LED diode u boji: kako dobiti različite boje?

u U boji LED Oni su nas pratili posljednjih godina. Svaki put se pojave nove nijanse LED dioda, jer nije bilo lako u svim slučajevima. Na primjer, kao kuriozitet, trebali biste znati da su LED diode bijelog svjetla i LED diode plave svjetlosti među posljednjima koje su stigle na tržište.

Trenutno su to postali vrsta diode neophodna za mnoga polja. Stoga ćete u ovom članku naučiti Sve što trebate znati Na ovim osnovne elektronske komponente, i o tome zašto emituju svjetlost, zašto te boje i još mnogo toga...

Poluprovodnički izvori svjetlosti

Kao što trebate znati, dva izvora emisije svjetlosti koja mogu doći iz poluvodičkih uređaja su Laserske diode i LED diode. Dok je LED baziran na spontanoj emisiji, laseri su zasnovani na stimulisanoj emisiji. To je razlika između njih dvoje.

u diode koje emituju svjetlost (Light Emitting Diode) oni su najčešći izvor svjetlosti među elektronskom opremom. Koriste se za prikaz vremena na digitalnim satovima, za signalizaciju rada ili punjenja baterije itd. Primjena je mnogo, a sada su uskočili i u rasvjetu s novim LED sijalicama za osvjetljavanje svih vrsta prostorija, pa čak i za vozila.

Ovi LED uređaji spadaju u grupu opto-poluprovodnici, sposoban da pretvori električnu struju u svjetlo. Ovaj rasvjetni uređaj ima veliku prednost što je izdržljiv, jer ne gori kao sijalice, a uz to je i mnogo efikasniji, pa je potrošnja znatno manja od konvencionalnih sijalica. Osim toga, cijena njihove proizvodnje je vrlo niska, zbog čega su postali toliko popularni.

Kao i svaki drugi poluvodički uređaj, LED ima osnovne glavne elemente, kao što su P zone sa rupama (+) i N zone sa elektronima (-), odnosno uobičajeni nosioci naboja bilo kojeg poluprovodnika. A ovo čini:

• Kada je P strana spojena na napajanje, a N strana na uzemljenje, veza je nagnuta prema naprijed, omogućavajući struji da teče kroz diodu i emituje svjetlost koju svi možemo vidjeti.
• Ako je P strana spojena na uzemljenje, a N strana spojena na izvor napajanja, kaže se da je veza obrnuto pristrasna, što sprječava protok struje. Već znate da diode sprječavaju prolaz struje u jednom smjeru.
• Kada su nagnuti prema naprijed, većinski i manjinski nosioci naboja na P-strani i N-strani se kombinuju jedni s drugima, neutralizirajući nosioce naboja u sloju iscrpljenosti PN spoja. A, zauzvrat, ova migracija elektrona i rupa oslobađa određenu količinu fotona, odnosno dio energije se emituje u obliku svjetlosti, sa konstantnom (monokromatskom) talasnom dužinom. To je ono što će karakterizirati boju LED diode, jer u zavisnosti od talasne dužine koju emituje može biti IR, plava, žuta, zelena, žuta, žuta, bijela, crvena, UV itd.
• Emitovana talasna dužina elektromagnetnog spektra, a samim tim i boja, određuju poluvodički materijali koji formiraju PN spoj diode. Zbog toga se poluprovodnička jedinjenja mogu menjati ili igrati sa njima kako bi se stvorile nove boje unutar spektra ili vidljivog opsega.

Mora se reći da se boje crvena, plava i zelena (RGB ili Red Green Blue) mogu lako kombinovati kako bi se proizvode belu svetlost. S druge strane, mora se reći da radni napon LED dioda također varira u zavisnosti od boje. Na primjer, crvena, zelena, jantarna i žuta boje trebaju oko 1.8 volti da rade. A to je da se radni napon diode koja emituje može odrediti prema probojnom naponu poluvodičkog materijala koji se koristi za proizvodnju LED diode.

LED tipovi

LED diode se mogu klasificirati na nekoliko načina, jedan od glavnih je da se to radi prema talasnoj dužini koju emituju, ostavljajući dvije kategorije:

•  vidljive LED diode: su oni koji emituju talasne dužine unutar vidljivog spektra, odnosno između 400nm i 750nm. Ovaj raspon je ono što ljudsko oko može vidjeti, baš kao što u zvučnom polju možemo čuti samo između 20 Hz i 20 Khz. Ispod 20 Hz je infrazvuk koji ne čujemo, a iznad 20 Khz je ultrazvuk koji ni mi ne možemo uhvatiti. Nešto slično se dešava u slučaju svetlosti, koja ima infracrvenu ili IR kada je ispod 400 nm i ultraljubičasto svetlo kada je iznad 750 nm. I jedno i drugo nevidljivo ljudskom oku.
•  nevidljive LED diode: su to valne dužine koje ne možemo vidjeti, kao što je slučaj sa IR diodom ili UV diodom.

Vidljive LED diode se uglavnom koriste za rasvjetu ili signalizaciju. Nevidljive LED diode se koriste u aplikacijama uključujući optičke prekidače, optičku komunikaciju i analizu, itd., uz korištenje foto senzora.

Efikasnost

Kao što dobro znate, LED rasvjeta je mnogo efikasniji nego konvencionalni, tako da troši mnogo manje energije. To je zbog prirode LED dioda. A u sljedećoj tabeli možete vidjeti odnos između svjetlosnog toka i električne ulazne snage dostavljene LED diodi. To jest, može se izraziti u lumenima po vatu (lm/W):

LED konstrukcija

Izvor: ResearchGate

La struktura i konstrukcija dioda koje emituju svjetlost se vrlo razlikuju od onih kod normalnih dioda, kao što je zener, itd. Svjetlost će se emitovati iz LED diode kada je njen PN spoj nagnut naprijed. PN spoj je prekriven čvrstom epoksidnom smolom i prozirnom plastičnom hemisferičnom kupolom koja štiti unutrašnjost LED diode od atmosferskih smetnji, vibracija i termičkih udara.

PN spoj se formira pomoću materijali spojevi sa nižim razmakom pojasa kao što su galijum arsenid, galijum arsenid fosfid, galijum fosfid, indijum galijum nitrid, galijum aluminijum nitrid, silicijum karbid itd. Na primjer, crvene LED diode su izgrađene na supstratu galij arsenida, zelene, žute i narančaste na galij fosfidu, itd. U crvenim, sloj N-tipa je dopiran telurom (Te), a P sloj je dopiran cinkom (Zn). S druge strane, kontaktni slojevi se formiraju korištenjem aluminija na strani P i kalaja-aluminija na strani N.

Takođe, treba da znate da ovi spojevi ne emituju mnogo svetlosti, tako da kupola od epoksidne smole konstruisan je na takav način da se fotoni svetlosti koje emituje PN spoj najbolje reflektuju i fokusiraju kroz njega. Odnosno, ne djeluje samo kao zaštitnik, već i kao sočivo za koncentriranje svjetlosti. To je razlog zašto se emitirana svjetlost čini svjetlija na vrhu LED diode.

LED diode su dizajnirane da osiguraju da većina rekombinacije nosilaca naboja odvija se na površini PN spoja iz očiglednih razloga, a to se postiže na ovaj način:

• Povećanjem koncentracije dopinga supstrata, dodatni elektroni manjinskog nosioca naboja pomiču se na vrh strukture, rekombinuju i emituju svjetlost na površini LED diode.
• Povećanjem dužine difuzije nosilaca naboja, odnosno L = √ Dτ, gdje je D koeficijent difuzije, a τ vijek trajanja nosioca naboja. Kada se poveća iznad kritične vrijednosti, postojaće mogućnost reapsorpcije oslobođenih fotona u uređaju.

Dakle, kada je LED dioda spojena sa prednagibom, nosači tereta dobijaju dovoljno energije da prevaziđu postojeću potencijalnu barijeru na PN spoju. Manjinski nosioci naboja u poluprovodnicima P-tipa i N-tipa se ubrizgavaju preko spoja i rekombinuju sa većinskim nosiocima. Kombinacija većinskog i manjinskog operatera može biti na dva načina:

• radijativno: kada se svjetlost emituje tokom rekombinacije.
• ne radijativno: tokom rekombinacije ne emituje se svjetlost, proizvodi se toplina. To jest, dio primijenjene električne energije gubi se u obliku topline, a ne svjetlosti. U zavisnosti od procenta energije koja se koristi za generisanje svetlosti ili toplote, to će biti efikasnost LED-a.

organskih poluprovodnika

Nedavno su se probili i na tržište OLED ili organske diode koje emituju svjetlost, koje su korištene za displeje. Ove nove organske diode sastavljene su od materijala organske prirode, odnosno organskog poluvodiča, gdje je provodljivost dozvoljena djelomično ili u cijeloj organskoj molekuli.

Ovi organski materijali mogu biti u kristalnoj fazi ili u polimernim molekulima. Ovo ima prednost što imaju vrlo tanku strukturu, nisku cijenu, potreban im je vrlo nizak napon za rad, imaju visoku svjetlinu, te maksimalni kontrast i intenzitet.

LED boje

Za razliku od normalnih poluvodičkih dioda, LED diode emituju tu svjetlost zbog spojeva koje koriste, kao što sam ranije spomenuo. Normalne poluvodičke diode su napravljene od silicija ili germanija, ali diode koje emituju svjetlost imaju jedinjenja kao što su:

• galijum arsenid
• galijum arsenid fosfid
• Silicijum karbid
• indijum galijum nitrida

Mešanjem ovih materijala može se proizvesti jedinstvena i drugačija talasna dužina, kako bi se postigla željena boja. Različita poluprovodnička jedinjenja emituju svetlost u definisanim delovima spektra vidljive svetlosti i stoga proizvode različite nivoe intenziteta svetlosti. Odabir poluvodičkog materijala koji se koristi u proizvodnji LED dioda će odrediti valnu dužinu emisije fotona i rezultirajuću boju emitirane svjetlosti.

Obrazac zračenja

Obrazac zračenja je definisan kao ugao emisije svetlosti u odnosu na površinu koja emituje. Maksimalna količina snage, intenziteta ili energije će se dobiti u smjeru okomitom na površinu emitiranja. Ugao emitovanja svetlosti zavisi od boje koja se emituje i obično varira između oko 80° i 110°. Evo tabele sa različitih boja i materijala:

Boja svjetlosti koju emituje LED nije određena plastična boja karoserije koji obuhvata LED. Ovo mora biti jasno rečeno. Kao što sam ranije spomenuo, epoksidna smola se koristi i za poboljšanje izlazne svjetlosti i za označavanje boje kada je LED dioda isključena.

Multicolor LED

Na tržištu postoji a širok izbor LED dioda na raspolaganju, s različitim oblicima, veličinama, bojama, intenzitetima izlazne svjetlosti, itd. Ipak, mora se reći da je neprikosnoveni kralj po svojoj cijeni galijum arsenid fosfid crveni LED, prečnika 5 mm. To je najviše korišćeno u svetu, pa je ono koje se proizvodi u najvećoj količini.

Međutim, kao što ste vidjeli, trenutno postoji mnogo različitih boja, a nekoliko boja se čak kombinuje da bi se dobilo a Multicolor LED poput one koju ćemo vidjeti u ovoj sekciji...

Bicolor

Dvobojna LED, kao što joj ime govori, je a LED sposoban da emituje u dve različite boje. Ovo se postiže kombinovanjem dve LED diode različitih boja u istom pakovanju. Na taj način možete mijenjati jednu boju u drugu. Na primjer, poput onih LED dioda koje vidite na nekim uređajima za označavanje stanja napunjenosti baterije koje postaju crvene kada se puni i zelene kada se već napuni.

Da bi se napravile ove LED diode povezani su paralelno, pri čemu je anoda jedne LED diode spojena na katodu druge LED i obrnuto. Na taj način, kada se na bilo koju od anoda dovede napajanje, upalit će se samo jedna LED dioda, ona koja prima struju preko svoje anode. Ako se obje anode napajaju u isto vrijeme, također je moguće uključiti obje istovremeno s dinamičkim prebacivanjem.

Trobojka

Imamo i trobojne LED diode, odnosno one može emitovati tri različite boje umjesto dva. Oni kombinuju tri LED diode sa zajedničkom katodom u istom pakovanju, a da biste zapalili jednu ili dve boje, potrebno je spojiti katodu na masu. I struja koju daje anoda boje koju želite kontrolirati ili uključiti.

Odnosno, za jednobojnu ili dvobojnu LED rasvjetu potrebno je spojiti napajanje za bilo koju anodu pojedinačno ili istovremeno. Ove trobojne LED diode se također često koriste u mnoštvu uređaja, kao što su mobilni telefoni, za označavanje obavijesti itd. Također, ova vrsta dioda stvara dodatne nijanse primarnih boja uključivanjem dvije LED diode u različitim omjerima struje naprijed.

RGB LED

To je u osnovi vrsta trobojne LED diode, u ovom slučaju poznata kao RGB (crveno zeleno plava), jer emituje svetlost te tri boje. Kao što možda znate, postali su vrlo popularni u obojenim ukrasnim trakama i opremi za igre. Međutim, iako imate primarne boje, nije moguće generirati sve boje i nijanse. Neke boje su izvan RGB trougla, a boje poput roze, smeđe, itd. je teško pronaći sa RGB-om.

LED prednosti i nedostaci

Sada je vrijeme da vidimo koji su glavni prednosti i mane ovih LED dioda:

Ventajas

• Mala veličina
• Niski troškovi proizvodnje
• Dug rok trajanja (neće se topiti)*
• Visoka energetska efikasnost / niska potrošnja
• Niska temperatura / manje zračene toplote
• Fleksibilnost dizajna
• Mogu proizvesti mnogo različitih boja, pa čak i bijelo svjetlo.
• Velika brzina prebacivanja
• visokog intenziteta svetlosti
• Može biti dizajniran za fokusiranje svjetlosti u jednom smjeru
• Oni su poluprovodnički uređaji u čvrstom stanju, pa su robusniji: otporniji na termalni udar i vibracije
• Bez prisustva UV zraka

Nedostaci

• Zavisnost izlazne snage zračenja i talasne dužine LED diode od temperature okoline.
• Osetljivost na oštećenja usled viška napona i/ili viška struje.
• Teoretska ukupna efikasnost se postiže samo u posebnim hladnim ili pulsirajućim uslovima.

Aplicaciones

Na kraju, ali ne i najmanje važno, potrebno je pokazati šta su moguće primjene za koje su ove obojene LED diode namijenjene:

• za svjetla vozila
• Signalizacija: pokazivači, znakovi, semafori
• Prikaz vizuelnih informacija na kontrolnoj tabli
• Za displeje na kojima se pikseli sastoje od LED dioda
• Medicinske primjene
• Igračke
• Rasvjeta
• Daljinski upravljači (IR LED diode)
• itd