L Kolorowe diody LED Towarzyszyli nam przez ostatnie lata. Za każdym razem pojawiają się nowe odcienie diod, bo nie we wszystkich przypadkach było to łatwe. Na przykład, jako ciekawostkę, powinieneś wiedzieć, że diody LED światła białego i diody LED światła niebieskiego były jednymi z ostatnich, które pojawiły się na rynku.
Obecnie stały się rodzaj diody niezbędna w wielu dziedzinach. Dlatego w tym artykule dowiesz się wszystko, co musisz wiedzieć Na tych podstawowe elementy elektroniczne, i o tym, dlaczego emitują światło, dlaczego te kolory i wiele więcej...
Półprzewodnikowe źródła emitujące światło
Jak powinieneś wiedzieć, istnieją dwa źródła emisji światła, które mogą pochodzić z urządzeń półprzewodnikowych Diody laserowe i diody LED. Podczas gdy diody LED opierają się na emisji spontanicznej, lasery oparte są na emisji wymuszonej. Taka jest różnica między nimi.
L diody elektroluminescencyjne (Light Emitting Diode) są najczęstszym źródłem światła wśród sprzętu elektronicznego. Służą do wskazywania czasu na zegarkach cyfrowych, sygnalizowania pracy lub ładowania baterii itp. Zastosowania są liczne, a teraz wkroczyły również do oświetlenia za pomocą nowych żarówek LED, aby oświetlić wszystkie rodzaje pomieszczeń, a nawet pojazdy.
Te urządzenia LED należą do grupy półprzewodniki optyczne, zdolny do zamiany prądu elektrycznego na światło. To urządzenie oświetleniowe ma tę wielką zaletę, że jest trwałe, ponieważ nie przepala się jak żarówki, a także jest znacznie bardziej wydajne, więc zużycie jest znacznie niższe niż w przypadku konwencjonalnych żarówek. Ponadto ich koszt produkcji jest bardzo niski, dlatego stały się tak popularne.
Jak każde inne urządzenie półprzewodnikowe, dioda LED ma podstawowe główne elementy, takie jak Strefy P z otworami (+) i strefy N z elektronami (-), to znaczy zwykłe nośniki ładunku dowolnego półprzewodnika. A to sprawia, że:
- Kiedy strona P jest podłączona do źródła zasilania, a strona N do masy, połączenie jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, umożliwiając przepływ prądu przez diodę i emitując światło, które wszyscy widzimy.
- Jeśli strona P jest podłączona do masy, a strona N jest podłączona do zasilania, mówi się, że połączenie jest spolaryzowane zaporowo, co zapobiega przepływowi prądu. Wiesz już, że diody zapobiegają przepływowi prądu w jednym kierunku.
- W przypadku polaryzacji w kierunku przewodzenia nośniki ładunku większościowego i mniejszościowego po stronie P i N łączą się ze sobą, neutralizując nośniki ładunku w warstwie zubożonej złącza PN. A z kolei ta migracja elektronów i dziur uwalnia pewną ilość fotonów, czyli część energii jest emitowana w postaci światła o stałej (monochromatycznej) długości fali. To właśnie będzie charakteryzować kolor diody LED, ponieważ w zależności od emitowanej długości fali może to być IR, niebieski, żółty, zielony, żółty, bursztynowy, biały, czerwony, UV itp.
- Emitowana długość fali widma elektromagnetycznego, a tym samym kolor, jest określana przez materiały półprzewodnikowe, które tworzą złącze PN diody. Dlatego związki półprzewodnikowe można zmieniać lub bawić się nimi, aby tworzyć nowe kolory w widmie lub zakresie widzialnym.
Trzeba powiedzieć, że kolory czerwony, niebieski i zielony (RGB lub Red Green Blue) można łatwo łączyć, aby móc wytwarzać białe światło. Z drugiej strony trzeba powiedzieć, że napięcie robocze diod LED również zmienia się w zależności od koloru. Na przykład kolory czerwony, zielony, bursztynowy i żółty potrzebują około 1.8 wolta do działania. Chodzi o to, że zakres napięcia roboczego diody elektroluminescencyjnej można określić zgodnie z napięciem przebicia materiału półprzewodnikowego użytego do produkcji diody LED.
rodzaje diod LED
Diody LED można klasyfikować na kilka sposobów, jednym z głównych jest robienie tego zgodnie z długością fali, którą emitują, pozostawiając dwie kategorie:
- widoczne diody: to takie, które emitują długości fal w zakresie widzialnym, to znaczy między 400 nm a 750 nm. Ten zakres jest tym, co ludzkie oko widzi, tak jak w polu dźwiękowym słyszymy tylko między 20 Hz a 20 Khz. Poniżej 20 Hz to infradźwięki, których nie słyszymy, a powyżej 20 kHz to ultradźwięki, których również nie jesteśmy w stanie uchwycić. Coś podobnego dzieje się w przypadku światła, które ma podczerwień lub podczerwień, gdy schodzi poniżej 400 nm i światło ultrafioletowe, gdy przekracza 750 nm. Obie niewidoczne dla ludzkiego oka.
- niewidoczne diody: to te długości fal, których nie możemy zobaczyć, jak w przypadku diody IR lub diody UV.
Widoczne diody LED służą głównie do oświetlenia lub sygnalizacji. Niewidoczne diody LED są używane w aplikacjach, takich jak przełączniki optyczne, komunikacja i analiza optyczna itp., z wykorzystaniem fotoczujników.
Wydajność
Jak dobrze wiesz, oświetlenia LED jest dużo bardziej wydajny niż konwencjonalne, dzięki czemu zużywa znacznie mniej energii. Wynika to z natury diod LED. W poniższej tabeli można zobaczyć zależność między strumieniem świetlnym a elektryczną mocą wejściową dostarczaną do diody LED. Oznacza to, że można ją wyrazić w lumenach na wat (lm/W):
Konstrukcja LED
La struktura i konstrukcja diod elektroluminescencyjnych bardzo różni się od normalnej diody, takich jak zener itp. Światło będzie emitowane z diody LED, gdy jej złącze PN jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Złącze PN jest pokryte solidną żywicą epoksydową i przezroczystą półkulistą kopułą z tworzywa sztucznego, która chroni wnętrze diody LED przed zakłóceniami atmosferycznymi, wibracjami i szokami termicznymi.
Złącze PN jest tworzone za pomocą materiały związki o niższym paśmie wzbronionym, takie jak arsenek galu, fosforek arsenku galu, fosforek galu, azotek galu indu, azotek glinu galu, węglik krzemu itp. Na przykład czerwone diody LED są zbudowane na podłożu z arsenku galu, zielone, żółte i pomarańczowe na fosforku galu itp. W czerwieni warstwa typu N jest domieszkowana tellurem (Te), a warstwa P jest domieszkowana cynkiem (Zn). Z drugiej strony warstwy kontaktowe są utworzone z aluminium po stronie P i cyny-aluminium po stronie N.
Powinieneś także wiedzieć, że te skrzyżowania nie emitują dużo światła, więc kopuła z żywicy epoksydowej jest skonstruowany w taki sposób, aby fotony światła emitowanego przez złącze PN były przez nie najlepiej odbijane i skupiane. Oznacza to, że działa nie tylko jako osłona, ale także jako soczewka skupiająca światło. Jest to powód, dla którego emitowane światło wydaje się jaśniejsze w górnej części diody LED.
Diody LED zostały zaprojektowane tak, aby zapewnić, że większość rekombinacji nośników ładunku zachodzi na powierzchni złącza PN z oczywistych względów, a osiąga się to w ten sposób:
- Zwiększając stężenie domieszkowania w podłożu, dodatkowe elektrony przenoszące ładunek mniejszościowy przemieszczają się na górę struktury, rekombinują i emitują światło na powierzchnię diody LED.
- Zwiększając długość dyfuzji nośników ładunku, czyli L = √ Dτ, gdzie D to współczynnik dyfuzji, a τ to czas życia nośnika ładunku. Gdy zostanie ona podwyższona powyżej wartości krytycznej, pojawi się możliwość reabsorpcji uwolnionych fotonów w urządzeniu.
Tak więc, gdy dioda LED jest podłączona z polaryzacją do przodu, przewoźnicy ładunków uzyskują wystarczającą ilość energii, aby pokonać istniejącą barierę potencjału na złączu PN. Nośniki ładunku mniejszościowego zarówno w półprzewodniku typu P, jak i typu N są wstrzykiwane przez złącze i rekombinowane z nośnikami większościowymi. Połączenie przewoźników większościowych i mniejszościowych może przebiegać na dwa sposoby:
- radiacyjny: kiedy światło jest emitowane podczas rekombinacji.
- nie radiacyjny: podczas rekombinacji światło nie jest emitowane, wytwarzane jest ciepło. Oznacza to, że część zastosowanej energii elektrycznej jest tracona w postaci ciepła, a nie światła. W zależności od procentu energii zużytej do wytworzenia światła lub ciepła, będzie to wydajność diody LED.
półprzewodniki organiczne
Ostatnio wdarli się również na rynek OLED lub organiczne diody elektroluminescencyjne, które były używane w wyświetlaczach. Te nowe diody organiczne składają się z materiału o charakterze organicznym, to jest półprzewodnika organicznego, w którym przewodnictwo jest dozwolone w części lub w całości cząsteczki organicznej.
Te materiały organiczne mogą być w fazie krystalicznej lub w cząsteczkach polimerowych. Ma to tę zaletę, że ma bardzo cienką strukturę, niski koszt, wymaga bardzo niskiego napięcia do działania, ma wysoką jasność oraz maksymalny kontrast i intensywność.
kolory diod
W przeciwieństwie do zwykłych diod półprzewodnikowych, diody LED emitują to światło dzięki zastosowanym związkom, o czym wspomniałem wcześniej. Normalne diody półprzewodnikowe są wykonane z krzemu lub germanu, ale diody elektroluminescencyjne mają związki takie jak:
- arsenku galu
- fosforek arsenku galu
- Węglik krzemu
- azotek indu i galu
Mieszanie tych materiałów może wytworzyć unikalną i inną długość fali, w celu uzyskania pożądanego koloru. Różne związki półprzewodnikowe emitują światło w określonych obszarach widma światła widzialnego, a zatem wytwarzają różne poziomy natężenia światła. Wybór materiału półprzewodnikowego użytego do produkcji diody LED określi długość fali emisji fotonów i wynikającą z tego barwę emitowanego światła.
Charakterystyka promieniowania
Charakterystykę promieniowania definiuje się jako kąt emisji światła względem powierzchni emitującej. Maksymalna ilość mocy, natężenia lub energii zostanie uzyskana w kierunku prostopadłym do powierzchni emitującej. Kąt emisji światła zależy od emitowanej barwy i zwykle waha się od około 80° do 110°. Oto tabela z różne kolory i materiały:
arsenku galu | |||
arsenek glinowo-galowy | |||
arsenek glinowo-galowy | |||
fosforek arsenku galu | |||
fosforek glinowo-galowo-indowy | |||
fosforek galu | |||
fosforek arsenku galu | |||
fosforek glinowo-galowo-indowy | |||
fosforek galu | |||
fosforek arsenku galu | |||
fosforek glinowo-galowo-indowy | |||
fosforek galu | |||
fosforek galu i indu | |||
fosforek glinowo-galowo-indowy | |||
fosforek glinowo-galowy | |||
azotek indu i galu | |||
selenek cynku | |||
azotek indu i galu | |||
Węglik krzemu | |||
krzem | |||
azotek indu i galu | |||
Podwójne niebieskie/czerwone diody LED* | |||
Niebieski z czerwonym fosforem | |||
Biały z fioletowym plastikiem | |||
Diament | |||
azotek boru | |||
azotek glinu | |||
azotek glinowo-galowy | |||
azotek glinowo-galowo-indowy | |||
niebieski z luminoforem | |||
Żółty z czerwonym, pomarańczowym lub różowym luminoforem | |||
Biały z różowym pigmentem | |||
Dioda niebieska/UV z żółtym luminoforem |
Kolor światła emitowanego przez diodę LED nie jest określony przez plastik w kolorze nadwozia który otacza diodę LED. To musi być bardzo jasne. Jak wspomniałem wcześniej, żywica epoksydowa służy zarówno do poprawy strumienia świetlnego, jak i do wskazania koloru, gdy dioda LED jest wyłączona.
Wielokolorowa dioda LED
Na rynku jest A szeroka gama dostępnych diod LED, o różnych kształtach, rozmiarach, kolorach, natężeniach światła wyjściowego itp. Trzeba jednak powiedzieć, że niekwestionowanym królem w swojej cenie jest czerwona dioda fosforowo-arsenkowo-galowa o średnicy 5mm. Jest najczęściej używany na świecie, więc jest produkowany w największej ilości.
Jednak, jak widzieliście, obecnie istnieje wiele różnych kolorów, a kilka kolorów jest nawet łączonych w celu uzyskania Wielokolorowa dioda LED jak ten, który zobaczymy w tej sekcji…
Dwa kolory
Dwukolorowa dioda LED, jak sama nazwa wskazuje, to a Dioda LED zdolna do emitowania w dwóch różnych kolorach. Osiąga się to poprzez połączenie dwóch różnych kolorowych diod LED w tym samym pakiecie. W ten sposób możesz zmieniać jeden kolor na inny. Na przykład, jak te diody LED, które widzisz na niektórych urządzeniach, aby wskazać stan naładowania baterii, które zmieniają kolor na czerwony podczas ładowania i zielony, gdy jest już naładowany.
Aby zbudować te diody LED są połączone równolegle, z anodą jednej diody LED podłączoną do katody innej diody LED i odwrotnie. W ten sposób, gdy do którejkolwiek z anod zostanie doprowadzone zasilanie, zaświeci się tylko jedna dioda LED, ta, która jest zasilana przez swoją anodę. Jeśli obie anody są zasilane w tym samym czasie, możliwe jest również włączenie obu jednocześnie za pomocą przełączania dynamicznego.
tricolor
Mamy też diody trójkolorowe, czyli tzw może emitować trzy różne kolory zamiast dwóch. Łączą one trzy diody LED ze wspólną katodą w tej samej obudowie, a aby świecić jednym lub dwoma kolorami, należy podłączyć katodę do masy. I prąd dostarczany przez anodę koloru, który chcesz kontrolować lub włączyć.
Oznacza to, że dla oświetlenia LED jedno lub dwukolorowego konieczne jest podłączenie tzw zasilanie dowolnej anody pojedynczo lub w tym samym czasie. Te trójkolorowe diody LED są również często używane w wielu urządzeniach, takich jak telefony komórkowe, do wskazywania powiadomień itp. Ponadto ten typ diody generuje dodatkowe odcienie kolorów podstawowych, włączając dwie diody LED przy różnych stosunkach prądu przewodzenia.
LED RGB
Zasadniczo jest to rodzaj trójkolorowej diody LED, w tym przypadku znanej jako RGB (czerwony zielony niebieski), ponieważ emituje te trzy kolory światła. Jak być może wiesz, stały się one bardzo popularne w kolorowych listwach ozdobnych i sprzęcie do gier. Jednak nawet jeśli masz kolory podstawowe, nie jest możliwe wygenerowanie wszystkich kolorów i odcieni. Niektóre kolory wykraczają poza trójkąt RGB, a kolory takie jak różowy, brązowy itp. są trudne do uzyskania w RGB.
Zalety i wady diod LED
Teraz nadszedł czas, aby zobaczyć, jakie są główne zalety i wady z tych diod LED:
Zaleta
- Mały rozmiar
- Niski koszt produkcji
- Długi okres przydatności do spożycia (nie topi się)*
- Wysoka efektywność energetyczna / niskie zużycie
- Niska temperatura / mniej emitowanego ciepła
- Elastyczność projektowania
- Mogą wytwarzać wiele różnych kolorów, a nawet światło białe.
- Wysoka prędkość przełączania
- duże natężenie światła
- Może być zaprojektowany tak, aby skupiał światło w jednym kierunku
- Są półprzewodnikowymi urządzeniami półprzewodnikowymi, więc są bardziej wytrzymałe: bardziej odporne na szok termiczny i wibracje
- Brak obecności promieni UV
Wady
- Zależność mocy wyjściowej promieniowania od temperatury otoczenia i długości fali diody LED.
- Wrażliwość na uszkodzenia spowodowane nadmiernym napięciem i/lub nadmiernym prądem.
- Teoretyczną ogólną wydajność osiąga się tylko w specjalnych warunkach zimnych lub pulsacyjnych.
aplikacje
Wreszcie, konieczne jest pokazanie, czym są możliwe zastosowania dla których przeznaczone są te kolorowe diody LED:
- do świateł samochodowych
- Oznakowanie: wskaźniki, znaki, sygnalizacja świetlna
- Wyświetlaj informacje wizualne na pulpitach nawigacyjnych
- Do wyświetlaczy, w których piksele składają się z diod LED
- Zastosowania medyczne
- Zabawki
- Oświetlenie
- Piloty (diody IR)
- Itp