Světlo emitující diody: primer
Polovodiče nazývané světelné diody (LED) přeměňují elektrickou energii na světelnou energii. Polovodičový materiál a složení určují barvu výstupního světla, přičemž LED diody jsou často rozděleny do tří vlnových délek: ultrafialové, viditelné a infračervené.
Dostupné komerčně dostupné LED s jednoprvkovým výstupním výkonem alespoň 5 mW mají rozsah vlnových délek 275 až 950 nm. Bez ohledu na výrobce se pro každý rozsah vlnových délek používá zvláštní řada polovodičových materiálů. Přehled fungování LED a rychlý pohled do sektoru jsou uvedeny v tomto článku. Diskutovat se bude také o různých typech LED, vhodných vlnových délkách, materiálech použitých při jejich konstrukci a některých použitích pro konkrétní světla.
UV LED (ultrafialové LED): 240 až 360 nm
UV LED se používají zejména pro dezinfekci vody, lékařské/biomedicínské aplikace a průmyslové vytvrzování. Při vlnových délkách kratších než 280 nm bylo dosaženo výstupního výkonu vyššího než 100 mW. Gallium nitrid/hliník gallium nitrid (GaN/AlGaN) s vlnovými délkami 360 nm nebo delšími je materiál nejčastěji používaný pro UV LED. Kratší vlnové délky využívají exkluzivní materiály. Kratší vlnové délky vyrábí pouze několik poskytovatelů a náklady na tyto LED jsou stále poměrně vysoké ve srovnání se zbytkem nabídky LED produktů, i když se trh s vlnovými délkami 360 nm a delšími stabilizuje kvůli sníženým cenám a velkému zásobování.
Zelené LED diody se pohybují od blízkého UV do 530 nm
Materiálem používaným pro zboží v tomto rozsahu vlnových délek je nitrid india a galia (InGaN). I když je technicky možné vyrobit LED s vlnovou délkou jakékoli hodnoty mezi 395 a 530 nm, většina hlavních dodavatelů se zaměřuje na generování modrých LED (450 až 475 nm) pro bílé osvětlení na bázi fosforu a zelených LED v 520– Rozsah 530 nm pro zelené osvětlení dopravního signálu. Většina lidí považuje technologii za těmito LED za pokročilou. Během několika posledních let se zlepšení optické účinnosti zpomalilo nebo přestalo.
LED diody od žlutozelené po červenou: 565 až 645 nm
Polovodičovou látkou používanou pro tento rozsah vlnových délek je fosfid hliníku a india galia (AlInGaP). Většinou se vyrábí ve vlnových délkách dopravního signálu žluté (590 nm) a červené (625 nm). I když jsou méně obvyklé, v této technologii jsou nabízeny také limetkově zelená (nebo žlutozelená 565 nm) a oranžová (605 nm).
Je pozoruhodné, že čistě zelený (555 nm) emitor není součástí technologií InGaN ani AlInGaP. V této oblasti čisté zeleně existují starší, méně účinné technologie, ale nejsou považovány za účinné nebo brilantní. To je většinou způsobeno nedostatkem financí na vývoj alternativních materiálových technologií pro tento rozsah vlnových délek a také nedostatkem komerčního zájmu nebo poptávky.
660 až 900 nm: tmavě červená až blízko infračervené (IRLED)
Konstrukce zařízení v této oblasti může mít mnoho různých podob, vždy však využívají prvky arsenidu hliníku a galia (AlGaAs) nebo arsenidu galia (GaAs). Mezi aplikace patří četná lékařská použití (při 660–680 nm), stejně jako infračervená dálková ovládání a světla pro noční vidění.
Teorie provozu LED
Elektrické napětí, které je dostatečné k tomu, aby se elektrony pohybovaly přes oblast vyčerpání a spojily se s dírou na druhé straně k vytvoření páru elektron-díra, musí být aplikováno, aby LED, což jsou polovodičové diody, emitovaly světlo, když elektrický proud je aplikován v dopředném směru zařízení. To způsobí, že elektron emituje foton, když uvolňuje svou energii ve formě světla.
Vlnová délka vyzařovaného světla závisí na bandgapu polovodiče. Materiály s vyšším bandgapem vyzařují kratší vlnové délky, protože kratší vlnové délky mají více energie. vyšší napětí jsou také nutná pro vedení v materiálech s větší bandgap. Zatímco blízko-IR LED mají propustné napětí 1,5 až 2.{5}} V, krátkovlnné UV-modré LED mají propustné napětí 3,5 V.
Faktory dostupnosti a účinnosti pro vlnové délky
Tržní potenciál, spotřebitelská poptávka a standardní vlnové délky jsou hlavními faktory, které určují, zda je určitá vlnová délka komerčně životaschopná nebo ne. To je nejvíce patrné v rozsahu vlnových délek 420–460 nm, 480–520 nm a 680–800 nm. Neexistují žádní velkoobjemoví výrobci vyrábějící LED zařízení pro tyto rozsahy vlnových délek, protože pro ně neexistuje žádné velkoobjemové použití. Přesto je možné najít malé nebo středně velké dodavatele, kteří poskytují zboží pro naplnění těchto specifických vlnových délek na zakázku.
Oblast vlnových délek, kde je každá materiálová technologie nejúčinnější, lze nalézt téměř ve středu každého rozsahu. Účinnost se snižuje, když hladina dopingu polovodiče stoupá nebo klesá pod ideální úroveň. Z tohoto důvodu modrá LED produkuje mnohem více světla než zelená nebo téměř UV LED, oranžová produkuje více světla než žlutozelená LED a blízko IR produkuje více světla než 660 nm. Navrhování pro střed spektra spíše než pro okraje je vždy lepší volbou. Navíc je jednodušší získat zboží, které nepřekračuje hranice materiálové technologie.
Zásobování LED proudem a napětím
LED jsou diody a musí být provozovány v proudovém režimu, i když jsou polovodičové a vyžadují minimální napětí, aby fungovaly. Při použití LED v stejnosměrném režimu existují dvě primární metody: Použití rezistoru omezujícího proud je nejjednodušší a nejoblíbenější. Značná ztráta tepla a energie v rezistoru je nevýhodou této technologie. Napájecí napětí musí být podstatně vyšší než dopředné napětí LED, aby proud zůstal stálý při změnách teploty a od jednoho zařízení k druhému.
Komerční běžně dostupné ovladače LED nabízí řada dodavatelů. Pro řízení jasu obvykle fungují s využitím principů pulsně šířkové modulace.
Při pulsování LED ve vysokoproudém a/nebo vysokonapěťovém režimu pro pole zapojená sériově a paralelně vzniká zřetelný soubor problémů. Pro začínajícího konstruktéra není praktické vytvořit proudově řízený pulzní pohon, který může poskytnout 5 A a 20 V. Několik společností vyrábí specializované nástroje pro LED, které pulzují.
LED v aplikacích, které lidé mohou vidět
Přesná barva je mnohem důležitější v situacích, kdy jsou LED přímo pozorovány nebo používány jako svítidla, než přesný výstup v lumenech nebo kandelách. Mozek se výborně přizpůsobuje jakýmkoli změnám intenzity světla, zatímco lidské oko je k nim poměrně lhostejné. Průměrný člověk, který sleduje LED video obrazovku na budově, si například nevšimne 20procentního snížení intenzity, protože části obrazovky jsou sledovány pod úhlem 10 až 20 stupňů mimo osu ve srovnání s částí přímo na ose, protože jde o postupnou změnu, která není vnímána, když se pohybuje směrem k okraji vidění. Na rozdíl od toho si lidské oko všimne barevných variací a bude mu vadit, pokud mají LED v určité oblasti rozdíl vlnové délky 10 nm od těch v jiných oblastech.
Většina bílých LED diod, které se dnes používají, je vytvořena infuzí viditelného fosforu o delší vlnové délce s modrou LED. Spektrální podobnost se slunečním zářením se měří pomocí indexu podání barev (CRI). Většina LED používaných v současném osvětlení má CRI lepší než 80, přičemž 100 je považováno za ekvivalent slunečního svitu. Bílé LED se stávají nejžádanějším produktem pro většinu osvětlovacích aplikací díky zdokonalení CRI a zlepšené optické účinnosti.
Výhody a použití LED
Ve srovnání s filtrovanými světly mají LED diody několik výhod pro monochromatické aplikace, protože jejich spektra vlnových délek jsou přesněji specifikována. Úspora energie při použití filtrované žárovky pro běžné aplikace osvětlení může být potenciálně 100krát vyšší. Aplikace jako dopravní signály a architektonická světla z toho velmi těží. Malý solární panel může snadno napájet nízkoenergetické přenosné dálniční LED značky místo velkého generátoru, což je jasná výhoda.
Obecně platí, že LED jsou levnější, spolehlivější a mohou být napájeny levnější elektronikou než lasery. LED jsou nyní klasifikovány samostatně jak v USA, tak v Evropské unii. Naštěstí, na rozdíl od laserů a laserových diod, LED nepřicházejí se stejnými problémy s bezpečností očí nebo varováními. Na druhou stranu je nemožné vytvořit opticky husté, velmi drobné a vysoce kolimované body pomocí LED. Laser je téměř vždy potřeba v aplikacích, které vyžadují výjimečně vysokou hustotu výkonu v kompaktní oblasti.
V dnešní době se LED diody používají v celé řadě odvětví a aplikací (tabulka 1). Tato zařízení jsou extrémně ekonomická a přitažlivá pro spotřebitelské i průmyslové trhy díky své vysoké spolehlivosti, vysoké účinnosti a sníženým celkovým nákladům na systém ve srovnání s lasery a lampami. Každá jedinečná LED technologie a/nebo barva byla vytvořena tak, aby vyhovovala potřebám konkrétního použití.
