Lysdioder: En primer
Halvledere kaldet lysemitterende dioder (LED'er) omdanner elektrisk energi til lysenergi. Halvledermaterialet og sammensætningen bestemmer farven på udgangslyset, hvor LED'er ofte er kategoriseret i tre bølgelængder: ultraviolet, synligt og infrarødt.
De tilgængelige kommercielt tilgængelige LED'er med enkeltelements udgangseffekt på mindst 5 mW har et bølgelængdeområde på 275 til 950 nm. Uanset producenten bruges en bestemt halvledermaterialefamilie for hvert bølgelængdeområde. En oversigt over LED-funktion og et hurtigt blik på sektoren findes i denne artikel. Der vil også være en diskussion af forskellige LED-typer, de passende bølgelængder, de anvendte materialer i deres konstruktion og nogle anvendelser af de særlige lys.
UV LED'er (ultraviolette LED'er): 240 til 360 nm
Især til vanddesinfektion, medicinske/biomedicinske applikationer og industriel hærdning anvendes UV-LED'er. Ved bølgelængder så korte som 280 nm er udgangseffektniveauer på mere end 100 mW blevet opnået. Galliumnitrid/aluminium galliumnitrid (GaN/AlGaN) med bølgelængder på 360 nm eller længere er det materiale, der oftest anvendes til UV-LED'er. Kortere bølgelængder gør brug af eksklusive materialer. Kortere bølgelængder produceres kun af få udbydere, og omkostningerne for disse LED'er er stadig ret høje sammenlignet med resten af LED-produkttilbuddene, selvom markedet for bølgelængder 360 nm og længere stabiliserer sig på grund af reduceret prissætning og en stor levere.
Grønne lysdioder spænder fra nær-UV til 530 nm
Indium galliumnitrid (InGaN) er det materiale, der bruges til varerne i dette bølgelængdeområde. Selvom det er teknisk muligt at producere en LED med en bølgelængde af enhver værdi mellem 395 og 530 nm, fokuserer størstedelen af de store leverandører på at generere blå LED'er (450 til 475 nm) til fosforbaseret hvid belysning og grønne LED'er i 520- 530 nm rækkevidde for trafiksignal grønt lys. De fleste mennesker anser teknologien bag disse lysdioder for at være avanceret. I løbet af de sidste par år er forbedringer i den optiske effektivitet aftaget eller ophørt.
LED'er fra gul-grøn til rød: 565 til 645 nm
Halvlederstoffet, der anvendes til dette bølgelængdeområde, er aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP). Det er for det meste produceret i trafiksignal gule (590 nm) og røde (625 nm) bølgelængder. Selvom de er mindre almindelige, tilbydes de lime-grønne (eller gullig-grønne 565 nm) og orange (605 nm) også i denne teknologi.
Det er bemærkelsesværdigt at bemærke, at den rene grønne (555 nm) emitter ikke er en funktion af hverken InGaN- eller AlInGaP-teknologierne. Der er ældre, mindre effektive teknologier inden for dette område af rent grønt, men de menes ikke at være effektive eller geniale. Dette skyldes hovedsagelig mangel på finansiering til udvikling af alternative materialeteknologier til dette bølgelængdeområde samt mangel på kommerciel interesse eller efterspørgsel.
660 til 900 nm: dyb rød til nær-infrarød (IRLED'er)
Konstruktionen af enheder i dette område kan tage mange forskellige former, men de bruger altid aluminium gallium arsenid (AlGaAs) eller gallium arsenid (GaAs) elementer. Adskillige medicinske anvendelser (ved 660–680 nm) samt infrarøde fjernbetjeninger og nattesynslys er blandt applikationerne.
LED-driftsteori
En elektrisk spænding, der er tilstrækkelig til, at elektronerne kan bevæge sig hen over udtømningsområdet og kombineres med et hul på den anden side for at skabe et elektron-hul-par, skal påføres, for at LED'er, som er halvlederdioder, kan udsende lys, når en elektrisk strøm påføres i enhedens fremadgående retning. Dette får elektronen til at udsende en foton, da den frigiver sin energi i form af lys.
Bølgelængden af det udsendte lys afhænger af halvlederens båndgab. Materialer med højere båndgab udsender kortere bølgelængder, fordi kortere bølgelængder har mere energi. større spændinger er også nødvendige for ledning i materialer med et større båndgab. Mens nær-IR LED'er har en fremadspænding på 1,5 til 2,0 V, har kortbølgelængde UV-blå LED'er en fremadgående spænding på 3,5 V.
Tilgængeligheds- og effektivitetsfaktorer for bølgelængder
Markedspotentiale, forbrugerefterspørgsel og industristandardbølgelængder er de vigtigste bestemmende faktorer for, om en bestemt bølgelængde er kommercielt levedygtig eller ej. Dette er mest mærkbart i bølgelængdeområderne 420-460 nm, 480-520 nm og 680-800 nm. Der er ingen storvolumenproducenter, der producerer LED-enheder til disse bølgelængdeområder, da der ikke er nogen storvolumenbrug for dem. Ikke desto mindre er det muligt at lokalisere små eller mellemstore leverandører, der leverer varer til at udfylde disse specifikke bølgelængder på skræddersyet basis.
Det bølgelængdeområde, hvor hver materialeteknologi er mest effektiv, kan findes næsten i midten af hvert område. Effektiviteten aftager, når halvlederens dopingniveau stiger eller falder under det ideelle niveau. Af denne grund producerer en blå LED langt mere lys end en grøn eller nær-UV LED, rav producerer mere lys end en gulgrøn LED, og nær-IR producerer mere lys end 660 nm. At designe til midten af spektret frem for kanterne er altid en bedre mulighed. Derudover er det lettere at få varer, der ikke spænder over grænserne for materialeteknologi.
Forsyner lysdioder med strøm og spænding
LED'er er dioder og skal drives i en strømtilstand, selvom de er halvledere og kræver en minimumsspænding for at fungere. Når du bruger LED'er i DC-tilstand, er der to primære metoder: Brugen af en strømbegrænsende modstand er den enkleste og mest populære. Den betydelige varme- og effekttab i modstanden er en ulempe ved denne teknologi. Forsyningsspændingen skal være væsentligt højere end LED'ens fremadspænding, for at strømmen forbliver konstant på tværs af temperaturændringer og fra en enhed til en anden.
Kommercielle off-the-shelf LED-drivere tilbydes af en række leverandører. Til lysstyrkekontrol fungerer de typisk ved hjælp af pulsbreddemodulationsprincipper.
Et særskilt sæt problemer opstår, når LED'er pulserer i højstrøms- og/eller højspændingstilstand for arrays forbundet i serie og parallelt. Det er ikke praktisk muligt for en begyndende designer at skabe et strømstyret pulsdrev, der kan levere 5 A og 20 V. Nogle få virksomheder producerer specialiserede værktøjer til LED'er, der pulserer.
LED'er i applikationer, som folk kan se
Præcis farve betyder væsentligt mere i situationer, hvor LED'er ses direkte eller bruges som luminatorer end præcist output i lumen eller candela. Hjernen foretager fremragende justeringer for enhver variation i lysintensitet, mens det menneskelige øje er forholdsvis ligeglad med dem. Den gennemsnitlige person, der for eksempel ser en LED-videoskærm på en bygning, vil ikke bemærke en 20 procent reduktion i intensitet, da dele af skærmen ses i 10 grader til 20 grader uden for aksen sammenlignet med delen direkte på aksen, fordi dette er en gradvis ændring, der ikke opfattes, når den bevæger sig mod kanten af synet. I modsætning hertil vil det menneskelige øje bemærke en farvevariation og finde det generende, hvis et områdes LED'er har en bølgelængdeforskel på 10 nm fra dem i andre områder.
De fleste hvide LED'er, der bruges i dag, er skabt ved at tilføre en længere bølgelængde synlig fosfor med en blå LED. Den spektrale lighed med solskin måles ved farvegengivelsesindekset (CRI). Størstedelen af LED'er, der bruges i almen belysning i dag, har en CRI bedre end 80, hvor 100 anses for at svare til solskin. Hvide LED'er er ved at blive det mest eftertragtede produkt til de fleste belysningsapplikationer på grund af CRI-fremskridt og forbedret optisk effektivitet.
Fordele og anvendelser af LED
I sammenligning med filtreret lys har LED'er adskillige fordele til monokromatiske applikationer, da deres bølgelængdespektre er mere præcist specificeret. Energibesparelserne ved at anvende en filtreret glødepære til generelle belysningsapplikationer kan potentielt være 100 gange højere. Applikationer som trafiksignaler og arkitektoniske lys har stor gavn af dette. Et lille solpanel kan nemt forsyne laveffekt bærbare motorvejs LED-skilte i stedet for en stor generator, hvilket er en klar fordel.
Generelt er LED'er billigere, mere pålidelige og kan drives af billigere elektronik end lasere. LED'er er nu klassificeret separat af både USA og EU. Heldigvis, i modsætning til lasere og laserdioder, kommer LED'er ikke med de samme øjensikkerhedsproblemer eller advarsler. På den anden side er det umuligt at skabe optisk tætte, meget små og stærkt kollimerede spots med LED'er. En laser er næsten altid nødvendig i applikationer, der kræver usædvanlig høj effekttæthed i et kompakt område.
I dag anvendes LED'er i en lang række sektorer og applikationer (tabel 1). Disse enheder er ekstremt økonomiske og appellerer til både forbruger- og industrimarkeder takket være deres store pålidelighed, høje effektivitet og reducerede samlede systemomkostninger sammenlignet med lasere og lamper. Hver unik LED-teknologi og/eller farve er blevet skabt for at imødekomme en bestemt brugs behov.
