Диоде које емитују светлост: Пример
Полупроводници који се називају диоде које емитују светлост (ЛЕД) трансформишу електричну енергију у светлосну енергију. Полупроводнички материјал и састав одређују боју излазног светла, при чему се ЛЕД диоде често категоришу у три таласне дужине: ултраљубичаста, видљива и инфрацрвена.
Доступне комерцијално доступне ЛЕД диоде са излазном снагом једног елемента од најмање 5 мВ имају опсег таласних дужина од 275 до 950 нм. Без обзира на произвођача, одређена породица полупроводничких материјала се користи за сваки опсег таласних дужина. Преглед функционисања ЛЕД-а и кратак поглед на сектор су дати у овом чланку. Такође ће се разговарати о различитим врстама ЛЕД диода, одговарајућим таласним дужинама, материјалима који се користе у њиховој конструкцији и неким употребама за одређена светла.
УВ ЛЕД (ултраљубичасте ЛЕД диоде): 240 до 360 нм
Нарочито за дезинфекцију воде, медицинске/биомедицинске примене и индустријско очвршћавање, користе се УВ ЛЕД диоде. На таласним дужинама од само 280 нм, постигнути су нивои излазне снаге већи од 100 мВ. Галијум-нитрид/алуминијум-галијум-нитрид (ГаН/АлГаН) са таласним дужинама од 360 нм или дуже је материјал који се најчешће користи за УВ ЛЕД. Краће таласне дужине користе ексклузивне материјале. Краће таласне дужине производи само неколико провајдера, а трошкови за ове ЛЕД диоде су и даље прилично високи у поређењу са остатком понуде ЛЕД производа, чак и ако се тржиште таласних дужина од 360 нм и дуже стабилизује због смањених цена и велике снабдевање.
Зелене ЛЕД диоде се крећу од скоро УВ до 530 нм
Индијум галијум нитрид (ИнГаН) је материјал који се користи за робу у овом опсегу таласних дужина. Иако је технички изводљиво произвести ЛЕД са таласном дужином било које вредности између 395 и 530 нм, већина главних добављача се фокусира на генерисање плавих ЛЕД диода (450 до 475 нм) за бело осветљење засновано на фосфору и зелених ЛЕД диода у 520– Опсег од 530 нм за зелено светло семафора. Већина људи сматра да је технологија која стоји иза ових ЛЕД диода напредна. Током протеклих неколико година, побољшања у оптичкој ефикасности су успорила или престала.
ЛЕД диоде у распону од жуто-зелене до црвене: 565 до 645 нм
Полупроводничка супстанца која се користи за овај опсег таласних дужина је алуминијум индијум галијум фосфид (АлИнГаП). Највише се производи у таласним дужинама саобраћајног сигнала жуте (590 нм) и црвене (625 нм). Иако су ређе, у овој технологији се нуде и лимето-зелена (или жућкасто-зелена 565 нм) и наранџаста (605 нм).
Важно је приметити да чисто зелени (555 нм) емитер није карактеристика ни ИнГаН ни АлИнГаП технологија. Постоје старије, мање ефикасне технологије у овој области чистог зеленог, али се не сматра да су ефикасне или бриљантне. Ово је углавном узроковано недостатком финансирања за развој технологија алтернативних материјала за овај опсег таласних дужина, као и недостатком комерцијалног интереса или потражње.
660 до 900 нм: тамноцрвена до скоро инфрацрвена (ИРЛЕД)
Конструкција уређаја у овој области може имати много различитих облика, али увек користе елементе алуминијум-галијум-арсенида (АлГаАс) или галијум-арсенида (ГаАс). Међу применама су бројне медицинске употребе (на 660–680 нм), као и инфрацрвени даљински управљачи и светла за ноћно осматрање.
ЛЕД теорија рада
Електрични напон који је довољан да се електрони крећу кроз област исцрпљивања и комбинују се са рупом на другој страни како би се створио пар електрон-рупа мора се применити како би ЛЕД, које су полупроводничке диоде, емитовали светлост када електрични струја се примењује у смеру напред уређаја. Ово узрокује да електрон емитује фотон док ослобађа своју енергију у облику светлости.
Таласна дужина емитоване светлости зависи од размака полупроводника. Материјали са већим појасним размаком емитују краће таласне дужине јер краће таласне дужине имају више енергије. већи напони су такође неопходни за проводљивост у материјалима са већим размаком појаса. Док скоро ИР ЛЕД диоде имају предњи напон од 1,5 до 2.0 В, краткоталасне УВ-плаве ЛЕД диоде имају предњи напон од 3,5 В.
Фактори доступности и ефикасности за таласне дужине
Тржишни потенцијал, потражња потрошача и стандардне таласне дужине су главне детерминанте да ли је одређена таласна дужина комерцијално одржива или не. Ово је најуочљивије у опсегу таласних дужина од 420–460 нм, 480–520 нм и 680–800 нм. Не постоје произвођачи великог обима који производе ЛЕД уређаје за ове опсеге таласних дужина јер за њих не постоје велике употребе. Без обзира на то, изводљиво је лоцирати мале или средње продавце који обезбеђују робу за испуњавање ових специфичних таласних дужина по мери.
Регион таласне дужине где је свака технологија материјала најефикаснија може се наћи скоро у центру сваког опсега. Ефикасност се смањује како ниво допинга полупроводника расте или пада испод идеалног нивоа. Из тог разлога, плави ЛЕД производи далеко више светлости од зелених или скоро УВ ЛЕД, ћилибар производи више светлости од жуто-зелених ЛЕД, а блиски ИР производи више светлости од 660 нм. Дизајнирање за средину спектра, а не за ивице је увек боља опција. Поред тога, једноставније је набавити робу која не прелази границе материјалне технологије.
Снабдевање ЛЕД диода струјом и напоном
ЛЕД диоде су диоде и морају да раде у струјном режиму иако су полупроводници и захтевају минимални напон да би функционисали. Када користите ЛЕД диоде у ДЦ режиму, постоје две основне методе: Употреба отпорника за ограничавање струје је најједноставнији и најпопуларнији. Значајна дисипација топлоте и снаге у отпорнику је недостатак ове технологије. Напон напајања треба да буде знатно већи од напона унапред ЛЕД диоде да би струја остала стабилна током промена температуре и од једног уређаја до другог.
Комерцијалне ЛЕД драјвере у понуди нуде различити добављачи. За контролу осветљености, они обично функционишу користећи принципе модулације ширине импулса.
Јасан скуп проблема јавља се када пулсирају ЛЕД диоде у високострујном и/или високонапонском режиму за низове повезане серијски и паралелно. Није изводљиво да почетни дизајнер креира импулсни погон са контролом струје који може да обезбеди 5 А и 20 В. Неколико компанија производи специјализоване алате за ЛЕД диоде које пулсирају.
ЛЕД диоде у апликацијама које људи могу да виде
Тачна боја је много важнија у ситуацијама када се ЛЕД диоде директно посматрају или користе као луминатори него прецизан излаз у луменима или канделама. Мозак одлично прилагођава све варијације у интензитету светлости, док је људско око релативно равнодушно према њима. Просечна особа која гледа ЛЕД видео екран на згради, на пример, неће приметити смањење интензитета од 20 процената јер се делови екрана гледају под углом од 10 до 20 степени ван осе у поређењу са делом директно на оси, јер ово је постепена промена која се не опажа док се креће ка ивици вида. Насупрот томе, људско око ће приметити варијацију у боји и сматрати да ће бити узнемирујуће ако ЛЕД диоде неке области имају 10 нм разлику у таласној дужини од оних у другим областима.
Већина белих ЛЕД диода који се данас користе настају додавањем видљивог фосфора дуже таласне дужине са плавим ЛЕД-ом. Спектрална сличност са сунчевим зрацима мери се индексом приказивања боја (ЦРИ). Већина ЛЕД диода које се данас користе у општем осветљењу имају ЦРИ бољи од 80, при чему се 100 сматра еквивалентним сунчевој светлости. Беле ЛЕД диоде постају најтраженији производ за већину апликација за осветљење због напретка ЦРИ и побољшане оптичке ефикасности.
Предности и употреба ЛЕД-а
У поређењу са филтрираним светлима, ЛЕД диоде имају неколико предности за монохроматске апликације јер су њихови спектри таласних дужина прецизније специфицирани. Уштеда енергије коришћењем филтриране сијалице са жарном нити за опште осветљење може потенцијално бити 100 пута већа. Апликације као што су саобраћајна сигнализација и архитектонска светла имају велике користи од овога. Мали соларни панел може лако да напаја преносиве ЛЕД знакове за аутопут мале снаге уместо великог генератора, што је јасна предност.
Генерално, ЛЕД диоде су јефтиније, поузданије и могу се напајати јефтинијом електроником од ласера. ЛЕД диоде су сада одвојено класификоване од стране САД и Европске уније. Срећом, за разлику од ласера и ласерских диода, ЛЕД диоде не долазе са истим проблемима безбедности очију или упозорењима. Са друге стране, немогуће је створити оптички густе, веома мале и високо колимиране тачке са ЛЕД диодама. Ласер је скоро увек потребан у апликацијама које захтевају изузетно велику густину снаге у компактном региону.
Данас се ЛЕД диоде користе у широком спектру сектора и апликација (Табела 1). Ови уређаји су изузетно економични и привлачни како за потрошачко тако и за индустријско тржиште захваљујући својој великој поузданости, високој ефикасности и смањеним укупним трошковима система у поређењу са ласерима и лампама. Свака јединствена ЛЕД технологија и/или боја креирана је да задовољи потребе одређене употребе.
