Színes LED-ek: hogyan kapod meg a különböző színeket?

sok Színes LED-ek Az elmúlt években elkísértek minket. Minden alkalommal, amikor a LED-ek új árnyalatai jelennek meg, hiszen nem minden esetben volt könnyű. Érdekességként például tudni kell, hogy a fehér fényű LED-ek és a kék fényű LED-ek az utolsók között jelentek meg a piacon.

Jelenleg azzá váltak egyfajta dióda sok területen nélkülözhetetlen. Ezért ebben a cikkben megtudhatja Csak annyit kell tudnod Ezeken alapvető elektronikai alkatrészek, és arról, hogy miért bocsátanak ki fényt, miért ezek a színek és még sok más...

Félvezető fénykibocsátó források

Amint azt tudnia kell, a félvezető eszközökből származó fénykibocsátás két forrása a következő Lézer diódák és LED diódák. Míg a LED a spontán emisszión alapul, a lézerek a stimulált emisszión alapulnak. Ez a különbség a kettő között.

sok fénykibocsátó diódák (Light Emitting Diode) ezek a leggyakoribb fényforrások az elektronikus berendezések között. Digitális órákon mutatják az időt, jelzik az akkumulátor működését, töltöttségét stb. Számos alkalmazási terület van, és most a világításba is belevágtak az új LED izzókkal, amelyek minden típusú helyiséget, sőt járműveket is megvilágítanak.

Ezek a LED-es készülékek a opto-félvezetők, amely képes az elektromos áramot fénnyé alakítani. Ennek a világítóberendezésnek az a nagy előnye, hogy strapabíró, hiszen nem ég ki, mint az izzók, ráadásul sokkal hatékonyabb is, így a fogyasztás is jóval alacsonyabb, mint a hagyományos izzóké. Ráadásul a gyártási költségük nagyon alacsony, ezért váltak olyan népszerűvé.

Mint minden más félvezető eszköznek, a LED-nek is megvannak az alapvető fő elemei, mint pl P zóna lyukakkal (+) és N zóna elektronokkal (-), vagyis bármely félvezető szokásos töltéshordozói. És ez teszi:

• Ha a P oldalt egy tápegységhez, az N oldalt pedig a testhez csatlakoztatjuk, a csatlakozás előre feszített, lehetővé téve az áram átfolyását a diódán, és olyan fényt bocsát ki, amelyet mindannyian láthatunk.
• Ha a P oldal a földre, az N oldal pedig a tápegységre van csatlakoztatva, a csatlakozást fordított előfeszítésnek mondják, ami megakadályozza az áram áramlását. Már tudja, hogy a diódák megakadályozzák az áram egyirányú áramlását.
• Előfeszítés esetén a P-oldali és az N-oldali többségi és kisebbségi töltéshordozók egyesülnek egymással, semlegesítve a töltéshordozókat a PN csomópont kimerítő rétegében. És viszont az elektronok és lyukak vándorlása bizonyos mennyiségű fotont szabadít fel, vagyis az energia egy része fény formájában, állandó (monokromatikus) hullámhosszon bocsát ki. Ez jellemzi majd a LED színét, hiszen a kibocsátott hullámhossztól függően lehet IR, kék, sárga, zöld, sárga, borostyán, fehér, piros, UV stb.
• Az elektromágneses spektrum kibocsátott hullámhosszát, így a színét a dióda PN átmenetét alkotó félvezető anyagok határozzák meg. Ezért a félvezető vegyületeket variálni vagy játszani lehet, hogy új színeket hozzunk létre a spektrumban vagy a látható tartományon belül.

El kell mondani, hogy a piros, kék és zöld színek (RGB vagy Red Green Blue) könnyen kombinálhatók, hogy fehér fényt hoznak létre. Azt viszont el kell mondani, hogy a LED-ek üzemi feszültsége is változik színtől függően. Például a piros, zöld, borostyánsárga és sárga színek működéséhez körülbelül 1.8 volt szükséges. És ez az, hogy a fénykibocsátó dióda üzemi feszültségtartománya a LED gyártásához használt félvezető anyag áttörési feszültsége szerint határozható meg.

LED típusok

A LED-eket többféleképpen osztályozhatjuk, az egyik fő az, hogy a kibocsátott hullámhossz szerint tegyük, így két kategória:

•  látható LED-ek: azok, amelyek a látható spektrumon belül, azaz 400 nm és 750 nm közötti hullámhosszokat bocsátanak ki. Ez a tartomány az, amit az emberi szem lát, ahogy a hangtérben is csak 20 Hz és 20 Khz között hallunk. 20 Hz alatt vannak az infrahangok, amelyeket nem hallunk, 20 Khz felett pedig az ultrahang, amelyet szintén nem tudunk rögzíteni. Valami hasonló történik a fény esetében, ha infravörös vagy infravörös, ha 400 nm alá megy, és ultraibolya fény, ha 750 nm fölé megy. Mindkettő emberi szem számára láthatatlan.
•  láthatatlan LED-ek: azok a hullámhosszak, amelyeket nem látunk, mint például az IR vagy az UV diódák esetében.

A látható LED-eket főként világításra vagy jelzésre használják. A láthatatlan LED-eket olyan alkalmazásokban használják, mint például optikai kapcsolók, optikai kommunikáció és elemzés stb., fotóérzékelők használatával.

hatékonyság

Mint jól tudod, a LED-es világítás sok hatékonyabb mint a hagyományos, így sokkal kevesebb energiát fogyaszt. Ez a LED-ek természetéből adódik. A következő táblázatban pedig láthatja a fényáram és a LED-nek szolgáltatott elektromos bemeneti teljesítmény közötti összefüggést. Vagyis lumen per wattban (lm/W) fejezhető ki:

LED konstrukció

Forrás: ResearchGate

La A fénykibocsátó diódák felépítése és felépítése nagyon különbözik a normál diódáktól, például zener stb. A LED akkor bocsát ki fényt, ha a PN csomópontja előre feszített. A PN csomópontot tömör epoxigyanta és átlátszó műanyag félgömb alakú kupola fedi, amely megvédi a LED belsejét a légköri zavaroktól, rezgésektől és hősokkoktól.

A PN átmenetet a segítségével alakítjuk ki az anyagok alacsonyabb sávszélességű vegyületek, például gallium-arzenid, gallium-arzenid-foszfid, gallium-foszfid, indium-gallium-nitrid, gallium-alumínium-nitrid, szilícium-karbid stb. Például a piros LED-ek gallium-arzenid hordozóra, a zöld, sárga és narancssárga gallium-foszfidra stb. A vöröseknél az N típusú réteg tellúrral (Te), a P réteg cinkkel (Zn) van adalékolva. Másrészt az érintkező rétegek kialakítása a P oldalon alumínium, az N oldalon pedig ón-alumínium felhasználásával történik.

Azt is tudnia kell, hogy ezek a csomópontok nem bocsátanak ki sok fényt, így a epoxigyanta kupola úgy van felépítve, hogy a PN átmenet által kibocsátott fény fotonjai azon keresztül verődnek vissza és fókuszálódnak a legjobban. Vagyis nem csak védőként, hanem fénykoncentráló lencseként is működik. Ez az oka annak, hogy a kibocsátott fény világosabbnak tűnik a LED tetején.

A LED-eket úgy tervezték, hogy biztosítsák a a töltéshordozók rekombinációjának nagy része a PN átmenet felületén megy végbe nyilvánvaló okokból, és ez így érhető el:

• A szubsztrát doppingkoncentrációjának növelésével további kisebbségi töltéshordozó elektronok mozognak a szerkezet tetejére, rekombinálódnak és fényt bocsátanak ki a LED felületén.
• A töltéshordozók diffúziós hosszának növelésével, azaz L = √ Dτ, ahol D a diffúziós együttható és τ a töltéshordozó élettartama. Ha a kritikus érték fölé emelkedik, lehetőség nyílik a felszabaduló fotonok újraabszorpciójára a készülékben.

Így, ha a LED dióda előre előfeszítéssel van csatlakoztatva, teherszállítók elegendő energiát szereznek a PN csomópontnál meglévő potenciálgát leküzdéséhez. A kisebbségi töltéshordozókat mind a P-típusú, mind az N-típusú félvezetőben injektálják a csomóponton keresztül, és rekombinálódnak a többségi hordozókkal. A többségi és kisebbségi hordozók kombinációja kétféleképpen történhet:

• sugárzó: amikor a rekombináció során fényt bocsátanak ki.
• nem sugárzó: a rekombináció során nem bocsát ki fényt, hő termelődik. Vagyis a felhasznált elektromos energia egy része hő és nem fény formájában vész el. A fény- vagy hőtermeléshez felhasznált energia százalékától függően ez lesz a LED hatásfoka.

szerves félvezetők

Az utóbbi időben ők is betörtek a piacra OLED vagy szerves fénykibocsátó diódák, amelyeket kijelzőkhöz használtak. Ezek az új szerves diódák szerves természetű anyagból, azaz szerves félvezetőből állnak, ahol a vezetés a szerves molekula egy részének vagy egészében megengedett.

Ezek a szerves anyagok lehetnek benne kristályos fázisban vagy polimer molekulákban. Ennek az az előnye, hogy nagyon vékony szerkezetűek, alacsonyak a költségek, nagyon alacsony feszültségre van szükségük a működéshez, nagy fényerővel, maximális kontraszttal és intenzitásukkal rendelkeznek.

LED színek

A normál félvezető diódákkal ellentétben a LED-ek az általuk használt vegyületek miatt bocsátják ki ezt a fényt, amint azt korábban említettem. A normál félvezető diódák szilíciumból vagy germániumból készülnek, de a fénykibocsátó diódák vegyületek mint például:

• gallium-arzenid
• gallium-arzenid-foszfid
• Szilícium-karbid
• indium gallium-nitrid

Ezeknek az anyagoknak a keverésével egyedi és eltérő hullámhossz érhető el a kívánt szín elérése érdekében. A különböző félvezető vegyületek a látható fény spektrumának meghatározott tartományaiban bocsátanak ki fényt, és ezért különböző szintű fényintenzitást hoznak létre. A LED gyártása során használt félvezető anyag megválasztása határozza meg a fotonkibocsátás hullámhosszát és a kibocsátott fény színét.

Sugárzási minta

A sugárzási mintázat a fénykibocsátás szöge a kibocsátó felülethez képest. A maximális teljesítmény, intenzitás vagy energia mennyisége a kibocsátó felületre merőleges irányban érhető el. A fénykibocsátási szög a kibocsátott színtől függ, és általában körülbelül 80° és 110° között változik. Itt van egy táblázat a különböző színek és anyagok:

A LED által kibocsátott fény színét nem a műanyag karosszéria színe amely körülveszi a LED-et. Ezt nagyon világossá kell tenni. Ahogy korábban említettem, az epoxigyantát a fénykibocsátás javítására és a színek jelzésére is használják, ha a LED ki van kapcsolva.

Többszínű LED

A piacon van a LED-ek széles választéka elérhető, különböző formájú, méretű, színű, kimenő fényintenzitású stb. El kell azonban mondani, hogy árához képest vitathatatlan király a gallium-arzenid-foszfid vörös LED, melynek átmérője 5 mm. Ez a legtöbbet használt a világon, tehát ezt gyártják a legnagyobb mennyiségben.

Azonban, mint láthatta, jelenleg sokféle szín létezik, sőt több színt kombinálnak is, hogy a Többszínű LED mint amit ebben a részben látni fogunk…

bicolor

A kétszínű LED, ahogy a neve is sugallja, a A LED két különböző színben képes kibocsátani. Ez úgy érhető el, hogy két különböző színű LED-et kombinálnak ugyanabban a csomagban. Ily módon egyik színről a másikra válthat. Például, mint az egyes eszközökön látható LED-ek, amelyek jelzik az akkumulátor töltöttségi állapotát, és amelyek pirosra váltanak töltés közben és zöldre, ha már feltöltődött.

Ezen LED-ek megépítéséhez párhuzamosan kapcsolódnak, ha az egyik LED anódja egy másik LED katódjához csatlakozik, és fordítva. Ily módon, amikor valamelyik anód áramellátást kap, csak egy LED világít, az az, amelyik az anódján keresztül kap áramot. Ha mindkét anódot egyidejűleg táplálják, akkor dinamikus kapcsolással mindkettőt egyszerre lehet bekapcsolni.

Trikolór

Nálunk is vannak háromszínű LED-ek, vagyis azok három különböző színt bocsáthat ki kettő helyett. Ezek három LED-et kombinálnak egy közös katóddal ugyanabban a csomagban, és egy vagy két szín megvilágításához a katódot a földhöz kell csatlakoztatni. És a vezérelni vagy bekapcsolni kívánt szín anódja által szolgáltatott áram.

Vagyis egy vagy kétszínű LED világításhoz be kell kötni a tápellátás bármelyik anódhoz egyénileg vagy egyidejűleg. Ezeket a háromszínű LED-eket gyakran használják számos eszközben, például mobiltelefonokban, értesítések jelzésére stb. Ezenkívül az ilyen típusú dióda az elsődleges színek további árnyalatait állítja elő a két LED különböző egyenáram-arányú bekapcsolásával.

RGB LED

Ez alapvetően egyfajta háromszínű LED, ebben az esetben az úgynevezett RGB (piros, zöld, kék), mert azt a három színű fényt bocsát ki. Ezek nagyon népszerűek lettek a színes díszlécekben és a játékfelszerelésekben, amint azt talán tudod. Azonban annak ellenére, hogy megvannak az elsődleges színek, nem lehet előállítani az összes színt és árnyalatot. Egyes színek kívül esnek az RGB-háromszögön, és olyan színeket, mint a rózsaszín, barna stb., nehéz megtalálni az RGB-vel.

A LED előnyei és hátrányai

Itt az ideje, hogy megnézzük, melyek a főbbek előnyei és hátrányai ezek közül a LED diódák közül:

előny

• Kis méret
• Alacsony gyártási költség
• Hosszú eltarthatóság (nem olvad meg)*
• Magas energiahatékonyság / alacsony fogyasztás
• Alacsony hőmérséklet / kevésbé kisugárzott hő
• Tervezési rugalmasság
• Sokféle színt, sőt fehér fényt is képesek előállítani.
• Magas kapcsolási sebesség
• magas fényintenzitás
• Úgy tervezhető, hogy a fényt egy irányba fókuszálja
• Szilárdtest félvezető eszközök, így robusztusabbak: jobban ellenállnak a hősokknak és a rezgéseknek
• Nincs UV sugárzás jelenléte

hátrányok

• A sugárzó kimeneti teljesítmény és a LED hullámhosszának környezeti hőmérsékletfüggése.
• Túlfeszültség és/vagy túláram okozta sérülésekre való érzékenység.
• Az elméleti összhatékonyság csak speciális hideg vagy pulzáló körülmények között érhető el.

alkalmazások

Végül, de nem utolsósorban meg kell mutatni, melyek azok lehetséges alkalmazások amelyekhez ezeket a színes LED-eket szánják:

• járműlámpákhoz
• Jelzések: irányjelzők, táblák, közlekedési lámpák
• Vizuális információk megjelenítése a műszerfalakon
• Olyan kijelzőkhöz, ahol a képpontok LED-ekből állnak
• Orvosi alkalmazások
• játékok
• Világítás
• Távirányítók (IR LED-ek)
• Stb