Svetleče diode: Primer
Polprevodniki, imenovani svetleče diode (LED), pretvarjajo električno energijo v svetlobno energijo. Polprevodniški material in sestava določata barvo izhodne svetlobe, pri čemer so LED diode pogosto razvrščene v tri valovne dolžine: ultravijolično, vidno in infrardečo.
Komercialno dostopne LED diode z izhodno močjo enega elementa najmanj 5 mW imajo razpon valovnih dolžin od 275 do 950 nm. Ne glede na proizvajalca se za vsako območje valovnih dolžin uporablja določena družina polprevodniških materialov. V tem članku je na voljo pregled delovanja LED in hiter vpogled v sektor. Potekala bo tudi razprava o različnih vrstah LED, ustreznih valovnih dolžinah, materialih, uporabljenih v njihovi konstrukciji, in nekaterih uporabah posameznih luči.
UV LED (ultravijolične LED): 240 do 360 nm
Zlasti za dezinfekcijo vode, medicinske/biomedicinske aplikacije in industrijsko utrjevanje se uporabljajo UV LED. Pri valovnih dolžinah, krajših kot 280 nm, so bile dosežene ravni izhodne moči, večje od 100 mW. Galijev nitrid/aluminijev galijev nitrid (GaN/AlGaN) z valovno dolžino 360 nm ali več je material, ki se najpogosteje uporablja za UV LED. Pri krajših valovnih dolžinah so uporabljeni ekskluzivni materiali. Krajše valovne dolžine proizvaja le nekaj ponudnikov, stroški teh LED pa so še vedno precej visoki v primerjavi z ostalo ponudbo LED izdelkov, čeprav se trg za valovne dolžine 360 nm in daljše stabilizira zaradi znižanih cen in velike ponudba.
Zelene LED diode segajo od skoraj UV do 530 nm
Indijev galijev nitrid (InGaN) je material, ki se uporablja za blago v tem območju valovnih dolžin. Čeprav je tehnično izvedljivo proizvesti LED s katero koli valovno dolžino med 395 in 530 nm, se večina večjih dobaviteljev osredotoča na ustvarjanje modrih LED (450 do 475 nm) za belo osvetlitev na osnovi fosforja in zelenih LED v 520– Območje 530 nm za zeleno osvetlitev prometnega signala. Večina ljudi meni, da je tehnologija, ki stoji za temi LED, napredna. V zadnjih nekaj letih so se izboljšave optične učinkovitosti upočasnile ali prenehale.
LED v razponu od rumeno-zelene do rdeče: 565 do 645 nm
Polprevodniška snov, ki se uporablja za to območje valovnih dolžin, je aluminijev indijev galijev fosfid (AlInGaP). Večinoma se proizvaja v prometnih signalih rumene (590 nm) in rdeče (625 nm) valovne dolžine. Čeprav sta manj pogosti, sta v tej tehnologiji na voljo tudi limeta zelena (ali rumenkasto zelena 565 nm) in oranžna (605 nm).
Omeniti velja, da čisto zeleni (555 nm) oddajnik ni značilnost tehnologije InGaN ali AlInGaP. Obstajajo starejše, manj učinkovite tehnologije na tem področju čistega zelenega, vendar ne veljajo za učinkovite ali briljantne. To je predvsem posledica pomanjkanja financiranja za razvoj alternativnih materialnih tehnologij za to območje valovnih dolžin ter pomanjkanja komercialnega interesa ali povpraševanja.
660 do 900 nm: temno rdeča do skoraj infrardeča (IRLED)
Konstrukcija naprav na tem področju ima lahko veliko različnih oblik, vendar vedno uporabljajo elemente iz aluminijevega galijevega arzenida (AlGaAs) ali galijevega arzenida (GaAs). Med aplikacijami so številne medicinske uporabe (pri 660–680 nm), pa tudi infrardeči daljinski upravljalniki in luči za nočno opazovanje.
Teorija delovanja LED
Uporabiti je treba električno napetost, ki zadostuje, da se elektroni premaknejo čez osiromašeno območje in se združijo z luknjo na drugi strani, da ustvarijo par elektron-luknja, da LED, ki so polprevodniške diode, oddajajo svetlobo, ko električni tok teče v smeri naprej proti napravi. To povzroči, da elektron oddaja foton, ko sprosti svojo energijo v obliki svetlobe.
Valovna dolžina oddane svetlobe je odvisna od pasovne širine polprevodnika. Materiali z višjo pasovno vrzeljo oddajajo krajše valovne dolžine, ker imajo krajše valovne dolžine več energije. višje napetosti so potrebne tudi za prevodnost v materialih z večjim pasovnim razmakom. Medtem ko imajo svetleče diode bližnje IR usmerjeno napetost od 1,5 do 2.0 V, imajo kratkovalovne UV-modre svetilne diode napetost 3,5 V.
Razpoložljivost in faktorji učinkovitosti za valovne dolžine
Tržni potencial, povpraševanje potrošnikov in industrijske standardne valovne dolžine so glavni dejavniki, ki določajo, ali je določena valovna dolžina komercialno upravičena ali ne. To je najbolj opazno pri valovnih dolžinah 420–460 nm, 480–520 nm in 680–800 nm. Ni velikih proizvajalcev, ki bi proizvajali LED naprave za ta območja valovnih dolžin, ker zanje ni velike uporabe. Kljub temu je izvedljivo poiskati majhne ali srednje velike prodajalce, ki ponujajo blago za zapolnitev teh posebnih valovnih dolžin po meri.
Območje valovne dolžine, kjer je vsaka materialna tehnologija najučinkovitejša, je lahko skoraj v središču vsakega območja. Učinkovitost se zmanjša, ko raven dopinga polprevodnika naraste ali pade pod idealno raven. Iz tega razloga modra LED proizvede veliko več svetlobe kot zelena ali skoraj UV LED, jantar proizvede več svetlobe kot rumeno-zelena LED in blizu IR proizvede več svetlobe kot 660 nm. Oblikovanje za sredino spektra namesto za robove je vedno boljša možnost. Poleg tega je preprosteje dobiti blago, ki ne presega meja materialne tehnologije.
Oskrba LED s tokom in napetostjo
Svetleče diode so diode in morajo delovati v tokovnem načinu, čeprav so polprevodniki in za delovanje potrebujejo minimalno napetost. Pri uporabi LED diod v enosmernem načinu obstajata dve glavni metodi: uporaba upora za omejevanje toka je najenostavnejša in najbolj priljubljena. Precejšnje odvajanje toplote in moči v uporu je pomanjkljivost te tehnologije. Napajalna napetost mora biti bistveno višja od predhodne napetosti LED, da tok ostane nespremenjen med temperaturnimi spremembami in od ene naprave do druge.
Različni dobavitelji ponujajo komercialne gonilnike LED. Za nadzor svetlosti običajno delujejo z uporabo načel modulacije širine impulza.
Različen niz težav se pojavi pri pulziranju LED diod v visokotokovnem in/ali visokonapetostnem načinu za nize, povezane zaporedno in vzporedno. Za začetnika ni izvedljivo ustvariti impulznega pogona z nadzorovanim tokom, ki lahko zagotovi 5 A in 20 V. Nekaj podjetij proizvaja specializirana orodja za LED, ki utripajo.
LED v aplikacijah, ki jih lahko ljudje vidijo
Natančna barva je bistveno bolj pomembna v situacijah, ko LED-diode neposredno gledamo ali jih uporabljamo kot luminatorje, kot natančen izhod v lumnih ali kandelah. Možgani se odlično prilagajajo kakršnim koli variacijam jakosti svetlobe, medtem ko je človeško oko do njih razmeroma brezbrižno. Povprečna oseba, ki gleda video zaslon LED na zgradbi, na primer, ne bo opazila 20-odstotnega zmanjšanja intenzivnosti, saj so deli zaslona gledani pod kotom 10 do 20 stopinj izven osi v primerjavi z delom, ki je neposredno na osi, ker to je postopna sprememba, ki je ne zaznamo, ko se premika proti robu vidnega polja. Nasprotno pa bo človeško oko opazilo variacijo barv in se zdelo moteče, če imajo LED diode na območju 10 nm valovno dolžino razliko od tistih na drugih območjih.
Večina belih LED, ki so danes v uporabi, je ustvarjena z dodajanjem vidnega fosforja daljše valovne dolžine modri LED. Spektralna podobnost sončnemu sevanju se meri z indeksom barvne reprodukcije (CRI). Večina LED diod, ki se danes uporabljajo v splošni razsvetljavi, ima CRI boljši od 80, pri čemer se 100 šteje za enakovredno sončni svetlobi. Zaradi napredka CRI in izboljšane optične učinkovitosti bele LED diode postajajo najbolj iskan izdelek za večino aplikacij za razsvetljavo.
Prednosti in uporaba LED
V primerjavi s filtriranimi lučmi imajo LED diode več prednosti za monokromatske aplikacije, saj so njihovi spektri valovnih dolžin natančneje določeni. Prihranek energije zaradi uporabe žarnice z žarilno nitko s filtrom za splošno razsvetljavo je lahko 100-krat večji. Aplikacije, kot so prometni signali in arhitekturne luči, imajo od tega velike koristi. Majhna sončna plošča lahko brez težav napaja prenosne LED znake z nizko porabo energije namesto velikega generatorja, kar je očitna prednost.
Na splošno so LED-diode cenejše, bolj zanesljive in jih morda napaja cenejša elektronika kot laserji. LED diode zdaj ločeno razvrščajo ZDA in Evropska unija. Na srečo LED diode za razliko od laserjev in laserskih diod nimajo enakih težav ali opozoril glede varnosti oči. Po drugi strani pa je z LED diodami nemogoče ustvariti optično goste, zelo majhne in visoko kolimirane lise. Laser je skoraj vedno potreben v aplikacijah, ki zahtevajo izjemno visoko gostoto moči v kompaktnem območju.
Danes se LED diode uporabljajo v številnih sektorjih in aplikacijah (tabela 1). Te naprave so izjemno ekonomične in privlačne tako za potrošnike kot za industrijske trge zaradi svoje velike zanesljivosti, visoke učinkovitosti in nižjih skupnih stroškov sistema v primerjavi z laserji in svetilkami. Vsaka edinstvena LED tehnologija in/ali barva je bila ustvarjena za zadovoljevanje posebnih potreb uporabnika.
