Spalvoti šviesos diodai: kaip gauti skirtingas spalvas?

Los Spalvoti šviesos diodai Pastaraisiais metais jie mus lydi. Kiekvieną kartą, kai atsiranda naujų šviesos diodų atspalvių, nes ne visais atvejais tai buvo lengva. Pavyzdžiui, kaip smalsumą turėtumėte žinoti, kad baltos šviesos diodai ir mėlynos šviesos diodai buvo vieni iš paskutiniųjų, kurie pasirodė rinkoje.

Šiuo metu jais tapo diodo tipas būtini daugeliui sričių. Todėl šiame straipsnyje sužinosite Viskas, ką reikia žinoti Dėl šių pagrindiniai elektroniniai komponentai, ir apie tai, kodėl jie skleidžia šviesą, kodėl tos spalvos ir daug daugiau...

Puslaidininkiniai šviesos šaltiniai

Kaip turėtumėte žinoti, du šviesos šaltiniai, kuriuos gali skleisti puslaidininkiniai įtaisai, yra Lazeriniai diodai ir LED diodai. Nors šviesos diodai yra pagrįsti spontanine spinduliuote, lazeriai yra pagrįsti stimuliuojama spinduliuote. Tai yra skirtumas tarp šių dviejų.

Los šviesos diodai (Light Emitting Diode) jie yra labiausiai paplitęs šviesos šaltinis tarp elektroninės įrangos. Jie naudojami rodyti laiką skaitmeniniuose laikrodžiuose, signalizuoti apie baterijos veikimą ar įkrovimą ir pan. Taikymas yra daug, o dabar jie taip pat pradėjo apšviesti naujomis LED lemputėmis, kad apšviestų visų tipų patalpas ir net transporto priemones.

Šie LED įrenginiai priklauso grupei optiniai puslaidininkiai, galintis elektros srovę paversti šviesa. Didelis šio apšvietimo prietaiso pranašumas yra patvarumas, nes jis neperdega kaip lemputės, be to, yra daug efektyvesnis, todėl sunaudojama daug mažiau nei įprastų lempučių. Be to, jų gamybos savikaina yra labai maža, todėl jie tapo tokie populiarūs.

Kaip ir bet kuris kitas puslaidininkinis įtaisas, šviesos diodas turi pagrindinius pagrindinius elementus, tokius kaip P zonos su skylutėmis (+) ir N zonos su elektronais (-), tai yra įprasti bet kurio puslaidininkio krūvininkai. Ir tai daro:

• Kai P pusė yra prijungta prie maitinimo šaltinio, o N pusė - į žemę, jungtis yra nukreipta į priekį, leidžianti srovei tekėti per diodą ir skleisti šviesą, kurią visi matome.
• Jei P pusė yra prijungta prie žemės, o N pusė yra prijungta prie maitinimo šaltinio, sakoma, kad jungtis yra atvirkštinė, o tai neleidžia srovei tekėti. Jau žinote, kad diodai neleidžia srovei tekėti viena kryptimi.
• Kai į priekį nukreiptas, P-pusės ir N-pusės daugumos ir mažumos krūvininkai susijungia vienas su kitu, neutralizuodami krūvininkus PN sandūros išeikvojimo sluoksnyje. Ir, savo ruožtu, ši elektronų ir skylių migracija išskiria tam tikrą kiekį fotonų, tai yra, dalis energijos išspinduliuojama šviesos pavidalu, esant pastoviam (monochromatiniam) bangos ilgiui. Būtent tai apibūdins šviesos diodo spalvą, nes priklausomai nuo jo skleidžiamo bangos ilgio gali būti IR, mėlyna, geltona, žalia, geltona, gintarinė, balta, raudona, UV ir kt.
• Išspinduliuojamą elektromagnetinio spektro bangos ilgį, taigi ir spalvą, lemia puslaidininkinės medžiagos, kurios sudaro diodo PN sandūrą. Todėl puslaidininkių junginius galima įvairinti arba su jais žaisti, kad būtų sukurtos naujos spalvos spektro arba matomo diapazono ribose.

Reikia pasakyti, kad raudona, mėlyna ir žalia spalvas (RGB arba Red Green Blue) galima lengvai derinti, kad būtų galima gaminti baltą šviesą. Kita vertus, reikia pasakyti, kad šviesos diodų darbinė įtampa taip pat skiriasi priklausomai nuo spalvos. Pavyzdžiui, raudonai, žaliai, gintarinei ir geltonai spalvoms veikti reikia apie 1.8 volto. Ir tai yra tai, kad šviesos diodo darbinės įtampos diapazonas gali būti nustatomas pagal puslaidininkinės medžiagos, naudojamos LED gamybai, gedimo įtampą.

LED tipai

Šviesos diodus galima klasifikuoti keliais būdais, vienas pagrindinių – tai daryti pagal jų skleidžiamą bangos ilgį, paliekant dvi kategorijos:

•  matomi šviesos diodai: yra tie, kurie skleidžia bangos ilgius matomame spektre, ty nuo 400 nm iki 750 nm. Šį diapazoną mato žmogaus akis, kaip ir garso lauke girdime tik nuo 20 Hz iki 20 Khz. Žemiau 20 Hz yra infragarsas, kurio negirdime, o virš 20 Khz – ultragarso, kurio taip pat negalime užfiksuoti. Kažkas panašaus atsitinka šviesai, turinčiai infraraudonųjų spindulių arba IR, kai jis nukrenta žemiau 400 nm, ir ultravioletinių spindulių, kai viršija 750 nm. Abu nematomi žmogaus akiai.
•  nematomi šviesos diodai: yra tie bangos ilgiai, kurių mes nematome, kaip yra IR diodo ar UV diodo atveju.

Matomi šviesos diodai dažniausiai naudojami apšvietimui arba signalizacijai. Nematomi šviesos diodai naudojami tokiose srityse kaip optiniai jungikliai, optinis ryšys ir analizė ir kt., naudojant foto jutiklius.

Efektyvumas

Kaip žinote, LED apšvietimas yra daug efektyvesnis nei įprastas, todėl sunaudoja daug mažiau energijos. Taip yra dėl šviesos diodų prigimties. Toliau pateiktoje lentelėje galite pamatyti ryšį tarp šviesos srauto ir šviesos diodui tiekiamos elektros įvesties galios. Tai reiškia, kad jis gali būti išreikštas liumenais vatui (lm/W):

LED konstrukcija

Šaltinis: ResearchGate

La šviesos diodų struktūra ir konstrukcija labai skiriasi nuo įprastų diodų, pvz., zeneris ir kt. Šviesos diodas skleis šviesą, kai jo PN jungtis bus pakreipta į priekį. PN jungtis padengta kieta epoksidine derva ir skaidraus plastiko pusrutulio formos kupolu, kuris apsaugo LED vidų nuo atmosferos trikdžių, vibracijų ir šiluminių smūgių.

PN sandūra suformuota naudojant medžiagos mažesnio diapazono junginiai, tokie kaip galio arsenidas, galio arsenido fosfidas, galio fosfidas, indžio galio nitridas, galio aliuminio nitridas, silicio karbidas ir kt. Pavyzdžiui, raudoni šviesos diodai yra pastatyti ant galio arsenido substrato, žali, geltoni ir oranžiniai ant galio fosfido ir kt. Raudonose spalvose N tipo sluoksnis yra legiruotas telūru (Te), o P sluoksnis – cinku (Zn). Kita vertus, kontaktiniai sluoksniai formuojami naudojant aliuminį P pusėje ir alavo aliuminį N pusėje.

Taip pat turėtumėte žinoti, kad šios sankryžos neišskiria daug šviesos, todėl epoksidinės dervos kupolas jis sukonstruotas taip, kad per ją geriausiai atsispindėtų ir sufokusuotų PN sandūros skleidžiamos šviesos fotonai. Tai yra, jis veikia ne tik kaip apsauga, bet ir kaip šviesą koncentruojantis lęšis. Dėl šios priežasties skleidžiama šviesa atrodo ryškesnė šviesos diodo viršuje.

Šviesos diodai skirti užtikrinti, kad didžioji dalis krūvininkų rekombinacijos vyksta PN sandūros paviršiuje dėl akivaizdžių priežasčių ir tai pasiekiama tokiu būdu:

• Padidinus pagrindo dopingo koncentraciją, papildomi mažumos krūvininkų elektronai juda į konstrukcijos viršų, rekombinuojasi ir skleidžia šviesą LED paviršiuje.
• Padidinus krūvininkų difuzijos ilgį, tai yra, L = √ Dτ, kur D yra difuzijos koeficientas, o τ yra krūvininkų tarnavimo laikas. Kai jis bus padidintas virš kritinės vertės, atsiras galimybė įrenginyje reabsorbuoti išleistus fotonus.

Taigi, kai LED diodas yra prijungtas su priekiniu poslinkiu, krovinių vežėjai jie įgyja pakankamai energijos, kad įveiktų esamą potencialo barjerą PN sandūroje. Mažumos krūvininkai tiek P tipo, tiek N tipo puslaidininkiuose įšvirkščiami per sandūrą ir rekombinuojasi su daugumos nešikliais. Daugumos ir mažumos operatoriai gali būti derinami dviem būdais:

• spinduliuojantis: kai rekombinacijos metu skleidžiama šviesa.
• ne spinduliuojantis: rekombinacijos metu neskleidžiama šviesa, susidaro šiluma. Tai reiškia, kad dalis panaudotos elektros energijos prarandama šilumos, o ne šviesos pavidalu. Priklausomai nuo šviesos ar šilumos generavimui sunaudotos energijos procento, tai bus šviesos diodo efektyvumas.

organiniai puslaidininkiai

Pastaruoju metu jie taip pat įsiveržė į rinką OLED arba organinius šviesos diodus, kurie buvo naudojami ekranuose. Šie nauji organiniai diodai yra sudaryti iš organinės prigimties medžiagos, tai yra, organinio puslaidininkio, kur laidumas leidžiamas iš dalies arba visoje organinėje molekulėje.

Šios organinės medžiagos gali būti kristalinėje fazėje arba polimerinėse molekulėse. Tai turi labai ploną struktūrą, mažą kainą, jiems reikia labai žemos įtampos, kad jie veiktų, jie turi didelį ryškumą ir maksimalų kontrastą bei intensyvumą.

LED spalvos

Skirtingai nei įprasti puslaidininkiniai diodai, šviesos diodai skleidžia tą šviesą dėl naudojamų junginių, kaip minėjau anksčiau. Įprasti puslaidininkiniai diodai yra pagaminti iš silicio arba germanio, tačiau šviesos diodai turi junginiai pvz .:

• galio arsenidas
• galio arsenido fosfidas
• Silicio karbidas
• indžio galio nitridas

Maišant šias medžiagas galima gauti unikalų ir skirtingą bangos ilgį, kad būtų pasiekta norima spalva. Skirtingi puslaidininkių junginiai skleidžia šviesą apibrėžtose matomos šviesos spektro srityse ir todėl sukuria skirtingą šviesos intensyvumo lygį. Šviesos diodo gamyboje naudojamos puslaidininkinės medžiagos pasirinkimas nulems fotonų emisijos bangos ilgį ir gaunamą skleidžiamos šviesos spalvą.

Radiacijos modelis

Spinduliuotės modelis apibrėžiamas kaip šviesos spinduliavimo kampas spinduliuojančio paviršiaus atžvilgiu. Didžiausias galios, intensyvumo ar energijos kiekis bus gaunamas statmenai spinduliuojančiam paviršiui kryptimi. Šviesos spinduliavimo kampas priklauso nuo skleidžiamos spalvos ir paprastai svyruoja nuo 80° iki 110°. Čia yra lentelė su skirtingos spalvos ir medžiagos:

Šviesos diodo skleidžiamos šviesos spalva nėra nustatoma pagal plastikinė korpuso spalva kuri gaubia šviesos diodą. Tai turi būti labai aiškiai nurodyta. Kaip jau minėjau anksčiau, epoksidinė derva naudojama tiek šviesos srautui pagerinti, tiek spalvai nurodyti, kai šviesos diodas išjungtas.

Daugiaspalvis LED

Rinkoje yra a platus šviesos diodų pasirinkimas, skirtingų formų, dydžių, spalvų, išėjimo šviesos intensyvumo ir kt. Tačiau reikia pasakyti, kad neginčijamas karalius už savo kainą yra galio arsenido fosfido raudonas šviesos diodas, kurio skersmuo yra 5 mm. Tai yra labiausiai naudojama pasaulyje, todėl pagaminama daugiausia.

Tačiau, kaip matėte, šiuo metu yra daug skirtingų spalvų, o kelios spalvos netgi derinamos gaminant a Daugiaspalvis LED kaip tą, kurį pamatysime šiame skyriuje…

Bicolor

Dvispalvis šviesos diodas, kaip rodo jo pavadinimas, yra a Šviesos diodas gali skleisti dvi skirtingas spalvas. Tai pasiekiama sujungiant du skirtingų spalvų šviesos diodus vienoje pakuotėje. Tokiu būdu galite pakeisti vieną spalvą į kitą. Pavyzdžiui, kai kuriuose įrenginiuose matomi šviesos diodai, rodantys akumuliatoriaus įkrovimo būseną, kurie įkraunant nusidažo raudonai, o kai jau įkrauta – žalia.

Norėdami sukurti šiuos šviesos diodus yra sujungti lygiagrečiai, kai vieno šviesos diodo anodas yra prijungtas prie kito šviesos diodo katodo ir atvirkščiai. Tokiu būdu, kai maitinimas tiekiamas bet kuriam anodui, užsidegs tik vienas šviesos diodas, tas, kuris gauna maitinimą per savo anodą. Jei abu anodai maitinami vienu metu, dinaminiu perjungimu taip pat galima įjungti abu vienu metu.

trispalvė

Turime ir trispalvių šviesos diodų, tai yra juos gali skleisti tris skirtingas spalvas vietoj dviejų. Jie sujungia tris šviesos diodus su bendru katodu toje pačioje pakuotėje, o norint apšviesti vieną ar dvi spalvas, katodą reikia prijungti prie žemės. Ir srovė, kurią tiekia norimos valdyti ar įjungti spalvos anodas.

Tai reiškia, kad vienos ar dviejų spalvų LED apšvietimui būtina prijungti maitinimas bet kuriam anodui individualiai arba tuo pačiu metu. Šie trispalviai šviesos diodai taip pat dažnai naudojami daugelyje įrenginių, pavyzdžiui, mobiliuosiuose telefonuose, pranešimams rodyti ir pan. Be to, šio tipo diodai generuoja papildomus pirminių spalvų atspalvius, įjungdami du šviesos diodus skirtingais nuolatinės srovės santykiais.

RGB šviesos diodas

Iš esmės tai yra trispalvių šviesos diodų tipas, šiuo atveju žinomas kaip RGB (raudona žalia mėlyna), nes skleidžia tas trijų spalvų šviesas. Kaip tikriausiai žinote, jie tapo labai populiarūs spalvotose apdailos juostose ir žaidimų įrangoje. Tačiau, nors ir turite pagrindines spalvas, visų spalvų ir atspalvių sugeneruoti neįmanoma. Kai kurios spalvos nepatenka į RGB trikampį, o tokias spalvas kaip rožinė, ruda ir kt. sunku rasti naudojant RGB.

LED privalumai ir trūkumai

Dabar atėjo laikas pamatyti, kas yra pagrindiniai privalumai ir trūkumai iš šių LED diodų:

Pranašumas

• Mažas dydis
• Mažos gamybos sąnaudos
• Ilgas galiojimo laikas (netirps)*
• Didelis energijos vartojimo efektyvumas / mažas suvartojimas
• Žema temperatūra / mažiau spinduliuojamos šilumos
• Dizaino lankstumas
• Jie gali išgauti daug skirtingų spalvų ir net baltos šviesos.
• Didelis perjungimo greitis
• didelis šviesos intensyvumas
• Gali būti suprojektuotas fokusuoti šviesą viena kryptimi
• Jie yra kietojo kūno puslaidininkiniai įtaisai, todėl yra tvirtesni: atsparesni šiluminiam smūgiui ir vibracijai
• Nėra UV spindulių buvimo

Trūkumai

• Šviesos diodo spinduliuotės galios ir bangos ilgio priklausomybė nuo aplinkos temperatūros.
• Jautrumas pažeidimams dėl per didelės įtampos ir (arba) perteklinės srovės.
• Teorinis bendras efektyvumas pasiekiamas tik esant ypatingoms šalčio arba impulsinėms sąlygoms.

programos

Paskutinis, bet ne mažiau svarbus dalykas – būtina parodyti, kas yra galimos programos kuriems yra skirti šie spalvoti šviesos diodai:

• transporto priemonių žibintams
• Ženklai: indikatoriai, ženklai, šviesoforai
• Rodyti vaizdinę informaciją prietaisų skydeliuose
• Ekranams, kuriuose pikselius sudaro šviesos diodai
• Medicinos programos
• Žaislai
• Iluminación
• Nuotolinio valdymo pultai (IR šviesos diodai)
• ir tt