Diode koje emituju svjetlost: Primer
Poluprovodnici koji se nazivaju diode koje emituju svjetlost (LED) pretvaraju električnu energiju u svjetlosnu energiju. Poluprovodnički materijal i sastav određuju boju izlazne svjetlosti, pri čemu se LED diode često kategoriziraju u tri valne dužine: ultraljubičasta, vidljiva i infracrvena.
Dostupne komercijalno dostupne LED diode sa izlaznom snagom jednog elementa od najmanje 5 mW imaju raspon talasnih dužina od 275 do 950 nm. Bez obzira na proizvođača, određena porodica poluprovodničkih materijala koristi se za svaki opseg talasnih dužina. Pregled funkcionisanja LED dioda i kratak pogled na sektor su dati u ovom članku. Također će se raspravljati o različitim vrstama LED dioda, odgovarajućim valnim dužinama, materijalima koji se koriste u njihovoj konstrukciji i nekim upotrebama za određena svjetla.
UV LED (ultraljubičaste LED diode): 240 do 360 nm
Posebno za dezinfekciju vode, medicinske/biomedicinske primjene i industrijsko očvršćavanje, koriste se UV LED diode. Na talasnim dužinama od samo 280 nm, postignuti su nivoi izlazne snage veći od 100 mW. Galijum nitrid/aluminijum galijum nitrid (GaN/AlGaN) sa talasnim dužinama od 360 nm ili duže je materijal koji se najčešće koristi za UV LED. Kraće valne dužine koriste ekskluzivne materijale. Kraće valne dužine proizvodi samo nekoliko dobavljača, a troškovi za ove LED diode su i dalje prilično visoki u usporedbi s ostatkom ponude LED proizvoda, čak i ako se tržište za valne dužine 360 nm i duže stabilizira zbog sniženih cijena i velikog snabdevanje.
Zelene LED diode se kreću od skoro UV do 530 nm
Indijum galijum nitrid (InGaN) je materijal koji se koristi za robu u ovom opsegu talasnih dužina. Iako je tehnički izvodljivo proizvesti LED sa talasnom dužinom bilo koje vrijednosti između 395 i 530 nm, većina velikih dobavljača fokusira se na generiranje plavih LED dioda (450 do 475 nm) za bijelo osvjetljenje na bazi fosfora i zelenih LED dioda u 520– Opseg 530 nm za zeleno svjetlo semafora. Većina ljudi smatra da je tehnologija koja stoji iza ovih LED dioda napredna. Tokom proteklih nekoliko godina, poboljšanja optičke efikasnosti su usporila ili prestala.
LED diode u rasponu od žuto-zelene do crvene: 565 do 645 nm
Poluprovodnička supstanca koja se koristi za ovaj opseg talasnih dužina je aluminijum indijum galijum fosfid (AlInGaP). Uglavnom se proizvodi u žutoj (590 nm) i crvenoj (625 nm) talasnoj dužini saobraćajnog signala. Iako su manje uobičajene, u ovoj tehnologiji se nude i limeta-zelena (ili žućkasto-zelena 565 nm) i narandžasta (605 nm).
Važno je napomenuti da čisto zeleni (555 nm) emiter nije karakteristika InGaN ili AlInGaP tehnologija. Postoje starije, manje efikasne tehnologije u ovoj oblasti čistog zelenog, ali se ne smatra da su efikasne ili briljantne. Ovo je uglavnom uzrokovano nedostatkom finansiranja za razvoj tehnologija alternativnih materijala za ovaj raspon talasnih dužina, kao i nedostatkom komercijalnog interesa ili potražnje.
660 do 900 nm: tamnocrvena do skoro infracrvena (IRLED)
Konstrukcija uređaja u ovoj oblasti može imati mnogo različitih oblika, ali oni uvijek koriste elemente aluminij-galijum-arsenida (AlGaAs) ili galij-arsenid (GaAs). Brojne medicinske upotrebe (na 660-680 nm), kao i infracrveni daljinski upravljači i noćna svjetla su među primjenama.
LED teorija rada
Električni napon koji je dovoljan da se elektroni kreću kroz područje iscrpljivanja i kombiniraju s rupom na drugoj strani kako bi stvorili par elektron-rupa mora se primijeniti kako bi LED, koje su poluvodičke diode, emitirale svjetlost kada električni struja se primjenjuje u smjeru naprijed uređaja. Ovo uzrokuje da elektron emituje foton dok oslobađa svoju energiju u obliku svjetlosti.
Talasna dužina emitovane svjetlosti ovisi o razmaku pojasa poluvodiča. Materijali sa većim razmakom emituju kraće talasne dužine jer kraće talasne dužine imaju više energije. veći naponi su takođe neophodni za provodljivost u materijalima sa većim razmakom pojasa. Dok bliske IR LED diode imaju prednji napon od 1,5 do 2.0 V, kratkotalasne UV-plave LED diode imaju prednji napon od 3,5 V.
Faktori dostupnosti i efikasnosti za talasne dužine
Tržišni potencijal, potražnja potrošača i standardne talasne dužine su glavne determinante da li je određena talasna dužina komercijalno održiva ili ne. Ovo je najuočljivije u opsegu talasnih dužina 420–460 nm, 480–520 nm i 680–800 nm. Ne postoje proizvođači velikih količina koji proizvode LED uređaje za ove opsege talasnih dužina jer za njih nema masovne upotrebe. Ipak, izvodljivo je locirati male ili srednje prodavce koji obezbeđuju robu za ispunjavanje ovih specifičnih talasnih dužina po meri.
Područje talasne dužine u kojem je svaka tehnologija materijala najefikasnija može se naći skoro u centru svakog opsega. Efikasnost se smanjuje kako nivo dopinga poluprovodnika raste ili pada ispod idealnog nivoa. Iz tog razloga, plava LED dioda proizvodi daleko više svjetla od zelene ili skoro UV LED, jantarna proizvodi više svjetla od žuto-zelenih LED, a bliska IR proizvodi više svjetlosti od 660 nm. Dizajniranje za sredinu spektra, a ne za rubove je uvijek bolja opcija. Osim toga, jednostavnije je nabaviti robu koja ne prelazi granice materijalne tehnologije.
Snabdijevanje LED dioda strujom i naponom
LED diode su diode i moraju raditi u strujnom režimu iako su poluvodiči i zahtijevaju minimalni napon da bi funkcionirali. Kada koristite LED diode u DC modu, postoje dvije primarne metode: Upotreba otpornika za ograničavanje struje je najjednostavniji i najpopularniji. Značajno rasipanje topline i snage u otporniku je nedostatak ove tehnologije. Napon napajanja mora biti znatno veći od napona naprijed LED diode da bi struja ostala stabilna tijekom promjena temperature i od jednog uređaja do drugog.
Komercijalni gotovi LED drajveri nude različiti dobavljači. Za kontrolu svjetline, oni obično funkcioniraju koristeći principe modulacije širine impulsa.
Jasan skup problema javlja se kada pulsiraju LED diode u visokostrujnom i/ili visokonaponskom režimu za nizove spojene serijski i paralelno. Nije izvodljivo za početnike da kreiraju strujno kontrolisan impulsni pogon koji može da obezbedi 5 A i 20 V. Nekoliko kompanija proizvodi specijalizovane alate za LED diode koje pulsiraju.
LED diode u aplikacijama koje ljudi mogu vidjeti
Tačna boja je mnogo važnija u situacijama kada se LED diode direktno gledaju ili koriste kao luminatori nego precizan izlaz u lumenima ili kandelama. Mozak izvrsno prilagođava sve varijacije u intenzitetu svjetlosti, dok je ljudsko oko na njih relativno ravnodušno. Prosječna osoba koja gleda LED video ekran na zgradi, na primjer, neće primijetiti smanjenje intenziteta od 20 posto jer se dijelovi ekrana gledaju pod uglom od 10 do 20 stupnjeva van ose u poređenju s dijelom direktno na osi jer ovo je postepena promena koja se ne opaža dok se kreće ka ivici vida. Nasuprot tome, ljudsko oko će primijetiti varijaciju u boji i smatrati da će biti uznemirujuće ako LED diode u nekom području imaju 10 nm razliku u talasnoj dužini od onih u drugim područjima.
Većina bijelih LED dioda koje se danas koriste nastaju dodavanjem vidljivog fosfora duže valne dužine s plavim LED diodom. Spektralna sličnost sa sunčevim zracima mjeri se indeksom prikazivanja boja (CRI). Većina LED dioda koje se danas koriste u opštoj rasvjeti imaju CRI bolji od 80, a 100 se smatra ekvivalentnim sunčevom svjetlu. Bijele LED diode postaju najtraženiji proizvod za većinu rasvjetnih aplikacija zbog napretka CRI i poboljšane optičke efikasnosti.
Prednosti i upotreba LED-a
U poređenju sa filtriranim svjetlima, LED diode imaju nekoliko prednosti za monokromatske aplikacije jer su njihovi spektri talasnih dužina preciznije specificirani. Ušteda energije upotrebom filtrirane sijalice sa žarnom niti za primjenu u općem osvjetljenju potencijalno može biti 100 puta veća. Aplikacije kao što su semafori i arhitektonska svjetla imaju velike koristi od toga. Mali solarni panel može lako napajati prijenosne LED znakove male snage za autoput umjesto velikog generatora, što je jasna prednost.
Općenito, LED diode su jeftinije, pouzdanije i mogu se napajati jeftinijom elektronikom od lasera. LED diode su sada odvojeno klasifikovane od strane SAD i Evropske unije. Srećom, za razliku od lasera i laserskih dioda, LED diode ne dolaze sa istim sigurnosnim problemima ili upozorenjima. S druge strane, nemoguće je stvoriti optički guste, vrlo sitne i visoko kolimirane mrlje sa LED diodama. Laser je gotovo uvijek potreban u aplikacijama koje zahtijevaju izuzetno veliku gustinu snage u kompaktnom području.
Danas se LED diode koriste u širokom spektru sektora i aplikacija (Tabela 1). Ovi uređaji su izuzetno ekonomični i privlačni kako za potrošačko tako i za industrijsko tržište zahvaljujući svojoj velikoj pouzdanosti, visokoj efikasnosti i smanjenim ukupnim troškovima sistema u poređenju sa laserima i lampama. Svaka jedinstvena LED tehnologija i/ili boja kreirana je da zadovolji potrebe određene upotrebe.
