Dioda LED
 Niebieskie, zielone i czerwone diody LED w rozproszonych obudowach 5 mm
| |
| <a i=1>Zasada działania | Elektroluminescencja |
|---|---|
| Wynaleziony |
|
| Pierwsza produkcja | październik 1962 |
| Konfiguracja pinów | Anoda i katoda |
| Symbol elektroniczny | |
_8.5.4.2.svg) | |
.svg)
Dioda elektroluminescencyjna ( LED ) to urządzenie półprzewodnikowe , które emituje światło , gdy przepływa przez nie prąd . Elektrony w półprzewodniku rekombinują z dziurami elektronowymi , uwalniając energię w postaci fotonów . Barwa światła (odpowiadająca energii fotonów) jest określona przez energię potrzebną elektronom do przejścia przez pasmo wzbronione półprzewodnika . Białe światło uzyskuje się za pomocą wielu półprzewodników lub warstwy emitującej światło luminofor na urządzeniu półprzewodnikowym.
Pojawiające się jako praktyczne komponenty elektroniczne w 1962 roku, najwcześniejsze diody LED emitowały światło podczerwone (IR) o niskiej intensywności. Diody LED na podczerwień są używane w zdalnego sterowania , takich jak te używane w szerokiej gamie elektroniki użytkowej. Pierwsze diody LED światła widzialnego miały niską intensywność i były ograniczone do czerwieni. Wczesne diody LED były często używane jako lampki kontrolne, zastępując małe żarówki oraz w wyświetlaczach siedmiosegmentowych . Późniejsze osiągnięcia wyprodukowały diody LED dostępne w zakresie widzialnym , ultrafioletowym (UV) i podczerwonym, o wysokiej, niskiej lub pośredniej mocy świetlnej, na przykład białe diody LED odpowiednie do oświetlenia pomieszczeń i terenów zewnętrznych. Diody LED dały również początek nowym typom wyświetlaczy i czujników, a ich wysokie szybkości przełączania są przydatne w zaawansowanej technologii komunikacyjnej z zastosowaniami tak różnorodnymi, jak oświetlenie lotnicze , lampki choinkowe , reflektory samochodowe , reklama, oświetlenie ogólne , sygnalizacja świetlna , lampy błyskowe do aparatów fotograficznych, podświetlane tapety , oświetlenie ogrodnicze i urządzenia medyczne.
Diody LED mają wiele zalet w porównaniu z żarowymi źródłami światła, w tym mniejsze zużycie energii, dłuższą żywotność, lepszą wytrzymałość fizyczną, mniejsze rozmiary i szybsze przełączanie. W zamian za te ogólnie korzystne cechy, wady diod LED obejmują elektryczne ograniczenia niskiego napięcia i ogólnie zasilania prądem stałym (nie prądem zmiennym), niemożność zapewnienia stałego oświetlenia z pulsującego źródła zasilania prądem stałym lub prądem zmiennym oraz niższą maksymalną temperaturę roboczą i przechowywanie temperatura. W przeciwieństwie do diod LED, lampy żarowe mogą działać samoistnie przy praktycznie dowolnym napięciu zasilania, mogą wykorzystywać zamiennie prąd przemienny lub stały i zapewniają stałe oświetlenie, gdy są zasilane prądem zmiennym lub pulsującym prądem stałym, nawet przy częstotliwości tak niskiej jak 50 Hz. Diody LED zwykle wymagają elektronicznych elementów pomocniczych do działania, podczas gdy żarówka może działać i zwykle działa bezpośrednio z nieuregulowanego źródła prądu stałego lub przemiennego. [ potrzebne źródło ]
Jako przetwornik energii elektrycznej na światło, diody LED działają w odwrotności niż fotodiody .
Historia
Odkrycia i wczesne urządzenia
Elektroluminescencję jako zjawisko odkrył w 1907 roku angielski eksperymentator HJ Round z Marconi Labs , używając kryształu węglika krzemu i detektora kocich wąsów . Rosyjski wynalazca Oleg Losev poinformował o stworzeniu pierwszej diody LED w 1927 r. Jego badania były rozpowszechniane w sowieckich, niemieckich i brytyjskich czasopismach naukowych, ale przez kilka dziesięcioleci nie wykorzystywano tego odkrycia w praktyce, częściowo ze względu na bardzo nieefektywne właściwości wytwarzania światła z węglika krzemu, półprzewodnika zastosowanego przez Łosiewa.
W 1936 roku Georges Destriau zauważył, że elektroluminescencja może powstać, gdy proszek siarczku cynku (ZnS) jest zawieszony w izolatorze i przyłożone do niego zmienne pole elektryczne. W swoich publikacjach Destriau często określał luminescencję jako Losev-Light. Destriau pracował w laboratoriach Madame Marie Curie , również pioniera w dziedzinie luminescencji w badaniach nad radem .
Węgierska firma Zoltán Bay wraz z György Szigeti wyprzedziła oświetlenie LED na Węgrzech w 1939 r., Opatentując urządzenie oświetleniowe na bazie węglika krzemu z opcją węglika boru, które emitowało światło białe, żółtawobiałe lub zielonkawobiałe w zależności od obecnych zanieczyszczeń.
Kurt Lehovec , Carl Accardo i Edward Jamgochian wyjaśnili te pierwsze diody LED w 1951 r., Używając aparatu wykorzystującego kryształy SiC ze źródłem prądu w postaci baterii lub generatora impulsów, oraz porównując z wariantem czystego kryształu w 1953 r.
Rubin Braunstein z Radio Corporation of America doniósł o emisji w podczerwieni z arsenku galu (GaAs) i innych stopów półprzewodnikowych w 1955 r. Braunstein obserwował emisję w podczerwieni generowaną przez proste struktury diodowe przy użyciu antymonku galu (GaSb), GaAs, fosforku indu (InP) i stopy krzemu i germanu (SiGe) w temperaturze pokojowej i 77 kelwinach .
W 1957 roku Braunstein wykazał ponadto, że podstawowe urządzenia mogą być używane do komunikacji innej niż radiowa na niewielką odległość. Jak zauważył Kroemer Braunstein „… ustanowił proste optyczne łącze komunikacyjne: muzyka wydobywająca się z gramofonu była wykorzystywana przez odpowiednią elektronikę do modulowania prądu przewodzenia diody GaAs. Emitowane światło było wykrywane przez diodę PbS w pewnej odległości. Ten sygnał był podawany do wzmacniacza audio i odtwarzany przez głośnik. Przechwycenie wiązki zatrzymało muzykę. Bawiliśmy się świetnie z tą konfiguracją." Ta konfiguracja zapowiadała użycie diod LED do w komunikacji optycznej .
We wrześniu 1961 roku, pracując w firmie Texas Instruments w Dallas w Teksasie , James R. Biard i Gary Pittman odkryli emisję światła w bliskiej podczerwieni (900 nm) z diody tunelowej, którą zbudowali na podłożu GaAs. Do października 1961 roku zademonstrowali wydajną emisję światła i sprzężenie sygnału między emiterem światła złącza GaAs pn a elektrycznie izolowanym fotodetektorem półprzewodnikowym. 8 sierpnia 1962 roku Biard i Pittman złożyli patent zatytułowany „Półprzewodnikowa dioda promieniująca” na podstawie swoich odkryć, w którym opisano rozproszony cynk złączem p – n z oddalonym stykiem katodowym , aby umożliwić wydajną emisję światła podczerwonego pod polaryzacją do przodu . Po ustaleniu priorytetu ich pracy w oparciu o notatniki inżynierskie poprzedzające zgłoszenia z GE Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs i Lincoln Lab w MIT , amerykański urząd patentowy wydał dwóm wynalazcom patent na światło podczerwone GaAs - dioda elektroluminescencyjna (patent USA US3293513 ), pierwsza praktyczna dioda LED. Natychmiast po zgłoszeniu patentu firma Texas Instruments (TI) rozpoczęła projekt produkcji diod na podczerwień. W październiku 1962 roku firma TI ogłosiła pierwszy komercyjny produkt LED (SNX-100), który wykorzystywał czysty kryształ GaAs do emitowania światła o długości fali 890 nm. W październiku 1963 roku firma TI ogłosiła pierwszą komercyjną półkulistą diodę LED, SNX-110.
Pierwszą diodę LED o widmie widzialnym (czerwoną) zademonstrowali JW Allen i RJ Cherry pod koniec 1961 roku w SERL w Baldock w Wielkiej Brytanii. Ta praca została opisana w Journal of Physics and Chemistry of Solids , tom 23, wydanie 5, maj 1962, strony 509–511. Inne wczesne urządzenie zostało zademonstrowane przez Nicka Holonyaka 9 października 1962 r., Kiedy pracował dla General Electric w Syracuse w stanie Nowy Jork . Holonyak i Bevacqua opisali tę diodę LED w czasopiśmie Applied Physics Letters 1 grudnia 1962 r. M. George Craford , były doktorant Holonyak, wynalazł pierwszą żółtą diodę LED i dziesięciokrotnie poprawił jasność czerwonych i czerwono-pomarańczowych diod LED w 1972 r. W 1976 r. TP Pearsall zaprojektował pierwsze diody LED o wysokiej jasności i wysokiej wydajności do zastosowań optycznych telekomunikacji światłowodowej poprzez wynalezienie nowych materiałów półprzewodnikowych specjalnie dostosowanych do długości fal transmisyjnych światłowodów.
Początkowy rozwój komercyjny
Pierwsze komercyjne diody LED o widzialnej długości fali były powszechnie stosowane jako zamienniki żarówek i neonów oraz w wyświetlaczach siedmiosegmentowych , najpierw w drogim sprzęcie, takim jak sprzęt laboratoryjny i testujący elektronikę, później w takich urządzeniach, jak kalkulatory, telewizory, radia, telefony, a także zegarki (patrz lista zastosowań sygnału ). Do 1968 roku diody LED widzialne i podczerwone były niezwykle kosztowne, rzędu USD za sztukę, a więc miały niewielkie praktyczne zastosowanie.
Hewlett-Packard (HP) był zaangażowany w badania i rozwój (R&D) praktycznych diod LED w latach 1962-1968 przez zespół badawczy pod kierownictwem Howarda C. Bordena, Geralda P. Pighiniego z HP Associates i HP Labs . W tym czasie HP współpracował z firmą Monsanto przy opracowywaniu pierwszych użytecznych produktów LED. Pierwszymi użytecznymi produktami LED były wyświetlacz LED HP i lampka kontrolna LED Monsanto , obie wprowadzone na rynek w 1968 r. Monsanto była pierwszą organizacją, która zaczęła masowo produkować widoczne diody LED, wykorzystując GaAsP w 1968 r. do produkcji czerwonych diod LED odpowiednich do wskaźników. Monsanto wcześniej zaoferowało HP dostarczenie GaAsP, ale HP zdecydowało się wyhodować własny GaAsP. W lutym 1969 roku firma Hewlett-Packard wprowadziła wskaźnik numeryczny HP model 5082-7000, pierwsze urządzenie LED wykorzystujące układów scalonych ( obwodów scalonych LED ). Był to pierwszy inteligentny wyświetlacz LED i rewolucja w wyświetlaczy cyfrowych , zastępując lampę Nixie i stając się podstawą późniejszych wyświetlaczy LED.
W latach siedemdziesiątych firma Fairchild Optoelectronics wyprodukowała odnoszące sukcesy komercyjne urządzenia LED za mniej niż pięć centów za sztukę. Urządzenia te wykorzystywały złożone układy półprzewodnikowe wytwarzane w procesie planarnym (opracowanym przez Jeana Hoerniego ). Połączenie płaskiego przetwarzania do produkcji chipów i innowacyjnych metod pakowania umożliwiło zespołowi Fairchild kierowanemu przez pioniera optoelektroniki Thomasa Brandta osiągnięcie potrzebnych redukcji kosztów. Producenci diod LED nadal stosują te metody.
Wczesne czerwone diody LED były wystarczająco jasne tylko do użytku jako wskaźniki, ponieważ strumień świetlny nie był wystarczający do oświetlenia obszaru. Odczyty w kalkulatorach były tak małe, że nad każdą cyfrą zabudowano plastikowe soczewki, aby były czytelne. Później inne kolory stały się powszechnie dostępne i pojawiły się w urządzeniach i sprzęcie.
Wczesne diody LED były pakowane w metalowe obudowy podobne do tych z tranzystorów, ze szklanym okienkiem lub soczewką przepuszczającą światło. Nowoczesne diody sygnalizacyjne są pakowane w przezroczyste, formowane obudowy z tworzywa sztucznego, o kształcie rurowym lub prostokątnym, często przyciemniane w celu dopasowania do koloru urządzenia. Urządzenia na podczerwień mogą być barwione, aby blokować światło widzialne. Bardziej złożone pakiety zostały przystosowane do wydajnego odprowadzania ciepła w diodach LED dużej mocy . Diody LED montowane na powierzchni dodatkowo zmniejszają rozmiar opakowania. Diody LED przeznaczone do stosowania z światłowodowymi mogą być wyposażone w złącze optyczne.
Niebieska dioda LED
Pierwsza niebiesko-fioletowa dioda LED wykorzystująca azotek galu domieszkowany magnezem została wyprodukowana na Uniwersytecie Stanforda w 1972 roku przez Herba Maruska i Wally'ego Rhinesa, doktorantów inżynierii materiałowej. W tym czasie Maruska przebywała na urlopie w RCA Laboratories , gdzie współpracował z Jacquesem Pankove nad pokrewnymi pracami. W 1971 roku, rok po wyjeździe Maruski do Stanford, jego koledzy z RCA, Pankove i Ed Miller, zademonstrowali pierwszą niebieską elektroluminescencję z azotku galu domieszkowanego cynkiem, chociaż późniejsze urządzenie zbudowane przez Pankove i Millera, pierwsza rzeczywista dioda elektroluminescencyjna z azotku galu, emitowana zielone światło. W 1974 r. Urząd Patentowy Stanów Zjednoczonych przyznał profesorowi Maruska, Rhines i Stanford, Davidowi Stevensonowi, patent na ich pracę w 1972 r. (Patent USA US3819974 A ). Obecnie domieszkowanie magnezem azotku galu pozostaje podstawą wszystkich komercyjnych niebieskich diod LED i diod laserowych . We wczesnych latach siedemdziesiątych urządzenia te były zbyt słabe do praktycznego użytku, a badania nad urządzeniami z azotku galu zwolniły.
W sierpniu 1989 roku firma Cree wprowadziła pierwszą dostępną na rynku niebieską diodę LED opartą na półprzewodniku z pośrednim pasmem wzbronionym , węgliku krzemu (SiC). Diody SiC miały bardzo niską wydajność, nie większą niż około 0,03%, ale emitowały w niebieskiej części widma światła widzialnego.
Pod koniec lat 80. kluczowe przełomy w epitaksjalnym wzroście GaN i domieszkowaniu typu p zapoczątkowały współczesną erę urządzeń optoelektronicznych opartych na GaN . Opierając się na tym fundamencie, Theodore Moustakas z Uniwersytetu Bostońskiego opatentował w 1991 roku metodę produkcji niebieskich diod LED o wysokiej jasności przy użyciu nowego, dwuetapowego procesu.
Shuji Nakamura z Nichia Corporation zademonstrował niebieskie diody LED o wysokiej jasności, stosując proces wzrostu azotku galu. Równolegle Isamu Akasaki i Hiroshi Amano z Uniwersytetu Nagoya pracowali nad opracowaniem ważnego osadzania GaN na podłożach szafirowych i demonstracją domieszkowania GaN typu p . To nowe rozwiązanie zrewolucjonizowało oświetlenie LED, tworząc źródła niebieskiego światła o dużej mocy praktyczne, co doprowadziło do rozwoju technologii takich jak Blu-ray . [ potrzebne źródło ]
Za swój wynalazek Nakamura otrzymał nagrodę Millennium Technology Prize 2006. Nakamura, Hiroshi Amano i Isamu Akasaki otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2014 roku za wynalezienie niebieskiej diody LED. W 2015 roku amerykański sąd orzekł, że trzy firmy naruszyły wcześniejszy patent Moustakasa i nakazał im uiszczenie opłat licencyjnych w wysokości co najmniej 13 mln USD.
W 1995 roku Alberto Barbieri z Cardiff University Laboratory (Wielka Brytania) zbadał wydajność i niezawodność diod LED o wysokiej jasności i zademonstrował diodę LED z „przezroczystym kontaktem” wykorzystującą tlenek indu i cyny (ITO) na (AlGaInP / GaAs).
pomyślnie zademonstrowano procesy hodowli diod LED z azotku galu (GaN) na krzemie . W styczniu 2012 roku firma Osram zademonstrowała komercyjnie diody LED InGaN o dużej mocy hodowane na podłożach krzemowych, a diody LED GaN na krzemie są produkowane w firmie Plessey Semiconductors . Od 2017 roku niektórzy producenci używają SiC jako podłoża do produkcji diod LED, ale szafir jest bardziej powszechny, ponieważ ma najbardziej podobne właściwości do azotku galu, zmniejszając potrzebę modelowania płytki szafirowej (płytki wzorzyste są znane jako epi wafle). Samsunga , University of Cambridge i Toshiba prowadzą badania nad GaN na diodach Si LED. Toshiba wstrzymała badania, prawdopodobnie z powodu niskiej wydajności. Niektórzy wybierają epitaksję , która jest trudna w przypadku krzemu , podczas gdy inni, jak University of Cambridge, wybierają strukturę wielowarstwową, aby zmniejszyć niedopasowanie sieci (kryształów) i różne współczynniki rozszerzalności cieplnej, aby uniknąć pękania diody LED wiórów w wysokich temperaturach (np. podczas produkcji), zmniejszają wytwarzanie ciepła i zwiększają skuteczność świetlną. Wzornictwo podłoża szafirowego można przeprowadzić za pomocą litografii nanoimprint .
GaN-on-Si jest trudny, ale pożądany, ponieważ wykorzystuje istniejącą infrastrukturę do produkcji półprzewodników. Pozwala na pakowanie matryc LED na poziomie płytki, co skutkuje bardzo małymi opakowaniami LED.
GaN jest często osadzany przy użyciu metaloorganicznej epitaksji z fazy gazowej (MOCVD), a także wykorzystuje metodę Lift-off .
Białe diody i przełom w oświetleniu
Chociaż białe światło można wytworzyć za pomocą pojedynczych czerwonych, zielonych i niebieskich diod LED, powoduje to słabe oddawanie barw , ponieważ emitowane są tylko trzy wąskie pasma długości fal światła. Po osiągnięciu wysokiej wydajności niebieskich diod LED szybko opracowano pierwszą białą diodę LED . W tym urządzeniu luminoforowa z domieszką ceru Y
3 Al
5 O
12 : Ce (znana jako „ YAG ” lub Ce:YAG luminofor) wytwarza żółte światło poprzez fluorescencję . Połączenie tego żółtego z pozostałym niebieskim światłem wydaje się białe dla oka. Używanie różnych luminoforów wytwarza zielone i czerwone światło poprzez fluorescencję. Otrzymana mieszanina czerwieni, zieleni i błękitu jest postrzegana jako światło białe, z lepszym odwzorowaniem kolorów w porównaniu z długościami fali z kombinacji niebieskiej diody LED/YAG.
Pierwsze białe diody LED były drogie i nieefektywne. Strumień świetlny następnie wzrósł wykładniczo . Najnowsze badania i rozwój były propagowane przez japońskich producentów, takich jak Panasonic i Nichia , oraz przez koreańskich i chińskich producentów, takich jak Samsung , Solstice, Kingsun, Hoyol i innych. Ten trend zwiększonej produkcji został nazwany prawem Haitza na cześć Rolanda Haitza.
Wydajność świetlna i wydajność niebieskich i bliskich ultrafioletowych diod LED wzrosły, a koszt niezawodnych urządzeń spadł. Doprowadziło to do powstania diod LED emitujących białe światło o stosunkowo dużej mocy do oświetlenia, które zastępują oświetlenie żarowe i fluorescencyjne.
W 2014 roku wykazano, że eksperymentalne białe diody LED wytwarzają 303 lumenów na wat energii elektrycznej (lm / W); niektóre mogą trwać do 100 000 godzin. Dostępne na rynku diody LED mają skuteczność do 223 lm/W od 2018 r. Poprzedni rekord 135 lm/W został osiągnięty przez firmę Nichia w 2010 r. W porównaniu z żarówkami to ogromny wzrost wydajności elektrycznej i chociaż diody LED są droższe w zakupie, całkowity koszt eksploatacji jest znacznie niższy niż w przypadku żarówek.
Chip LED jest zamknięty w małej, plastikowej, białej formie. Może być hermetyzowany przy użyciu żywicy ( poliuretanu ), silikonu lub zawierającego epoksyd (sproszkowany) luminofor YAG domieszkowany cerem. Po odparowaniu rozpuszczalników diody LED są często testowane i umieszczane na taśmach do urządzeń do umieszczania SMT do użytku w produkcji żarówek LED. Hermetyzację przeprowadza się po sondowaniu, pokrojeniu w kostkę, przeniesieniu matrycy z płytki do opakowania i związaniu drutem lub zamontowaniu typu flip-chip, być może przy użyciu tlenku cyny indu , przezroczysty przewodnik elektryczny. W tym przypadku druty łączące są przymocowane do folii ITO, która została osadzona w diodach LED. Niektóre „zdalne luminoforowe” żarówki LED wykorzystują pojedynczą plastikową osłonę z luminoforem YAG dla kilku niebieskich diod LED, zamiast stosowania powłok luminoforowych na jednoukładowych białych diodach LED.
Temperatura luminoforu podczas pracy i sposób jego nakładania ograniczają rozmiar matrycy LED. Białe diody LED pakowane na poziomie wafla pozwalają na bardzo małe diody LED.
Fizyka wytwarzania i emisji światła
W diodzie elektroluminescencyjnej rekombinacja elektronów i dziur elektronowych w półprzewodniku wytwarza światło (podczerwień, światło widzialne lub UV), proces zwany „ elektroluminescencją ”. Długość fali światła zależy od pasma energetycznego zastosowanych półprzewodników. Ponieważ materiały te mają wysoki współczynnik załamania światła, do skutecznego emitowania światła wymagane są cechy konstrukcyjne urządzeń, takie jak specjalne powłoki optyczne i kształt matrycy.
W przeciwieństwie do lasera , światło emitowane przez diodę LED nie jest ani spójne spektralnie , ani nawet wysoce monochromatyczne . Jego widmo jest na tyle wąskie, że wydaje się ludzkiemu oku jako czysty ( nasycony ) kolor. Również w przeciwieństwie do większości laserów, jego promieniowanie nie jest spójne przestrzennie , więc nie może zbliżyć się do charakterystyki laserów o bardzo wysokim natężeniu .
Zabarwienie
Poprzez dobór różnych materiałów półprzewodnikowych można wytworzyć jednokolorowe diody LED, które emitują światło w wąskim paśmie długości fal od bliskiej podczerwieni, poprzez widmo widzialne, do zakresu ultrafioletowego. Gdy długości fal stają się krótsze, ze względu na większe pasmo wzbronione tych półprzewodników, napięcie robocze diody LED wzrasta.
Niebieski i ultrafiolet
 | |
| Zewnętrzne wideo | |
|---|---|
 „The Original Blue LED” , Instytut Historii Nauki
|
Niebieskie diody LED mają aktywny obszar składający się z jednej lub więcej studni kwantowych InGaN umieszczonych pomiędzy grubszymi warstwami GaN, zwanymi warstwami okładzin. Zmieniając względną frakcję In/Ga w studniach kwantowych InGaN, emisję światła można teoretycznie zmieniać od fioletowej do bursztynowej.
Azotek glinowo-galowy (AlGaN) o różnej frakcji Al/Ga może być wykorzystany do produkcji okładzin i warstw studni kwantowych dla ultrafioletowych diod LED, ale urządzenia te nie osiągnęły jeszcze poziomu wydajności i dojrzałości technologicznej urządzeń InGaN/GaN blue/green. Jeśli w tym przypadku do utworzenia aktywnych warstw studni kwantowych zostanie użyty niestopowy GaN, urządzenie emituje światło bliskie ultrafioletowi o maksymalnej długości fali skupionej wokół 365 nm. Zielone diody LED wyprodukowane z układu InGaN/GaN są znacznie bardziej wydajne i jaśniejsze niż zielone diody LED wyprodukowane z układów materiałów nieazotowanych, ale praktyczne urządzenia nadal wykazują wydajność zbyt niską do zastosowań o wysokiej jasności. [ potrzebne źródło ]
Dzięki AlGaN i AlGaInN możliwe jest osiągnięcie nawet krótszych długości fal. Emitery bliskiego UV o długości fali około 360–395 nm są już tanie i często spotykane, na przykład jako czarnego światła do kontroli znaków wodnych UV zapobiegających fałszerstwom na dokumentach i banknotach oraz do utwardzania promieniowaniem UV . Znacznie droższe diody o krótszej długości fali są dostępne w handlu dla długości fal do 240 nm. Ponieważ światłoczułość mikroorganizmów w przybliżeniu odpowiada widmu absorpcji DNA , z pikiem przy około 260 nm, oczekuje się, że w przyszłych urządzeniach do dezynfekcji i sterylizacji diody UV będą emitować przy 250–270 nm. Ostatnie badania wykazały, że dostępne na rynku diody UVA (365 nm) są już skutecznymi urządzeniami do dezynfekcji i sterylizacji. Długości fal UV-C uzyskano w laboratoriach stosując azotek glinu (210 nm), azotek boru (215 nm) i diament (235 nm).
Biały
Istnieją dwa podstawowe sposoby wytwarzania białych diod elektroluminescencyjnych. Jednym z nich jest użycie pojedynczych diod LED, które emitują trzy podstawowe kolory — czerwony, zielony i niebieski — a następnie mieszają wszystkie kolory, tworząc światło białe. Drugim jest użycie materiału luminoforowego do konwersji światła monochromatycznego z niebieskiej lub UV LED na światło białe o szerokim spektrum, podobnie jak lampa fluorescencyjna . Żółty luminofor to domieszkowane cerem kryształy YAG zawieszone w opakowaniu lub powlekane na diodzie LED. Ten luminofor YAG powoduje, że białe diody LED wydają się żółte, gdy są wyłączone, a przestrzeń między kryształami pozwala na przejście niebieskiego światła w diodach LED z częściową konwersją luminoforu. Alternatywnie, białe diody LED mogą wykorzystywać inne luminofory, takie jak domieszkowane manganem (IV). fluorokrzemian potasu (PFS) lub inne modyfikowane luminofory. PFS pomaga w generowaniu światła czerwonego i jest używany w połączeniu z konwencjonalnym luminoforem Ce:YAG. W diodach LED z luminoforem PFS część światła niebieskiego przechodzi przez luminofory, luminofor Ce:YAG przekształca światło niebieskie w światło zielone i czerwone (żółte), a luminofor PFS przekształca światło niebieskie w światło czerwone. Barwę, widmo emisji lub temperaturę barwową białych diod LED z konwersją luminoforu i innych diod LED z konwersją luminoforu można kontrolować, zmieniając stężenie kilku luminoforów, które tworzą mieszankę luminoforu stosowaną w pakiecie LED.
„Białość” wytwarzanego światła jest dostosowana do ludzkiego oka. Ze względu na metameryzm możliwe jest posiadanie zupełnie różnych widm, które wydają się białe. Wygląd obiektów oświetlonych tym światłem może się zmieniać wraz ze zmianą widma. Jest to kwestia oddawania barw, zupełnie oddzielona od temperatury barwowej. Pomarańczowy lub cyjanowy przedmiot może pojawić się w niewłaściwym kolorze i znacznie ciemniejszy, ponieważ dioda LED lub luminofor nie emitują długości fali, którą odbijają. Diody LED o najlepszym odwzorowaniu kolorów wykorzystują mieszankę luminoforów, co skutkuje mniejszą wydajnością i lepszym oddawaniem kolorów. [ potrzebne źródło ]
Pierwsze białe diody elektroluminescencyjne (LED) pojawiły się w sprzedaży jesienią 1996 roku.
systemy RGB
Mieszanie źródeł czerwonego, zielonego i niebieskiego w celu wytworzenia światła białego wymaga obwodów elektronicznych do kontrolowania mieszania kolorów. Ponieważ diody LED mają nieco inne wzorce emisji, balans kolorów może się zmieniać w zależności od kąta patrzenia, nawet jeśli źródła RGB znajdują się w jednym opakowaniu, dlatego diody RGB są rzadko używane do wytwarzania białego światła. Niemniej jednak ta metoda ma wiele zastosowań ze względu na elastyczność mieszania różnych kolorów, aw zasadzie mechanizm ten ma również wyższą wydajność kwantową w wytwarzaniu światła białego.
Istnieje kilka typów wielokolorowych białych diod LED: di- , tri- i tetrachromatyczne białe diody LED. Kilka kluczowych czynników, które mają wpływ na te różne metody, to stabilność kolorów, oddawania barw i skuteczność świetlna. Często wyższa wydajność oznacza niższe oddawanie barw, co stanowi kompromis między skutecznością świetlną a oddawaniem barw. Na przykład dichromatyczne białe diody LED mają najlepszą skuteczność świetlną (120 lm/W), ale najniższą zdolność oddawania barw. Chociaż tetrachromatyczne białe diody LED mają doskonałe zdolności oddawania barw, często mają słabą skuteczność świetlną. Pomiędzy nimi znajdują się trójchromatyczne białe diody LED, które charakteryzują się zarówno dobrą skutecznością świetlną (>70 lm/W), jak i dobrym odwzorowaniem kolorów.
Jednym z wyzwań jest opracowanie bardziej wydajnych zielonych diod LED. Teoretyczne maksimum dla zielonych diod LED to 683 lumenów na wat, ale od 2010 roku niewiele zielonych diod LED przekracza nawet 100 lumenów na wat. Niebieskie i czerwone diody LED zbliżają się do swoich teoretycznych granic. [ potrzebne źródło ]
Wielokolorowe diody LED umożliwiają tworzenie światła o różnych kolorach. Większość dostrzegalnych kolorów można uzyskać, mieszając różne ilości trzech kolorów podstawowych. Pozwala to na precyzyjną dynamiczną kontrolę kolorów. Ich moc emisji maleje wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury, co powoduje znaczną zmianę stabilności koloru. Takie problemy utrudniają zastosowanie przemysłowe. Wielokolorowe diody LED bez luminoforów nie zapewniają dobrego oddawania barw, ponieważ każda dioda LED jest źródłem wąskopasmowym. Diody LED bez luminoforu, choć są uboższym rozwiązaniem do oświetlenia ogólnego, są najlepszym rozwiązaniem dla wyświetlaczy, czy to z podświetleniem LCD, czy też z pikselami opartymi bezpośrednio na diodach LED.
Przyciemnianie wielokolorowego źródła LED w celu dopasowania do charakterystyki żarówek jest trudne, ponieważ zmiany produkcyjne, wiek i temperatura zmieniają rzeczywistą wyjściową wartość koloru. Aby naśladować wygląd ściemniających się żarówek, może być wymagany system sprzężenia zwrotnego z czujnikiem koloru, który aktywnie monitoruje i kontroluje kolor.
Diody LED na bazie fosforu
Metoda ta polega na powlekaniu diod LED jednego koloru (głównie diody niebieskie wykonane z InGaN ) luminoforami o różnych kolorach w celu wytworzenia światła białego; powstałe diody LED nazywane są białymi diodami LED na bazie luminoforu lub konwertowanymi na luminofor (pcLED). Ułamek niebieskiego światła przechodzi przesunięcie Stokesa, które przekształca je z krótszych fal na dłuższe. W zależności od oryginalnego koloru diody LED stosowane są różne kolorowe luminofory. Zastosowanie kilku warstw luminoforu o różnych barwach poszerza emitowane widmo, skutecznie podnosząc współczynnik oddawania barw (CRI).
Diody LED na bazie luminoforu mają straty wydajności z powodu utraty ciepła w wyniku przesunięcia Stokesa , a także innych problemów związanych z luminoforem. Ich skuteczność świetlna w porównaniu ze zwykłymi diodami LED zależy od rozkładu widmowego wyjściowego strumienia świetlnego i pierwotnej długości fali samej diody LED. Na przykład skuteczność świetlna typowej białej diody LED opartej na żółtym luminoforze YAG waha się od 3 do 5 razy od skuteczności świetlnej oryginalnej niebieskiej diody LED ze względu na większą wrażliwość ludzkiego oka na żółtą niż na niebieską (zgodnie z modelem funkcji jasności ). Ze względu na prostotę produkcji metoda luminoforowa jest nadal najpopularniejszą metodą wytwarzania białych diod LED o dużej intensywności. Projektowanie i produkcja źródła światła lub oprawy oświetleniowej z monochromatycznym emiterem z konwersją luminoforu jest prostsze i tańsze niż złożony RGB , a większość obecnie dostępnych na rynku białych diod LED o wysokiej intensywności jest wytwarzana z wykorzystaniem konwersji światła luminoforu. [ potrzebne źródło ]
Jednym z wyzwań stojących przed poprawą wydajności źródeł światła białego opartych na diodach LED jest opracowanie bardziej wydajnych luminoforów. Od 2010 r. Najbardziej wydajnym żółtym luminoforem jest nadal luminofor YAG, z mniej niż 10% utratą przesunięcia Stokesa. Straty związane z wewnętrznymi stratami optycznymi wynikającymi z ponownej absorpcji w chipie LED i w samej obudowie LED stanowią zwykle kolejne 10% do 30% utraty wydajności. Obecnie w obszarze rozwoju luminoforowych diod LED wiele wysiłku poświęca się optymalizacji tych urządzeń pod kątem większej mocy świetlnej i wyższych temperatur pracy. Na przykład wydajność można zwiększyć, dostosowując lepszy projekt opakowania lub stosując bardziej odpowiedni rodzaj luminoforu. Proces powlekania konforemnego jest często stosowany w celu rozwiązania problemu różnej grubości luminoforu. [ potrzebne źródło ]
Niektóre białe diody LED na bazie luminoforu zawierają niebieskie diody InGaN w powleczonej luminoforem żywicy epoksydowej. Alternatywnie, dioda LED może być sparowana ze zdalnym luminoforem, wstępnie uformowanym kawałkiem poliwęglanu pokrytym materiałem luminoforowym. Zdalne luminofory zapewniają bardziej rozproszone światło, co jest pożądane w wielu zastosowaniach. Projekty zdalnych luminoforów są również bardziej tolerancyjne na zmiany widma emisji LED. Typowym żółtym materiałem luminoforowym jest cer - domieszkowany granat itrowo-aluminiowy (Ce 3+ : YAG). [ potrzebne źródło ]
Białe diody LED można również wytwarzać przez powlekanie diod LED bliskiego ultrafioletu (NUV) mieszanką wysokowydajnych luminoforów na bazie europu , które emitują kolor czerwony i niebieski, oraz siarczku cynku domieszkowanego miedzią i glinem (ZnS:Cu, Al), który emituje światło zielone . Jest to metoda analogiczna do sposobu działania lamp fluorescencyjnych praca. Ta metoda jest mniej wydajna niż niebieskie diody LED z luminoforem YAG: Ce, ponieważ przesunięcie Stokesa jest większe, więc więcej energii jest przekształcane w ciepło, ale daje światło o lepszych właściwościach widmowych, które lepiej odwzorowują kolor. Ze względu na wyższą moc promieniowania ultrafioletowych diod LED niż niebieskich, obie metody zapewniają porównywalną jasność. Istnieje obawa, że światło UV może wyciekać z wadliwego źródła światła i powodować uszkodzenia oczu lub skóry.
Inne białe diody LED
Inna metoda zastosowana do produkcji eksperymentalnych diod LED światła białego nie wykorzystywała w ogóle luminoforów i opierała się na hodowanym homoepitaksjalnie selenku cynku (ZnSe) na podłożu ZnSe, które jednocześnie emitowało niebieskie światło z obszaru aktywnego i żółte światło z podłoża.
Nowy rodzaj płytek składających się z azotku galu na krzemie (GaN-on-Si) jest używany do produkcji białych diod LED przy użyciu płytek krzemowych o średnicy 200 mm. Pozwala to uniknąć typowego, kosztownego szafirowego podłoża w stosunkowo małych płytkach o średnicy 100 lub 150 mm. Aparat szafirowy musi być połączony z lustrzanym kolektorem, aby odbijać światło, które w przeciwnym razie zostałoby zmarnowane. Przewidywano, że od 2020 roku 40% wszystkich diod GaN wykonanych jest z GaN-on-Si. Wytwarzanie dużego materiału szafirowego jest trudne, podczas gdy duży materiał krzemowy jest tańszy i występuje w większej ilości. Firmy LED przechodzące z szafiru na krzem powinny być inwestycją minimalną.
Organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED)
W organicznej diodzie elektroluminescencyjnej ( OLED ) materiałem elektroluminescencyjnym tworzącym warstwę emisyjną diody jest związek organiczny . Materiał organiczny przewodzi prąd elektryczny ze względu na delokalizację elektronów pi spowodowaną koniugacją na całej lub części cząsteczki, a zatem materiał ten działa jako organiczny półprzewodnik . Materiały organiczne mogą być małymi cząsteczkami organicznymi w fazie krystalicznej lub polimerami .
Potencjalne zalety diod OLED obejmują cienkie, niedrogie wyświetlacze o niskim napięciu sterującym, szerokim kącie widzenia oraz wysokim kontraście i gamie kolorów . Polimerowe diody LED mają dodatkową zaletę w postaci drukowalnych i elastycznych wyświetlaczy. Diody OLED były używane do tworzenia wizualnych wyświetlaczy przenośnych urządzeń elektronicznych, takich jak telefony komórkowe, aparaty cyfrowe, oświetlenie i telewizory.
typy
Diody LED są produkowane w różnych pakietach do różnych zastosowań. Pojedyncze lub kilka złączy LED można zmieścić w jednym miniaturowym urządzeniu do wykorzystania jako wskaźnik lub lampka kontrolna. Tablica LED może zawierać obwody sterujące w tym samym pakiecie, które mogą obejmować prosty rezystor, sterowanie miganiem lub zmianą koloru lub adresowalny kontroler dla urządzeń RGB. Urządzenia emitujące światło białe o większej mocy zostaną zamontowane na radiatorach i posłużą do oświetlenia. Powszechnie dostępne są wyświetlacze alfanumeryczne w formacie igłowym lub słupkowym. Specjalne pakiety umożliwiają podłączenie diod LED do światłowodów w celu uzyskania szybkich łączy transmisji danych.
Miniaturowy
Są to głównie diody LED z pojedynczą matrycą, używane jako wskaźniki, i są dostępne w różnych rozmiarach od 2 mm do 8 mm, w pakietach do montażu przelotowego i powierzchniowego . Typowe wartości znamionowe prądu wahają się od około 1 mA do ponad 20 mA. Wiele matryc LED przymocowanych do elastycznej taśmy nośnej tworzy pasek świetlny LED . [ potrzebne źródło ]
Typowe kształty opakowań obejmują okrągłe, z kopułą lub płaską górą, prostokątne z płaską górą (jak w przypadku wyświetlaczy z wykresami słupkowymi) oraz trójkątne lub kwadratowe z płaską górą. Hermetyzacja może być również przezroczysta lub zabarwiona w celu poprawy kontrastu i kąta widzenia. Urządzenia na podczerwień mogą mieć czarny odcień, który blokuje światło widzialne podczas przepuszczania promieniowania podczerwonego. [ potrzebne źródło ]
Diody LED o ultrawysokiej mocy wyjściowej są przeznaczone do oglądania w bezpośrednim świetle słonecznym. [ potrzebne źródło ]
Diody LED 5 V i 12 V to zwykłe miniaturowe diody LED, które mają rezystor szeregowy do bezpośredniego podłączenia do zasilania 5 V lub 12 V. [ potrzebne źródło ]
Wysoka moc
.jpg)
Diody LED dużej mocy (HP-LED) lub diody LED dużej mocy (HO-LED) mogą być zasilane prądem od setek mA do ponad 1 ampera, w porównaniu z dziesiątkami mA dla innych diod LED. Niektóre mogą emitować ponad tysiąc lumenów. Osiągnięto gęstość mocy LED do 300 W/cm2 . Ponieważ przegrzanie jest niszczące, diody HP-LED muszą być zamontowane na radiatorze, aby umożliwić rozpraszanie ciepła. Jeśli ciepło z HP-LED nie zostanie usunięte, urządzenie ulegnie awarii w ciągu kilku sekund. Jedna HP-LED często może zastąpić żarówkę w latarce lub być ustawiona w szereg, tworząc potężną lampę LED .
Niektóre dobrze znane diody LED HP w tej kategorii to seria Nichia 19, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon i Cree X-lamp. Od września 2009 r. niektóre diody HP-LED produkowane przez firmę Cree przekraczają 105 lm/W.
Przykładami prawa Haitza — które przewiduje wykładniczy wzrost strumienia świetlnego i skuteczności diod LED w czasie — są diody LED z serii CREE XP-G, które osiągnęły 105 lm /W w 2009 r. W, wydany w 2010 roku.
Napędzany prądem zmiennym
Diody LED opracowane przez Seoul Semiconductor mogą działać na zasilaniu prądem zmiennym bez konwertera prądu stałego. W każdym półokresie część diody LED emituje światło, a część jest ciemna, a w następnym półokresie sytuacja jest odwrócona. Wydajność tego typu HP-LED wynosi typowo 40 lm/W. Duża liczba elementów LED połączonych szeregowo może działać bezpośrednio z napięcia sieciowego. W 2009 roku firma Seoul Semiconductor wypuściła diodę LED wysokiego napięcia prądu stałego, nazwaną „Acrich MJT”, którą można zasilać prądem przemiennym za pomocą prostego obwodu sterującego. Niskie rozpraszanie mocy tych diod LED zapewnia im większą elastyczność niż oryginalna konstrukcja AC LED.
Odmiany specyficzne dla aplikacji
Błyskowy
Migające diody LED służą jako wskaźniki przyciągające uwagę bez konieczności stosowania zewnętrznej elektroniki. Migające diody LED przypominają standardowe diody LED, ale zawierają zintegrowany regulator napięcia oraz obwód multiwibratora , który powoduje, że dioda LED miga z typowym okresem jednej sekundy. W diodach LED z soczewkami rozproszonymi obwód ten jest widoczny jako mała czarna kropka. Większość migających diod LED emituje światło jednego koloru, ale bardziej wyrafinowane urządzenia mogą migać między wieloma kolorami, a nawet przechodzić przez sekwencję kolorów za pomocą mieszania kolorów RGB. Migające diody LED SMD w rozmiarze 0805 i innych formatach są dostępne od początku 2019 roku.
Dwubarwny
Dwukolorowe diody LED zawierają dwa różne emitery LED w jednej obudowie. Istnieją dwa ich rodzaje. Jeden typ składa się z dwóch matryc połączonych z tymi samymi dwoma przewodami przeciwrównoległymi do siebie. Prąd płynący w jednym kierunku emituje jeden kolor, a prąd płynący w przeciwnym kierunku emituje drugi kolor. Drugi typ składa się z dwóch matryc z oddzielnymi przewodami dla obu matryc i innego przewodu dla wspólnej anody lub katody, dzięki czemu można nimi sterować niezależnie. Najczęstszą kombinacją dwukolorową jest czerwień/tradycyjna zieleń . Inne to bursztynowy/tradycyjny zielony, czerwony/czysta zieleń, czerwony/niebieski i niebieski/czysta zieleń.
Trójkolorowy RGB
Trójkolorowe diody LED zawierają trzy różne emitery LED w jednej obudowie. Każdy emiter jest podłączony do oddzielnego przewodu, dzięki czemu można nimi sterować niezależnie. Typowy jest układ czteroprzewodowy z jednym wspólnym przewodem (anodą lub katodą) i dodatkowym przewodem dla każdego koloru. Inne mają tylko dwa wyprowadzenia (dodatni i ujemny) i mają wbudowany sterownik elektroniczny.
RGB składają się z jednej czerwonej, jednej zielonej i jednej niebieskiej diody LED. Dzięki niezależnej regulacji każdego z trzech, diody LED RGB są w stanie wytworzyć szeroką gamę kolorów. W przeciwieństwie do diod LED o dedykowanych kolorach, nie wytwarzają one czystych długości fal. Moduły mogą nie być zoptymalizowane pod kątem płynnego mieszania kolorów.
Dekoracyjno-wielokolorowy
Dekoracyjne wielokolorowe diody LED zawierają kilka emiterów o różnych kolorach, zasilanych tylko dwoma przewodami wyprowadzającymi. Kolory są przełączane wewnętrznie poprzez zmianę napięcia zasilania.
alfanumeryczne
Alfanumeryczne diody LED są dostępne w formacie siedmiosegmentowym , starburst i igłowym . Wyświetlacze siedmiosegmentowe obsługują wszystkie cyfry i ograniczony zestaw liter. Wyświetlacze Starburst mogą wyświetlać wszystkie litery. Wyświetlacze z matrycą punktową zwykle używają 5 × 7 pikseli na znak. Siedmiosegmentowe wyświetlacze LED były szeroko stosowane w latach 70. i 80. XX wieku, ale rosnące wykorzystanie wyświetlaczy ciekłokrystalicznych , z ich mniejszym zapotrzebowaniem na energię i większą elastycznością wyświetlania, zmniejszyło popularność numerycznych i alfanumerycznych wyświetlaczy LED.
Cyfrowe RGB
Cyfrowe adresowalne diody LED RGB zawierają własną „inteligentną” elektronikę sterującą. Oprócz zasilania i uziemienia zapewniają one połączenia dla wejścia danych, wyjścia danych, zegara, a czasami sygnału strobującego. Są one połączone łańcuchowo . Dane wysyłane do pierwszej diody LED w łańcuchu mogą sterować jasnością i kolorem każdej diody LED niezależnie od pozostałych. Stosowane są tam, gdzie potrzebne jest połączenie maksymalnej kontroli z minimalną widoczną elektroniką, jak np. sznurki świąteczne czy matryce LED. Niektóre mają nawet częstotliwości odświeżania w zakresie kHz, co pozwala na podstawowe aplikacje wideo. Urządzenia te są znane z numeru katalogowego (często spotyka się WS2812) lub nazwy marki, takiej jak NeoPixel .
Włókno
Włókno LED składa się z wielu chipów LED połączonych szeregowo na wspólnym podłużnym podłożu, które tworzy cienki pręt przypominający tradycyjny żarnik. Są one używane jako tania, dekoracyjna alternatywa dla tradycyjnych żarówek, które są wycofywane w wielu krajach. Włókna wykorzystują dość wysokie napięcie, co pozwala im wydajnie pracować z napięciami sieciowymi. Często prosty prostownik i pojemnościowy ogranicznik prądu są wykorzystywane do stworzenia taniego zamiennika tradycyjnej żarówki bez złożoności niskonapięciowego konwertera wysokoprądowego, którego potrzebują diody LED z pojedynczą matrycą. Zwykle są one pakowane w żarówki podobne do lamp, które miały zastąpić, i wypełnione gazem obojętnym pod ciśnieniem nieco niższym niż ciśnienie otoczenia, aby skutecznie odprowadzać ciepło i zapobiegać korozji.
Macierze chip-on-board
Diody LED do montażu powierzchniowego są często produkowane w układach chip on board (COB), co pozwala na lepsze odprowadzanie ciepła niż w przypadku pojedynczej diody LED o porównywalnej mocy świetlnej. Diody LED mogą być rozmieszczone wokół cylindra i nazywane są „światłami z kolb kukurydzy” ze względu na rzędy żółtych diod LED.
Uwagi dotyczące użytkowania
Źródła energii
Prąd w diodzie LED lub innych diodach rośnie wykładniczo wraz z przyłożonym napięciem (patrz równanie diody Shockleya ), więc niewielka zmiana napięcia może spowodować dużą zmianę prądu. Prąd przepływający przez diodę LED musi być regulowany przez obwód zewnętrzny, taki jak prądu stałego , aby zapobiec uszkodzeniu. Ponieważ większość popularnych zasilaczy to (prawie) źródła o stałym napięciu, oprawy LED muszą zawierać konwerter mocy lub przynajmniej rezystor ograniczający prąd. W niektórych zastosowaniach rezystancja wewnętrzna małych baterii jest wystarczająca, aby utrzymać prąd w zakresie znamionowym diody LED. [ potrzebne źródło ]
Polaryzacja elektryczna
W przeciwieństwie do tradycyjnej żarówki, dioda LED zaświeci się tylko wtedy, gdy napięcie zostanie przyłożone w kierunku do przodu diody. Żaden prąd nie płynie i żadne światło nie jest emitowane, jeśli napięcie jest przyłożone w odwrotnym kierunku. Jeśli napięcie wsteczne przekroczy napięcie przebicia , które zazwyczaj wynosi setki woltów, popłynie duży prąd i dioda LED ulegnie uszkodzeniu. Jeśli prąd wsteczny jest wystarczająco ograniczony, aby uniknąć uszkodzenia, dioda LED przewodząca w odwrotnym kierunku jest użyteczną diodą szumową . [ potrzebne źródło ]
Z definicji pasmo wzbronione energii dowolnej diody jest wyższe, gdy jest ona spolaryzowana zaporowo w stosunku do polaryzacji przewodzącej. Ponieważ energia pasma wzbronionego określa długość fali emitowanego światła, kolor nie może być taki sam, gdy jest spolaryzowany zaporowo. Odwrotne napięcie przebicia jest wystarczająco wysokie, aby emitowana długość fali nie mogła być wystarczająco podobna, aby nadal była widoczna. Chociaż istnieją zestawy z dwiema diodami LED, które zawierają diody LED o różnych kolorach w każdym kierunku, nie oczekuje się, że pojedyncza dioda LED może emitować światło widzialne, gdy jest spolaryzowana zaporowo. [ potrzebne źródło ]
Nie wiadomo, czy może istnieć jakakolwiek dioda Zenera, która emituje światło tylko w trybie polaryzacji wstecznej. Wyjątkowo, ten typ diody LED przewodziłby po podłączeniu odwrotnie.
Bezpieczeństwo i zdrowie
Niektóre niebieskie diody LED i chłodnobiałe diody LED mogą przekraczać bezpieczne granice tak zwanego zagrożenia światłem niebieskim, określone w specyfikacjach bezpieczeństwa oczu, takich jak „ANSI / IESNA RP-27.1–05: Zalecana praktyka dotycząca bezpieczeństwa fotobiologicznego lamp i systemów lampowych” . Jedno badanie nie wykazało ryzyka w normalnym użytkowaniu przy oświetleniu domowym, a ostrożność jest potrzebna tylko w określonych sytuacjach zawodowych lub w określonych populacjach. W 2006 roku Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna opublikowała normę IEC 62471 Bezpieczeństwo fotobiologiczne lamp i systemów lampowych , zastępując stosowanie wczesnych norm zorientowanych na laser do klasyfikacji źródeł LED.
Chociaż diody LED mają tę przewagę nad lampami fluorescencyjnymi , że nie zawierają rtęci , mogą zawierać inne niebezpieczne metale, takie jak ołów i arsen .
W 2016 roku American Medical Association (AMA) wydało oświadczenie dotyczące możliwego niekorzystnego wpływu niebieskawego oświetlenia ulicznego na cykl snu i czuwania mieszkańców miast. Krytycy branżowi twierdzą, że poziomy narażenia nie są wystarczająco wysokie, aby przyniosły zauważalny efekt.
Zalety
- Wydajność: Diody LED emitują więcej lumenów na wat niż tradycyjne żarówki. Na efektywność opraw oświetleniowych LED nie ma wpływu kształt i rozmiar, w przeciwieństwie do świetlówek czy świetlówek.
- Kolor: diody LED mogą emitować światło o zamierzonym kolorze bez stosowania filtrów kolorów, jak wymagają tego tradycyjne metody oświetlenia. Jest to bardziej wydajne i może obniżyć koszty początkowe.
- Rozmiar: diody LED mogą być bardzo małe (mniejsze niż 2 mm 2 ) i można je łatwo przymocować do płytek drukowanych.
- Czas włączenia: diody LED zapalają się bardzo szybko. Typowa czerwona dioda LED osiąga pełną jasność w mniej niż mikrosekundę . Diody LED stosowane w urządzeniach komunikacyjnych mogą charakteryzować się jeszcze krótszym czasem reakcji.
- Jazda na rowerze: Diody LED są idealne do zastosowań podlegających częstym cyklom włączania i wyłączania, w przeciwieństwie do żarówek i lamp fluorescencyjnych, które ulegają szybszemu uszkodzeniu przy częstym przełączaniu, lub lamp wyładowczych o dużej intensywności (lampy HID), które wymagają długiego czasu przed ponownym uruchomieniem.
- Ściemnianie: Diody LED można bardzo łatwo ściemniać poprzez modulację szerokości impulsu lub obniżając prąd przewodzenia. Ta modulacja szerokości impulsu jest powodem, dla którego światła LED, zwłaszcza reflektory samochodów, gdy są oglądane przez kamerę lub przez niektóre osoby, wydają się migać lub migotać. Jest to rodzaj efektu stroboskopowego .
- Chłodne światło: w przeciwieństwie do większości źródeł światła, diody LED emitują bardzo mało ciepła w postaci podczerwieni, które może uszkodzić delikatne przedmioty lub tkaniny. Zmarnowana energia jest rozpraszana w postaci ciepła przez podstawę diody LED.
- Powolna awaria: diody LED psują się głównie w wyniku ściemniania w miarę upływu czasu, a nie nagłej awarii żarówek.
- Żywotność: diody LED mogą mieć stosunkowo długą żywotność. W jednym raporcie szacuje się, że okres użytkowania wynosi od 35 000 do 50 000 godzin, chociaż czas do całkowitej awarii może być krótszy lub dłuższy. Lampy fluorescencyjne są zazwyczaj oceniane na około 10 000 do 25 000 godzin, w zależności częściowo od warunków użytkowania, a żarówki na 1000 do 2000 godzin. Kilka DOE wykazało, że zmniejszone koszty konserwacji wynikające z tak wydłużonej żywotności, a nie oszczędność energii, są głównym czynnikiem określającym okres zwrotu z inwestycji w produkt LED.
- Odporność na wstrząsy: diody LED, jako elementy półprzewodnikowe, są trudne do uszkodzenia w wyniku wstrząsów zewnętrznych, w przeciwieństwie do świetlówek i żarówek, które są delikatne.
- Ostrość: Solidna obudowa diody LED może być zaprojektowana tak, aby skupiała światło. Źródła żarowe i fluorescencyjne często wymagają zewnętrznego odbłyśnika do zbierania światła i kierowania go w użyteczny sposób. W przypadku większych zestawów diod LED o całkowitym wewnętrznym odbiciu (TIR) są często używane w tym samym celu. Gdy potrzebne są duże ilości światła, zwykle stosuje się wiele źródeł światła, które są trudne do skupienia lub skolimowania na tym samym celu.
Niedogodności
- Zależność od temperatury: wydajność diod LED w dużej mierze zależy od temperatury otoczenia w środowisku pracy – lub od właściwości zarządzania termicznego. Przesterowanie diody LED w wysokich temperaturach otoczenia może spowodować przegrzanie obudowy diody LED, ostatecznie prowadząc do awarii urządzenia. Do utrzymania długiej żywotności potrzebny jest odpowiedni radiator . Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach motoryzacyjnych, medycznych i wojskowych, gdzie urządzenia muszą działać w szerokim zakresie temperatur i wymagają niskiego wskaźnika awaryjności.
- Wrażliwość na napięcie: diody LED muszą być zasilane napięciem powyżej ich napięcia progowego i prądem poniżej ich wartości znamionowej. Prąd i żywotność zmieniają się znacznie przy niewielkiej zmianie przyłożonego napięcia. Wymagają zatem zasilania z regulacją prądu (zwykle tylko szeregowego rezystora dla diod wskaźnikowych).
- Odwzorowanie kolorów: Widmo większości zimnobiałych diod LED znacznie różni się od promienników ciała doskonale czarnego , takich jak słońce lub światło żarowe. Skok przy 460 nm i spadek przy 500 nm mogą sprawić, że kolor obiektów będzie wyglądał inaczej w oświetleniu chłodnobiałym diodami LED niż w świetle słonecznym lub źródłach żarowych, ze względu na metameryzm , przy czym czerwone powierzchnie są szczególnie słabo renderowane przez typowe chłodnobiałe diody LED na bazie luminoforu. To samo dotyczy zielonych powierzchni. Jakość oddawania barw przez diody LED jest mierzona za pomocą wskaźnika oddawania barw (CRI) .
- Obszarowe źródło światła: Pojedyncze diody LED nie przybliżają punktowego źródła światła, dając kulisty rozkład światła, ale raczej rozkład lambertowski . Tak więc diody LED są trudne do zastosowania w zastosowaniach wymagających sferycznego pola świetlnego. Różnymi polami światła można manipulować, stosując różne optyki lub „soczewki”. Diody LED nie mogą zapewnić rozbieżności poniżej kilku stopni.
- Zanieczyszczenie światłem : ponieważ białe diody LED emitują więcej światła o krótkiej długości fali niż źródła takie jak wysokoprężne lampy sodowe , zwiększona czułość widzenia skotopowego w zakresie niebieskiego i zielonego oznacza, że białe diody LED stosowane w oświetleniu zewnętrznym powodują znacznie większą poświatę nieba .
- Spadek wydajności : Wydajność diod LED maleje wraz ze wzrostem prądu elektrycznego . Ogrzewanie wzrasta również przy wyższych prądach, co zagraża żywotności diod LED. Efekty te nakładają praktyczne ograniczenia na prąd płynący przez diodę LED w zastosowaniach o dużej mocy.
- Wpływ na dziką przyrodę: diody LED są znacznie bardziej atrakcyjne dla owadów niż lampy sodowe, do tego stopnia, że pojawiły się spekulacje na temat możliwości zakłócenia sieci pokarmowych . Oświetlenie LED w pobliżu plaż, szczególnie intensywne kolory niebieski i biały, może dezorientować pisklęta żółwi i sprawić, że będą wędrować w głąb lądu. Grupy konserwatorskie zachęcają do stosowania diod LED „bezpiecznych dla żółwi”, które emitują tylko w wąskich częściach widma widzialnego, w celu zmniejszenia szkód.
- Używanie w warunkach zimowych: Ponieważ nie wydzielają dużo ciepła w porównaniu do żarówek, światła LED używane do sterowania ruchem mogą zasłaniać je śniegiem, co prowadzi do wypadków.
- Ucieczka termiczna: równoległe ciągi diod LED nie będą dzielić prądu równomiernie ze względu na tolerancje produkcyjne w ich napięciu przewodzenia. Uruchomienie dwóch lub więcej łańcuchów z jednego źródła prądu może spowodować awarię diod LED w miarę nagrzewania się urządzeń. Jeśli kategoryzowanie napięcia przewodzenia nie jest możliwe, wymagany jest obwód zapewniający równomierny rozkład prądu między równoległymi pasmami.
Aplikacje
Zastosowania LED można podzielić na pięć głównych kategorii:
- Sygnały wizualne, w których światło przechodzi mniej więcej bezpośrednio ze źródła do ludzkiego oka, aby przekazać wiadomość lub znaczenie
- Oświetlenie , w którym światło odbija się od przedmiotów, aby dać wizualną reakcję tych obiektów
- Mierzenie i interakcja z procesami bez udziału ludzkiego wzroku
- Wąskopasmowe czujniki światła, w których diody LED działają w trybie polaryzacji wstecznej i reagują na padające światło, zamiast emitować światło
- Uprawa wewnętrzna, w tym konopie indyjskie.
Wskaźniki i znaki
Niskie zużycie energii , niskie wymagania konserwacyjne i niewielkie rozmiary diod LED doprowadziły do zastosowania ich jako wskaźników stanu i wyświetlaczy w różnych urządzeniach i instalacjach. Wielkopowierzchniowe wyświetlacze LED są używane jako wyświetlacze stadionowe, dynamiczne wyświetlacze dekoracyjne i dynamiczne znaki informacyjne na autostradach. Cienkie, lekkie wyświetlacze komunikatów są używane na lotniskach i dworcach kolejowych oraz jako wyświetlacze miejsc docelowych w pociągach, autobusach, tramwajach i na promach.
Jednokolorowe światło dobrze nadaje się do sygnalizacji świetlnej i sygnałów, znaków wyjścia , oświetlenia pojazdów ratunkowych , świateł nawigacyjnych statków i lampek bożonarodzeniowych opartych na diodach LED
Ze względu na ich długą żywotność, szybkie czasy przełączania i widoczność w biały dzień ze względu na ich wysoką moc wyjściową i skupienie, diody LED były stosowane w samochodowych światłach hamowania i kierunkowskazach. Zastosowanie w hamulcach poprawia bezpieczeństwo, ze względu na znaczne skrócenie czasu potrzebnego do pełnego oświetlenia lub szybszego czasu narastania, o około 0,1 sekundy szybszego [ potrzebne źródło ] niż żarówka. Dzięki temu kierowcy jadący z tyłu mają więcej czasu na reakcję. W obwodzie o podwójnym natężeniu (tylne znaczniki i hamulce), jeśli diody LED nie pulsują z wystarczająco dużą częstotliwością, mogą stworzyć układ fantomowy , gdzie pojawiają się widmowe obrazy diody LED, jeśli oczy szybko przeskanują tablicę. Zaczynają pojawiać się białe reflektory LED. Korzystanie z diod LED ma zalety stylizacyjne, ponieważ diody LED mogą wytwarzać znacznie cieńsze światła niż żarówki z parabolicznymi reflektorami .
Ze względu na względną taniość diod LED o niskiej mocy wyjściowej są one również używane w wielu zastosowaniach tymczasowych, takich jak pałeczki fluorescencyjne , kule do rzucania i tekstylia fotoniczne Lumalive. Artyści używali również diod LED do sztuki LED .
Oświetlenie
Wraz z rozwojem diod LED o wysokiej wydajności i dużej mocy stało się możliwe stosowanie diod LED w oświetleniu i oświetleniu. Aby zachęcić do przejścia na lampy LED i inne wysokowydajne oświetlenie, w 2008 roku Departament Energii Stanów Zjednoczonych stworzył konkurs L Prize . Żarówka Philips Lighting North America wygrała pierwszy konkurs 3 sierpnia 2011 r., po pomyślnym ukończeniu 18 miesięcy intensywnych testów terenowych, laboratoryjnych i produktów.
Zrównoważona architektura wymaga wydajnego oświetlenia . Od 2011 roku niektóre żarówki LED zapewniają do 150 lm/W, a nawet niedrogie modele z niższej półki zwykle przekraczają 50 lm/W, więc 6-watowa dioda LED może osiągnąć takie same wyniki, jak standardowa 40-watowa żarówka. Niższa moc cieplna diod LED zmniejsza również zapotrzebowanie na klimatyzacji . Na całym świecie diody LED są szybko wdrażane w celu wyparcia mniej wydajnych źródeł, takich jak żarówki i świetlówki kompaktowe , oraz zmniejszenia zużycia energii elektrycznej i związanych z nią emisji. Diody LED zasilane energią słoneczną są używane jako oświetlenie uliczne oraz w oświetleniu architektonicznym .
Wytrzymałość mechaniczna i długa żywotność są wykorzystywane w oświetleniu samochodowym w samochodach, motocyklach i światłach rowerowych . Lampy uliczne LED stosowane są na słupach oraz w garażach. W 2007 roku włoska wioska Torraca była pierwszym miejscem, w którym wymieniono oświetlenie uliczne na diody LED.
Oświetlenie kabiny ostatnio [ kiedy? ] Samoloty Airbusa i Boeinga wykorzystują oświetlenie LED. Diody LED są również wykorzystywane w oświetleniu lotnisk i heliportów. Oprawy lotniskowe LED obejmują obecnie światła pasa startowego średniej intensywności, światła linii środkowej drogi startowej, światła linii środkowej i krawędzi drogi kołowania, znaki naprowadzające i oświetlenie przeszkodowe.
Diody LED są również używane jako źródło światła w projektorach DLP oraz do podświetlania nowszych telewizorów LCD (zwanych telewizorami LED ), monitorów komputerowych (w tym laptopów ) i ekranów LCD urządzeń przenośnych, zastępując starsze wyświetlacze LCD z podświetleniem CCFL , chociaż zostały zastąpione przez ekrany OLED . Diody LED RGB zwiększają gamę kolorów nawet o 45%. Ekrany telewizorów i wyświetlaczy komputerowych można zmniejszyć za pomocą diod LED do podświetlenia.
Diody LED są małe, trwałe i zużywają niewiele energii, dlatego są stosowane w urządzeniach podręcznych, takich jak latarki . Światła stroboskopowe LED lub lampy błyskowe do aparatów działają przy bezpiecznym, niskim napięciu, zamiast ponad 250 woltów powszechnie spotykanych w oświetleniu opartym na ksenonowych lampach błyskowych. Jest to szczególnie przydatne w aparatach w telefonach komórkowych , gdzie przestrzeń jest na wagę złota, a nieporęczne obwody podnoszące napięcie są niepożądane.
Diody LED są używane do oświetlenia w podczerwieni w zastosowaniach noktowizyjnych, w tym w kamerach bezpieczeństwa . Pierścień diod LED wokół kamery wideo , skierowany do przodu na odblaskowe tło , umożliwia kluczowanie kolorem w produkcjach wideo .
Diody LED są używane w operacjach górniczych , jako lampy górnicze do oświetlania górników. Przeprowadzono badania mające na celu ulepszenie diod LED w górnictwie, zmniejszenie odblasków i zwiększenie oświetlenia, zmniejszając ryzyko obrażeń górników.
Diody LED coraz częściej znajdują zastosowanie w zastosowaniach medycznych i edukacyjnych, na przykład jako poprawianie nastroju. NASA sponsorowała nawet badania nad wykorzystaniem diod LED do promowania zdrowia astronautów.
Transmisja danych i inna sygnalizacja
Światło może służyć do przesyłania danych i sygnałów analogowych. Przykładowo, świecące białymi diodami LED mogą znaleźć zastosowanie w systemach wspomagających poruszanie się po przestrzeniach zamkniętych podczas przeszukiwania potrzebnych pomieszczeń lub obiektów.
Urządzenia wspomagające słyszenie w wielu teatrach i podobnych miejscach wykorzystują układy diod LED na podczerwień do wysyłania dźwięku do odbiorników słuchaczy. Diody elektroluminescencyjne (a także lasery półprzewodnikowe) są używane do przesyłania danych przez wiele rodzajów światłowodowych , od cyfrowego dźwięku przez kable TOSLINK po łącza światłowodowe o bardzo dużej przepustowości, które tworzą szkielet Internetu. Przez pewien czas komputery były powszechnie wyposażone w IrDA , które umożliwiały wysyłanie i odbieranie danych do pobliskich maszyn przez podczerwień.
Ponieważ diody LED mogą włączać się i wyłączać miliony razy na sekundę, można osiągnąć bardzo dużą przepustowość danych. Z tego powodu zaproponowano komunikację w świetle widzialnym (VLC) jako alternatywę dla coraz bardziej konkurencyjnej przepustowości radiowej. Działając w widzialnej części widma elektromagnetycznego, dane mogą być przesyłane bez zajmowania częstotliwości komunikacji radiowej.
Główna cecha VLC polega na niezdolności światła do przekroczenia fizycznych nieprzezroczystych barier. Ta cecha może być uważana za słaby punkt VLC, ze względu na podatność na zakłócenia ze strony obiektów fizycznych, ale jest również jedną z wielu jej zalet: w przeciwieństwie do fal radiowych, fale świetlne są ograniczone w zamkniętych przestrzeniach, w których są transmitowane, co wymusza fizyczny bariera bezpieczeństwa wymagająca, aby odbiornik tego sygnału miał fizyczny dostęp do miejsca, w którym następuje transmisja.
Obiecującym zastosowaniem VLC jest Indoor Positioning System (IPS), analogiczny do GPS zbudowany do pracy w zamkniętych przestrzeniach, gdzie transmisje satelitarne umożliwiające działanie GPS są trudno dostępne. Na przykład budynki komercyjne, centra handlowe, garaże, a także systemy metra i tuneli to możliwe zastosowania wewnętrznych systemów pozycjonowania opartych na VLC. Dodatkowo, gdy lampy VLC będą w stanie jednocześnie pełnić funkcję oświetlenia i transmisji danych, może to po prostu zająć instalację tradycyjnych lamp jednofunkcyjnych.
Inne zastosowania VLC obejmują komunikację między urządzeniami inteligentnego domu lub biura. Wraz ze wzrostem liczby IoT łączność za pośrednictwem tradycyjnych fal radiowych może podlegać zakłóceniom. Żarówki z funkcjami VLC mogą przesyłać dane i polecenia dla takich urządzeń.
Systemy widzenia maszynowego
widzenia maszynowego często wymagają jasnego i jednorodnego oświetlenia, więc interesujące cechy są łatwiejsze do przetworzenia. Często stosuje się diody LED.
Skanery kodów kreskowych są najczęstszym przykładem aplikacji wizyjnych, a wiele z tych skanerów wykorzystuje czerwone diody LED zamiast laserów. Optyczne myszy komputerowe wykorzystują diody LED jako źródło światła dla miniaturowej kamery w myszy.
Diody LED są przydatne w widzeniu maszynowym, ponieważ zapewniają kompaktowe, niezawodne źródło światła. Lampy LED można włączać i wyłączać w zależności od potrzeb systemu wizyjnego, a kształt wytwarzanej wiązki można dostosować do wymagań systemu.
Detekcja biologiczna
Odkrycie rekombinacji radiacyjnej w stopach azotku aluminium i galu (AlGaN) przez Laboratorium Badawcze Armii Stanów Zjednoczonych (ARL) doprowadziło do konceptualizacji diod emitujących światło UV (LED), które mają być włączone do czujników fluorescencji indukowanej światłem , używanych do wykrywania czynników biologicznych. W 2004 r. Edgewood Chemical Biological Center (ECBC) zainicjowało prace nad stworzeniem detektora biologicznego o nazwie TAC-BIO. W programie wykorzystano półprzewodnikowe źródła optyczne UV (SUVOS) opracowane przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obronie (DARPA) .
Fluorescencja indukowana promieniowaniem UV jest jedną z najbardziej niezawodnych technik stosowanych do szybkiego wykrywania aerozoli biologicznych w czasie rzeczywistym. Pierwszymi czujnikami UV były lasery, które nie były praktyczne w użyciu w terenie. Aby temu zaradzić, DARPA zastosowała technologię SUVOS, aby stworzyć tanie, małe, lekkie i energooszczędne urządzenie. Czas reakcji detektora TAC-BIO wynosił jedną minutę od wykrycia czynnika biologicznego. Wykazano również, że detektor może pracować bez nadzoru w pomieszczeniach i na zewnątrz przez kilka tygodni.
Cząsteczki biologiczne w aerozolu będą fluoryzować i rozpraszać światło pod wiązką światła UV. Obserwowana fluorescencja zależy od zastosowanej długości fali i biochemicznych fluoroforów w środku biologicznym. Fluorescencja indukowana promieniowaniem UV oferuje szybki, dokładny, wydajny i praktyczny pod względem logistycznym sposób wykrywania czynników biologicznych. Wynika to z faktu, że zastosowanie fluorescencji UV jest mniej odczynnikowe lub jest to proces, który nie wymaga dodawania substancji chemicznej do wywołania reakcji, bez materiałów eksploatacyjnych lub nie wytwarza chemicznych produktów ubocznych.
Ponadto TAC-BIO może niezawodnie rozróżniać aerozole zagrażające i niegroźne. Twierdzono, że jest wystarczająco czuły, aby wykrywać niskie stężenia, ale nie tak czuły, aby powodował fałszywe alarmy. Algorytm zliczania cząstek zastosowany w urządzeniu przekształcił surowe dane w informacje, zliczając impulsy fotonów na jednostkę czasu z detektorów fluorescencji i rozpraszania oraz porównując wartość z ustalonym progiem.
Oryginalny TAC-BIO został wprowadzony w 2010 r., podczas gdy druga generacja TAC-BIO GEN II została zaprojektowana w 2015 r., aby była bardziej ekonomiczna, ponieważ zastosowano części z tworzyw sztucznych. Jego mała, lekka konstrukcja pozwala na montaż na pojazdach, robotach i bezzałogowych statkach powietrznych. Urządzenie drugiej generacji może być również wykorzystywane jako detektor środowiskowy do monitorowania jakości powietrza w szpitalach, samolotach, a nawet w gospodarstwach domowych do wykrywania grzybów i pleśni.
Inne aplikacje
Światło z diod LED można bardzo szybko modulować, dlatego są one szeroko stosowane w komunikacji światłowodowej i optyce wolnej przestrzeni . Obejmuje to piloty zdalnego sterowania , na przykład do telewizorów, w których często stosuje się diody LED na podczerwień. Optoizolatory wykorzystują diodę LED połączoną z fotodiodą lub fototranzystorem , aby zapewnić ścieżkę sygnału z izolacją elektryczną między dwoma obwodami. Jest to szczególnie przydatne w sprzęcie medycznym, w którym sygnały z czujnika niskonapięciowego obwód (zwykle zasilany bateryjnie) mający kontakt z żywym organizmem musi być elektrycznie odizolowany od ewentualnej awarii elektrycznej urządzenia rejestrującego lub monitorującego pracującego pod potencjalnie niebezpiecznymi napięciami. Optoizolator umożliwia również przesyłanie informacji między obwodami, które nie mają wspólnego potencjału masy.
Wiele systemów czujników opiera się na świetle jako źródle sygnału. Diody LED są często idealnymi źródłami światła ze względu na wymagania czujników. Pasek czujnika Nintendo Wii wykorzystuje diody podczerwieni. Pulsoksymetry wykorzystują je do pomiaru nasycenia tlenem . Niektóre skanery płaskie wykorzystują matryce diod LED RGB zamiast typowej lampy fluorescencyjnej z zimną katodą jako źródło światła. Niezależna kontrola trzech podświetlanych kolorów pozwala skanerowi na samoczynną kalibrację w celu uzyskania dokładniejszego balansu kolorów i nie ma potrzeby rozgrzewania. Co więcej, jego czujniki muszą być tylko monochromatyczne, ponieważ w danym momencie skanowana strona jest oświetlana tylko jednym kolorem światła.
Ponieważ diody LED mogą być również używane jako fotodiody, mogą być używane zarówno do fotoemisji, jak i do wykrywania. Można to wykorzystać na przykład w ekranie dotykowym , który rejestruje światło odbite od palca lub rysika . Wiele materiałów i układów biologicznych jest wrażliwych na światło lub od niego zależnych. Światła do uprawy wykorzystują diody LED do zwiększenia fotosyntezy w roślinach , a bakterie i wirusy można usunąć z wody i innych substancji za pomocą diod UV do sterylizacji . Diody LED o określonych długościach fal zostały również wykorzystane do terapii światłem leczenie żółtaczki i trądziku noworodków .
Diody LED UV, o zakresie widmowym od 220 nm do 395 nm, mają inne zastosowania, takie jak oczyszczanie wody / powietrza , dezynfekcja powierzchni, utwardzanie kleju, komunikacja w wolnej przestrzeni bez linii wzroku , wysokosprawna chromatografia cieczowa, utwardzanie UV barwnika drukowanie, fototerapia ( witamina D 295 nm , lampa ekscymerowa 308 nm lub wymiana lasera), oprzyrządowanie medyczne/analityczne oraz absorpcja DNA.
Diody LED były również używane jako średniej jakości odniesienie napięcia w obwodach elektronicznych. Spadek napięcia przewodzenia (około 1,7 V dla czerwonej diody LED lub 1,2 V dla podczerwieni) może być zastosowany zamiast diody Zenera w regulatorach niskiego napięcia. Czerwone diody LED mają najbardziej płaską krzywą I/V powyżej kolana. Diody LED na bazie azotków mają dość stromą krzywą I/V i są bezużyteczne do tego celu. Chociaż napięcie przewodzenia 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 diody OLED, nadające się do wbudowania w materiały o małej grubości, sprzyjała eksperymentom w łączeniu źródeł światła i powierzchni pokrywających ściany ścian wewnętrznych w postaci tapet LED .
Duży wyświetlacz LED za disc jockeyem
Siedmiosegmentowy wyświetlacz , który może wyświetlać cztery cyfry i kropki
Źródło światła z panelem LED użyte we wczesnym eksperymencie dotyczącym wzrostu ziemniaków podczas misji wahadłowca STS-73 w celu zbadania potencjału uprawy żywności podczas przyszłych długotrwałych misji.
Badania i rozwój
Kluczowe wyzwania
Diody LED wymagają zoptymalizowanej wydajności, która zależy od ciągłych ulepszeń, takich jak materiały luminoforowe i kropki kwantowe .
Proces konwersji w dół (metoda, za pomocą której materiały przekształcają fotony o większej energii w inne, mniej energetyczne kolory) również wymaga udoskonalenia. Na przykład używane obecnie czerwone luminofory są wrażliwe na ciepło i należy je ulepszyć pod tym względem, aby nie zmieniały koloru i nie odczuwały spadku wydajności wraz z temperaturą. Czerwone luminofory mogłyby również skorzystać z węższej szerokości widmowej, aby emitować więcej lumenów i być bardziej wydajnym w przetwarzaniu fotonów.
Ponadto pozostaje jeszcze wiele do zrobienia w zakresie spadku wydajności prądu, przesunięcia kolorów, niezawodności systemu, dystrybucji światła, przyciemniania, zarządzania termicznego i wydajności zasilania.
Potencjalna technologia
Diody perowskitowe (PLED)
Nowa rodzina diod LED oparta jest na półprzewodnikach zwanych perowskitami . W 2018 roku, mniej niż cztery lata po ich odkryciu, zdolność perowskitowych diod LED (PLED) do wytwarzania światła z elektronów już rywalizowała z najlepszymi diodami OLED . Mają potencjał opłacalności, ponieważ można je przetwarzać z roztworu, tanią i mało zaawansowaną technologicznie metodą, która może umożliwić wytwarzanie urządzeń opartych na perowskicie, które mają duże powierzchnie, przy wyjątkowo niskich kosztach. Ich efektywność jest lepsza poprzez eliminację strat niepromienistych, innymi słowy eliminację rekombinacji ścieżki, które nie wytwarzają fotonów; lub rozwiązując problem rozprzęgania (powszechny w przypadku cienkowarstwowych diod LED) lub równoważąc wprowadzanie nośnika ładunku w celu zwiększenia EQE ( zewnętrznej wydajności kwantowej). Najnowocześniejsze urządzenia PLED przełamały barierę wydajności, osiągając EQE powyżej 20%.
W 2018 roku Cao i in. oraz Lin i in. niezależnie opublikował dwa artykuły na temat rozwoju perowskitowych diod LED z EQE większym niż 20%, co uczyniło te dwa artykuły kamieniem milowym w rozwoju PLED. Ich urządzenie ma podobną płaską strukturę, tj. warstwa aktywna (perowskit) jest umieszczona pomiędzy dwiema elektrodami. Aby osiągnąć wysoki EQE, nie tylko zredukowali rekombinację niepromienistą, ale także wykorzystali własne, nieco odmienne metody poprawy EQE.
W pracy Cao i in. , naukowcy skupili się na problemie rozprzęgania, który polega na tym, że fizyka optyczna cienkowarstwowych diod LED powoduje, że większość światła generowanego przez półprzewodnik zostaje uwięziona w urządzeniu. Aby osiągnąć ten cel, wykazali, że perowskity poddane obróbce w roztworze mogą spontanicznie tworzyć płytki krystaliczne w skali submikrometrowej, które mogą skutecznie wydobywać światło z urządzenia. Te perowskity powstają poprzez wprowadzenie aminokwasowych do roztworów prekursorów perowskitów . Ponadto ich metoda jest w stanie pasywować defekty powierzchni perowskitu i zmniejszyć rekombinację niepromienistą. Dlatego też, poprawiając sprzęganie światła i zmniejszając straty nieradiacyjne, Cao i jego współpracownicy z powodzeniem osiągnęli PLED z EQE do 20,7%.
Lin i jego kolega zastosowali inne podejście do wygenerowania wysokiego EQE. Zamiast modyfikować mikrostrukturę warstwy perowskitu, postanowili przyjąć nową strategię zarządzania rozkładem składu w urządzeniu — podejście, które zapewnia jednocześnie wysoką luminescencję i zrównoważony wtrysk ładunku. Innymi słowy, nadal stosowali płaską warstwę emisyjną, ale starali się zoptymalizować bilans elektronów i dziur wstrzykiwanych do perowskitu, tak aby jak najefektywniej wykorzystać nośniki ładunku. Ponadto w warstwie perowskitu kryształy są doskonale otoczone dodatkiem MABr (gdzie MA to CH 3 NH 3 ). Powłoka MABr pasywuje defekty niepromieniujące, które w innym przypadku byłyby obecne w kryształach perowskitu, co skutkuje redukcją rekombinacji nieradiacyjnej. Dlatego, równoważąc wtrysk ładunku i zmniejszając straty nieradiacyjne, Lin i jego współpracownicy opracowali PLED z EQE do 20,3%.
Zobacz też
- Historia technologii wyświetlania
- LEDowy tatuaż
- Emitujące światło ogniwo elektrochemiczne
- Lista trybów awarii diod LED
- Lista źródeł światła
- Fotowoltaika
- Moduł LED SMD
- Dioda superluminescencyjna
- MikroLED
- Lampa słoneczna
- Oświetlenie półprzewodnikowe
- Zarządzanie termiczne diodami LED dużej mocy
- Utwardzanie UV
Dalsza lektura
- David L. Heiserman (1968). Diody elektroluminescencyjne (PDF) . Świat elektroniki.
- Shuji Nakamura; Gerharda Fasola; Stephen J Pearton (2000). Niebieska dioda laserowa: pełna historia . Springer Verlag. ISBN 978-3-540-66505-2 .
Linki zewnętrzne
| Kontrola władz : Biblioteki narodowe |
|---|
