Light-Emitting Diodes: A Primer
Halvledare som kallas ljusemitterande dioder (LED) omvandlar elektrisk energi till ljusenergi. Halvledarmaterialet och sammansättningen bestämmer färgen på det utgående ljuset, med lysdioder som ofta kategoriseras i tre våglängder: ultraviolett, synligt och infrarött.
De tillgängliga kommersiellt tillgängliga lysdioderna med enelements uteffekt på minst 5 mW har ett våglängdsområde på 275 till 950 nm. Oavsett tillverkare används en speciell halvledarmaterialfamilj för varje våglängdsområde. En översikt över LED-funktion och en snabb blick på sektorn ges i den här artikeln. Det kommer också att diskuteras olika LED-typer, lämpliga våglängder, materialen som används i deras konstruktion och vissa användningsområden för de speciella lamporna.
UV-lysdioder (ultravioletta lysdioder): 240 till 360 nm
Särskilt för vattendesinfektion, medicinska/biomedicinska applikationer och industriell härdning används UV-lysdioder. Vid våglängder så korta som 280 nm har uteffektnivåer större än 100 mW uppnåtts. Galliumnitrid/aluminium galliumnitrid (GaN/AlGaN) med våglängder på 360 nm eller längre är det material som oftast används för UV-lysdioder. Kortare våglängder använder sig av exklusiva material. Kortare våglängder produceras av endast ett fåtal leverantörer, och kostnaderna för dessa lysdioder är fortfarande ganska höga jämfört med resten av LED-produkterbjudandena, även om marknaden för våglängder 360 nm och längre stabiliseras på grund av lägre prissättning och en stor tillförsel.
Gröna lysdioder sträcker sig från nära UV till 530 nm
Indiumgalliumnitrid (InGaN) är det material som används för varorna i detta våglängdsområde. Även om det är tekniskt möjligt att producera en lysdiod med en våglängd av valfritt värde mellan 395 och 530 nm, fokuserar majoriteten av stora leverantörer på att generera blå lysdioder (450 till 475 nm) för fosforbaserad vit belysning och gröna lysdioder i 520– 530 nm räckvidd för trafiksignals grön belysning. De flesta anser att tekniken bakom dessa lysdioder är avancerad. Under de senaste åren har förbättringar av optisk effektivitet saktat ner eller upphört.
Lysdioder som sträcker sig från gulgrön till röd: 565 till 645 nm
Halvledarsubstansen som används för detta våglängdsområde är aluminiumindiumgalliumfosfid (AlInGaP). Den produceras mestadels i trafiksignalens gula (590 nm) och röda (625 nm) våglängder. Även om de är mindre vanliga, erbjuds limegröna (eller gulgröna 565 nm) och orange (605 nm) också i denna teknik.
Det är anmärkningsvärt att notera att den rena gröna (555 nm) sändaren inte är en egenskap hos vare sig InGaN- eller AlInGaP-teknologierna. Det finns äldre, mindre effektiva tekniker inom detta område av rent grönt, men de anses inte vara effektiva eller briljanta. Detta orsakas främst av bristande finansiering för utveckling av alternativa materialteknologier för detta våglängdsområde samt bristande kommersiellt intresse eller efterfrågan.
660 till 900 nm: djupröd till nära infraröd (IRLED)
Konstruktionen av enheter inom detta område kan ta många olika former, men de använder alltid aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) eller galliumarsenid (GaAs) element. Många medicinska användningsområden (vid 660–680 nm) samt infraröda fjärrkontroller och mörkerseende är bland applikationerna.
LED-driftsteori
En elektrisk spänning som är tillräcklig för att elektronerna ska röra sig över utarmningsområdet och kombineras med ett hål på andra sidan för att skapa ett elektron-hålspar måste appliceras för att lysdioder, som är halvledardioder, ska avge ljus när en elektrisk ström appliceras i enhetens riktning framåt. Detta gör att elektronen sänder ut en foton när den frigör sin energi i form av ljus.
Våglängden för det emitterade ljuset beror på halvledarens bandgap. Material med högre bandgap avger kortare våglängder eftersom kortare våglängder har mer energi. högre spänningar är också nödvändiga för ledning i material med ett större bandgap. Medan nära-IR-lysdioder har en framåtspänning på 1,5 till 2,0 V, har kortvågiga UV-blå lysdioder en framåtspänning på 3,5 V.
Tillgänglighets- och effektivitetsfaktorer för våglängder
Marknadspotential, konsumentefterfrågan och industristandardvåglängder är de viktigaste bestämningsfaktorerna för om en viss våglängd är kommersiellt gångbar eller inte. Detta är mest märkbart i våglängdsområdena 420–460 nm, 480–520 nm och 680–800 nm. Det finns inga tillverkare av stora volymer som producerar LED-enheter för dessa våglängdsområden eftersom det inte finns några stora volymer för dem. Ändå är det möjligt att hitta små eller medelstora leverantörer som tillhandahåller varor för att fylla dessa specifika våglängder på en skräddarsydd basis.
Den våglängdsregion där varje materialteknik är mest effektiv kan hittas ganska nästan i mitten av varje område. Effektiviteten minskar när halvledarens dopningsnivå stiger eller faller under den ideala nivån. Av denna anledning producerar en blå LED mycket mer ljus än en grön eller nära UV LED, bärnsten producerar mer ljus än en gulgrön LED och nära IR producerar mer ljus än 660 nm. Att designa för mitten av spektrumet snarare än kanterna är alltid ett bättre alternativ. Dessutom är det enklare att få tag på varor som inte sträcker sig över materialteknologins gränser.
Levererar lysdioder med ström och spänning
Lysdioder är dioder och måste drivas i strömläge trots att de är halvledare och kräver en lägsta spänning för att fungera. När du använder lysdioder i DC-läge finns det två primära metoder: Användningen av ett strömbegränsande motstånd är den enklaste och mest populära. Den avsevärda värme- och effektförlusten i motståndet är en nackdel med denna teknik. Matningsspänningen måste vara avsevärt högre än framspänningen för lysdioden för att strömmen ska förbli konstant över temperaturförändringar och från en enhet till en annan.
Kommersiella off-the-shelf LED-drivrutiner erbjuds av en mängd olika leverantörer. För ljusstyrkekontroll fungerar de vanligtvis med hjälp av pulsbreddsmodulationsprinciper.
En distinkt uppsättning problem uppstår när lysdioder pulserar i högströms- och/eller högspänningsläge för arrayer kopplade i serie och parallellt. Det är inte praktiskt möjligt för en nybörjardesigner att skapa en strömstyrd pulsdrift som kan ge 5 A och 20 V. Ett fåtal företag tillverkar specialverktyg för lysdioder som pulserar.
Lysdioder i applikationer som människor kan se
Exakt färg spelar betydligt större roll i situationer där lysdioder direkt betraktas eller används som luminatorer än exakt uteffekt i lumen eller candela. Hjärnan gör utmärkta justeringar för alla variationer i ljusintensitet medan det mänskliga ögat är jämförelsevis likgiltigt för dem. Den genomsnittliga personen som tittar på en LED-videoskärm på en byggnad, till exempel, kommer inte att märka en 20-procentig minskning av intensiteten eftersom delar av skärmen ses 10 grader till 20 grader utanför axeln jämfört med delen direkt på axeln. detta är en gradvis förändring som inte uppfattas när den rör sig mot synkanten. Däremot kommer det mänskliga ögat att märka en färgvariation och tycker att det är besvärande om ett områdes lysdioder har en våglängdsskillnad på 10 nm från de i andra områden.
De flesta vita lysdioder som används idag skapas genom att ingjuta en synlig fosfor med längre våglängd med en blå lysdiod. Den spektrala likheten med solsken mäts med färgåtergivningsindex (CRI). De flesta lysdioder som används i allmänbelysning idag har en CRI bättre än 80, där 100 anses vara likvärdiga med solsken. Vita lysdioder blir den mest eftertraktade produkten för de flesta belysningstillämpningar på grund av CRI-framsteg och förbättrad optisk effektivitet.
Fördelar och användningsområden med LED
I jämförelse med filtrerat ljus har lysdioder flera fördelar för monokromatiska applikationer eftersom deras våglängdsspektra är mer exakt specificerade. Energibesparingen genom att använda en filtrerad glödlampa för allmän belysning kan potentiellt vara 100 gånger högre. Tillämpningar som trafiksignaler och arkitektoniska ljus drar stor nytta av detta. En liten solpanel kan lätt driva bärbara LED-skyltar med låg effekt i stället för en stor generator, vilket är en klar fördel.
I allmänhet är lysdioder billigare, mer pålitliga och kan drivas av billigare elektronik än lasrar. Lysdioder klassificeras nu separat av både USA och EU. Lyckligtvis, till skillnad från lasrar och laserdioder, kommer lysdioder inte med samma ögonsäkerhetsproblem eller varningar. Å andra sidan är det omöjligt att skapa optiskt täta, mycket små och mycket kollimerade fläckar med lysdioder. En laser behövs nästan alltid i applikationer som kräver exceptionellt hög effekttäthet i ett kompakt område.
Idag används lysdioder inom ett brett spektrum av sektorer och applikationer (tabell 1). Dessa enheter är extremt ekonomiska och tilltalande för både konsument- och industrimarknader tack vare deras stora pålitlighet, höga effektivitet och reducerade totala systemkostnad jämfört med lasrar och lampor. Varje unik LED-teknik och/eller färg har skapats för att möta en viss användnings behov.
