נוריות צבעוניות: איך משיגים את הצבעים השונים?

ل נוריות LED צבעוניות הם מלווים אותנו בשנים האחרונות. בכל פעם מופיעים גוונים חדשים של נוריות, שכן זה לא היה קל בכל המקרים. לדוגמה, בתור קוריוז, כדאי לדעת שנורות לד אור לבן ונוריות אור כחול היו בין האחרונים שהגיעו לשוק.

נכון לעכשיו, הם הפכו סוג של דיודה חיוני לתחומים רבים. לכן, במאמר זה תלמדו כל מה שאתה צריך לדעת על אלה רכיבים אלקטרוניים בסיסיים, ועל למה הם פולטים אור, למה הצבעים האלה ועוד הרבה יותר...

מקורות פולטי אור מוליכים למחצה

כפי שאתה צריך לדעת, שני מקורות פליטת האור שיכולים להגיע ממכשירי מוליכים למחצה הם דיודות לייזר ודיודות לד. בעוד LED מבוסס על פליטה ספונטנית, לייזרים מבוססים על פליטה מעוררת. זה ההבדל בין השניים.

ل דיודות פולטות אור (דיודה פולטת אור) הם מקור האור הנפוץ ביותר בקרב ציוד אלקטרוני. הם משמשים להצגת השעה בשעונים דיגיטליים, לאותת פעולת או טעינת הסוללה וכו'. היישומים רבים וכעת קפצו גם לתאורה עם נורות הלד החדשות להארת כל סוגי החדרים ואפילו לרכבים.

מכשירי LED אלו שייכים לקבוצה של מוליכים למחצה אופטיים, מסוגל להמיר זרם חשמלי לאור. למכשיר תאורה זה יתרון גדול שהוא עמיד, שכן הוא אינו נשרף כמו נורות, והוא גם יעיל הרבה יותר, ולכן הצריכה נמוכה בהרבה מנורות רגילות. בנוסף, עלות הייצור שלהם נמוכה מאוד, וזו הסיבה שהם הפכו כל כך פופולריים.

כמו כל מכשיר מוליכים למחצה אחר, ל-LED יש את האלמנטים העיקריים הבסיסיים, כגון אזורי P עם חורים (+) ו-N אזורים עם אלקטרונים (-), כלומר, נושאי המטען הרגילים של כל מוליך למחצה. וזה עושה:

• כאשר צד P מחובר לספק כוח וצד N לאדמה, החיבור מוטה קדימה, מה שמאפשר לזרם לזרום דרך הדיודה ולפלוט אור שכולנו יכולים לראות.
• אם צד P מחובר לאדמה וצד N מחובר לאספקת החשמל, אומרים שהחיבור מוטה הפוך, מה שמונע את זרימת הזרם. אתה כבר יודע שדיודות מונעות את זרימת הזרם בכיוון אחד.
• כשהם מוטים קדימה, נושאי המטען של הרוב והמיעוט בצד ה-P ובצד ה-N משתלבים זה בזה, ומנטרלים את נושאי המטען בשכבת הדלדול של צומת ה-PN. ובתמורה, הגירה זו של אלקטרונים וחורים משחררת כמות מסוימת של פוטונים, כלומר, חלק מהאנרגיה נפלט בצורה של אור, עם אורך גל קבוע (מונוכרומטי). זה מה שיאפיין את צבע הלד, שכן בהתאם לאורך הגל שהוא פולט הוא יכול להיות IR, כחול, צהוב, ירוק, צהוב, ענבר, לבן, אדום, UV וכו'.
• אורך הגל הנפלט של הספקטרום האלקטרומגנטי, ולפיכך הצבע, נקבע על ידי החומרים המוליכים למחצה היוצרים את צומת ה-PN של הדיודה. לכן, ניתן לגוון או לשחק איתם תרכובות מוליכים למחצה כדי ליצור צבעים חדשים בטווח הספקטרום או הנראה לעין.

יש לומר שניתן לשלב בקלות את הצבעים אדום, כחול וירוק (RGB או אדום ירוק כחול) כדי להיות מסוגלים לייצר אור לבן. מצד שני, יש לומר שגם מתח העבודה של הנוריות משתנה בהתאם לצבע. לדוגמה, הצבעים אדום, ירוק, ענבר וצהוב צריכים כ-1.8 וולט כדי לעבוד. וזה שטווח מתח העבודה של הדיודה פולטת האור יכול להיקבע בהתאם למתח התמוטטות של החומר המוליך למחצה המשמש לייצור LED.

סוגי LED

ניתן לסווג את נורות הלד בכמה דרכים, אחת העיקריות שבהן היא לעשות זאת לפי אורך הגל שהן פולטות, שתי קטגוריות:

•  לדים גלויים: הם אלה שפולטים אורכי גל בתוך הספקטרום הנראה, כלומר בין 400 ננומטר ל-750 ננומטר. טווח זה הוא מה שהעין האנושית יכולה לראות, בדיוק כפי שבשדה הקול אנו יכולים לשמוע רק בין 20 הרץ ל-20 קילו הרץ. מתחת ל-20 הרץ יש אינפרסאונד שאנחנו לא יכולים לשמוע, ומעל 20 Khz יש אולטרסאונד שגם אנחנו לא יכולים ללכוד. משהו דומה קורה במקרה של אור, עם אינפרא אדום או IR כאשר הוא יורד מתחת ל-400 ננומטר ואור אולטרה סגול כאשר הוא עובר מעל 750 ננומטר. שניהם בלתי נראים לעין האנושית.
•  נוריות בלתי נראות: הם אותם אורכי גל שאיננו יכולים לראות, כפי שקורה עם דיודה IR או דיודת UV.

נוריות LED גלויות משמשות בעיקר לתאורה או לאיתות. נוריות בלתי נראות משמשות ביישומים הכוללים מתגים אופטיים, תקשורת אופטית וניתוח וכו', עם שימוש בחיישני צילום.

יעיל

כפי שאתה יודע היטב, תאורת LED היא הרבה יעיל יותר מאשר קונבנציונלי, כך שהוא צורך הרבה פחות אנרגיה. זה נובע מהטבע של נוריות. ובטבלה הבאה ניתן לראות את הקשר בין שטף האור והספק הקלט החשמלי המסופק לנורת LED. כלומר, זה יכול להתבטא בלומנס לוואט (lm/W):

בניית LED

מקור: ResearchGate

La המבנה והמבנה של דיודות פולטות אור שונים מאוד מאלה של דיודה רגילה, כגון זנר וכו'. אור ייפלט מה-LED כאשר צומת ה-PN שלו מוטה קדימה. צומת ה-PN מכוסה בשרף אפוקסי מוצק וכיפה חצי כדורית מפלסטיק שקופה המגנה על פנים ה-LED מפני הפרעות אטמוספריות, רעידות וזעזועים תרמיים.

צומת PN נוצר באמצעות החומרים תרכובות מרווחים תחתונים כגון גליום ארסניד, גליום ארסניד פוספיד, גליום פוספיד, אינדיום גליום ניטריד, גליום אלומיניום ניטריד, סיליקון קרביד וכו'. לדוגמה, נוריות LED אדומות בנויות על מצע גליום ארסניד, ירוק, צהוב וכתום על גליום פוספיד וכו'. באדומים, השכבה מסוג N מסוממת בטלוריום (Te) ושכבת P מסוממת באבץ (Zn). מצד שני, שכבות המגע נוצרות באמצעות אלומיניום בצד P ופח-אלומיניום בצד N.

כמו כן, כדאי לדעת שהצמתים הללו אינם פולטים הרבה אור, ולכן כיפת שרף אפוקסי הוא בנוי בצורה כזו שפוטונים של אור הנפלטים על ידי צומת PN מוחזרים וממוקדים דרכו בצורה הטובה ביותר. כלומר, היא לא פועלת רק כמגן, אלא גם כעדשה לריכוז אור. זו הסיבה לכך שהאור הנפלט נראה בהיר יותר בחלק העליון של ה-LED.

הנוריות נועדו להבטיח כי רוב השילוב מחדש של נושאי מטען מתרחש על פני השטח של צומת PN מסיבות ברורות, וזה מושג בדרך זו:

• על ידי הגדלת ריכוז הסימום של המצע, אלקטרונים נוספים של נושאי מטען נעים לראש המבנה, מתחברים מחדש ופולטים אור על פני ה-LED.
• על ידי הגדלת אורך הדיפוזיה של נושאי המטען, כלומר L = √ Dτ, כאשר D הוא מקדם הדיפוזיה ו-τ הוא משך החיים של נושא המטען. כאשר הוא מוגדל מעבר לערך הקריטי, תהיה אפשרות לספיגה חוזרת של הפוטונים המשתחררים במכשיר.

לפיכך, כאשר דיודת LED מחוברת עם הטיה קדימה, נושאות מטען הם רוכשים מספיק אנרגיה כדי להתגבר על המחסום הפוטנציאלי הקיים בצומת PN. נושאי מטען מיעוט הן במוליך למחצה מסוג P והן בסוג N מוזרקים על פני הצומת ומתחברים מחדש עם נושאי הרוב. השילוב של נושאי רוב ומיעוט יכול להיות בשתי דרכים:

• קרינה: כאשר אור נפלט במהלך ריקומבינציה.
• לא קרינה: במהלך הרקומבינציה לא נפלט אור, נוצר חום. כלומר, חלק מהאנרגיה החשמלית המופעלת הולך לאיבוד בצורה של חום ולא אור. בהתאם לאחוז האנרגיה המשמש ליצירת אור או חום, זו תהיה היעילות של ה-LED.

מוליכים למחצה אורגניים

לאחרונה הם גם פרצו לשוק OLED או דיודות פולטות אור אורגניות, ששימשו לתצוגות. דיודות אורגניות חדשות אלו מורכבות מחומר בעל אופי אורגני, כלומר, מוליך למחצה אורגני, שבו הולכה מותרת בחלקה או בכל המולקולה האורגנית.

חומרים אורגניים אלו עשויים להיות בפנים פאזה גבישית או במולקולות פולימריות. יש לזה יתרון של מבנה דק מאוד, עלות נמוכה, הם צריכים מתח נמוך מאוד כדי לפעול, יש להם בהירות גבוהה, ניגודיות ועוצמה מקסימלית.

צבעי לד

בניגוד לדיודות מוליכים למחצה רגילים, נורות LED פולטות את האור הזה בגלל התרכובות בהן הן משתמשות, כפי שציינתי קודם. דיודות מוליכות למחצה רגילות עשויות מסיליקון או גרמניום, אך לדיודות פולטות אור יש תרכובות כגון:

• גליום ארסניד
• גליום ארסניד פוספיד
• סיליקיום קרביד
• אינדיום גליום ניטריד

ערבוב חומרים אלו יכול לייצר אורך גל ייחודי ושונה, על מנת להגיע לצבע הרצוי. תרכובות מוליכים למחצה שונות פולטות אור באזורים מוגדרים של ספקטרום האור הנראה ולכן מייצרות רמות שונות של עוצמת אור. הבחירה בחומר המוליך למחצה המשמש בייצור ה-LED תקבע את אורך הגל של פליטת הפוטונים ואת הצבע הנובע של האור הנפלט.

דפוס קרינה

תבנית הקרינה מוגדרת כזווית פליטת האור ביחס למשטח הפולט. כמות הכוח, העוצמה או האנרגיה המקסימלית תתקבל בכיוון הניצב למשטח הפולט. זווית פליטת האור תלויה בצבע הנפלט ובדרך כלל משתנה בין כ-80° ל-110°. הנה טבלה עם ה צבעים וחומרים שונים:

צבע האור הנפלט על ידי LED אינו נקבע על ידי צבע גוף פלסטיק שסוגר את ה-LED. זה חייב להיות ברור מאוד. כפי שציינתי קודם, שרף אפוקסי משמש הן לשיפור תפוקת האור והן לציון צבע כאשר הנורית כבויה.

רב צבע LED

בשוק יש א מגוון רחב של לדים זמין, עם צורות, גדלים, צבעים שונים, עוצמות אור פלט וכו'. עם זאת, יש לומר שהמלך הבלתי מעורער במחירו הוא הלד האדום גליום ארסניד פוספיד, בקוטר של 5 מ"מ. זה הכי בשימוש בעולם, אז זה זה שמיוצר בכמות הגדולה ביותר.

עם זאת, כפי שראית, יש כיום צבעים רבים ושונים, ומספר צבעים אפילו משולבים כדי לייצר רב צבע LED כמו זה שאנחנו הולכים לראות בקטע הזה...

בשני צבעים

LED דו-צבעוני, כפי ששמו מרמז, הוא א LED המסוגל לפלוט בשני צבעים שונים. זה מושג על ידי שילוב של שני נוריות LED בצבעים שונים באותה חבילה. בדרך זו, אתה יכול לשנות מצבע אחד למשנהו. לדוגמה, כמו נוריות הלד שאתה רואה במכשירים מסוימים כדי לציין את מצב טעינת הסוללה שהופכות לאדומות כאשר היא נטענת וירוקה כאשר היא כבר נטענת.

על מנת לבנות נוריות אלו מחוברים במקביל, כאשר האנודה של LED אחד מחוברת לקתודה של LED אחר ולהיפך. באופן זה, כאשר מסופק כוח לכל אחת מהאנודות, רק LED אחד יידלק, זה שמקבל חשמל דרך האנודה שלו. אם שתי האנודות מופעלות בו-זמנית, אפשר גם להפעיל את שתיהן בו-זמנית עם מיתוג דינמי.

טריקולור

יש לנו גם נוריות תלת-צבעוניות, כלומר הן יכול לפלוט שלושה צבעים שונים במקום שניים. אלה משלבים שלוש נוריות לד עם קתודה משותפת באותה חבילה, וכדי להדליק צבע אחד או שניים, צריך לחבר את הקתודה לאדמה. והזרם המסופק על ידי האנודה של הצבע שאתה רוצה לשלוט או להפעיל.

כלומר, עבור תאורת LED בצבע אחד או שניים, יש צורך לחבר את ספק כוח לכל האנודה בנפרד או במקביל. נוריות LED תלת-צבעוניות אלו משמשות לעתים קרובות גם בהמון מכשירים, כגון טלפונים ניידים, לציון התראות וכו'. כמו כן, סוג זה של דיודה מייצר גוונים נוספים של צבעי היסוד על ידי הדלקת שתי נוריות ה-LED ביחסים שונים של זרם קדימה.

LED RGB

זה בעצם סוג של LED tricolor, במקרה זה המכונה RGB (כחול ירוק אדום), כי הוא פולט את האורות האלה בשלושה צבעים. אלה הפכו פופולריים מאוד ברצועות עיטור צבעוניות וציוד גיימינג, כפי שאתה אולי יודע. עם זאת, למרות שיש לך את צבעי היסוד, לא ניתן ליצור את כל הצבעים והגוונים. חלק מהצבעים נופלים מחוץ למשולש RGB, וקשה להשיג צבעים כמו ורוד, חום וכו' עם RGB.

LED יתרונות וחסרונות

עכשיו הגיע הזמן לראות מה הם העיקריים שבהם יתרונות וחסרונות של דיודות LED אלה:

יתרון

• גודל קטן
• עלות ייצור נמוכה
• חיי מדף ארוכים (לא יימס)*
• יעילות אנרגטית גבוהה / צריכה נמוכה
• טמפרטורה נמוכה / פחות חום מוקרן
• גמישות עיצובית
• הם יכולים להפיק צבעים רבים ושונים, ואפילו אור לבן.
• מהירות מיתוג גבוהה
• עוצמת אור גבוהה
• ניתן לעצב למקד אור בכיוון אחד
• הם התקני מוליכים למחצה במצב מוצק, ולכן הם חזקים יותר: עמידים יותר בפני זעזועים תרמיים ורעידות
• אין נוכחות של קרני UV

חסרונות

• תלות בטמפרטורת הסביבה של הספק הפלט של הקרינה ואורך הגל של ה-LED.
• רגישות לנזק עקב עודף מתח ו/או עודף זרם.
• יעילות כללית תיאורטית מושגת רק בתנאי קור מיוחדים או דופקים.

יישומים

אחרון חביב, יש צורך להראות מה הם יישומים אפשריים עבורם מיועדות נוריות הלד הצבעוניות הללו:

• עבור אורות רכב
• שילוט: מחוונים, שלטים, רמזורים
• הצג מידע חזותי על לוחות מחוונים
• עבור צגים שבהם הפיקסלים מורכבים מנורות LED
• יישומים רפואיים
• צעצועים
• תאורה
• שלטים רחוקים (נוריות LED)
• וכו '