Fénykibocsátó diódák: alapozó
A fénykibocsátó diódáknak (LED) nevezett félvezetők az elektromos energiát fényenergiává alakítják. A félvezető anyaga és összetétele határozza meg a kimenő fény színét, a LED-eket gyakran három hullámhosszra osztják: ultraibolya, látható és infravörös.
A kereskedelmi forgalomban kapható, legalább 5 mW-os egyelemes kimeneti LED-ek hullámhossz-tartománya 275-950 nm. A gyártótól függetlenül minden hullámhossz-tartományhoz egy adott félvezető anyagcsaládot használnak. Ez a cikk áttekintést nyújt a LED-ek működéséről és egy gyors áttekintést az ágazatról. Szó lesz a különböző LED-fajtákról, a megfelelő hullámhosszokról, az építésük során felhasznált anyagokról és az egyes lámpák felhasználásáról is.
UV LED-ek (ultraibolya LED-ek): 240-360 nm
Különösen a vízfertőtlenítéshez, az orvosi/orvosbiológiai alkalmazásokhoz és az ipari gyógyításhoz alkalmaznak UV LED-eket. Akár 280 nm-es hullámhosszon is 100 mW-nál nagyobb teljesítményszintet sikerült elérni. A 360 nm vagy annál hosszabb hullámhosszú gallium-nitrid/alumínium-gallium-nitrid (GaN/AlGaN) a leggyakrabban használt UV LED-ek anyaga. A rövidebb hullámhosszok exkluzív anyagokat használnak. Rövidebb hullámhosszakat csak néhány szolgáltató gyárt, és ezeknek a LED-eknek a költségei még mindig meglehetősen magasak a többi LED-es termékajánlathoz képest, még akkor is, ha a 360 nm-es és hosszabb hullámhosszak piaca stabilizálódik az alacsonyabb árak és a nagy mennyiség miatt. kínálat.
A zöld LED-ek tartománya közel UV-től 530 nm-ig terjed
Ebben a hullámhossz-tartományban az indium-gallium-nitrid (InGaN) az áruk alapanyaga. Bár műszakilag megvalósítható bármilyen 395 és 530 nm közötti hullámhosszú LED előállítása, a nagy beszállítók többsége kék LED-ek (450-475 nm) előállítására összpontosít foszfor alapú fehér megvilágításhoz és zöld LED-ek előállítására az 520-ban. 530 nm-es tartomány a közlekedési jelzőlámpák zöld világításához. A legtöbben fejlettnek tartják a LED-ek mögött meghúzódó technológiát. Az elmúlt néhány évben az optikai hatékonyság javulása lelassult vagy megszűnt.
A sárga-zöldtől a pirosig terjedő LED-ek: 565-645 nm
Az ehhez a hullámhossz-tartományhoz használt félvezető anyag az alumínium-indium-gallium-foszfid (AlInGaP). Leginkább a közlekedési jelzések sárga (590 nm) és piros (625 nm) hullámhosszán állítják elő. Bár ritkábban fordulnak elő, a lime-zöld (vagy sárgászöld 565 nm) és a narancssárga (605 nm) is megtalálható ebben a technológiában.
Érdemes megjegyezni, hogy a tiszta zöld (555 nm) emitter nem jellemző sem az InGaN, sem az AlInGaP technológiákra. Vannak régebbi, kevésbé hatékony technológiák ezen a tiszta zöld területen, de nem tartják őket hatékonynak vagy zseniálisnak. Ennek oka leginkább az erre a hullámhossz-tartományra vonatkozó alternatív anyagtechnológiák fejlesztésének finanszírozási hiánya, valamint a kereskedelmi érdeklődés vagy kereslet hiánya.
660-900 nm: mélyvöröstől közeli infravörösig (IRLED)
Ezen a területen az eszközök felépítése sokféle formát ölthet, de mindig alumínium-gallium-arzenid (AlGaAs) vagy gallium-arzenid (GaAs) elemeket használnak. Számos orvosi felhasználás (660–680 nm-en), valamint infravörös távirányítók és éjjellátó lámpák szerepelnek az alkalmazások között.
LED működéselmélet
Olyan elektromos feszültséget kell alkalmazni, amely elegendő ahhoz, hogy az elektronok áthaladjanak a kimerülési tartományon, és a másik oldalon lévő lyukkal kombinálva elektron-lyuk pár jöjjön létre, hogy a LED-ek, amelyek félvezető diódák, fényt bocsáthassanak ki, amikor egy elektromos áramot adnak a készülék előre irányába. Emiatt az elektron fotont bocsát ki, miközben energiáját fény formájában szabadítja fel.
A kibocsátott fény hullámhossza a félvezető sávszélességétől függ. A nagyobb sávszélességű anyagok rövidebb hullámhosszokat bocsátanak ki, mivel a rövidebb hullámhosszaknak több energiája van. nagyobb feszültségek is szükségesek a nagyobb sávszélességű anyagok vezetéséhez. Míg a közeli infravörös LED-ek előremenő feszültsége 1,5–2.{5}} V, a rövid hullámhosszú UV-kék LED-ek előremenő feszültsége 3,5 V.
A hullámhosszak elérhetőségi és hatékonysági tényezői
A piaci potenciál, a fogyasztói kereslet és az ipari szabvány hullámhosszai a fő meghatározói annak, hogy egy bizonyos hullámhossz kereskedelmileg életképes-e vagy sem. Ez leginkább a 420-460 nm-es, 480-520 nm-es és 680-800 nm-es hullámhossz-tartományban figyelhető meg. Nincsenek nagy volumenű gyártók, amelyek LED-es eszközöket gyártanak ezekre a hullámhossz-tartományokra, mivel ezeket nem használják nagy mennyiségben. Mindazonáltal megvalósítható olyan kis- vagy közepes méretű beszállítók felkutatása, amelyek egyedileg szállítanak árukat ezeknek a meghatározott hullámhosszoknak a kitöltésére.
Az a hullámhossz-tartomány, ahol minden anyagtechnológia a leghatékonyabb, nagyjából az egyes tartományok közepén található. A hatékonyság csökken, ha a félvezető adalékolási szintje az ideális szint alá emelkedik vagy csökken. Emiatt a kék LED sokkal több fényt bocsát ki, mint a zöld vagy közel UV LED, a borostyán több fényt, mint a sárgászöld LED, és a közeli infravörös fény több mint 660 nm. Mindig jobb megoldás a spektrum közepére, nem pedig az élekre való tervezés. Ezen túlmenően egyszerűbb olyan árut beszerezni, amely nem esik át az anyagtechnológia határain.
LED-ek árammal és feszültséggel való ellátása
A LED-ek diódák, és áram üzemmódban kell őket működtetni, még akkor is, ha félvezetők, és működésükhöz minimális feszültségre van szükség. A LED-ek egyenáramú üzemmódban történő használatakor két elsődleges módszer létezik: Az áramkorlátozó ellenállás használata a legegyszerűbb és legnépszerűbb. Ennek a technológiának a hátránya a jelentős hő- és teljesítménydisszisztálás az ellenállásban. A tápfeszültségnek lényegesen magasabbnak kell lennie, mint a LED előremenő feszültsége, hogy az áram állandó maradjon a hőmérséklet-változások során és egyik eszközről a másikra.
Különféle beszállítók kínálnak kereskedelmi forgalomban kapható, kész LED-meghajtókat. A fényerő szabályozására jellemzően az impulzusszélesség-modulációs elvek alapján működnek.
Különféle problémák merülnek fel, amikor a LED-eket nagyáramú és/vagy nagyfeszültségű üzemmódban pulzálják sorosan és párhuzamosan kapcsolt tömbök esetén. Egy kezdő tervező számára nem kivitelezhető olyan áramvezérelt impulzusmeghajtó létrehozása, amely 5 A és 20 V feszültséget tud biztosítani. Néhány cég speciális eszközöket gyárt pulzáló LED-ekhez.
LED-ek az alkalmazásokban, amelyeket az emberek láthatnak
A pontos szín lényegesen fontosabb olyan helyzetekben, amikor a LED-eket közvetlenül nézik vagy fényforrásként használják, mint a precíz kibocsátás lumenben vagy kandelában. Az agy kiválóan alkalmazkodik a fényintenzitás bármilyen változásához, miközben az emberi szem viszonylag közömbös ezek iránt. Az átlagos ember, aki például egy épületen LED-videóképernyőt néz, nem vesz észre 20 százalékos intenzitáscsökkenést, mivel a képernyő egyes részei 10–20 fokos szögben nézik a tengelyen kívüli részeket, mint a közvetlenül a tengelyen lévő részek. ez egy fokozatos változás, amelyet nem észlelünk, amikor a látás széle felé halad. Ezzel szemben az emberi szem észreveszi a színeltéréseket, és zavarónak találja, ha egy terület LED-jeinek hullámhossza 10 nm-rel különbözik más területeken lévőktől.
A legtöbb manapság használt fehér LED-et úgy hozzák létre, hogy egy hosszabb hullámhosszú látható fényport kék LED-del infúzióval hoznak létre. A napsütéshez való spektrális hasonlóságot a színvisszaadási index (CRI) méri. A manapság általános világításban használt LED-ek többségének CRI-értéke jobb, mint 80, és 100-at a napsütésnek tekintenek. A fehér LED-ek a világítási alkalmazások többségében a legkeresettebb termékekké válnak a CRI fejlődésének és a jobb optikai hatékonyságnak köszönhetően.
A LED előnyei és felhasználási területei
A szűrt fényekhez képest a LED-ek számos előnnyel rendelkeznek a monokromatikus alkalmazásokhoz, mivel a hullámhossz-spektrumuk pontosabban meghatározott. Az általános világítási alkalmazásokban használt szűrt izzók energiamegtakarítása 100-szor nagyobb lehet. Az olyan alkalmazások, mint a közlekedési jelzőlámpák és az építészeti lámpák, nagy hasznot húznak ebből. Egy apró napelem könnyen táplálja az alacsony fogyasztású hordozható autópálya LED-táblákat egy nagy generátor helyett, ami egyértelmű előny.
Általánosságban elmondható, hogy a LED-ek olcsóbbak, megbízhatóbbak, és a lézereknél olcsóbb elektronika táplálhatja őket. A LED-eket ma már az Egyesült Államok és az Európai Unió is külön osztályozza. Szerencsére a lézerekkel és lézerdiódákkal ellentétben a LED-ek nem ugyanazokat a szembiztonsági problémákat vagy figyelmeztetéseket tartalmazzák. Másrészt viszont lehetetlen optikailag sűrű, nagyon apró és erősen kollimált foltokat létrehozni LED-ekkel. Lézerre szinte mindig szükség van olyan alkalmazásokban, amelyek rendkívül nagy teljesítménysűrűséget igényelnek egy kompakt területen.
Manapság a LED-eket számos ágazatban és alkalmazásban használják (1. táblázat). Ezek az eszközök rendkívül gazdaságosak és vonzóak mind a fogyasztói, mind az ipari piacok számára, köszönhetően nagy megbízhatóságuknak, nagy hatékonyságuknak és a lézerekhez és lámpákhoz képest alacsonyabb rendszerköltségüknek. Minden egyedi LED technológia és/vagy szín úgy lett kialakítva, hogy megfeleljen egy adott felhasználási igénynek.
