Diode emițătoare de lumină: un primer
Semiconductorii numiti diode emițătoare de lumină (LED) transformă energia electrică în energie luminoasă. Materialul semiconductor și compoziția determină culoarea luminii de ieșire, LED-urile fiind adesea clasificate în trei lungimi de undă: ultraviolet, vizibil și infraroșu.
LED-urile disponibile în comerț cu putere de ieșire cu un singur element de cel puțin 5 mW au o gamă de lungimi de undă de 275 până la 950 nm. Indiferent de producător, o anumită familie de materiale semiconductoare este utilizată pentru fiecare interval de lungimi de undă. O prezentare generală a funcționării LED-urilor și o privire rapidă asupra sectorului sunt oferite în acest articol. Va fi, de asemenea, o discuție despre diferitele tipuri de LED-uri, lungimile de undă adecvate, materialele utilizate în construcția lor și unele utilizări pentru anumite lumini.
LED-uri UV (LED-uri ultraviolete): 240 până la 360 nm
În special pentru dezinfecția apei, aplicații medicale/biomedicale și întărire industrială, sunt folosite LED-uri UV. La lungimi de undă de până la 280 nm, au fost atinse niveluri de putere de ieșire mai mari de 100 mW. Nitrura de galiu/nitrura de galiu de aluminiu (GaN/AlGaN) cu lungimi de undă de 360 nm sau mai mult este materialul cel mai frecvent utilizat pentru LED-urile UV. Lungimi de undă mai scurte folosesc materiale exclusive. Lungimi de undă mai scurte sunt produse doar de câțiva furnizori, iar costurile pentru aceste LED-uri sunt încă destul de ridicate în comparație cu restul ofertelor de produse LED, chiar dacă piața pentru lungimi de undă de 360 nm și mai lungi se stabilizează datorită prețurilor reduse și a unui preț mare. livra.
LED-urile verzi variază de la aproape UV la 530 nm
Nitrura de indiu galiu (InGaN) este materialul utilizat pentru produsele din acest interval de lungimi de undă. Deși este fezabil din punct de vedere tehnic să se producă un LED cu o lungime de undă de orice valoare între 395 și 530 nm, majoritatea furnizorilor importanți se concentrează pe generarea de LED-uri albastre (450 până la 475 nm) pentru iluminare albă pe bază de fosfor și LED-uri verzi în 520– Interval de 530 nm pentru iluminarea verde a semnalului de circulație. Majoritatea oamenilor consideră că tehnologia din spatele acestor LED-uri este avansată. În ultimii câțiva ani, îmbunătățirile în eficiența optică au încetinit sau au încetat.
LED-uri de la galben-verde la roșu: 565 până la 645 nm
Substanța semiconductoare utilizată pentru acest interval de lungimi de undă este fosfură de aluminiu indiu galiu (AlInGaP). Este produs în mare parte în lungimi de undă galben (590 nm) și roșu (625 nm). Deși sunt mai puțin obișnuite, verdele-lime (sau verde-gălbui 565 nm) și portocaliu (605 nm) sunt și ele oferite în această tehnologie.
Este demn de remarcat că emițătorul verde pur (555 nm) nu este o caracteristică nici a tehnologiilor InGaN, nici a AlInGaP. Există tehnologii mai vechi, mai puțin eficiente în această zonă de verde pur, dar nu se consideră că sunt eficiente sau strălucitoare. Acest lucru este cauzat în principal de lipsa de finanțare pentru dezvoltarea tehnologiilor de materiale alternative pentru acest interval de lungimi de undă, precum și de lipsa interesului comercial sau a cererii.
660 până la 900 nm: roșu intens până la infraroșu apropiat (IRLED)
Construcția dispozitivelor în acest domeniu poate lua multe forme diferite, dar ele folosesc întotdeauna elemente de arseniură de galiu (AlGaAs) sau arseniură de galiu (GaAs). Numeroase utilizări medicale (la 660–680 nm), precum și telecomenzile cu infraroșu și luminile de vedere pe timp de noapte se numără printre aplicații.
Teoria de funcționare a LED-urilor
Trebuie aplicată o tensiune electrică suficientă pentru ca electronii să se deplaseze în regiunea de epuizare și să se combine cu o gaură de pe cealaltă parte pentru a crea o pereche electron-gaură, pentru ca LED-urile, care sunt diode semiconductoare, să emită lumină atunci când un curent electric. curentul este aplicat în direcția înainte a dispozitivului. Acest lucru face ca electronul să emită un foton pe măsură ce își eliberează energia sub formă de lumină.
Lungimea de undă a luminii emise depinde de banda interzisă a semiconductorului. Materialele cu bandgap mai mare emit lungimi de undă mai scurte, deoarece lungimile de undă mai scurte au mai multă energie. tensiuni mai mari sunt, de asemenea, necesare pentru conducție în materiale cu o bandgap mai mare. În timp ce LED-urile aproape IR au o tensiune directă de 1,5 până la 2.0 V, LED-urile UV-albastre cu lungime de undă scurtă au o tensiune directă de 3,5 V.
Factori de disponibilitate și eficiență pentru lungimi de undă
Potențialul pieței, cererea consumatorilor și lungimile de undă standard din industrie sunt principalii determinanți ai faptului că o anumită lungime de undă este viabilă sau nu comercial. Acest lucru este cel mai vizibil în intervalele de lungimi de undă 420–460 nm, 480–520 nm și 680–800 nm. Nu există producători de volum mare care să producă dispozitive LED pentru aceste game de lungimi de undă, deoarece nu există utilizări de volum mare pentru acestea. Cu toate acestea, este fezabil să se localizeze furnizori mici sau mijlocii care furnizează bunuri pentru a umple aceste lungimi de undă specifice, la comandă.
Regiunea de lungime de undă în care fiecare tehnologie de material este cea mai eficientă poate fi găsită aproape în centrul fiecărui interval. Eficiența scade pe măsură ce nivelul de dopaj al semiconductorului crește sau scade sub nivelul ideal. Din acest motiv, un LED albastru produce mult mai multă lumină decât un LED verde sau aproape UV, chihlimbarul produce mai multă lumină decât un LED galben-verde, iar aproape IR produce mai multă lumină de 660 nm. Proiectarea pentru mijlocul spectrului, mai degrabă decât marginile, este întotdeauna o opțiune mai bună. În plus, este mai simplu să obțineți bunuri care nu se încadrează în frontierele tehnologiei materialelor.
Alimentarea LED-urilor cu curent și tensiune
LED-urile sunt diode și trebuie să funcționeze în mod curent, chiar dacă sunt semiconductori și necesită o tensiune minimă pentru a funcționa. Când utilizați LED-uri în modul DC, există două metode principale: Utilizarea unui rezistor de limitare a curentului este cea mai simplă și cea mai populară. Disiparea considerabilă a căldurii și puterii în rezistor este un dezavantaj al acestei tehnologii. Tensiunea de alimentare trebuie să fie substanțial mai mare decât tensiunea directă a LED-ului pentru ca curentul să rămână constant la schimbările de temperatură și de la un dispozitiv la altul.
Driverele LED comerciale disponibile la raft sunt oferite de o varietate de furnizori. Pentru controlul luminozității, acestea funcționează de obicei utilizând principiile de modulare a lățimii impulsului.
Un set distinct de probleme apar atunci când LED-urile pulsate în modul de curent ridicat și/sau de înaltă tensiune pentru matricele conectate în serie și paralel. Nu este posibil ca un proiectant începător să creeze o unitate de impulsuri controlată de curent care poate furniza 5 A și 20 V. Câteva companii produc instrumente specializate pentru LED-uri care pulsează.
LED-uri în aplicații pe care oamenii le pot vedea
Culoarea exactă contează mult mai mult în situațiile în care LED-urile sunt privite direct sau utilizate ca iluminatoare decât puterea precisă în lumeni sau candela. Creierul face ajustări excelente pentru orice variații ale intensității luminii, în timp ce ochiul uman este relativ indiferent față de acestea. Persoana medie care vizionează un ecran video LED pe o clădire, de exemplu, nu va observa o reducere de 20% a intensității, deoarece părți ale ecranului sunt vizualizate la 10 grade până la 20 de grade în afara axei, comparativ cu porțiunea direct pe axă, deoarece aceasta este o schimbare treptată care nu este percepută pe măsură ce se deplasează spre marginea vederii. În schimb, ochiul uman va observa o variație de culoare și va găsi deranjant dacă LED-urile unei zone au o diferență de lungime de undă de 10 nm față de cele din alte zone.
Majoritatea LED-urilor albe utilizate astăzi sunt create prin infuzarea unui fosfor vizibil cu lungime de undă mai mare cu un LED albastru. Asemănarea spectrală cu lumina soarelui este măsurată prin indicele de redare a culorilor (CRI). Majoritatea LED-urilor utilizate în iluminatul general în zilele noastre au un CRI mai bun de 80, 100 fiind considerate ca fiind echivalente cu lumina soarelui. LED-urile albe devin cel mai căutat produs pentru majoritatea aplicațiilor de iluminat datorită progreselor CRI și eficienței optice îmbunătățite.
Beneficiile și utilizările LED-urilor
În comparație cu luminile filtrate, LED-urile au mai multe beneficii pentru aplicațiile monocromatice, deoarece spectrele lor de lungime de undă sunt specificate mai precis. Economiile de energie din utilizarea unui bec incandescent filtrat pentru aplicații de iluminare generală pot fi potențial de 100 de ori mai mari. Aplicații precum semnalele de circulație și luminile arhitecturale beneficiază foarte mult de acest lucru. Un panou solar mic poate alimenta cu ușurință panourile LED de autostradă portabile cu putere redusă în locul unui generator mare, ceea ce este un beneficiu clar.
În general, LED-urile sunt mai puțin costisitoare, mai fiabile și pot fi alimentate de electronice mai ieftine decât laserele. LED-urile sunt acum clasificate separat atât de SUA, cât și de Uniunea Europeană. Din fericire, spre deosebire de lasere și diodele laser, LED-urile nu vin cu aceleași probleme de siguranță pentru ochi sau avertismente. Pe de altă parte, este imposibil să creați spoturi dense optic, foarte mici și foarte colimate cu LED-uri. Un laser este aproape întotdeauna necesar în aplicațiile care necesită o densitate de putere excepțional de mare într-o regiune compactă.
Astăzi, LED-urile sunt utilizate într-o gamă largă de sectoare și aplicații (Tabelul 1). Aceste dispozitive sunt extrem de economice și atrăgătoare atât pentru piața de consum, cât și pentru cea industrială, datorită fiabilității lor mari, eficienței ridicate și a costului total redus al sistemului în comparație cu laserele și lămpile. Fiecare tehnologie și/sau culoare LED unică a fost creată pentru a satisface nevoile unei anumite utilizări.
