Värilliset LEDit: miten saat eri värejä?

Los Värilliset ledit He ovat olleet mukanamme viime vuosina. Joka kerta kun uusia LED-sävyjä ilmestyy, koska se ei ole ollut helppoa kaikissa tapauksissa. Esimerkiksi uteliaisuutena on hyvä tietää, että valkoisen valon LEDit ja siniset valo-LEDit ovat tulleet markkinoille viimeisten joukossa.

Tällä hetkellä niistä on tullut eräänlainen diodi välttämätön monille aloille. Siksi tässä artikkelissa opit Kaikki mitä sinun tarvitsee tietää Näillä elektroniset peruskomponentit, ja siitä, miksi ne säteilevät valoa, miksi ne värit ja paljon muuta...

Puolijohdevaloa lähettävät lähteet

Kuten sinun pitäisi tietää, puolijohdelaitteiden kaksi valonlähdettä ovat Laserdiodit ja LED-diodit. LED perustuu spontaaniin säteilyyn, kun taas laserit perustuvat stimuloituun säteilyyn. Tämä on ero näiden kahden välillä.

Los valodiodit (Light Emitting Diode) ne ovat yleisin valonlähde elektroniikkalaitteiden joukossa. Niitä käytetään näyttämään kellonaikaa digitaalisissa kelloissa, ilmoittamaan akun toiminnasta tai latauksesta jne. Sovelluksia on monia, ja nyt ne ovat hypänneet myös valaistukseen uusien LED-polttimoiden avulla kaikentyyppisten huoneiden ja jopa ajoneuvojen valaisemiseen.

Nämä LED-laitteet kuuluvat ryhmään opto-puolijohteet, joka pystyy muuttamaan sähkövirran valoksi. Tämän valaisimen suuri etu on kestävyys, koska se ei pala kuin hehkulamput, ja se on myös paljon tehokkaampi, joten kulutus on paljon pienempi kuin perinteiset hehkulamput. Lisäksi niiden valmistuskustannukset ovat erittäin alhaiset, minkä vuoksi niistä on tullut niin suosittuja.

Kuten missä tahansa muussa puolijohdelaitteessa, LEDissä on peruspääelementit, kuten P vyöhykettä rei'illä (+) ja N vyöhykettä elektroneilla (-), eli minkä tahansa puolijohteen tavanomaiset varauksenkantajat. Ja tämä tekee:

• Kun P-puoli on kytketty virtalähteeseen ja N-puoli maahan, liitäntä on esijännitetty, jolloin virta kulkee diodin läpi ja säteilee valoa, jonka me kaikki näemme.
• Jos P-puoli on kytketty maahan ja N-puoli on kytketty virtalähteeseen, liitännän sanotaan olevan käänteinen esijännite, mikä estää virran kulkemisen. Tiedät jo, että diodit estävät virran kulkemisen yhteen suuntaan.
• Eteenpäin biasoituna P-puolen ja N-puolen enemmistö- ja vähemmistövarauksen kantajat yhdistyvät keskenään neutraloimalla varauksenkantajat PN-liitoksen tyhjennyskerroksessa. Ja tämä elektronien ja reikien migraatio puolestaan ​​vapauttaa tietyn määrän fotoneja, eli osa energiasta emittoituu valon muodossa vakiolla (monokromaattisella) aallonpituudella. Tämä luonnehtii LEDin väriä, koska sen lähettämästä aallonpituudesta riippuen se voi olla IR, sininen, keltainen, vihreä, keltainen, keltainen, valkoinen, punainen, UV jne.
• Sähkömagneettisen spektrin säteilevän aallonpituuden ja siten värin määräävät puolijohdemateriaalit, jotka muodostavat diodin PN-liitoksen. Siksi puolijohdeyhdisteitä voidaan muunnella tai niillä pelata uusien värien luomiseksi spektrin tai näkyvän alueen sisällä.

On sanottava, että värit punainen, sininen ja vihreä (RGB tai Red Green Blue) voidaan helposti yhdistää, jotta voidaan tuottaa valkoista valoa. Toisaalta on sanottava, että myös LEDien käyttöjännite vaihtelee värin mukaan. Esimerkiksi värit punainen, vihreä, keltainen ja keltainen tarvitsevat noin 1.8 volttia toimiakseen. Ja se on, että valodiodin käyttöjännitealue voidaan määrittää LEDin valmistukseen käytetyn puolijohdemateriaalin läpilyöntijännitteen mukaan.

LED-tyypit

LEDit voidaan luokitella useilla tavoilla, yksi tärkeimmistä on tehdä se niiden lähettämän aallonpituuden mukaan, jolloin kahteen luokkaan:

•  näkyvät LEDit: ovat ne, jotka lähettävät aallonpituuksia näkyvän spektrin sisällä, toisin sanoen välillä 400 nm ja 750 nm. Tämän alueen ihmissilmä näkee, aivan kuten äänikentässä voimme kuulla vain 20 Hz:n ja 20 Khz:n välillä. Alle 20 Hz ovat infraääntä, jota emme kuule, ja yli 20 Khz ovat ultraääniä, joita emme myöskään pysty sieppaamaan. Jotain vastaavaa tapahtuu valossa, jossa infrapuna tai IR, kun se laskee alle 400 nm, ja ultraviolettivalo, kun se ylittää 750 nm. Molemmat ovat ihmissilmälle näkymättömiä.
•  näkymättömät LEDit: ovat aallonpituuksia, joita emme näe, kuten IR-diodin tai UV-diodin tapauksessa.

Näkyviä LED-valoja käytetään pääasiassa valaistukseen tai signalointiin. Näkymättömiä LED-valoja käytetään sovelluksissa, kuten optisissa kytkimissä, optisessa viestinnässä ja analysoinnissa jne., joissa käytetään valokuvaantureita.

tehokkuus

Kuten hyvin tiedät, LED-valaistus on paljon tehokkaampaa kuin perinteinen, joten se kuluttaa paljon vähemmän energiaa. Tämä johtuu LEDien luonteesta. Ja seuraavassa taulukossa näet valovirran ja LEDin syöttämän sähkön syöttötehon välisen suhteen. Eli se voidaan ilmaista lumeneina wattia kohden (lm/W):

LED-rakenne

Lähde: ResearchGate

La valodiodien rakenne ja rakenne ovat hyvin erilaisia ​​kuin tavalliset diodit, kuten zener jne. LED säteilee valoa, kun sen PN-liitos on eteenpäin esijännitetty. PN-liitos on peitetty kiinteällä epoksihartsilla ja läpinäkyvällä muovisella puolipallon muotoisella kupulla, joka suojaa LEDin sisäosaa ilmakehän häiriöiltä, ​​tärinältä ja lämpöiskuilta.

PN-liitos muodostetaan käyttämällä materiaalit alemman bandrap-yhdisteet, kuten galliumarsenidi, galliumarsenidifosfidi, galliumfosfidi, indiumgalliumnitridi, galliumalumiininitridi, piikarbidi jne. Esimerkiksi punaiset LEDit on rakennettu galliumarsenidialustalle, vihreät, keltaiset ja oranssit galliumfosfidille jne. Punaisissa N-tyyppinen kerros on seostettu telluurilla (Te) ja P-kerros sinkillä (Zn). Toisaalta kontaktikerrokset muodostetaan käyttämällä alumiinia P-puolella ja tina-alumiinia N-puolella.

Sinun pitäisi myös tietää, että nämä risteykset eivät lähetä paljon valoa, joten epoksihartsikupu se on rakennettu siten, että PN-liitoksen lähettämät valon fotonit heijastuvat ja fokusoituvat parhaiten sen läpi. Eli se ei toimi vain suojana, vaan myös valoa keskittävänä linssinä. Tämä on syy siihen, miksi säteilevä valo näyttää kirkkaammalta LEDin yläosassa.

LEDit on suunniteltu varmistamaan, että suurin osa varauksenkuljettajien rekombinaatiosta tapahtuu PN-liitoksen pinnalla ilmeisistä syistä, ja se saavutetaan tällä tavalla:

• Lisäämällä substraatin dopingkonsentraatiota lisää vähemmistövarauksen kantajaelektroneja siirtyy rakenteen huipulle, yhdistyy uudelleen ja säteilee valoa LED-pinnalle.
• Lisäämällä varauksenkuljettajien diffuusiopituutta, eli L = √ Dτ, missä D on diffuusiokerroin ja τ on varauksenkantajan elinikä. Kun se nostetaan kriittisen arvon yli, on mahdollista, että vapautuneet fotonit absorboituvat uudelleen laitteessa.

Siten, kun LED-diodi on kytketty eteenpäin biasilla, rahtialukset ne hankkivat tarpeeksi energiaa voittamaan olemassa olevan potentiaaliesteen PN-risteyksessä. Vähemmistövarauksen kantajat sekä P-tyypin että N-tyypin puolijohteessa ruiskutetaan liitoskohdan poikki ja yhdistyvät uudelleen enemmistön kantajien kanssa. Enemmistö- ja vähemmistöoperaattoreiden yhdistelmä voi olla kahdella tavalla:

• säteilevä: kun valo säteilee rekombinaation aikana.
• ei säteilevä: rekombinaation aikana valoa ei säteile, syntyy lämpöä. Toisin sanoen osa käytetystä sähköenergiasta häviää lämmön eikä valon muodossa. Valon tai lämmön tuottamiseen käytetyn energian prosenttiosuuden mukaan tämä on LEDin hyötysuhde.

orgaaniset puolijohteet

Viime aikoina he ovat myös murtaneet markkinoille OLED tai orgaanisia valodiodeja, joita on käytetty näytöissä. Nämä uudet orgaaniset diodit koostuvat orgaanisesta materiaalista, eli orgaanisesta puolijohteesta, jossa johtuminen on sallittua orgaanisen molekyylin osittain tai kokonaan.

Nämä orgaaniset materiaalit voivat olla mukana kiteisessä faasissa tai polymeerisissa molekyyleissä. Tämän etuna on erittäin ohut rakenne, alhaiset kustannukset, ne tarvitsevat erittäin alhaisen jännitteen toimiakseen, niillä on korkea kirkkaus ja maksimaalinen kontrasti ja intensiteetti.

LED värit

Toisin kuin tavalliset puolijohdediodit, LEDit lähettävät tätä valoa käyttämiensä yhdisteiden vuoksi, kuten aiemmin mainitsin. Normaalit puolijohdediodit on valmistettu piistä tai germaniumista, mutta valodiodeissa on yhdisteet kuten:

• galliumarsenidi
• galliumarsenidifosfidi
• Piikarbidi
• indiumgalliumnitridi

Näiden materiaalien sekoittaminen voi tuottaa ainutlaatuisen ja erilaisen aallonpituuden halutun värin saavuttamiseksi. Eri puolijohdeyhdisteet säteilevät valoa määritetyillä alueilla näkyvän valon spektrissä ja tuottavat siksi erilaisia ​​valon intensiteettiä. LEDin valmistuksessa käytetyn puolijohdemateriaalin valinta määrää fotonipäästöjen aallonpituuden ja siitä aiheutuvan säteilevän valon värin.

Säteilykuvio

Säteilykuvio määritellään valon emissiokulmaksi suhteessa emittoivaan pintaan. Maksimimäärä tehoa, intensiteettiä tai energiaa saadaan suunnassa, joka on kohtisuorassa säteilevää pintaa vastaan. Valon emissiokulma riippuu säteilevästä väristä ja vaihtelee yleensä noin 80° ja 110° välillä. Tässä on taulukko, jossa eri värejä ja materiaaleja:

LEDin lähettämän valon väriä ei määritetä muovinen rungon väri joka ympäröi LEDin. Tämä on tehtävä hyvin selväksi. Kuten aiemmin mainitsin, epoksihartsia käytetään sekä parantamaan valotehoa että osoittamaan väriä, kun LED on pois päältä.

Monivärinen LED

Markkinoilla on a laaja valikoima LED-valoja saatavilla, jossa on erilaisia ​​muotoja, kokoja, värejä, valotehoja jne. On kuitenkin sanottava, että hintansa kiistaton kuningas on galliumarsenidifosfidin punainen LED, jonka halkaisija on 5 mm. Se on eniten käytetty maailmassa, joten sitä valmistetaan eniten.

Kuitenkin, kuten olet nähnyt, tällä hetkellä on olemassa monia eri värejä, ja useita värejä jopa yhdistellään a Monivärinen LED kuten se, jonka tulemme näkemään tässä osiossa…

bicolor

Kaksivärinen LED, kuten sen nimi kertoo, on a LED pystyy lähettämään kahta eri väriä. Tämä saavutetaan yhdistämällä kaksi eriväristä LEDiä samassa paketissa. Tällä tavalla voit vaihtaa väristä toiseen. Esimerkiksi LEDit, jotka näet joissakin laitteissa osoittamaan akun varaustilan ja muuttuvat punaisiksi latautuessaan ja vihreiksi, kun se on jo latautunut.

Näiden LEDien rakentamiseksi on kytketty rinnan, kun yhden LEDin anodi on kytketty toisen LEDin katodiin ja päinvastoin. Tällä tavalla, kun virta syötetään johonkin anodista, vain yksi LED syttyy, se, joka saa virtaa anodistaan. Jos molemmat anodit saavat virtaa samanaikaisesti, on myös mahdollista kytkeä molemmat päälle samanaikaisesti dynaamisella kytkennällä.

trikolori

Meillä on myös kolmivärisiä ledejä, eli niitä voi lähettää kolmea eri väriä kahden sijasta. Nämä yhdistävät kolme LEDiä yhteisellä katodilla samassa paketissa, ja yhden tai kahden värin valaisemiseksi sinun on kytkettävä katodi maahan. Ja sen värin anodin syöttämä virta, jota haluat ohjata tai kytkeä päälle.

Eli yhden tai kaksivärisen LED-valaistuksen yhteydessä on kytkettävä virtalähde jompaankumpaan anodiin yksittäin tai samanaikaisesti. Näitä kolmivärisiä LED-valoja käytetään usein myös monissa laitteissa, kuten matkapuhelimissa, ilmoittamaan ilmoituksista jne. Lisäksi tämäntyyppinen diodi tuottaa lisäsävyjä pääväreistä kytkemällä kaksi LEDiä päälle eri tasavirran suhteilla.

RGB LED

Se on pohjimmiltaan eräänlainen kolmivärinen LED, joka tunnetaan tässä tapauksessa nimellä RGB (punainen vihreä sininen), koska se lähettää nämä kolme väriä valoa. Näistä on tullut erittäin suosittuja värillisissä koristenauhoissa ja pelivarusteissa, kuten saatat tietää. Vaikka sinulla on päävärit, ei ole mahdollista luoda kaikkia värejä ja sävyjä. Jotkut värit jäävät RGB-kolmion ulkopuolelle, ja värejä, kuten vaaleanpunainen, ruskea jne., on vaikea löytää RGB:llä.

LED-valojen edut ja haitat

Nyt on aika katsoa, ​​mitkä ovat tärkeimmät edut ja haitat näistä LED-diodeista:

Etu

• Pieni koko
• Alhaiset tuotantokustannukset
• Pitkä säilyvyys (ei sula)*
• Korkea energiatehokkuus / alhainen kulutus
• Matala lämpötila / vähemmän säteilevää lämpöä
• Suunnittelun joustavuus
• Ne voivat tuottaa monia eri värejä ja jopa valkoista valoa.
• Suuri kytkentänopeus
• korkea valon intensiteetti
• Voidaan suunnitella kohdistamaan valo yhteen suuntaan
• Ne ovat puolijohdepuolijohdelaitteita, joten ne ovat kestävämpiä: kestävämpiä lämpöiskuja ja tärinää vastaan
• Ei UV-säteiden läsnäoloa

Haitat

• Säteilyn lähtötehon ja LEDin aallonpituuden riippuvuus ympäristön lämpötilasta.
• Ylijännitteestä ja/tai liiallisesta virrasta johtuva herkkyys vaurioille.
• Teoreettinen kokonaishyötysuhde saavutetaan vain erityisissä kylmissä tai pulssiolosuhteissa.

sovellukset

Viimeisenä mutta ei vähäisimpänä, on tarpeen näyttää, mitkä ovat mahdollisia sovelluksia joille nämä värilliset LEDit on tarkoitettu:

• ajoneuvojen valoille
• Kyltit: opasteet, opasteet, liikennevalot
• Näytä visuaaliset tiedot kojelaudoissa
• Näytöille, joissa pikselit koostuvat LED-valoista
• Lääketieteelliset sovellukset
• Lelut
• valaistus
• Kaukosäätimet (IR-LEDit)
• jne.