Gaismas diodes: Primer
Pusvadītāji, ko sauc par gaismas diodēm (LED), pārveido elektrisko enerģiju gaismas enerģijā. Pusvadītāju materiāls un sastāvs nosaka izejas gaismas krāsu, un gaismas diodes bieži tiek iedalītas trīs viļņu garumos: ultravioletais, redzamais un infrasarkanais.
Pieejamo komerciāli pieejamo gaismas diožu ar viena elementa izejas jaudu vismaz 5 mW ir viļņu garuma diapazons no 275 līdz 950 nm. Neatkarīgi no ražotāja katram viļņu garuma diapazonam tiek izmantota noteikta pusvadītāju materiālu saime. Šajā rakstā ir sniegts pārskats par LED darbību un īss ieskats nozarē. Tiks apspriesti arī dažādi gaismas diožu veidi, atbilstošie viļņu garumi, to konstrukcijā izmantotie materiāli un daži konkrēto lukturu pielietojumi.
UV gaismas diodes (ultravioletās gaismas diodes): 240 līdz 360 nm
Īpaši ūdens dezinfekcijai, medicīniskiem/biomedicīnas lietojumiem un rūpnieciskai konservēšanai tiek izmantotas UV gaismas diodes. Tik īsos viļņu garumos kā 280 nm ir sasniegti jaudas līmeņi, kas lielāki par 100 mW. Gallija nitrīds/alumīnija gallija nitrīds (GaN/AlGaN) ar viļņu garumu 360 nm vai ilgāk ir materiāls, ko visbiežāk izmanto UV gaismas diodēm. Īsākiem viļņu garumiem tiek izmantoti ekskluzīvi materiāli. Īsākus viļņu garumus ražo tikai daži pakalpojumu sniedzēji, un šo gaismas diožu izmaksas joprojām ir diezgan augstas, salīdzinot ar pārējiem LED produktu piedāvājumiem, pat ja 360 nm un garāku viļņu tirgus stabilizējas samazināto cenu un lielā piegāde.
Zaļās gaismas diodes svārstās no gandrīz UV līdz 530 nm
Indija gallija nitrīds (InGaN) ir materiāls, ko izmanto precēm šajā viļņu garuma diapazonā. Lai gan ir tehniski iespējams ražot LED ar jebkuru viļņa garumu no 395 līdz 530 nm, vairums lielāko piegādātāju koncentrējas uz zilu gaismas diožu (450 līdz 475 nm) ģenerēšanu baltajam apgaismojumam uz fosfora un zaļām gaismas diodēm 520–520 nm. 530 nm diapazons luksofora zaļajam apgaismojumam. Lielākā daļa cilvēku uzskata, ka šo LED tehnoloģiju pamatā ir progresīvas tehnoloģijas. Dažu pēdējo gadu laikā optiskās efektivitātes uzlabojumi ir palēninājušies vai izbeigušies.
Gaismas diodes, sākot no dzeltenzaļas līdz sarkanai: 565 līdz 645 nm
Šajā viļņu garuma diapazonā izmantotā pusvadītāju viela ir alumīnija indija gallija fosfīds (AlInGaP). To galvenokārt ražo luksofora dzeltenā (590 nm) un sarkanā (625 nm) viļņa garumā. Lai gan tie ir retāk sastopami, šajā tehnoloģijā tiek piedāvāta arī laima-zaļa (vai dzeltenzaļa 565 nm) un oranža (605 nm).
Jāatzīmē, ka tīri zaļais (555 nm) emitētājs nav ne InGaN, ne AlInGaP tehnoloģiju iezīme. Šajā tīri zaļā jomā ir vecākas, mazāk efektīvas tehnoloģijas, taču tās netiek uzskatītas par efektīvām vai izcilām. To galvenokārt izraisa finansējuma trūkums alternatīvu materiālu tehnoloģiju izstrādei šim viļņu garuma diapazonam, kā arī komerciālas intereses vai pieprasījuma trūkums.
660 līdz 900 nm: no tumši sarkanas līdz gandrīz infrasarkanajam (IRLED)
Ierīču konstrukcijai šajā jomā var būt dažādas formas, taču tajās vienmēr tiek izmantoti alumīnija gallija arsenīda (AlGaAs) vai gallija arsenīda (GaAs) elementi. Starp lietojumiem ir daudz medicīnisku lietojumu (pie 660–680 nm), kā arī infrasarkanās tālvadības pultis un nakts redzamības gaismas.
LED darbības teorija
Jāpieliek elektriskais spriegums, kas ir pietiekams, lai elektroni pārvietotos pa izsīkuma apgabalu un apvienotos ar caurumu otrā pusē, lai izveidotu elektronu caurumu pāri, lai gaismas diodes, kas ir pusvadītāju diodes, izstaro gaismu, kad elektriskā strāva tiek pievadīta ierīces virzienā uz priekšu. Tas liek elektronam izstarot fotonu, kad tas atbrīvo savu enerģiju gaismas veidā.
Izstarotās gaismas viļņa garums ir atkarīgs no pusvadītāja joslas spraugas. Materiāli ar lielāku joslas atstarpi izstaro īsākus viļņu garumus, jo īsākiem viļņu garumiem ir vairāk enerģijas. lielāki spriegumi ir nepieciešami arī vadītspējai materiālos ar lielāku joslas atstarpi. Tuvo infrasarkano staru gaismas diodēm tiešais spriegums ir 1,5–2.0 V, bet īsviļņu UV-zilajām gaismas diodēm tiešais spriegums ir 3,5 V.
Pieejamības un efektivitātes koeficienti viļņu garumiem
Tirgus potenciāls, patērētāju pieprasījums un nozares standarta viļņu garumi ir galvenie faktori, kas nosaka, vai noteikts viļņa garums ir komerciāli dzīvotspējīgs vai nē. Tas ir visievērojamākais viļņu garuma diapazonā no 420–460 nm, 480–520 nm un 680–800 nm. Nav liela apjoma ražotāju, kas ražotu LED ierīces šiem viļņu garuma diapazoniem, jo tām nav liela apjoma lietojuma. Tomēr ir iespējams atrast mazos vai vidējos pārdevējus, kas pēc pasūtījuma nodrošina preces, lai aizpildītu šos īpašos viļņu garumus.
Viļņa garuma apgabals, kurā katra materiāla tehnoloģija ir visefektīvākā, var atrasties gandrīz katra diapazona centrā. Efektivitāte samazinās, jo pusvadītāju dopinga līmenis paaugstinās vai nokrītas zem ideālā līmeņa. Šī iemesla dēļ zilā gaismas diode rada daudz vairāk gaismas nekā zaļa vai gandrīz UV gaismas diode, dzintara krāsa rada vairāk gaismas nekā dzeltenzaļa gaismas diode, un gandrīz IR rada vairāk gaismas nekā 660 nm. Projektēšana spektra vidum, nevis malām vienmēr ir labāka izvēle. Turklāt ir vienkāršāk iegūt preces, kas nepārkāpj materiālu tehnoloģiju robežas.
Gaismas diožu piegāde ar strāvu un spriegumu
Gaismas diodes ir diodes, un tās jādarbina strāvas režīmā, lai gan tās ir pusvadītāji un, lai darbotos, ir nepieciešams minimāls spriegums. Izmantojot gaismas diodes līdzstrāvas režīmā, ir divas galvenās metodes: Strāvas ierobežošanas rezistora izmantošana ir visvienkāršākā un populārākā. Šīs tehnoloģijas trūkums ir ievērojamā siltuma un jaudas izkliede rezistorā. Barošanas spriegumam ir jābūt ievērojami lielākam par gaismas diodes priekšējo spriegumu, lai strāva būtu vienmērīga temperatūras izmaiņu laikā un no vienas ierīces uz otru.
Komerciālos gatavus LED draiverus piedāvā dažādi piegādātāji. Spilgtuma kontrolei tie parasti darbojas, izmantojot impulsa platuma modulācijas principus.
Atsevišķas problēmas rodas, pulsējot gaismas diodes augstas strāvas un/vai augstsprieguma režīmā sērijveidā un paralēli savienotiem blokiem. Iesācējam dizainerim nav iespējams izveidot ar strāvu vadāmu impulsu piedziņu, kas var nodrošināt 5 A un 20 V. Daži uzņēmumi ražo specializētus instrumentus gaismas diodēm, kas pulsē.
Gaismas diodes lietojumprogrammās, kuras cilvēki var redzēt
Situācijās, kad gaismas diodes tiek tieši aplūkotas vai izmantotas kā gaismekļi, precīzai krāsai ir daudz lielāka nozīme nekā precīzai izvadei lūmenos vai kandelās. Smadzenes lieliski pielāgojas jebkādām gaismas intensitātes izmaiņām, kamēr cilvēka acs pret tām ir salīdzinoši vienaldzīga. Piemēram, vidusmēra cilvēks, kas skatās LED video ekrānu ēkā, nepamanīs 20 procentu intensitātes samazināšanos, jo ekrāna daļas tiek skatītas 10 grādi līdz 20 grādu leņķī ārpus ass, salīdzinot ar daļu, kas atrodas tieši uz ass, jo tās ir pakāpeniskas izmaiņas, kas netiek uztvertas, virzoties uz redzes malu. Turpretim cilvēka acs pamanīs krāsu variācijas un uzskatīs, ka tas ir apgrūtinoši, ja apgabala gaismas diodēm ir 10 nm viļņu garuma atšķirība no citām zonām.
Lielākā daļa mūsdienās izmantoto balto gaismas diožu ir izveidotas, iepludinot ilgāka viļņa garuma redzamu luminoforu ar zilu LED. Spektrālo līdzību ar saules gaismu mēra ar krāsu renderēšanas indeksu (CRI). Lielākajai daļai mūsdienās vispārējā apgaismojumā izmantoto gaismas diožu CRI ir augstāks par 80, un 100 tiek uzskatīti par līdzvērtīgiem saules gaismai. Baltās gaismas diodes kļūst par vispieprasītāko produktu lielākajai daļai apgaismojuma lietojumu, pateicoties CRI sasniegumiem un uzlabotai optiskajai efektivitātei.
LED priekšrocības un izmantošana
Salīdzinot ar filtrētām gaismām, LED ir vairākas priekšrocības monohromatiskajam lietojumam, jo to viļņu garuma spektri ir precīzāk norādīti. Enerģijas ietaupījums, izmantojot filtrētu kvēlspuldzi vispārējā apgaismojuma lietojumos, var būt 100 reizes lielāks. Tādas lietojumprogrammas kā luksofori un arhitektūras gaismas gūst lielu labumu. Neliels saules panelis var viegli darbināt mazjaudas pārnēsājamas šosejas LED zīmes liela ģeneratora vietā, kas ir nepārprotams ieguvums.
Kopumā gaismas diodes ir lētākas, uzticamākas, un tās var darbināt ar lētāku elektroniku nekā lāzeri. Tagad gan ASV, gan Eiropas Savienība LED klasificē atsevišķi. Par laimi, atšķirībā no lāzeriem un lāzerdiodēm, gaismas diodēm nav vienādas acu drošības problēmas vai brīdinājumi. No otras puses, ar gaismas diodēm nav iespējams izveidot optiski blīvus, ļoti mazus un ļoti kolimētus plankumus. Lāzers gandrīz vienmēr ir nepieciešams lietojumprogrammās, kurām nepieciešams īpaši liels jaudas blīvums kompaktā reģionā.
Mūsdienās gaismas diodes tiek izmantotas daudzās nozarēs un lietojumos (1. tabula). Šīs ierīces ir ārkārtīgi ekonomiskas un pievilcīgas gan patērētāju, gan rūpnieciskajiem tirgiem, pateicoties to lielajai uzticamībai, augstajai efektivitātei un zemākajām sistēmas kopējām izmaksām salīdzinājumā ar lāzeriem un lampām. Katra unikālā LED tehnoloģija un/vai krāsa ir radīta, lai atbilstu konkrēta lietojuma vajadzībām.
