ไฟ LED สี: คุณจะได้สีที่ต่างกันอย่างไร?

ลอส ไฟ LED สี พวกเขามากับเราในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ทุกครั้งที่ LED เฉดสีใหม่ปรากฏขึ้น เนื่องจากมันไม่ง่ายเลยในทุกกรณี ตัวอย่างเช่น ด้วยความอยากรู้อยากเห็น คุณควรรู้ว่าไฟ LED สีขาวและไฟ LED สีน้ำเงินเป็นหนึ่งในกลุ่มสุดท้ายที่ออกสู่ตลาด

ปัจจุบันพวกเขาได้กลายเป็น ประเภทของไดโอด จำเป็นสำหรับหลายสาขา ดังนั้นในบทความนี้คุณจะได้เรียนรู้ สิ่งที่คุณต้องรู้ เกี่ยวกับสิ่งเหล่านี้ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานและเกี่ยวกับสาเหตุที่เปล่งแสง ทำไมสีเหล่านั้น และอื่นๆ อีกมากมาย...

แหล่งกำเนิดการเปล่งแสงของเซมิคอนดักเตอร์

ดังที่คุณควรทราบ แหล่งกำเนิดแสงสองแหล่งที่อาจมาจากอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์คือ เลเซอร์ไดโอดและไดโอด LED. ในขณะที่ LED ขึ้นอยู่กับการปล่อยที่เกิดขึ้นเอง เลเซอร์ขึ้นอยู่กับการปล่อยที่ถูกกระตุ้น นั่นคือความแตกต่างระหว่างคนทั้งสอง

ลอส ไดโอดเปล่งแสง (Light Emitting Diode) เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่พบมากที่สุดในบรรดาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ใช้เพื่อแสดงเวลาบนนาฬิกาดิจิตอล ส่งสัญญาณการทำงานหรือชาร์จแบตเตอรี่ ฯลฯ แอปพลิเคชั่นมีมากมาย และตอนนี้พวกเขายังได้เพิ่มแสงสว่างด้วยหลอดไฟ LED ใหม่เพื่อให้แสงสว่างแก่ห้องทุกประเภทและแม้กระทั่งสำหรับยานพาหนะ

อุปกรณ์ LED เหล่านี้อยู่ในกลุ่มของ ออปโต-สารกึ่งตัวนำที่สามารถแปลงกระแสไฟฟ้าเป็นแสงได้ อุปกรณ์ให้แสงสว่างนี้มีข้อได้เปรียบที่ยอดเยี่ยมในด้านความทนทาน เนื่องจากไม่ไหม้เหมือนหลอดไฟ และยังมีประสิทธิภาพมากกว่ามาก ดังนั้นการบริโภคจึงต่ำกว่าหลอดไฟทั่วไปมาก นอกจากนี้ ต้นทุนการผลิตของพวกเขายังต่ำมาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมพวกเขาถึงได้รับความนิยมอย่างมาก

เช่นเดียวกับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ LED มีองค์ประกอบหลักพื้นฐาน เช่น โซน P ที่มีรู (+) และโซน N ที่มีอิเล็กตรอน (-)นั่นคือตัวพาประจุตามปกติของเซมิคอนดักเตอร์ใดๆ และสิ่งนี้ทำให้:

• เมื่อด้าน P เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟและด้าน N ถึงกราวด์ การเชื่อมต่อจะเอนเอียงไปข้างหน้า ทำให้กระแสไหลผ่านไดโอดและเปล่งแสงที่เราทุกคนมองเห็นได้
• ถ้าด้าน P เชื่อมต่อกับกราวด์และด้าน N เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ การเชื่อมต่อจะถูกเรียกว่าเป็นแบบไบแอสย้อนกลับ ซึ่งป้องกันการไหลของกระแสไฟฟ้า คุณรู้อยู่แล้วว่าไดโอดป้องกันการไหลของกระแสในทิศทางเดียว
• เมื่อเอนเอียงไปด้านหน้า ตัวพาประจุส่วนใหญ่และส่วนน้อยด้าน P และด้าน N จะรวมเข้าด้วยกัน ทำให้ตัวพาประจุเป็นกลางในชั้นพร่องของจุดเชื่อมต่อ PN และในทางกลับกัน การโยกย้ายของอิเล็กตรอนและโฮลนี้จะปล่อยโฟตอนจำนวนหนึ่งออกมา นั่นคือ พลังงานส่วนหนึ่งถูกปล่อยออกมาในรูปของแสง โดยมีความยาวคลื่นคงที่ (สีเดียว) นี่คือลักษณะสีของ LED เนื่องจากขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมา มันสามารถเป็น IR, น้ำเงิน, เหลือง, เขียว, เหลือง, เหลือง, อำพัน, ขาว, แดง, UV เป็นต้น
• ความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมาของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าและสีจะถูกกำหนดโดยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่สร้างจุดเชื่อมต่อ PN ของไดโอด ดังนั้น สารประกอบเซมิคอนดักเตอร์สามารถเปลี่ยนแปลงหรือเล่นด้วยเพื่อสร้างสีใหม่ภายในสเปกตรัมหรือช่วงที่มองเห็นได้

ต้องบอกว่าสามารถผสมสีแดงน้ำเงินและเขียว (RGB หรือ Red Green Blue) ได้อย่างง่ายดายเพื่อให้สามารถ ผลิตแสงสีขาว. ในทางกลับกัน ต้องบอกว่าแรงดันใช้งานของ LED นั้นแตกต่างกันไปตามสีด้วย ตัวอย่างเช่น สีแดง สีเขียว สีเหลืองอำพัน และสีเหลือง ต้องใช้ไฟประมาณ 1.8 โวลต์ในการทำงาน และช่วงแรงดันใช้งานของไดโอดเปล่งแสงสามารถกำหนดได้ตามแรงดันพังทลายของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในการผลิต LED

ประเภท LED

LED สามารถจำแนกได้หลายวิธี หนึ่งในหลักคือทำตามความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมา สองประเภท:

•  ไฟ LED ที่มองเห็นได้: คือความยาวคลื่นที่ปล่อยความยาวคลื่นภายในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ นั่นคือระหว่าง 400 นาโนเมตรถึง 750 นาโนเมตร ช่วงนี้เป็นสิ่งที่สายตามนุษย์สามารถมองเห็นได้ เช่นเดียวกับในสนามเสียงที่เราได้ยินระหว่าง 20 Hz ถึง 20 Khz เท่านั้น ต่ำกว่า 20 Hz คืออินฟราซาวด์ที่เราไม่สามารถได้ยิน และสูงกว่า 20 Khz คืออัลตราซาวนด์ที่เราไม่สามารถจับภาพได้เช่นกัน สิ่งที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นในกรณีของแสง การมีอินฟราเรดหรือ IR เมื่อแสงไปต่ำกว่า 400 นาโนเมตร และแสงอัลตราไวโอเลตเมื่อไปสูงกว่า 750 นาโนเมตร ทั้งที่ตามนุษย์มองไม่เห็น
•  ไฟ LED ที่มองไม่เห็น: คือความยาวคลื่นที่เรามองไม่เห็น เช่นในกรณีของไดโอด IR หรือไดโอด UV

ไฟ LED ที่มองเห็นได้ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับให้แสงสว่างหรือส่งสัญญาณ ไฟ LED ที่มองไม่เห็นถูกนำมาใช้ในแอพพลิเคชั่นต่างๆ เช่น สวิตช์ออปติคัล การสื่อสารและการวิเคราะห์ด้วยแสง เป็นต้น โดยใช้โฟโต้เซ็นเซอร์

อย่างมีประสิทธิภาพ

อย่างที่คุณทราบกันดีว่าไฟ LED นั้นมีอยู่มาก มีประสิทธิภาพมากขึ้น กว่าแบบเดิมจึงใช้พลังงานน้อยกว่ามาก นี่เป็นเพราะธรรมชาติของ LED และในตารางต่อไปนี้ คุณจะเห็นความสัมพันธ์ระหว่างฟลักซ์การส่องสว่างและกำลังไฟฟ้าเข้าที่จ่ายให้กับ LED นั่นคือสามารถแสดงเป็นลูเมนต่อวัตต์ (lm/W):

การก่อสร้าง LED

ที่มา: Research Gate

La โครงสร้างและโครงสร้างของไดโอดเปล่งแสงแตกต่างจากไดโอดทั่วไปอย่างมากเช่นซีเนอร์ เป็นต้น แสงจะถูกปล่อยออกมาจาก LED เมื่อจุดเชื่อมต่อ PN มีลำเอียงไปข้างหน้า จุดเชื่อมต่อ PN ถูกปกคลุมด้วยอีพอกซีเรซินที่เป็นของแข็งและโดมครึ่งวงกลมพลาสติกใสที่ปกป้องภายในของ LED จากการรบกวนบรรยากาศ การสั่นสะเทือน และแรงกระแทกจากความร้อน

ทางแยก PN ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ วัสดุ สารประกอบที่มีแบนด์แกปต่ำกว่า เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์, แกลเลียมอาร์เซไนด์ฟอสไฟด์, แกลเลียมฟอสไฟด์, อินเดียมแกลเลียมไนไตรด์, แกลเลียมอะลูมิเนียมไนไตรด์, ซิลิกอนคาร์ไบด์ เป็นต้น ตัวอย่างเช่น ไฟ LED สีแดงสร้างขึ้นบนสารตั้งต้นแกลเลียมอาร์เซไนด์ สีเขียว สีเหลือง และสีส้มบนแกลเลียมฟอสไฟด์ เป็นต้น สีแดง ชั้นชนิด N เจือด้วยเทลลูเรียม (Te) และชั้น P เจือด้วยสังกะสี (Zn) ในทางกลับกัน ชั้นสัมผัสถูกสร้างขึ้นโดยใช้อะลูมิเนียมที่ด้าน P และอะลูมิเนียมดีบุกที่ด้าน N

นอกจากนี้ คุณควรทราบด้วยว่าทางแยกเหล่านี้ไม่เปล่งแสงมากนัก ดังนั้น โดมอีพอกซีเรซิน มันถูกสร้างขึ้นในลักษณะที่โฟตอนของแสงที่ปล่อยออกมาจากจุดเชื่อมต่อ PN นั้นสะท้อนและโฟกัสได้ดีที่สุด นั่นคือไม่เพียงทำหน้าที่เป็นตัวป้องกัน แต่ยังเป็นเลนส์รวมแสงอีกด้วย นี่คือเหตุผลว่าทำไมแสงที่ปล่อยออกมาจึงดูสว่างกว่าที่ด้านบนของ LED

ไฟ LED ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้แน่ใจว่า การรวมตัวกันอีกครั้งของตัวพาประจุจะเกิดขึ้นที่พื้นผิวของทางแยก PN ด้วยเหตุผลที่ชัดเจน และสำเร็จได้ด้วยวิธีนี้:

• ด้วยการเพิ่มความเข้มข้นของการเติมสารตั้งต้น อิเล็กตรอนพาหะส่วนน้อยเพิ่มเติมจะเคลื่อนไปที่ด้านบนของโครงสร้าง รวมตัวใหม่ และเปล่งแสงบนพื้นผิว LED
• โดยการเพิ่มความยาวการแพร่กระจายของตัวพาประจุ นั่นคือ L = √ Dτ โดยที่ D คือสัมประสิทธิ์การแพร่กระจาย และ τ คืออายุการใช้งานของตัวพาประจุ เมื่อเพิ่มขึ้นเกินค่าวิกฤต จะมีความเป็นไปได้ที่โฟตอนที่ปล่อยออกมาในอุปกรณ์จะถูกดูดกลับคืน

ดังนั้น เมื่อไดโอด LED เชื่อมต่อกับไบอัสไปข้างหน้า ผู้ให้บริการขนส่งสินค้า พวกเขาได้รับพลังงานเพียงพอที่จะเอาชนะสิ่งกีดขวางที่มีอยู่ที่ทางแยก PN ตัวพาประจุส่วนน้อยในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P และ N จะถูกฉีดข้ามทางแยกและรวมตัวใหม่กับตัวพาส่วนใหญ่ การรวมกันของผู้ให้บริการส่วนใหญ่และส่วนน้อยสามารถเป็นได้สองวิธี:

• รัศมี: เมื่อแสงถูกปล่อยออกมาระหว่างการรวมตัวใหม่
• ไม่แผ่รังสี: ระหว่างการรวมตัวกันใหม่จะไม่มีแสงออกมา จะเกิดความร้อนขึ้น นั่นคือส่วนหนึ่งของพลังงานไฟฟ้าที่ใช้จะสูญเสียไปในรูปของความร้อน ไม่ใช่แสง ขึ้นอยู่กับเปอร์เซ็นต์ของพลังงานที่ใช้เพื่อสร้างแสงหรือความร้อน นี่จะเป็นประสิทธิภาพของ LED

สารกึ่งตัวนำอินทรีย์

เมื่อเร็ว ๆ นี้พวกเขายังได้เจาะตลาด OLED หรือไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ซึ่งใช้สำหรับการแสดงผล ไดโอดอินทรีย์ใหม่เหล่านี้ประกอบด้วยวัสดุที่เป็นธรรมชาติของสารอินทรีย์ นั่นคือ สารกึ่งตัวนำอินทรีย์ ซึ่งอนุญาตให้นำไฟฟ้าบางส่วนหรือทั้งหมดในโมเลกุลสารอินทรีย์

สารอินทรีย์เหล่านี้อาจอยู่ใน เฟสผลึกหรือในโมเลกุลโพลีเมอร์. สิ่งนี้มีข้อได้เปรียบของการมีโครงสร้างที่บางมาก ต้นทุนต่ำ พวกมันต้องการแรงดันไฟฟ้าต่ำมากในการทำงาน พวกมันมีความสว่างสูง คอนทราสต์และความเข้มสูงสุด

LED สี

ซึ่งแตกต่างจากไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปตรงที่ LED จะเปล่งแสงออกมาเนื่องจากสารประกอบที่ใช้ ดังที่ได้กล่าวไปแล้วก่อนหน้านี้ ไดโอดสารกึ่งตัวนำทั่วไปทำจากซิลิคอนหรือเจอร์เมเนียม แต่ไดโอดเปล่งแสงมี สารประกอบ เช่น:

• แกลเลียมอาร์เซไนด์
• แกลเลียมอาร์เซไนด์ฟอสไฟด์
• ซิลิเซียมคาร์ไบด์
• อินเดียมแกลเลียมไนไตรด์

การผสมวัสดุเหล่านี้สามารถสร้างความยาวคลื่นที่ไม่เหมือนใครและแตกต่างกัน เพื่อให้ได้สีที่ต้องการ สารประกอบเซมิคอนดักเตอร์ที่ต่างกันจะเปล่งแสงออกมาในบริเวณที่กำหนดของสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ และทำให้เกิดความเข้มของแสงในระดับต่างๆ กัน การเลือกใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในการผลิต LED จะเป็นตัวกำหนดความยาวคลื่นของการปล่อยโฟตอนและสีของแสงที่ปล่อยออกมา

รูปแบบการฉายรังสี

รูปแบบการแผ่รังสีถูกกำหนดให้เป็นมุมของการปล่อยแสงที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิวที่เปล่งแสง ปริมาณพลังงาน ความเข้ม หรือพลังงานสูงสุดจะได้รับในทิศทางที่ตั้งฉากกับพื้นผิวเปล่งแสง มุมการเปล่งแสงขึ้นอยู่กับสีที่เปล่งออกมา และมักจะแตกต่างกันไประหว่าง 80° ถึง 110° นี่คือตารางที่มี สีและวัสดุที่แตกต่างกัน:

สีของแสงที่ปล่อยออกมาจาก LED ไม่ได้ถูกกำหนดโดย สีตัวเครื่องพลาสติก ที่ล้อมรอบ LED สิ่งนี้จะต้องทำให้ชัดเจนมาก ดังที่ฉันได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ อีพอกซีเรซินใช้ทั้งเพื่อปรับปรุงการส่องสว่างและเพื่อระบุสีเมื่อไฟ LED ดับ

LED หลากสี

ในตลาดมี มีไฟ LED ให้เลือกมากมายที่มีรูปร่าง ขนาด สี ความเข้มของแสงเอาต์พุตที่แตกต่างกัน ฯลฯ อย่างไรก็ตาม ต้องบอกว่าราชาที่ไม่มีข้อโต้แย้งในเรื่องราคาคือ LED สีแดงแกลเลียมอาร์เซไนด์ฟอสไฟด์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 มม. ที่ใช้มากที่สุดในโลกจึงเป็นรุ่นที่ผลิตในปริมาณมากที่สุด

อย่างไรก็ตาม อย่างที่คุณได้เห็น ในปัจจุบันมีสีต่างๆ มากมาย และมีการรวมสีหลายๆ สีเพื่อสร้าง a LED หลากสี เหมือนกับที่เราจะได้เห็นในภาคนี้…

สองสี

LED สองสีตามชื่อที่แนะนำคือ a LED สามารถเปล่งแสงได้สองสี. สิ่งนี้ทำได้โดยการรวม LED สองสีที่ต่างกันในแพ็คเกจเดียวกัน ด้วยวิธีนี้คุณสามารถเปลี่ยนจากสีหนึ่งเป็นสีอื่นได้ ตัวอย่างเช่น เช่นเดียวกับไฟ LED ที่คุณเห็นบนอุปกรณ์บางอย่างเพื่อระบุสถานะการชาร์จแบตเตอรี่ที่จะเปลี่ยนเป็นสีแดงเมื่อกำลังชาร์จและเป็นสีเขียวเมื่อชาร์จแล้ว

เพื่อสร้าง LED เหล่านี้ เชื่อมต่อแบบขนานโดยที่ขั้วบวกของ LED หนึ่งเชื่อมต่อกับแคโทดของ LED อีกดวงหนึ่งและในทางกลับกัน ด้วยวิธีนี้ เมื่อจ่ายพลังงานให้กับขั้วบวกใด ๆ ไฟ LED เพียงดวงเดียวจะสว่างขึ้น ซึ่งเป็นดวงที่รับพลังงานผ่านขั้วบวก หากขั้วบวกทั้งสองได้รับพลังงานพร้อมกัน คุณยังสามารถเปิดทั้งสองพร้อมกันได้ด้วยการสลับแบบไดนามิก

ไตรรงค์

นอกจากนี้เรายังมีไฟ LED สามสี นั่นคือพวกมัน สามารถเปล่งแสงได้สามสี แทนที่จะเป็นสอง เหล่านี้รวมไฟ LED สามดวงกับแคโทดทั่วไปในแพ็คเกจเดียวกัน และเพื่อให้แสงหนึ่งหรือสองสี คุณต้องต่อแคโทดเข้ากับกราวด์ และกระแสที่มาจากขั้วบวกของสีที่คุณต้องการควบคุมหรือเปิด

นั่นคือสำหรับไฟ LED หนึ่งหรือสองสีจำเป็นต้องเชื่อมต่อ จ่ายไฟให้กับขั้วบวกอย่างใดอย่างหนึ่ง เป็นรายบุคคลหรือในเวลาเดียวกัน LED สามสีเหล่านี้มักใช้ในอุปกรณ์ต่างๆ มากมาย เช่น โทรศัพท์มือถือ เพื่อระบุการแจ้งเตือน เป็นต้น นอกจากนี้ ไดโอดประเภทนี้ยังสร้างเฉดสีเพิ่มเติมของสีหลักโดยการเปิดไฟ LED สองดวงที่อัตราส่วนของกระแสตรงที่แตกต่างกัน

ไฟ LED RGB

โดยพื้นฐานแล้วเป็น LED สามสีชนิดหนึ่ง ซึ่งในกรณีนี้เรียกว่า RGB (แดงเขียวน้ำเงิน)เพราะมันเปล่งแสงสามสีนั้นออกมา สิ่งเหล่านี้ได้รับความนิยมอย่างมากในแถบคาดสีและอุปกรณ์เล่นเกมดังที่คุณอาจทราบ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าคุณจะมีสีหลัก แต่ก็ไม่สามารถสร้างสีและเฉดสีทั้งหมดได้ บางสีอยู่นอกสามเหลี่ยม RGB และสีต่างๆ เช่น ชมพู น้ำตาล ฯลฯ นั้นหาได้ยากด้วย RGB

ข้อดีและข้อเสียของ LED

ตอนนี้ถึงเวลาที่จะดูว่ามีอะไรบ้างหลัก ข้อดีและข้อเสีย ของไดโอด LED เหล่านี้:

ความได้เปรียบ

• ขนาดเล็ก
• ต้นทุนการผลิตต่ำ
• อายุการเก็บรักษานาน (จะไม่ละลาย)*
• ประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูง / การใช้พลังงานต่ำ
• อุณหภูมิต่ำ / ความร้อนที่แผ่ออกมาน้อย
• ความยืดหยุ่นในการออกแบบ
• พวกมันสามารถสร้างสีต่างๆ ได้มากมาย หรือแม้แต่แสงสีขาว
• ความเร็วในการเปลี่ยนสูง
• ความเข้มของแสงสูง
• สามารถออกแบบให้เน้นแสงในทิศทางเดียว
• อุปกรณ์เหล่านี้เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบโซลิดสเตต ดังนั้นจึงแข็งแกร่งกว่า: ทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและแรงสั่นสะเทือนได้ดีกว่า
• ไม่มีรังสียูวี

ข้อเสีย

• การขึ้นอยู่กับอุณหภูมิโดยรอบของพลังงานเอาท์พุตแบบกระจายและความยาวคลื่นของ LED
• ความไวต่อความเสียหายเนื่องจากแรงดันเกินและ/หรือกระแสเกิน
• ประสิทธิภาพโดยรวมตามทฤษฎีทำได้ภายใต้สภาวะเย็นหรือชีพจรพิเศษเท่านั้น

การใช้งาน

สุดท้าย แต่ไม่ท้ายสุดจำเป็นต้องแสดงให้เห็นว่ามีอะไรบ้าง แอพพลิเคชั่นที่เป็นไปได้ LED สีเหล่านี้มีไว้เพื่ออะไร:

• สำหรับไฟรถ
• ป้าย: ตัวบ่งชี้, สัญญาณ, สัญญาณไฟจราจร
• แสดงข้อมูลภาพบนแดชบอร์ด
• สำหรับการแสดงผลที่พิกเซลประกอบด้วยไฟ LED
• การใช้งานทางการแพทย์
• ของเล่น
• Iluminacion
• รีโมทคอนโทรล (IR LED)
• ฯลฯ