Barevné LED: jak získáte různé barvy?

L Barevné LED diody Provázejí nás v posledních letech. Pokaždé se objeví nové odstíny LED, protože to nebylo ve všech případech snadné. Například pro zajímavost byste měli vědět, že LED diody s bílým světlem a LED s modrým světlem byly mezi posledními, které se dostaly na trh.

V současné době se stali druh diody nezbytné pro mnoho oborů. Proto se v tomto článku dozvíte vše, co potřebujete vědět Na těchto základní elektronické součástkya o tom, proč vyzařují světlo, proč ty barvy a mnoho dalšího...

Polovodičové světelné zdroje

Jak byste měli vědět, dva zdroje vyzařování světla, které mohou pocházet z polovodičových zařízení, jsou Laserové diody a LED diody. Zatímco LED je založena na spontánní emisi, lasery jsou založeny na stimulované emisi. To je rozdíl mezi těmito dvěma.

L světelné diody (Light Emitting Diode) jsou nejběžnějším zdrojem světla mezi elektronickými zařízeními. Slouží k ukazování času na digitálních hodinkách, k signalizaci provozu nebo nabití baterie atp. Aplikací je mnoho a nyní skočily také do osvětlení s novými LED žárovkami pro osvětlení všech typů místností a dokonce i vozidel.

Tato LED zařízení patří do skupiny opto-polovodiče, schopný přeměnit elektrický proud na světlo. Toto osvětlovací zařízení má velkou výhodu v odolnosti, protože nevypaluje jako žárovky a je také mnohem efektivnější, takže spotřeba je mnohem nižší než u klasických žárovek. Navíc jsou jejich výrobní náklady velmi nízké, a proto se staly tak populárními.

Jako každé jiné polovodičové zařízení má LED základní hlavní prvky, jako je např P zóny s otvory (+) a N zóny s elektrony (-), tedy obvyklé nosiče náboje jakéhokoli polovodiče. A to dělá:

• Když je strana P připojena k napájecímu zdroji a strana N k zemi, je spojení směrováno dopředu, což umožňuje, aby proud procházel diodou a vyzařoval světlo, které všichni vidíme.
• Pokud je strana P připojena k zemi a strana N je připojena k napájecímu zdroji, říká se, že připojení je obrácené, což zabraňuje toku proudu. Už víte, že diody brání toku proudu v jednom směru.
• Při dopředném předpětí se P-strana a N-strana většinového a menšinového nosiče náboje vzájemně spojí, čímž se neutralizují nosiče náboje v ochuzovací vrstvě PN přechodu. A tato migrace elektronů a děr zase uvolňuje určité množství fotonů, to znamená, že část energie je emitována ve formě světla s konstantní (monochromatickou) vlnovou délkou. To je to, co bude charakterizovat barvu LED, protože v závislosti na vlnové délce, kterou vyzařuje, může být IR, modrá, žlutá, zelená, žlutá, oranžová, bílá, červená, UV atd.
• Vyzařovaná vlnová délka elektromagnetického spektra, a tedy i barva, je určena polovodičovými materiály, které tvoří PN přechod diody. Proto lze polovodičové sloučeniny obměňovat nebo si s nimi hrát a vytvářet nové barvy v rámci spektra nebo viditelného rozsahu.

Je třeba říci, že barvy červená, modrá a zelená (RGB nebo Red Green Blue) lze snadno kombinovat, aby bylo možné produkovat bílé světlo. Na druhou stranu je třeba říci, že pracovní napětí LED se také mění v závislosti na barvě. Například barvy červená, zelená, oranžová a žlutá potřebují ke svému fungování asi 1.8 voltu. A spočívá v tom, že rozsah pracovního napětí světlo emitující diody lze určit podle průrazného napětí polovodičového materiálu použitého pro výrobu LED.

Typy LED

LED diody lze klasifikovat několika způsoby, jedním z hlavních je to udělat podle vlnové délky, kterou vyzařují dvě kategorie:

•  viditelné LED diody: jsou ty, které vyzařují vlnové délky v rámci viditelného spektra, tj. mezi 400nm a 750nm. Tento rozsah je to, co lidské oko vidí, stejně jako ve zvukovém poli slyšíme pouze mezi 20 Hz a 20 Khz. Pod 20 Hz jsou infrazvuky, které neslyšíme, a nad 20 Khz jsou ultrazvuk, které také nemůžeme zachytit. Něco podobného se děje v případě světla, které má infračervené nebo IR, když jde pod 400 nm, a ultrafialové světlo, když jde nad 750 nm. Obojí neviditelné pro lidské oko.
•  neviditelné LED diody: jsou ty vlnové délky, které nevidíme, jako je tomu u IR diody nebo UV diody.

Viditelné LED se používají především pro osvětlení nebo signalizaci. Neviditelné LED diody se používají v aplikacích včetně optických spínačů, optické komunikace a analýzy atd. s využitím fotosenzorů.

Účinnost

Jak dobře víte, LED osvětlení je hodně efektivnější než konvenční, takže spotřebuje mnohem méně energie. To je způsobeno povahou LED diod. A v následující tabulce můžete vidět vztah mezi světelným tokem a elektrickým příkonem dodávaným do LED. To znamená, že může být vyjádřen v lumenech na watt (lm/W):

Konstrukce LED

Zdroj: ResearchGate

La struktura a konstrukce světelných diod se velmi liší od těch normálních diod, jako je zener atd. Světlo bude vyzařováno z LED, když je její PN přechod v dopředném směru. PN přechod je pokryt pevnou epoxidovou pryskyřicí a průhlednou plastovou polokulovou kopulí, která chrání vnitřek LED před atmosférickými poruchami, vibracemi a tepelnými šoky.

PN přechod se tvoří pomocí materiály sloučeniny s nižším bandgapem, jako je arsenid gallia, fosfid arsenidu galia, fosfid galia, nitrid indium gallia, nitrid gallia a hliníku, karbid křemíku atd. Například červené LED diody jsou postaveny na substrátu arsenidu galia, zelené, žluté a oranžové na fosfidu galia atd. U červených je vrstva typu N dotována teluriem (Te) a vrstva P je dotována zinkem (Zn). Na druhé straně jsou kontaktní vrstvy vytvořeny pomocí hliníku na straně P a cínu-hliníku na straně N.

Také byste měli vědět, že tyto křižovatky nevyzařují mnoho světla, takže kopule z epoxidové pryskyřice je konstruován tak, aby se přes něj nejlépe odrážely a zaostřovaly fotony světla emitovaného PN přechodem. To znamená, že působí nejen jako chránič, ale také jako čočka koncentrující světlo. To je důvod, proč se vyzařované světlo zdá být v horní části LED jasnější.

LED diody jsou navrženy tak, aby zajistily, že většina rekombinace nosičů náboje probíhá na povrchu PN přechodu ze zřejmých důvodů, a toho je dosaženo tímto způsobem:

• Zvýšením dopingové koncentrace substrátu se další minoritní elektrony nosiče náboje přesunou do horní části struktury, rekombinují se a emitují světlo na povrchu LED.
• Zvětšením difúzní délky nosičů náboje, tj. L = √ Dτ, kde D je difúzní koeficient a τ je životnost nosiče náboje. Když se zvýší nad kritickou hodnotu, bude existovat možnost reabsorpce uvolněných fotonů v zařízení.

Když je tedy LED dioda připojena s předpětím, nákladní dopravci získávají dostatek energie k překonání stávající potenciální bariéry na PN přechodu. Menšinové nosiče náboje v polovodičích typu P i N jsou injektovány přes spoj a rekombinují se s většinovými nosiči. Kombinace většinových a menšinových nositelů může být dvěma způsoby:

• radiační: když je světlo vyzařováno během rekombinace.
• není radiační: během rekombinace se nevyzařuje žádné světlo, vzniká teplo. To znamená, že část použité elektrické energie se ztrácí ve formě tepla a nikoli světla. V závislosti na procentu energie použité k výrobě světla nebo tepla to bude účinnost LED.

organické polovodiče

Nedávno také prorazily na trhu OLED nebo organické diody vyzařující světlo, které se používaly pro displeje. Tyto nové organické diody jsou složeny z materiálu organické povahy, tj. organického polovodiče, kde je vodivost umožněna v části nebo v celé organické molekule.

Tyto organické materiály mohou být v v krystalické fázi nebo v polymerních molekulách. To má tu výhodu, že mají velmi tenkou strukturu, nízkou cenu, potřebují k provozu velmi nízké napětí, mají vysoký jas a maximální kontrast a intenzitu.

LED barvy

Na rozdíl od normálních polovodičových diod LED vyzařují toto světlo díky sloučeninám, které používají, jak jsem již zmínil. Normální polovodičové diody jsou vyrobeny z křemíku nebo germania, ale světlo emitující diody mají sloučeniny například:

• arsenid gallia
• fosfid arsenidu galia
• Karbid křemíku
• nitrid india a galia

Mícháním těchto materiálů lze vytvořit jedinečnou a odlišnou vlnovou délku, aby se dosáhlo požadované barvy. Různé polovodičové sloučeniny emitují světlo v definovaných oblastech spektra viditelného světla, a proto produkují různé úrovně intenzity světla. Volba polovodičového materiálu použitého při výrobě LED určí vlnovou délku fotonových emisí a výslednou barvu vyzařovaného světla.

Radiační vzor

Vyzařovací diagram je definován jako úhel vyzařování světla vzhledem k vyzařujícímu povrchu. Maximální množství výkonu, intenzity nebo energie bude získáno ve směru kolmém k vyzařovací ploše. Úhel vyzařování světla závisí na vyzařované barvě a obvykle se pohybuje mezi asi 80° a 110°. Zde je tabulka s různé barvy a materiály:

Barva světla vyzařovaného LED diodou není určena barva plastového těla která obklopuje LED. To musí být velmi jasné. Jak jsem již zmínil, epoxidová pryskyřice se používá jak pro zlepšení světelného výkonu, tak pro indikaci barvy, když je LED vypnutá.

Vícebarevná LED

Na trhu existuje a široká škála dostupných LED diods různými tvary, velikostmi, barvami, výstupní intenzitou světla atd. Nutno však říci, že nesporným králem za svou cenu je gallium arsenid fosfidová červená LED o průměru 5 mm. To je nejpoužívanější na světě, takže se vyrábí v největším množství.

Jak jste však viděli, v současné době existuje mnoho různých barev a několik barev se dokonce kombinuje, aby se vytvořilo a Vícebarevná LED jako ten, který uvidíme v této sekci…

Dvě barvy

Dvoubarevná LED, jak její název napovídá, je a LED schopná vyzařovat ve dvou různých barvách. Toho je dosaženo kombinací dvou různých barevných LED diod ve stejném balení. Tímto způsobem můžete přecházet z jedné barvy na druhou. Například jako ty LED diody, které vidíte na některých zařízeních indikujících stav nabití baterie, které se rozsvítí červeně, když se nabíjí, a zeleně, když je již nabitá.

Aby bylo možné tyto LED diody postavit jsou zapojeny paralelně, přičemž anoda jedné LED je připojena ke katodě druhé LED a naopak. Tímto způsobem, když je napájení přivedeno na kteroukoli z anod, rozsvítí se pouze jedna LED, ta, která přijímá energii přes svou anodu. Pokud jsou obě anody napájeny současně, je také možné s dynamickým spínáním zapnout obě současně.

Trikolóra

Máme i tříbarevné LEDky, tedy oni může vyzařovat tři různé barvy místo dvou. Ty kombinují tři LED se společnou katodou ve stejném balení a pro rozsvícení jedné nebo dvou barev je potřeba katodu připojit k zemi. A proud dodávaný anodou barvy, kterou chcete ovládat nebo zapínat.

To znamená, že pro jedno nebo dvoubarevné LED osvětlení je nutné připojit napájení jedné anody jednotlivě nebo současně. Tyto tříbarevné LED diody se také často používají v mnoha zařízeních, jako jsou mobilní telefony, k indikaci oznámení atd. Tento typ diody také generuje další odstíny primárních barev rozsvícením dvou LED diod při různých poměrech stejnosměrného proudu.

RGB LED

Jde v podstatě o typ tříbarevné LED, v tomto případě známé jako RGB (červená zelená modrá), protože vyzařuje světla těchto tří barev. Ty se staly velmi populárními v barevných ozdobných lištách a herním vybavení, jak možná víte. I když však máte primární barvy, není možné vygenerovat všechny barvy a odstíny. Některé barvy spadají mimo trojúhelník RGB a barvy jako růžová, hnědá atd. jsou s RGB těžko dostupné.

LED výhody a nevýhody

Nyní je čas podívat se, jaké jsou ty hlavní výhody a nevýhody z těchto LED diod:

Výhoda

• Malá velikost
• Nízké výrobní náklady
• Dlouhá skladovatelnost (neroztaví se)*
• Vysoká energetická účinnost / nízká spotřeba
• Nízká teplota / méně vyzařovaného tepla
• Flexibilita designu
• Mohou produkovat mnoho různých barev a dokonce i bílé světlo.
• Vysoká rychlost spínání
• vysoká intenzita světla
• Může být navržen tak, aby zaostřoval světlo jedním směrem
• Jsou to polovodičová zařízení v pevné fázi, takže jsou robustnější: odolnější vůči tepelným šokům a vibracím
• Žádná přítomnost UV paprsků

Nevýhody

• Závislost výstupního vyzařovaného výkonu a vlnové délky LED na teplotě okolí.
• Citlivost na poškození v důsledku nadměrného napětí a/nebo nadměrného proudu.
• Teoretické celkové účinnosti je dosaženo pouze za speciálních studených nebo pulzních podmínek.

aplikace

V neposlední řadě je třeba ukázat, jaké jsou možné aplikace pro které jsou tyto barevné LED diody určeny:

• pro světla vozidel
• Značení: ukazatele, značky, semafory
• Zobrazení vizuálních informací na palubních deskách
• Pro displeje, kde jsou pixely tvořeny LED diodami
• Lékařské aplikace
• Hračky
• Osvětlení
• Dálkové ovladače (IR LED)
• atd.