ว แต่สิ่งสําคัญคือต้องตรวจสอบเอกสารข้อมูลของผู้ผลิตหรือทดสอบด้วยตัวเอง
การเชื่อมต่อ LED โดยตรงกับแหล่งแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น เช่น แบตเตอรี่เก้าโวลต์ สามารถทําลายได้ เพื่อป้องกันปัญหานี้ตัวต้านทานจะใช้เพื่อลดกระแสของอิเล็กตรอนปกป้อง LED โดยการกําจัดพลังงานไฟฟ้าส่วนเกินออกเป็นความร้อน ตัวอย่างเช่น ด้วยแบตเตอรี่ 9 โวลต์ ตัวต้านทานอาจถอดประมาณ 7 โวลต์ ทําให้ LED ทํางานได้อย่างปลอดภัยที่ 2 โวลต์ที่เหลือ ตัวต้านทานจะตั้งค่ากระแสสําหรับวงจร ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้เพื่อควบคุมความสว่างของ LED
ไดรเวอร์และวงจร LED
ไดรเวอร์ LED ใช้ในหลอดไฟและหน่วยเฉพาะที่จ่ายไฟให้กับแถบไฟเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่ถูกต้อง ตัวอย่างเช่นหลอดไฟที่ทํางาน 230 โวลต์ใช้วงจรเรียงกระแสเพื่อเปลี่ยนกระแสสลับเป็นกระแสตรงตัวเก็บประจุเพื่อทําให้เรียบและชิปเพื่อให้กระแสคงที่แก่ไฟ LED ป้องกันการสั่นไหว
แถบไฟ USB เป็นวงจรง่ายๆ ที่พอร์ต USB มีราง 5 โวลต์และรางกราวด์ โดยมีตัวต้านทานและ LED เชื่อมต่อแบบขนาน การออกแบบนี้ช่วยให้มีความยืดหยุ่นในความยาว เนื่องจากการตัดแถบจะส่งผลต่อกระแสไฟตามจํานวน LED
ภายใน LED
ภายในเคส LED ทั้งสายแอโนดและแคโทดมีแผ่นโลหะคั่นด้วยช่องว่างเล็กๆ แผ่นขนาดใหญ่ระบุด้านแคโทด เซมิคอนดักเตอร์ของ LED ประกอบด้วยชั้นชนิด n ที่มีอิเล็กตรอนอิสระและชั้นชนิด p ที่มีรู เมื่อขับเคลื่อนอิเล็กตรอนจะไหลจากชั้น n-type ไปยังชั้น p-type ปล่อยโฟตอนที่ทางแยก PN ความยาวคลื่นของโฟตอนเหล่านี้เป็นตัวกําหนดสีของแสง ซึ่งขึ้นอยู่กับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์และสีอ่อน
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันทําให้เกิดความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกัน เช่น:
- ซิลิกอนไดโอดปล่อยแสงอินฟราเรดใกล้ซึ่งมนุษย์มองไม่เห็น
- แกลเลียมสารหนูรวมกับแกลเลียมฟอสไฟด์ช่วยให้มีสีได้หลากหลายโดยการปรับช่องว่างแถบของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์
นักวิทยาศาสตร์สามารถผสมวัสดุต่างๆ ได้สีใดก็ได้ระหว่างสีแดงและสีเขียว ทําให้สามารถผลิตสีและแสงสีขาวได้หลากหลายโดยการรวมไฟ LED สีแดง เขียว และน้ําเงินเข้าด้วยกัน
บทสรุป
LED เป็นแหล่งกําเนิดแสงอเนกประสงค์ที่ประหยัดพลังงานซึ่งใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ตัวบ่งชี้แบบธรรมดาไปจนถึงระบบไฟส่องสว่างที่ซับซ้อน การทําความเข้าใจวิธีการทํางานของ LED เกี่ยวข้องกับความรู้ด้านฟิสิกส์เซมิคอนดักเตอร์ การออกแบบวงจร และวัสดุศาสตร์ ซึ่งทั้งหมดนี้มีส่วนช่วยในโซลูชันแสงสว่างที่สดใสและมีประสิทธิภาพที่เราพึ่งพาในปัจจุบัน
คําถามที่พบบ่อย (FAQ)
- LED ย่อมาจากอะไร?
LED ย่อมาจาก Light Emitting Diode เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่เปล่งแสงเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
- ทําไมไฟ LED ถึงมีสีต่างกัน?
สีของแสงที่ผลิตโดย LED ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของโฟตอนที่ปล่อยออกมา ซึ่งกําหนดโดยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในการสร้าง LED วัสดุที่แตกต่างกันมีช่องว่างของแถบที่แตกต่างกันส่งผลให้ความยาวคลื่นและสีของแสงต่างกัน
- ฉันจะป้องกัน LED จากการถูกทําลายด้วยไฟฟ้าแรงสูงได้อย่างไร
เพื่อป้องกัน LED จากไฟฟ้าแรงสูง ให้ใช้ตัวต้านทานในวงจรเพื่อจํากัดกระแสที่ไหลผ่าน LED ตัวต้านทานจะลดแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัย เพื่อป้องกันกระแสไฟที่มากเกินไปซึ่งอาจทําให้ LED เสียหายได้
