Valgusdioodid: praimer
Pooljuhid, mida nimetatakse valgusdioodideks (LED), muudavad elektrienergia valgusenergiaks. Pooljuhtmaterjal ja koostis määravad väljundvalguse värvi, kusjuures LED-id liigitatakse sageli kolme lainepikkusesse: ultraviolett-, nähtav- ja infrapunakiirgus.
Saadaolevate müügilolevate LED-ide, mille üheelemendiline väljundvõimsus on vähemalt 5 mW, lainepikkuste vahemik on 275–950 nm. Sõltumata tootjast kasutatakse iga lainepikkuse vahemiku jaoks kindlat pooljuhtmaterjalide perekonda. Selles artiklis antakse ülevaade LED-ide toimimisest ja kiire pilk sektorile. Samuti arutatakse erinevaid LED-tüüpe, sobivaid lainepikkusi, nende ehitamisel kasutatud materjale ja mõningaid konkreetsete tulede kasutusviise.
UV-LED (ultraviolett-LED): 240 kuni 360 nm
UV-LED-sid kasutatakse eriti vee desinfitseerimiseks, meditsiinilistes/biomeditsiinilistes rakendustes ja tööstuslikus kõvenemises. Nii lühikestel lainepikkustel kui 280 nm on saavutatud üle 100 mW väljundvõimsus. Galliumnitriid/alumiinium-galliumnitriid (GaN/AlGaN), mille lainepikkus on 360 nm või pikem, on UV-LED-de jaoks kõige sagedamini kasutatav materjal. Lühemate lainepikkuste puhul kasutatakse eksklusiivseid materjale. Lühemaid lainepikkusi toodavad vaid vähesed pakkujad ja nende LED-ide kulud on võrreldes ülejäänud LED-toodete pakkumistega siiski üsna kõrged, isegi kui 360 nm ja pikemate lainepikkuste turg on alanenud hinna ja suure hulga tõttu stabiliseerumas. pakkumine.
Rohelised LED-id ulatuvad peaaegu UV-kiirgusest kuni 530 nm-ni
Selle lainepikkuse vahemikus olevate kaupade jaoks on kasutatud indiumgalliumnitriid (InGaN). Kuigi tehniliselt on võimalik toota LED-i, mille lainepikkus on vahemikus 395–530 nm, keskendub enamik suuremaid tarnijaid siniste LED-ide (450–475 nm) genereerimisele fosforipõhise valge valgustuse jaoks ja roheliste LED-ide loomisele 520–520– 530 nm vahemik foori rohelise valgustuse jaoks. Enamik inimesi peab nende LED-ide taga olevat tehnoloogiat arenenuks. Viimastel aastatel on optilise efektiivsuse paranemine aeglustunud või lakanud.
Valgusdioodid kollakasrohelisest punaseni: 565 kuni 645 nm
Selle lainepikkuse vahemiku jaoks kasutatav pooljuhtaine on alumiinium-indiumgalliumfosfiid (AlInGaP). Seda toodetakse enamasti foorikollase (590 nm) ja punase (625 nm) lainepikkusel. Kuigi need on vähem levinud, pakutakse selles tehnoloogias ka laimirohelist (või kollakasrohelist 565 nm) ja oranži (605 nm).
Tähelepanuväärne on märkida, et puhas roheline (555 nm) emitter ei ole ei InGaN ega AlInGaP tehnoloogia tunnusjoon. Selles puhta rohelise valdkonnas on vanemaid ja vähem tõhusaid tehnoloogiaid, kuid neid ei peeta tõhusaks ega hiilgavaks. Selle põhjuseks on peamiselt selle lainepikkuse vahemiku alternatiivsete materjalitehnoloogiate väljatöötamise rahastamise puudumine ning kaubandusliku huvi või nõudluse puudumine.
660 kuni 900 nm: sügavpunane kuni peaaegu infrapuna (IRLED)
Selle piirkonna seadmete ehitus võib esineda mitmel erineval kujul, kuid alati kasutatakse alumiinium-galliumarseniidi (AlGaAs) või galliumarseniidi (GaAs) elemente. Rakenduste hulgas on arvukalt meditsiinilisi kasutusviise (660–680 nm juures), samuti infrapuna-kaugjuhtimispulte ja öövaatlustulesid.
LED tööteooria
Selleks, et LED-id, mis on pooljuhtdioodid, kiirgaksid valgust, kui elektriline elektriline diood, tuleb rakendada elektrilist pinget, mis on piisav, et elektronid liiguksid üle ammendumise piirkonna ja ühendaksid selle teisel küljel oleva auguga elektron-augu paari moodustamiseks. vool rakendatakse seadme ettepoole. See paneb elektroni kiirgama footoni, kui see vabastab oma energia valguse kujul.
Kiirgava valguse lainepikkus sõltub pooljuhi ribalaiusest. Suurema ribalaiusega materjalid kiirgavad lühemaid lainepikkusi, kuna lühematel lainepikkustel on rohkem energiat. suuremad pinged on vajalikud ka suurema ribalaiusega materjalide juhtivuse jaoks. Kui lähi-IR LED-ide päripinge on 1,5–2.0 V, siis lühilainepikkusega UV-siniste LED-ide päripinge on 3,5 V.
Lainepikkuste saadavus ja efektiivsustegurid
Turupotentsiaal, tarbijanõudlus ja tööstusharu standardsed lainepikkused on peamised tegurid, mis määravad kindlaks, kas teatud lainepikkus on äriliselt tasuv või mitte. See on kõige märgatavam lainepikkuste vahemikes 420–460 nm, 480–520 nm ja 680–800 nm. Nende lainepikkuste vahemike jaoks pole LED-seadmeid tootvaid suuremahulisi tootjaid, kuna neid ei kasutata suures mahus. Sellegipoolest on võimalik leida väikeseid või keskmise suurusega müüjaid, kes pakuvad kaupu nende konkreetsete lainepikkuste täitmiseks eritellimusel.
Lainepikkuse piirkonna, kus iga materjalitehnoloogia on kõige tõhusam, võib leida peaaegu iga vahemiku keskel. Tõhusus väheneb, kui pooljuhtide dopingusisaldus tõuseb või langeb alla ideaalse taseme. Sel põhjusel toodab sinine LED palju rohkem valgust kui roheline või peaaegu UV-LED, merevaigukollane rohkem valgust kui kollakasroheline LED ja peaaegu IR toodab rohkem valgust kui 660 nm. Disain pigem spektri keskele kui servadele on alati parem valik. Lisaks on lihtsam hankida kaupu, mis ei ulatu materjalitehnoloogia piirimaile.
Valgusdioodide varustamine voolu ja pingega
LED-id on dioodid ja neid tuleb kasutada voolurežiimis, kuigi need on pooljuhid ja vajavad toimimiseks minimaalset pinget. LED-ide kasutamisel alalisvoolurežiimis on kaks peamist meetodit: Voolu piirava takisti kasutamine on kõige lihtsam ja populaarsem. Selle tehnoloogia puuduseks on märkimisväärne soojuse ja võimsuse hajumine takistis. Toitepinge peab olema oluliselt kõrgem kui LED-i päripinge, et vool püsiks ühtlane temperatuurimuutuste ajal ja ühest seadmest teise.
Kaubanduslikult müüdavaid LED-draivereid pakuvad mitmed tarnijad. Heleduse reguleerimiseks kasutavad need tavaliselt impulsi laiuse modulatsiooni põhimõtteid.
Jada- ja paralleelselt ühendatud massiivide puhul tekib kõrge voolu ja/või kõrgepinge režiimis LED-ide pulseerimisel mitmeid probleeme. Algaval disaineril ei ole otstarbekas luua vooluga juhitavat impulssajamit, mis suudaks pakkuda 5 A ja 20 V. Mõned ettevõtted toodavad pulseerivate LED-ide jaoks spetsiaalseid tööriistu.
LED-id rakendustes, mida inimesed näevad
Täpne värv on oluliselt olulisem olukordades, kus LED-e otse vaadeldakse või kasutatakse valgustitena, kui täpne väljund luumenites või kandelates. Aju kohandab suurepäraselt valguse intensiivsuse kõikumisi, samas kui inimsilm on nende suhtes suhteliselt ükskõikne. Näiteks keskmine inimene, kes vaatab hoones LED-videoekraani, ei märka 20-protsendilist intensiivsuse vähenemist, kuna ekraani osi vaadatakse 10–20 kraadi teljest kõrvale, võrreldes otse teljel oleva osaga, kuna see on järkjärguline muutus, mida nägemise serva poole liikudes ei tajuta. Seevastu inimsilm märkab värvimuutust ja peab seda häirivaks, kui mõne piirkonna LED-ide lainepikkuste erinevus teiste piirkondade omadest on 10 nm.
Enamik tänapäeval kasutusel olevaid valgeid LED-e on loodud pikema lainepikkusega nähtava luminofoori infundeerimisel sinise LED-iga. Spektri sarnasust päikesepaistega mõõdetakse värviedastusindeksi (CRI) abil. Enamiku tänapäeval üldvalgustuses kasutatavate LED-ide CRI on parem kui 80, kusjuures 100 on samaväärne päikesepaistega. Tänu CRI edusammudele ja paranenud optilisele efektiivsusele on valged LED-id saamas enamiku valgustusrakenduste jaoks ihaldatuimaks tooteks.
LED-i eelised ja kasutusalad
Võrreldes filtreeritud tuledega on LED-idel monokromaatiliste rakenduste jaoks mitmeid eeliseid, kuna nende lainepikkuse spektrid on täpsemalt määratletud. Üldvalgustuse jaoks mõeldud filtreeritud hõõglambi kasutamisest tulenev energiasääst võib olla 100 korda suurem. Sellised rakendused nagu foorid ja arhitektuursed tuled saavad sellest palju kasu. Väike päikesepaneel võib suure generaatori asemel hõlpsasti toita väikese võimsusega kaasaskantavaid maanteede LED-märke, mis on selge eelis.
Üldiselt on LED-id odavamad, töökindlamad ja neid võib toita odavam elektroonika kui lasereid. LED-id klassifitseerivad nüüd nii USA kui ka Euroopa Liit eraldi. Õnneks, erinevalt laseritest ja laserdioodidest, ei ole LED-idel samad silmade ohutusega seotud probleemid või hoiatused. Teisest küljest on LED-idega võimatu luua optiliselt tihedaid, väga pisikesi ja väga kollimeeritud kohti. Laserit on peaaegu alati vaja rakendustes, mis nõuavad kompaktses piirkonnas erakordselt suurt võimsustihedust.
Tänapäeval kasutatakse LED-e paljudes sektorites ja rakendustes (tabel 1). Need seadmed on äärmiselt ökonoomsed ja atraktiivsed nii tarbija- kui ka tööstusturgudele tänu nende suurele töökindlusele, suurele efektiivsusele ja väiksematele süsteemi kogukuludele võrreldes laserite ja lampidega. Iga ainulaadne LED-tehnoloogia ja/või värv on loodud konkreetse kasutuse vajaduste rahuldamiseks.
