Έγχρωμα LED: πώς παίρνετε τα διαφορετικά χρώματα;

Ο Χρωματισμένα LED Μας συνοδεύουν τα τελευταία χρόνια. Κάθε φορά που εμφανίζονται νέες αποχρώσεις LED, αφού δεν ήταν εύκολο σε όλες τις περιπτώσεις. Για παράδειγμα, ως αξιοπερίεργο, θα πρέπει να γνωρίζετε ότι τα LED λευκού φωτός και τα LED μπλε φωτός ήταν από τα τελευταία που έφτασαν στην αγορά.

Επί του παρόντος, έχουν γίνει ένας τύπος διόδου απαραίτητο για πολλούς τομείς. Επομένως, σε αυτό το άρθρο θα μάθετε το μόνο που χρειάζεται να γνωρίζετε Σε αυτά βασικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα, και για το γιατί εκπέμπουν φως, γιατί αυτά τα χρώματα και πολλά άλλα...

Πηγές εκπομπής φωτός ημιαγωγών

Όπως θα πρέπει να γνωρίζετε, οι δύο πηγές εκπομπής φωτός που μπορούν να προέλθουν από συσκευές ημιαγωγών είναι Δίοδοι λέιζερ και δίοδοι LED. Ενώ το LED βασίζεται σε αυθόρμητη εκπομπή, τα λέιζερ βασίζονται σε διεγερμένη εκπομπή. Αυτή είναι η διαφορά μεταξύ των δύο.

Ο δίοδοι εκπομπής φωτός (Light Emitting Diode) είναι η πιο κοινή πηγή φωτός μεταξύ του ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Χρησιμοποιούνται για να δείχνουν την ώρα σε ψηφιακά ρολόγια, να σηματοδοτούν τη λειτουργία ή τη φόρτιση της μπαταρίας κ.λπ. Οι εφαρμογές είναι πολλές και τώρα έχουν πηδήξει και στον φωτισμό με τους νέους λαμπτήρες LED για να φωτίζουν όλους τους τύπους δωματίων ακόμα και για οχήματα.

Αυτές οι συσκευές LED ανήκουν στην ομάδα των οπτικοί ημιαγωγοί, ικανό να μετατρέπει ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε φως. Αυτή η συσκευή φωτισμού έχει το μεγάλο πλεονέκτημα ότι είναι ανθεκτική, αφού δεν καίγεται όπως οι λαμπτήρες και είναι επίσης πολύ πιο αποδοτική, επομένως η κατανάλωση είναι πολύ χαμηλότερη από τους συμβατικούς λαμπτήρες. Επιπλέον, το κόστος κατασκευής τους είναι πολύ χαμηλό, γι' αυτό και έχουν γίνει τόσο δημοφιλή.

Όπως κάθε άλλη συσκευή ημιαγωγών, το LED έχει τα βασικά κύρια στοιχεία, όπως το Ζώνες P με οπές (+) και Ν ζώνες με ηλεκτρόνια (-), δηλαδή οι συνήθεις φορείς φορτίου οποιουδήποτε ημιαγωγού. Και αυτό κάνει:

• Όταν η πλευρά P είναι συνδεδεμένη σε τροφοδοτικό και η πλευρά Ν στη γείωση, η σύνδεση είναι πολωμένη προς τα εμπρός, επιτρέποντας στο ρεύμα να ρέει μέσω της διόδου και να εκπέμπει φως που μπορούμε να δούμε όλοι.
• Εάν η πλευρά P είναι συνδεδεμένη στη γείωση και η πλευρά Ν είναι συνδεδεμένη στην παροχή ρεύματος, η σύνδεση λέγεται ότι είναι αντίστροφη πόλωση, η οποία εμποδίζει τη ροή του ρεύματος. Γνωρίζετε ήδη ότι οι δίοδοι εμποδίζουν τη διέλευση του ρεύματος προς μία κατεύθυνση.
• Όταν πολώνονται προς τα εμπρός, οι πλειοψηφικοί και μειοψηφικοί φορείς φορτίου πλευράς P και Ν συνδυάζονται μεταξύ τους, εξουδετερώνοντας τους φορείς φορτίου στο στρώμα εξάντλησης της σύνδεσης PN. Και, με τη σειρά της, αυτή η μετανάστευση ηλεκτρονίων και οπών απελευθερώνει μια ορισμένη ποσότητα φωτονίων, δηλαδή μέρος της ενέργειας εκπέμπεται με τη μορφή φωτός, με σταθερό (μονόχρωμο) μήκος κύματος. Αυτό είναι που θα χαρακτηρίσει το χρώμα του LED, αφού ανάλογα με το μήκος κύματος που εκπέμπει μπορεί να είναι IR, μπλε, κίτρινο, πράσινο, κίτρινο, πορτοκαλί, λευκό, κόκκινο, UV κ.λπ.
• Το εκπεμπόμενο μήκος κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, άρα και το χρώμα, καθορίζεται από τα υλικά ημιαγωγών που σχηματίζουν τη διασταύρωση PN της διόδου. Επομένως, οι ενώσεις ημιαγωγών μπορούν να διαφοροποιηθούν ή να παίξουν με αυτές για τη δημιουργία νέων χρωμάτων εντός του φάσματος ή του ορατού εύρους.

Πρέπει να πούμε ότι τα χρώματα κόκκινο, μπλε και πράσινο (RGB ή Red Green Blue) μπορούν εύκολα να συνδυαστούν για να παράγουν λευκό φως. Από την άλλη πλευρά, πρέπει να ειπωθεί ότι η τάση λειτουργίας των LED ποικίλλει επίσης ανάλογα με το χρώμα. Για παράδειγμα, τα χρώματα κόκκινο, πράσινο, πορτοκαλί και κίτρινο χρειάζονται περίπου 1.8 βολτ για να λειτουργήσουν. Και είναι ότι το εύρος της τάσης εργασίας της διόδου εκπομπής φωτός μπορεί να προσδιοριστεί σύμφωνα με την τάση διάσπασης του υλικού ημιαγωγού που χρησιμοποιείται για την κατασκευή του LED.

Τύποι LED

Τα LED μπορούν να ταξινομηθούν με διάφορους τρόπους, ένας από τους κύριους είναι να το κάνουμε σύμφωνα με το μήκος κύματος που εκπέμπουν, αφήνοντας δύο κατηγορίες:

•  ορατά LED: είναι αυτά που εκπέμπουν μήκη κύματος εντός του ορατού φάσματος, δηλαδή μεταξύ 400nm και 750nm. Αυτό το εύρος είναι αυτό που μπορεί να δει το ανθρώπινο μάτι, όπως και στο ηχητικό πεδίο μπορούμε να ακούσουμε μόνο μεταξύ 20 Hz και 20 Khz. Κάτω από 20 Hz υπάρχουν υπέρηχοι που δεν μπορούμε να ακούσουμε και πάνω από 20 Khz είναι υπέρηχοι που δεν μπορούμε να καταγράψουμε. Κάτι παρόμοιο συμβαίνει στην περίπτωση του φωτός, έχοντας υπέρυθρες ή υπέρυθρες όταν πέφτει κάτω από 400 nm και υπεριώδες φως όταν υπερβαίνει τα 750 nm. Και τα δύο αόρατα στο ανθρώπινο μάτι.
•  αόρατα LED: είναι εκείνα τα μήκη κύματος που δεν μπορούμε να δούμε, όπως συμβαίνει με μια δίοδο IR ή μια δίοδο UV.

Τα ορατά LED χρησιμοποιούνται κυρίως για φωτισμό ή σηματοδότηση. Τα αόρατα LED χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπως οπτικοί διακόπτες, οπτικές επικοινωνίες και ανάλυση κ.λπ., με τη χρήση αισθητήρων φωτογραφίας.

αποδοτικότητα

Όπως πολύ καλά γνωρίζετε, ο φωτισμός LED είναι πολύς πιο αποτελεσματική από το συμβατικό, επομένως καταναλώνει πολύ λιγότερη ενέργεια. Αυτό οφείλεται στη φύση των LED. Και στον παρακάτω πίνακα μπορείτε να δείτε τη σχέση μεταξύ της φωτεινής ροής και της ηλεκτρικής ισχύος εισόδου που παρέχεται στο LED. Δηλαδή, μπορεί να εκφραστεί σε lumens ανά watt (lm/W):

Κατασκευή LED

Πηγή: ResearchGate

La η δομή και η κατασκευή των διόδων εκπομπής φωτός είναι πολύ διαφορετικές από αυτές μιας κανονικής διόδου, όπως ένα zener, κ.λπ. Το φως θα εκπέμπεται από το LED όταν η διασταύρωση PN είναι πολωμένη προς τα εμπρός. Η διασταύρωση PN καλύπτεται από συμπαγή εποξειδική ρητίνη και διαφανή πλαστικό ημισφαιρικό θόλο που προστατεύει το εσωτερικό του LED από ατμοσφαιρικές διαταραχές, κραδασμούς και θερμικούς κραδασμούς.

Η διασταύρωση PN σχηματίζεται χρησιμοποιώντας τα υλικά Ενώσεις χαμηλότερης ζώνης όπως αρσενίδιο γαλλίου, φωσφίδιο αρσενιούχου γαλλίου, φωσφίδιο του γαλλίου, νιτρίδιο γαλλίου ινδίου, νιτρίδιο αργιλίου γαλλίου, καρβίδιο του πυριτίου κ.λπ. Για παράδειγμα, τα κόκκινα LED είναι χτισμένα σε υπόστρωμα αρσενιούχου γαλλίου, τα πράσινα, κίτρινα και πορτοκαλί σε φωσφίδιο του γαλλίου κ.λπ. Στα κόκκινα, το στρώμα τύπου Ν είναι ντοπαρισμένο με τελλούριο (Te) και το στρώμα P είναι ντοπαρισμένο με ψευδάργυρο (Zn). Από την άλλη πλευρά, τα στρώματα επαφής σχηματίζονται χρησιμοποιώντας αλουμίνιο στην πλευρά Ρ και κασσίτερο-αλουμίνιο στην πλευρά Ν.

Επίσης, θα πρέπει να ξέρετε ότι αυτές οι διασταυρώσεις δεν εκπέμπουν πολύ φως, οπότε η θόλος από εποξειδική ρητίνη Είναι κατασκευασμένο με τέτοιο τρόπο ώστε τα φωτόνια του φωτός που εκπέμπονται από τη διασταύρωση PN να ανακλώνται και να εστιάζονται καλύτερα μέσω αυτής. Δηλαδή, δεν λειτουργεί μόνο ως προστατευτικός, αλλά και ως φακός συγκέντρωσης φωτός. Είναι ο λόγος για τον οποίο το εκπεμπόμενο φως φαίνεται να είναι πιο φωτεινό στην κορυφή του LED.

Τα LED είναι σχεδιασμένα για να διασφαλίζουν ότι η Το μεγαλύτερο μέρος του ανασυνδυασμού των φορέων φορτίου λαμβάνει χώρα στην επιφάνεια της διασταύρωσης PN για ευνόητους λόγους και αυτό επιτυγχάνεται με αυτόν τον τρόπο:

• Αυξάνοντας τη συγκέντρωση ντόπινγκ του υποστρώματος, επιπλέον ηλεκτρόνια μειοψηφίας φορέων φορτίου μετακινούνται στην κορυφή της δομής, ανασυνδυάζονται και εκπέμπουν φως στην επιφάνεια LED.
• Αυξάνοντας το μήκος διάχυσης των φορέων φορτίου, δηλαδή L = √ Dτ, όπου D είναι ο συντελεστής διάχυσης και τ είναι η διάρκεια ζωής του φορέα φορτίου. Όταν αυξηθεί πέρα ​​από την κρίσιμη τιμή, θα υπάρχει πιθανότητα επαναρρόφησης των φωτονίων που απελευθερώνονται στη συσκευή.

Έτσι, όταν η δίοδος LED είναι συνδεδεμένη με πόλωση προς τα εμπρός, μεταφορείς φορτίου αποκτούν αρκετή ενέργεια για να ξεπεράσουν το υπάρχον εμπόδιο δυναμικού στον κόμβο ΠΝ. Οι φορείς μειοψηφίας φορτίου τόσο στον ημιαγωγό τύπου Ρ όσο και στον ημιαγωγό τύπου Ν εγχέονται κατά μήκος της διασταύρωσης και ανασυνδυάζονται με τους πλειοψηφικούς φορείς. Ο συνδυασμός μεταφορέων της πλειοψηφίας και της μειοψηφίας μπορεί να γίνει με δύο τρόπους:

• ακτινοβολώ: όταν εκπέμπεται φως κατά τον ανασυνδυασμό.
• όχι ακτινοβολία: κατά τον ανασυνδυασμό δεν εκπέμπεται φως, παράγεται θερμότητα. Δηλαδή, μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας που εφαρμόζεται χάνεται με τη μορφή θερμότητας και όχι φωτός. Ανάλογα με το ποσοστό της ενέργειας που χρησιμοποιείται για την παραγωγή φωτός ή θερμότητας, αυτή θα είναι η απόδοση του LED.

οργανικούς ημιαγωγούς

Πρόσφατα μπήκαν και στην αγορά OLED ή οργανικές διόδους εκπομπής φωτός, που έχουν χρησιμοποιηθεί για οθόνες. Αυτές οι νέες οργανικές δίοδοι αποτελούνται από ένα υλικό οργανικής φύσης, δηλαδή έναν οργανικό ημιαγωγό, όπου η αγωγιμότητα επιτρέπεται εν μέρει ή σε όλο το οργανικό μόριο.

Αυτά τα οργανικά υλικά μπορεί να είναι μέσα κρυσταλλική φάση ή σε πολυμερή μόρια. Αυτό έχει το πλεονέκτημα ότι έχουν πολύ λεπτή δομή, χαμηλό κόστος, χρειάζονται πολύ χαμηλή τάση για να λειτουργήσουν, έχουν υψηλή φωτεινότητα και μέγιστη αντίθεση και ένταση.

Χρώματα LED

Σε αντίθεση με τις κανονικές διόδους ημιαγωγών, τα LED εκπέμπουν αυτό το φως λόγω των ενώσεων που χρησιμοποιούν, όπως ανέφερα προηγουμένως. Οι κανονικές δίοδοι ημιαγωγών κατασκευάζονται από πυρίτιο ή γερμάνιο, αλλά οι δίοδοι εκπομπής φωτός έχουν ενώσεις όπως:

• αρσενίδιο του γαλλίου
• φωσφίδιο αρσενιούχου γαλλίου
• Καρβίδιο του πυριτίου
• νιτρίδιο γαλλίου ινδίου

Η ανάμειξη αυτών των υλικών μπορεί να παράγει ένα μοναδικό και διαφορετικό μήκος κύματος, προκειμένου να επιτευχθεί το επιθυμητό χρώμα. Διαφορετικές ενώσεις ημιαγωγών εκπέμπουν φως σε καθορισμένες περιοχές του φάσματος του ορατού φωτός και επομένως παράγουν διαφορετικά επίπεδα έντασης φωτός. Η επιλογή του υλικού ημιαγωγού που χρησιμοποιείται στην κατασκευή του LED θα καθορίσει το μήκος κύματος των εκπομπών φωτονίων και το προκύπτον χρώμα του εκπεμπόμενου φωτός.

Μοτίβο ακτινοβολίας

Το σχέδιο ακτινοβολίας ορίζεται ως η γωνία εκπομπής φωτός σε σχέση με την επιφάνεια εκπομπής. Η μέγιστη ποσότητα ισχύος, έντασης ή ενέργειας θα ληφθεί στην κατεύθυνση κάθετη προς την επιφάνεια εκπομπής. Η γωνία εκπομπής φωτός εξαρτάται από το χρώμα που εκπέμπεται και συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 80° και 110° περίπου. Εδώ είναι ένα τραπέζι με το διαφορετικά χρώματα και υλικά:

Το χρώμα του φωτός που εκπέμπεται από ένα LED δεν καθορίζεται από το πλαστικό χρώμα αμαξώματος που περικλείει το LED. Αυτό πρέπει να γίνει πολύ σαφές. Όπως ανέφερα προηγουμένως, η εποξειδική ρητίνη χρησιμοποιείται τόσο για τη βελτίωση της απόδοσης φωτός όσο και για την ένδειξη χρώματος όταν το LED είναι σβηστό.

LED πολύχρωμο

Στην αγορά υπάρχει ένα μεγάλη ποικιλία από LED, με διαφορετικά σχήματα, μεγέθη, χρώματα, εντάσεις φωτός εξόδου κ.λπ. Ωστόσο, πρέπει να πούμε ότι ο αδιαμφισβήτητος βασιλιάς για την τιμή του είναι το κόκκινο φωσφίδιο του γαλλίου αρσενιδίου LED, με διάμετρο 5mm. Αυτό είναι το πιο χρησιμοποιημένο στον κόσμο, άρα είναι αυτό που κατασκευάζεται στη μεγαλύτερη ποσότητα.

Ωστόσο, όπως είδατε, αυτή τη στιγμή υπάρχουν πολλά διαφορετικά χρώματα και πολλά χρώματα συνδυάζονται ακόμη και για να παράγουν α LED πολύχρωμο όπως αυτό που θα δούμε σε αυτή την ενότητα…

Bicolor

Ένα δίχρωμο LED, όπως υποδηλώνει το όνομά του, είναι α LED με δυνατότητα εκπομπής σε δύο διαφορετικά χρώματα. Αυτό επιτυγχάνεται συνδυάζοντας δύο διαφορετικά χρώματα LED στην ίδια συσκευασία. Με αυτόν τον τρόπο, μπορείτε να αλλάξετε από το ένα χρώμα στο άλλο. Για παράδειγμα, όπως αυτές οι λυχνίες LED που βλέπετε σε ορισμένες συσκευές για να υποδεικνύουν την κατάσταση της φόρτισης της μπαταρίας που γίνονται κόκκινο όταν φορτίζεται και πράσινο όταν έχει ήδη φορτιστεί.

Προκειμένου να κατασκευαστούν αυτά τα LED συνδέονται παράλληλα, με την άνοδο ενός LED συνδεδεμένη με την κάθοδο ενός άλλου LED και αντίστροφα. Με αυτόν τον τρόπο, όταν τροφοδοτείται ρεύμα σε οποιαδήποτε από τις ανόδους, θα ανάψει μόνο ένα LED, αυτό που λαμβάνει ισχύ μέσω της ανόδου του. Εάν και οι δύο άνοδοι τροφοδοτούνται ταυτόχρονα, είναι επίσης δυνατό να ενεργοποιηθούν και οι δύο ταυτόχρονα με δυναμική μεταγωγή.

Τρίχρωμη σημαία

Έχουμε και τρίχρωμα LED, δηλαδή μπορεί να εκπέμπει τρία διαφορετικά χρώματα αντί για δύο. Αυτά συνδυάζουν τρία LED με μια κοινή κάθοδο στην ίδια συσκευασία και για να ανάψετε ένα ή δύο χρώματα, πρέπει να συνδέσετε την κάθοδο στη γείωση. Και το ρεύμα που παρέχεται από την άνοδο του χρώματος που θέλετε να ελέγξετε ή να ενεργοποιήσετε.

Δηλαδή, για μονόχρωμο ή δίχρωμο φωτισμό LED, είναι απαραίτητο να συνδέσετε το παροχή ρεύματος σε οποιαδήποτε άνοδο μεμονωμένα ή ταυτόχρονα. Αυτά τα τρίχρωμα LED χρησιμοποιούνται επίσης συχνά σε πολλές συσκευές, όπως κινητά τηλέφωνα, για την ένδειξη ειδοποιήσεων κ.λπ. Επίσης, αυτός ο τύπος διόδου παράγει πρόσθετες αποχρώσεις των βασικών χρωμάτων ενεργοποιώντας τα δύο LED σε διαφορετικές αναλογίες μπροστινού ρεύματος.

LED RGB

Είναι βασικά ένας τύπος τρίχρωμου LED, σε αυτήν την περίπτωση γνωστό ως RGB (κόκκινο πράσινο μπλε), γιατί εκπέμπει αυτά τα τρία χρώματα φώτα. Αυτά έχουν γίνει πολύ δημοφιλή σε χρωματιστές λωρίδες επένδυσης και εξοπλισμό παιχνιδιών, όπως ίσως γνωρίζετε. Ωστόσο, παρόλο που έχετε τα βασικά χρώματα, δεν είναι δυνατό να δημιουργηθούν όλα τα χρώματα και οι αποχρώσεις. Ορισμένα χρώματα βρίσκονται εκτός του τριγώνου RGB και χρώματα όπως το ροζ, το καφέ κ.λπ. είναι δύσκολο να τα βρεις με το RGB.

LED Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Τώρα ήρθε η ώρα να δούμε ποια είναι τα κύρια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από αυτές τις διόδους LED:

Πλεονέκτημα

• Μικρό μέγεθος
• Χαμηλό κόστος παραγωγής
• Μεγάλη διάρκεια ζωής (δεν θα λιώσει)*
• Υψηλή ενεργειακή απόδοση / χαμηλή κατανάλωση
• Χαμηλή θερμοκρασία / λιγότερη ακτινοβολούμενη θερμότητα
• Ευελιξία σχεδιασμού
• Μπορούν να παράγουν πολλά διαφορετικά χρώματα, ακόμα και λευκό φως.
• Υψηλή ταχύτητα μεταγωγής
• υψηλή ένταση φωτός
• Μπορεί να σχεδιαστεί για να εστιάζει το φως προς μία κατεύθυνση
• Είναι συσκευές ημιαγωγών στερεάς κατάστασης, επομένως είναι πιο στιβαρές: πιο ανθεκτικές σε θερμικούς κραδασμούς και κραδασμούς
• Καμία παρουσία ακτίνων UV

Μειονεκτήματα

• Εξάρτηση από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος της ισχύος εξόδου ακτινοβολίας και του μήκους κύματος του LED.
• Ευαισθησία σε ζημιές λόγω υπερβολικής τάσης ή/και υπερβολικού ρεύματος.
• Η θεωρητική συνολική απόδοση επιτυγχάνεται μόνο υπό ειδικές ψυχρές ή παλμικές συνθήκες.

εφαρμογές

Τελευταίο αλλά εξίσου σημαντικό, είναι απαραίτητο να δείξουμε ποια είναι τα πιθανές εφαρμογές για τα οποία προορίζονται αυτά τα έγχρωμα LED:

• για τα φώτα οχημάτων
• Σήμανση: ενδείξεις, πινακίδες, φανάρια
• Εμφάνιση οπτικών πληροφοριών στους πίνακες εργαλείων
• Για οθόνες όπου τα pixel αποτελούνται από LED
• Ιατρικές εφαρμογές
• Παιχνίδια
• Φωτισμός
• Τηλεχειριστήρια (IR LED)
• Κ.λπ.