ЛЕД диоде у боји: како добијате различите боје?

Л Колор ЛЕД Прате нас последњих година. Сваки пут када се појаве нове нијансе ЛЕД диода, јер није било лако у свим случајевима. На пример, као куриозитет, требало би да знате да су ЛЕД беле и плаве светлеће ЛЕД диоде међу последњима које су стигле на тржиште.

Тренутно су постали врста диоде неопходан за многе области. Стога ћете у овом чланку научити Све што треба да знате На њих основне електронске компоненте, и о томе зашто емитују светлост, зашто те боје и још много тога...

Полупроводнички извори светлости

Као што треба да знате, два извора емисије светлости која могу доћи из полупроводничких уређаја су Ласерске диоде и ЛЕД диоде. Док је ЛЕД заснована на спонтаној емисији, ласери су засновани на стимулисаној емисији. То је разлика између њих двоје.

Л светлеће диоде (Лигхт Емиттинг Диоде) они су најчешћи извор светлости међу електронском опремом. Користе се за приказ времена на дигиталним сатовима, за сигнализацију рада или пуњења батерије итд. Примене су бројне, а сада су ускочиле и у осветљење са новим ЛЕД сијалицама за осветљавање свих врста просторија, па чак и за возила.

Ови ЛЕД уређаји спадају у групу опто-полупроводници, способан да претвори електричну струју у светлост. Овај расветни уређај има велику предност што је издржљив, јер не гори као сијалице, а такође је и много ефикаснији, па је потрошња знатно мања од конвенционалних сијалица. Поред тога, цена њихове производње је веома ниска, због чега су постали толико популарни.

Као и сваки други полупроводнички уређај, ЛЕД има основне главне елементе, као што су П зоне са рупама (+) и Н зоне са електронима (-), односно уобичајени носиоци наелектрисања било ког полупроводника. А ово чини:

• Када је П страна повезана са напајањем, а Н страна са уземљењем, веза је пристрасна, омогућавајући струји да тече кроз диоду и емитује светлост коју сви можемо да видимо.
• Ако је П страна повезана са уземљењем, а Н страна повезана са напајањем, каже се да је веза обрнуто пристрасна, што спречава проток струје. Већ знате да диоде спречавају проток струје у једном правцу.
• Када су нагнути унапред, већински и мањински носиоци набоја на П-страни и Н-страни се комбинују једни са другима, неутралишући носиоце наелектрисања у слоју исцрпљивања ПН споја. А, заузврат, ова миграција електрона и рупа ослобађа одређену количину фотона, односно део енергије се емитује у облику светлости, са константном (монохроматском) таласном дужином. То је оно што ће карактерисати боју ЛЕД-а, јер у зависности од таласне дужине коју емитује може бити ИР, плава, жута, зелена, жута, жута, бела, црвена, УВ итд.
• Емитована таласна дужина електромагнетног спектра, а самим тим и боја, одређују полупроводнички материјали који формирају ПН спој диоде. Због тога се полупроводничка једињења могу мењати или играти са њима како би се створиле нове боје унутар спектра или видљивог опсега.

Мора се рећи да се боје црвена, плава и зелена (РГБ или Ред Греен Блуе) могу лако комбиновати да би се производе бело светло. С друге стране, мора се рећи да радни напон ЛЕД диода такође варира у зависности од боје. На пример, црвена, зелена, ћилибарна и жута боје требају око 1.8 волти да раде. А то је да се опсег радног напона светлеће диоде може одредити према пробојном напону полупроводничког материјала који се користи за производњу ЛЕД диоде.

ЛЕД типови

ЛЕД диоде се могу класификовати на неколико начина, један од главних је да се то уради према таласној дужини коју емитују, остављајући две категорије:

•  видљиве ЛЕД диоде: су они који емитују таласне дужине унутар видљивог спектра, односно између 400нм и 750нм. Овај опсег је оно што људско око може да види, баш као што у звучном пољу можемо чути само између 20 Хз и 20 Кхз. Испод 20 Хз је инфразвук који не можемо да чујемо, а изнад 20 кХз је ултразвук који ни ми не можемо да ухватимо. Нешто слично се дешава у случају светлости, која има инфрацрвену или ИР када је испод 400 нм и ултраљубичасто светло када је изнад 750 нм. И једно и друго невидљиво људском оку.
•  невидљиве ЛЕД диоде: су оне таласне дужине које не можемо да видимо, као што је случај са ИР диодом или УВ диодом.

Видљиве ЛЕД диоде се углавном користе за осветљење или сигнализацију. Невидљиве ЛЕД диоде се користе у апликацијама укључујући оптичке прекидаче, оптичку комуникацију и анализу, итд., уз употребу фото сензора.

Ефикасност

Као што добро знате, ЛЕД осветљење је много ефикасније него конвенционални, тако да троши много мање енергије. Ово је због природе ЛЕД диода. А у следећој табели можете видети однос између светлосног тока и електричне улазне снаге која се испоручује на ЛЕД. То јест, може се изразити у луменима по вату (лм/В):

ЛЕД конструкција

Извор: РесеарцхГате

La структура и конструкција диода које емитују светлост се веома разликују од оних код нормалних диода, као што је зенер итд. Светлост ће се емитовати из ЛЕД-а када је његов ПН спој нагнут напред. ПН спој је прекривен чврстом епоксидном смолом и провидном пластичном хемисферичном куполом која штити унутрашњост ЛЕД диоде од атмосферских сметњи, вибрација и топлотних удара.

ПН спој се формира помоћу материјали једињења са нижим размаком као што су галијум-арсенид, галијум-арсенид-фосфид, галијум-фосфид, индијум-галијум-нитрид, галијум-алуминијум-нитрид, силицијум-карбид итд. На пример, црвене ЛЕД диоде су изграђене на супстрату галијум арсенида, зелене, жуте и наранџасте на галијум фосфиду итд. Код црвених, слој Н-типа је допиран телуром (Те), а П слој је допиран цинком (Зн). Са друге стране, контактни слојеви се формирају коришћењем алуминијума на страни П и калај-алуминијума на страни Н.

Такође, треба да знате да ови спојеви не емитују много светлости, тако да купола од епоксидне смоле конструисан је тако да се фотони светлости које емитује ПН спој најбоље рефлектују и фокусирају кроз њега. То јест, не само да делује као заштитник, већ и као сочиво за концентрисање светлости. То је разлог зашто емитовано светло изгледа светлије на врху ЛЕД диоде.

ЛЕД диоде су дизајниране да обезбеде да највећи део рекомбинације носилаца наелектрисања одвија се на површини ПН споја из очигледних разлога, а то се постиже на овај начин:

• Повећањем концентрације допинга супстрата, додатни електрони мањинског носиоца наелектрисања се померају до врха структуре, рекомбинују и емитују светлост на површини ЛЕД-а.
• Повећањем дифузионе дужине носилаца наелектрисања, односно Л = √ Дτ, где је Д коефицијент дифузије, а τ животни век носиоца наелектрисања. Када се повећа изнад критичне вредности, постојаће могућност реапсорпције ослобођених фотона у уређају.

Дакле, када је ЛЕД диода повезана са преднагибом, превозници терета добијају довољно енергије да превазиђу постојећу потенцијалну баријеру на ПН споју. Мањински носиоци наелектрисања у полупроводницима П-типа и Н-типа се убризгавају преко споја и рекомбинују са већинским носиоцима. Комбинација већинског и мањинског оператера може бити на два начина:

• радијативне: када се светлост емитује током рекомбинације.
• не радијативне: током рекомбинације се не емитује светлост, производи се топлота. То јест, део примењене електричне енергије се губи у облику топлоте, а не светлости. У зависности од процента енергије која се користи за стварање светлости или топлоте, ово ће бити ефикасност ЛЕД-а.

органски полупроводници

Недавно су и они провалили на тржиште ОЛЕД или органске диоде које емитују светлост, које су коришћене за дисплеје. Ове нове органске диоде су састављене од материјала органске природе, односно органског полупроводника, где је проводљивост дозвољена делимично или у целом органском молекулу.

Ови органски материјали могу бити у кристалној фази или у полимерним молекулима. Ово има предност што има веома танку структуру, ниску цену, потребан им је веома низак напон за рад, имају високу осветљеност и максимални контраст и интензитет.

ЛЕД боје

За разлику од нормалних полупроводничких диода, ЛЕД диоде емитују ту светлост због једињења које користе, као што сам раније поменуо. Нормалне полупроводничке диоде су направљене од силицијума или германијума, али диоде које емитују светлост имају једињења као што су:

• галијум арсенид
• галијум арсенид фосфид
• Силицијум карбид
• индијум галијум нитрид

Мешањем ових материјала може се произвести јединствена и различита таласна дужина, како би се постигла жељена боја. Различита полупроводничка једињења емитују светлост у дефинисаним регионима спектра видљиве светлости и стога производе различите нивое интензитета светлости. Избор полупроводничког материјала који се користи у производњи ЛЕД ће одредити таласну дужину емисије фотона и резултујућу боју емитоване светлости.

Образац зрачења

Образац зрачења је дефинисан као угао емисије светлости у односу на површину која емитује. Максимална количина снаге, интензитета или енергије ће се добити у правцу који је окомит на емитујућу површину. Угао емитовања светлости зависи од боје која се емитује и обично варира између око 80° и 110°. Ево табеле са различите боје и материјали:

Боја светлости коју емитује ЛЕД није одређена пластична боја каросерије који обухвата ЛЕД. Ово мора бити јасно речено. Као што сам раније поменуо, епоксидна смола се користи и за побољшање излазне светлости и за означавање боје када је ЛЕД искључен.

Multicolor LED

На тржишту постоји а широк избор ЛЕД диода на располагању, са различитим облицима, величинама, бојама, интензитетима излазне светлости итд. Међутим, мора се рећи да је неприкосновени краљ по својој цени галијум арсенид фосфид црвени ЛЕД, пречника 5 мм. То је највише коришћено у свету, тако да се производи у највећој количини.

Међутим, као што сте видели, тренутно постоји много различитих боја, а неколико боја се чак комбинује да би се добило а Multicolor LED попут оне коју ћемо видети у овом одељку...

Бицолор

Двобојна ЛЕД, као што му име каже, је а ЛЕД способан да емитује у две различите боје. Ово се постиже комбиновањем две ЛЕД диоде различитих боја у истом пакету. На овај начин можете да пређете из једне боје у другу. На пример, попут оних ЛЕД диода које видите на неким уређајима да указују на стање напуњености батерије које постају црвене када се пуни и зелене када се већ напуни.

Да би се направиле ове ЛЕД диоде повезани су паралелно, при чему је анода једне ЛЕД диоде повезана са катодом друге ЛЕД диоде и обрнуто. На овај начин, када се напаја било која од анода, упалиће се само једна ЛЕД диода, она која прима струју преко своје аноде. Ако се обе аноде напајају истовремено, могуће је укључити обе истовремено са динамичким пребацивањем.

Тробојка

Имамо и тробојне ЛЕД диоде, односно оне може да емитује три различите боје уместо два. Они комбинују три ЛЕД диоде са заједничком катодом у истом пакету, а да бисте осветлили једну или две боје, потребно је да повежете катоду са уземљењем. И струја коју обезбеђује анода боје коју желите да контролишете или укључите.

Односно, за једно или двобојно ЛЕД осветљење потребно је повезати напајање било које аноде појединачно или истовремено. Ове тробојне ЛЕД диоде се такође често користе у мноштву уређаја, као што су мобилни телефони, за означавање обавештења итд. Такође, ова врста диода генерише додатне нијансе примарних боја укључивањем две ЛЕД диоде у различитим односима једносмерне струје.

РГБ ЛЕД

То је у основи врста тробојне ЛЕД диоде, у овом случају позната као РГБ (црвено зелено плава), јер емитује светлости те три боје. Као што можда знате, оне су постале веома популарне у обојеним украсним тракама и опреми за игре. Међутим, иако имате примарне боје, није могуће генерисати све боје и нијансе. Неке боје су изван РГБ троугла, а боје као што су розе, браон, итд. је тешко пронаћи са РГБ-ом.

ЛЕД предности и недостаци

Сада је време да видимо који су главни предности и недостаци ових ЛЕД диода:

предност

• Мала величина
• Ниска цена производње
• Дуг рок трајања (неће се топити)*
• Висока енергетска ефикасност / ниска потрошња
• Ниска температура / мање зрачене топлоте
• Флексибилност дизајна
• Могу произвести много различитих боја, па чак и бело светло.
• Велика брзина пребацивања
• висок интензитет светлости
• Може бити дизајниран да фокусира светлост у једном правцу
• Они су полупроводнички уређаји у чврстом стању, тако да су робуснији: отпорнији на топлотни удар и вибрације
• Нема присуства УВ зрака

мане

• Зависност излазне снаге зрачења и таласне дужине ЛЕД-а од температуре околине.
• Осетљивост на оштећења услед вишка напона и/или вишка струје.
• Теоријска укупна ефикасност се постиже само под посебним хладним или пулсним условима.

апликације

На крају, али не и најмање важно, потребно је показати шта су могуће примене за које су ове обојене ЛЕД диоде намењене:

• за светла возила
• Сигнализација: индикатори, знаци, семафори
• Прикажите визуелне информације на контролној табли
• За дисплеје где се пиксели састоје од ЛЕД диода
• Медицинске примене
• Играчке
• Илуминацион
• Даљински управљачи (ИР ЛЕД диоде)
• итд