Farebné LED diódy: ako získate rôzne farby?

Farebné LED diódy

undefined Farebné LED diódy Sprevádzajú nás posledné roky. Zakaždým, keď sa objavia nové odtiene LED, pretože to nebolo vo všetkých prípadoch ľahké. Pre zaujímavosť by ste napríklad mali vedieť, že biele svetlo LED a modré svetlo LED boli medzi poslednými, ktoré prišli na trh.

V súčasnosti sa nimi stali typ diódy nevyhnutné pre mnohé oblasti. Preto sa v tomto článku dozviete Všetko, čo potrebujete vedieť Na týchto základné elektronické komponentya o tom, prečo vyžarujú svetlo, prečo tie farby a oveľa viac...

Polovodičové zdroje vyžarujúce svetlo

LED dióda

Ako by ste mali vedieť, dva zdroje vyžarovania svetla, ktoré môžu pochádzať z polovodičových zariadení, sú Laserové diódy a LED diódy. Zatiaľ čo LED je založená na spontánnej emisii, lasery sú založené na stimulovanej emisii. To je rozdiel medzi nimi.

undefined diódy vyžarujúce svetlo (Light Emitting Diode) sú najbežnejším zdrojom svetla medzi elektronickými zariadeniami. Slúžia na ukazovanie času na digitálnych hodinkách, na signalizáciu chodu či nabitia batérie a pod. Aplikácií je veľa a teraz skočili aj do osvetlenia s novými LED žiarovkami na osvetlenie všetkých typov miestností a dokonca aj vozidiel.

Tieto LED zariadenia patria do skupiny opto-polovodiče, schopné premeniť elektrický prúd na svetlo. Toto osvetľovacie zariadenie má veľkú výhodu v odolnosti, keďže nevyhorí ako žiarovky a navyše je oveľa efektívnejšie, takže spotreba je oveľa nižšia ako u klasických žiaroviek. Navyše, ich výrobné náklady sú veľmi nízke, a preto sa stali tak populárnymi.

Ako každé iné polovodičové zariadenie, aj LED má základné hlavné prvky, ako napr P zóny s otvormi (+) a N zóny s elektrónmi (-), teda obvyklé nosiče náboja akéhokoľvek polovodiča. A toto robí:

  • Keď je strana P pripojená k zdroju napájania a strana N k zemi, spojenie je predpäté, čo umožňuje prúdenie prúdu cez diódu a vyžarovanie svetla, ktoré všetci vidíme.
  • Ak je strana P pripojená k zemi a strana N je pripojená k zdroju napájania, hovorí sa, že pripojenie je spätne predpäté, čo zabraňuje toku prúdu. Už viete, že diódy zabraňujú toku prúdu v jednom smere.
  • Pri doprednom predpätí sa P-strana a N-strana väčšinového a menšinového nosiča náboja navzájom kombinujú, čím sa neutralizujú nosiče náboja v ochudobňujúcej vrstve PN prechodu. A táto migrácia elektrónov a dier zase uvoľňuje určité množstvo fotónov, to znamená, že časť energie je emitovaná vo forme svetla s konštantnou (monochromatickou) vlnovou dĺžkou. To je to, čo bude charakterizovať farbu LED, pretože v závislosti od vlnovej dĺžky, ktorú vyžaruje, môže byť IR, modrá, žltá, zelená, žltá, jantárová, biela, červená, UV atď.
  • Vyžarovaná vlnová dĺžka elektromagnetického spektra, a teda aj farba, je určená polovodičovými materiálmi, ktoré tvoria PN prechod diódy. Polovodičové zlúčeniny sa preto môžu meniť alebo sa s nimi hrať, aby sa vytvorili nové farby v rámci spektra alebo viditeľného rozsahu.

Treba povedať, že farby červená, modrá a zelená (RGB alebo Red Green Blue) sa dajú ľahko kombinovať, aby produkujú biele svetlo. Na druhej strane treba povedať, že v závislosti od farby sa mení aj pracovné napätie LED. Napríklad farby červená, zelená, jantárová a žltá potrebujú na fungovanie asi 1.8 voltu. A je to tak, že rozsah pracovného napätia svetelnej diódy možno určiť podľa prierazného napätia polovodičového materiálu použitého na výrobu LED.

Typy LED

laserová dióda

LED diódy môžu byť klasifikované niekoľkými spôsobmi, jedným z hlavných je to urobiť podľa vlnovej dĺžky, ktorú vyžarujú, opúšťať dve kategórie:

  •  viditeľné LED diódy: sú tie, ktoré vyžarujú vlnové dĺžky v rámci viditeľného spektra, to znamená medzi 400 nm a 750 nm. Tento rozsah je to, čo ľudské oko vidí, rovnako ako vo zvukovom poli počujeme len medzi 20 Hz a 20 Khz. Pod 20 Hz je infrazvuk, ktorý nepočujeme, a nad 20 kHz je ultrazvuk, ktorý tiež nedokážeme zachytiť. Niečo podobné sa deje v prípade svetla, ktoré má infračervené alebo IR, keď ide pod 400 nm a ultrafialové svetlo, keď ide nad 750 nm. Obe pre ľudské oko neviditeľné.
  •  neviditeľné LED diódy: sú tie vlnové dĺžky, ktoré nevidíme, ako je to v prípade IR diódy alebo UV diódy.

Viditeľné LED diódy sa používajú najmä na osvetlenie alebo signalizáciu. Neviditeľné LED diódy sa používajú v aplikáciách vrátane optických prepínačov, optickej komunikácie a analýzy atď. s použitím foto senzorov.

efektívnosť

Ako dobre viete, LED osvetlenie je veľa efektívnejšie ako konvenčné, takže spotrebuje oveľa menej energie. Je to spôsobené povahou LED diód. A v nasledujúcej tabuľke môžete vidieť vzťah medzi svetelným tokom a elektrickým príkonom dodávaným do LED. To znamená, že môže byť vyjadrený v lúmenoch na watt (lm/W):

Farba
Vlnová dĺžka (nm)
Typická účinnosť (lm/W)
Typická účinnosť (w/w)
Červený
620 - 645
72
0.39
Zelený
520 - 550
93
0.15
Azul
460 - 490
37
0.35
Cian
490 - 520
75
0.26
naranja
610 - 620
98
0.29

Konštrukcia LED

Výroba LED

Zdroj: ResearchGate

La štruktúra a konštrukcia diód vyžarujúcich svetlo sa veľmi líšia od tých, ktoré majú bežné diódy, ako je zener atď. Svetlo bude vyžarovať LED, keď je jej PN prechod predpätý. PN prechod je pokrytý pevnou epoxidovou živicou a priehľadnou plastovou polguľovou kupolou, ktorá chráni vnútro LED pred atmosférickými poruchami, vibráciami a tepelnými šokmi.

PN prechod je vytvorený pomocou materiály zlúčeniny so spodným pásmom, ako je arzenid gália, fosfid arzenidu gália, fosfid gália, nitrid indium-gália, nitrid gálium-hlinitý, karbid kremíka atď. Napríklad červené LED diódy sú postavené na substráte arzenidu gália, zelené, žlté a oranžové na fosfide gália atď. U červených je vrstva typu N dotovaná telúrom (Te) a vrstva P je dotovaná zinkom (Zn). Na druhej strane sú kontaktné vrstvy vytvorené pomocou hliníka na strane P a cínu-hliníka na strane N.

Tiež by ste mali vedieť, že tieto križovatky nevyžarujú veľa svetla, takže kupola z epoxidovej živice je konštruovaný tak, že fotóny svetla vyžarované PN prechodom sa cez neho najlepšie odrážajú a zaostrujú. To znamená, že pôsobí nielen ako chránič, ale aj ako šošovka koncentrujúca svetlo. To je dôvod, prečo sa vyžarované svetlo javí ako jasnejšie v hornej časti LED.

LED diódy sú navrhnuté tak, aby zabezpečili, že väčšina rekombinácií nosičov náboja prebieha na povrchu PN prechodu zo zrejmých dôvodov, a to sa dosiahne týmto spôsobom:

  • Zvýšením dopingovej koncentrácie substrátu sa ďalšie menšinové elektróny nosiča náboja presunú do hornej časti štruktúry, rekombinujú sa a vyžarujú svetlo na povrchu LED.
  • Zväčšením difúznej dĺžky nosičov náboja, to znamená L = √ Dτ, kde D je koeficient difúzie a τ je životnosť nosiča náboja. Keď sa zvýši nad kritickú hodnotu, existuje možnosť reabsorpcie uvoľnených fotónov v zariadení.

Keď je teda LED dióda pripojená s predpätím, nákladných dopravcov získavajú dostatok energie na prekonanie existujúcej potenciálovej bariéry na PN prechode. Menšinové nosiče náboja v polovodiči typu P aj N sa vstrekujú cez spoj a rekombinujú sa s väčšinovými nosičmi. Kombinácia väčšinových a menšinových nosičov môže byť dvoma spôsobmi:

  • radiačný: keď sa svetlo vyžaruje počas rekombinácie.
  • nie radiačný: počas rekombinácie sa nevyžaruje žiadne svetlo, vzniká teplo. To znamená, že časť použitej elektrickej energie sa stráca vo forme tepla a nie svetla. V závislosti od percenta energie použitej na generovanie svetla alebo tepla to bude účinnosť LED.

organické polovodiče

Nedávno prerazili aj na trh OLED alebo organické diódy vyžarujúce svetlo, ktoré sa používali na displeje. Tieto nové organické diódy sú zložené z materiálu organickej povahy, to znamená organického polovodiča, kde je vodivosť umožnená v časti alebo v celej organickej molekule.

Tieto organické materiály môžu byť v kryštalickej fáze alebo v polymérnych molekulách. To má tú výhodu, že majú veľmi tenkú štruktúru, nízku cenu, potrebujú veľmi nízke napätie na prevádzku, majú vysoký jas a maximálny kontrast a intenzitu.

Farby LED

Farebné LED diódy

Na rozdiel od bežných polovodičových diód LED vyžarujú toto svetlo vďaka zlúčeninám, ktoré používajú, ako som už spomenul. Normálne polovodičové diódy sú vyrobené z kremíka alebo germánia, ale diódy vyžarujúce svetlo majú zlúčeniny ako napríklad:

  • arzenid gália
  • fosfid arzenidu gália
  • Karbid kremíka
  • nitrid india a gália

Zmiešaním týchto materiálov je možné vytvoriť jedinečnú a odlišnú vlnovú dĺžku, aby sa dosiahla požadovaná farba. Rôzne polovodičové zlúčeniny vyžarujú svetlo v definovaných oblastiach spektra viditeľného svetla, a preto vytvárajú rôzne úrovne intenzity svetla. Výber polovodičového materiálu použitého pri výrobe LED určí vlnovú dĺžku emisií fotónov a výslednú farbu vyžarovaného svetla.

Vzor žiarenia

Vzor žiarenia je definovaný ako uhol vyžarovania svetla vzhľadom na vyžarujúci povrch. Maximálne množstvo výkonu, intenzity alebo energie sa získa v smere kolmom na vyžarujúci povrch. Uhol vyžarovania svetla závisí od vyžarovanej farby a zvyčajne sa pohybuje medzi približne 80° a 110°. Tu je tabuľka s rôzne farby a materiály:

Farba
Vlnová dĺžka (nm)
Pokles napätia (V)
polovodičové materiály
Infračervené
> 760
arzenid gália
arzenid hlinitý a gálium
Červený
610 - 760
1.6 - 2.0
arzenid hlinitý a gálium
fosfid arzenidu gália
fosfid hlinitý, gálium a indium
fosfid gália
naranja
590 - 610
2.0 - 2.1
fosfid arzenidu gália
fosfid hlinitý, gálium a indium
fosfid gália
Amarillo
570 - 590
2.1 - 2.2
fosfid arzenidu gália
fosfid hlinitý, gálium a indium
fosfid gália
Zelený
500 - 570
1.9 - 4.0
fosfid gália a india
fosfid hlinitý, gálium a indium
fosfid hlinitý a gálium
nitrid india a gália
Azul
450 - 500
2.5 - 3.7
selenid zinočnatý
nitrid india a gália
Karbid kremíka
kremík
Violeta
400 - 450
2.8 - 4.0
nitrid india a gália
nachový
viac typov
2.4 - 3.7
Dvojité modré/červené LED*
Modrá s červeným fosforom
Biela s fialovým plastom
ultrafialový
<400
3.1 - 4.4
Diamant
nitrid bóru
nitrid hliníka
nitrid hliníka a gália
nitrid hliníka a gália a india
Rosa
viac typov
3.3
modrá s fosforom
Žltá s červeným, oranžovým alebo ružovým fosforom
Biela s ružovým pigmentom
Blanco
Rozšírené spektrum
3.5
Modrá/UV dióda so žltým fosforom

Farba svetla vyžarovaného LED diódou nie je určená plastová farba tela ktorá obklopuje LED. Toto musí byť veľmi jasné. Ako som už spomenul, epoxidová živica sa používa na zlepšenie svetelného výkonu a na označenie farby, keď je LED dióda vypnutá.

V posledných rokoch boli vyvinuté aj modré a biele LED, ktoré sú však drahšie ako štandardné farebné LED z dôvodu výrobných nákladov na miešanie dvoch alebo viacerých doplnkových farieb v presnom pomere v rámci polovodičovej zlúčeniny.

LED viacfarebná

Na trhu existuje a široká škála dostupných LED diód, s rôznymi tvarmi, veľkosťami, farbami, intenzitou výstupného svetla atď. Treba však povedať, že neohrozeným kráľom za svoju cenu je gálium arzenid fosfidová červená LED s priemerom 5 mm. Ten je najpoužívanejší na svete, preto sa vyrába v najväčšom množstve.

Ako ste však videli, v súčasnosti existuje veľa rôznych farieb a niekoľko farieb sa dokonca kombinuje na výrobu a LED viacfarebná ako ten, ktorý uvidíme v tejto časti...

bicolor

Dvojfarebná LED, ako už jej názov napovedá, je a LED schopná vyžarovať v dvoch rôznych farbách. To sa dosiahne kombináciou dvoch rôznych farebných LED diód v rovnakom balení. Týmto spôsobom môžete prechádzať z jednej farby na druhú. Napríklad tie LED, ktoré vidíte na niektorých zariadeniach, ktoré indikujú stav nabitia batérie, ktoré sa rozsvietia na červeno, keď sa nabíja, a na zeleno, keď už je nabitá.

S cieľom postaviť tieto LED diódy sú zapojené paralelne, pričom anóda jednej LED je pripojená ku katóde druhej LED a naopak. Týmto spôsobom, keď sa na niektorú z anód privádza energia, rozsvieti sa iba jedna LED dióda, tá, ktorá prijíma energiu cez svoju anódu. Ak sú obe anódy napájané súčasne, je tiež možné zapnúť obe súčasne s dynamickým spínaním.

trikolóra

Máme aj trojfarebné LED diódy, teda oni môže vyžarovať tri rôzne farby namiesto dvoch. Tie kombinujú tri LED diódy so spoločnou katódou v rovnakom balení a na rozsvietenie jednej alebo dvoch farieb je potrebné pripojiť katódu k zemi. A prúd dodávaný anódou farby, ktorú chcete ovládať alebo zapnúť.

To znamená, že pre jedno alebo dvojfarebné LED osvetlenie je potrebné pripojiť napájanie jednej anódy jednotlivo alebo súčasne. Tieto trojfarebné LED diódy sa tiež často používajú v mnohých zariadeniach, ako sú mobilné telefóny, na indikáciu upozornení atď. Tento typ diódy tiež generuje ďalšie odtiene primárnych farieb zapnutím dvoch LED diód pri rôznych pomeroch dopredného prúdu.

RGB LED

Ide v podstate o typ trojfarebnej LED, v tomto prípade známej ako RGB (červená zelená modrá), pretože vyžaruje tieto tri farebné svetlá. Ako možno viete, stali sa veľmi populárnymi vo farebných ozdobných lištách a hernom vybavení. Aj keď máte základné farby, nie je možné vygenerovať všetky farby a odtiene. Niektoré farby nepatria do trojuholníka RGB a farby ako ružová, hnedá atď. je ťažké nájsť v RGB.

LED výhody a nevýhody

LED

Teraz je čas zistiť, ktoré sú hlavné výhody a nevýhody z týchto LED diód:

Výhoda

  • Malá veľkosť
  • Nízke výrobné náklady
  • Dlhá trvanlivosť (neroztopí sa)*
  • Vysoká energetická účinnosť / nízka spotreba
  • Nízka teplota / menej vyžarovaného tepla
  • Flexibilita dizajnu
  • Môžu produkovať veľa rôznych farieb a dokonca aj biele svetlo.
  • Vysoká rýchlosť spínania
  • vysoká intenzita svetla
  • Môže byť navrhnutý tak, aby zaostroval svetlo jedným smerom
  • Sú to polovodičové zariadenia v pevnej fáze, takže sú robustnejšie: odolnejšie voči tepelným šokom a vibráciám
  • Žiadna prítomnosť UV lúčov
*Vedeli ste, že LED žiarovky môžu byť večné? Občas sa rozbijú a treba ich vymeniť, ale pravdou je, že LED je stále neporušená, rozbije sa kondenzátor, ktorý majú tieto žiarovky vo vnútri...

Nevýhody

  • Závislosť vyžarovaného výstupného výkonu a vlnovej dĺžky LED od okolitej teploty.
  • Citlivosť na poškodenie v dôsledku nadmerného napätia a/alebo nadmerného prúdu.
  • Teoretická celková účinnosť je dosiahnutá len za špeciálnych studených alebo pulzných podmienok.

aplikácie

Žiarovka

V neposlednom rade je potrebné ukázať, aké sú možné aplikácie pre ktoré sú tieto farebné LED diódy určené:

  • pre svetlá vozidiel
  • Značenie: ukazovatele, značky, semafory
  • Zobrazujte vizuálne informácie na prístrojových doskách
  • Pre displeje, kde sú pixely tvorené LED diódami
  • Lekárske aplikácie
  • hračky
  • Iluminación
  • Diaľkové ovládače (IR LED)
  • atď.

Buďte prvý komentár

Zanechajte svoj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Povinné položky sú označené *

*

*

  1. Zodpovedný za údaje: Miguel Ángel Gatón
  2. Účel údajov: Kontrolný SPAM, správa komentárov.
  3. Legitimácia: Váš súhlas
  4. Oznamovanie údajov: Údaje nebudú poskytnuté tretím stranám, iba ak to vyplýva zo zákona.
  5. Ukladanie dát: Databáza hostená spoločnosťou Occentus Networks (EU)
  6. Práva: Svoje údaje môžete kedykoľvek obmedziť, obnoviť a vymazať.