Krāsainas gaismas diodes: kā iegūt dažādas krāsas?

L Krāsainas gaismas diodes Viņi mūs pavada pēdējos gados. Katru reizi parādās jauni gaismas diožu toņi, jo ne visos gadījumos tas ir bijis viegli. Piemēram, ziņkārības labad jāzina, ka baltās gaismas diodes un zilās gaismas LED ir vienas no pēdējām, kas nonākušas tirgū.

Šobrīd tie ir kļuvuši diodes veids būtiska daudzām jomām. Tāpēc šajā rakstā jūs uzzināsit Viss, kas jums jāzina Uz šiem pamata elektroniskie komponenti, un par to, kāpēc tie izstaro gaismu, kāpēc šīs krāsas un daudz ko citu...

Pusvadītāju gaismu izstarojošie avoti

Kā jums vajadzētu zināt, divi gaismas emisijas avoti, kas var nākt no pusvadītāju ierīcēm, ir Lāzera diodes un LED diodes. Kamēr LED pamatā ir spontāna emisija, lāzeri ir balstīti uz stimulētu emisiju. Tā ir atšķirība starp abiem.

L gaismas diodes (Light Emitting Diode) tie ir visizplatītākais gaismas avots elektronisko iekārtu vidū. Tos izmanto, lai parādītu laiku digitālajos pulksteņos, lai signalizētu par akumulatora darbību vai uzlādi utt. Lietojumprogrammas ir daudz, un tagad tās ir arī pieņēmušas apgaismojumu ar jaunajām LED spuldzēm, lai apgaismotu visu veidu telpas un pat transportlīdzekļus.

Šīs LED ierīces pieder grupai opto-pusvadītāji, kas spēj pārveidot elektrisko strāvu gaismā. Šīs apgaismes ierīces priekšrocība ir tā, ka tā ir izturīga, jo tā neizdeg kā spuldzes, turklāt tā ir daudz efektīvāka, tāpēc patēriņš ir daudz mazāks nekā parastajām spuldzēm. Turklāt to ražošanas izmaksas ir ļoti zemas, tāpēc tie ir kļuvuši tik populāri.

Tāpat kā jebkurai citai pusvadītāju ierīcei, LED ir galvenie galvenie elementi, piemēram, P zonas ar caurumiem (+) un N zonas ar elektroniem (-), tas ir, jebkura pusvadītāja parastie lādiņu nesēji. Un tas rada:

• Kad P puse ir pievienota barošanas avotam un N puse zemei, savienojums ir novirzīts uz priekšu, ļaujot strāvai plūst cauri diodi un izstarot gaismu, ko mēs visi varam redzēt.
• Ja P puse ir savienota ar zemi un N puse ir pievienota barošanas avotam, tiek uzskatīts, ka savienojums ir nospriegots, kas novērš strāvas plūsmu. Jūs jau zināt, ka diodes novērš strāvas plūsmu vienā virzienā.
• Kad tie ir novirzīti uz priekšu, P-puses un N-puses vairākuma un mazākuma lādiņnesēji apvienojas viens ar otru, neitralizējot lādiņu nesējus PN savienojuma noplicināšanas slānī. Un, savukārt, šī elektronu un caurumu migrācija atbrīvo noteiktu daudzumu fotonu, tas ir, daļa enerģijas tiek izstarota gaismas veidā ar nemainīgu (monohromatisku) viļņa garumu. Tas raksturos LED krāsu, jo atkarībā no tā izstarotā viļņa garuma tā var būt IR, zila, dzeltena, zaļa, dzeltena, dzintara, balta, sarkana, UV utt.
• Izstarotā elektromagnētiskā spektra viļņa garumu un līdz ar to arī krāsu nosaka pusvadītāju materiāli, kas veido diodes PN savienojumu. Tāpēc pusvadītāju savienojumus var mainīt vai spēlēt ar tiem, lai spektrā vai redzamajā diapazonā izveidotu jaunas krāsas.

Jāsaka, ka sarkanās, zilās un zaļās krāsas (RGB vai Red Green Blue) var viegli kombinēt, lai varētu rada baltu gaismu. No otras puses, jāsaka, ka arī gaismas diožu darba spriegums mainās atkarībā no krāsas. Piemēram, sarkanai, zaļai, dzintara un dzeltenai krāsai ir nepieciešami aptuveni 1.8 volti. Un tas ir tāds, ka gaismas diodes darba sprieguma diapazonu var noteikt atbilstoši gaismas diodes ražošanā izmantotā pusvadītāju materiāla pārrāvuma spriegumam.

LED veidi

Gaismas diodes var klasificēt vairākos veidos, viens no galvenajiem ir to darīt pēc to izstarotā viļņa garuma, atstājot divas kategorijas:

•  redzamās gaismas diodes: ir tie, kas izstaro viļņu garumus redzamajā spektrā, tas ir, no 400 nm līdz 750 nm. Šo diapazonu var redzēt cilvēka acs, tāpat kā skaņas laukā mēs varam dzirdēt tikai no 20 Hz līdz 20 Khz. Zem 20 Hz ir infraskaņa, ko mēs nedzirdam, un virs 20 Khz ir ultraskaņa, kuru mēs arī nevaram uztvert. Kaut kas līdzīgs notiek ar gaismu, kam ir infrasarkanais vai IR, kad tas ir zemāks par 400 nm, un ultravioleto gaismu, kad tas pārsniedz 750 nm. Abi cilvēka acij neredzami.
•  neredzamas gaismas diodes: ir tie viļņu garumi, kurus mēs nevaram redzēt, kā tas ir IR diodes vai UV diodes gadījumā.

Redzamās gaismas diodes galvenokārt tiek izmantotas apgaismojumam vai signalizācijai. Neredzamās gaismas diodes tiek izmantotas lietojumprogrammās, tostarp optiskajos slēdžos, optiskajos sakaros un analīzē utt., izmantojot fotosensorus.

Efektivitāte

Kā jūs labi zināt, LED apgaismojums ir daudz efektīvāka nekā parastais, tāpēc tas patērē daudz mazāk enerģijas. Tas ir saistīts ar gaismas diožu raksturu. Nākamajā tabulā varat redzēt saistību starp gaismas plūsmu un elektrisko ieejas jaudu, kas tiek piegādāta LED. Tas ir, to var izteikt lūmenos uz vatu (lm/W):

LED konstrukcija

Avots: ResearchGate

La gaismas diožu struktūra un uzbūve ļoti atšķiras no parastās diodes, piemēram, zeners utt. Gaisma tiks izstarota no gaismas diodes, kad tās PN savienojums ir novirzīts uz priekšu. PN savienojumu klāj cieti epoksīda sveķi un caurspīdīgs plastmasas puslodes formas kupols, kas aizsargā LED iekšpusi no atmosfēras traucējumiem, vibrācijām un termiskiem triecieniem.

PN krustojums tiek veidots, izmantojot materiālus zemākas joslas savienojumi, piemēram, gallija arsenīds, gallija arsenīda fosfīds, gallija fosfīds, indija gallija nitrīds, gallija alumīnija nitrīds, silīcija karbīds utt. Piemēram, sarkanās gaismas diodes ir veidotas uz gallija arsenīda substrāta, zaļas, dzeltenas un oranžas uz gallija fosfīda utt. Sarkanajās krāsās N veida slānis ir leģēts ar telūru (Te), bet P slānis ir leģēts ar cinku (Zn). No otras puses, kontaktslāņi tiek veidoti, izmantojot alumīniju P pusē un alvu-alumīniju N pusē.

Tāpat jums jāzina, ka šie krustojumi neizstaro daudz gaismas, tāpēc epoksīda sveķu kupols tas ir konstruēts tā, lai PN savienojuma izstarotās gaismas fotoni vislabāk tiktu atspoguļoti un fokusēti caur to. Tas ir, tas darbojas ne tikai kā aizsargs, bet arī kā gaismas koncentrēšanas lēca. Tas ir iemesls, kāpēc izstarotā gaisma šķiet spilgtāka LED augšpusē.

Gaismas diodes ir izstrādātas, lai nodrošinātu, ka lielākā daļa lādiņnesēju rekombinācijas notiek PN savienojuma virsmā acīmredzamu iemeslu dēļ, un tas tiek panākts šādā veidā:

• Palielinot substrāta dopinga koncentrāciju, papildu mazākuma lādiņu nesēju elektroni pārvietojas uz struktūras augšpusi, rekombinējas un izstaro gaismu uz LED virsmas.
• Palielinot lādiņnesēju difūzijas garumu, tas ir, L = √ Dτ, kur D ir difūzijas koeficients un τ ir lādiņa nesēja kalpošanas laiks. Kad tas tiek palielināts virs kritiskās vērtības, ierīcē būs iespējama atbrīvoto fotonu reabsorbcija.

Tādējādi, kad LED diode ir savienota ar priekšējo nobīdi, kravu pārvadātāji tie iegūst pietiekami daudz enerģijas, lai pārvarētu esošo potenciālo barjeru PN krustojumā. Mazākuma lādiņu nesēji gan P-tipa, gan N-tipa pusvadītājos tiek injicēti pāri krustojumam un rekombinējas ar vairākuma nesējiem. Vairākuma un mazākuma operatoru kombinācija var būt divējādi:

• izstarojošs: ja rekombinācijas laikā tiek izstarota gaisma.
• nav izstarojošs: rekombinācijas laikā netiek izstarota gaisma, rodas siltums. Tas nozīmē, ka daļa no izmantotās elektriskās enerģijas tiek zaudēta siltuma, nevis gaismas veidā. Atkarībā no gaismas vai siltuma ģenerēšanai izmantotās enerģijas procentuālā daudzuma tā būs gaismas diodes efektivitāte.

organiskie pusvadītāji

Pēdējā laikā viņi arī ielauzušies tirgū OLED vai organiskās gaismas diodes, kas ir izmantotas displejiem. Šīs jaunās organiskās diodes sastāv no organiskas dabas materiāla, tas ir, organiskā pusvadītāja, kur vadītspēja ir atļauta daļēji vai visā organiskajā molekulā.

Šie organiskie materiāli var būt kristāliskā fāzē vai polimēru molekulās. Tam ir ļoti plāna struktūra, zemas izmaksas, to darbībai ir nepieciešams ļoti zems spriegums, tiem ir augsts spilgtums un maksimālais kontrasts un intensitāte.

LED krāsas

Atšķirībā no parastajām pusvadītāju diodēm, LED izstaro šo gaismu to izmantoto savienojumu dēļ, kā jau minēju iepriekš. Parastās pusvadītāju diodes ir izgatavotas no silīcija vai germānija, bet gaismas diodes ir savienojumi piemēram:

• gallija arsenīds
• gallija arsenīda fosfīds
• Silīcija karbīds
• indija gallija nitrīds

Sajaucot šos materiālus, var iegūt unikālu un atšķirīgu viļņa garumu, lai iegūtu vēlamo krāsu. Dažādi pusvadītāju savienojumi izstaro gaismu noteiktos redzamās gaismas spektra apgabalos un tādējādi rada dažādus gaismas intensitātes līmeņus. Gaismas diodes ražošanā izmantotā pusvadītāju materiāla izvēle noteiks fotonu emisijas viļņa garumu un no tā izrietošo izstarotās gaismas krāsu.

Radiācijas modelis

Radiācijas modelis ir definēts kā gaismas emisijas leņķis attiecībā pret izstarojošo virsmu. Maksimālais jaudas, intensitātes vai enerģijas daudzums tiks iegūts virzienā, kas ir perpendikulārs izstarojošajai virsmai. Gaismas emisijas leņķis ir atkarīgs no izstarotās krāsas un parasti svārstās no aptuveni 80° līdz 110°. Šeit ir tabula ar dažādas krāsas un materiāli:

Gaismas krāsu, ko izstaro LED, nenosaka plastmasas korpusa krāsa kas aptver LED. Tas ir jāpasaka ļoti skaidri. Kā jau minēju iepriekš, epoksīda sveķus izmanto gan, lai uzlabotu gaismas atdevi, gan lai norādītu krāsu, kad LED ir izslēgts.

Daudzkrāsains LED

Tirgū ir a pieejams plašs gaismas diožu klāsts, ar dažādām formām, izmēriem, krāsām, izejas gaismas intensitāti utt. Tomēr jāsaka, ka neapstrīdams karalis par savu cenu ir gallija arsenīda fosfīda sarkanā LED, kura diametrs ir 5 mm. Tas ir visvairāk izmantotais pasaulē, tāpēc tas ir tas, kas tiek ražots lielākajā daudzumā.

Tomēr, kā jūs redzējāt, pašlaik ir daudz dažādu krāsu, un vairākas krāsas pat tiek kombinētas, lai iegūtu a Daudzkrāsains LED kā tas, kuru mēs redzēsim šajā sadaļā…

Bicolor

Divkrāsu gaismas diode, kā norāda tās nosaukums, ir a LED, kas spēj izstarot divās dažādās krāsās. Tas tiek panākts, vienā iepakojumā apvienojot divas dažādu krāsu gaismas diodes. Tādā veidā jūs varat mainīt vienu krāsu uz citu. Piemēram, piemēram, gaismas diodes, kuras redzat dažās ierīcēs, lai norādītu akumulatora uzlādes stāvokli, kas kļūst sarkanas, kad tas tiek uzlādēts, un zaļš, kad tas jau ir uzlādēts.

Lai izveidotu šīs gaismas diodes ir savienoti paralēli, ar vienas gaismas diodes anodu, kas savienots ar citas gaismas diodes katodu un otrādi. Tādā veidā, kad barošana tiek piegādāta kādam no anodiem, iedegsies tikai viena gaismas diode, tā, kas saņem strāvu caur savu anodu. Ja abi anodi tiek baroti vienlaicīgi, iespējams arī abus vienlaikus ieslēgt ar dinamisku pārslēgšanu.

Trīskrāsains

Mums ir arī trīskrāsu gaismas diodes, tas ir, tās var izstarot trīs dažādas krāsas divu vietā. Tie apvieno trīs gaismas diodes ar kopīgu katodu vienā iepakojumā, un, lai apgaismotu vienu vai divas krāsas, katods ir jāpievieno zemei. Un strāva, ko nodrošina tās krāsas anoda, kuru vēlaties kontrolēt vai ieslēgt.

Tas ir, vienas vai divu krāsu LED apgaismojumam ir nepieciešams savienot barošanas avots jebkuram anodam atsevišķi vai vienlaikus. Šīs trīskrāsu gaismas diodes bieži tiek izmantotas arī daudzās ierīcēs, piemēram, mobilajos tālruņos, lai norādītu paziņojumus utt. Turklāt šāda veida diodes ģenerē papildu primāro krāsu toņus, ieslēdzot abas gaismas diodes ar dažādām tiešās strāvas attiecībām.

RGB gaismas diode

Tas būtībā ir trīskrāsu gaismas diodes veids, kas šajā gadījumā pazīstams kā RGB (sarkans, zaļš, zils), jo tas izstaro šīs trīs krāsu gaismas. Tie ir kļuvuši ļoti populāri krāsainās apdares sloksnēs un spēļu aprīkojumā, kā jūs, iespējams, zināt. Tomēr, lai gan jums ir galvenās krāsas, nav iespējams ģenerēt visas krāsas un nokrāsas. Dažas krāsas neietilpst RGB trīsstūrī, un tādas krāsas kā rozā, brūna utt. ir grūti atrast ar RGB.

LED priekšrocības un trūkumi

Tagad ir pienācis laiks redzēt, kas ir galvenie priekšrocības un trūkumi no šīm LED diodēm:

Priekšrocība

• Mazs izmērs
• Zemas ražošanas izmaksas
• Ilgs glabāšanas laiks (nekūst)*
• Augsta energoefektivitāte / zems patēriņš
• Zema temperatūra / mazāk izstarotā siltuma
• Dizaina elastība
• Tie var radīt daudz dažādu krāsu un pat baltu gaismu.
• Augsts pārslēgšanas ātrums
• augsta gaismas intensitāte
• Var būt paredzēts gaismas fokusēšanai vienā virzienā
• Tās ir cietvielu pusvadītāju ierīces, tāpēc tās ir izturīgākas: izturīgākas pret termisko triecienu un vibrācijām
• Nav UV staru klātbūtnes

Trūkumi

• Izstarojuma jaudas un gaismas diodes viļņa garuma atkarība no apkārtējās vides temperatūras.
• Jutība pret bojājumiem pārmērīga sprieguma un/vai strāvas pārpalikuma dēļ.
• Teorētiskā kopējā efektivitāte tiek sasniegta tikai īpašos aukstuma vai impulsa apstākļos.

pieteikumi

Visbeidzot, ir jāparāda, kas ir iespējamās lietojumprogrammas kam šīs krāsainās gaismas diodes ir paredzētas:

• transportlīdzekļu gaismām
• Apzīmējumi: indikatori, zīmes, luksofori
• Rādīt vizuālo informāciju informācijas paneļos
• Displejiem, kuros pikseļus veido gaismas diodes
• Medicīniski pielietojumi
• Rotaļlietas
• Iluminación
• Tālvadības pultis (IR gaismas diodes)
• utt