LED-uri colorate: cum obțineți diferitele culori?

L LED-uri colorate Ne-au însoțit în ultimii ani. De fiecare dată când apar noi nuanțe de LED-uri, deoarece nu a fost ușor în toate cazurile. De exemplu, ca o curiozitate, trebuie să știți că LED-urile cu lumină albă și LED-urile cu lumină albastră au fost printre ultimele care au ajuns pe piață.

În prezent, au devenit un tip de diodă esenţial pentru multe domenii. Prin urmare, în acest articol veți învăța Tot ce trebuie să știți Pe acestea componente electronice de bază, și despre de ce emit lumină, de ce acele culori și multe altele...

Surse emițătoare de lumină semiconductoare

După cum ar trebui să știți, cele două surse de emisie de lumină care pot proveni de la dispozitivele semiconductoare sunt Diode laser și diode LED. În timp ce LED-ul se bazează pe emisie spontană, laserele se bazează pe emisie stimulată. Asta este diferența dintre cele două.

L diode emițătoare de lumină (diode emițătoare de lumină) sunt cea mai comună sursă de lumină printre echipamentele electronice. Sunt folosite pentru a afișa ora la ceasurile digitale, pentru a semnala funcționarea sau încărcarea bateriei etc. Aplicațiile sunt multe, iar acum au sărit și în iluminat cu noile becuri LED pentru a ilumina toate tipurile de încăperi și chiar și pentru vehicule.

Aceste dispozitive LED aparțin grupului de opto-conductori, capabil să transforme un curent electric în lumină. Acest dispozitiv de iluminat are marele avantaj de a fi durabil, deoarece nu se ard ca becurile, și este, de asemenea, mult mai eficient, astfel că consumul este mult mai mic decât becurile convenționale. În plus, costul lor de fabricație este foarte mic, motiv pentru care au devenit atât de populari.

Ca orice alt dispozitiv semiconductor, LED-ul are elementele principale de bază, cum ar fi P zone cu găuri (+) și N zone cu electroni (-), adică purtătorii de sarcină obișnuiți ai oricărui semiconductor. Și asta face:

• Când partea P este conectată la o sursă de alimentare și partea N la masă, conexiunea este polarizată direct, permițând curentului să curgă prin diodă și emițând lumină pe care o putem vedea cu toții.
• Dacă partea P este conectată la masă și partea N este conectată la sursa de alimentare, se spune că conexiunea este polarizată invers, ceea ce împiedică fluxul de curent. Știți deja că diodele împiedică trecerea curentului într-o direcție.
• Când sunt polarizați direct, purtătorii de sarcină majoritari și minoritari de pe latura P și N se combină între ei, neutralizând purtătorii de sarcină în stratul de epuizare al joncțiunii PN. Și, la rândul său, această migrare a electronilor și a găurilor eliberează o anumită cantitate de fotoni, adică o parte din energie este emisă sub formă de lumină, cu o lungime de undă constantă (monocromatică). Acesta este ceea ce va caracteriza culoarea LED-ului, deoarece in functie de lungimea de unda pe care o emite poate fi IR, albastru, galben, verde, galben, chihlimbar, alb, rosu, UV etc.
• Lungimea de undă emisă a spectrului electromagnetic și, prin urmare, culoarea, este determinată de materialele semiconductoare care formează joncțiunea PN a diodei. Prin urmare, compușii semiconductori pot fi variați sau jucați pentru a crea noi culori în spectrul sau domeniul vizibil.

Trebuie spus că culorile roșu, albastru și verde (RGB sau Red Green Blue) pot fi ușor combinate pentru a putea produce lumină albă. Pe de altă parte, trebuie spus că și tensiunea de lucru a LED-urilor variază în funcție de culoare. De exemplu, culorile roșu, verde, chihlimbar și galben au nevoie de aproximativ 1.8 volți pentru a funcționa. Și este că domeniul de tensiune de lucru al diodei emițătoare de lumină poate fi determinat în funcție de tensiunea de rupere a materialului semiconductor utilizat pentru fabricarea LED-ului.

Tipuri de LED-uri

LED-urile pot fi clasificate în mai multe moduri, unul dintre principalele fiind să o facă în funcție de lungimea de undă pe care o emit, lăsând două categorii:

•  LED-uri vizibile: sunt cele care emit lungimi de undă în spectrul vizibil, adică între 400nm și 750nm. Acest interval este ceea ce ochiul uman poate vedea, la fel cum în câmpul sonor putem auzi doar între 20 Hz și 20 Khz. Sub 20 Hz sunt infrasunetele pe care nu le putem auzi, iar peste 20 Khz sunt ultrasunetele pe care nici nu le putem capta. Ceva asemanator se intampla si in cazul luminii, avand infrarosu sau IR cand scade sub 400 nm si lumina ultravioleta cand trece peste 750 nm. Ambele invizibile pentru ochiul uman.
•  LED-uri invizibile: sunt acele lungimi de undă pe care nu le putem vedea, așa cum este cazul unei diode IR sau unei diode UV.

LED-urile vizibile sunt folosite în principal pentru iluminare sau semnalizare. LED-urile invizibile sunt utilizate în aplicații, inclusiv întrerupătoare optice, comunicații optice și analize, etc., cu utilizarea senzorilor foto.

eficiență

După cum bine știți, iluminarea cu LED este mult mai eficient decât convențional, deci consumă mult mai puțină energie. Acest lucru se datorează naturii LED-urilor. Și în tabelul următor puteți vedea relația dintre fluxul luminos și puterea electrică de intrare furnizată LED-ului. Adică, poate fi exprimat în lumeni pe watt (lm/W):

Construcție LED

Sursa: ResearchGate

La structura și construcția diodelor emițătoare de lumină sunt foarte diferite de cele ale unei diode normale, cum ar fi un zener etc. Lumina va fi emisă de LED atunci când joncțiunea sa PN este polarizată înainte. Joncțiunea PN este acoperită de o rășină epoxidică solidă și cupolă semisferică din plastic transparent care protejează interiorul LED-ului de perturbații atmosferice, vibrații și șocuri termice.

Joncțiunea PN se formează folosind materialele compuși cu bandgap inferioară, cum ar fi arseniura de galiu, fosfură de arseniură de galiu, fosfură de galiu, nitrură de indiu galiu, nitrură de galiu aluminiu, carbură de siliciu etc. De exemplu, LED-urile roșii sunt construite pe substrat de arseniură de galiu, verde, galben și portocaliu pe fosfură de galiu etc. La roșii, stratul de tip N este dopat cu telur (Te), iar stratul P este dopat cu zinc (Zn). Pe de altă parte, straturile de contact sunt formate folosind aluminiu pe partea P și staniu-aluminiu pe partea N.

De asemenea, trebuie să știți că aceste joncțiuni nu emit multă lumină, deci dom din rasina epoxidica este construit în așa fel încât fotonii de lumină emiși de joncțiunea PN să fie cel mai bine reflectați și focalizați prin ea. Adică nu acționează doar ca un protector, ci și ca o lentilă de concentrare a luminii. Acesta este motivul pentru care lumina emisă pare a fi mai strălucitoare în partea de sus a LED-ului.

LED-urile sunt proiectate pentru a se asigura că cea mai mare parte a recombinării purtătorilor de sarcină are loc la suprafața joncțiunii PN din motive evidente, iar acest lucru se realizează astfel:

• Prin creșterea concentrației de dopaj a substratului, electronii minoritari suplimentari purtători de sarcină se deplasează în partea de sus a structurii, se recombină și emit lumină pe suprafața LED-ului.
• Prin creșterea lungimii de difuzie a purtătorilor de sarcină, adică L = √ Dτ, unde D este coeficientul de difuzie și τ este durata de viață a purtătorului de sarcină. Când este crescută peste valoarea critică, va exista posibilitatea reabsorbției fotonilor eliberați în dispozitiv.

Astfel, atunci când dioda LED este conectată cu polarizare directă, transportatori de marfă aceștia dobândesc suficientă energie pentru a depăși bariera potențială existentă la joncțiunea PN. Purtătorii de sarcină minoritari atât în ​​semiconductorul de tip P, cât și în cel de tip N sunt injectați peste joncțiune și se recombină cu purtătorii majoritari. Combinația de operatori majoritari și minoritari poate fi în două moduri:

• radiativ: când lumina este emisă în timpul recombinării.
• nu radiativ: în timpul recombinării nu se emite lumină, se produce căldură. Adică, o parte din energia electrică aplicată se pierde sub formă de căldură și nu sub formă de lumină. În funcție de procentul de energie folosit pentru a genera lumină sau căldură, aceasta va fi eficiența LED-ului.

semiconductori organici

Recent, au pătruns și pe piață OLED sau diode organice emițătoare de lumină, care au fost folosite pentru afișaje. Aceste noi diode organice sunt compuse dintr-un material de natură organică, adică un semiconductor organic, unde conducția este permisă în parte sau în toată molecula organică.

Aceste materiale organice pot fi în fază cristalină sau în molecule polimerice. Acest lucru are avantajul de a avea o structură foarte subțire, costuri reduse, au nevoie de tensiune foarte scăzută pentru a funcționa, au luminozitate mare, și contrast și intensitate maxime.

Culori LED

Spre deosebire de diodele semiconductoare normale, LED-urile emit acea lumină datorită compușilor pe care îi folosesc, așa cum am menționat mai devreme. Diodele semiconductoare normale sunt fabricate din siliciu sau germaniu, dar diodele emițătoare de lumină au compuși cum ar fi:

• arseniura de galiu
• fosfură de arseniură de galiu
• Carbură de siliciu
• nitrură de indiu galiu

Amestecarea acestor materiale poate produce o lungime de undă unică și diferită, pentru a obține culoarea dorită. Diferiți compuși semiconductori emit lumină în regiuni definite ale spectrului luminii vizibile și, prin urmare, produc niveluri diferite de intensitate a luminii. Alegerea materialului semiconductor utilizat la fabricarea LED-ului va determina lungimea de undă a emisiilor de fotoni și culoarea rezultată a luminii emise.

Modelul de radiații

Modelul de radiație este definit ca unghiul de emisie a luminii față de suprafața emitentă. Cantitatea maximă de putere, intensitate sau energie se va obține în direcția perpendiculară pe suprafața emitentă. Unghiul de emisie a luminii depinde de culoarea emisă și variază de obicei între aproximativ 80° și 110°. Iată un tabel cu diferite culori si materiale:

Culoarea luminii emise de un LED nu este determinată de culoarea caroseriei din plastic care cuprinde LED-ul. Acest lucru trebuie să fie foarte clar. După cum am menționat mai devreme, rășina epoxidică este folosită atât pentru a îmbunătăți puterea de lumină, cât și pentru a indica culoarea când LED-ul este stins.

LED-uri multicolore

Pe piata exista un mare varietate de LED-uri disponibile, cu diferite forme, dimensiuni, culori, intensități luminoase de ieșire etc. Totuși, trebuie spus că regele de necontestat pentru prețul său este LED-ul roșu fosfurat de arseniură de galiu, cu diametrul de 5mm. Acesta este cel mai folosit din lume, deci este cel care este fabricat în cea mai mare cantitate.

Cu toate acestea, după cum ați văzut, în prezent există multe culori diferite și mai multe culori sunt chiar combinate pentru a produce un LED-uri multicolore ca cel pe care îl vom vedea în această secțiune...

Două culori

Un LED bicolor, după cum sugerează și numele, este un LED capabil să emită în două culori diferite. Acest lucru se realizează prin combinarea a două LED-uri de culori diferite în același pachet. În acest fel, puteți schimba de la o culoare la alta. De exemplu, cum ar fi acele LED-uri pe care le vedeți pe unele dispozitive pentru a indica starea de încărcare a bateriei, care devin roșii când se încarcă și verzi când s-a încărcat deja.

Pentru a construi aceste LED-uri sunt conectate în paralel, cu anodul unui LED conectat la catodul altui LED și invers. În acest fel, când se alimentează cu energie oricare dintre anozi, se va aprinde un singur LED, cel care primește putere prin anodul său. Dacă ambii anozi sunt alimentați în același timp, este, de asemenea, posibil să le porniți pe ambii în același timp cu comutare dinamică.

Tricolor

Avem și LED-uri tricolore, adică ei poate emite trei culori diferite în loc de două. Acestea combină trei LED-uri cu un catod comun în același pachet, iar pentru a aprinde una sau două culori, trebuie să conectați catodul la masă. Și curentul furnizat de anodul culorii pe care doriți să o controlați sau să o porniți.

Adică, pentru iluminarea LED cu una sau două culori, este necesar să conectați sursa de alimentare la oricare anod individual sau în același timp. Aceste LED-uri tricolore sunt adesea folosite într-o multitudine de dispozitive, precum telefoanele mobile, pentru a indica notificări etc. De asemenea, acest tip de diodă generează nuanțe suplimentare ale culorilor primare prin aprinderea celor două LED-uri la rapoarte diferite de curent direct.

RGB LED

Practic este un tip de LED tricolor, în acest caz cunoscut sub numele RGB (roșu verde albastru), deoarece emite acele lumini de trei culori. Acestea au devenit foarte populare în benzile de ornamente colorate și echipamentele de joc, după cum probabil știți. Cu toate acestea, chiar dacă aveți culorile primare, nu este posibil să generați toate culorile și nuanțele. Unele culori se încadrează în afara triunghiului RGB, iar culori precum roz, maro etc. sunt greu de găsit cu RGB.

Avantaje și dezavantaje LED

Acum este timpul să vedem care sunt principalele avantaje și dezavantaje dintre aceste diode LED:

Avantaj

• Dimensiuni mici
• Cost redus de producție
• Durată lungă de valabilitate (nu se topește)*
• Eficiență energetică ridicată / consum redus
• Temperatură scăzută / căldură radiată mai puțin
• Flexibilitatea designului
• Ele pot produce multe culori diferite și chiar lumină albă.
• Viteză mare de comutare
• intensitate luminoasă ridicată
• Poate fi proiectat pentru a focaliza lumina într-o singură direcție
• Sunt dispozitive semiconductoare în stare solidă, deci sunt mai robuste: mai rezistente la șocuri termice și vibrații
• Fara prezenta razelor UV

Dezavantaje

• Dependența de temperatura ambiantă a puterii de ieșire radiantă și a lungimii de undă a LED-ului.
• Sensibilitate la daune din cauza tensiunii excesive și/sau a curentului excesiv.
• Eficiența generală teoretică este atinsă numai în condiții speciale de frig sau puls.

aplicatii

Nu în ultimul rând, este necesar să arătăm care sunt aplicatii posibile pentru care sunt destinate aceste LED-uri colorate:

• pentru luminile vehiculelor
• Semnalizare: indicatoare, indicatoare, semafoare
• Afișați informații vizuale pe tablouri de bord
• Pentru afișaje în care pixelii sunt formați din LED-uri
• Aplicații medicale
• Jucării
• Iluminat
• Telecomenzi (LED-uri IR)
• etc