I LED colorati Ci hanno accompagnato negli ultimi anni. Ogni volta che compaiono nuove sfumature di LED, poiché non è stato facile in tutti i casi. Ad esempio, per curiosità, devi sapere che i LED a luce bianca e i LED a luce blu sono stati tra gli ultimi ad arrivare sul mercato.
Attualmente sono diventati un tipo di diodo essenziale per molti campi. Pertanto, in questo articolo imparerai tutto ciò che devi sapere Su questi componenti elettronici di base, e sul perché emettono luce, perché quei colori e molto altro...
Sorgenti a emissione di luce a semiconduttore
Come dovresti sapere, le due fonti di emissione di luce che possono provenire dai dispositivi a semiconduttore lo sono Diodi laser e diodi LED. Mentre i LED si basano sull'emissione spontanea, i Laser si basano sull'emissione stimolata. Questa è la differenza tra i due.
I diodi ad emissione luminosa (Light Emitting Diode) sono la sorgente luminosa più comune tra le apparecchiature elettroniche. Servono per indicare l'ora sugli orologi digitali, per segnalare il funzionamento o la carica della batteria, ecc. Le applicazioni sono tante, e ora sono passate anche all'illuminazione con le nuove lampadine a LED per illuminare tutti i tipi di ambienti e anche per i veicoli.
Questi dispositivi LED appartengono al gruppo di opto-semiconduttori, in grado di convertire una corrente elettrica in luce. Questo dispositivo di illuminazione ha il grande vantaggio di essere durevole, poiché non si brucia come le lampadine, ed è anche molto più efficiente, quindi il consumo è molto inferiore rispetto alle lampadine tradizionali. Inoltre, il loro costo di produzione è molto basso, motivo per cui sono diventati così popolari.
Come qualsiasi altro dispositivo a semiconduttore, il LED ha gli elementi principali di base, come il Zone P con buchi (+) e zone N con elettroni (-), cioè i soliti portatori di carica di qualsiasi semiconduttore. E questo rende:
- Quando il lato P è collegato a un alimentatore e il lato N a terra, la connessione è polarizzata in avanti, consentendo alla corrente di fluire attraverso il diodo ed emettendo luce che tutti possiamo vedere.
- Se il lato P è collegato a terra e il lato N è collegato all'alimentazione, si dice che la connessione è polarizzata inversa, il che impedisce il flusso di corrente. Sai già che i diodi impediscono il passaggio della corrente in una direzione.
- Quando polarizzati in avanti, i portatori di carica maggioritari e minoritari del lato P e del lato N si combinano tra loro, neutralizzando i portatori di carica nello strato di svuotamento della giunzione PN. E, a sua volta, questa migrazione di elettroni e lacune rilascia una certa quantità di fotoni, cioè parte dell'energia viene emessa sotto forma di luce, con una lunghezza d'onda costante (monocromatica). Questo è ciò che caratterizzerà il colore del LED, poiché a seconda della lunghezza d'onda che emette può essere IR, blu, giallo, verde, giallo, ambra, bianco, rosso, UV, ecc.
- La lunghezza d'onda emessa dello spettro elettromagnetico, e quindi il colore, è determinata dai materiali semiconduttori che formano la giunzione PN del diodo. Pertanto, i composti semiconduttori possono essere variati o giocati per creare nuovi colori all'interno dello spettro o della gamma visibile.
Va detto che i colori rosso, blu e verde (RGB o Red Green Blue) possono essere facilmente combinati per poter produrre luce bianca. D'altronde c'è da dire che la tensione di lavoro dei led varia anche a seconda del colore. Ad esempio, i colori rosso, verde, ambra e giallo necessitano di circa 1.8 volt per funzionare. Ed è che l'intervallo di tensione di lavoro del diodo a emissione di luce può essere determinato in base alla tensione di rottura del materiale semiconduttore utilizzato per la fabbricazione del LED.
Tipi di LED
I LED possono essere classificati in diversi modi, uno dei principali è farlo in base alla lunghezza d'onda che emettono, lasciando due categorie:
- LED visibili: sono quelli che emettono lunghezze d'onda all'interno dello spettro visibile, cioè tra 400nm e 750nm. Questa gamma è ciò che l'occhio umano può vedere, proprio come nel campo sonoro possiamo sentire solo tra 20 Hz e 20 Khz. Sotto i 20 Hz ci sono infrasuoni che non possiamo sentire, e sopra i 20 Khz ci sono gli ultrasuoni che non possiamo nemmeno catturare. Qualcosa di simile accade nel caso della luce, avendo infrarossi o IR quando scende sotto i 400 nm e luce ultravioletta quando sale sopra i 750 nm. Entrambi invisibili all'occhio umano.
- LED invisibili: sono quelle lunghezze d'onda che non possiamo vedere, come nel caso di un diodo IR o di un diodo UV.
I LED visibili sono utilizzati principalmente per l'illuminazione o la segnalazione. I LED invisibili sono utilizzati in applicazioni che includono interruttori ottici, comunicazioni ottiche e analisi, ecc., con l'uso di fotosensori.
efficienza
Come ben sai, l'illuminazione a LED è molto più efficiente rispetto a quello convenzionale, quindi consuma molta meno energia. Ciò è dovuto alla natura dei LED. E nella tabella seguente si vede la relazione tra il flusso luminoso e la potenza elettrica assorbita fornita al LED. Cioè si può esprimere in lumen per watt (lm/W):
Costruzione LED
La la struttura e la costruzione dei diodi ad emissione luminosa sono molto diverse da quelle di un normale diodo, come uno zener, ecc. La luce verrà emessa dal LED quando la sua giunzione PN è polarizzata in avanti. La giunzione PN è ricoperta da una solida cupola semisferica in resina epossidica e plastica trasparente che protegge l'interno del LED da perturbazioni atmosferiche, vibrazioni e shock termici.
La giunzione PN è formata usando i materiali composti a banda proibita inferiore come arseniuro di gallio, fosfuro di arseniuro di gallio, fosfuro di gallio, nitruro di gallio indio, nitruro di gallio alluminio, carburo di silicio, ecc. Ad esempio, i LED rossi sono costruiti su un substrato di arseniuro di gallio, verde, giallo e arancione su fosfuro di gallio, ecc. Nei rossi, lo strato di tipo N è drogato con tellurio (Te) e lo strato P è drogato con zinco (Zn). D'altra parte, gli strati di contatto sono formati utilizzando alluminio sul lato P e stagno-alluminio sul lato N.
Inoltre, dovresti sapere che queste giunzioni non emettono molta luce, quindi il cupola in resina epossidica è costruito in modo tale che i fotoni di luce emessi dalla giunzione PN vengano riflessi e focalizzati al meglio attraverso di essa. Cioè, non solo funge da protettore, ma anche da lente di concentrazione della luce. È il motivo per cui la luce emessa sembra essere più luminosa nella parte superiore del LED.
I LED sono progettati per garantire che il la maggior parte della ricombinazione dei portatori di carica avviene sulla superficie della giunzione PN per ovvie ragioni, e ciò si ottiene in questo modo:
- Aumentando la concentrazione di drogaggio del substrato, ulteriori elettroni portatori di carica di minoranza si spostano nella parte superiore della struttura, si ricombinano ed emettono luce sulla superficie del LED.
- Aumentando la lunghezza di diffusione dei portatori di carica, cioè L = √ Dτ, dove D è il coefficiente di diffusione e τ è la durata del portatore di carica. Quando viene aumentato oltre il valore critico, ci sarà una possibilità di riassorbimento dei fotoni rilasciati nel dispositivo.
Pertanto, quando il diodo LED è collegato con polarizzazione diretta, trasportatori di merci acquisiscono energia sufficiente per superare la potenziale barriera esistente alla giunzione PN. I portatori di carica di minoranza nel semiconduttore di tipo P e di tipo N vengono iniettati attraverso la giunzione e si ricombinano con i portatori di maggioranza. La combinazione di portatori maggioritari e minoritari può avvenire in due modi:
- radiativo: quando la luce viene emessa durante la ricombinazione.
- non radiativo: durante la ricombinazione non viene emessa luce, viene prodotto calore. Cioè, parte dell'energia elettrica applicata viene persa sotto forma di calore e non di luce. A seconda della percentuale di energia utilizzata per generare luce o calore, questa sarà l'efficienza del LED.
semiconduttori organici
Recentemente hanno anche fatto irruzione nel mercato OLED o diodi organici a emissione di luce, che sono stati utilizzati per i display. Questi nuovi diodi organici sono composti da un materiale di natura organica, cioè un semiconduttore organico, dove la conduzione è consentita in parte o in tutta la molecola organica.
Questi materiali organici potrebbero essere presenti fase cristallina o in molecole polimeriche. Questo ha il vantaggio di avere una struttura molto sottile, basso costo, necessitano di bassissimo voltaggio per funzionare, hanno un'elevata luminosità, e il massimo contrasto e intensità.
Colori LED
A differenza dei normali diodi a semiconduttore, i LED emettono quella luce a causa dei composti che utilizzano, come ho detto prima. I normali diodi semiconduttori sono realizzati in silicio o germanio, ma i diodi emettitori di luce sì composti come:
- arseniuro di gallio
- fosfuro di arseniuro di gallio
- Carburo di silicio
- nitruro di indio gallio
La miscelazione di questi materiali può produrre una lunghezza d'onda unica e diversa, al fine di ottenere il colore desiderato. Diversi composti semiconduttori emettono luce in regioni definite dello spettro della luce visibile e quindi producono diversi livelli di intensità luminosa. La scelta del materiale semiconduttore utilizzato nella fabbricazione del LED determinerà la lunghezza d'onda delle emissioni di fotoni e il colore risultante della luce emessa.
Modello di radiazione
Il diagramma di radiazione è definito come l'angolo di emissione della luce rispetto alla superficie emittente. La quantità massima di potenza, intensità o energia sarà ottenuta nella direzione perpendicolare alla superficie emittente. L'angolo di emissione della luce dipende dal colore emesso e di solito varia tra circa 80° e 110°. Ecco una tabella con il diversi colori e materiali:
arseniuro di gallio | |||
arseniuro di alluminio e gallio | |||
arseniuro di alluminio e gallio | |||
fosfuro di arseniuro di gallio | |||
fosfuro di alluminio gallio indio | |||
fosfuro di gallio | |||
fosfuro di arseniuro di gallio | |||
fosfuro di alluminio gallio indio | |||
fosfuro di gallio | |||
fosfuro di arseniuro di gallio | |||
fosfuro di alluminio gallio indio | |||
fosfuro di gallio | |||
fosfuro di gallio indio | |||
fosfuro di alluminio gallio indio | |||
fosfuro di gallio alluminio | |||
nitruro di indio gallio | |||
seleniuro di zinco | |||
nitruro di indio gallio | |||
Carburo di silicio | |||
silicio | |||
nitruro di indio gallio | |||
Doppio LED blu/rosso* | |||
Blu con Fosforo Rosso | |||
Bianco con plastica viola | |||
Diamante | |||
nitruro di boro | |||
nitruro di alluminio | |||
nitruro di gallio alluminio | |||
nitruro di alluminio gallio indio | |||
blu con fosforo | |||
Giallo con fosforo rosso, arancione o rosa | |||
Bianco con pigmento rosa | |||
Diodo blu/UV con fosforo giallo |
Il colore della luce emessa da un LED non è determinato dal colore del corpo in plastica che racchiude il LED. Questo deve essere molto chiaro. Come accennato in precedenza, la resina epossidica viene utilizzata sia per migliorare l'emissione luminosa sia per indicare il colore quando il LED è spento.
LED multicolore
Sul mercato c'è un ampia varietà di LED disponibili, con diverse forme, dimensioni, colori, intensità di luce in uscita, ecc. Va detto però che il re indiscusso per il suo prezzo è il LED rosso al fosfuro di arseniuro di gallio, con un diametro di 5mm. È il più usato al mondo, quindi è quello che viene prodotto in maggior quantità.
Tuttavia, come hai visto, attualmente ci sono molti colori diversi e diversi colori vengono persino combinati per produrre un LED multicolore come quello che vedremo in questa sezione…
Bicolor
Un LED bicolore, come suggerisce il nome, è a LED in grado di emettere in due diversi colori. Ciò si ottiene combinando due LED di colore diverso nello stesso pacchetto. In questo modo, puoi passare da un colore all'altro. Ad esempio, come quei led che vedi su alcuni dispositivi per indicare lo stato di carica della batteria che diventano rossi quando è in carica e verdi quando è già carica.
Per costruire questi LED sono collegati in parallelo, con l'anodo di un LED collegato al catodo di un altro LED e viceversa. In questo modo, quando viene fornita alimentazione a uno qualsiasi degli anodi, si accenderà un solo LED, quello che sta ricevendo alimentazione attraverso il proprio anodo. Se entrambi gli anodi sono alimentati contemporaneamente, è anche possibile accenderli entrambi contemporaneamente con commutazione dinamica.
tricolore
Abbiamo anche LED tricolori, cioè loro può emettere tre diversi colori invece di due. Questi combinano tre LED con un catodo comune nello stesso pacchetto e per illuminare uno o due colori, è necessario collegare il catodo a terra. E la corrente fornita dall'anodo del colore che vuoi controllare o accendere.
Cioè, per l'illuminazione a LED a uno o due colori, è necessario collegare il alimentazione a entrambi gli anodo singolarmente o contemporaneamente. Questi LED tricolori sono spesso utilizzati anche in una moltitudine di dispositivi, come i telefoni cellulari, per indicare le notifiche, ecc. Inoltre, questo tipo di diodo genera sfumature aggiuntive dei colori primari accendendo i due LED a diversi rapporti di corrente diretta.
LED RGB
È fondamentalmente un tipo di LED tricolore, in questo caso noto come RGB (rosso verde blu), perché emette quelle luci a tre colori. Questi sono diventati molto popolari nelle strisce colorate e negli attrezzi da gioco, come forse saprai. Tuttavia, anche se si dispone dei colori primari, non è possibile generare tutti i colori e le sfumature. Alcuni colori non rientrano nel triangolo RGB e colori come rosa, marrone, ecc. sono difficili da trovare con RGB.
LED Vantaggi e svantaggi
Ora è il momento di vedere quali sono i principali vantaggi e svantaggi di questi diodi LED:
Vantaggi
- Tamaño pequeño
- Basso costo di produzione
- Lunga durata (non si scioglie)*
- Alta efficienza energetica / basso consumo
- Bassa temperatura / calore meno irradiato
- Flessibilità progettuale
- Possono produrre molti colori diversi e persino luce bianca.
- Elevata velocità di commutazione
- alta intensità luminosa
- Può essere progettato per focalizzare la luce in una direzione
- Sono dispositivi a semiconduttore a stato solido, quindi sono più robusti: più resistenti agli shock termici e alle vibrazioni
- Nessuna presenza di raggi UV
Svantaggi
- Dipendenza dalla temperatura ambiente della potenza radiante in uscita e dalla lunghezza d'onda del LED.
- Sensibilità ai danni dovuti a sovratensione e/o sovracorrente.
- L'efficienza complessiva teorica si ottiene solo in condizioni speciali di freddo o pulsazioni.
applicazioni
Ultimo ma non meno importante, è necessario mostrare quali sono i possibili applicazioni a cui sono destinati questi LED colorati:
- per luci di veicoli
- Segnaletica: indicatori, segnali, semafori
- Mostra informazioni visive sui dashboard
- Per display in cui i pixel sono costituiti da LED
- Applicazioni mediche
- giocattoli
- Illuminazione
- Telecomandi (LED IR)
- eccetera