Εκπομπή φωτός Δίοδοι: A Αστάρι

Οι ημιαγωγοί που ονομάζονται δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε φωτεινή ενέργεια. Το υλικό και η σύνθεση του ημιαγωγού καθορίζουν το χρώμα του φωτός εξόδου, με τα LED να κατηγοριοποιούνται συχνά σε τρία μήκη κύματος: υπεριώδες, ορατό και υπέρυθρο.

Τα διαθέσιμα στο εμπόριο LED με ισχύ εξόδου ενός στοιχείου τουλάχιστον 5 mW έχουν εύρος μήκους κύματος από 275 έως 950 nm. Ανεξάρτητα από τον κατασκευαστή, χρησιμοποιείται μια συγκεκριμένη οικογένεια υλικών ημιαγωγών για κάθε εύρος μήκους κύματος. Μια επισκόπηση της λειτουργίας των LED και μια γρήγορη ματιά στον τομέα παρέχονται σε αυτό το άρθρο. Θα γίνει επίσης συζήτηση για τα διάφορα είδη LED, τα κατάλληλα μήκη κύματος, τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή τους και ορισμένες χρήσεις για τα συγκεκριμένα φώτα.

UV LED (ultraviolet LED): 240 έως 360 nm

Ιδιαίτερα για απολύμανση νερού, ιατρικές/βιοϊατρικές εφαρμογές και βιομηχανική σκλήρυνση, χρησιμοποιούνται UV LED. Σε μήκη κύματος τόσο μικρά όσο 280 nm, έχουν επιτευχθεί επίπεδα ισχύος εξόδου μεγαλύτερα από 100 mW. Νιτρίδιο του γαλλίου/νιτρίδιο γαλλίου αργιλίου (GaN/AlGaN) με μήκη κύματος 360 nm ή μεγαλύτερα είναι το υλικό που χρησιμοποιείται συχνότερα για UV LED. Τα μικρότερα μήκη κύματος χρησιμοποιούν αποκλειστικά υλικά. Μικρότερα μήκη κύματος παράγονται από λίγους μόνο παρόχους και το κόστος για αυτά τα LED είναι ακόμα αρκετά υψηλό σε σύγκριση με τις υπόλοιπες προσφορές προϊόντων LED, ακόμα κι αν η αγορά για μήκη κύματος 360 nm και άνω σταθεροποιείται λόγω μειωμένης τιμής και Προμήθεια.

Τα πράσινα LED κυμαίνονται από σχεδόν UV έως 530 nm

Το νιτρίδιο του γαλλίου ινδίου (InGaN) είναι το υλικό που χρησιμοποιείται για τα προϊόντα σε αυτό το εύρος μήκους κύματος. Ενώ είναι τεχνικά εφικτό να παραχθεί ένα LED με μήκος κύματος οποιασδήποτε τιμής μεταξύ 395 και 530 nm, η πλειονότητα των μεγάλων προμηθευτών επικεντρώνεται στην παραγωγή μπλε LED (450 έως 475 nm) για λευκό φωτισμό με βάση το φώσφορο και πράσινα LED στο 520– Εύρος 530 nm για πράσινο φωτισμό σημάτων κυκλοφορίας. Οι περισσότεροι άνθρωποι θεωρούν ότι η τεχνολογία πίσω από αυτά τα LED είναι προηγμένη. Τα τελευταία χρόνια, οι βελτιώσεις στην οπτική απόδοση έχουν επιβραδυνθεί ή έχει σταματήσει.

LED που κυμαίνονται από κίτρινο-πράσινο έως κόκκινο: 565 έως 645 nm

Η ημιαγωγική ουσία που χρησιμοποιείται για αυτό το εύρος μήκους κύματος είναι το φωσφίδιο του γαλλίου αλουμινίου ινδίου (AlInGaP). Παράγεται κυρίως σε μήκη κύματος κίτρινου σήματος κυκλοφορίας (590 nm) και κόκκινου (625 nm). Αν και είναι λιγότερο κοινά, το ασβεστοπράσινο (ή κιτρινωπό-πράσινο 565 nm) και το πορτοκαλί (605 nm) προσφέρονται επίσης σε αυτήν την τεχνολογία.

Αξίζει να σημειωθεί ότι ο καθαρός πράσινος εκπομπός (555 nm) δεν είναι χαρακτηριστικό ούτε των τεχνολογιών InGaN ούτε AlInGaP. Υπάρχουν παλαιότερες, λιγότερο αποτελεσματικές τεχνολογίες σε αυτόν τον τομέα του καθαρού πράσινου, αλλά δεν πιστεύεται ότι είναι αποτελεσματικές ή λαμπρές. Αυτό οφείλεται κυρίως στην έλλειψη χρηματοδότησης για την ανάπτυξη εναλλακτικών τεχνολογιών υλικών για αυτό το εύρος μήκους κύματος καθώς και στην έλλειψη εμπορικού ενδιαφέροντος ή ζήτησης.

660 έως 900 nm: βαθύ κόκκινο έως εγγύς υπέρυθρο (IRLED)

Η κατασκευή συσκευών σε αυτόν τον τομέα μπορεί να λάβει πολλές διαφορετικές μορφές, αλλά χρησιμοποιούν πάντα στοιχεία αρσενιούχου γαλλίου αλουμινίου (AlGaAs) ή αρσενιούχου γαλλίου (GaAs). Πολυάριθμες ιατρικές χρήσεις (στα 660–680 nm), καθώς και τηλεχειριστήρια υπερύθρων και φώτα νυχτερινής όρασης είναι μεταξύ των εφαρμογών.

Θεωρία λειτουργίας LED

Πρέπει να εφαρμοστεί μια ηλεκτρική τάση που είναι επαρκής για να κινηθούν τα ηλεκτρόνια στην περιοχή εξάντλησης και να συνδυαστούν με μια οπή στην άλλη πλευρά για να δημιουργήσουν ένα ζεύγος ηλεκτρονίων-οπών, προκειμένου τα LED, τα οποία είναι δίοδοι ημιαγωγών, να εκπέμπουν φως όταν ένα ηλεκτρικό Το ρεύμα εφαρμόζεται στην προς τα εμπρός κατεύθυνση της συσκευής. Αυτό προκαλεί το ηλεκτρόνιο να εκπέμπει ένα φωτόνιο καθώς απελευθερώνει την ενέργειά του με τη μορφή φωτός.

Το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται εξαρτάται από το διάκενο ζώνης του ημιαγωγού. Τα υλικά με υψηλότερο διάκενο εκπέμπουν μικρότερα μήκη κύματος επειδή τα μικρότερα μήκη κύματος έχουν περισσότερη ενέργεια. μεγαλύτερες τάσεις είναι επίσης απαραίτητες για αγωγιμότητα σε υλικά με μεγαλύτερο διάκενο ζώνης. Ενώ οι λυχνίες LED σχεδόν IR έχουν μπροστινή τάση 1,5 έως 2.{5}} V, οι λυχνίες LED μικρού μήκους κύματος μπλε υπεριώδους ακτινοβολίας έχουν τάση προς τα εμπρός 3,5 V.

Συντελεστές διαθεσιμότητας και απόδοσης για μήκη κύματος

Το δυναμικό της αγοράς, η ζήτηση των καταναλωτών και τα βιομηχανικά πρότυπα μήκη κύματος είναι οι κύριοι καθοριστικοί παράγοντες για το εάν ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος είναι εμπορικά βιώσιμο ή όχι. Αυτό είναι πιο αισθητό στις περιοχές μήκους κύματος 420–460 nm, 480–520 nm και 680–800 nm. Δεν υπάρχουν κατασκευαστές μεγάλου όγκου που να παράγουν συσκευές LED για αυτές τις περιοχές μήκους κύματος, καθώς δεν υπάρχουν χρήσεις μεγάλου όγκου για αυτές. Ωστόσο, είναι εφικτός ο εντοπισμός μικρομεσαίων πωλητών που παρέχουν προϊόντα για την πλήρωση αυτών των συγκεκριμένων μηκών κύματος κατά παραγγελία.

Η περιοχή μήκους κύματος όπου κάθε τεχνολογία υλικού είναι πιο αποτελεσματική μπορεί να βρεθεί σχεδόν στο κέντρο κάθε περιοχής. Η απόδοση μειώνεται καθώς το επίπεδο ντόπινγκ του ημιαγωγού αυξάνεται ή πέφτει κάτω από το ιδανικό επίπεδο. Για το λόγο αυτό, ένα μπλε LED παράγει πολύ περισσότερο φως από ένα πράσινο ή σχεδόν UV LED, το πορτοκαλί παράγει περισσότερο φως από ένα κιτρινοπράσινο LED και το σχεδόν IR παράγει περισσότερο φως από 660 nm. Ο σχεδιασμός για το μέσο του φάσματος αντί για τις άκρες είναι πάντα μια καλύτερη επιλογή. Επιπλέον, είναι πιο απλό να αποκτήσετε αγαθά που δεν υπερβαίνουν τα σύνορα της τεχνολογίας των υλικών.

Παροχή LED με ρεύμα και τάση

Οι λυχνίες LED είναι δίοδοι και πρέπει να λειτουργούν σε λειτουργία ρεύματος, παρόλο που είναι ημιαγωγοί και απαιτούν ελάχιστη τάση για να λειτουργήσουν. Όταν χρησιμοποιείτε LED σε λειτουργία DC, υπάρχουν δύο κύριες μέθοδοι: Η χρήση μιας αντίστασης περιορισμού ρεύματος είναι η απλούστερη και πιο δημοφιλής. Η σημαντική απαγωγή θερμότητας και ισχύος στην αντίσταση είναι ένα μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας. Η τάση τροφοδοσίας πρέπει να είναι σημαντικά υψηλότερη από την προς τα εμπρός τάση του LED για να παραμένει σταθερό το ρεύμα κατά τις αλλαγές θερμοκρασίας και από τη μια συσκευή στην άλλη.

Οι εμπορικοί οδηγοί LED εκτός ραφιού προσφέρονται από διάφορους προμηθευτές. Για τον έλεγχο της φωτεινότητας, λειτουργούν συνήθως χρησιμοποιώντας αρχές διαμόρφωσης πλάτους παλμού.

Ένα ξεχωριστό σύνολο ζητημάτων προκύπτει κατά την παλμική λυχνία LED σε λειτουργία υψηλού ρεύματος ή/και υψηλής τάσης για συστοιχίες συνδεδεμένες σε σειρά και παράλληλα. Δεν είναι πρακτικό για έναν αρχάριο σχεδιαστή να δημιουργήσει μια παλμική μονάδα ελεγχόμενου ρεύματος που μπορεί να παρέχει 5 A και 20 V. Μερικές εταιρείες παράγουν εξειδικευμένα εργαλεία για LED που παλλονται.

LED σε εφαρμογές που μπορούν να δουν οι άνθρωποι

Το ακριβές χρώμα έχει πολύ μεγαλύτερη σημασία σε περιπτώσεις όπου τα LED προβάλλονται απευθείας ή χρησιμοποιούνται ως φωτιστικά παρά η ακριβής έξοδος σε lumens ή candela. Ο εγκέφαλος κάνει εξαιρετικές προσαρμογές για τυχόν διακυμάνσεις στην ένταση του φωτός, ενώ το ανθρώπινο μάτι είναι σχετικά αδιάφορο για αυτές. Ο μέσος άνθρωπος που βλέπει μια οθόνη βίντεο LED σε ένα κτίριο, για παράδειγμα, δεν θα παρατηρήσει μείωση της έντασης κατά 20 τοις εκατό καθώς τα μέρη της οθόνης προβάλλονται σε 10 μοίρες έως 20 μοίρες εκτός άξονα σε σύγκριση με το τμήμα απευθείας στον άξονα, επειδή αυτή είναι μια σταδιακή αλλαγή που δεν γίνεται αντιληπτή καθώς κινείται προς την άκρη της όρασης. Αντίθετα, το ανθρώπινο μάτι θα παρατηρήσει μια χρωματική παραλλαγή και θα το βρει ενοχλητικό εάν τα LED μιας περιοχής έχουν διαφορά μήκους κύματος 10 nm από αυτά σε άλλες περιοχές.

Τα περισσότερα λευκά LED που χρησιμοποιούνται σήμερα δημιουργούνται με την έγχυση ενός ορατού φωσφόρου μεγαλύτερου μήκους κύματος με ένα μπλε LED. Η φασματική ομοιότητα με την ηλιοφάνεια μετριέται με τον δείκτη χρωματικής απόδοσης (CRI). Η πλειονότητα των LED που χρησιμοποιούνται στον γενικό φωτισμό στις μέρες μας έχουν CRI καλύτερο από 80, με 100 να θεωρούνται ισοδύναμα με την ηλιοφάνεια. Οι λευκές λυχνίες LED γίνονται το πιο περιζήτητο προϊόν για την πλειονότητα των εφαρμογών φωτισμού λόγω των εξελίξεων CRI και της βελτιωμένης οπτικής απόδοσης.

Οφέλη και χρήσεις των LED

Σε σύγκριση με τα φιλτραρισμένα φώτα, τα LED έχουν πολλά πλεονεκτήματα για μονόχρωμες εφαρμογές, καθώς τα φάσματα μήκους κύματός τους προσδιορίζονται με μεγαλύτερη ακρίβεια. Η εξοικονόμηση ενέργειας από τη χρήση ενός φιλτραρισμένου λαμπτήρα πυρακτώσεως για εφαρμογές γενικού φωτισμού μπορεί ενδεχομένως να είναι 100 φορές υψηλότερη. Εφαρμογές όπως τα σήματα κυκλοφορίας και τα αρχιτεκτονικά φώτα επωφελούνται πολύ από αυτό. Ένα μικροσκοπικό ηλιακό πάνελ μπορεί εύκολα να τροφοδοτήσει φορητές πινακίδες LED του αυτοκινητόδρομου χαμηλής κατανάλωσης στη θέση μιας μεγάλης γεννήτριας, κάτι που είναι ένα σαφές πλεονέκτημα.

Γενικά, τα LED είναι λιγότερο ακριβά, πιο αξιόπιστα και μπορεί να τροφοδοτούνται από φθηνότερα ηλεκτρονικά από τα λέιζερ. Τα LED ταξινομούνται πλέον ξεχωριστά τόσο από τις ΗΠΑ όσο και από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Ευτυχώς, σε αντίθεση με τα λέιζερ και τις διόδους λέιζερ, τα LED δεν συνοδεύονται από τα ίδια προβλήματα ή προειδοποιήσεις για την ασφάλεια των ματιών. Από την άλλη πλευρά, είναι αδύνατο να δημιουργηθούν οπτικά πυκνά, πολύ μικροσκοπικά και πολύ ευθυγραμμισμένα σημεία με LED. Ένα λέιζερ είναι σχεδόν πάντα απαραίτητο σε εφαρμογές που απαιτούν εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα ισχύος σε μια συμπαγή περιοχή.

Σήμερα, τα LED χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα τομέων και εφαρμογών (Πίνακας 1). Αυτές οι συσκευές είναι εξαιρετικά οικονομικές και ελκυστικές τόσο για τις καταναλωτικές όσο και για τις βιομηχανικές αγορές χάρη στη μεγάλη αξιοπιστία, την υψηλή απόδοση και το μειωμένο συνολικό κόστος του συστήματος σε σύγκριση με τα λέιζερ και τους λαμπτήρες. Κάθε μοναδική τεχνολογία LED ή/και χρώμα έχει δημιουργηθεί για να καλύψει τις ανάγκες μιας συγκεκριμένης χρήσης.