Led

LED (lysemitterende diode)
Blå, gule, grønne og røde lysdioder i en 5 mm diffusionspakke
Fyr	Halvleder
Driftsprincip	elektroluminescens
Opfindelse	H. J. Round (1907) Oleg Losev (1927) James R. Biard (1961) Nick Holonyak (1962) Shuji Nakamura (1994) ]
første produktion	oktober 1962
elektronisk symbol
terminaler	anode og katode

En lysemitterende diode eller led (også kendt under forkortelsen LED , fra det engelske lysdiode ) er en lyskilde, der består af et halvledermateriale med to terminaler . Dette er en pn junction diode , som udsender lys, når den aktiveres. Hvis der påføres en passende spænding til terminalerne, rekombinerer elektronerne med hullerne i enhedens pn -forbindelsesregion og frigiver energi i form af fotoner . Denne effekt kaldes elektroluminescens , og farven på det genererede lys (afhængigt af energien af ​​de udsendte fotoner ) bestemmes af bredden af ​​halvlederens båndgab . LED'er er normalt små (mindre end 1 mm²), og nogle optiske komponenter er forbundet med dem for at opsætte et strålingsmønster. ]

De første LED'er blev fremstillet som elektroniske komponenter til praktisk brug i 1962, og de udsendte infrarødt lys med lav intensitet. Disse infrarøde LED'er bliver fortsat brugt som sendeelementer i fjernbetjeningskredsløb, såsom fjernbetjeninger, der bruges i en lang række forbrugerelektronikprodukter. De første lysdioder med synligt lys havde også lav intensitet og begrænset til det røde spektrum. Moderne LED'er kan spænde over bølgelængder inden for de synlige , ultraviolette og infrarøde spektre og nå meget høje lysstyrker.

De første LED'er blev brugt i elektronisk udstyr som indikatorlamper til at erstatte glødepærer. De blev hurtigt knyttet til numeriske skærme i form af syv-segment alfanumeriske indikatorer , samtidig med at de blev indarbejdet i digitale ure. Den seneste udvikling gør det allerede muligt at bruge LED'er til omgivende belysning i deres forskellige applikationer. LED'er har muliggjort udviklingen af ​​nye skærme og sensorer, og deres høje koblingshastigheder gør det muligt også at bruge dem til avancerede kommunikationsteknologier.

I dag tilbyder LED'er mange fordele i forhold til konventionelle glødelamper eller fluorescerende lyskilder, især lavere strømforbrug, længere levetid, forbedret fysisk robusthed, mindre størrelse og evnen til at fremstille dem på en række forskellige måder. farver i det synlige spektrum i en meget mere defineret og kontrolleret måde; i tilfælde af flerfarvede LED'er, med en hurtig koblingsfrekvens.

Disse dioder bruges nu i så forskellige applikationer, at de dækker alle aktuelle teknologiske områder, fra bioteknik , medicin og sundhed , gennem nanoteknologi og kvantecomputere , elektroniske enheder eller belysning inden for mineteknik ; blandt de mest populære er baggrundsbelysningen af ​​tv- og computerskærme samt mobile enheder ​ navigationslys på fly , forlygter på køretøjer , reklamer, belysning generelt , trafiklys , blinkende lamper og lysende tapeter. Siden begyndelsen af ​​2017 har LED-lamper til boligbelysning været lige så billige eller billigere end kompakte lysstofrør med en adfærd svarende til LED. De er også mere energieffektive, og deres bortskaffelse som affald kan forårsage færre miljøproblemer. ]

Dele af en konventionel led. De flade overflader af ambolten og stolpen i epoxy-indstøbningen fungerer som ankre for at forhindre ledere i at flytte sig under mekanisk belastning eller vibration.

Forstørret billede af en overflademonteret LED

Historie

Opdagelse og tidlige enheder

Fænomenet elektroluminescens blev opdaget i 1907 af den britiske eksperimentator Henry Joseph Round , fra Marconi Laboratories , ved hjælp af en siliciumcarbid krystal og en kattehårhårdetektor . Den sovjetiske opfinder Oleg Losev rapporterede om konstruktionen af ​​den første LED i 1927. Hans forskning dukkede op i sovjetiske, tyske og britiske videnskabelige tidsskrifter, men opdagelsen blev først omsat flere årtier senere. Kurt Lehovec, Carl Accardo og Edward Jamgochian fortolkede mekanismen for disse første LED-dioder i 1951 ved hjælp af en enhed, der brugte siliciumcarbidkrystaller, med en impulsgenerator og en strømforsyning, og i 1953 med en variant af krystalren.

RCA 's Rubin Braunstein rapporterede i 1955 om infrarød emission fra galliumarsenid (GaAs) og andre halvlederlegeringer. Braunstein observerede, at denne emission blev genereret i dioder konstrueret af galliumantimonid (GaSb), galliumarsenid (GaAs), indiumphosphid (InP) og silicium-germanium (SiGe) legeringer ved stuetemperatur og 77 kelvin.

I 1957 viste Braunstein også, at disse rudimentære enheder kunne bruges til kortdistance, ikke-radiokommunikation. Som Kroemer påpeger, etablerede Braunstein en meget enkel linje af optisk kommunikation: han tog musikken fra en pladespiller og behandlede den gennem passende elektronik for at modulere jævnstrømmen produceret af en GaAs Gallium Arsenide diode . Lyset udsendt af GaAS-dioden var i stand til at sensibilisere en PbS Lead Sulfide -diode placeret i en vis afstand. Signalet, der således blev genereret af PbS-dioden, blev inputtet til en lydforstærker og transmitteret gennem en højttaler. Da lysstrålen blev opsnappet mellem de to LED'er, stoppede musikken. Denne forsamling varslede allerede brugen af ​​LED'er til optisk kommunikation.

Grøn elektroluminescens fra et kontaktpunkt på en SiC -krystal gengiver det originale eksperiment, som Round udførte i 1907.

I september 1961 opdagede James R. Biard og Gary Pittman, der arbejdede hos Texas Instruments (TI) i Dallas , Texas , infrarød stråling (900 nm), der kom fra en tunneldiode, som de havde konstrueret ved hjælp af et kulstofarsenidsubstrat, gallium (GaAs). I oktober 1961 demonstrerede de eksistensen af ​​effektiv lysemission og signalkobling mellem den lysemitterende galliumarsenid pn-forbindelse og en elektrisk isoleret fotodetektor lavet af et halvledermateriale. Baseret på deres opdagelser producerede Biard og Pittman den 8. august 1962 et patent med titlen "Semiconductor Radiant Diode" , der beskrev, hvordan en zinklegering diffunderede under væksten af ​​krystallen, der danner substratet for en pn-junction LED med en katodekontakt tilstrækkelig adskilt, tillod emission af infrarødt lys effektivt i fremadgående bias.

I lyset af vigtigheden af ​​hans forskning, som den fremgik af hans tekniske notesbøger, og selv før han kommunikerede hans resultater fra laboratorierne hos General Electric , Radio Corporation of America , IBM , Bell Laboratories eller laboratorierne fra Lincoln Laboratory fra Massachusetts Institute of Teknologi , de fik et patent af United States Patent and Trademark Office for opfindelsen af ​​galliumarsenid infrarøde lysemitterende dioder (US patent US3293513A), , som betragtes som de første LED'er i praktisk brug. Umiddelbart efter patentet var indgivet, startede TI et projekt med at fremstille de infrarøde dioder. I oktober 1962 udviklede Texas Instruments den første kommercielle LED (SNX-100), som brugte en ren galliumarsenidkrystal til at udsende 890nm lys. I oktober 1963 bragte TI den første kommercielle halvkugleformede LED på markedet, SNX-110. ]

Den første LED med emission i det synlige spektrum (rød) blev udviklet i 1962 af Nick Holonyak , Jr., da han arbejdede hos General Electric . Holonyak rapporterede i tidsskriftet Applied Physics Letters den 1. december 1962. I 1972 opfandt M. George Craford , en kandidatstuderende fra Holonyak, den første gule LED og forbedrede lysstyrken af ​​LED'er, røde og rød-orange LED'er. med en faktor ti. I 1976 byggede TP Pearsall de første højlysstyrke, højeffektive LED'er til telekommunikation over fiberoptik. For at gøre dette opdagede han nye halvledermaterialer, der udtrykkeligt var tilpasset bølgelængderne af den førnævnte optiske fibertransmission. ]

Indledende kommerciel udvikling

De første kommercielle LED'er blev generelt brugt til at erstatte glødelamper og neon indikatorlamper samt i syv-segment displays . Først i dyrt udstyr såsom elektronisk og laboratorietestudstyr, og senere i andre elektriske apparater såsom fjernsyn, radioer, telefoner, lommeregnere samt armbåndsure. Indtil 1968 var synlige og infrarøde lysdioder ekstremt dyre, i størrelsesordenen $ 200 pr. enhed, og havde derfor kun lidt praktisk brug. Monsanto Company var den første til at masseproducere synlige lysdioder ved at bruge galliumarsenidphosphid (GaAsP) i 1968 til at producere røde lysdioder til indikatorer. ]

Hewlett-Packard (HP) introducerede LED'er i 1968, oprindeligt ved hjælp af GaAsP leveret af Monsanto. Disse røde lysdioder var lyse nok til at blive brugt som indikatorer, da det udsendte lys ikke var nok til at oplyse et område. Aflæsningerne på regnemaskinerne var så svage, at plastiklinser blev placeret over hvert ciffer for at gøre dem læselige. Senere dukkede andre farver op og blev meget brugt i gadgets og udstyr. I 1970'erne producerede Fairchild Optoelectronics kommercielt succesfuldt LED-enheder for mindre end fem cent hver. Disse enheder anvendte sammensatte halvlederchips fremstillet ved hjælp af den plane proces opfundet af Jean Hoerni fra Fairchild Semiconductor . Planar bearbejdning til chipfremstilling kombineret med innovative emballeringsmetoder gjorde det muligt for holdet ledet af optoelektronikpioneren Thomas Brandt at opnå de nødvendige omkostningsreduktioner hos Fairchild. Disse metoder bruges stadig af LED-producenter. ]

LED-display af en TI-30 videnskabelig lommeregner (ca. 1978), der bruger plastiklinser til at øge den synlige størrelse af cifrene

De fleste LED'er blev lavet i de typiske 5 mm T1¾ og 3 mm T1 pakker, men med stigningen i effektudgangen er det blevet mere og mere nødvendigt at fjerne overskydende varme for at opretholde pålideligheden. Det har derfor været nødvendigt at designe mere komplekse pakker designet til at opnå effektiv varmeafledning. De pakker, der i øjeblikket bruges til højeffekt-LED'er, minder ikke meget om de tidlige LED'er.

Blå LED

Blå LED'er blev først udviklet af RCA's Henry Paul Maruska i 1972 ved hjælp af Gallium Nitride (GaN) på et safirsubstrat. SiC (fremstillet af siliciumcarbid) begyndte at blive markedsført af Cree, Inc., USA i 1989. Ingen af ​​disse blå lysdioder var dog meget lyse.

Den første blå LED med høj lysstyrke blev introduceret af Shuji Nakamura fra Nichia Corp. i 1994 fra Indium Gallium Nitride ( InGaN ) materiale. ​ Isamu Akasaki og Hiroshi Amano i Nagoya arbejdede parallelt på den krystallinske kernedannelse af Gallium Nitride på safirsubstrater og opnåede således p-type doping med nævnte materiale. Som en konsekvens af deres undersøgelser blev Nakamura, Akasaki og Amano tildelt Nobelprisen i fysik . ​ I 1995 undersøgte Alberto Barbieri fra Cardiff University (UK) laboratoriet effektiviteten og pålideligheden af ​​lysdioder med høj lysstyrke, og som et resultat af sin forskning opnåede han en LED med en gennemsigtig kontaktelektrode ved hjælp af indiumtinoxid (ITO) på aluminium-gallium-indiumphosphid og galliumarsenid.

I 2001 og 2002 blev der udført processer for at dyrke galliumnitrid-LED'er på silicium. Som et resultat af denne forskning lancerede Osram i januar 2012 højeffekt indium galliumnitrid LED'er dyrket på siliciumsubstrater. ]

Hvid led og evolution

Illustration af Haitz's lov , der viser forbedring over tid, ved hjælp af en logaritmisk skala på den lodrette akse.

Opnåelsen af ​​høj effektivitet i blå LED'er blev hurtigt fulgt af udviklingen af ​​den første hvide LED. I en sådan indretning absorberer en belægning "phosphor" (fluorescerende materiale) Y ₃ Al ₅ O ₁₂ : Ce (kendt som YAG eller yttrium aluminium granat) noget af den blå emission og genererer gult lys ved fluorescens. På lignende måde er det muligt at indføre andre "fosforstoffer", der genererer grønt eller rødt lys ved fluorescens . Den resulterende blanding af rød, grøn og blå opfattes af det menneskelige øje som hvid; på den anden side ville det ikke være muligt at se røde eller grønne objekter ved at belyse dem med YAG-fosforen, da den kun genererer gult lys sammen med en rest af blåt lys.

De første hvide lysdioder var dyre og ineffektive. Imidlertid er intensiteten af ​​lys produceret af LED'er steget eksponentielt, med en fordoblingstid, der forekommer cirka hver 36. måned siden 1960'erne (ifølge Moores lov ). Denne tendens tilskrives generelt en parallel udvikling af andre halvlederteknologier og fremskridt inden for optik og materialevidenskab, og er blevet kaldt Haitz' lov efter Roland Haitz. ]

Lysudbyttet og effektiviteten af ​​blå og næsten-ultraviolette LED'er steg, mens prisen på belysningsarmaturer lavet af dem faldt, hvilket førte til brugen af ​​hvidt lys LED'er til belysning. Faktum er, at de erstatter gløde- og fluorescerende belysning. ]

Hvide LED'er kan producere 300 lumen pr. elektrisk watt, mens de varer op til 100.000 timer. Sammenlignet med glødepærer betyder dette ikke kun en enorm stigning i elektrisk effektivitet, men også en tilsvarende eller lavere pris pr. pære. ]

Driftsprincip

Et PN-kryds kan give en elektrisk strøm, når det er belyst. På samme måde kan et PN-kryds, der strømmer gennem en jævnstrøm, udsende lysfotoner. Der er to måder at overveje fænomenet elektroluminescens på . I det andet tilfælde kan dette defineres som udsendelsen af ​​lys fra en halvleder , når den udsættes for et elektrisk felt . Ladningsbærere rekombinerer ved et PN-kryds, der er arrangeret i fremadgående bias . Specifikt krydser elektroner i N-regionen potentialbarrieren og rekombinerer med huller i P-regionen. Frie elektroner er i ledningsbåndet, mens huller er i valensbåndet . På denne måde er energiniveauet i hullerne lavere end elektronernes. Når elektroner og huller rekombinerer, udsendes en brøkdel af energien som varme og en anden brøkdel som lys.

Forlæns bias af PN-krydset i en LED-diode. Fremstilling af fotoner som følge af rekombinationen mellem elektroner og huller (øverste del). Fænomenet rekombination observeret i et energibånddiagram (nederst).

Det fysiske fænomen, der finder sted i et PN-kryds, når strømmen passerer i fremadgående bias, består derfor af en række elektron-hul-rekombinationer . Fænomenet rekombination er ledsaget af udsendelse af energi. I almindelige Germanium- eller Siliciumdioder produceres fononer eller vibrationer af halvlederens krystalstruktur, som blot bidrager til dens opvarmning. I tilfælde af LED-dioder er halvledermaterialerne forskellige fra de tidligere, for eksempel forskellige type III-V-legeringer såsom galliumarsenid (AsGa), galliumphosphid (PGa) eller phosphoarsenid af gallium. gallium (PAsGa) .

I disse halvledere fjerner de rekombinationer, der finder sted ved PN-forbindelserne, overskydende energi ved at udsende lysfotoner. Farven på det udsendte lys afhænger direkte af dets bølgelængde og er karakteristisk for hver specifik legering. I øjeblikket fremstilles legeringer, der producerer lysfotoner med bølgelængder i en bred vifte af det elektromagnetiske spektrum inden for det synlige, nær infrarøde og nær ultraviolette lys. Det, der opnås med disse materialer, er at modificere bredden i energierne af det forbudte bånd, og dermed modificere bølgelængden af ​​den udsendte foton. Hvis LED-dioden er omvendt forspændt, vil rekombinationsfænomenet ikke forekomme, så den udsender ikke lys. Omvendt bias kan beskadige dioden.

Den elektriske opførsel af LED-dioden i fremadgående bias er som følger. Hvis polarisationsspændingen øges, fra en vis værdi (som afhænger af typen af ​​halvledermateriale), begynder LED'en at udsende fotoner, tændspændingen er nået. Elektroner kan flyttes hen over krydset ved at påføre forskellige spændinger til elektroderne; Således begynder emissionen af ​​fotoner, og efterhånden som polarisationsspændingen stiger, øges intensiteten af ​​det udsendte lys. Denne stigning i lysintensitet er koblet med stigningen i strømintensitet og kan reduceres ved Auger-rekombination. Under rekombinationsprocessen springer elektronen fra ledningsbåndet til valensbåndet, udsender en foton og får ved bevarelse af energi og momentum adgang til et lavere energiniveau, under materialets Fermi-niveau . Emissionsprocessen kaldes strålingsrekombination, hvilket svarer til fænomenet spontan emission . I hver elektron-hul strålingsrekombination udsendes således en foton af energi svarende til bredden i energier af det forbudte bånd :

Skema af LED-kredsløbet drevet med DC-spænding øges gradvist, indtil LED'en begynder at lyse.

$E_{g}=hf={\frac {hc}{\lambda }}\qquad$

hvor c er lysets hastighed, og f og λ er henholdsvis frekvensen og bølgelængden af ​​det lys, det udsender. Denne beskrivelse af grundlaget for emissionen af ​​elektromagnetisk stråling fra LED-dioden kan ses på figuren, hvor en skematisk repræsentation af PN-forbindelsen af ​​halvledermaterialet er lavet sammen med energidiagrammet, involveret i processen med rekombination og emission af lys. , nederst på tegningen. Bølgelængden af ​​det udsendte lys, og derfor dets farve, afhænger af bredden af ​​energigabet. De vigtigste tilgængelige substrater til lysemissionsanvendelser er GaAs og InP. LED-dioder kan reducere deres effektivitet, hvis deres spektrale absorption og emissionstoppe afhængigt af deres bølgelængde er meget tæt på, som det er tilfældet med GaAs:Zn (zink-doteret galliumarsenid) LED'er, da en del af det lys, de udsender, absorberer det internt.

Materialerne, der bruges til LED'er, har et fremadgående båndgab, hvis bredde i energier spænder fra infrarødt, synligt eller endda nær ultraviolet lys. Udviklingen af ​​LED'er begyndte med galliumarsenidrøde og infrarøde enheder. Fremskridt inden for materialevidenskab har gjort det muligt at fremstille enheder med stadigt kortere bølgelængder, der udsender lys i en bred vifte af farver. LED'er er generelt fremstillet på et N-type substrat, med en elektrode forbundet til P-type laget aflejret på dets overflade. P-type substrater, selvom mindre almindelige, fremstilles også.

Teknologi

Fysisk fundament

En LED begynder at udsende, når en spænding på 2-3 volt påføres den. Ved omvendt bias bruges en anden lodret akse end ved fremadgående bias for at vise, at den absorberede strøm praktisk talt er konstant med spændingen, indtil der opstår sammenbrud.

LED'en er en diode, der består af en halvlederchip doteret med urenheder, der skaber et PN-kryds . Som i andre dioder flyder strømmen let fra p- eller anode- siden til n- eller katodesiden , men ikke i den modsatte retning. Ladningsbærere ( elektroner og huller ) strømmer ind i krydset fra to elektroder indstillet til forskellige spændinger . Når en elektron rekombinerer med et hul, falder dens energiniveau, og den overskydende energi afgives i form af en foton . Bølgelængden af ​​det udsendte lys, og derfor farven på LED'en, afhænger af energibredden af ​​det forbudte bånd svarende til de materialer, der udgør pn-forbindelsen.

I silicium- eller germaniumdioder rekombinerer elektroner og huller og genererer en ikke-strålende overgang , som ikke producerer nogen lysemission, da de er halvledermaterialer med et indirekte båndgab . Materialerne, der anvendes i LED'erne, præsenterer et direkte forbudt bånd med en bredde i energi, der svarer til lysspektret af det nær-infrarøde (800 nm - 2500 nm), det synlige og det nær-ultraviolette (200-400 nm). Udviklingen af ​​LED'er begyndte med røde og infrarøde lysenheder lavet af galliumarsenid (GaAs) . Fremskridt inden for materialevidenskab har gjort det muligt at bygge enheder med stadig mindre bølgelængder, der udsender lys inden for en bred vifte af farver.

LED'er er sædvanligvis lavet af et n-type substrat, med en af ​​elektroderne bundet til p-type laget aflejret på dets overflade. p-type substrater bruges også, selvom de er mindre almindelige. Mange kommercielle LED'er, især GaN/InGaN LED'er, bruger også safir (aluminiumoxid) som et substrat.

De fleste af de halvledermaterialer, der anvendes til fremstilling af LED'er, har et meget højt brydningsindeks . Dette indebærer, at det meste af lyset, der udsendes inde i halvlederen, reflekteres, når det når den ydre overflade, der er i kontakt med luften, af et fænomen med total intern refleksion . Udvinding af lys er derfor et meget vigtigt aspekt og i konstant forskning og udvikling, der skal tages i betragtning ved produktionen af ​​LED'er.

Brydningsindeks

Idealiseret eksempel på lyskeglerne fremstillet i et stykke halvledermateriale til emission fra et enkelt punkt. Lyset, der udsendes uden for disse kegler, kan ikke gå uden for stykket. Illustrationen til venstre repræsenterer en del, der består af to fuldstændigt gennemskinnelige lag, mens den til højre viser de "halvkegler", der dannes, når det øverste lag er gennemskinneligt og det nederste lag er helt uigennemsigtigt. Faktisk udsendes lys ligeligt i alle retninger i rummet fra kilden, så mellemrummene mellem keglerne viser, at meget af lysenergien, der udsendes af kilden, er fanget i prøven og går tabt i prøven.

De fleste af de halvledermaterialer, der anvendes til fremstilling af LED'er, har et meget højt brydningsindeks med hensyn til luft. Dette indebærer, at det meste af lyset, der udsendes inde i halvlederen, vil blive reflekteret, når det når den ydre overflade, der er i kontakt med luften på grund af et fænomen med total intern refleksion .

Dette fænomen påvirker både lysemissionseffektiviteten af ​​LED'er og lysabsorptionseffektiviteten af ​​fotovoltaiske celler . Siliciums brydningsindeks er 3,96 (ved 590 nm), , mens luftens brydningsindeks er 1,0002926. ​​Udvindingen af ​​lys udgør derfor et meget vigtigt aspekt og i konstant forskning og udvikling, der skal tages i betragtning ved produktionen af ​​LED'er.

Generelt vil en ubelagt LED-halvlederchip med flad overflade kun udsende lys i retningen vinkelret på halvlederoverfladen og i meget tætte retninger og danner en kegle kaldet lyskeglen eller udstødningskeglen. Den maksimale indfaldsvinkel , der tillader fotoner at undslippe fra halvlederen, er kendt som den kritiske vinkel . Når denne vinkel overskrides, slipper fotonerne ikke længere ud af halvlederen, men reflekteres i stedet inde i halvlederkrystallen, som om der var et spejl på den ydre overflade. ]

På grund af intern refleksion kan lys, der er blevet internt reflekteret fra én flade, slippe ud gennem andre krystalflader, hvis indfaldsvinklen nu bliver lav nok, og krystallen er gennemsigtig nok til ikke at reflektere fotonemissionen tilbage. Men i en simpel kubisk LED med udvendige overflader på 90 grader fungerer alle flader som lige vinkelspejle. I dette tilfælde kan det meste af lyset ikke undslippe og går tabt som varme i halvlederkrystallen. ]

En chip, der har vinklede facetter på sin overflade, der ligner dem på en skåret juvel eller en Fresnel-linse , kan øge lysudbyttet ved at tillade, at den udsendes i orienteringer, der er vinkelrette på de ydre facetter af chippen, normalt flere end de seks. unik for en kubisk prøve. ]

Den ideelle form for en halvleder til at opnå det maksimale lysoutput ville være en mikrosfære med emissionen af ​​fotoner placeret nøjagtigt i midten af ​​den og udstyret med elektroder, der trænger ind til midten for at forbinde med emissionspunktet. Alle lysstråler fra midten ville være vinkelret på overfladen af ​​kuglen, hvilket resulterer i ingen indre refleksioner. En halvkugleformet halvleder ville også fungere godt, da den flade del ville fungere som et spejl til at reflektere fotoner, så alt lys kunne udsendes fuldstændigt gennem halvkuglen. ]

Overgangsbelægninger

De fleste af de materialer, der bruges i produktionen af ​​LED'er, har meget høje brydningsindeks . Det betyder, at meget af det udsendte lys reflekteres indad på den ydre overflade af materialet i kontakt med luften. Derfor er aspektet med at udvinde lys fra LED'er genstand for et stort engagement i form af forskning og udvikling. Lysemissionskeglerne til faktiske LED-prøver er betydeligt mere komplekse end dem, der produceres fra en enkelt punktkilde. Lysemissionszonen er normalt et todimensionalt plan defineret mellem de to halvlederlag. Hvert atom placeret i dette plan præsenterer et sæt emissionskegler, der er analoge med dem i den foregående figur. Figuren er et forenklet skema, der viser den kombinerede effekt af nogle emissionskegler. De store laterale kegler er skåret væk for at vise funktionerne indeni og reducere billedets kompleksitet; faktisk bør disse kegler strække sig til modsatte kanter inden for det todimensionelle emissionsplan.

Efter at have bygget en wafer af halvledermateriale skæres den i små stykker. Hvert fragment kaldes en chip og bliver den lille aktive del af en LED-lysemitterende diode.

Mange LED-halvlederchips er indkapslet eller indkapslet inde i støbte plastikhuse. Plastbeklædningen er beregnet til at opnå tre formål:

1. Letter monteringen af ​​halvlederchippen i belysningsenheder.
2. Beskyt de skrøbelige elektriske ledninger forbundet med dioden mod fysisk skade.
3. Fungerer som et mellemliggende element for virkningen af ​​brydning mellem halvlederens høje indeks og luftens.

Den tredje funktion bidrager til at øge lysemissionen fra halvlederen ved at fungere som en diffuserende linse, der tillader lys at blive udsendt udad med en indfaldsvinkel på ydervæggen, der er meget større end den smalle lyskegle, der kommer fra den ubelagte chip.

Effektivitet og driftsparametre

LED'er er designet til at fungere med en elektrisk effekt på højst 30-60 milliwatt (mW) . Omkring 1999 introducerede Philips Lumileds mere kraftfulde LED'er, der er i stand til at arbejde kontinuerligt med en effekt på en watt . Disse LED'er brugte meget større formhalvledere for at acceptere højere strømforsyninger. Derudover blev de monteret på metalstænger for at lette varmefjernelsen.

En af hovedfordelene ved LED-baserede lyskilder er deres høje lyseffektivitet . Hvide LED'er matchede hurtigt og oversteg endda effektiviteten af ​​standard glødelampesystemer. I 2002 fremstillede Lumileds fem-watt LED'er med en lysudbytte på 18-22 lumen pr. watt (lm/W). Til sammenligning udsender en konventionel 60-100 watt glødepære omkring 15 lm/W, og standard fluorescerende lamper udsender op til 100 lm/W.

Fra 2012 havde Future Lighting Solutions opnået følgende effektivitetsgevinster for nogle farver. ​ Effektivitetsværdier viser den lysende effekt for hver watt elektrisk effektindgang. Lyseffektivitetsværdierne inkluderer det menneskelige øjes karakteristika og er afledt af lysstyrkefunktionen .

	Farve	bølgelængde (nm)	Effektivitetskoefficient	Lyseffektivitet η ( Lm / W )
	Rød	620 < λ < 645	0,39	72
	Orange rød	610 < λ < 620	0,29	98
	Grøn	520 < λ < 550	0,15	93
	cyan	490 < λ < 520	0,26	75
	Blå	460 < λ < 490	0,35	37

I september 2003 fremstillede Cree Inc. en ny type blå LED, der forbrugte 24  milliwatt (mW) ved 20  milliampere (mA) . Dette muliggjorde en ny indkapsling af hvidt lys, der producerede 65 lm/W ved 20 milliampere, hvilket gør den til den klareste hvide LED, der er kommercielt tilgængelig; det viste sig også at være mere end fire gange mere effektivt end standard glødepærer. I 2006 præsenterede de en hvid LED-prototype med en rekordlyseffektivitet på 131 lm/W for en strøm på 20 milliampere. Nichia Corporation har udviklet en hvid LED med en lysudbytte på 150 lm/W og en jævnstrøm på 20 mA. LED'er fra Cree Inc. kaldet xlamp xm-L, kom på markedet i 2011 og producerede 100 lm/W ved den maksimale effekt på 10 W og op til 160 lm/W med en elektrisk inputeffekt på omkring 2 W I 2012 introducerede Cree Inc. en hvid LED, der er i stand til at producere 254 lm/W, og 303 lm/W i marts 2014. Generelle belysningsbehov i praksis kræver LED'er høj effekt, en watt eller mere. De arbejder med strømme større end 350 milliampere.

Disse effektiviteter refererer til det lys, der udsendes af dioden, der holdes ved en lav temperatur i laboratoriet. Da LED'er, når de er installeret, fungerer ved høje temperaturer og med ledningstab , er effektiviteten faktisk meget lavere. Det amerikanske energiministerium (DOE) har udført tests for at erstatte glødelamper eller CFL'er med LED-lamper, hvilket viser, at den gennemsnitlige opnåede effektivitet er omkring 46 lm/W i 2009 (adfærden under testene forblev konstant). på 17 lm/W til 79 lm/W). ]

Effektivitetstab

Når den elektriske strøm, der tilføres en LED, overstiger nogle få tiere milliampere, falder lyseffektiviteten på grund af en effekt, der kaldes effektivitetstab.

Først søgte man en forklaring ved at tilskrive det høje temperaturer. Forskerne var dog i stand til at vise det modsatte, at mens LED-levetid kan forkortes, er faldet i effektivitet mindre alvorligt ved forhøjede temperaturer. I 2007 blev årsagen til faldet i effektivitet tilskrevet Auger-rekombination , som giver anledning til en blandet reaktion. Endelig bekræftede en undersøgelse fra 2013 definitivt denne teori for at retfærdiggøre tabet af effektivitet. ]

Ud over at reducere effektiviteten genererer LED'er, der arbejder med højere elektriske strømme, mere varme, hvilket kompromitterer LED'ens levetid. På grund af denne øgede varme ved høje strømme har LED'er med høj lysstyrke en industristandardværdi på kun 350mA, en strøm, for hvilken der er en afvejning mellem lysstyrke, effektivitet og holdbarhed. ]

Mulige løsninger

I betragtning af behovet for at øge lysstyrken på lysdioderne, opnås dette ikke ved at øge de nuværende niveauer, men ved at bruge flere lysdioder i en enkelt lampe. Derfor består løsningen af ​​problemet med tab af effektivitet af indenlandske LED-lamper i at bruge det mindst mulige antal LED'er i hver lampe, hvilket bidrager til at reducere omkostningerne betydeligt.

Medlemmer af United States Naval Research Laboratory har fundet en måde at bremse faldet i effektivitet. De fandt ud af, at dette fald kommer fra den ikke-strålende Auger-rekombination produceret med de injicerede bærere. For at løse dette skabte de kvantebrønde med et blødt indeslutningspotentiale til at dæmpe ikke-strålende Auger-processer. ]

Forskere fra National Taiwan Central University og Epistar Corp er ved at udvikle en metode til at mindske effektivitetstab ved at bruge aluminiumnitrid keramiske substrater , som udviser højere termisk ledningsevne end kommercielt brugt safir. Varmeeffekter reduceres på grund af de nye underlags høje varmeledningsevne. ]

Halveringstid og fejlanalyse

Solid-state enheder såsom LED'er udviser meget begrænset forældelse , hvis de betjenes ved lave strømme og lave temperaturer. Levetiden er 25.000 til 100.000 timer, men påvirkningen af ​​varme og strøm kan øge eller mindske denne tid betydeligt. ]

Den mest almindelige fejl i lysdioder (og laserdioder ) er den gradvise reduktion i lysudbytte og tab af effektivitet. De første røde LED'er skilte sig ud for deres korte levetid. Med udviklingen af ​​højeffekt LED'er er armaturer underlagt højere overgangstemperaturer og højere strømtætheder end traditionelle armaturer. Dette forårsager stress i materialet og kan forårsage tidlig nedbrydning af lysudbyttet. For kvantitativt at klassificere brugstiden på en standardiseret måde, er det blevet foreslået at bruge parametrene L70 eller L50, som repræsenterer de levetider (udtrykt i tusindvis af timer), hvor en given LED når 70 % og 50 % af det oprindelige lys emission, hhv. ]

Ligesom i de fleste af de tidligere lyskilder (glødelamper, udladningslamper og dem, der forbrænder et brændstof, for eksempel stearinlys og olielamper) blev lyset genereret ved en termisk proces, fungerer LED'erne kun korrekt, hvis de forbliver kølige nok. Producenten angiver typisk en maksimal overgangstemperatur mellem 125 og 150 °C, og lavere temperaturer anbefales for at opnå lang levetid for lysdioderne. Ved disse temperaturer tabes relativt lidt varme ved stråling, hvilket betyder, at lysstrålen, der genereres af en LED, betragtes som kølig.

Spildvarme i en højeffekt LED (som fra 2015 kan betragtes som mindre end halvdelen af ​​den elektriske strøm, den bruger) føres ved ledning gennem underlaget og indkapsling til en køleplade , som fjerner varmen i miljøet ved konvektion . Det er derfor vigtigt at udføre et omhyggeligt termisk design under hensyntagen til LED-pakkens termiske modstand , kølepladen og grænsefladen mellem dem. Medium power LED'er er typisk designet til at blive loddet direkte til et printkort, der har et termisk ledende metallag. High-power LED'er er indkapslet i store keramiske pakker designet til at blive forbundet til en metalkøleplade, hvor grænsefladen er et materiale med høj termisk ledningsevne (termisk pasta , faseændringsmateriale , ledende termisk pude eller smeltelim). ).

Hvis en LED- lampe er installeret i et uventileret lysarmatur, eller miljøet mangler frisk luftcirkulation, vil lysdioderne sandsynligvis overophedes, hvilket reducerer deres levetid eller endda fører til tidlig forringelse af lysarmaturen. Det termiske design er typisk projekteret til en omgivelsestemperatur på 25°C (77°F). LED'er, der bruges i udendørs applikationer, såsom trafiksignaler eller fortovsmarkeringslys, og i klimaer, hvor temperaturen inde i belysningsarmaturen er meget høj, kan opleve alt fra reduceret lysudbytte til fuldstændig fejl. ]

Da effektiviteten af ​​LED'er er højere ved lave temperaturer, er denne teknologi ideel til belysning af supermarkedsfrysere . ​ Fordi LED'er producerer mindre spildvarme end glødelamper, ​ kan deres brug i frysere også spare omkostninger til køling. De kan dog være mere modtagelige for frost og frostopbygning end glødelamper, hvorfor nogle LED-lysanlæg er blevet forsynet med varmekreds. Derudover er kølepladeteknikker udviklet på en sådan måde, at de kan overføre den varme, der produceres i fugen, til de dele af belysningsudstyret, der kan være af interesse. ]

Farver og materialer

Konventionelle LED'er er lavet af en bred vifte af uorganiske halvledermaterialer. Følgende tabel viser de tilgængelige farver med deres rækkevidde af bølgelængder, forskelle i arbejdspotentiale og anvendte materialer.

	Farve	Bølgelængde [nm]	Potentialforskel [ΔV]	halvledermateriale
	infrarød stråling	λ > 760	AV < 1,63	Gallium Arsenid (GaAs) Aluminium Gallium Arsenid (AlGaAs)
	Rød	610 < λ < 760	1,63 < ΔV < 2,03	Aluminium Gallium Arsenid (AlGaAs) Gallium Arsen Phosphid (GaAsP) Aluminium Gallium Indium Phosphide (AlGaInP) Gallium Phosphate (GaP)
	orange	590 < λ < 610	2,03 < ΔV < 2,10	Gallium Arsen Phosphide (GaAsP) Aluminium Gallium Indium Phosphide (AlGaInP) Gallium Phosphate (GaP)
	Gul	570 < λ < 590	2,10 < ΔV < 2,18	Gallium Arsen Phosphide (GaAsP) Aluminium Gallium Indium Phosphide (AlGaInP) Gallium Phosphate (GaP)
	Grøn	500 < λ < 570	1,9 ​ < ΔV < 4,0	Klassisk grøn: Galliumphosphat (GaP) Aluminium Gallium Indium Phosphide (AlGaInP) Gallium Aluminium Phosphide (AlGaP) Ren Grøn: Gallium Indium Nitride (InGaN) / Gallium Nitride (GaN)
	Blå	450 < λ < 500	2,48 < ΔV < 3,7	Zinkselenid (ZnSe) Indiumgalliumnitrid (InGaN) Siliciumcarbid (SiC) som substrat Silicium (Si) som substrat (under udvikling) ]
	Violet	400 < λ < 450	2,76 < AV < 4,0	Indium galliumnitrid (InGaN)
	Lilla	Kombination af forskellige typer	2,48 < ΔV < 3,7	Dobbelt blå/rød, blå med rød fosfor eller hvid med lilla plastik LED'er.
	Ultraviolet	λ < 400	3 < ΔV < 4.1	Indium galliumnitrid (InGaN) (385-400 nm) Diamant (C) (235 nm) ​Boronitrid (BN) (215 nm) ​Aluminiumnitrid (AlN) (210 nm) ​Galliumaluminiumnitrid (AlGaN) Aluminium galliumindiumnitrid (AlGaInN) op til 210 nm ]
	Lyserød	Kombination af forskellige typer	ΔV ~ 3,3 ]	Blå med et eller to lag fosfor, gul med rød, orange eller pink fosfor, hvid med pink plastik eller hvid fosfor med pink nuance på toppen. ]
	hvid	bredspektret	2,8 < ΔV < 4,2	Ren hvid: Blå eller UV LED med gul fosfor Varm hvid: Blå LED med orange fosfor.

Blå og ultraviolet

Den første blå-violette LED brugte klor dopet med magnesium og blev udviklet af Herb Maruska og Wally Rhines ved Stanford University i 1972, ph.d.-studerende i materialevidenskab og teknik. På det tidspunkt arbejdede Maruska på RCA-laboratorierne , hvor hun samarbejdede med Jacques Pankove. I 1971, et år efter Maruska rejste til Stanford, demonstrerede hans RCA-kolleger Pankove og Ed Miller den første blå elektroluminescens fra zink dopet med galliumnitrid; men den enhed, som Pankove og Miller byggede, den første rigtige galliumnitrid lysemitterende diode, udsendte grønt lys. I 1974 gav US Patent Office Maruska, Rhines og Stanford professor David Stevenson et patent (US patent US3819974 A) for deres 1972 arbejde med nitriddoping af gallium med magnesium, der i dag stadig er grundlaget for alt kommercielt blåt LED'er og laserdioder. Disse enheder bygget i 1970'erne havde ikke nok lysudbytte til praktisk brug, så forskningen på galliumnitriddioder blev langsommere. I august 1989 introducerede Cree den første kommercielle blå LED med en indirekte overgang gennem båndgabet i en siliciumcarbid (SiC) halvleder. ​ SiC LED'er har en meget lav lyseffektivitet, ikke højere end 0,03%, men de udsender i det synlige blå område.

I slutningen af ​​1980'erne indledte store fremskridt inden for epitaksial vækst og p-type doping i GaN den moderne æra af GaN optoelektroniske enheder. Baseret på ovenstående patenterede Theodore Moustakas en metode til fremstilling af blå lysdioder ved Boston University ved hjælp af en ny to-trins proces. To år senere, i 1993, blev højintensive blå LED'er taget op af Shuji Nakamura fra Nichia Corporation ved hjælp af GaN-synteseprocesser, der ligner Moustakas'. Moustakas og Nakamura blev tildelt separate patenter, hvilket skabte juridiske konflikter mellem Nichia og Boston University (især fordi, selvom Moustakas opfandt sin proces først, registrerede Nakamura sin første). Denne nye udvikling revolutionerede LED-belysning, hvilket gjorde blå lyskilder med høj effekt rentable at fremstille, hvilket førte til udviklingen af ​​teknologier såsom Blu-ray og muliggjorde de lyse, højopløselige skærme på tablets og smartphones moderne telefoner.

Nakamura blev hædret med Millennium Technology Prize for sit bidrag til højeffekt LED-teknologi og høj ydeevne. Han blev også tildelt, sammen med Hiroshi Amano og Isamu Akasaki , Nobelprisen i fysik i 2014 for hans afgørende bidrag til højtydende lysdioder og blå lysdioder. ​ I 2015 afgjorde en amerikansk domstol, at tre virksomheder (det vil sige de samme sagsøgende virksomheder, som ikke tidligere havde løst deres tvister), og at de havde Nakamuras patenter for produktionen i USA, havde krænket Moustakas' tidligere patent og pålagt dem at betale 13 millioner dollars i licensafgifter. ]

I slutningen af ​​90'erne var blå lysdioder allerede tilgængelige. Disse har et aktivt område, der består af en eller flere InGaN kvantebrønde, der er klemt mellem tykkere GaN-plader, kaldet beklædning. Ved at variere In/Ga-fraktionen i InGaN kvantebrøndene kan lysemissionen teoretisk flyttes fra violet til rav. Aluminium galliumnitrid AlGaN med et variabelt indhold af Al/Ga fraktionen kan bruges til at fremstille beklædningen og pladerne af kvantebrønde til ultraviolette dioder, men disse enheder har endnu ikke nået niveauet af effektivitet og teknologisk modenhed af InGaN/GaN blå/ grønne enheder. Hvis GaN bruges udopet til at danne de aktive lag af kvantebrøndene, udsender enheden næsten ultraviolet lys med en top centreret ved en bølgelængde omkring 365 nm. Grønne LED'er lavet i InGaN/GaN-modaliteten er meget mere effektive og lysere end LED'er lavet med ikke-nitridsystemer, men disse enheder har stadig for lav effektivitet til applikationer med høj lysstyrke.

Ved at bruge aluminiumnitrider, såsom AlGaN og AlGaInN, opnås endnu kortere bølgelængder. En række UV-LED'er til forskellige bølgelængder er ved at blive kommercielt tilgængelige. Nær UV-emitterende LED'er med bølgelængder omkring 375-395nm er allerede billige nok og let tilgængelige, for eksempel til at erstatte sorte lyslamper i inspektionen af ​​UV-anti-forfalskning af vandmærker på nogle dokumenter og papirpenge. Kortere bølgelængde dioder (op til 240 nm), er i øjeblikket på markedet, selvom de er væsentligt dyrere.

Da lysfølsomheden af ​​mikroorganismer groft falder sammen med absorptionsspektret af DNA (med en top omkring 260 nm), forventes UV-LED'er med emission i området 250-270 nm at blive brugt i desinfektions- og steriliseringsudstyr. Nyere forskning har vist, at kommercielt tilgængelige UV-LED'er (365nm) er effektive i desinfektions- og steriliseringsapparater. UV-C bølgelængder blev opnået i laboratorier ved brug af aluminiumnitrid (210 nm), bornitrid (215 nm) og diamant (235 nm).

RGB

RGB-SMD-LED. Overflademonteret RGB led (overflademonteret enhed). Denne enhed viser de tre komplementære farver rød, grøn og blå. Der er andre typer enheder såsom COB Led (plademonteret) eller microled, der på grund af deres geometri og fordeling på monteringspladen er mere energieffektive.

RGB LED'er består af en rød, en blå og en grøn LED. Ved uafhængigt at justere hver af dem er RGB LED'er i stand til at producere en bred vifte af farver . I modsætning til dedikerede enkeltfarvede LED'er producerer RGB LED'er ikke rene bølgelængder. Desuden er kommercielt tilgængelige moduler ofte ikke optimeret til jævn farveblanding.

RGB-systemer

RGB systemer

Spektrum som følge af kombinationen af ​​blå, gul-grønne og røde halvleder-LED'er med høj lysstyrke. Den spektrale båndbredde er cirka 24-27nm for alle tre farver.

RGB LED til at generere hvidt lys

Der er to grundlæggende måder at producere hvidt lys på. Den ene er at bruge individuelle LED'er, der udsender alle tre primærfarver (rød, grøn og blå) og derefter blande farverne for at danne hvidt lys. Den anden måde er at bruge en fosfor til at konvertere monokromatisk lys fra en blå eller UV LED til et bredt spektrum af hvidt lys. Det er vigtigt at bemærke, at hvidheden af ​​det producerede lys i det væsentlige er designet til at tilfredsstille det menneskelige øje, og afhængigt af hvert enkelt tilfælde er det måske ikke altid passende at tænke på det som strengt hvidt lys. Tjen som referencepunkt for det store udvalg af hvide, der opnås med lysstofrør.

Der er tre hovedmetoder til at producere hvidt lys med LED'er.

• Blå LED + Grøn LED + Rød LED (farveblanding; selvom den kan bruges som baggrundsbelysning til skærme) til belysning er de meget dårlige på grund af de tomme intervaller i frekvensspektret).

• Nær UV LED eller UV + RGB fosfor (et LED lys, der genererer en bølgelængde kortere end blå bruges til at excitere en RGB fosfor).

• Blå LED + gul fosfor (to komplementære farver kombineres for at producere hvidt lys; det er mere effektivt end de to første metoder og er derfor mere udbredt i praksis).

På grund af metamerisme er det muligt at have forskellige spektre, der ser hvide ud. Udseendet af objekter oplyst af dette lys kan dog ændre sig, efterhånden som spektret varierer. Dette optiske fænomen er kendt som farveudførelse, det er forskelligt fra farvetemperatur, og det får et ægte orange eller cyan objekt til at se ud til at have en anden farve og meget mørkere, da den tilhørende LED eller fosfor ikke udsender disse bølgelængder. . Den bedste farvegengivelse med CFL'er og LED'er opnås ved at bruge en blanding af fosfor, som giver lavere effektivitet, men bedre lyskvalitet. Selvom halogenet med den højeste farvetemperatur er orange, er det stadig den bedste kunstige lyskilde, der findes med hensyn til farveudførelse.

Hvidt lys kan produceres ved at tilføje lys i forskellige farver; den mest almindelige metode er brugen af ​​rød, grøn og blå ( RGB ). Derfor kaldes metoden hvide flerfarvede LED'er (nogle gange kendt som RGB LED'er). Fordi de kræver elektroniske kredsløb til at styre blandingen og spredningen af ​​de forskellige farver, og fordi individuelle farve-LED'er udviser lidt forskellige emissionsmønstre (der fører til farvevariation afhængigt af synsretningen), selvom de er lavet i en enkelt enhed, er de sjældent bruges til at producere hvidt lys. Denne metode har dog mange anvendelser på grund af den fleksibilitet, den giver til at producere farveblanding , og i princippet fordi den giver en højere kvanteeffektivitet i produktionen af ​​hvidt lys.

Der er flere typer af flerfarvede hvide LED'er: di-, tri- og tetrakromatiske hvide LED'er . Flere nøglefaktorer påvirker disse forskellige realiseringer, såsom farvestabilitet, naturligt farvegengivelsesindeks og lyseffektivitet. Højere lyseffektivitet vil ofte indebære mindre naturlighed af farver, hvilket skaber en afvejning mellem lyseffektivitet og naturlighed af farver. For eksempel har dikromatiske hvide LED'er den bedste lyseffektivitet (120 lm/W), men den laveste farvegengivelsesevne. På den anden side tilbyder tetrakromatiske hvide LED'er fremragende farvegengivelsesegenskaber, men er ofte ledsaget af dårlig lyseffektivitet. Trikromatiske hvide LED'er er i en mellemposition, de har en god lysudbytte (> 70 lm / W) og en rimelig kapacitet til farvegengivelse.

En af de kommende udfordringer, der skal løses, er udviklingen af ​​mere effektive grønne LED'er. Det teoretiske maksimum for grønne lysdioder er 683 lumen pr. watt, men fra 2010 oversteg kun nogle få grønne lysdioder 100 lumen pr. watt. De blå og røde lysdioder nærmer sig imidlertid deres teoretiske grænser.

Flerfarvede LED'er giver mulighed for ikke kun at producere hvidt lys, men også at generere lys i forskellige farver. De fleste af de mærkbare farver kan dannes ved at blande forskellige proportioner af de tre primære farver. Dette muliggør præcis dynamisk farvekontrol. Efterhånden som mere forskningsindsats er afsat til multi-farve LED-metoden, bliver den mere og mere indflydelsesrig som den grundlæggende metode, der bruges til at producere og kontrollere lysets farve.

Selvom denne type lysdioder kan spille en god rolle på markedet, skal nogle tekniske problemer løses på forhånd. For eksempel falder emissionseffekten af ​​disse LED'er eksponentielt med stigende temperatur, hvilket giver en væsentlig ændring i farvestabilitet. Disse problemer kan udelukke din beskæftigelse i branchen. Af denne grund er der lavet mange nye indkapslingsdesigns, og deres resultater bliver i øjeblikket undersøgt af forskere. Det er klart, at flerfarvede LED'er uden fosfor aldrig kan give god belysning, fordi hver LED udsender et meget smalt farvebånd. Ligesom LED'er uden fosfor er en meget dårlig løsning til belysning, tilbyder de den bedste løsning til baggrundsbelyste skærme til LCD'er eller direkte belysning med LED-pixel.

Inden for LED-teknologi er faldet i den korrelerede farvetemperatur (CCT) en realitet, som er svær at undgå, fordi sammen med levetiden og virkningerne af variationen i LED'ernes temperatur ender den rigtige farve med at blive modificeret. endelig af dem. For at rette op på dette, anvendes feedback-sløjfesystemer, der for eksempel er forsynet med farvesensorer og dermed overvåger, kontrollerer og vedligeholder farven, der er resultatet af overlejring af enkeltfarvede LED'er. ]

Fosfor-baserede lysdioder

Spektrum af en hvid lysdiode, der viser lyset, der udsendes af GaN-leddet (ca. 465 nm), overlejret på båndbredden af ​​lyset, der udsendes af Ce^3+-fosforen.

Denne metode involverer belægning af LED'er i én farve (hovedsageligt blå InGaN LED'er) med fosfor i forskellige farver for at producere hvidt lys; de resulterende LED'er fra kombinationen kaldes fosforbaserede hvide LED'er eller hvide LED'er med en phosphorkonverter (PCLED). En brøkdel af blåt lys gennemgår et Stokes-skift, der omdanner kortere bølgelængder til længere bølgelængder. Afhængig af farven på den originale LED, kan der anvendes forskellige farvede fosfor. Påføring af flere lag af forskellige farvede phosphorstoffer udvider emissionsspektret, hvilket effektivt øger farvegengivelsesindekset (CRI) værdien for en given LED.

Effektivitetstabet af fosforbaserede LED'er (med fluorescerende stoffer) skyldes varmetabet, der genereres af Stokes-skiftet og også andre nedbrydningsproblemer relateret til disse fluorescerende stoffer. Sammenlignet med normale LED'er afhænger deres lyseffektivitet af den spektrale fordeling af det resulterende lysoutput og den oprindelige bølgelængde af selve LED'en. For eksempel er lyseffektiviteten af ​​en typisk gul YAG-fosfor af en hvid lysdiode 3 til 5 gange lyseffektiviteten af ​​den originale blå lysdiode på grund af det menneskelige øjes højere følsomhed for gul end for blå (afhængigt af modellen) . af lysstyrkefunktionen ). På grund af den enkle fremstilling er fosfor (fluorescerende materiale) metoden den mest populære til at opnå hvide lysdioder med høj intensitet. Designet og produktionen af ​​en lyskilde eller lampe ved hjælp af en monokrom emitter med fluorescerende fosforkonvertering er enklere og billigere end et komplekst RGB-system, og de fleste af de højintensitets hvide LED'er på markedet i dag er fremstillet ved hjælp af konvertering af lys ved fluorescens.

Blandt de udfordringer, der opstår for at forbedre effektiviteten af ​​LED-baserede hvide lyskilder, er udviklingen af ​​mere effektive fluorescerende stoffer (fosfor). Fra 2010 er den mest effektive gule fosfor fortsat YAG-fosforen, som udviser mindre end 10 % Stokes-skifttab. Interne optiske tab som følge af reabsorption i selve LED-chippen og i LED-indkapslingen udgør 10 % til 30 % af effektivitetstabet. På nuværende tidspunkt, inden for udvikling med fosfor, lægges der en stor indsats i optimering af det for at opnå større lysproduktion og højere driftstemperaturer. For eksempel kan effektiviteten øges ved et bedre emballagedesign eller ved at bruge en mere passende type fosfor. Fitcoatingprocessen bruges ofte for at kunne regulere den varierende tykkelse af fosforen.

Nogle hvide fosfor-doterede LED'er består af blå InGaN LED'er indkapslet i en epoxyharpiks belagt med en phosphor. En anden mulighed er at forbinde LED'en med en separat phosphor, et præfabrikeret stykke præformet polycarbonat belagt med phosphormaterialet. Separate fosfor giver et mere diffust lys, hvilket er gunstigt til mange anvendelser. Designs med separate phosphorstoffer er også mere tolerante over for variationer i LED'ens emissionsspektrum. Et meget almindeligt gult fosformateriale er cerium-doteret aluminium yttrium granat (Ce 3+ :YAG).

Hvide lysdioder kan også laves med nær-ultraviolette (NUV) lysdioder belagt med en blanding af højeffektive europium-fosfor, der udsender rødt og blåt, plus kobber-aluminium-doteret zinksulfid (ZnS:Cu, Al), der udsender grønt. Denne procedure er analog med driften af ​​fluorescerende lamper. Proceduren er mindre effektiv end den for de blå LED'er med YAG:Ce-phosphor, da Stokes-skiftet er vigtigere, så en større del af energien omdannes til varme, selv så et lys med bedre spektrale egenskaber og derfor, med en bedre farvegengivelse.

Da UV-LED'er har en højere strålingsoutput end blå LED'er, giver begge metoder i sidste ende en lignende lysstyrke. En ulempe ved sidstnævnte er, at en eventuel lækage af UV-lys fra en defekt lyskilde kan forårsage skade på menneskers øjne eller hud.

Andre hvide LED'er

En anden metode, der bruges til at fremstille eksperimentelle LED'er med hvidt lys uden brug af fosfor, er baseret på vækstepitaksen af ​​zinkselenid (ZnSe) på et ZnSe-substrat, der samtidigt udsender blåt lys fra dets aktive område og gult lys fra dets aktive område af substratet. .

En ny måde at producere hvide lysdioder på er at bruge galliumnitrid på siliciumkompositskiver fra 200 mm siliciumskiver. Dette undgår den kostbare fremstilling af safirsubstrater fra relativt små waferstørrelser, dvs. 100 eller 150 mm. Safirapparatet skal fastgøres til en spejllignende solfanger for at reflektere lys, som ellers ville gå tabt. Det forudsiges, at i 2020 vil 40% af alle GaN LED'er være lavet på silicium. Fremstilling af stor safir er vanskelig, mens store siliciummateriale er billigt og mere rigeligt. På den anden side skal LED-producenter, der skifter fra safir til silicium, lave en minimal investering.

Organiske LED'er (OLED'er)

I en organisk lysemitterende diode (OLED) er det elektroluminescerende materiale , der udgør diodens emitterende lag, en organisk forbindelse . Det organiske materiale er ledende på grund af elektronisk delokalisering af pi-bindingerne forårsaget af det konjugerede system i hele eller en del af molekylet; materialet fungerer derfor som en organisk halvleder . Organiske materialer kan være små organiske molekyler i den krystallinske fase eller polymerer .

En af fordelene, som OLED'er muliggør, er tynde, billige skærme med lav forsyningsspænding, bred betragtningsvinkel, høj kontrast og bred farveskala. Polymer LED'er har den ekstra fordel, at de gør fleksible, printbare skærme mulige. OLED'er er blevet brugt til at lave visuelle skærme til bærbare elektroniske enheder såsom mobiltelefoner, digitale kameraer og MP3-afspillere, og potentielle fremtidige anvendelser forventes også at omfatte belysning og fjernsyn.

Quantum dot LED'er

I begyndelsen af ​​1960'erne begyndte et årti med teknologisk revolution med fødslen af ​​internettet og opdagelsen af ​​lysdioder i det synlige spektrum. I 1959, nobelpristager i fysik Richard P. Feynman, i sit berømte foredrag holdt på det årlige møde i Physical Association i USA med titlen: "Der er meget plads i baggrunden: en invitation til at gå ind i et nyt felt af fysik", forudså allerede den teknologiske revolution og de vigtige opdagelser, der kunne føre til manipulation af materialer, indtil de blev reduceret til atomære eller molekylære størrelser eller skalaer. Men det er først i det følgende årti af 1970, at viden om talrige anvendelser af kvantemekanik (ca. 70 år efter dens opfindelse) sammen med fremskridt inden for teknikkerne til vækst og syntese af materialer, kommer til at antage, at en ændring er vigtig. inden for forskningslinjerne i adskillige grupper. ]

Allerede i dette årti blev evnen til at designe strukturer med nye optiske og elektroniske egenskaber kombineret med søgen efter nye teknologiske anvendelser for materialer, der allerede eksisterede i naturen. Faktisk i 1969, L. Esaki et al. foreslået implementering af heterostrukturer dannet af meget tynde lag af forskellige materialer, hvilket giver anledning til, hvad der er kendt som konstruktion og design af energibånd i halvledermaterialer. Den mest basale smådimensionelle heterostruktur er Quantum Well (QW). Den består af et tyndt lag af en bestemt halvleder, af størrelsesordenen 100 Å, begrænset mellem to lag af et andet halvledermateriale karakteriseret ved en større bredde af det forbudte energibånd (båndgap, BG). På grund af de små dimensioner af den potentialebrønd, der er forbundet med denne struktur, er bærerne begrænset i deres bevægelse til et plan vinkelret på vækstretningen. Laserdioder med QW'er i den aktive zone havde store fordele, såsom evnen til at vælge emissionsbølgelængden baseret på brøndens bredde eller faldet i tærskelstrøm, sidstnævnte relateret til den resulterende tæthed ]

Alle disse fremskridt blev naturligvis efterfulgt af andre, såsom studiet af systemer med indespærring i tre dimensioner, det vil sige kvanteprikker (QD'er). QD'er kan således defineres som kunstige systemer af meget lille størrelse, fra nogle få tiere nanometer til nogle få mikron, hvor bærerne er begrænset i de tre retninger af det tredimensionelle rum (det er derfor, det kaldes nul-dimensionelt) , i et område af rummet mindre end dets de Broglie bølgelængde .

Når størrelsen af ​​halvledermaterialet, der udgør kvanteprikken, er inden for den nanometriske skala , præsenterer dette materiale en adfærd, der adskiller sig fra den, der observeres for det på en makroskopisk skala eller for de individuelle atomer, der udgør det. Elektronerne i nanomaterialet er begrænset til at bevæge sig i et meget lille område af rummet og siges at være indespærret. Når dette område er så lille, at det kan sammenlignes med bølgelængden forbundet med elektronen (de Broglie-længden), så begynder det, der kaldes kvanteadfærd, at blive observeret. I disse systemer er deres fysiske egenskaber ikke forklaret af klassiske begreber, men forklares af begreberne kvantemekanik. For eksempel er den minimale potentielle energi for en elektron indespærret i en nanopartikel højere end forventet i klassisk fysik, og energiniveauerne for dens forskellige elektroniske tilstande er diskrete. På grund af kvanteindeslutning har størrelsen af ​​partiklen en fundamental effekt på tætheden af ​​elektroniske tilstande og dermed på dens optiske respons. Kvanteindeslutning opstår, når størrelsen af ​​partiklerne er blevet reduceret til at nærme sig radius af Bohr-excitonen (genererer et elektron-hul-par eller exciton i halvledermaterialet), der forbliver indespærret i et meget lille rum. Som en konsekvens heraf ændres strukturen af ​​energiniveauerne og materialets optiske og elektriske egenskaber betydeligt. Energiniveauerne bliver diskrete og endelige og afhænger stærkt af nanopartiklernes størrelse. ]

De er normalt lavet af halvledermateriale og kan rumme alt fra ingen til flere tusinde elektroner. Elektroner inde i kvanteprikken frastøder hinanden, det koster energi at indføre yderligere elektroner, og de adlyder Pauli-udelukkelsesprincippet, som forbyder to elektroner at indtage den samme kvantetilstand samtidigt. Følgelig danner elektronerne i en kvanteprik kredsløb på en måde, der ligner atomer og omtales i nogle tilfælde som kunstige atomer . De udviser også elektronisk og optisk adfærd svarende til atomer. Dens anvendelse kan være meget forskelligartet, ud over optoelektronik og optik, i kvantecomputere , i informationslagring til traditionelle computere, i biologi og i medicin .

Kvanteprikkens optiske og kvanteindeslutningsegenskaber gør det muligt at justere dens emissionsfarve fra synlig til infrarød. ​ Quantum dot LED'er kan producere næsten alle farver på CIE- diagrammet . Desuden giver de flere farvemuligheder og bedre farvegengivelse end de hvide LED'er, der blev diskuteret i de foregående afsnit, da emissionsspektret er meget smallere, hvilket er karakteristisk for begrænsede kvantetilstande.

Der er to procedurer for QD excitation. Man bruger fotoexcitation med en primær LED-lyskilde (blå eller UV LED'er bruges almindeligvis til dette). Den anden procedure bruger den direkte elektriske excitation, som først blev demonstreret af Alivisatos et al. ]

Et eksempel på fotoexcitationsproceduren er den, der er udviklet af Michael Bowers ved Vanderbilt University i Nashville, der lavede en prototype, der bestod i at belægge en blå LED med kvanteprikker, der udsendte hvidt lys som reaktion på LED'ens blå. Den modificerede LED udsendte et varmt, gulligt-hvidt lys svarende til glødelamper . Forskning i lysemitterende dioder, der bruger QD i applikationer til flydende krystalskærm (LCD) fjernsyn begyndte i 2009. ]

I februar 2011 var forskere ved PlasmaChem GmbH i stand til at syntetisere kvanteprikker til LED-applikationer ved at lave en lyskonverter, der effektivt kunne transformere blåt lys til lys af enhver anden farve i mange hundrede timer. Disse kvanteprikker kan også bruges til at udsende synligt eller nær-infrarødt lys ved at excitere dem med lys af en kortere bølgelængde.

Strukturen af ​​quantum dot LED'erne (QD-LED'er), der bruges til den elektriske excitation af materialet, har et grundlæggende design svarende til OLED's. Et lag af kvanteprikker er placeret mellem to lag af et materiale, der er i stand til at transportere elektroner og huller. Ved at påføre et elektrisk felt bevæger elektroner og huller sig ind i kvantepunktskallen og rekombinerer danner excitoner ; hver exciton producerer et elektron-hul-par, der udsender lys. Denne ordning er den, der normalt overvejes for kvanteprikker . Den store forskel med OLED'er ligger i deres meget lille størrelse, og som en konsekvens genererer de effekter og optiske egenskaber ved kvanteindeslutning.

QD'er er også meget nyttige som excitationskilder til fluorescensbilleddannelse på grund af det snævre område af bølgelængder, der udsendes af QD'en, som manifesterer sig i den smalle båndbredde af toppen i emissionsspektret (egenskab på grund af kvanteindeslutning). Af denne grund har brugen af ​​quantum dot LED'er (QD-LED) i nærfelts optisk mikroskopi- teknik vist sig at være effektiv . ]

Med hensyn til energieffektivitet blev der i februar 2008 opnået en varm lysudsendelse med en lyseffektivitet på 300 lumen synligt lys pr. watt stråling (ikke pr. elektrisk watt) ved at bruge nanokrystaller . ]

Typer

LED'er fremstilles i en bred vifte af former og størrelser. Farven på plastiklinsen falder normalt sammen med farven på lyset, der udsendes af LED'en, selvom dette ikke altid er tilfældet. For eksempel bruges lilla plastik til infrarøde lysdioder, og de fleste blå lysdioder har farveløse pakker. Moderne højeffekt-LED'er som dem, der bruges til direkte belysning eller baggrundsbelysning, vises typisk i overflademonteringsteknologi (SMT).

Miniature

Foto af en overflademontering med de mest almindelige størrelser af LED'er. De kan være en del mindre end den typiske 5 mm lampe-led, der vises i øverste venstre hjørne.

Miniature-array af røde, grønne og blå LED'er i en lille overflademontering (1,6x1,6x0,35 mm) med guldloddedetaljer.

Miniature LED'er bruges ofte som indikatorer. I gennemgående hulteknologi og overflademonteringer varierer deres størrelse fra 2 mm til 8 mm. De har normalt ikke en separat køleplade. ​ Den maksimale strøm er mellem 1mA og 20mA. Dens lille størrelse udgør en begrænsning i forhold til den forbrugte strøm på grund af dens høje effekttæthed og fraværet af en køleplade. De er ofte daisy-chained til at danne led lys strimler.

De mest typiske plastikdæksler er runde, flade, trekantede og firkantede med en flad top. Indkapslingen kan også være gennemsigtig eller farvet for at forbedre kontrast og betragtningsvinkler. ]

Forskere ved University of Washington har opfundet den tyndeste LED. Den er lavet af todimensionelle (2-D) materialer. Dens bredde er 3 atomer, hvilket er mellem 10 og 20 gange tyndere end tredimensionelle (3-D) LED'er og 10.000 gange tyndere end et menneskehår. Disse 2-D LED'er vil muliggøre mindre, mere energieffektive nanolasere og optisk kommunikation . ]

Der er tre hovedkategorier af miniature-enkeltfarvede LED'er:

Lav strømintensitet

Forberedt til en strøm på 2mA med ca. 2V (forbrug på mere eller mindre 4 mW).

Mellem- eller fællesområde

20mA LED'er (mellem 40mW og 90mW) omkring:

• 1,9 -2,1 V for rød, gul orange og den traditionelle grønne.
• 3,0-3,4 V for ren grøn og blå.
• 2,9-4,2 V for violet, pink, lilla og hvid.

Høj strømintensitet

Til en strøm på 20mA og med 2 eller 4-5 V, designet til at kunne se i direkte sollys. 5V og 12V LED'erne er standard miniature LED'er med en seriemodstand til direkte tilslutning til en 5 eller 12V forsyning.

High Power

Højeffekt lysemitterende dioder forbundet til en stjernebase til lysdioder ( Lumileds , Luxeon )

Se også: Solid state-belysning , LED-lampe , High Power LED'er eller HP-LED

High -power LED'er HP-LED (High-power LED) eller high-emission HO-LED (High-Output LED) kan styres med strømme fra hundredvis af mA til mere end 1 Ampere, mens andre LED'er kun når op til snesevis af milliampere. Nogle kan udsende mere end tusind lumen. ]

Effekttætheder på op til 300 W/(cm²) er også blevet opnået . Da overophedning af lysdioderne kan ødelægge dem, skal de monteres på en køleplade. Hvis varmen fra en HP-LED ikke blev overført til mediet, ville armaturet svigte inden for få sekunder. En HP-LED kan erstatte en glødepære i en lommelygte eller flere af dem kan associeres til at danne en power LED-lampe. Nogle velkendte HP-LED'er i denne kategori er Nichia 19-serien, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon og Cree X-Lamp. Fra september 2009 er der Cree-fremstillede LED'er, der overstiger 105 lm/W. ]

Eksempler på Haitz' lov , som forudsiger en eksponentiel stigning over tid i lysudsendelsen og effektiviteten af ​​en LED, er dem fra CREE XP-GE-serien, der nåede 105 lm/W i 2009 ]

Drevet af vekselstrøm

Seoul Semiconductor har udviklet LED'er, der kan køre på vekselstrøm uden behov for en DC-konverter. I en halv cyklus udsender den ene del af lysdioden lys, og den anden del er mørk, og det sker omvendt i den næste halve cyklus. Den normale effektivitet for denne type HP-LED er 40 lm/W. ​ Et stort antal LED-elementer i serie kan arbejde direkte med netspænding. I 2009 lancerede Seoul Semiconductor en højspændings-LED, kaldet 'Acrich MJT', der er i stand til at blive drevet af AC gennem et simpelt styrekredsløb. Den lave effekt, som disse LED'er afgiver, giver dem større fleksibilitet end andre originale AC LED-designs. ]

Ansøgninger. Varianter

Af intermitterende blink

Blinkende LED'er bruges som opmærksomhedsindikatorer uden behov for ekstern elektronik. Blinkende LED'er ligner standard LED'er, men indeholder et integreret multivibratorkredsløb, der får LED'erne til at blinke med en karakteristisk periode på et sekund. På LED'er udstyret med en diffusionslinse er dette kredsløb synligt (en lille sort prik). De fleste blinkende LED'er udsender lys af en enkelt farve, men mere sofistikerede enheder kan blinke flere farver og endda falme ved hjælp af en række farver fra RGB-farveblanding.

Bicolors

Tofarvede LED'er indeholder to forskellige LED'er i ét sæt. Der er to typer; den første består af to matricer forbundet med to ledere parallelt med hinanden med strømmen, der flyder i modsatte retninger. Med strøm i den ene retning udsendes en farve, og med strøm i den modsatte retning udsendes den anden farve. I den anden type har de to dyser derimod separate terminaler, og der er en terminal for hver katode eller for hver anode, så de kan styres uafhængigt. Den mest almindelige farvekombination er traditionel rød/grøn, men andre farvekombinationer er tilgængelige, såsom traditionel grøn/rav, ren rød/grøn, rød/blå eller ren blå/grøn.

Trefarvede

Trefarvede LED'er indeholder tre forskellige emitterende LED'er i en enkelt ramme. Hver emitter er forbundet til en separat terminal, så den kan styres uafhængigt af de andre. Et arrangement, hvor fire terminaler optræder, en fælles terminal (de tre anoder eller de tre katoder forbundet) plus en ekstra terminal for hver farve er meget karakteristisk.

RGB

RGB LED'er er trefarvede LED'er med røde, grønne og blå emittere, typisk ved hjælp af en fire-leder forbindelse og en fælles terminal (anode eller katode). Denne type LED'er kan præsentere som fælles både den positive terminal og den negative terminal. Andre modeller har dog kun to terminaler (positive og negative) og en lille indbygget elektronisk styreenhed .

Dekorative flerfarver

Denne type LED'er har emittere i forskellige farver og er kun udstyret med to udgangsterminaler. Farverne skiftes internt ved at variere forsyningsspændingen.

Alfanumerisk

Alfanumeriske LED'er er tilgængelige som syv segmentdisplays , fjorten segmentdisplays eller dot matrix displays . Syv-segment displays kan vise alle tal og et begrænset sæt bogstaver, mens fjorten segment displays kan vise alle bogstaver. Punktmatrixskærme bruger typisk 5x7 pixels pr. tegn. Brugen af ​​syv-segment LED'er blev udbredt i 1970'erne og 1980'erne, men den stigende brug af flydende krystal skærme har reduceret populariteten af ​​numeriske og alfanumeriske LED'er på grund af deres lavere strømbehov og større skærmfleksibilitet.

Digital RGB

De er RGB LED'er, der indeholder deres egen "smarte" kontrolelektronik. Ud over strøm og jord har de forbindelser til datainput og -output, og nogle gange til ur- eller strobesignaler. De er forbundet i en daisy chain , med datainput til den første lysdiode leveret af en mikroprocessor, der kan kontrollere lysstyrken og farven på hver af dem, uafhængigt af de andre. De bruges, hvor der kræves en kombination, der giver maksimal kontrol og minimalt udsyn til elektronikken, såsom julesnore eller LED-arrays. Nogle har endda opdateringshastigheder i kHz-området, hvilket gør dem velegnede til grundlæggende videoapplikationer.

Filamenter

Et LED-glødetråd består af flere LED-chips forbundet i serie på et langsgående substrat, der danner en tynd stang, der ligner glødetråden fra en traditionel pære. Filamenter bliver brugt som et billigt dekorativt alternativ til traditionelle pærer, som er ved at blive udfaset i mange lande. Filamenterne kræver en ret høj forsyningsspænding for at lyse med normal lysstyrke, for at kunne arbejde effektivt og nemt ved netspændinger. En simpel ensretter og kapacitiv strømbegrænser bruges ofte som en billig erstatning for den traditionelle glødepære uden besværet med at bygge en lavspændings-, højstrømsomformer som krævet af individuelle LED-dioder. De er typisk monteret inde i et lufttæt kabinet, der er formet svarende til de lamper, de erstatter (i form af en pære, for eksempel) og fyldt med en inert gas såsom nitrogen eller kuldioxid. kul for at fjerne varme effektivt . Hovedtyperne af LED'er er: miniature, højeffektenheder og almindelige designs såsom alfanumeriske eller flerfarvede. ]

Overvejelser om brug

Strømforsyninger

Hovedartikel: Kredsløb med led

Grundkredsløb til belysning af en LED. Den består af en LED, en strømbegrænsende modstand og en jævnstrømsforsyning.

Karakteristisk kurve for en led-diode med dens frem- og tilbagepolariseringszoner

Strøm - spændingskarakteristikken for en LED ligner den for andre dioder, idet intensiteten af ​​strømmen ( eller kortvarigt, strømmen) vokser eksponentielt med spændingen (se Shockleys ligning ). Det betyder, at en lille spændingsændring kan forårsage en stor strømændring. ​ Hvis den påførte spænding overstiger LED'ens fremadgående bias-tærskelspændingsfald med et lille beløb, kan den strømgrænse, som dioden kan modstå, overskrides kraftigt, hvilket potentielt beskadiger eller ødelægger LED'en. Løsningen, der kan anvendes for at undgå dette, er at bruge strømforsyninger med konstant strømstyrke (kortvarigt konstant strømkilde ) i stand til at holde strømmen under den maksimale værdi af den strøm, der kan passere gennem LED'en eller i det mindste, hvis der anvendes en konventionel konstant spændingskilde eller et batteri , skal du tilføje en begrænsningsmodstand i serie med LED'en til LED-belysningskredsløbet. Da normale strømkilder (batterier, lysnettet) normalt er konstantspændingskilder, skal de fleste LED-armaturer indeholde en strømkonverter eller i det mindste en strømbegrænsende modstand. Den høje modstand af tre-volt knapceller kombineret med den høje differentielle modstand af nitrid-afledte lysdioder gør det muligt at forsyne sådanne lysdioder fra en knapcelle uden behov for en ekstern modstand.

Elektrisk polaritet

Hovedartikel: Elektrisk polaritet af LED'er

Som med alle dioder flyder strømmen let fra p-type-materialet til n-type-materialet. Men hvis en lille spænding påføres i modsat retning, løber der ingen strøm, og der udsendes intet lys. Hvis omvendt spænding stiger nok til at overskride gennembrudsspændingen , flyder der en høj strøm, og LED'en kan blive beskadiget. Hvis den omvendte strøm er begrænset nok til at forhindre skade, kan den omvendt ledende LED bruges som lavinediode .

Sundhed og sikkerhed

Langt de fleste enheder, der indeholder LED'er, er "sikre under normal brug", og er derfor klassificeret som "Risikoprodukt 1 RG1 (lav risiko)" / "LED Klasse 1". I øjeblikket kan kun få lysdioder - ekstremt lyse lysdioder, der har en meget lille synsvinkel med en blænde på 8° eller mindre - teoretisk set forårsage midlertidig blindhed og er derfor klassificeret som "Risk 2 RG2 (moderat risiko)". Udtalelsen fra det franske agentur for fødevaresikkerhed, miljø og arbejdsmiljø og sikkerhed (ANSES) ved behandling af sundhedsspørgsmål relateret til lysdioder i 2010 foreslog at forbyde offentlig brug af lamper fundet i gruppe 2 eller moderat risiko, især dem med en høj blå komponent, på steder, der frekventeres af børn. ]

Generelt gælder sikkerhedsbestemmelserne for brug af laserlys ​—og Risk 1, Risk 2-enheder osv.— også for LED'er. ]

Ligesom LED'er har den fordel frem for lysstofrør , at de ikke indeholder kviksølv , kan de dog indeholde andre farlige metaller som bly og arsen . Med hensyn til toksiciteten af ​​lysdioder, når de behandles som affald, udtalte en undersøgelse offentliggjort i 2011: "I henhold til føderale regler er lysdioder ikke farlige, undtagen røde lysdioder med lav intensitet, da de i begyndelsen af ​​deres kommercialisering indeholdt Pb (bly) i koncentrationer over regulatoriske grænser (186 mg/L; regulatorisk grænse: 5), men ifølge Californiens regulativer, for høje niveauer af kobber (op til 3.892 mg/kg; grænse: 2.500 ), bly (op til 8103 mg/kg, grænse: 1000), nikkel (op til 4797 mg/kg, grænse: 2000) eller sølv (op til 721 mg/kg, grænse: 500) forårsager, at alle LED'er undtagen gule med lav intensitet er farlige." ]

Fordele

• Effektivitet - LED'er udsender flere lumen pr. watt end glødepærer. Effektiviteten af ​​LED-belysningsarmaturer er ikke påvirket af deres form og størrelse, i modsætning til pærer eller lysstofrør.

• Farve - LED'er kan udsende lys af enhver farve uden at bruge farvefiltre som dem, der er nødvendige i traditionelle belysningsmetoder. Denne egenskab giver dem større effektivitet og reducerer omkostningerne.

• Størrelse : LED'er kan være meget små (mindre end 2 mm² ) og kan derfor nemt fastgøres til printkort.

• Opvarmningstid – LED'erne tændes meget hurtigt. En typisk rød LED-indikator vil nå fuld lysstyrke på mindre end et mikrosekund . LED'er, der bruges i kommunikationsenheder, kan udvise endnu kortere responstider.

• Cykling - LED'er er ideelle i applikationer, der er udsat for hyppig tænd-sluk-cykling, i modsætning til glødelamper og lysstofrør, der svigter, når de bruges i denne mulighed, eller som højintensitetsudladningslamper (HID-lamper), som kræver lang ventetid, før tændingen genstartes.

• Dæmpning – LED'er kan let dæmpes ved pulsbreddemodulation eller ved at reducere jævnstrømmen. Pulsbreddemodulation er grunden til, at LED-lys, især bilforlygter, ser ud til at flimre, når de ses gennem et kamera eller af nogle mennesker. Det er et tilfælde af stroboskopisk effekt .

• Koldt lys - I modsætning til de fleste lyskilder udsender LED'er meget lidt varme i form af infrarød stråling, som kan beskadige følsomme genstande eller væv. Den tabte energi forsvinder som varme i bunden af ​​LED'en.

• Langsom fade - De fleste LED'er falmer langsomt over tid, i modsætning til glødepærer, der forringes brat.

• Levetid – LED'er kan have en relativt lang levetid. En rapport anslår mellem 35.000 og 50.000 timers brugbar levetid, selvom den tid, der normalt går, før produktet holder op med at virke helt, normalt er længere. Lysstofrør har en anslået levetid på 10.000 til 15.000 timer, delvist afhængigt af brugsforholdene, og glødepærer 1.000 til 2.000 timer. Forskellige DOE -udsagn har vist, at mere end energibesparelser, reducerede vedligeholdelsesomkostninger over denne forlængede levetid er den primære faktor til at bestemme tilbagebetalingsperioden for et LED-produkt. ]

• Stødmodstand – LED'er er solid-state komponenter og er derfor svære at beskadige fra eksterne stød, i modsætning til lysstofrør og glødelamper, som er skrøbelige.

• Fokus – Et system af LED'er kan designes til at kunne fokusere lys. Gløde- og fluorescerende kilder kræver ofte en ekstern reflektor for at opsamle lyset og rette det korrekt. I større LED-systemer bruges Total Internal Reflection (TIR) ​​linser ofte for at opnå samme effekt. Men når der er brug for store mængder lys, udsættes der ofte mange lyskilder, som er svære at fokusere eller kollimere til samme sted.

Ulemper

• Startpris – LED'er er i øjeblikket en smule dyrere (pris pr. lumen ) end andre belysningsteknologier. I marts 2014 hævdede en producent allerede at have nået prisen på én dollar pr. kilolumen. Merudgiften stammer til dels fra det relativt lave lysudbytte, drevkredsløb og strømforsyninger, der kræves.

• Temperaturafhængighed : LED-ydeevne er meget afhængig af den omgivende temperatur i omgivelserne eller de procedurer, der anvendes til termisk styring. Overbelastning af en LED i et miljø med høj temperatur kan føre til overophedning af alle LED'er og svigt af belysningsenheden. Det er nødvendigt at bruge en passende køleplade for at sikre en lang levetid. Dette er især vigtigt i bilindustrien, medicinske og militære applikationer, hvor enheder skal fungere inden for et bredt temperaturområde og med lave fejlfrekvenser. Toshiba har fremstillet LED'er med et driftstemperaturområde på -40 til 100°C, som er velegnet til både indendørs og udendørs brug og i applikationer som lamper, loftslamper, gadelys og spotlights.

• Følsomhed med spænding : LED'erne skal forsynes for at arbejde med en spænding, der er højere end dens tærskelspænding og med en strøm under dens nominelle værdi. Både strøm og levetid ændrer sig dramatisk med en lille ændring i påført spænding. Derfor kræver de en reguleret forsyningsstrøm (en seriemodstand er normalt tilstrækkelig til LED-indikatorer). ]

• Farvegengivelse : De fleste kølige hvide LED'er har spektre, der adskiller sig væsentligt fra irradiansspektret af en sort krop, såsom Solen eller en glødelampe. Toppen ved 460 nm og dalen ved 500 nm kan forårsage, at farven på objekter opfattes anderledes under kølig hvid LED-belysning end under sollys eller glødende lyskilder på grund af metamerisme . Kold-hvide fosforbaserede LED'er gengiver røde overflader særligt dårligt.

• Område forbundet med lyskilden – De enkelte LED'er tilnærmer sig ikke en punktlyskilde, der giver en sfærisk lysfordeling, men derimod en Lambertian -fordeling . LED'er er vanskelige at anvende i tilfælde, hvor sfæriske lysfelter er nødvendige, dog kan lysfelterne manipuleres ved at anvende forskellige optiske procedurer eller "linser". LED'er kan ikke give divergens under et par grader. I modsætning hertil kan lasere udsende stråler med divergenser på 0,2 grader eller mindre. ]

• Elektrisk polaritet - I modsætning til glødepærer , der lyser uanset elektrisk polaritet , lyser LED'er kun med den korrekte elektriske polaritet. For automatisk at justere strømforsyningens polaritet for LED-enheder, kan ensrettere bruges .

• Blue Hazard – Der er bekymring for, at blå LED'er og kolde hvide LED'er er i stand til at overskride sikkerhedsgrænser fastsat af såkaldt blåt lysfare som defineret i øjensikkerhedsspecifikationer såsom IEC 62471 ]

• Udendørs lysforurening – Hvide LED'er, især dem med en højfarvetemperatur , udsender meget kortere bølgelængdelys end konventionelle udendørs lyskilder såsom højtryksnatriumdamplamper . På den anden side skal vi også tage højde for den større følsomhed af vores syn over for blåt og grønt i scotopisk syn og derfor forskydes i det synlige spektrum mod 'kolde' farver, og dermed forvrænge forståelsen af ​​farver 'varme' (mod orange og rød). Som en konsekvens heraf forårsager de hvide LED'er, der bruges i udendørs belysning, mere nattehimmel i scotopisk synog genererer dermed mere lysforurening. ​ Den amerikanske lægeforening advarede mod brugen af ​​hvide lysdioder med højt blåt indhold i offentlig belysning på grund af deres større indvirkning på mennesker sundhed og miljø sammenlignet med lyskilder med lavt blåt indhold (f.eks. High Pressure Sodium, ravfarvede computer-LED'er og LED'er med lav farvetemperatur. ]

• Nedsat effektivitet : Lysdiodernes effektivitet falder, når den elektriske strøm stiger . Opvarmningen øges også ved højere strømme, hvilket kompromitterer LED'ernes levetid. Disse effekter sætter praktiske grænser for LED-strømværdier i højeffektapplikationer. ]

• Indvirkning på insekter - LED'er er meget mere attraktive for insekter end natriumdamplys, hvilket har skabt en bekymring for, at de kan forårsage forstyrrelse af deres fødevæv. ]

• Brug under vinterforhold : Da LED'er ikke udsender meget varme sammenlignet med glødelamper, kan LED-lys, der bruges til trafikstyring, forblive dækket af sne, hvilket skjuler dem og kan føre til ulykker. ]

Ansøgninger

Indikatorer og signallamper

Illustration af et trafiklys med røde, gule og grønne LED'er

Det lave strømforbrug , det lave behov for vedligeholdelse og den lille størrelse af LED'er har ført til deres brug som status- og displayindikatorer i en lang række udstyr og installationer. LED-skærme med stort område bruges til at udsende spillet på stadioner, som dynamiske dekorative skærme og som dynamiske beskedskilte på motorveje. Lette og slanke meddelelsesdisplays bruges i lufthavne og banegårde og som destinationsinformationstavler på tog, busser, sporvogne og færger.

Enkeltfarvede lys er velegnede til trafiklys , trafiksignaler, frakørselsskilte , nødbelysning til køretøjer , navigationslys, forlygter (standard kromaticitets- og luminansindeks blev fastsat i den internationale konvention om forebyggelse af kollisioner til søs af 1972, bilag 1 og af den internationale kommission for belysning eller CIE) og julelys, der består af LED'er. I regioner med koldt klima kan LED-trafiklys forblive dækket af sne. Røde eller gule LED'er bruges i indikatorer og alfanumeriske displays, i miljøer, hvor nattesyn skal opretholdes: flykabiner, ubåds- og skibsbroer, astronomiske observatorier og i felten for eksempel til observation af dyr under nat- og feltmilitær bruger.

På grund af deres lange levetid, hurtige koblingstider og evne til at blive set i fuldt dagslys på grund af deres høje intensitet og koncentration, har LED'er været brugt til bremselys i biler, lastbiler og busser i nogen tid og ved retningsskift; Mange køretøjer bruger nu LED'er i deres baglygter. Brugen af ​​bremserne forbedrer sikkerheden på grund af den store reduktion i den tid, der kræves for en fuldstændig tænding, det vil sige på grund af det faktum, at de har en kortere stigetid, op til 0,5 sekunder hurtigere end en glødepære. Dette giver mere reaktionstid for bagkørere. I et kredsløb med dobbelt intensitet (baglygter og bremselys), hvis LED'erne ikke drives hurtigt nok, kan de skabe en spøgelsesmatrix, hvor spøgelsesbilleder af LED'en vil fremkomme, hvis øjnene bevæger sig hurtigt hen over lysarrayet. . Forlygter med hvide lysdioder begynder at blive brugt. Brugen af ​​LED'er har stylingfordele, fordi de kan danne meget tyndere stråler end glødelamper med parabolske reflektorer.

Laveffekt LED'er er relativt billige og kan bruges i kortlivede belysningsobjekter såsom selvklæbende belysning, engangsgenstande og Lumalive fotonisk stof. Kunstnere bruger også lysdioder til såkaldt LED-kunst. Vejr- og nødradiomodtagere med kodede områdemeddelelser (SAME) har tre lysdioder: rød for alarmer, orange for opmærksomhed og gul for advarsler, indikationer og rapporter.

Belysning

For at opmuntre til skiftet til LED-lamper har det amerikanske energiministerium skabt L-prisen. Philips Lighting North America LED-pæren vandt førstepræmien den 3. august 2011 efter at have gennemført 18 måneders test, intensivt felt, laboratorium og produkt. ]

LED'er bruges som gadebelysning og i arkitektonisk belysning. Den mekaniske robusthed og lange levetid bruges i bilbelysning i biler, motorcykler og cykellygter. LED-lysemission kan kontrolleres effektivt ved at bruge optiske principper uden billeddannelse .

I 2007 var den italienske by Torraca det første sted, der konverterede hele sit belysningssystem til LED. LED'er bruges også i luftfarten, Airbus har brugt LED-belysning på sin Airbus A320 siden 2007, og Boeing bruger LED-belysning på 787'eren. LED'er bruges nu også i lufthavns- og helikopterpladsbelysning. . LED lufthavnsarmaturer inkluderer i øjeblikket medium intensitet banelys, banecenterlinjelys, taxibanecenterlinjelys og kantlys.

LED'er bruges også som lyskilde til DLP-projektorer og til at belyse LCD -fjernsyn (kendt som LED-fjernsyn) og bærbare skærme . RGB LED'er øger farveskalaen med op til 45 %. Skærme til tv- og computerskærme kan gøres tyndere ved at bruge LED'er til baggrundsbelysning. Manglen på infrarød eller termisk stråling gør LED'er ideelle til scenelys med rækker af RGB LED'er, der nemt kan ændre farve og mindske opvarmning af belysning, såvel som medicinsk belysning, hvor IR-stråling kan være skadelig Inden for energibesparelser er der mindre varmeproduktion ved brug af LED'er.

De er også små, holdbare og kræver lidt strøm, hvorfor de bruges i bærbare enheder såsom lommelygter . LED -blitz eller kamerablitz fungerer ved en sikker, lav spænding i stedet for de 250+ volt, der almindeligvis findes i xenon -flash-baseret belysning . Dette er især nyttigt på mobiltelefonkameraer . LED'er bruges til infrarød belysning i nattesynsapplikationer , herunder sikkerhedskameraer . En ring af LED'er rundt om et videokamera rettet fremad på en retroreflekterende baggrund muliggør chroma keying i videoproduktioner .

LED'er bruges i minedrift , såsom hættelamper til at give lys til minearbejdere. Forskning er blevet udført for at forbedre minedrift LED'er for at reducere blænding og øge belysningen, hvilket reducerer risikoen for skader på minearbejdere. ]

LED'er er nu almindeligt anvendt i alle markedsområder, fra kommerciel til hjemmebrug: standardbelysning, teatralske, arkitektoniske, offentlige installationer og overalt, hvor der anvendes kunstig belysning.

LED'er finder flere og flere anvendelser i medicinske og uddannelsesmæssige applikationer, for eksempel som humørforbedring, og nye teknologier såsom AmBX, der udnytter alsidigheden af ​​LED'er. NASA har endda sponsoreret forskning for at bruge lysdioder til at fremme sundhed for astronauter . ]

optisk kommunikation. Dataoverførsel og anden kommunikation

Se også: liphi

Lys kan bruges til at transmittere data og analoge signaler . For eksempel kan hvide LED'er bruges i systemer til at hjælpe folk med at orientere sig i lukkede rum for at lokalisere armaturer eller genstande. ]

Lyttehjælpeudstyr i mange teatre og lignende steder bruger arrays af infrarøde LED'er til at levere lyd til seermodtagere. LED'er (og også halvlederlasere) bruges til at sende data over mange typer fiberoptiske kabler . Fra TOSLINK -kabler til digital lydtransmission til fiberlinks med meget høj båndbredde , der udgør rygraden i internettet . I nogen tid var computere udstyret med IrDA -grænseflader , som gjorde det muligt for dem at sende og modtage data fra nærliggende computere ved hjælp af infrarød stråling .

Fordi LED'er kan tænde og slukke millioner af gange i sekundet, kræver de meget høj båndbredde til datatransmission. ]

Bæredygtig belysning

Belysningseffektivitet er nødvendig for bæredygtig arkitektur . I 2009 viste test udført med LED-pærer af det amerikanske energiministerium en gennemsnitlig effektivitet fra 35 lm/W, derfor under effektiviteten af ​​CFL'er, til værdier så lave som 9 lm/W. , værre end glødepærer . En typisk 13-watt LED-pære udsender 450 til 650 lumen, , hvilket svarede til en standard 40-watts glødepære.

Under alle omstændigheder var der i 2011 LED-pærer med en virkningsgrad på 150 lm/W, og selv low-end-modeller oversteg 50 lm/W, så en 6-watt LED kunne opnå samme resultater som en pære. standard 40 watt glødelampe. Sidstnævnte har en holdbarhed på 1000 timer, mens en LED kan fortsætte med at fungere med en lavere effektivitet i mere end 50.000 timer. ]

Sammenlignende tabel for led-LFC-glødepære:

	Led	CFL'er	Glødepære
Liv	50.000 timer	10.000 timer	1.200 timer
watt pr. pære	10	14	60
pris pr. pære	2,00 USD	7,00 USD	$1,25
kW forbrugt på 50.000 timer	500	700	3000
Elektriske omkostninger ($0,10/kW)	50 USD	70 USD	300 USD
Pærer er nødvendige for at fuldføre 50.000 timers lys	1	5	42
Brug på pærer til 50.000 timers lys	2,00 USD	35,00 USD	52,50 USD
Samlet pris for 50.000 timers lys	52,00 USD	105,00 USD	$352,50

Strømforbrug

Reduktionen i elektrisk energiforbrug opnået med LED-baseret belysning er betydelig sammenlignet med glødelamper . Derudover viser denne reduktion sig også som et bemærkelsesværdigt fald i skader på miljøet. Hvert land præsenterer et forskelligt energipanorama, og selv om indvirkningen på energiforbruget er den samme, kan produktionen af ​​gasser, der er skadelige for miljøet, svinge en del fra den ene til den anden. Med hensyn til forbrug kan en konventionel 40 - watt glødepære tages som prøve . Et tilsvarende lysudbytte kan opnås med et 6-watt LED-system. Derfor kan energiforbruget reduceres med mere end 85 % ved at bruge LED-systemet i stedet for glødepærer. Hvad angår besparelsen i miljøbelastningen, er det muligt at kvantificere den for ethvert land, hvis produktionen af ​​CO ₂ pr. kW pr. time er kendt . I det konkrete tilfælde med Spanien vides det, at energimixet i det spanske elnet har produceret omkring 308 g CO ₂ /kWh i 2016. Det er antaget til beregningen, at både pæren og LED-enheden har fungeret i 10 timer om dagen i hele året 2016. Den energiforbrugte har været 146 kW-time af glødepæren og 21,6 kW-time af LED-enheden. Den forbrugte elektriske energi kan omsættes til kg produceret CO ₂ om året. I det første tilfælde er produktionen af ​​ca. 45 kg CO ₂ udført, mens produktionen af ​​CO ₂ i det andet tilfælde er reduceret til 6,75 kg.

Lyskilder til maskinsynssystemer

Industrielle visionsystemer kræver ofte homogen belysning for at kunne fokusere på billedelementer af interesse. Dette er en af ​​de hyppigste anvendelser af LED-lys, og det vil den helt sikkert fortsætte med ved at sænke priserne på systemer baseret på lyssignalering. Stregkodescannere er det mest almindelige eksempel på vision-systemer, mange af disse lavprisprodukter bruger LED'er i stedet for lasere. Optiske computermus bruger også LED'er til deres visionsystem, da de giver en ensartet lyskilde på overfladen til miniaturekameraet inde i musen. Faktisk er LED'er en næsten ideel lyskilde til visionsystemer af følgende årsager:

• Størrelsen af ​​det oplyste felt er normalt forholdsvis lille, og maskinsynssystemer er ofte ret dyre, så prisen på lyskilden er normalt mindre problematisk. Det kan dog ikke være let at erstatte en ødelagt lyskilde i komplekse maskiner; i dette tilfælde er LED'ernes lange levetid en fordel.
• LED-komponenter er tilbøjelige til at være små og kan placeres med høj densitet på flade eller glatte overflader (PCB'er osv.), så der kan designes homogene lyskilder, der leder lys fra stramt kontrollerede retninger til inspicerede dele. Dette kan ofte opnås med små, billige linser og diffusorer, der hjælper med at opnå høje lystætheder med kontrol over belysningsniveauer og homogenitet. LED-kilder kan konfigureres på forskellige måder (spotlights til reflekterende belysning, ringlys til koaksial belysning, baggrundslys til konturbelysning, lineære monteringer, storformat fladskærme, kuppelkilder til diffus rundstrålende belysning).
• LED'er kan nemt strobe (i mikrosekundområdet og derunder) og billedsynkroniseres. Højeffekt LED'er er tilgængelige for at muliggøre godt oplyste billeder, selv med meget korte lysimpulser. Dette bruges ofte til at få skarpe, sprøde billeder af dele i hurtig bevægelse.
• LED'er kommer i forskellige farver og bølgelængder, hvilket gør det nemt at bruge den bedste farve til hvert behov, hvor forskellige farver kan give bedre synlighed af funktioner af interesse. At have et præcist kendt spektrum gør det muligt at bruge nøje afstemte filtre til at adskille informationsbåndbredden eller til at reducere de forstyrrende effekter af omgivende lys. LED'er fungerer normalt ved forholdsvis lave driftstemperaturer, hvilket forenkler varmestyring og -afledning. Dette tillader brug af plastlinser, filtre og diffusorer. Vandtætte enheder kan også nemt designes, hvilket tillader brug i barske eller fugtige miljøer (fødevare-, drikke-, olieindustrier).

Medicin og biologi

Sundhed har gentaget fordelene ved LED i forhold til andre typer belysning og har indarbejdet dem i dets avancerede udstyr. De fordele, som LED'er tilbyder i deres nuværende udviklingstilstand, har ført til deres hurtige udbredelse i verden af ​​instrumenter til diagnose og støtte i medicinske og kirurgiske procedurer. Fordelene, der værdsættes af læger, er følgende:

• Den lille størrelse af lyskilderne, der generelt kan forbindes med meget tynde og fleksible lysledere, som tillader dem at bevæge sig inde i tynde katetre .
• Fraværet af ledsagende infrarød stråling, som gør det muligt at forbinde udtrykket " koldt lys " med dem . Varmen afgivet af andre typer lyskilder gjorde det vanskeligt eller forhindrede deres brug ved visse diagnostiske observationer eller kirurgiske indgreb.
• Den hvide tone, der normalt er favorit til medicinske observationer. Det skal være en naturlig hvid farve, der kan præsentere alle farver uden problemer med metamerisme . Den naturlige farve af de således oplyste væv begunstiger således den korrekte diagnose af det observerede felt.
• Den høje lysstyrke, som disse lyskilder kan opnå.

Diagnose og syn

Baseret på ovenstående ideer er nuværende endoskoper udstyret med LED-belysning. Den endoskopiske teknik omfatter mange medicinske specialer, for eksempel gastroskopi , koloskopi , laryngoskopi , otoskopi eller artroskopi . Alle disse teknikker tillader observation af organer og systemer i den menneskelige krop ved brug af miniature videokameraer. De kan også bruges i kirurgiske procedurer eller til diagnostiske formål. Udstyret er også kendt som videoskoper eller videoendoskoper . Der er stive eller fleksible alt efter behov. Fiberoptik tilpasses hvert enkelt tilfælde. Til gengæld er lysene på operationsstuerne og tandklinikkerne i øjeblikket LED. De opfylder perfekt alle tekniske og sanitære krav til deres brug. At opnå en hvid, naturlig, skarp belysning (mere end et hundrede og halvtreds tusinde candela i en afstand af en meter fra arbejdsområdet), uden skygger og uden infrarøde eller ultraviolette emissioner, der kan påvirke både patienten og det medicinske personale, er især værdsat at deltage i interventionen.

Det samme sker med kirurger og tandlægers pandelamper udstyret med lysdioder, med lamper til lægeundersøgelser, til undersøgelser og oftalmologiske indgreb eller til mindre operationer , hvormed man kan sige, at lysdioder er kommet til at dække alle medicinske specialer . Optiske virksomheder dedikeret til medicin har indbygget lysdioder i deres observationsudstyr, for eksempel i mikroskoper , og opnår således mange fordele for studiet af billeder ved hjælp af de forskellige teknikker ( lysfelt , kontrast , fluorescens), som kommer til udtryk i reklame- og kommercielle områder. LED'er bruges med succes som sensorer i pulsmålere eller ilt blodtryksmålere til at måle iltmætning.

Terapi

LED-lys bruges i en hudbehandlingsteknik kaldet fototerapi . Lad os huske, at lyset, der udsendes af de forskellige halvlederlegeringer, er meget monokromatisk. Hver af farverne (blå, gul, rød osv.) tildeles prioriteret aktivitet i en bestemt terapeutisk proces, f.eks. fremme heling (blåt lys), angribe en bestemt stamme af bakterier (forskellige farver), lysne hudpletter ( rødt lys) osv. Mange biologiske materialer og systemer er følsomme eller afhængige af lys. Grow lights bruger LED'er til at øge fotosyntesen i planter. Bakterier og vira kan fjernes fra vand og andre stoffer ved UV LED-sterilisering.

Industri

Industrien har tilpasset de observationsmodeller, der anvendes inden for medicin til egne behov, og udstyret kaldes industrielle endoskoper eller også boreskoper , flexoskoper eller videoendoskoper . Med dem kan du se indersiden af ​​maskiner, motorer, rør, hulrum eller våben uden at skulle skille dem ad.

Andre applikationer

Lyset fra LED'er kan moduleres meget hurtigt, så de er meget udbredt i fiberoptik og optisk kommunikation med frirum . Dette omfatter fjernbetjeninger, der bruges på LED-fjernsyn, videobåndoptagere og computere. Optiske isolatorer bruger en LED kombineret med en fotodiode eller fototransistor for at give en elektrisk isoleret signalvej mellem to kredsløb. Dette er især nyttigt i medicinsk udstyr, hvor signaler fra et lavspændings (typisk batteridrevet) sensorkredsløb i kontakt med en levende organisme skal være elektrisk isoleret fra enhver potentiel elektrisk fejl i en overvågningsenhed, der arbejder ved potentielt farlige spændinger. En opto-isolator gør det også muligt at overføre information mellem kredsløb, der ikke deler et fælles jordpotentiale.

Mange sensorsystemer er afhængige af lys som signalkilde. LED'er er ofte ideelle som lyskilde på grund af kravene til sensorerne. LED'er bruges som bevægelsessensorer , for eksempel i optiske computermus . Sensorbaren på Nintendo Wii bruger infrarøde lysdioder. Pulsoximetre bruger dem til at måle iltmætning . Nogle bordscannere bruger RGB LED-arrays i stedet for den typiske kold katode fluorescerende lampe som deres lyskilde. At have kontrol over tre oplyste farver uafhængigt gør det muligt for scanneren at kalibrere sig selv for mere nøjagtig farvebalance, og der er ikke behov for opvarmning. Dine sensorer behøver også kun at være monokrome, da den scannede side på et hvilket som helst tidspunkt kun belyses af én farve lys. Da LED'er også kan bruges som fotodioder, kan de også bruges til fotoemission eller detektion. Dette kan for eksempel bruges i en berøringsskærm, der optager lys, der reflekteres fra en finger eller stylus . Mange biologiske materialer og systemer er følsomme over for eller afhængige af lys. Grow lights bruger LED'er til at stimulere fotosyntese i planter , og bakterier og vira kan dræbes fra vand og andre stoffer ved hjælp af UV LED'er til sterilisering.

LED'er er også blevet brugt som kvalitetsspændingsreference i elektroniske kredsløb . I stedet for en Zener-diode i lavspændingsregulatorer kan fremadspændingsfaldet bruges (f.eks. ca. 1,7V for en normal rød lysdiode). Røde LED'er har den fladeste I/V-kurve. Selvom den ledede fremadspænding er meget mere afhængig af strøm end en zenerdiode, er zenerdioder med gennembrudsspændinger under 3 V ikke almindeligt tilgængelige.

Den progressive miniaturisering af lavspændingsbelysningsteknologi, såsom LED'er og OLED'er , egnet til inkorporering i tynde materialer, har tilskyndet til eksperimenter med at kombinere lyskilder og indvendige vægbeklædningsoverflader. De nye muligheder, som disse udviklinger giver, har fået nogle designere og virksomheder, såsom Meystyle , Ingo Maurer , Lomox og Philips til at forske i og udvikle proprietære teknologier af led tapet, hvoraf nogle i øjeblikket er tilgængelige for kommercielt køb. Andre løsninger eksisterer primært som prototyper eller er ved at blive forfinet.

Se også

• OLED
• AMOLED
• KrystallLED
• laser diode
• laserskærm
• fotodiode
• Henry Joseph runde
• Led rør

Eksterne links

• Wikimedia Commons er vært for en mediekategori om LED'er .
• Wikimedia Commons er vært for en multimediekategori om led (SMD) .
• Wiktionary har definitioner og anden information om LED'er .
• LED'en - Hvordan virker LED'er? på YouTube . (på engelsk)