Värvilised LED-id: kuidas saada erinevaid värve?

osa Värvilised LED-id Nad on meiega viimastel aastatel kaasas käinud. Iga kord, kui LED-ide uued toonid ilmuvad, pole see kõigil juhtudel lihtne olnud. Näiteks kurioosumina võiks teada, et valge valgusega LEDid ja sinise valgusega LEDid on viimaste seas turule jõudnud.

Praeguseks on neist saanud teatud tüüpi dioodid paljude valdkondade jaoks hädavajalik. Seetõttu saate sellest artiklist teada Kõik, mida peate teadma Nende kohta põhilised elektroonilised komponendid, miks nad valgust kiirgavad, miks need värvid ja palju muud...

Pooljuhtvalgust kiirgavad allikad

Nagu peaksite teadma, on pooljuhtseadmetest tuleneda võivad kaks valguse allikat Laserdioodid ja LED-dioodid. Kui LED põhineb spontaansel emissioonil, siis laserid põhinevad stimuleeritud emissioonil. See on nende kahe erinevus.

osa valgusdioodid (Light Emitting Diode) need on elektroonikaseadmete seas levinuim valgusallikas. Neid kasutatakse digikelladel kellaaja näitamiseks, aku tööst või laetusest märku andmiseks jne. Rakendusi on palju ja nüüdseks on nad hüpanud ka valgustuse juurde uute LED-pirnidega, et valgustada igat tüüpi ruume ja isegi sõidukeid.

Need LED-seadmed kuuluvad rühma opto-pooljuhid, mis on võimeline muutma elektrivoolu valguseks. Selle valgustusseadme suureks eeliseks on vastupidavus, kuna see ei põle läbi nagu lambipirnid ja on ka palju tõhusam, mistõttu kulub palju vähem kui tavalistel lambipirnidel. Lisaks on nende tootmiskulud väga madalad, mistõttu on need muutunud nii populaarseks.

Nagu igal teisel pooljuhtseadmel, on LED-il põhilised põhielemendid, näiteks P tsoonid aukudega (+) ja N tsoonid elektronidega (-)st mis tahes pooljuhtide tavalised laengukandjad. Ja see teeb:

• Kui P-pool on ühendatud toiteallikaga ja N-pool maandusega, on ühendus ettepoole kaldu, võimaldades voolul läbi dioodi voolata ja kiirgades valgust, mida me kõik näeme.
• Kui P-pool on ühendatud maandusega ja N-pool on ühendatud toiteallikaga, siis öeldakse, et ühendus on vastupidine, mis takistab voolu liikumist. Te juba teate, et dioodid takistavad voolu liikumist ühes suunas.
• Kui eelpingestus on P-poolne ja N-poolne enamus- ja vähemuslaengukandjad kombineeritud üksteisega, neutraliseerides laengukandjad PN-siirde ammendumise kihis. Ja see elektronide ja aukude migratsioon omakorda vabastab teatud koguse footoneid, see tähendab, et osa energiast eraldub valguse kujul, konstantse (monokromaatilise) lainepikkusega. See iseloomustab LED-i värvi, kuna sõltuvalt selle kiirgavast lainepikkusest võib see olla IR, sinine, kollane, roheline, kollane, merevaigukollane, valge, punane, UV jne.
• Elektromagnetilise spektri kiirgava lainepikkuse ja seega ka värvi määravad pooljuhtmaterjalid, mis moodustavad dioodi PN-siirde. Seetõttu saab pooljuhtühendeid varieerida või nendega mängida, et luua spektris või nähtavas vahemikus uusi värve.

Peab ütlema, et värve punane, sinine ja roheline (RGB või Red Green Blue) saab hõlpsasti kombineerida, et toodavad valget valgust. Teisalt peab ütlema, et ka LED-ide tööpinge varieerub olenevalt värvist. Näiteks punase, rohelise, merevaigukollase ja kollase värvid vajavad töötamiseks umbes 1.8 volti. Ja see on see, et valgusdioodi tööpinge vahemikku saab määrata vastavalt LED-i valmistamiseks kasutatud pooljuhtmaterjali läbilöögipingele.

LED tüübid

LED-e saab klassifitseerida mitmel viisil, üks peamisi on teha seda nende kiiratava lainepikkuse järgi, jättes kahte kategooriasse:

•  nähtavad LED-id: on need, mis kiirgavad lainepikkusi nähtavas spektris, st vahemikus 400 nm kuni 750 nm. Seda vahemikku näeb inimsilm, nagu ka heliväljas kuuleme ainult sagedustel 20 Hz kuni 20 Khz. Alla 20 Hz on infraheli, mida me ei kuule, ja üle 20 Khz on ultraheli, mida me samuti ei saa. Midagi sarnast juhtub valguse puhul, mille infrapuna või IR, kui see langeb alla 400 nm, ja ultraviolettvalgus, kui see läheb üle 750 nm. Mõlemad inimsilmale nähtamatud.
•  nähtamatud LED-id: on need lainepikkused, mida me ei näe, nagu IR-dioodi või UV-dioodi puhul.

Nähtavaid LED-e kasutatakse peamiselt valgustamiseks või signaalimiseks. Nähtamatuid LED-e kasutatakse fotosensorite abil sellistes rakendustes nagu optilised lülitid, optiline side ja analüüs jne.

Tõhusus

Nagu te hästi teate, on LED-valgustus palju tõhusam kui tavaline, seega kulub palju vähem energiat. See on tingitud LED-ide olemusest. Järgmises tabelis näete seost valgusvoo ja LED-ile antava elektrilise sisendvõimsuse vahel. See tähendab, et seda saab väljendada luumenites vati kohta (lm/W):

LED ehitus

Allikas: ResearchGate

La valgusdioodide struktuur ja konstruktsioon erinevad oluliselt tavalise dioodi omast, nagu zener jne. LED kiirgab valgust, kui selle PN-ristmik on ettepoole kallutatud. PN-ristmik on kaetud tahke epoksüvaigu ja läbipaistvast plastikust poolkerakujulise kupliga, mis kaitseb LED-i sisemust atmosfäärihäirete, vibratsiooni ja termiliste šokkide eest.

PN-ristmik moodustatakse kasutades materjalid madalama ribalaiusega ühendid, nagu galliumarseniid, galliumarseniidfosfiid, galliumfosfiid, indiumgalliumnitriid, galliumalumiiniumnitriid, ränikarbiid jne. Näiteks punased LED-id on ehitatud galliumarseniidi substraadile, rohelised, kollased ja oranžid galliumfosfiidile jne. Punastes on N-tüüpi kiht legeeritud telluuriga (Te) ja P-kiht tsingiga (Zn). Teisest küljest on kontaktkihid moodustatud alumiiniumist P-poolel ja tina-alumiiniumist N-poolel.

Samuti peaksite teadma, et need ristmikud ei kiirga palju valgust, seega epoksüvaigu kuppel see on konstrueeritud nii, et PN-siirde poolt kiiratud valguse footonid peegelduvad ja fokusseeritakse läbi selle kõige paremini. See tähendab, et see ei toimi mitte ainult kaitsjana, vaid ka valgust koondava läätsena. See on põhjus, miks kiirgav valgus paistab LED-i ülaosas olevat heledam.

LED-id on loodud tagama, et suurem osa laengukandjate rekombinatsioonist toimub PN-siirde pinnal arusaadavatel põhjustel ja see saavutatakse järgmisel viisil:

• Suurendades substraadi dopingu kontsentratsiooni, liiguvad täiendavad vähemuslaengukandjate elektronid struktuuri tippu, rekombineeruvad ja kiirgavad valgust LED-i pinnale.
• Suurendades laengukandjate difusiooni pikkust, st L = √ Dτ, kus D on difusioonikoefitsient ja τ on laengukandja eluiga. Kui seda suurendatakse üle kriitilise väärtuse, on võimalik seadmes vabanenud footonite reabsorptsioon.

Seega, kui LED-diood on ühendatud päripingega, kaubavedajad nad omandavad piisavalt energiat, et ületada PN-ristmikul olemasolev potentsiaalbarjäär. Vähemuslaengukandjad nii P-tüüpi kui ka N-tüüpi pooljuhtides süstitakse üle ristmiku ja rekombineeritakse enamuskandjatega. Enamus- ja vähemuskandjate kombinatsioon võib olla kahel viisil:

• kiirgav: kui rekombinatsiooni käigus kiirgab valgust.
• mitte kiirgav: rekombinatsiooni käigus valgust ei kiirgata, tekib soojus. See tähendab, et osa kasutatud elektrienergiast läheb kaotsi soojuse, mitte valguse kujul. Olenevalt valguse või soojuse genereerimiseks kasutatud energia protsendist on see LED-i efektiivsus.

orgaanilised pooljuhid

Viimasel ajal on nad ka turule tunginud OLED või orgaanilised valgusdioodid, mida on kasutatud kuvarite jaoks. Need uued orgaanilised dioodid koosnevad orgaanilise olemusega materjalist, st orgaanilisest pooljuhist, mille juhtivus on lubatud osaliselt või täielikult orgaanilises molekulis.

Need orgaanilised materjalid võivad sisalduda kristallilises faasis või polümeersetes molekulides. Selle eeliseks on väga õhuke struktuur, madal hind, nende tööks on vaja väga madalat pinget, neil on kõrge heledus ning maksimaalne kontrastsus ja intensiivsus.

LED värvid

Erinevalt tavalistest pooljuhtdioodidest kiirgavad LED-id seda valgust nende kasutatavate ühendite tõttu, nagu ma varem mainisin. Tavalised pooljuhtdioodid on valmistatud ränist või germaaniumist, kuid valgusdioodidel on ühendid näiteks:

• galliumarseniid
• galliumarseniidfosfiid
• Ränikarbiid
• indium-galliumnitriid

Nende materjalide segamine võib soovitud värvi saavutamiseks anda ainulaadse ja erineva lainepikkuse. Erinevad pooljuhtühendid kiirgavad valgust nähtava valguse spektri määratletud piirkondades ja tekitavad seetõttu erineva valgustugevuse taseme. Valgusdioodi valmistamisel kasutatud pooljuhtmaterjali valik määrab footonite emissioonide lainepikkuse ja sellest tuleneva kiiratava valguse värvi.

Kiirgusmuster

Kiirgusmuster on määratletud kui valguse emissiooni nurk kiirgava pinna suhtes. Maksimaalne võimsus, intensiivsus või energia saadakse kiirgava pinnaga risti olevas suunas. Valguse emissiooninurk sõltub kiiratavast värvist ja jääb tavaliselt vahemikku umbes 80° kuni 110°. Siin on tabel erinevad värvid ja materjalid:

LED-i kiirgava valguse värvust ei määra plastikust korpuse värv mis ümbritseb LED-i. See tuleb väga selgelt välja öelda. Nagu ma varem mainisin, kasutatakse epoksüvaiku nii valgustugevuse parandamiseks kui ka värvi näitamiseks, kui LED on välja lülitatud.

LED mitmevärviline

Turul on a saadaval lai valik LED-e, erineva kuju, suuruse, värvi, väljundvalguse intensiivsusega jne. Peab aga ütlema, et oma hinna eest on vaieldamatu kuningas galliumarseniidi fosfiidpunane LED, mille läbimõõt on 5mm. Seda kasutatakse maailmas enim, seega toodetakse seda kõige rohkem.

Kuid nagu olete näinud, on praegu palju erinevaid värve ja mitut värvi kombineeritakse isegi a LED mitmevärviline nagu see, mida me selles jaotises näeme…

Bicolor

Kahevärviline LED, nagu nimigi ütleb, on a LED, mis on võimeline kiirgama kahte erinevat värvi. See saavutatakse kahe erinevat värvi LED-i kombineerimisega samas pakendis. Sel viisil saate ühelt värvilt teisele muuta. Näiteks nagu need LED-tuled, mida näete mõnel seadmel, et näidata aku laetuse olekut, mis muutuvad laadimise ajal punaseks ja juba laadimise ajal roheliseks.

Nende LED-ide ehitamiseks on ühendatud paralleelselt, ühe LED-i anood on ühendatud teise LED-i katoodiga ja vastupidi. Sel viisil süttib ühe anoodi toiteallika korral ainult üks LED, see, mis saab toidet oma anoodi kaudu. Kui mõlemad anoodid on samaaegselt toidetud, on dünaamilise ümberlülitusega võimalik ka mõlemad korraga sisse lülitada.

Tricolor

Meil on ka kolmevärvilised LED-id ehk need võib kiirgada kolme erinevat värvi kahe asemel. Need ühendavad kolm LED-i ühise katoodiga samas pakendis ja ühe või kahe värvi valgustamiseks peate ühendama katood maandusega. Ja vool, mida toidab anoodi värv, mida soovite juhtida või sisse lülitada.

See tähendab, et ühe- või kahevärvilise LED-valgustuse jaoks on vaja ühendada toiteallikas kummalegi anoodile üksikult või samaaegselt. Neid kolmevärvilisi LED-tulesid kasutatakse sageli ka paljudes seadmetes, näiteks mobiiltelefonides, teavituste jms näitamiseks. Samuti genereerib seda tüüpi diood põhivärvide lisavarjundeid, lülitades kaks LED-i erinevatel alalisvoolu suhetel sisse.

LED RGB

See on põhimõtteliselt teatud tüüpi kolmevärviline LED, antud juhul tuntud kui RGB (punane roheline sinine), sest see kiirgab neid kolme värvi valgust. Nagu teate, on need muutunud väga populaarseks värviliste ribade ja mänguvarustuse puhul. Kuid kuigi teil on põhivärvid, ei ole võimalik genereerida kõiki värve ja toone. Mõned värvid jäävad RGB-kolmnurgast väljapoole ja selliseid värve nagu roosa, pruun jne on RGB-ga raske leida.

LED-i eelised ja puudused

Nüüd on aeg vaadata, millised on peamised eelised ja puudused nendest LED-dioodidest:

Eelis

• Väike suurus
• Madal tootmiskulud
• Pikk säilivusaeg (ei sula)*
• Kõrge energiatõhusus / madal tarbimine
• Madal temperatuur / vähem kiirgavat soojust
• Disaini paindlikkus
• Nad võivad toota palju erinevaid värve ja isegi valget valgust.
• Suur lülituskiirus
• kõrge valguse intensiivsus
• Saab olla mõeldud valguse fokuseerimiseks ühes suunas
• Need on tahkis-pooljuhtseadmed, seega on need vastupidavamad: vastupidavamad termilisele šokile ja vibratsioonile
• UV-kiirte olemasolu puudub

Puudused

• Kiirguskiirguse väljundvõimsuse ja LED-i lainepikkuse sõltuvus ümbritsevast temperatuurist.
• Tundlikkus ülepingest ja/või liigsest voolust tingitud kahjustuste suhtes.
• Teoreetiline üldine efektiivsus saavutatakse ainult spetsiaalsetes külma- või impulsstingimustes.

rakendused

Viimaseks, kuid mitte vähemtähtsaks, on vaja näidata, mis need on võimalikud rakendused mille jaoks need värvilised LED-id on ette nähtud:

• sõidukitulede jaoks
• Märgistus: näidikud, märgid, foorid
• Visuaalse teabe kuvamine armatuurlaudadel
• Kuvaritele, mille pikslid koosnevad LED-idest
• Meditsiinilised rakendused
• Juguetes
• Iluminación
• Kaugjuhtimispuldid (IR LED-id)
• jms