Doprowadziło

Led (dioda elektroluminescencyjna)
Niebieskie, żółte, zielone i czerwone diody LED w opakowaniu dyfuzyjnym 5mm
Facet	Półprzewodnik
Zasada działania	elektroluminescencja
Wynalazek	H.J. Round (1907) Oleg Losev (1927) James R. Biard (1961) Nick Holonyak (1962) Shuji Nakamura (1994) ]
pierwsza produkcja	Październik 1962
symbol elektroniczny
terminale	anoda i katoda

Dioda elektroluminescencyjna lub dioda LED ​ (znana również pod akronimem LED , od angielskiego light-emitting diode ) to źródło światła wykonane z materiału półprzewodnikowego z dwoma końcówkami . Jest to dioda złącza pn , która po włączeniu emituje światło. Jeśli do zacisków zostanie przyłożone odpowiednie napięcie , elektrony rekombinują z otworami w obszarze złącza pn urządzenia, uwalniając energię w postaci fotonów . Efekt ten nazywamy elektroluminescencją , a barwa generowanego światła (w zależności od energii emitowanych fotonów ) jest określona szerokością przerwy energetycznej półprzewodnika . Diody LED są zwykle małe (mniej niż 1 mm²), a niektóre elementy optyczne są z nimi powiązane w celu utworzenia wzoru promieniowania. ]

Pierwsze diody LED zostały wyprodukowane jako komponenty elektroniczne do praktycznego zastosowania w 1962 roku i emitowały światło podczerwone o niskim natężeniu. Te diody LED na podczerwień są nadal używane jako elementy nadawcze w obwodach zdalnego sterowania, takich jak piloty stosowane w szerokiej gamie produktów elektroniki użytkowej. Pierwsze diody LED światła widzialnego również miały niską intensywność i ograniczały się do czerwonego widma. Nowoczesne diody LED mogą rozciągać się na długości fal w zakresie widzialnym , ultrafioletowym i podczerwonym i osiągać bardzo wysokie jasności.

Pierwsze diody LED zostały wykorzystane w sprzęcie elektronicznym jako lampki kontrolne zastępujące żarówki. Wkrótce skojarzono je z wyświetlaczami numerycznymi w postaci siedmiosegmentowych wskaźników alfanumerycznych , jednocześnie wkomponowano je w zegary cyfrowe. Ostatnie osiągnięcia umożliwiają już wykorzystanie diod LED do oświetlenia otoczenia w różnych zastosowaniach. Diody LED umożliwiły rozwój nowych wyświetlaczy i czujników, a ich wysokie szybkości przełączania pozwalają na wykorzystanie ich również w zaawansowanych technologiach komunikacyjnych.

Obecnie diody LED oferują wiele zalet w porównaniu z konwencjonalnymi żarówkowymi lub fluorescencyjnymi źródłami światła, w szczególności mniejsze zużycie energii, dłuższą żywotność, lepszą wytrzymałość fizyczną, mniejsze rozmiary i możliwość ich wytwarzania na różne sposoby. określony i kontrolowany sposób; w przypadku wielokolorowych diod LED o dużej częstotliwości przełączania.

Diody te są obecnie wykorzystywane w tak różnorodnych zastosowaniach, że obejmują wszystkie aktualne obszary technologiczne, od bioinżynierii , medycyny i zdrowia , poprzez nanotechnologię i obliczenia kwantowe , urządzenia elektroniczne czy oświetlenie, w inżynierii górniczej ; do najpopularniejszych należą podświetlenie ekranów telewizyjnych i komputerowych, a także urządzeń mobilnych ​ światło nawigacyjne samolotów, reflektory pojazdów , reklamy, oświetlenie ogólne , sygnalizacja świetlna , lampy błyskowe i świetlne papiery ścienne. Od początku 2017 roku lampy LED do oświetlania domu były tak samo tanie lub tańsze niż świetlówki kompaktowe o zachowaniu zbliżonym do diod LED. Są również bardziej energooszczędne, a ich usuwanie jako odpadów może powodować mniej problemów środowiskowych. ]

Części konwencjonalnego leda. Płaskie powierzchnie kowadełka i słupka w zalewie epoksydowej działają jak kotwice, zapobiegając przesuwaniu się przewodów pod wpływem naprężeń mechanicznych lub wibracji.

Powiększony obraz diody do montażu powierzchniowego

Historia

Discovery i wczesne urządzenia

Zjawisko elektroluminescencji odkrył w 1907 roku brytyjski eksperymentator Henry Joseph Round z Marconi Laboratories przy użyciu kryształu węglika krzemu i detektora kocich wąsów . Radziecki wynalazca Oleg Losev poinformował o zbudowaniu pierwszej diody LED w 1927 roku. Jego badania ukazały się w sowieckich, niemieckich i brytyjskich czasopismach naukowych, ale odkrycie to zostało wprowadzone w życie dopiero kilkadziesiąt lat później. Kurt Lehovec, Carl Accardo i Edward Jamgochian zinterpretowali mechanizm tych pierwszych diod LED w 1951 roku, używając urządzenia wykorzystującego kryształy węglika krzemu, z generatorem impulsów i zasilaczem, a w 1953 r. w wariancie krystalicznie czystym.

Rubin Braunstein z RCA doniósł w 1955 r. o emisji podczerwieni z arsenku galu (GaAs) i innych stopów półprzewodnikowych. Braunstein zaobserwował, że emisja ta była generowana w diodach zbudowanych z antymonku galu (GaSb), arsenku galu (GaAs), fosforku indu (InP) i stopów krzemowo-germanowych (SiGe) w temperaturze pokojowej i 77 kelwinach.

W 1957 roku Braunstein wykazał również, że te podstawowe urządzenia mogą być wykorzystywane do komunikacji na krótkich dystansach, nieradiowej. Jak wskazuje Kroemer, Braunstein ustalił bardzo prostą linię komunikacji optycznej: wziął muzykę z gramofonu i przetworzył ją za pomocą odpowiedniej elektroniki, aby modulować prąd stały wytwarzany przez diodę z arsenku galu GaAs . Światło emitowane przez diodę GaAS było w stanie uczulić znajdującą się w pewnej odległości diodę z siarczku ołowiu PbS. Sygnał generowany w ten sposób przez diodę PbS był wprowadzany do wzmacniacza audio i transmitowany przez głośnik. Kiedy wiązka światła została przechwycona między dwiema diodami LED, muzyka ucichła. Ten zespół już zapowiadał użycie diod LED do komunikacji optycznej.

Zielona elektroluminescencja z punktu styku na krysztale SiC odtwarza oryginalny eksperyment, który Round przeprowadził w 1907 roku.

We wrześniu 1961 r. James R. Biard i Gary Pittman, pracujący w Texas Instruments (TI) w Dallas w Teksasie , odkryli promieniowanie podczerwone (900 nm) pochodzące z diody tunelowej , którą zbudowali na podłożu z arsenku węgla, galu (GaAs). W październiku 1961 r. wykazali istnienie wydajnej emisji światła i sprzężenia sygnału między emitującym światło złączem pn arsenku galu a elektrycznie izolowanym fotodetektorem wykonanym z materiału półprzewodnikowego. Bazując na swoich odkryciach, 8 sierpnia 1962, Biard i Pittman wyprodukowali patent zatytułowany „Semiconductor Radiant Diode” , w którym opisano, w jaki sposób stop cynku dyfundował podczas wzrostu kryształu tworzącego podłoże diody LED złącza pn. ze stykiem katody dostatecznie odseparowanym, umożliwiło wydajną emisję światła podczerwonego przy polaryzacji do przodu.

Ze względu na wagę jego badań, które pojawiły się w jego zeszytach inżynierskich, a nawet przed przekazaniem jego wyników pochodzących z laboratoriów General Electric , Radio Corporation of America , IBM , Bell Laboratories lub laboratorium Lincoln Laboratory w Massachusetts Institute of Technologia , przyznano im patent przez Urząd Patentów i Znaków Towarowych Stanów Zjednoczonych na wynalezienie diod emitujących światło podczerwone z arsenku galu (patent USA US3293513A) , które są uważane za pierwsze diody LED w praktyce. Natychmiast po zgłoszeniu patentu firma TI rozpoczęła projekt produkcji diod podczerwieni. W październiku 1962 firma Texas Instruments opracowała pierwszą komercyjną diodę LED (SNX-100), która wykorzystywała czysty kryształ arsenku galu do emisji światła 890 nm. W październiku 1963 roku firma TI wprowadziła na rynek pierwszą komercyjną półkulistą diodę LED, SNX-110. ]

Pierwsza dioda LED z emisją w zakresie widzialnym (czerwona) została opracowana w 1962 roku przez Nicka Holonyaka , Jr., kiedy pracował w General Electric . Holonyak doniósł w czasopiśmie Applied Physics Letters 1 grudnia 1962. W 1972 roku M. George Craford absolwent Holonyak wynalazł pierwszą żółtą diodę LED i poprawił jasność diod LED. dziesięciokrotnie. W 1976 roku firma TP Pearsall zbudowała pierwsze diody LED o wysokiej jasności i wysokiej wydajności dla telekomunikacji za pośrednictwem światłowodów. W tym celu odkrył nowe materiały półprzewodnikowe wyraźnie dostosowane do długości fal wspomnianej transmisji światłowodowej. ]

Wstępny rozwój komercyjny

Pierwsze komercyjne diody LED były powszechnie stosowane do zastępowania żarówek i lampek neonowych, a także w wyświetlaczach siedmiosegmentowych . Najpierw w drogim sprzęcie, takim jak sprzęt elektroniczny i laboratoryjny, a później w innych urządzeniach elektrycznych, takich jak telewizory, radia, telefony, kalkulatory, a także zegarki na rękę. Do 1968 roku diody widzialne i podczerwone były niezwykle drogie, rzędu 200 dolarów za sztukę, przez co miały mało praktycznego zastosowania. Firma Monsanto jako pierwsza zaczęła masowo produkować widoczne diody LED, używając w 1968 r. fosforku arsenku galu (GaAsP) do produkcji czerwonych diod LED do wskaźników. ]

Hewlett-Packard (HP) wprowadził diody LED w 1968 roku, początkowo wykorzystując GaAsP dostarczony przez Monsanto. Te czerwone diody LED były wystarczająco jasne, aby służyć jako wskaźniki, ponieważ emitowane światło nie wystarczało do oświetlenia obszaru. Odczyty na kalkulatorach były tak słabe, że nad każdą cyfrą umieszczono plastikowe soczewki, aby były czytelne. Później pojawiły się inne kolory, które były szeroko stosowane w gadżetach i sprzęcie. W latach 70. firma Fairchild Optoelectronics z powodzeniem produkowała urządzenia LED za mniej niż pięć centów za sztukę. Urządzenia te wykorzystywały złożone chipy półprzewodnikowe wykonane w procesie planarnym wynalezionym przez Jean Hoerni z Fairchild Semiconductor . Planarne przetwarzanie w celu wytwarzania chipów w połączeniu z innowacyjnymi metodami pakowania umożliwiło zespołowi kierowanemu przez pioniera optoelektroniki Thomasa Brandta osiągnięcie niezbędnych redukcji kosztów w firmie Fairchild. Metody te są nadal stosowane przez producentów diod LED. ]

Wyświetlacz LED kalkulatora naukowego TI-30 (ok. 1978), w którym zastosowano plastikowe soczewki w celu zwiększenia widocznego rozmiaru cyfr

Większość diod LED została wykonana w typowych pakietach 5 mm T1¾ i 3 mm T1, ale wraz ze wzrostem mocy wyjściowej coraz bardziej konieczne stało się usuwanie nadmiaru ciepła w celu utrzymania niezawodności. W związku z tym konieczne było zaprojektowanie bardziej złożonych pakietów zaprojektowanych w celu osiągnięcia efektywnego rozpraszania ciepła. Pakiety obecnie używane do diod LED o dużej mocy niewiele przypominają te z wczesnych diod LED.

Niebieska dioda LED

Niebieskie diody LED zostały po raz pierwszy opracowane przez Henry'ego Paula Maruska z RCA w 1972 roku przy użyciu azotku galu (GaN) na szafirowym podłożu. SiC (wykonany z węglika krzemu) zaczął być sprzedawany przez Cree, Inc., USA w 1989 r. Jednak żadna z tych niebieskich diod LED nie była bardzo jasna.

Pierwsza niebieska dioda LED o wysokiej jasności została wprowadzona przez Shuji Nakamurę z Nichia Corp. w 1994 roku z materiału Indium Gallium Nitride ( InGaN ). ​ Isamu Akasaki i Hiroshi Amano w Nagoi pracowali równolegle nad krystalicznym zarodkowaniem azotku galu na podłożach szafirowych, uzyskując w ten sposób domieszkowanie tego materiału. W wyniku swoich badań Nakamura, Akasaki i Amano otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki . ​ W 1995 roku Alberto Barbieri z laboratorium Cardiff University (Wielka Brytania) zbadał wydajność i niezawodność diod LED o wysokiej jasności i w wyniku swoich badań uzyskał diodę LED z przezroczystą elektrodą kontaktową wykorzystującą tlenek indowo-cynowy (ITO) na fosforku glinowo-galowo-indowym i arsenku galu.

W 2001 i 2002 przeprowadzono procesy hodowli diod LED z azotku galu na krzemie. W wyniku tych badań, w styczniu 2012 roku firma Osram wprowadziła na rynek diody LED o dużej mocy z azotku indowo-galowego, hodowane na podłożach krzemowych. ]

Biała dioda i ewolucja

Ilustracja prawa Haitza przedstawiająca poprawę w czasie, przy użyciu skali logarytmicznej na osi pionowej.

Po osiągnięciu wysokiej wydajności w niebieskich diodach LED szybko pojawiła się pierwsza biała dioda LED. W takim urządzeniu powłoka „fosfor” (materiał fluorescencyjny) _{Y3Al5O12 :} Ce (znany jako YAG lub granat _itrowo - aluminiowy) pochłania część niebieskiej emisji i generuje żółte światło poprzez fluorescencję. W podobny sposób można wprowadzić inne „fosfory”, które poprzez fluorescencję generują światło zielone lub czerwone . Powstała mieszanka czerwonego, zielonego i niebieskiego jest postrzegana przez ludzkie oko jako biała; z drugiej strony nie byłoby możliwe zobaczenie czerwonych lub zielonych obiektów poprzez oświetlanie ich luminoforem YAG, ponieważ generuje on tylko żółte światło wraz z resztą niebieskiego światła.

Pierwsze białe diody LED były drogie i nieefektywne. Jednak intensywność światła wytwarzanego przez diody LED wzrosła wykładniczo, z czasem podwajania występującym w przybliżeniu co 36 miesięcy od lat 60. (zgodnie z prawem Moore'a ). Trend ten jest ogólnie przypisywany równoległemu rozwojowi innych technologii półprzewodnikowych oraz postępom w optyce i materiałoznawstwie i został nazwany prawem Haitza na cześć Rolanda Haitza. ]

Wydajność świetlna i wydajność niebieskich i zbliżonych do ultrafioletu diod LED wzrosła, podczas gdy koszt wykonanych z nich opraw oświetleniowych spadł, co doprowadziło do zastosowania do oświetlenia diod LED o białym świetle. Faktem jest, że zastępują oświetlenie żarowe i fluorescencyjne. ]

Białe diody LED mogą wytwarzać 300 lumenów na wat energii elektrycznej, a jednocześnie działają do 100 000 godzin. W porównaniu do żarówek oznacza to nie tylko ogromny wzrost wydajności elektrycznej, ale także podobny lub niższy koszt za żarówkę. ]

Zasada działania

Złącze PN może dostarczać prąd elektryczny, gdy jest podświetlone. Podobnie złącze PN płynące przez prąd stały może emitować fotony światła. Zjawisko elektroluminescencji można rozpatrywać na dwa sposoby . W drugim przypadku można to zdefiniować jako emisję światła przez półprzewodnik poddawany działaniu pola elektrycznego . Nośniki ładunku rekombinują na złączu PN ułożonym w kierunku przewodzenia . W szczególności elektrony w regionie N przekraczają barierę potencjału i rekombinują z dziurami w regionie P. Swobodne elektrony znajdują się w paśmie przewodnictwa, podczas gdy dziury w paśmie walencyjnym . W ten sposób poziom energii dziur jest niższy niż energii elektronów. Gdy elektrony i dziury się rekombinują, część energii jest emitowana jako ciepło, a druga część jako światło.

Odchylenie w przód złącza PN w diodzie ledowej. Produkcja fotonów w wyniku rekombinacji elektronów i dziur (część górna). Zjawisko rekombinacji obserwowane na wykresie pasmowym energii (na dole).

Zjawisko fizyczne zachodzące w złączu PN, gdy prąd płynie w kierunku przewodzenia, składa się zatem z szeregu rekombinacji elektron-dziura . Zjawisku rekombinacji towarzyszy emisja energii. W zwykłych diodach germanowych lub krzemowych powstają fonony lub drgania struktury krystalicznej półprzewodnika, które po prostu przyczyniają się do jego nagrzewania. W przypadku diod LED materiały półprzewodnikowe różnią się od dotychczasowych, którymi są np. różne stopy typu III-V, takie jak arsenek galu (AsGa), fosforek galu (PGa) czy fosfoarsenek galu (PAsGa) .

W tych półprzewodnikach rekombinacje zachodzące na złączach PN usuwają nadmiar energii emitując fotony światła. Barwa emitowanego światła zależy bezpośrednio od jego długości fali i jest charakterystyczna dla każdego konkretnego stopu. Obecnie produkowane są stopy, które wytwarzają fotony światła o długości fali w szerokim zakresie widma elektromagnetycznego w zakresie widzialnym, bliskiej podczerwieni i bliskiemu ultrafioletowi. Dzięki tym materiałom uzyskuje się modyfikację szerokości energii zakazanego pasma, a tym samym modyfikację długości fali emitowanego fotonu. Jeżeli dioda LED jest spolaryzowana wstecznie, zjawisko rekombinacji nie wystąpi, a więc nie będzie emitować światła. Odwrotne odchylenie może uszkodzić diodę.

Zachowanie elektryczne diody led przy polaryzacji do przodu jest następujące. Jeśli napięcie polaryzacji wzrośnie, od pewnej wartości (która zależy od rodzaju materiału półprzewodnikowego), dioda zacznie emitować fotony, napięcie zapłonu zostało osiągnięte. Elektrony można przesuwać w poprzek złącza, przykładając różne napięcia do elektrod; Rozpoczyna się więc emisja fotonów i wraz ze wzrostem napięcia polaryzacji wzrasta intensywność emitowanego światła. Ten wzrost natężenia światła jest połączony ze wzrostem natężenia prądu i może być zmniejszony przez rekombinację Augera. Podczas procesu rekombinacji elektron przeskakuje z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego, emitując foton i uzyskując, dzięki zachowaniu energii i pędu, niższy poziom energii, poniżej poziomu Fermiego materiału. Proces emisji nazywany jest rekombinacją radiacyjną, co odpowiada zjawisku emisji spontanicznej . Tak więc w każdej rekombinacji radiacyjnej elektron-dziura emitowany jest foton o energii równej szerokości w energiach zabronionego pasma :

Schemat obwodu LED zasilanego napięciem stałym stopniowo narastał, aż dioda zacznie świecić.

${\ Displaystyle E_ {g} = hf = {\ Frac {hc} {\ lambda}} \ qquad}$

gdzie c to prędkość światła , a f i λ to odpowiednio częstotliwość i długość fali emitowanego przez nie światła. Ten opis podstawy emisji promieniowania elektromagnetycznego przez diodę LED można zobaczyć na rysunku, na którym wykonano schematyczne przedstawienie złącza PN materiału półprzewodnikowego wraz z wykresem energetycznym biorącym udział w procesie rekombinacji i emisji , na dole rysunku. Długość fali emitowanego światła, a tym samym jego barwa, zależy od szerokości przerwy energetycznej. Najważniejszymi substratami dostępnymi do zastosowań związanych z emisją światła są GaAs i InP. Diody LED mogą zmniejszać swoją wydajność, jeśli szczyty absorpcji i emisji widma w zależności od długości fali są bardzo zbliżone, tak jak w przypadku diod GaAs:Zn (arsenek galu domieszkowany cynkiem), ponieważ część emitowanego przez nie światła pochłania je wewnętrznie.

Materiały stosowane w diodach LED mają przerwę wzbronioną polaryzacji do przodu, której szerokość w energiach waha się od podczerwieni, światła widzialnego, a nawet bliskiego ultrafioletu. Ewolucja diod LED rozpoczęła się od urządzeń wykorzystujących czerwień i podczerwień z arsenku galu. Postępy w materiałoznawstwie umożliwiły produkcję urządzeń o coraz krótszych długościach fal, emitujących światło w szerokiej gamie kolorów. Diody LED są zwykle wytwarzane na podłożu typu N, z elektrodą połączoną z warstwą typu P osadzoną na jego powierzchni. Produkowane są również podłoża typu P, choć rzadziej spotykane.

Technologia

podstawa fizyczna

Dioda LED zaczyna emitować, gdy zostanie do niej przyłożone napięcie 2-3 woltów. W przypadku odchylenia wstecznego używana jest inna oś pionowa niż w przypadku polaryzacji przewodzenia, aby pokazać, że pobierany prąd jest praktycznie stały z napięciem, aż do wystąpienia przebicia.

Dioda LED to dioda zbudowana z chipa półprzewodnikowego domieszkowanego zanieczyszczeniami, które tworzą złącze PN . Podobnie jak w przypadku innych diod, prąd płynie łatwo od strony p, czyli anody , do strony n, czyli katody , ale nie w przeciwnym kierunku. Nośniki ładunku ( elektrony i dziury ) wpływają do złącza z dwóch elektrod ustawionych na różne napięcia . Kiedy elektron rekombinuje z dziurą, jego poziom energii spada, a nadmiar energii jest emitowany w postaci fotonu . Długość fali emitowanego światła, a tym samym kolor diody LED, zależy od szerokości energetycznej pasma zabronionego odpowiadającego materiałom tworzącym złącze pn.

W diodach krzemowych lub germanowych elektrony i dziury rekombinują, generując przejście niepromieniste , które nie powoduje emisji światła, ponieważ są to materiały półprzewodnikowe z pośrednią przerwą energetyczną . Materiały użyte w diodach LED prezentują bezpośrednie zabronione pasmo o szerokości energii odpowiadającej widmu światła bliskiej podczerwieni (800 nm - 2500 nm), widzialnej i bliskiej ultrafioletowi (200-400 nm). Rozwój diod LED rozpoczął się od urządzeń na światło czerwone i podczerwone, wykonanych z arsenku galu (GaAs) . Postępy w materiałoznawstwie umożliwiły budowanie urządzeń o coraz mniejszych długościach fal, emitujących światło w szerokiej gamie kolorów.

Diody LED są zwykle wykonane z podłoża typu n, przy czym jedna z elektrod jest związana z warstwą typu p osadzoną na jego powierzchni. Stosowane są również podłoża typu p, chociaż są one mniej powszechne. Wiele komercyjnych diod LED, zwłaszcza diody GaN / InGaN, również wykorzystuje szafir (tlenek glinu) jako podłoże.

Większość materiałów półprzewodnikowych używanych do produkcji diod LED ma bardzo wysoki współczynnik załamania światła . Oznacza to , że większość światła emitowanego wewnątrz półprzewodnika jest odbijana , gdy dociera do zewnętrznej powierzchni stykającej się z powietrzem w wyniku zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia . Ekstrakcja światła stanowi zatem bardzo ważny aspekt i w ciągłych badaniach i rozwoju, który należy wziąć pod uwagę przy produkcji diod LED.

Indeks załamania

Wyidealizowany przykład stożków świetlnych wytworzonych w kawałku materiału półprzewodnikowego do emisji z jednego punktu. Światło emitowane na zewnątrz tych stożków nie może wyjść poza kawałek. Ilustracja po lewej przedstawia część składającą się z dwóch całkowicie przezroczystych warstw, podczas gdy ta po prawej przedstawia „półstożki” utworzone, gdy górna warstwa jest półprzezroczysta, a dolna całkowicie nieprzezroczysta. Rzeczywiście, światło jest emitowane ze źródła równomiernie we wszystkich kierunkach w przestrzeni, więc przerwy między stożkami pokazują, że duża część energii świetlnej emitowanej przez źródło jest uwięziona w próbce i tracona w postaci ciepła próbki.

Większość materiałów półprzewodnikowych używanych do produkcji diod LED ma bardzo wysoki współczynnik załamania w stosunku do powietrza. Oznacza to, że większość światła emitowanego wewnątrz półprzewodnika zostanie odbita, gdy dotrze do zewnętrznej powierzchni stykającej się z powietrzem w wyniku zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia .

Zjawisko to wpływa zarówno na efektywność emisji światła przez diody LED, jak i na efektywność absorpcji światła przez ogniwa fotowoltaiczne . Współczynnik załamania światła krzemu wynosi 3,96 (przy 590 nm), natomiast powietrza 1,0002926. Ekstrakcja światła stanowi zatem bardzo ważny aspekt, który należy uwzględnić w ciągłych badaniach i rozwoju przy produkcji diod LED.

Ogólnie rzecz biorąc, niepowlekany chip półprzewodnikowy LED o płaskiej powierzchni będzie emitował światło tylko w kierunku prostopadłym do powierzchni półprzewodnika iw bardzo bliskich kierunkach, tworząc stożek zwany stożkiem świetlnym lub stożkiem wydechowym. Maksymalny kąt padania , który pozwala fotonom uciec z półprzewodnika , nazywany jest kątem krytycznym . Kiedy ten kąt zostanie przekroczony, fotony nie uciekają już z półprzewodnika, ale zamiast tego są odbijane w krysztale półprzewodnika, tak jakby na zewnętrznej powierzchni znajdowało się lustro. ]

Dzięki wewnętrznemu odbiciu światło, które zostało odbite wewnętrznie od jednej ściany, może uciec przez inne ściany kryształu, jeśli kąt padania teraz stanie się wystarczająco niski, a kryształ jest wystarczająco przezroczysty, aby nie odbijać z powrotem emisji fotonów. Jednak w prostej sześciennej diodzie LED z zewnętrznymi powierzchniami pod kątem 90 stopni wszystkie powierzchnie działają jak równe, kątowe lustra. W takim przypadku większość światła nie może uciec i jest tracona w postaci ciepła w krysztale półprzewodnikowym. ]

Chip, który ma ustawione pod kątem fasetki na swojej powierzchni, podobne do ściętego klejnotu lub soczewki Fresnela, może zwiększyć moc światła, umożliwiając jego emisję w orientacjach prostopadłych do zewnętrznych fasetek, zwykle liczniejszych niż sześć. unikalny dla próbki sześciennej. ]

Idealną formą półprzewodnika do uzyskania maksymalnego strumienia świetlnego byłaby mikrosfera z emisją fotonów umiejscowiona dokładnie w jej środku i wyposażona w elektrody, które przenikają do środka, aby połączyć się z punktem emisji. Wszystkie promienie świetlne ze środka byłyby prostopadłe do powierzchni kuli, co powodowałoby brak wewnętrznych odbić. Półkulisty półprzewodnik również działałby dobrze, ponieważ płaska część działałaby jak lustro odbijające fotony, dzięki czemu całe światło mogłoby być całkowicie wyemitowane przez półkulę. ]

Powłoki przejściowe

Większość materiałów użytych do produkcji diod LED ma bardzo wysokie współczynniki załamania światła . Oznacza to, że znaczna część emitowanego światła jest odbijana do wewnątrz na zewnętrznej powierzchni materiału w kontakcie z powietrzem. Dlatego aspekt wydobywania światła z diod LED jest przedmiotem ogromnego zaangażowania w zakresie badań i rozwoju. Stożki emisji światła dla rzeczywistych próbek LED są znacznie bardziej złożone niż te wytwarzane z jednego źródła punktowego. Strefa emisji światła jest zwykle dwuwymiarową płaszczyzną określoną pomiędzy dwiema warstwami półprzewodnikowymi. Każdy atom znajdujący się na tej płaszczyźnie przedstawia zestaw stożków emisyjnych analogicznych do tych na poprzednim rysunku. Rysunek jest uproszczonym schematem przedstawiającym łączny wpływ niektórych stożków emisji. Duże boczne stożki zostały odcięte, aby pokazać cechy wewnątrz i zmniejszyć złożoność obrazu; w rzeczywistości stożki te powinny rozciągać się na przeciwległe krawędzie w dwuwymiarowej płaszczyźnie emisji.

Po zbudowaniu wafla z materiału półprzewodnikowego jest on cięty na małe kawałki. Każdy fragment nazywany jest chipem i staje się małą aktywną częścią diody elektroluminescencyjnej LED.

Wiele półprzewodnikowych chipów LED jest zamkniętych lub zamkniętych w formowanych plastikowych obudowach. Plastikowa obudowa ma spełniać trzy cele:

1. Ułatwienie montażu chipa półprzewodnikowego w urządzeniach oświetleniowych.
2. Chroń delikatne przewody elektryczne związane z diodą przed fizycznym uszkodzeniem.
3. Działają jako element pośredniczący dla efektu załamania między wysokim współczynnikiem półprzewodnika i powietrza.

Trzecia cecha przyczynia się do zwiększenia emisji światła z półprzewodnika, działając jak soczewka rozpraszająca, umożliwiająca emitowanie światła na zewnątrz pod kątem padania na zewnętrzną ścianę znacznie większym niż wąski stożek światła pochodzącego z niepowlekanego chipa.

Wydajność i parametry operacyjne

Diody LED są zaprojektowane do działania z mocą elektryczną nie większą niż 30-60 miliwatów (mW) . Około 1999 r. firma Philips Lumileds wprowadziła mocniejsze diody LED zdolne do pracy ciągłej z mocą jednego wata . Te diody LED wykorzystywały znacznie większe półprzewodniki matrycowe , aby zaakceptować wyższe zasilacze. Dodatkowo zamontowano je na metalowych prętach ułatwiających odprowadzanie ciepła.

Jedną z głównych zalet źródeł światła opartych na technologii LED jest ich wysoka skuteczność świetlna . Białe diody LED szybko dorównały, a nawet przewyższyły wydajność standardowych żarowych systemów oświetleniowych. W 2002 roku Lumileds wyprodukował pięciowatowe diody LED o wydajności świetlnej 18-22 lumenów na wat (lm/W). Dla porównania, konwencjonalna żarówka 60-100 watowa emituje około 15 lm/W, a standardowe świetlówki emitują do 100 lm/W.

Od 2012 roku Future Lighting Solutions osiągnęło następujące wydajności dla niektórych kolorów. ​ Wartości sprawności pokazują moc wyjściową świetlną dla każdego wata poboru mocy elektrycznej. Wartości wydajności świetlnej uwzględniają charakterystykę ludzkiego oka i zostały wyprowadzone z funkcji jasności .

	Kolor	długość fali (nm)	Współczynnik wydajności	Skuteczność świetlna η ( Lm / W )
	Czerwony	620 < λ < 645	0,39	72
	Pomarańczowo Czerwony	610 < λ < 620	0,29	98
	Zielony	520 < λ < 550	0,15	93
	cyjan	490 < λ < 520	0,26	75
	Niebieski	460 < λ < 490	0,35	37

We wrześniu 2003 Cree Inc. wyprodukowała nowy rodzaj niebieskiej diody LED, która zużywała 24  miliwaty (mW) przy 20  miliamperach (mA) . Umożliwiło to nową enkapsulację białego światła, która wytwarzała 65 lm/W przy 20 miliamperach, co czyni ją najjaśniejszą białą diodą LED dostępną na rynku; okazała się również ponad czterokrotnie wydajniejsza od standardowych żarówek. W 2006 roku zaprezentowali prototyp białej diody LED o rekordowej skuteczności świetlnej 131 lm/W przy prądzie 20 miliamperów. Nichia Corporation opracowała białą diodę LED o skuteczności świetlnej 150 lm/W i prądzie stałym 20 mA. Diody LED firmy Cree Inc., zwane xlamp xm-L, weszły na rynek w 2011 r., wytwarzając 100 lm/W przy maksymalnej mocy 10 W i do 160 lm/W przy wejściowej mocy elektrycznej około 2 W W 2012 r. firma Cree Inc. wprowadziła białą diodę LED zdolną do wytwarzania 254 lm/W, i 303 lm/W w marcu 2014 r. Ogólne potrzeby oświetleniowe w praktyce wymagają diod LED o dużej mocy, co najmniej 1 wata. Pracują z prądami większymi niż 350 miliamperów.

Te sprawności odnoszą się do światła emitowanego przez diodę utrzymywaną w laboratorium w niskiej temperaturze. Ponieważ diody LED raz zainstalowane działają w wysokich temperaturach i ze stratami przewodzenia , ich sprawność jest w rzeczywistości znacznie niższa. Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) przeprowadził testy w celu zastąpienia żarówek lub świetlówek kompaktowych (CFL ) lampami LED, wykazując, że średnia osiągnięta wydajność wynosi około 46 lm/W w 2009 r. (zachowanie podczas testów pozostawało stałe). od 17 lm/W do 79 lm/W). ]

Utrata wydajności

Gdy prąd elektryczny dostarczany do diody LED przekracza kilkadziesiąt miliamperów, skuteczność świetlna spada z powodu efektu zwanego utratą wydajności.

Najpierw szukano wyjaśnienia, przypisując to wysokim temperaturom. Jednak naukowcom udało się wykazać coś przeciwnego, że chociaż żywotność diod LED może ulec skróceniu, spadek wydajności jest mniej dotkliwy w podwyższonych temperaturach. W 2007 r. przyczyną spadku wydajności była rekombinacja Augera , która powoduje mieszaną reakcję. Wreszcie badanie z 2013 r. definitywnie potwierdziło tę teorię, aby uzasadnić utratę wydajności. ]

Oprócz zmniejszenia wydajności, diody LED, które pracują z wyższymi prądami elektrycznymi, generują więcej ciepła, co skraca żywotność diody LED. Ze względu na to zwiększone ciepło przy wysokich prądach, diody LED o wysokiej jasności mają standardową wartość przemysłową zaledwie 350 mA, prąd, dla którego istnieje kompromis między jasnością, wydajnością i trwałością. ]

Możliwe rozwiązania

Biorąc pod uwagę potrzebę zwiększenia jasności diod LED, nie osiąga się tego poprzez zwiększanie poziomów prądu, ale poprzez użycie kilku diod LED w jednej lampie. Dlatego rozwiązanie problemu utraty sprawności domowych lamp LED polega na wykorzystaniu jak najmniejszej liczby diod w każdej lampie, co przyczynia się do znacznego obniżenia kosztów.

Członkowie United States Naval Research Laboratory znaleźli sposób na spowolnienie spadku wydajności. Odkryli, że ta kropla pochodzi z niepromienistej rekombinacji Augera wytworzonej z wstrzykniętymi nośnikami. Aby rozwiązać ten problem, stworzyli studnie kwantowe z potencjałem miękkiego zamknięcia, które tłumią niepromieniujące procesy Augera. ]

Naukowcy z National Taiwan Central University i Epistar Corp opracowują metodę zmniejszenia utraty wydajności poprzez zastosowanie podłoży ceramicznych z azotku aluminium , które wykazują wyższą przewodność cieplną niż szafir stosowany komercyjnie. Efekty nagrzewania są ograniczone dzięki wysokiej przewodności cieplnej nowych podłoży. ]

Analiza okresu półtrwania i awarii

Urządzenia półprzewodnikowe, takie jak diody LED, wykazują bardzo ograniczoną trwałość , jeśli działają przy niskich prądach i niskich temperaturach. Żywotność wynosi od 25 000 do 100 000 godzin, ale wpływ ciepła i prądu może znacznie wydłużyć lub skrócić ten czas. ]

Najczęstszą awarią diod LED (i diod laserowych ) jest stopniowe zmniejszanie się mocy światła i utrata wydajności. Pierwsze czerwone diody LED wyróżniały się krótką żywotnością. Wraz z rozwojem diod LED o dużej mocy, oprawy są narażone na wyższe temperatury złącza i wyższe gęstości prądu niż tradycyjne oprawy. Powoduje to naprężenia w materiale i może powodować wczesną degradację mocy świetlnej. Aby ilościowo sklasyfikować żywotność w sposób ustandaryzowany, zaproponowano użycie parametrów L70 lub L50, które reprezentują czas życia (wyrażony w tysiącach godzin), w którym dana dioda LED osiąga 70% i 50% światła początkowego emisji, odpowiednio. ]

Podobnie jak w większości poprzednich źródeł światła (żarówkach, lampach wyładowczych i tych, które spalają paliwo, np. świecach i lampach olejowych) światło zostało wygenerowane w procesie termicznym, diody LED działają poprawnie tylko wtedy, gdy pozostają wystarczająco chłodne. Producent zazwyczaj określa maksymalną temperaturę złącza między 125 a 150 °C, a niższe temperatury są zalecane w celu uzyskania długiej żywotności diod LED. W tych temperaturach promieniowanie traci stosunkowo niewiele ciepła, co oznacza, że ​​wiązka światła generowana przez diodę LED jest uważana za chłodną.

Ciepło odpadowe w diodach LED o dużej mocy (które od 2015 r. można uznać za mniej niż połowę zużywanej przez nią energii elektrycznej) jest przenoszone przez podłoże i hermetyzowane do radiatora , który odprowadza ciepło z otoczenia na drodze konwekcji . Dlatego konieczne jest wykonanie dokładnego projektu termicznego, biorąc pod uwagę rezystancję termiczną pakietu LED, radiatora i interfejsu między nimi. Diody LED średniej mocy są zwykle przeznaczone do lutowania bezpośrednio do płytki drukowanej, która ma przewodzącą ciepło warstwę metalu. Diody LED dużej mocy są zamknięte w ceramicznych obudowach o dużej powierzchni, przeznaczonych do podłączenia do metalowego radiatora, przy czym interfejs jest materiałem o wysokiej przewodności cieplnej ( pasta termiczna , materiał zmiennofazowy , przewodząca podkładka termiczna lub klej topliwy). ).

Jeśli lampa LED zostanie zainstalowana w niewentylowanej oprawie oświetleniowej lub w otoczeniu brakuje świeżego powietrza, diody LED mogą się przegrzać, co skróci ich żywotność, a nawet doprowadzi do przedwczesnego zużycia oprawy. Konstrukcja termiczna jest zwykle projektowana dla temperatury otoczenia 25°C (77°F). Diody LED używane w zastosowaniach zewnętrznych, takich jak sygnalizacja świetlna lub światła obrysowe chodnika, oraz w klimacie, w którym temperatura wewnątrz oprawy oświetleniowej jest bardzo wysoka, mogą doświadczać wszystkiego, od zmniejszonego strumienia świetlnego po całkowitą awarię. ]

Ponieważ wydajność diod LED jest wyższa w niskich temperaturach, technologia ta jest idealna do oświetlania zamrażarek w supermarketach . ​ Ponieważ diody LED wytwarzają mniej ciepła odpadowego niż żarówki, ​ ich zastosowanie w zamrażarkach może również obniżyć koszty chłodzenia. Mogą być jednak bardziej podatne na mróz i gromadzenie się szronu niż żarówki, dlatego niektóre systemy oświetleniowe LED zostały wyposażone w obwód grzewczy. Ponadto opracowano techniki pochłaniania ciepła w taki sposób, aby mogły przenosić ciepło wytwarzane w złączu na części sprzętu oświetleniowego, które mogą być przedmiotem zainteresowania. ]

Kolory i materiały

Konwencjonalne diody LED są wykonane z szerokiej gamy nieorganicznych materiałów półprzewodnikowych. Poniższa tabela przedstawia dostępne kolory wraz z zakresem długości fal, różnicami w potencjale roboczym i zastosowanymi materiałami.

	Kolor	Długość fali [nm]	Różnica potencjałów [ΔV]	materiał półprzewodnikowy
	promieniowanie podczerwone	λ > 760	ΔV < 1,63	Arsenek galu (GaAs) Aluminium Arsenek galu (AlGaAs)
	Czerwony	610 < λ < 760	1,63 < ΔV < 2,03	Glin Arsenek galu (AlGaAs) Fosforek arsenu galu (GaAsP) Fosforek glinu i indu (AlGaInP) Fosforan galu (GaP)
	Pomarańczowy	590 < λ < 610	2,03 < ΔV < 2,10	Fosforek Galu Arsenu (GaAsP) Glin Fosforek Galu Indu (AlGaInP) Fosforan Galu (GaP)
	Żółty	570 < λ < 590	2,10 < ΔV < 2,18	Fosforek Galu Arsenu (GaAsP) Glin Fosforek Galu Indu (AlGaInP) Fosforan Galu (GaP)
	Zielony	500 < λ < 570	1,9 ​ < V < 4,0	Klasyczna zieleń: Fosforan galu (GaP) Glin Fosforek galu i indu (AlGaInP) Fosforek glinu galu (AlGaP) Czysta zieleń: Azotek galu i indu (InGaN) / Azotek galu (GaN)
	Niebieski	450 < λ < 500	2,48 <ΔV < 3,7	Selenek cynku (ZnSe) Azotek indowo-galowy (InGaN) Węglik krzemu (SiC) jako substrat Krzem (Si) jako substrat (w opracowaniu) ]
	Fioletowy	400 < λ < 450	2,76 < ΔV < 4,0	Azotek indowo-galowy (InGaN)
	Fioletowy	Połączenie różnych typów	2,48 <ΔV < 3,7	Podwójny niebieski/czerwony, niebieski z czerwonym luminoforem lub biały z fioletowymi plastikowymi diodami LED.
	Ultrafioletowy	λ < 400	3 < ΔV < 4,1	Azotek indowo-galowy (InGaN) (385-400 nm) Diament (C) (235 nm) ​Azotek boru (BN) (215 nm) ​Azotek glinu (AlN) (210 nm) ​Azotek glinu galu ( AlGaN) Aluminium- azotek galu i indu (AlGaInN) do 210 nm ]
	Różowy	Połączenie różnych typów	ΔV ~ 3,3 ]	Niebieski z jedną lub dwiema warstwami luminoforu, żółty z czerwonym, pomarańczowym lub różowym luminoforem, biały z różowym plastikiem lub biały z różowym odcieniem na górze. ]
	Biały	szerokie spektrum	2,8 < ΔV < 4,2	Czysta biel: Niebieska lub UV LED z żółtym luminoforem Ciepła biel: Niebieska LED z pomarańczowym luminoforem.

Niebieski i ultrafioletowy

Pierwsza niebiesko-fioletowa dioda LED wykorzystywała chlor domieszkowany magnezem i została opracowana przez Herba Maruską i Wally Rhinesa na Uniwersytecie Stanforda w 1972 roku, doktorantów z inżynierii materiałowej. W tym czasie Maruska pracowała w laboratoriach RCA , gdzie współpracowała z Jacques Pankove. W 1971, rok po wyjeździe Maruski do Stanford, jego koledzy z RCA, Pankove i Ed Miller, zademonstrowali pierwszą niebieską elektroluminescencję z cynku domieszkowanego azotkiem galu; jednak urządzenie, które zbudowali Pankove i Miller, pierwsza prawdziwa dioda elektroluminescencyjna z azotku galu, emitowała zielone światło. W 1974 r. Urząd Patentowy USA przyznał Maruskiej, Rhinesowi i profesorowi Stanforda Davidowi Stevensonowi patent (patent USA US3819974 A) na ich pracę z 1972 r. dotyczącą domieszkowania azotku galu magnezem, który do dziś jest podstawą wszystkich komercyjnych błękitów. Diody LED i diody laserowe. Urządzenia te zbudowane w latach 70. nie miały wystarczającej mocy świetlnej do praktycznego zastosowania, więc badania nad diodami z azotku galu uległy spowolnieniu. W sierpniu 1989 Cree wprowadziła pierwszą komercyjną niebieską diodę LED z pośrednim przejściem przez przerwę energetyczną w półprzewodniku z węglika krzemu (SiC). ​ Diody SiC mają bardzo niską skuteczność świetlną, nie wyższą niż 0,03%, ale emitują w widocznym niebieskim obszarze.

W późnych latach 80. XX wieku znaczące postępy we wzroście epitaksjalnym i domieszkowaniu typu p w GaN zapoczątkowały nowoczesną erę urządzeń optoelektronicznych GaN. W oparciu o powyższe, Theodore Moustakas opatentował metodę wytwarzania niebieskich diod LED na Uniwersytecie Bostońskim przy użyciu nowatorskiego dwuetapowego procesu. Dwa lata później, w 1993 roku, Shuji Nakamura z Nichia Corporation przejął niebieskie diody LED o dużej intensywności, stosując procesy syntezy GaN podobne do tych w przypadku Moustakas. Moustakas i Nakamura otrzymali oddzielne patenty, co spowodowało konflikty prawne między Nichią a Boston University (zwłaszcza dlatego, że chociaż Moustakas wymyślił swój proces jako pierwszy, Nakamura zarejestrował swój pierwszy). To nowe rozwiązanie zrewolucjonizowało oświetlenie LED, sprawiając, że produkcja źródeł światła niebieskiego o dużej mocy stała się opłacalna, co doprowadziło do rozwoju technologii, takich jak Blu-ray , oraz umożliwiło wyświetlanie jasnych ekranów o wysokiej rozdzielczości w tabletach i smartfonach.

Nakamura został uhonorowany Nagrodą Technologiczną Millennium za wkład w technologię LED o dużej mocy i wysoką wydajność. Został również nagrodzony, wraz z Hiroshi Amano i Isamu Akasakim , Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2014 roku za jego decydujący wkład w wysokowydajne diody LED i niebieskie diody LED. ​ W 2015 roku amerykański sąd orzekł, że trzy firmy (tj. te same firmy będące powodem, które wcześniej nie rozstrzygały swoich sporów) i że posiadają patenty Nakamury na produkcję w Stanach Zjednoczonych naruszył poprzedni patent Moustakasa i nakazał im zapłacić 13 milionów dolarów opłat licencyjnych. ]

Pod koniec lat 90. dostępne były już niebieskie diody LED. Zawierają one aktywny region składający się z jednej lub więcej studni kwantowych InGaN umieszczonych pomiędzy grubszymi warstwami GaN, zwany płaszczem. Zmieniając frakcję In/Ga w studniach kwantowych InGaN teoretycznie można przesunąć emisję światła z fioletu na bursztyn. Azotek glinowo-galowy AlGaN ze zmienną zawartością frakcji Al/Ga może być stosowany do wytwarzania płaszczy i blach studni kwantowych na diody ultrafioletowe, jednak urządzenia te nie osiągnęły jeszcze poziomu wydajności i dojrzałości technologicznej InGaN/GaN blue/ zielone urządzenia. Jeśli GaN jest używany w stanie niedomieszkowanym, aby utworzyć aktywne warstwy studni kwantowych, urządzenie emituje światło bliskie ultrafioletowi ze szczytem wyśrodkowanym na długości fali około 365 nm. Zielone diody LED wykonane w modalności InGaN/GaN są znacznie wydajniejsze i jaśniejsze niż diody wykonane w systemach bezazotkowych, ale te urządzenia są nadal zbyt niskie w zastosowaniach o wysokiej jasności.

Stosując azotki glinu, takie jak AlGaN i AlGaInN, uzyskuje się jeszcze krótsze długości fal. Na rynku dostępna jest szeroka gama diod LED UV dla różnych długości fal. Diody LED emitujące bliskie promieniowanie UV o długości fali około 375-395 nm są już wystarczająco tanie i łatwo dostępne, na przykład w celu zastąpienia lamp czarnego światła w kontroli znaków wodnych przeciwko podrabianiu UV na niektórych dokumentach i papierowych pieniądzach. Diody o krótszej długości fali (do 240 nm) są obecnie na rynku, choć są wyraźnie droższe.

Ponieważ światłoczułość drobnoustrojów z grubsza pokrywa się z widmem absorpcyjnym DNA (ze szczytem około 260 nm), oczekuje się, że w sprzęcie do dezynfekcji i sterylizacji będą stosowane diody UV o emisji w zakresie 250-270 nm. Ostatnie badania wykazały, że dostępne na rynku diody LED UV (365 nm) są skuteczne w urządzeniach do dezynfekcji i sterylizacji. Długości fal UV-C uzyskano w laboratoriach stosując azotek glinu (210 nm), azotek boru (215 nm) i diament (235 nm).

RGB

RGB-SMD-LED. Natynkowa dioda LED RGB (urządzenie natynkowe). To urządzenie wyświetla trzy uzupełniające się kolory: czerwony, zielony i niebieski. Istnieją inne rodzaje urządzeń, takie jak diody COB (zamontowane na płycie) lub microled, które ze względu na swoją geometrię i rozmieszczenie na płycie montażowej są bardziej energooszczędne.

Diody LED RGB składają się z czerwonej, niebieskiej i zielonej diody LED. Dzięki niezależnej regulacji każdego z nich, diody LED RGB są w stanie wytwarzać szeroką gamę kolorów . W przeciwieństwie do dedykowanych jednokolorowych diod LED, diody LED RGB nie wytwarzają czystych długości fal. Ponadto dostępne na rynku moduły często nie są zoptymalizowane pod kątem płynnego mieszania kolorów.

Systemy RGB

Systemy RGB

Widmo powstałe w wyniku połączenia diod półprzewodnikowych o wysokiej jasności w kolorze niebieskim, żółto-zielonym i czerwonym. Pasmo widmowe wynosi około 24-27 nm dla wszystkich trzech kolorów.

LED RGB do generowania białego światła

Istnieją dwa podstawowe sposoby wytwarzania białego światła. Jednym z nich jest użycie pojedynczych diod LED, które emitują wszystkie trzy podstawowe kolory (czerwony, zielony i niebieski), a następnie mieszają kolory, tworząc białe światło. Innym sposobem jest użycie luminoforu do konwersji światła monochromatycznego z niebieskiej lub UV LED na szerokie spektrum światła białego. Należy zauważyć, że biel wytwarzanego światła jest zasadniczo zaprojektowana tak, aby zadowolić ludzkie oko i w zależności od przypadku nie zawsze może być właściwe myślenie o nim jako o ściśle białym świetle. Posłuż się jako punkt odniesienia, duża różnorodność bieli, którą można uzyskać dzięki lampom fluorescencyjnym.

Istnieją trzy główne metody wytwarzania białego światła za pomocą diod LED.

• Niebieska dioda + zielona dioda + czerwona dioda (mieszanie kolorów; chociaż może służyć jako podświetlenie ekranów) do oświetlenia są bardzo słabe ze względu na puste przedziały w widmie częstotliwości).

• W pobliżu luminoforu UV LED lub UV + RGB (światło LED, które generuje długość fali krótszą niż niebieska, służy do wzbudzania luminoforu RGB).

• Niebieska dioda LED + żółty luminofor (dwa uzupełniające się kolory łączą się, dając światło białe; jest to bardziej wydajne niż dwie pierwsze metody i dlatego jest szerzej stosowane w praktyce).

Dzięki metameryzmowi możliwe jest uzyskanie różnych widm, które wydają się białe. Jednak wygląd obiektów oświetlonych tym światłem może się zmieniać wraz ze zmianą widma. To zjawisko optyczne jest znane jako wykonywanie kolorów, różni się od temperatury barwowej i sprawia, że ​​prawdziwie pomarańczowy lub niebieskozielony obiekt wydaje się mieć inny kolor i jest znacznie ciemniejszy, ponieważ powiązana dioda LED lub luminofor nie emituje tych długości fal. Najlepsze oddawanie barw przy użyciu świetlówek kompaktowych i diod LED uzyskuje się przy użyciu mieszanki luminoforów, która zapewnia niższą wydajność, ale lepszą jakość światła. Choć halogen o najwyższej temperaturze barwowej ma kolor pomarańczowy, to nadal jest najlepszym dostępnym źródłem światła sztucznego pod względem wykonania barwy.

Białe światło można uzyskać, dodając światła o różnych kolorach; najczęstszą metodą jest użycie koloru czerwonego, zielonego i niebieskiego ( RGB ). Stąd metoda nazywana jest wielokolorowymi białymi diodami LED (czasami znanymi jako diody LED RGB). Ponieważ wymagają obwodów elektronicznych do kontrolowania mieszania i rozprzestrzeniania się różnych kolorów, a poszczególne kolorowe diody LED wykazują nieco inne wzorce emisji (co prowadzi do zmiany koloru w zależności od kierunku patrzenia), nawet jeśli są wykonane w jednym urządzeniu, rzadko są używany do wytwarzania białego światła. Jednak metoda ta ma wiele zastosowań ze względu na elastyczność, jaką zapewnia przy wytwarzaniu mieszania kolorów i, w zasadzie, ponieważ oferuje wyższą wydajność kwantową przy wytwarzaniu światła białego.

Istnieje kilka rodzajów wielokolorowych białych diod LED: białe diody di-, tri- i tetrachromatyczne . Na te różne realizacje wpływa kilka kluczowych czynników, takich jak stabilność koloru, naturalny współczynnik oddawania barw i wydajność świetlna. Wyższa wydajność świetlna często implikuje mniejszą naturalność koloru, tworząc w ten sposób kompromis między wydajnością świetlną a naturalnością kolorów. Na przykład dichromatyczne białe diody LED mają najlepszą skuteczność świetlną (120 lm/W), ale najniższą zdolność oddawania barw. Z drugiej strony, tetrachromatyczne białe diody LED oferują doskonałe możliwości oddawania barw, ale często towarzyszy im słaba wydajność świetlna. Białe diody LED trójchromatyczne znajdują się w pozycji pośredniej, mają dobrą skuteczność świetlną (>70 lm/W) i rozsądną zdolność oddawania barw.

Jednym z nierozstrzygniętych wyzwań jest opracowanie wydajniejszych zielonych diod LED. Teoretyczne maksimum dla zielonych diod LED wynosi 683 lumenów na wat, ale od 2010 r. tylko kilka zielonych diod LED przekroczyło 100 lumenów na wat. Niebieskie i czerwone diody LED zbliżają się jednak do swoich teoretycznych granic.

Wielokolorowe diody LED dają możliwość nie tylko wytwarzania białego światła, ale także generowania świateł o różnych kolorach. Większość dostrzegalnych kolorów można uformować poprzez zmieszanie różnych proporcji trzech podstawowych kolorów. Pozwala to na precyzyjną dynamiczną kontrolę koloru. Ponieważ coraz więcej badań poświęca się metodzie wielokolorowej diody LED, staje się ona coraz bardziej wpływowa jako podstawowa metoda wykorzystywana do wytwarzania i kontrolowania koloru światła.

Chociaż tego typu diody LED mogą odgrywać dobrą rolę na rynku, niektóre problemy techniczne należy wcześniej rozwiązać. Na przykład moc emisji tych diod LED zmniejsza się wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury, powodując znaczną zmianę stabilności kolorów. Te problemy mogą uniemożliwić Ci zatrudnienie w branży. Z tego powodu powstało wiele nowych projektów enkapsulacji, a ich wyniki są obecnie badane przez naukowców. Oczywiście wielokolorowe diody LED bez luminoforów nigdy nie zapewnią dobrego oświetlenia, ponieważ każda dioda LED emituje bardzo wąskie pasmo koloru. Tak jak diody LED bez luminoforów są bardzo kiepskim rozwiązaniem dla oświetlenia, oferują najlepsze rozwiązanie dla podświetlanych wyświetlaczy LCD lub bezpośredniego oświetlenia za pomocą pikseli LED.

W technologii Led spadek skorelowanej temperatury barwowej (CCT) jest rzeczywistością, której trudno uniknąć, ponieważ wraz z żywotnością i skutkami zmiany temperatury diod LED, rzeczywisty kolor ostatecznie ulega modyfikacji. ostateczne z nich. Aby to skorygować stosuje się układy sprzężenia zwrotnego, wyposażone np. w czujniki koloru, a tym samym monitorują, kontrolują i utrzymują kolor wynikający z nakładania się jednokolorowych diod LED. ]

Diody LED na bazie fosforu

Widmo białej diody LED pokazujące światło emitowane przez diodę GaN (około 465 nm) nałożone na szerokość pasma światła emitowanego przez luminofor Ce^3+.

Metoda ta polega na powlekaniu diod LED jednego koloru (głównie niebieskich diod InGaN) luminoforami o różnych kolorach w celu wytworzenia białego światła; powstałe w wyniku kombinacji diody LED nazywane są białymi diodami LED opartymi na fosforze lub białymi diodami LED z konwerterem fosforu (PCLED). Ułamek niebieskiego światła ulega przesunięciu Stokesa, które przekształca krótsze fale w dłuższe fale. W zależności od koloru oryginalnej diody LED można użyć różnych kolorowych luminoforów. Zastosowanie wielu warstw różnych kolorowych luminoforów poszerza widmo emisji, skutecznie zwiększając wartość wskaźnika oddawania barw (CRI) danej diody LED.

Straty wydajności diod LED opartych na fosforze (z substancjami fluorescencyjnymi) są spowodowane stratami ciepła generowanymi przez przesunięcie Stokesa, a także innymi problemami degradacji związanymi z tymi substancjami fluorescencyjnymi. W porównaniu ze zwykłymi diodami LED ich skuteczność świetlna zależy od rozkładu widmowego uzyskanego strumienia świetlnego i oryginalnej długości fali samej diody LED. Na przykład, skuteczność świetlna typowego żółtego luminoforu YAG białej diody LED jest od 3 do 5 razy większa niż oryginalnej diody niebieskiej, ze względu na wyższą czułość ludzkiego oka na żółtą niż na niebieską (w zależności od modelu) funkcji jasności ). Ze względu na prostotę wykonania, metoda luminoforu (materiału fluorescencyjnego) pozostaje najpopularniejszą metodą uzyskiwania białych diod LED o wysokim natężeniu. Projektowanie i produkcja źródła światła lub lampy przy użyciu monochromatycznego emitera z konwersją luminoforu fluorescencyjnego jest prostsze i tańsze niż złożony system RGB, a większość dostępnych obecnie na rynku białych diod LED o wysokiej intensywności jest wytwarzana przy użyciu konwersji światła za pomocą fluorescencji.

Wśród wyzwań, jakie pojawiają się w celu poprawy wydajności źródeł światła białego opartych na diodach LED, jest opracowanie bardziej wydajnych substancji fluorescencyjnych (fosfory). Od 2010 r. najbardziej wydajnym żółtym luminoforem pozostaje luminofor YAG, który wykazuje mniej niż 10% straty przesunięcia Stokesa. Wewnętrzne straty optyczne spowodowane reabsorpcją w samym chipie LED oraz w obudowie LED stanowią od 10% do 30% utraty wydajności. Obecnie w dziedzinie rozwoju z luminoforem wiele wysiłku wkłada się w jego optymalizację w celu uzyskania większej produkcji światła i wyższych temperatur pracy. Na przykład wydajność można zwiększyć poprzez lepszą konstrukcję obudowy lub zastosowanie bardziej odpowiedniego typu luminoforu. Często stosuje się proces powlekania pasującego, aby móc regulować zmienną grubość luminoforu.

Niektóre białe diody LED z domieszką fosforu składają się z niebieskich diod InGaN zamkniętych w żywicy epoksydowej pokrytej luminoforem. Inną opcją jest powiązanie diody LED z oddzielnym luminoforem, prefabrykowanym kawałkiem wstępnie uformowanego poliwęglanu pokrytego materiałem luminoforu. Oddzielne luminofory zapewniają bardziej rozproszone światło, co jest korzystne w wielu zastosowaniach. Projekty z oddzielnymi luminoforami są również bardziej odporne na zmiany w widmie emisyjnym diody LED. Bardzo powszechnym żółtym materiałem fosforowym jest granat glinowo-itrowy domieszkowany cerem (Ce 3+ :YAG).

Białe diody LED mogą być również wykonane z diodami bliskiego ultrafioletu (NUV) pokrytymi mieszaniną wysokowydajnych luminoforów europu, które emitują kolor czerwony i niebieski, oraz domieszkowanego miedzią i aluminium siarczku cynku (ZnS:Cu, Al), który emituje kolor zielony. Ta procedura jest analogiczna do działania lamp fluorescencyjnych. Procedura jest mniej wydajna niż w przypadku niebieskich diod LED z luminoforami YAG:Ce, ponieważ przesunięcie Stokesa jest ważniejsze, dzięki czemu większa część energii jest przekształcana w ciepło, nawet w przypadku światła o lepszej charakterystyce spektralnej, a zatem z lepszym odwzorowaniem kolorów.

Ponieważ diody UV LED mają wyższą moc promieniowania niż niebieskie diody LED, obie metody ostatecznie oferują podobną jasność. Wadą tego ostatniego jest to, że możliwy wyciek światła UV z wadliwie działającego źródła światła może spowodować uszkodzenie oczu lub skóry.

Inne białe diody LED

Inna metoda wykorzystywana do wytwarzania eksperymentalnych diod LED o białym świetle bez użycia luminoforów opiera się na epitaksji wzrostu selenku cynku (ZnSe) na podłożu ZnSe, które jednocześnie emituje światło niebieskie ze swojego obszaru aktywnego i światło żółte ze swojego obszaru aktywnego podłoża. .

Nowym sposobem wytwarzania białych diod LED jest zastosowanie azotku galu na kompozytowych waflach krzemowych z wafli krzemowych 200 mm. Pozwala to uniknąć kosztownego wytwarzania podłoży szafirowych ze stosunkowo małych rozmiarów płytek, tj. 100 lub 150 mm. Aparat szafirowy musi być przymocowany do podobnego do lustra kolektora, aby odbijać światło, które w przeciwnym razie zostałoby utracone. Przewiduje się, że do 2020 roku 40% wszystkich diod GaN będzie produkowanych na krzemie. Produkcja dużych szafirów jest trudna, podczas gdy duży materiał krzemowy jest tani i bardziej powszechny. Z drugiej strony, producenci LED przechodzący z szafiru na krzem muszą poczynić minimalne inwestycje.

Organiczne diody LED (OLED)

W organicznej diodzie elektroluminescencyjnej (OLED) materiał elektroluminescencyjny tworzący warstwę emitującą diody jest związkiem organicznym . Materiał organiczny jest przewodzący dzięki elektronowej delokalizacji wiązań pi wywołanej przez układ sprzężony w całości lub części cząsteczki; w konsekwencji materiał funkcjonuje jako półprzewodnik organiczny . Materiały organiczne mogą być małymi cząsteczkami organicznymi w fazie krystalicznej lub polimerami .

Jedną z zalet możliwych dzięki diodom OLED są cienkie, tanie wyświetlacze o niskim napięciu zasilania, szerokim kącie widzenia, wysokim kontraście i szerokiej gamie kolorów. Polimerowe diody LED mają tę dodatkową zaletę, że umożliwiają elastyczne, drukowane wyświetlacze. Diody OLED są wykorzystywane w produkcji wyświetlaczy wizualnych do przenośnych urządzeń elektronicznych, takich jak telefony komórkowe, aparaty cyfrowe i odtwarzacze MP3, a potencjalne przyszłe zastosowania obejmują również oświetlenie i telewizję.

Diody z kropkami kwantowymi

Na początku lat 60. wraz z narodzinami Internetu i odkryciem diod LED w widmie widzialnym rozpoczęła się dekada rewolucji technologicznej. W 1959 roku laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki Richard P. Feynman w swoim słynnym wykładzie wygłoszonym na dorocznym spotkaniu Stowarzyszenia Fizycznego Stanów Zjednoczonych pt.: „W tle jest dużo miejsca: zaproszenie do wejścia na nową dziedzinę fizyki”, przewidywał już rewolucję technologiczną i ważne odkrycia, które mogą prowadzić do manipulacji materiałami, aż zostaną zredukowane do rozmiarów lub skal atomowych lub molekularnych. Ale dopiero w następnej dekadzie 1970 roku wiedza o licznych zastosowaniach mechaniki kwantowej (około 70 lat po jej wynalezieniu) wraz z postępem technik wzrostu i syntezy materiałów, zaczęła przypuszczać, że zmiana jest ważna w kierunkach badań wielu grup. ]

Już w tej dekadzie umiejętność projektowania struktur o nowych właściwościach optycznych i elektronicznych połączono z poszukiwaniem nowych zastosowań technologicznych dla materiałów już istniejących w przyrodzie. W rzeczywistości w 1969 L. Esaki i in. zaproponowali wdrożenie heterostruktur utworzonych z bardzo cienkich warstw różnych materiałów, dając początek tak zwanej inżynierii i projektowaniu pasm energii w materiałach półprzewodnikowych. Najbardziej podstawową małowymiarową heterostrukturą jest Studnia Kwantowa (QW). Składa się z cienkiej warstwy pewnego półprzewodnika, rzędu 100 Å, zamkniętej między dwiema warstwami innego materiału półprzewodnikowego charakteryzującego się większą szerokością pasma zabronionej energii (przerwa wzbroniona, BG). Ze względu na małe wymiary studni potencjału związanej z tą konstrukcją nośniki są ograniczone w swoim ruchu do płaszczyzny prostopadłej do kierunku wzrostu. Diody laserowe z QW w strefie aktywnej miały duże zalety, takie jak możliwość doboru długości fali emisji w oparciu o szerokość odwiertu lub zmniejszenie prądu progowego, związane z wynikającą z tego gęstością stanów ]

Wszystkie te postępy zostały naturalnie zastąpione przez inne, takie jak badanie systemów zamkniętych w trzech wymiarach, czyli kropek kwantowych (QD). Zatem QD można zdefiniować jako sztuczne układy o bardzo małych rozmiarach, od kilkudziesięciu nanometrów do kilku mikronów, w których nośniki są ograniczone w trzech kierunkach trójwymiarowej przestrzeni (dlatego nazywa się to zerowymiarową) , w obszarze przestrzeni mniejszym niż długość fali de Broglie .

Gdy rozmiar materiału półprzewodnikowego tworzącego kropkę kwantową mieści się w skali nanometrycznej , materiał ten wykazuje zachowanie odmienne od obserwowanego dla niego w skali makroskopowej lub dla poszczególnych tworzących go atomów. Elektrony w nanomateriale są ograniczone do poruszania się w bardzo małym obszarze przestrzeni i mówi się, że są ograniczone. Kiedy obszar ten jest tak mały, że można go porównać do długości fali związanej z elektronem (długość de Broglie), wtedy zaczyna być obserwowane to, co nazywamy zachowaniem kwantowym. W tych układach ich właściwości fizyczne nie są wyjaśnione pojęciami klasycznymi, lecz pojęciami mechaniki kwantowej. Na przykład minimalna energia potencjalna elektronu zamkniętego w nanocząstce jest wyższa niż oczekiwano w fizyce klasycznej, a poziomy energetyczne jego różnych stanów elektronowych są dyskretne. Ze względu na kwantowe zamknięcie wielkość cząstki ma fundamentalny wpływ na gęstość stanów elektronowych, a tym samym na jej odpowiedź optyczną. Ograniczenie kwantowe występuje, gdy wielkość cząstek została zmniejszona, aby zbliżyć się do promienia ekscytonu Bohra (generującego parę elektron-dziura lub ekscytonu w materiale półprzewodnikowym), pozostającego w bardzo małej przestrzeni. W konsekwencji struktura poziomów energetycznych oraz właściwości optyczne i elektryczne materiału ulegają znacznej modyfikacji. Poziomy energii stają się dyskretne i skończone i silnie zależą od wielkości nanocząstki. ]

Są one zwykle wykonane z materiału półprzewodnikowego i mogą pomieścić od zera do kilku tysięcy elektronów. Elektrony wewnątrz kropki kwantowej odpychają się nawzajem, wprowadzenie dodatkowych elektronów kosztuje energię i przestrzegają zasady wykluczenia Pauliego, która zabrania dwóm elektronom jednoczesnego zajmowania tego samego stanu kwantowego. W konsekwencji elektrony w kropce kwantowej tworzą orbity w sposób bardzo podobny do atomów i są określane w niektórych przypadkach jako sztuczne atomy . Wykazują również zachowanie elektroniczne i optyczne podobne do atomów. Jej zastosowanie może być bardzo różnorodne, oprócz optoelektroniki i optyki, w obliczeniach kwantowych , w przechowywaniu informacji dla tradycyjnych komputerów, w biologii i medycynie .

Optyczne i kwantowe właściwości kropki kwantowej pozwalają na dostrojenie barwy jej emisji z widzialnej do podczerwieni. ​ Diody LED z kropkami kwantowymi mogą wytwarzać prawie wszystkie kolory na schemacie CIE . Ponadto zapewniają więcej opcji kolorystycznych i lepsze oddawanie barw niż białe diody LED omówione w poprzednich sekcjach, ponieważ widmo emisji jest znacznie węższe, co jest charakterystyczne dla zamkniętych stanów kwantowych.

Istnieją dwie procedury wzbudzania QD. Jeden wykorzystuje fotowzbudzenie z głównym źródłem światła LED (powszechnie używa się do tego niebieskich lub UV LED). Druga procedura wykorzystuje bezpośrednie wzbudzenie elektryczne po raz pierwszy zademonstrowane przez Alivisatos et al. ]

Przykładem procedury fotowzbudzenia jest procedura opracowana przez Michaela Bowersa z Vanderbilt University w Nashville, tworząca prototyp, który polegał na pokryciu niebieskiej diody LED kropkami kwantowymi, które emitowały białe światło w odpowiedzi na niebieski diody LED. Zmodyfikowana dioda LED emitowała ciepłe, żółtawobiałe światło podobne do lamp żarowych . Badania nad diodami elektroluminescencyjnymi wykorzystującymi QD w zastosowaniach w telewizorach z wyświetlaczami ciekłokrystalicznymi (LCD) rozpoczęły się w 2009 roku. ]

W lutym 2011 r. naukowcy z firmy PlasmaChem GmbH byli w stanie zsyntetyzować kropki kwantowe do zastosowań w technologii LED, tworząc konwerter światła, który potrafił skutecznie przekształcać niebieskie światło w światło o dowolnym innym kolorze przez wiele setek godzin. Te kropki kwantowe mogą być również używane do emitowania światła widzialnego lub bliskiej podczerwieni poprzez wzbudzanie ich światłem o krótszej długości fali.

Konstrukcja diod LED z kropkami kwantowymi (QD-LED) stosowanych do elektrycznego wzbudzenia materiału ma podstawową konstrukcję podobną do diod OLED. Pomiędzy dwiema warstwami materiału zdolnego do przenoszenia elektronów i dziur znajduje się warstwa kropek kwantowych. Poprzez przyłożenie pola elektrycznego elektrony i dziury przemieszczają się do powłoki kropki kwantowej i rekombinują tworząc ekscytony ; każdy ekscyton wytwarza parę elektron-dziura, emitując światło. Ten schemat jest zwykle rozważany dla wyświetlaczy z kropkami kwantowymi . Duża różnica w stosunku do OLED polega na ich bardzo małym rozmiarze, a w konsekwencji generują efekty i właściwości optyczne ograniczenia kwantowego.

QD są również bardzo przydatne jako źródła wzbudzenia do obrazowania fluorescencyjnego ze względu na wąski zakres długości fal emitowanych przez QD, który przejawia się w wąskim paśmie piku w widmie emisyjnym (właściwość wynikająca z ograniczenia kwantowego). Z tego powodu wykazano, że efektywne jest wykorzystanie diod LED z kropkami kwantowymi (QD-LED) w technice mikroskopii optycznej bliskiego pola . ]

Jeśli chodzi o efektywność energetyczną, w lutym 2008 r. za pomocą nanokryształów uzyskano emisję ciepłego światła o wydajności świetlnej 300 lumenów światła widzialnego na wat promieniowania (nie na wat elektryczny) . ]

Rodzaje

Diody LED produkowane są w szerokiej gamie kształtów i rozmiarów. Kolor plastikowej soczewki zwykle pokrywa się z kolorem światła emitowanego przez diodę LED, chociaż nie zawsze tak jest. Na przykład fioletowy plastik jest używany do diod podczerwieni, a większość niebieskich diod LED ma bezbarwne opakowania. Nowoczesne diody LED o dużej mocy, takie jak te używane do bezpośredniego oświetlenia lub podświetlenia, zwykle występują w technologii montażu powierzchniowego (SMT).

Miniatura

Zdjęcie montażu powierzchniowego z najczęstszymi rozmiarami diod LED. Mogą być nieco mniejsze niż typowa lampa ledowa 5mm, która pojawia się w lewym górnym rogu.

Miniaturowa matryca czerwonych, zielonych i niebieskich diod LED w maleńkim montażu powierzchniowym (1,6x1,6x0,35mm) ze złotymi detalami lutowanymi.

Miniaturowe diody LED są często używane jako wskaźniki. W technologii przewlekanej i montażu powierzchniowego ich rozmiar waha się od 2mm do 8mm. Zwykle nie mają oddzielnego radiatora. ​ Maksymalny prąd wynosi od 1mA do 20mA. Jego mały rozmiar stanowi ograniczenie pod względem pobieranej mocy ze względu na dużą gęstość mocy i brak radiatora. Często są one połączone łańcuchami , tworząc paski LED.

Najbardziej typowe kształty pokryw plastikowych to okrągłe, płaskie, trójkątne i kwadratowe z płaskim wierzchołkiem. Hermetyzacja może być również przezroczysta lub kolorowa w celu poprawy kontrastu i kątów widzenia. ]

Naukowcy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego wynaleźli najcieńszą diodę LED. Składa się z dwuwymiarowych (2-D) materiałów. Jego szerokość wynosi 3 atomy, co jest od 10 do 20 razy cieńsze niż trójwymiarowe (3D) diody LED i 10 000 razy cieńsze niż ludzki włos. Te dwuwymiarowe diody LED umożliwią zastosowanie mniejszych, bardziej energooszczędnych nanolaserów i komunikacji optycznej . ]

Istnieją trzy główne kategorie jednokolorowych miniaturowych diod LED:

Niska Intensywność Prądu

Przygotowany na prąd 2mA z około 2V (pobór mniej więcej 4mW).

Pośredni lub wspólny zakres

Diody LED 20mA (od 40mW do 90mW) około:

• 1,9 -2,1 V dla czerwonego, żółtopomarańczowego i tradycyjnego zielonego.
• 3.0-3.4 V dla czystej zieleni i błękitu.
• 2,9-4,2 V dla fioletu, różu, fioletu i bieli.

Wysoka intensywność prądu

Na prąd 20mA i 2 lub 4-5 V, zaprojektowany do widzenia w bezpośrednim świetle słonecznym. Diody LED 5 V i 12 V to standardowe miniaturowe diody LED zawierające rezystor szeregowy do bezpośredniego podłączenia do zasilania 5 lub 12 V.

Duża moc

Diody elektroluminescencyjne dużej mocy połączone z gwiaździstą podstawą dla diod led ( Lumileds , Luxeon )

Zobacz też: Oświetlenie półprzewodnikowe , Lampa LED , Diody LED wysokiej mocy lub HP-LED

Wysokowydajne diody LED HP-LED (High-Power LED) lub wysokoemisyjne HO-LED (High-Output LED) mogą być sterowane prądami od setek mA do ponad 1 ampera, podczas gdy inne diody LED osiągają tylko dziesiątki miliamperów. Niektóre mogą emitować ponad tysiąc lumenów. ]

Osiągnięto również gęstość mocy do 300 W/(cm²) . Ponieważ przegrzanie diod LED może je zniszczyć, należy je zamontować na radiatorze. Gdyby ciepło z HP-LED nie zostało przeniesione do medium, urządzenie ulegnie awarii w ciągu kilku sekund. HP-LED może zastąpić żarówkę w latarce lub kilka z nich można połączyć w lampę LED mocy. Niektóre dobrze znane diody HP w tej kategorii to seria Nichia 19, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon i Cree X-Lamp. Od września 2009 r. dostępne są diody LED firmy Cree o mocy przekraczającej 105 lm/W. ]

Przykładami prawa Haitza , które przewiduje wykładniczy wzrost w czasie emisji światła i wydajności diody LED, są te z serii CREE XP-GE, które osiągnęły 105 lm/W w 2009 r. ]

Zasilany prądem przemiennym

Firma Seoul Semiconductor opracowała diody LED, które mogą być zasilane prądem przemiennym bez konieczności stosowania konwertera DC. W pół cyklu jedna część diody emituje światło, a druga część jest ciemna, i dzieje się to odwrotnie podczas następnej połowy cyklu. Normalna wydajność tego typu HP-LED wynosi 40 lm/W. ​ Duża liczba elementów LED połączonych szeregowo może pracować bezpośrednio z napięciem sieciowym. W 2009 roku firma Seoul Semiconductor wprowadziła wysokonapięciową diodę LED o nazwie „Acrich MJT”, która może być zasilana prądem przemiennym za pomocą prostego obwodu sterującego. Niska moc rozpraszana przez te diody LED zapewnia im większą elastyczność niż inne oryginalne konstrukcje LED AC. ]

Aplikacje. Warianty

przerywanych błysków

Migające diody LED są używane jako wskaźniki uwagi bez konieczności stosowania zewnętrznej elektroniki. Migające diody LED wyglądają jak standardowe diody LED, ale zawierają zintegrowany obwód multiwibratora, który powoduje, że diody LED migają z charakterystycznym okresem jednej sekundy. Na diodach LED wyposażonych w soczewkę dyfuzyjną obwód ten jest widoczny (mała czarna kropka). Większość migających diod LED emituje światło jednego koloru, ale bardziej wyrafinowane urządzenia mogą migać wieloma kolorami, a nawet blaknąć, używając sekwencji kolorów z mieszania kolorów RGB.

Dwukolorowe

Dwukolorowe diody LED zawierają dwie różne diody LED w jednym zestawie. Istnieją dwa rodzaje; pierwsza składa się z dwóch matryc połączonych dwoma przewodami równoległymi do siebie z prądem płynącym w przeciwnych kierunkach. Przy prądzie płynącym w jednym kierunku emitowany jest jeden kolor, a przy prądzie płynącym w przeciwnym kierunku emitowany jest drugi kolor. Natomiast w drugim typie dwie matryce mają oddzielne zaciski i jest jeden zacisk dla każdej katody lub dla każdej anody, dzięki czemu można nimi sterować niezależnie. Najpopularniejszą kombinacją kolorów jest tradycyjna czerwień/zielony, jednak dostępne są inne kombinacje kolorów, takie jak tradycyjna zieleń/bursztyn, czysta czerwień/zielony, czerwony/niebieski lub czysto niebiesko/zielony.

Trójkolory

Trójkolorowe diody LED zawierają trzy różne diody emitujące w jednej ramce. Każdy emiter jest podłączony do osobnego terminala, dzięki czemu można nim sterować niezależnie od pozostałych. Bardzo charakterystyczny jest układ, w którym pojawiają się cztery zaciski, wspólny zacisk (trzy anody lub trzy połączone katody) plus dodatkowy zacisk dla każdego koloru.

RGB

Diody LED RGB to trójkolorowe diody LED z czerwonymi, zielonymi i niebieskimi emiterami, zwykle wykorzystujące połączenie czteroprzewodowe i wspólny zacisk (anoda lub katoda). Ten typ diod LED może występować jako wspólny zarówno zacisk dodatni, jak i zacisk ujemny. Inne modele mają jednak tylko dwa zaciski (dodatni i ujemny) oraz małą wbudowaną elektroniczną jednostkę sterującą .

Dekoracyjna wielokolorowa

Diody tego typu mają emitery o różnych kolorach i są wyposażone tylko w dwa zaciski wyjściowe. Kolory są przełączane wewnętrznie poprzez zmianę napięcia zasilania.

alfanumeryczne

Alfanumeryczne diody LED są dostępne jako wyświetlacze siedmiosegmentowe , wyświetlacze czternastosegmentowe lub wyświetlacze z matrycą punktową . Wyświetlacze siedmiosegmentowe mogą wyświetlać wszystkie cyfry i ograniczony zestaw liter, podczas gdy wyświetlacze czternastosegmentowe mogą wyświetlać wszystkie litery. Wyświetlacze z matrycą punktową zwykle używają 5x7 pikseli na znak. Zastosowanie siedmiosegmentowych diod LED stało się powszechne w latach 70. i 80. XX wieku, ale rosnące wykorzystanie wyświetlaczy ciekłokrystalicznych zmniejszyło popularność numerycznych i alfanumerycznych diod LED ze względu na ich mniejsze zapotrzebowanie na energię i większą elastyczność wyświetlania.

Cyfrowy RGB

Są to diody LED RGB, które zawierają własną „inteligentną” elektronikę sterującą. Oprócz zasilania i uziemienia mają złącza dla wejścia i wyjścia danych, a czasem dla sygnałów zegara lub stroboskopu. Są one połączone w łańcuch , przy czym dane wejściowe do pierwszej diody są dostarczane przez mikroprocesor, który może sterować jasnością i kolorem każdego z nich niezależnie od pozostałych. Stosowane są tam, gdzie wymagana jest kombinacja zapewniająca maksymalną kontrolę i minimalny widok na elektronikę, np. lampki choinkowe lub tablice LED. Niektóre oferują nawet częstotliwości odświeżania w zakresie kHz, dzięki czemu nadają się do podstawowych zastosowań wideo.

Filamenty

Żarnik LED składa się z kilku chipów LED połączonych szeregowo na podłużnym podłożu tworzącym cienki pasek przypominający żarnik tradycyjnej żarówki. Włókna są używane jako niedroga dekoracyjna alternatywa dla tradycyjnych żarówek, które są wycofywane w wielu krajach. Żarniki wymagają dość wysokiego napięcia zasilającego, aby świecić z normalną jasnością, będąc w stanie pracować wydajnie i łatwo przy napięciu sieciowym. Prosty prostownik i pojemnościowy ogranicznik prądu są często używane jako tani zamiennik tradycyjnych żarówek bez niedogodności związanych z budowaniem niskonapięciowego, wysokoprądowego konwertera wymaganego przez poszczególne diody LED. Zazwyczaj są one montowane w hermetycznej obudowie, która ma kształt podobny do lamp, które zastępują (na przykład w postaci żarówki) i są wypełnione gazem obojętnym, takim jak azot lub dwutlenek węgla. . Główne typy diod LED to: miniaturowe urządzenia o dużej mocy oraz popularne konstrukcje, takie jak alfanumeryczne lub wielokolorowe. ]

Uwagi dotyczące użytkowania

Zasilacze

Główny artykuł: Obwód z diodą LED

Podstawowy obwód do oświetlenia Led. Składa się z diody LED, rezystora ograniczającego prąd i zasilacza DC.

Krzywa charakterystyczna diody led ze strefami polaryzacji do przodu i do tyłu

Krzywa charakterystyki prądowo-napięciowej diody LED jest podobna do krzywej innych diod, ponieważ natężenie prądu (lub w skrócie prądu) rośnie wykładniczo wraz z napięciem (patrz równanie Shockleya ). Oznacza to, że niewielka zmiana napięcia może spowodować dużą zmianę prądu. ​ Jeśli przyłożone napięcie przekroczy o niewielką wartość spadek napięcia progu polaryzacji przewodzenia diody LED, limit prądu, który dioda może wytrzymać, może zostać znacznie przekroczony, potencjalnie uszkadzając lub niszcząc diodę LED. Rozwiązaniem, które można zastosować, aby tego uniknąć, jest użycie zasilaczy o stałym natężeniu prądu (w skrócie, źródła prądu stałego ) , które są w stanie utrzymać prąd poniżej maksymalnej wartości prądu, który może przepływać przez diodę LED lub przynajmniej, jeśli używane jest konwencjonalne źródło stałego napięcia lub bateria , dodaj rezystor ograniczający szeregowo z diodą LED do obwodu oświetlenia LED. Ponieważ normalne źródła zasilania (akumulatory, sieć) są zwykle źródłami stałego napięcia, większość opraw LED musi zawierać konwerter mocy lub przynajmniej rezystor ograniczający prąd. Jednak wysoka rezystancja trzywoltowych ogniw guzikowych w połączeniu z wysoką rezystancją różnicową diod LED pochodzących z azotku umożliwia zasilanie takich diod LED z ogniwa guzikowego bez konieczności stosowania zewnętrznego rezystora.

Biegunowość elektryczna

Główny artykuł: biegunowość elektryczna diod LED

Jak w przypadku wszystkich diod, prąd płynie łatwo z materiału typu p do materiału typu n. Jednakże, jeśli małe napięcie zostanie przyłożone w odwrotnym kierunku, nie płynie prąd i nie jest emitowane żadne światło. Jeśli napięcie wsteczne wzrośnie na tyle, że przekroczy napięcie przebicia , płynie duży prąd i dioda LED może ulec uszkodzeniu. Jeśli prąd wsteczny jest wystarczająco ograniczony, aby zapobiec uszkodzeniom, dioda LED przewodząca wstecznie może być używana jako dioda lawinowa .

Zdrowie i bezpieczeństwo

Zdecydowana większość urządzeń zawierających diody LED jest „bezpieczna przy normalnym użytkowaniu” i dlatego jest klasyfikowana jako „Produkt ryzyka 1 RG1 (niskie ryzyko)” / „Klasa LED 1”. Obecnie tylko kilka diod LED - wyjątkowo jasne diody LED o bardzo małym kącie widzenia przy aperturze 8° lub mniej - może teoretycznie powodować tymczasową ślepotę i dlatego są klasyfikowane jako „Ryzyko 2 RG2 (umiarkowane ryzyko)”. Opinia francuskiej Agencji ds. Bezpieczeństwa Żywności, Środowiska oraz Bezpieczeństwa i Higieny Pracy (ANSES) w odniesieniu do kwestii zdrowotnych związanych z diodami LED w 2010 r. sugerowała zakaz publicznego używania lamp należących do grupy 2 lub umiarkowanego ryzyka, zwłaszcza tych z intensywnym niebieskim składnikiem, w miejscach uczęszczanych przez dzieci. ]

Ogólnie rzecz biorąc, przepisy bezpieczeństwa dotyczące używania światła laserowego ​ — oraz urządzeń Ryzyka 1, Ryzyka 2 itd. — mają również zastosowanie do diod LED. ]

Tak jak diody LED mają tę przewagę nad świetlówkami , że nie zawierają rtęci , mogą jednak zawierać inne niebezpieczne metale, takie jak ołów i arsen . Jeśli chodzi o toksyczność diod LED traktowanych jako odpady, w badaniu opublikowanym w 2011 r. stwierdzono: „Zgodnie z przepisami federalnymi diody LED nie są niebezpieczne, z wyjątkiem diod LED o niskiej intensywności, ponieważ na początku ich komercjalizacji zawierały Pb (ołów) w stężeniach powyżej limitów regulacyjnych (186 mg/L; limit regulacyjny: 5), jednak zgodnie z przepisami Kalifornii nadmierne poziomy miedzi (do 3892 mg/kg; limit: 2500 ), ołowiu (do 8103 mg/kg, limit: 1000), nikiel (do 4797 mg/kg, limit: 2000) lub srebro (do 721 mg/kg, limit: 500) powodują, że wszystkie diody LED z wyjątkiem żółtego o niskiej intensywności są niebezpieczne." ]

Zalety

• Wydajność – diody LED emitują więcej lumenów na wat niż żarówki. Na sprawność opraw oświetleniowych LED nie ma wpływu ich kształt i rozmiar, w przeciwieństwie do żarówek czy świetlówek.

• Kolor – diody LED mogą emitować światło o dowolnej barwie, bez stosowania filtrów barwnych, takich jak te potrzebne w tradycyjnych metodach oświetlenia. Ta właściwość daje im większą wydajność i obniża koszty.

• Rozmiar : diody LED mogą być bardzo małe (mniej niż 2 mm² ) , dzięki czemu można je łatwo przymocować do płytek drukowanych.

• Czas nagrzewania – Diody LED włączają się bardzo szybko. Typowa czerwona dioda LED osiągnie pełną jasność w mniej niż mikrosekundę . Diody LED stosowane w urządzeniach komunikacyjnych mogą wykazywać jeszcze krótszy czas reakcji.

• Cykliczne – diody LED są idealne w zastosowaniach, w których często występują cykle włączania i wyłączania, w przeciwieństwie do żarówek i lamp fluorescencyjnych, które zawodzą, gdy są używane w tej opcji, lub jak lampy wyładowcze o dużej intensywności (lampy HID), które wymagają długiego czasu oczekiwania przed ponownym uruchomieniem zapłonu.

• Ściemnianie – diody LED można łatwo ściemniać poprzez modulację szerokości impulsu lub zmniejszenie prądu stałego. Modulacja szerokości impulsu jest powodem, dla którego światła LED, zwłaszcza reflektory samochodowe, wydają się migotać, gdy są oglądane przez kamerę lub przez niektóre osoby. Jest to przypadek efektu stroboskopowego .

• Zimne światło – w przeciwieństwie do większości źródeł światła, diody LED emitują bardzo mało ciepła w postaci promieniowania podczerwonego, które może uszkodzić wrażliwe przedmioty lub tkankę. Utracona energia znika w postaci ciepła u podstawy diody LED.

• Powolne zanikanie – większość diod LED z czasem powoli zanika, w przeciwieństwie do żarówek, które gwałtownie się pogarszają.

• Żywotność – diody LED mogą mieć stosunkowo długą żywotność. Jeden raport szacuje od 35 000 do 50 000 godzin żywotności, chociaż zwykle czas, jaki upłynął, zanim produkt całkowicie przestanie działać, jest zwykle dłuższy. Świetlówki mają szacowaną żywotność od 10 000 do 15 000 godzin, częściowo w zależności od warunków użytkowania, a żarówki na 1000 do 2000 godzin. Różne oświadczenia Departamentu Energii wykazały, że głównym czynnikiem określającym okres zwrotu z inwestycji w produkt LED jest nie tylko oszczędność energii, ale także mniejsze koszty konserwacji w tym wydłużonym okresie eksploatacji. ]

• Odporność na wstrząsy – diody LED są komponentami półprzewodnikowymi i dlatego trudno je uszkodzić pod wpływem zewnętrznych wstrząsów, w przeciwieństwie do świetlówek i żarówek, które są delikatne.

• Focus – Można zaprojektować system diod LED, który będzie w stanie skupiać światło. Źródła żarowe i fluorescencyjne często wymagają zewnętrznego odbłyśnika, aby zebrać światło i odpowiednio je skierować. W większych systemach LED do uzyskania tego samego efektu często stosuje się soczewki Total Internal Reflection (TIR). Jednak, gdy potrzebne są duże ilości światła, często stosuje się wiele źródeł światła, które są trudne do skupienia lub kolimacji w tym samym miejscu.

Wady

• Cena początkowa – diody LED są obecnie nieco droższe (cena za lumen ) niż inne technologie oświetleniowe. W marcu 2014 r. producent twierdził, że osiągnął już cenę jednego dolara za kilolumen. Dodatkowe wydatki wynikają po części ze stosunkowo niskiej mocy świetlnej, wymaganych obwodów napędowych i zasilaczy.

• Zależność od temperatury : wydajność diod LED w dużym stopniu zależy od temperatury otoczenia lub procedur stosowanych do zarządzania temperaturą. Przeciążenie diody LED w środowisku o wysokiej temperaturze może prowadzić do przegrzania wszystkich diod LED i awarii urządzenia oświetleniowego. Aby zapewnić długą żywotność, konieczne jest zastosowanie odpowiedniego radiatora . Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach motoryzacyjnych, medycznych i wojskowych, gdzie urządzenia muszą działać w szerokim zakresie temperatur i przy niskim współczynniku błędów. Firma Toshiba wyprodukowała diody LED o zakresie temperatur pracy od -40 do 100°C, które nadają się do użytku zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz oraz w zastosowaniach takich jak lampy, oświetlenie sufitowe, oświetlenie uliczne i punktowe.

• Czułość na napięcie : diody LED muszą być zasilane napięciem wyższym niż napięcie progowe i prądem poniżej wartości nominalnej. Zarówno prąd, jak i życie zmieniają się dramatycznie z niewielką zmianą przyłożonego napięcia. Dlatego wymagają regulowanego prądu zasilania (w przypadku wskaźników LED zwykle wystarcza rezystor szeregowy). ]

• Odwzorowanie kolorów : Widma większości chłodnobiałych diod LED znacznie różnią się od widma irradiancji ciała czarnego, takiego jak Słońce lub żarówka. Wartość szczytowa przy 460 nm i dolna przy 500 nm mogą powodować, że kolory obiektów będą postrzegane inaczej przy zimnym białym oświetleniu LED niż w świetle słonecznym lub żarowym źródłach światła, ze względu na metameryzm . Zimnobiałe diody LED oparte na fosforze szczególnie słabo odwzorowują czerwone powierzchnie.

• Powierzchnia skojarzona ze źródłem światła – Poszczególne diody LED nie przypominają punktowego źródła światła dającego sferyczny rozsył światła, ale raczej rozsył Lamberta . Diody LED są trudne do zastosowania w przypadkach, w których konieczne są sferyczne pola świetlne, jednak polami świetlnymi można manipulować, stosując różne procedury optyczne lub „soczewki”. Diody LED nie mogą zapewnić rozbieżności poniżej kilku stopni. W przeciwieństwie do tego, lasery mogą emitować wiązki o rozbieżności 0,2 stopnia lub mniejszej. ]

• Polaryzacja elektryczna – W przeciwieństwie do żarówek , które świecą niezależnie od biegunowości elektrycznej , diody LED będą świecić tylko przy prawidłowej polaryzacji elektrycznej. Do automatycznej regulacji polaryzacji zasilania urządzeń LED można zastosować prostowniki .

• Blue Hazard – Istnieje obawa, że ​​niebieskie diody LED i zimne białe diody LED są w stanie przekroczyć limity bezpieczeństwa określone przez tak zwane zagrożenie światłem niebieskim , określone w specyfikacjach dotyczących bezpieczeństwa oczu, takich jak IEC 62471 ]

• Zanieczyszczenie światłem zewnętrznym – białe diody LED, zwłaszcza te o wysokiej temperaturze barwowej , emitują światło o znacznie krótszej długości fali niż konwencjonalne zewnętrzne źródła światła, takie jakwysokoprężne lampy sodowe . Z drugiej strony musimy również liczyć się z większą wrażliwością naszego widzenia na niebieski i zielony w widzeniu skotopowym , a zatem przesuniętym w widmie widzialnym w kierunku „zimnych” kolorów, zniekształcając tym samym aprecjację kolorów „ciepłych” (w kierunku pomarańczowy i czerwony). W konsekwencji białe diody LED stosowane w oświetleniu zewnętrznym powodują, że w widzeniu skotopowym więcej światła nocnego nieba się świeci , a tym samym generują większe zanieczyszczenie światłem. ​ Amerykańskie Stowarzyszenie Medyczne ostrzegało przed używaniem białych diod LED o dużej zawartości niebieskiego światła w oświetleniu publicznym, ze względu na ich większy wpływ na ludzi zdrowie i środowisko w porównaniu ze źródłami światła o niskiej zawartości niebieskiego światła (np. wysokociśnieniowe sodowe, bursztynowe komputerowe diody LED i diody LED o niskiej temperaturze barwowej. ]

• Zmniejszona wydajność : Wydajność diod LED spada wraz ze wzrostem prądu elektrycznego . Ogrzewanie wzrasta również przy wyższych prądach, pogarszając żywotność diod LED. Efekty te nakładają praktyczne ograniczenia na wartości prądu LED w zastosowaniach o dużej mocy. ]

• Wpływ na owady – diody LED są znacznie bardziej atrakcyjne dla owadów niż lampy sodowe, co wzbudziło obawy, że mogą powodować zakłócenia w ich sieciach pokarmowych. ]

• Stosowanie w warunkach zimowych : Ponieważ diody LED nie emitują dużo ciepła w porównaniu z żarówkami, światła LED używane do kontroli ruchu mogą pozostać pokryte śniegiem, który je zasłania i może prowadzić do wypadków. ]

Aplikacje

Kierunkowskazy i lampki sygnalizacyjne

Ilustracja sygnalizacji świetlnej z czerwonymi, żółtymi i zielonymi diodami LED

Niskie zużycie energii , niewielkie wymagania konserwacyjne i niewielkie rozmiary diod LED doprowadziły do ​​ich zastosowania jako wskaźników stanu i wyświetlania w wielu różnych urządzeniach i instalacjach. Wielkopowierzchniowe ekrany LED są wykorzystywane do transmisji meczu na stadionach, jako dynamiczne ekrany dekoracyjne oraz jako dynamiczne znaki informacyjne na autostradach. Lekkie i smukłe wyświetlacze informacyjne są wykorzystywane na lotniskach i dworcach kolejowych oraz jako tablice informacyjne w pociągach, autobusach, tramwajach i promach.

Jednokolorowe światła nadają się do sygnalizacji świetlnej , sygnalizacji drogowej, znaków wyjścia , oświetlenia awaryjnego pojazdu , świateł nawigacyjnych, reflektorów (standardowe wskaźniki chromatyczności i luminancji zostały ustalone w Międzynarodowej Konwencji o Zapobieganiu Zderzeniom na Morzu z 1972 r. Załącznik 1 i przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową (CIE) oraz lampki choinkowe zbudowane z diod LED. W regionach o zimnym klimacie światła drogowe LED mogą pozostać pokryte śniegiem. Czerwone lub żółte diody LED są stosowane we wskaźnikach i wyświetlaczach alfanumerycznych, w środowiskach, w których wymagana jest widoczność w nocy: w kabinach samolotów, na mostach okrętów podwodnych i okrętowych, w obserwatoriach astronomicznych oraz w terenie np. do obserwacji zwierząt w nocy i na polu wojskowym zastosowań.

Biorąc pod uwagę ich długą żywotność, szybkie czasy przełączania i zdolność do bycia widocznym w biały dzień ze względu na ich wysoką intensywność i koncentrację, diody LED są od pewnego czasu stosowane w światłach hamowania w samochodach, ciężarówkach i autobusach oraz przy zmianie kierunkowskazów; Wiele pojazdów wykorzystuje teraz diody LED w swoich zespołach tylnych świateł. Zastosowanie w hamulcach poprawia bezpieczeństwo dzięki znacznemu skróceniu czasu wymaganego do pełnego zapłonu, to znaczy dzięki krótszemu czasowi narastania, do 0,5 sekundy szybciej niż żarówka żarowa. Zapewnia to dłuższy czas reakcji dla kierowców z tyłu. W obwodzie o podwójnej intensywności (światła tylne i światła hamowania), jeśli diody LED nie działają wystarczająco szybko, mogą stworzyć matrycę duchów, w której widmowe obrazy diody LED pojawią się, gdy oczy szybko poruszają się po matrycy świetlnej. Zaczynają być używane reflektory z białymi diodami LED. Zastosowanie diod LED ma zalety stylistyczne, ponieważ mogą tworzyć znacznie cieńsze wiązki niż żarówki z odbłyśnikami parabolicznymi.

Diody LED o małej mocy są stosunkowo niedrogie i mogą być stosowane w krótkotrwałych obiektach oświetleniowych, takich jak oświetlenie samoprzylepne, przedmioty jednorazowe i tkanina fotoniczna Lumalive. Artyści wykorzystują również diody LED do tzw. sztuki LED. Odbiorniki radiowe o pogodzie i niebezpieczeństwie z zakodowanymi wiadomościami obszarowymi (SAME) mają trzy diody LED: czerwoną dla alarmów, pomarańczową dla uwagi i żółtą dla ostrzeżeń, wskazań i raportów.

Oświetlenie

Aby zachęcić do przejścia na lampy LED, Departament Energii Stanów Zjednoczonych ustanowił nagrodę L. Żarówka LED Philips Lighting North America zdobyła pierwszą nagrodę 3 sierpnia 2011 r. po pomyślnym ukończeniu 18 miesięcy intensywnych testów w terenie, laboratorium i produktu. ]

Diody LED znajdują zastosowanie jako oświetlenie uliczne oraz w oświetleniu architektonicznym. Wytrzymałość mechaniczna i długa żywotność są wykorzystywane w oświetleniu samochodowym w samochodach, motocyklach i światłach rowerowych. Emisję światła LED można skutecznie kontrolować za pomocą nieobrazowych zasad optycznych .

W 2007 roku włoskie miasto Torraca było pierwszym miejscem, w którym cały swój system oświetleniowy przebudowano na LED. Diody LED są również używane w lotnictwie, Airbus stosuje oświetlenie LED w swoim Airbusie A320 od 2007 roku, a Boeing stosuje oświetlenie LED w 787. Diody LED są teraz używane również w oświetleniu lotnisk i lądowisk dla helikopterów. Oprawy LED lotniskowe obejmują obecnie światła pasa startowego o średniej intensywności, światła osi drogi startowej, światła osi drogi kołowania i światła krawędzi.

Diody LED są również wykorzystywane jako źródło światła do projektorów DLP oraz do oświetlania telewizorów LCD (znanych jako telewizory LED) i ekranów laptopów . Diody LED RGB podnoszą gamę kolorów nawet o 45%. Ekrany do telewizorów i ekranów komputerowych mogą być cieńsze dzięki zastosowaniu diod LED do podświetlenia. Brak promieniowania podczerwonego lub termicznego sprawia, że ​​diody LED idealnie nadają się do oświetlenia scenicznego z szeregiem diod RGB, które mogą łatwo zmieniać kolor i zmniejszać nagrzewanie się oświetlenia, a także do oświetlenia medycznego, w którym promieniowanie IR może być szkodliwe W przypadku oszczędzania energii, użycie diod LED powoduje mniejsze wytwarzanie ciepła.

Są też małe, wytrzymałe i wymagają niewielkiej mocy, dlatego stosuje się je w urządzeniach przenośnych, takich jak latarki . Stroboskopy LED lub lampy błyskowe aparatu działają przy bezpiecznym, niskim napięciu, a nie przy napięciu 250+ woltów powszechnie spotykanym w oświetleniu opartym na ksenonowej lampie błyskowej . Jest to szczególnie przydatne w przypadku aparatów w telefonach komórkowych . Diody LED są używane do oświetlania podczerwienią w zastosowaniach noktowizyjnych , w tym w kamerach bezpieczeństwa . Pierścień diod LED wokół kamery wideo skierowanej do przodu na tle odblaskowym umożliwia kluczowanie kolorem w produkcjach wideo .

Diody LED są używane w operacjach górniczych , takich jak lampy nasadowe do oświetlania górników. Przeprowadzono badania mające na celu ulepszenie górniczych diod LED w celu zmniejszenia olśnienia i zwiększenia oświetlenia, zmniejszając ryzyko obrażeń górników. ]

Diody LED są obecnie powszechnie stosowane we wszystkich obszarach rynku, od zastosowań komercyjnych po domowe: oświetlenie standardowe, teatralne, architektoniczne, instalacje publiczne i wszędzie tam, gdzie stosuje się oświetlenie sztuczne.

Diody LED znajdują coraz więcej zastosowań w zastosowaniach medycznych i edukacyjnych, na przykład jako poprawa nastroju, oraz nowe technologie, takie jak AmBX, wykorzystujące wszechstronność diod LED. NASA sponsorowała nawet badania nad wykorzystaniem diod LED do promowania zdrowia wśród astronautów . ]

komunikacja optyczna. Transfer danych i inna komunikacja

Zobacz także: liphi

Światło może służyć do przesyłania danych i sygnałów analogowych . Na przykład białe diody LED mogą być używane w systemach, aby pomóc ludziom orientować się w zamkniętych przestrzeniach w celu zlokalizowania urządzeń lub obiektów. ]

Urządzenia wspomagające słyszenie w wielu kinach i podobnych miejscach wykorzystują matryce diod podczerwieni do dostarczania dźwięku do odbiorników widza. Diody LED (a także lasery półprzewodnikowe) są wykorzystywane do przesyłania danych przez wiele rodzajów kabli światłowodowych . Od kabli TOSLINK do cyfrowej transmisji dźwięku po łącza światłowodowe o bardzo dużej przepustowości , które tworzą szkielet Internetu . Przez pewien czas komputery były wyposażone w interfejsy IrDA , co pozwalało im wysyłać i odbierać dane z pobliskich komputerów za pomocą promieniowania podczerwonego .

Ponieważ diody LED mogą włączać się i wyłączać miliony razy na sekundę, wymagają bardzo dużej przepustowości do transmisji danych. ]

Zrównoważone oświetlenie

Efektywność oświetlenia jest niezbędna dla zrównoważonej architektury . W 2009 roku testy przeprowadzone z żarówkami LED przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych wykazały średnią wydajność od 35 lm/W, a więc poniżej wydajności świetlówek kompaktowych, do wartości nawet 9 lm/W, gorszych od żarówek . Typowa 13-watowa żarówka LED emituje od 450 do 650 lumenów , co odpowiada standardowej 40-watowej żarówce.

W każdym razie w 2011 roku pojawiły się żarówki LED o wydajności 150 lm/W, a nawet modele z niższej półki przekraczały 50 lm/W, więc 6-watowa dioda LED mogła osiągać takie same wyniki jak żarówka. rozżarzony. Te ostatnie mają trwałość 1000 godzin, podczas gdy dioda LED może nadal działać z niższą wydajnością przez ponad 50 000 godzin. ]

Tabela porównawcza żarówek led-LFC:

	Doprowadziło	świetlówki kompaktowe	Żarówka żarnikowa
Życie	50 000 godzin	10 000 godzin	1200 godzin
watów na żarówkę	10	14	60
koszt za żarówkę	2,00 zł	7,00 zł	1,25 USD
kW zużyty w 50 000 godzin	500	700	3000
Koszt energii elektrycznej (0,10 USD/kW)	50 zł	70	300 zł
Żarówki potrzebne do ukończenia 50 000 godzin światła	1	5	42
Wydatki na żarówki na 50 000 godzin światła	2,00 zł	35,00 zł	52,50 zł
Całkowity koszt za 50 000 godzin światła	52,00 zł	105,00 zł	352,50$

Pobór mocy

Zmniejszenie zużycia energii elektrycznej osiągnięte dzięki oświetleniu opartemu na diodach LED jest znaczące w porównaniu z oświetleniem żarowym . Ponadto redukcja ta objawia się również znacznym zmniejszeniem szkód w środowisku. Każdy kraj przedstawia inną panoramę energetyczną i dlatego chociaż wpływ na zużycie energii jest taki sam, produkcja gazów szkodliwych dla środowiska może się nieco wahać między sobą. Jeśli chodzi o zużycie, jako próbkę można wziąć konwencjonalną 40 - watową żarówkę . Równoważną moc świetlną można uzyskać za pomocą 6-watowego systemu LED. Dlatego stosując system LED zamiast żarówek można zmniejszyć zużycie energii o ponad 85%. Jeśli chodzi o oszczędności w oddziaływaniu na środowisko, można je określić ilościowo dla dowolnego kraju, jeśli znana jest produkcja CO ₂ na kW na godzinę . W konkretnym przypadku Hiszpanii wiadomo, że miks energetyczny hiszpańskiej sieci elektrycznej wyprodukował około 308 g CO ₂ /kWh w 2016 r. Do obliczeń zakłada się, że zarówno żarówka, jak i zespół LED pracowały przez 10 lat. godzin dziennie przez cały rok 2016. Zużyta energia wyniosła 146 kWh przez żarówkę i 21,6 kWh przez zespół LED. Zużytą energię elektryczną można przeliczyć na kg CO ₂ produkowanego rocznie. W pierwszym przypadku zrealizowano wytwarzanie ok. 45 kg CO ₂ , natomiast w drugim zmniejszono produkcję CO ₂ do 6,75 kg.

Źródła światła do systemów widzenia maszynowego

Przemysłowe systemy wizyjne często wymagają jednorodnego oświetlenia, aby móc skupić się na interesujących cechach obrazu. Jest to jedno z najczęstszych zastosowań oświetlenia LED i na pewno będzie to nadal obniżać ceny systemów opartych na sygnalizacji świetlnej. Skanery kodów kreskowych są najczęstszym przykładem systemów wizyjnych, wiele z tych tanich produktów wykorzystuje diody LED zamiast laserów. Optyczne myszy komputerowe również wykorzystują diody LED w swoim systemie wizyjnym, ponieważ zapewniają one jednolite źródło światła na powierzchni miniaturowej kamery wewnątrz myszy. W rzeczywistości diody LED są niemal idealnym źródłem światła dla systemów wizyjnych z następujących powodów:

• Rozmiar oświetlanego pola jest zwykle stosunkowo mały, a systemy widzenia maszynowego są często dość drogie, więc koszt źródła światła jest zwykle mniej istotny. Jednak wymiana uszkodzonego źródła światła w złożonej maszynie może nie być łatwa; w tym przypadku zaletą jest długa żywotność diod LED.
• Komponenty LED są zwykle małe i mogą być umieszczane z dużą gęstością na podłożach o płaskiej lub gładkiej powierzchni (PCB itp.), dzięki czemu można zaprojektować jednorodne źródła światła, które kierują światło z ściśle kontrolowanych kierunków na kontrolowane części. Często można to osiągnąć za pomocą małych, niedrogich soczewek i dyfuzorów, pomagając osiągnąć wysokie gęstości światła z kontrolą poziomów oświetlenia i jednorodności. Źródła LED można konfigurować na różne sposoby (reflektory do oświetlania refleksyjnego, pierścienie do oświetlania współosiowego, podświetlenia do oświetlania konturowego, uchwyty liniowe, wielkoformatowe panele płaskie, źródła kopułowe do rozproszonego oświetlenia dookólnego).
• Diody LED można łatwo strobować (w zakresie mikrosekund i poniżej) i synchronizować obrazem. Dostępne są diody LED o dużej mocy, które umożliwiają uzyskanie dobrze oświetlonych obrazów, nawet przy bardzo krótkich impulsach świetlnych. Jest to często używane do uzyskania ostrych, wyraźnych obrazów szybko poruszających się części.
• Diody LED są dostępne w różnych kolorach i długościach fal, co pozwala na łatwe użycie najlepszego koloru dla każdej potrzeby, gdzie inny kolor może zapewnić lepszą widoczność interesujących cech. Posiadanie dokładnie znanego widma pozwala na użycie ściśle dopasowanych filtrów do oddzielenia pasma informacyjnego lub zmniejszenia zakłócających efektów światła otoczenia. Diody LED zwykle działają w stosunkowo niskich temperaturach roboczych, co upraszcza zarządzanie i odprowadzanie ciepła. Pozwala to na zastosowanie plastikowych soczewek, filtrów i dyfuzorów. Urządzenia wodoodporne można również łatwo zaprojektować, co pozwala na stosowanie w trudnych lub wilgotnych środowiskach (przemysł spożywczy, napojów, olej).

Medycyna i biologia

Health odzwierciedla zalety diod LED nad innymi rodzajami oświetlenia i włączyło je do swojego najnowocześniejszego sprzętu. Zalety oferowane przez diody LED w ich obecnym stanie rozwoju doprowadziły do ​​ich szybkiego rozpowszechnienia w świecie narzędzi do diagnostyki i wsparcia w procedurach medycznych i chirurgicznych. Zalety doceniane przez lekarzy to:

• Niewielki rozmiar źródeł światła, które generalnie można kojarzyć z bardzo cienkimi i elastycznymi światłowodami, co pozwala im poruszać się wewnątrz cienkich cewników .
• Brak towarzyszącego promieniowania podczerwonego, co pozwala na kojarzenie z nimi terminu „ zimne światło ” . Ciepło wydzielane przez inne rodzaje źródeł światła utrudniało lub uniemożliwiało ich zastosowanie w niektórych obserwacjach diagnostycznych lub zabiegach chirurgicznych.
• Biały odcień, który jest zwykle ulubionym w obserwacjach medycznych. Musi to być naturalny biały kolor, zdolny do przedstawienia wszystkich kolorów bez problemów związanych z metameryzmem . Naturalny kolor oświetlonych w ten sposób tkanek sprzyja zatem prawidłowej diagnozie obserwowanego pola.
• Wysokie natężenie światła osiągalne przez te źródła światła.

Diagnoza i wizja

W oparciu o powyższe pomysły, obecne endoskopy wyposażone są w oświetlenie LED. Technika endoskopowa obejmuje wiele specjalności medycznych, np . gastroskopię , kolonoskopię , laryngoskopię , otoskopię czy artroskopię . Wszystkie te techniki pozwalają na obserwację narządów i układów ludzkiego ciała za pomocą miniaturowych kamer wideo. Mogą być również wykorzystywane w zabiegach chirurgicznych lub w celach diagnostycznych. Sprzęt znany jest również jako wideoskopy lub wideoendoskopy . Dostępne są sztywne lub elastyczne w zależności od potrzeb. Światłowód jest dostosowany do każdego konkretnego przypadku. Z drugiej strony, światła w salach operacyjnych i klinikach dentystycznych są obecnie LED. Doskonale spełniają wszelkie wymagania techniczne i sanitarne związane z ich użytkowaniem. Uzyskanie białego, naturalnego, jasnego oświetlenia (ponad sto pięćdziesiąt tysięcy kandeli w odległości jednego metra od pola operacyjnego), bez cieni i bez emisji podczerwieni lub ultrafioletu, które mogłyby mieć wpływ zarówno na pacjenta, jak i personel medyczny, jest szczególnie doceniany udział w interwencji.

To samo dzieje się z latarkami czołowymi chirurgów i dentystów wyposażonymi w diody LED, z lampami do badań lekarskich, do badań i zabiegów okulistycznych czy do drobnych zabiegów chirurgicznych , o których można powiedzieć, że diody LED obejmują wszystkie specjalizacje medyczne. Firmy optyczne zajmujące się medycyną zastosowały diody LED w swoim sprzęcie obserwacyjnym, np. w mikroskopach , uzyskując tym samym wiele zalet w badaniu obrazów różnymi technikami ( jasne pole , kontrast , fluorescencja), co przejawia się w branży reklamowej i komercyjnej. Diody LED są z powodzeniem stosowane jako czujniki w pulsometrach lub sfigmomanometrach tlenowych do pomiaru saturacji tlenem.

Terapia

Światło LED jest wykorzystywane w technice leczenia skóry zwanej fototerapią . Pamiętajmy, że światło emitowane przez różne stopy półprzewodników jest bardzo monochromatyczne. Każdemu z kolorów (niebieski, żółty, czerwony itp.) przypisuje się priorytetową aktywność w pewnym procesie terapeutycznym, na przykład wspomaganie gojenia (niebieskie światło), atakowanie określonego szczepu bakterii (różne kolory), rozjaśnianie plam na skórze ( czerwone światło) itp. Wiele materiałów i systemów biologicznych jest wrażliwych lub zależnych od światła. Lampy do uprawy wykorzystują diody LED do zwiększania fotosyntezy w roślinach. Bakterie i wirusy można usunąć z wody i innych substancji za pomocą sterylizacji UV LED.

Przemysł

Przemysł zaadaptował na własne potrzeby modele obserwacyjne stosowane w medycynie, a sprzęt nazywany jest endoskopem przemysłowym lub też boroskopem , fleksoskopem lub wideoendoskopem . Dzięki nim możesz zajrzeć do wnętrza maszyn, silników, rur, wnęk czy broni bez konieczności ich demontażu.

Inne aplikacje

Światło z diod LED może być bardzo szybko modulowane, dzięki czemu są one szeroko stosowane w światłowodach i komunikacji optycznej w wolnej przestrzeni . Obejmuje to piloty używane w telewizorach LED, magnetowidach i komputerach. Izolatory optyczne wykorzystują diodę LED w połączeniu z fotodiodą lub fototranzystorem , aby zapewnić elektrycznie izolowaną ścieżkę sygnału między dwoma obwodami. Jest to szczególnie przydatne w sprzęcie medycznym, gdzie sygnały z obwodu czujnika niskiego napięcia (zazwyczaj zasilanego bateryjnie) w kontakcie z żywym organizmem muszą być elektrycznie odizolowane od wszelkich potencjalnych usterek elektrycznych w urządzeniu monitorującym działającym pod potencjalnie niebezpiecznym napięciem. Optoizolator umożliwia również przesyłanie informacji między obwodami, które nie mają wspólnego potencjału uziemienia.

Wiele systemów czujników wykorzystuje światło jako źródło sygnału. Diody LED są często idealnym źródłem światła ze względu na wymagania czujników. Diody LED są wykorzystywane jako czujniki ruchu , na przykład w optycznych myszach komputerowych . Sensor Bar na Nintendo Wii wykorzystuje diody podczerwieni. Pulsoksymetry wykorzystują je do pomiaru saturacji tlenem . Niektóre skanery stołowe wykorzystują jako źródło światła matryce LED RGB zamiast typowych lamp fluorescencyjnych z zimną katodą . Posiadanie niezależnej kontroli trzech podświetlonych kolorów umożliwia samokalibrację skanera w celu uzyskania dokładniejszego balansu kolorów i nie ma potrzeby rozgrzewania. Ponadto Twoje czujniki muszą być tylko monochromatyczne, ponieważ w dowolnym momencie skanowana strona jest oświetlona tylko jednym kolorem światła. Ponieważ diody LED mogą być również używane jako fotodiody, mogą być również wykorzystywane do emisji lub wykrywania zdjęć. Można to wykorzystać na przykład w ekranie dotykowym, który rejestruje światło odbite od palca lub rysika . Wiele materiałów i systemów biologicznych jest wrażliwych lub zależnych od światła. Lampy do uprawy wykorzystują diody LED do stymulacji fotosyntezy w roślinach , a bakterie i wirusy mogą zostać zabite przez wodę i inne substancje za pomocą diod UV do sterylizacji.

Diody LED były również używane jako wzorcowe napięcie odniesienia w obwodach elektronicznych. Zamiast diody Zenera w regulatorach niskiego napięcia można zastosować spadek napięcia w kierunku przewodzenia (np. około 1,7V dla zwykłej czerwonej diody). Czerwone diody LED mają najbardziej płaską krzywą I/V. Chociaż napięcie przewodzenia diody LED jest znacznie bardziej zależne od prądu niż dioda Zenera, diody Zenera o napięciu przebicia poniżej 3 V nie są powszechnie dostępne.

Postępująca miniaturyzacja niskonapięciowych technologii oświetleniowych, takich jak diody LED i OLED , nadające się do łączenia z cienkimi materiałami, zachęciła do eksperymentowania w łączeniu źródeł światła i wewnętrznych powierzchni ściennych. Nowe możliwości oferowane przez te osiągnięcia skłoniły niektórych projektantów i firmy, takie jak Meystyle , Ingo Maurer , Lomox i Philips do badania i rozwijania własnych technologii. niektóre z nich są obecnie dostępne w sprzedaży komercyjnej. Inne rozwiązania istnieją głównie jako prototypy lub są w trakcie udoskonalania.

Zobacz także

• OLED
• AMOLED
• CrystalLED
• Dioda laserowa
• ekran laserowy
• fotodioda
• Okrągły Henryk Józef
• Tuba ledowa

Linki zewnętrzne

• Wikimedia Commons zawiera kategorię mediów o diodach LED .
• Wikimedia Commons zawiera multimedialną kategorię o led (SMD) .
• Wikisłownik zawiera definicje i inne informacje dotyczące diod LED .
• Dioda LED - Jak działają diody LED? na YouTube . (po angielsku)