Як визначити колір світлодіоду

Світлодіод

Світлодіод – це тип напівпровідника, який називається «світловипромінювальний діод». Білі світлодіоди, які отримали практичну реалізацію завдяки використанню синіх світлодіодів високої яскравості, розроблених в 1993 році на основі нітриду галію, привертають підвищену увагу як 4-й тип джерела світла.

Як світлодіод випромінює світло?

Світлодіод (світловипромінюючі діоди) – це напівпровідникове джерело світла, в якому об’єднують напівпровідник P-типу (велика концентрація дірок) з напівпровідником N-типу (велика концентрація електронів). Подача достатньої кількості прямої напруги змусить електрони і дірки рекомбінувати в PN-переході, випромінювати енергію у вигляді світла. У порівнянні зі звичайними джерелами світла, які спочатку перетворять електричну енергію в тепло, а потім в світло, світлодіод (Light Emitting Diodes) перетворює електричну енергію безпосередньо в світло, забезпечуючи ефективне генерування світла з невеликими втратами електроенергії.

На ват світлодіод випромінює більше люменів (або кількості видимого світла), ніж звичайні лампи розжарювання. Світлодіоди мають більш високу, ніж лампи розжарювання – лампа розжарювання потужністю 60 Вт може генерувати від 750 до 900 люмен.

У разі світлодіодів, матеріалом провідника зазвичай є арсенід алюмінію-галію (AlGaAs). У чистому арсеніді алюмінію-галію всі атоми ідеально пов’язані зі своїми сусідами, не залишаючи вільних електронів (негативно заряджених частинок) для проведення електричного струму. У легованому матеріалі додаткові атоми змінюють баланс, або додаючи вільні електрони, або створюючи дірки, через які електрони можуть проходити. Будь-яке з цих змін робить матеріал більшим провідником.

Напівпровідник з додатковими електронами називається матеріалом N-типу, оскільки в ньому є додаткові негативно заряджені частинки. У матеріалі N-типу вільні електрони переміщаються з негативно зарядженої області в позитивно заряджену.

Напівпровідник з додатковими дірками називається матеріалом P-типу, оскільки він фактично містить додаткові позитивно заряджені частинки. Електрони можуть переходити від отвору до отвору, переміщаючись з негативно зарядженої області в позитивно заряджену. В результаті здається, що самі отвори переміщаються з позитивно зарядженої області в негативно заряджену.

Не кожен діод буде випромінювати світло. Для цього необхідно виконати необхідні умови.

Умови пропускання світла p-n переходом:

• блізкість ширини забороненої зони до енергії кванта світла;

• мінімальна кількість дефектів в напівпровідниковому кристалі.

Для реалізації цих вимог одного p-n переходу недостатньо. Потрібно створювати багатошарові структури – гетероструктури, що складаються з декількох напівпровідників.

Колір світлодіодів

Для отримання світлодіода того чи іншого кольору використовується три технології – покриття люмінофором, використання RGB світлодіодів і застосування різних напівпровідникових матеріалів.

Робота світлодіода безпосередньо залежить від матеріалу, з якого він виконаний. Використання напівпровідників з різною шириною забороненої зони можна домогтися потрібного світла від діода. Від ширини забороненої зони залежить довжина хвилі. Для отримання приладів в інфрачервоному і червоному колірному спектрі використовуються тверді розчини на основі арсеніду галію. Помаранчеві, жовті й зелені кольори виходять за допомогою фосфіду галію. Сині, фіолетові і ультрафіолетові виготовляються на основі нітриду галію.

Принцип роботи діода

Діод складається з секції матеріалу N-типу, прикріпленою до секції матеріалу P-типу, з електродами на кожному кінці. Це пристрій проводить електрику тільки в одному напрямку. Коли на діод не подається напруга, електрони з матеріалу N-типу заповнюють отвори в матеріалі P-типу вздовж стику між шарами, утворюючи зону виснаження. У зоні виснаження напівпровідниковий матеріал повертається в свій початковий ізолюючий стан – всі отвори заповнені, тому немає вільних електронів або порожніх просторів для електронів, і струм не буде протікати.

Пряме включення діода

Щоб позбутися зони виснаження, ви повинні змусити електрони переміщатися з області N-типу в область P-типу, а дірки – в зворотному напрямку. Для цього ви підключаєте сторону N-типу діода до негативного кінця ланцюга, а сторону P-типу – до позитивного кінця. Вільні електрони в матеріалі N-типу відштовхуються від негативного електрода і притягуються до позитивного електрода. Дірки в матеріалі P-типу переміщаються в іншу сторону. Коли різниця напруги між електродами досить висока, електрони в зоні виснаження виштовхуються зі своїх дірок і знову починають вільно переміщатися. Зона виснаження зникає, і заряд переміщається по діоду.

Зворотне включення діода

Якщо ви спробуєте пропустити струм іншим способом, коли сторона P-типу підключена до негативного кінця ланцюга, а сторона N-типу підключена до позитивного кінця, струм не буде проходити. Негативні електрони в матеріалі N-типу притягуються до позитивного електрода. Позитивні дірки в матеріалі P-типу притягуються до негативного електроду. Через перехід не протікає струм, тому що дірки і електрони рухаються в неправильному напрямку. Зона виснаження збільшується.

Світлодіоди бувають: індикаторні та освітлювальні.

• Індикаторні використовуються в основному з для колірної індикації, а також при підсвічуванні дисплеїв, приладових панелей і інших приладів. Іншими словами це світлодіоди невеликої потужності (до 0.2 Вт) з помірною яскравістю.

• Освітлювальні LED використовуються при освітленні приміщень в складі світлодіодних ламп і стрічок, в автомобільних фарах і всюди, де треба отримати високу потужність світіння. Потужність таких світлодіодів може досягати десятків ват.

Типи світлодіодів

Класифікація світлодіодів. Можна визначити самий широкий спектр підстав для їх віднесення до тих чи інших категорій. Поширений в середовищі експертів підхід передбачає виділення наступних основних типів світлодіодів: DIP; SMD;COB; Filament.

• DIP (Direct In-line Package) – добре відомий ще з ХХ століття тип світлодіодів. Вони представляють з себе колбочки із сткла або прозорого пластика (вони виконують роль лінзи, фокусуючи потік світла в строго визначеному напрямі), всередині яких знаходиться напівпровідниковий кристал (зелений, червоний або синій). Кристалл розміщується на катодах. З анодом він з’єднаний тонким анодним проводом. Катодні та анодні контакти виходять за лінзу, утворюючи металеві ніжки. Ці «ніжки» вставляються в спеціально підготовлений отвір в печатній платі та припаюються. Простір між печатною платою і світлодіодами закладається герметизуючим матеріалом, захищаючи контакти від попадання вологи.

• SMD (в пер. З англ.) – це пристрій поверхневого монтажу. Інші слова smd світлодіоди представляють собою пристрій, виконаний в невеликому корпусі з вмонтованим світло випромінюючим кристалом, який поверхнево монтується на друкованій платі. Світлодіод SMD має корпус із термостійкого пластика з певними розмірами. У цій пластиковій оболонці встановлений кристал, який об’єднав тонкими нітями до контактних площ. Лінза smd світлодіода виконана з полікарбоната. Відвід тепла виконується за допомогою контактних площадок, а в деяких світлодіодах присутня додаткова площадка для виведення теплових мас. Такі світлодіоди найчастіше зазвичай використовують в світлодіодних прожекторах, світильниках та інших освітлювальних приладах.

• COB мають декілька діодів на одній поверхні. У чіпів COB більше діодів на одиницю площі і вони покриті загальним шаром люмінофора. Чіпи COB зазвичай мають 9 або більше діодів. Мікросхеми COB мають лише один електричний ланцюг і 2 контакти, незалежно від кількості діодів. Саме завдяки такій будові електричного кола, чіп COB виглядає як єдина світлодіодна панель.

• Filament, виробляється за технологією Chip-on-Glass (COG), високотехнологічний метод монтажу, який використовує Gold Bump, або схеми з перевернутим кристалом і застосовується в більшості компактних дисплеїв. Він складається з підкладки, виконаної зі скла або штучного сапфіра, на которий закріплені світлодіоди з послідовним з’єднанням. Зверху філамент покритий люмінофором.

Позначення світлодіодів на схемі

На вітчизняних схемах буквами HL (HL1, HL2 і т.д.) – це по ГОСТ. У зарубіжних стандартах позначення світлодіода на схемі аналогічне але підписується він уже – LED (LED1, LED2 і т.д. ). Стрілки від діода означають випромінювання світла, а якщо стрілки навпаки зничить сприйняття світла і це вже фотодіод.

Анод – це позитивний полюс. Катод – негативний.

Кольорові світлодіоди: як отримати різні кольори?

L Кольорові світлодіоди Вони супроводжують нас останні роки. Кожного разу з'являються нові відтінки світлодіодів, оскільки не у всіх випадках це було легко. Наприклад, як цікавість, ви повинні знати, що світлодіоди білого та синього світла були одними з останніх, які з’явилися на ринку.

Нині вони стали тип діода необхідні для багатьох сфер. Тому в цій статті ви дізнаєтеся все, що потрібно знати На цих основні електронні компоненти, і про те, чому вони випромінюють світло, чому такі кольори та багато іншого.

Напівпровідникові світловипромінювальні джерела

Як вам слід знати, напівпровідникові пристрої можуть випромінювати світло двома джерелами Лазерні діоди та світлодіоди. У той час як світлодіоди засновані на спонтанному випромінюванні, лазери засновані на стимульованому випромінюванні. Це різниця між ними.

L світлодіоди (Light Emitting Diode) вони є найпоширенішим джерелом світла серед електронного обладнання. Використовуються для показу часу на цифрових годинниках, для сигналізації про роботу або заряд акумулятора тощо. Застосувань багато, і тепер вони також перейшли до освітлення з новими світлодіодними лампами для освітлення всіх типів приміщень і навіть для транспортних засобів.

Ці світлодіодні пристрої відносяться до групи опто-напівпровідники, здатний перетворювати електричний струм у світло. Цей освітлювальний прилад має велику перевагу в тому, що він довговічний, оскільки він не перегорає, як лампочки, а також набагато ефективніший, тому споживання набагато менше, ніж у звичайних лампочок. Крім того, вартість їх виготовлення дуже низька, тому вони стали такими популярними.

Як і будь-який інший напівпровідниковий прилад, світлодіод має основні основні елементи, такі як P зони з дірками (+) і N зони з електронами (-), тобто звичайні носії заряду будь-якого напівпровідника. І це робить:

• Коли сторона P підключена до джерела живлення, а сторона N – до землі, з’єднання має пряме зміщення, що дозволяє струму протікати через діод і випромінювати світло, яке ми всі можемо бачити.
• Якщо сторона P підключена до землі, а сторона N підключена до джерела живлення, то з’єднання має зворотне зміщення, що запобігає протіканню струму. Ви вже знаєте, що діоди перешкоджають проходженню струму в одному напрямку.
• При прямому зміщенні основні та неосновні носії заряду на P-стороні та N-стороні поєднуються один з одним, нейтралізуючи носії заряду в виснаженому шарі PN-переходу. І, в свою чергу, ця міграція електронів і дірок вивільняє певну кількість фотонів, тобто частина енергії випромінюється у вигляді світла з постійною (монохроматичною) довжиною хвилі. Це те, що характеризує колір світлодіода, оскільки залежно від довжини хвилі, яку він випромінює, він може бути інфрачервоним, синім, жовтим, зеленим, жовтим, бурштиновим, білим, червоним, ультрафіолетовим тощо.
• Випромінювана довжина хвилі електромагнітного спектру, а отже і колір, визначається напівпровідниковими матеріалами, які утворюють PN-перехід діода. Таким чином, напівпровідникові сполуки можна змінювати або грати з ними, щоб створити нові кольори в спектрі або видимому діапазоні.

Слід сказати, що червоний, синій і зелений кольори (RGB або червоно-зелений і синій) можна легко комбінувати, щоб мати можливість виробляють біле світло. З іншого боку, потрібно сказати, що робоча напруга світлодіодів також змінюється в залежності від кольору. Наприклад, червоний, зелений, бурштиновий і жовтий кольори потребують близько 1.8 вольт для роботи. І це те, що діапазон робочої напруги світлодіода можна визначити відповідно до напруги пробою напівпровідникового матеріалу, який використовується для виготовлення світлодіода.

Типи світлодіодів

Світлодіоди можна класифікувати кількома способами, один із основних – це робити це відповідно до довжини хвилі, яку вони випромінюють, залишаючи дві категорії:

• видимі світлодіоди: це ті, які випромінюють довжини хвиль у видимому спектрі, тобто від 400 нм до 750 нм. Цей діапазон – це те, що може бачити людське око, так само як у звуковому полі ми можемо почути лише від 20 Гц до 20 КГц. Нижче 20 Гц – інфразвук, який ми не чуємо, а вище 20 КГц – ультразвук, який ми також не можемо вловити. Щось подібне відбувається у випадку світла, яке має інфрачервоне або інфрачервоне випромінювання, коли воно опускається нижче 400 нм, і ультрафіолетове світло, коли воно опускається вище 750 нм. Обидва невидимі для людського ока.
• невидимі світлодіоди: це ті довжини хвиль, які ми не можемо побачити, як у випадку з ІЧ-діодом або УФ-діодом.

Видимі світлодіоди в основному використовуються для освітлення або сигналізації. Невидимі світлодіоди використовуються в програмах, включаючи оптичні перемикачі, оптичний зв’язок та аналіз тощо, з використанням фотодатчиків.

Ефективність

Як ви добре знаєте, світлодіодне освітлення - це багато більш ефективний ніж звичайний, тому він споживає набагато менше енергії. Це пов'язано з природою світлодіодів. У наступній таблиці ви можете побачити залежність між світловим потоком і вхідною електричною потужністю, що подається на світлодіод. Тобто його можна виразити в люменах на ват (лм/Вт):

Світлодіодна конструкція

La Структура та конструкція світловипромінюючих діодів сильно відрізняються від звичайного діода, наприклад, стабілітрон тощо. Світло буде випромінюватися від світлодіода, коли його PN-перехід має пряме зміщення. PN-перехід покритий твердою епоксидною смолою та прозорим пластиковим напівсферичним куполом, який захищає внутрішню частину світлодіода від атмосферних впливів, вібрації та теплових ударів.

PN-перехід формується за допомогою матеріалів сполуки з меншою забороненою зоною, такі як арсенід галію, фосфід арсеніду галію, фосфід галію, нітрид галію індію, нітрид алюмінію галію, карбід кремнію тощо. Наприклад, червоні світлодіоди побудовані на підкладці з арсеніду галію, зелені, жовті та оранжеві – на фосфіді галію тощо. У червоних шар N-типу легований телуром (Te), а шар P легований цинком (Zn). З іншого боку, контактні шари утворюються з використанням алюмінію на стороні P і олово-алюмінію на стороні N.

Крім того, ви повинні знати, що ці переходи не випромінюють багато світла, тому купол з епоксидної смоли він побудований таким чином, що фотони світла, випромінюваного PN-переходом, найкраще відбиваються та фокусуються через нього. Тобто виконує роль не тільки протектора, але і світлоконцентруючої лінзи. Це причина, чому випромінюване світло виглядає яскравішим у верхній частині світлодіода.

Світлодіоди призначені для забезпечення того, щоб більша частина рекомбінації носіїв заряду відбувається на поверхні PN-переходу зі зрозумілих причин, і це досягається таким чином:

• Збільшуючи концентрацію легування підкладки, додаткові неосновні електрони носіїв заряду переміщуються до верхньої частини структури, рекомбінують і випромінюють світло на поверхню світлодіода.
• За рахунок збільшення довжини дифузії носіїв заряду, тобто L = √ Dτ, де D — коефіцієнт дифузії, а τ — час життя носія заряду. Коли воно підвищиться понад критичне значення, виникне можливість повторного поглинання вивільнених фотонів у пристрої.

Таким чином, коли світлодіод підключено з прямим зміщенням, вантажоперевізники вони набувають достатньо енергії, щоб подолати існуючий потенційний бар'єр на PN-переході. Неосновні носії заряду в напівпровідниках P-типу та N-типу інжектуються через перехід і рекомбінують з основними носіями. Поєднання мажоритарних і міноритарних носіїв може бути двома способами:

• радіаційний: коли світло випромінюється під час рекомбінації.
• не радіаційний: під час рекомбінації світло не випромінюється, утворюється тепло. Тобто частина використаної електричної енергії втрачається у вигляді тепла, а не світла. Залежно від відсотка енергії, яка використовується для генерації світла або тепла, це буде ефективність світлодіода.

органічні напівпровідники

Нещодавно вони також увірвалися на ринок OLED або органічні світловипромінювальні діоди, які використовувалися для дисплеїв. Ці нові органічні діоди складаються з матеріалу органічної природи, тобто органічного напівпровідника, де провідність дозволена частково або у всій органічній молекулі.

Ці органічні матеріали можуть бути в кристалічній фазі або в полімерних молекулах. Це має перевагу в тому, що вони мають дуже тонку структуру, низьку вартість, їм потрібна дуже низька напруга для роботи, вони мають високу яскравість, а також максимальну контрастність та інтенсивність.

Кольори світлодіодів

На відміну від звичайних напівпровідникових діодів, світлодіоди випромінюють це світло завдяки сполукам, які вони використовують, як я вже згадував раніше. Звичайні напівпровідникові діоди виготовляються з кремнію або германію, але світловипромінюючі діоди мають сполуки такі як:

• арсенід галію
• фосфід арсеніду галію
• Карбід кремнію
• нітрид індію галію

Змішування цих матеріалів може створити унікальну та різну довжину хвилі, щоб досягти бажаного кольору. Різні напівпровідникові сполуки випромінюють світло в певних областях спектру видимого світла і, отже, створюють різні рівні інтенсивності світла. Вибір напівпровідникового матеріалу, який використовується у виробництві світлодіода, визначатиме довжину хвилі випромінювання фотонів і кінцевий колір випромінюваного світла.

Діаграма спрямованості

Діаграма спрямованості визначається як кут випромінювання світла відносно випромінюючої поверхні. Максимальна кількість потужності, інтенсивності або енергії буде отримано в напрямку, перпендикулярному до випромінюючої поверхні. Кут випромінювання світла залежить від кольору, що випромінюється, і зазвичай коливається приблизно від 80° до 110°. Ось таблиця з різні кольори та матеріали:

Колір світла, випромінюваного світлодіодом, не визначається пластиковий колір корпусу який охоплює світлодіод. Це має бути дуже чітким. Як я вже згадував раніше, епоксидна смола використовується як для покращення світловіддачі, так і для вказівки кольору, коли світлодіод вимкнено.

В останні роки також були розроблені сині та білі світлодіоди, але вони дорожчі, ніж стандартні кольорові світлодіоди через виробничі витрати на змішування двох або більше додаткових кольорів у точному співвідношенні в напівпровідниковій суміші.

Багатоколірний світлодіод

На ринку є а доступний широкий асортимент світлодіодів, різної форми, розміру, кольору, інтенсивності вихідного світла тощо. Однак варто сказати, що беззаперечним королем за своєю ціною є червоний світлодіод з фосфіду арсеніду галію, діаметром 5 мм. Він є найбільш використовуваним у світі, тому саме він виробляється в найбільшій кількості.

Однак, як ви бачили, наразі існує багато різних кольорів, і кілька кольорів навіть комбінуються, щоб отримати a Багатоколірний світлодіод як той, який ми побачимо в цьому розділі.

Біколор

Двоколірний світлодіод, як випливає з назви, є a Світлодіод, здатний випромінювати два різні кольори. Це досягається шляхом поєднання двох світлодіодів різного кольору в одній упаковці. Таким чином можна переходити від одного кольору до іншого. Наприклад, як ті світлодіоди, які ви бачите на деяких пристроях, щоб вказати стан заряду акумулятора, які світяться червоним, коли він заряджається, і зеленим, коли він уже заряджений.

Щоб побудувати ці світлодіоди з'єднані паралельно, при цьому анод одного світлодіода з’єднаний з катодом іншого світлодіода і навпаки. Таким чином, коли живлення подається на будь-який з анодів, світиться лише один світлодіод, який отримує живлення через свій анод. Якщо обидва аноди живляться одночасно, можна також увімкнути обидва одночасно за допомогою динамічного перемикання.

Триколор

Є у нас і триколірні світлодіоди, тобто вони може випромінювати три різні кольори замість двох. Вони поєднують три світлодіоди із загальним катодом в одному корпусі, і щоб засвітити один або два кольори, вам потрібно підключити катод до землі. І струм, що подається анодом того кольору, який ви хочете контролювати або вмикати.

Тобто для одно- або двоколірного світлодіодного освітлення необхідно підключити живлення будь-якого анода індивідуально або одночасно. Ці триколірні світлодіоди також часто використовуються в багатьох пристроях, таких як мобільні телефони, для позначення сповіщень тощо. Крім того, цей тип діода генерує додаткові відтінки основних кольорів шляхом увімкнення двох світлодіодів при різних співвідношеннях постійного струму.

Світлодіодний RGB

В основному це тип триколірного світлодіода, в даному випадку відомий як RGB (червоний зелений синій), тому що він випромінює світло трьох кольорів. Як ви, можливо, знаєте, вони стали дуже популярними в кольорових декоративних смугах та ігровому спорядженні. Однак, навіть якщо у вас є основні кольори, неможливо створити всі кольори та відтінки. Деякі кольори виходять за межі трикутника RGB, а такі кольори, як рожевий, коричневий тощо, важко отримати з RGB.

Переваги та недоліки світлодіодів

Тепер настав час побачити, які з них основні переваги та недоліки таких світлодіодів:

Перевага

• Невеликий розмір
• Низька собівартість продукції
• Тривалий термін зберігання (не тане)*
• Висока енергоефективність / низьке споживання
• Низька температура / менше випромінюваного тепла
• Гнучкість дизайну
• Вони можуть створювати багато різних кольорів і навіть біле світло.
• Висока швидкість перемикання
• висока інтенсивність світла
• Може бути розроблений для фокусування світла в одному напрямку
• Це твердотільні напівпровідникові пристрої, тому вони міцніші: більш стійкі до теплового удару та вібрації
• Відсутність УФ-променів

*Чи знаєте ви, що світлодіодні лампи можуть бути вічними. Іноді вони ламаються і їх потрібно замінити, але правда в тому, що світлодіод все ще неушкоджений, що ламається, так це конденсатор, який є в цих лампах.

Недоліки

• Залежність вихідної потужності випромінювання від температури навколишнього середовища та довжини хвилі світлодіода.
• Чутливість до пошкодження внаслідок надмірної напруги та/або надмірного струму.
• Теоретична загальна ефективність досягається тільки в спеціальних холодних або імпульсних умовах.

додатків

Не в останню чергу, необхідно показати, що є можливі застосування для яких ці кольорові світлодіоди призначені:

• для автомобільних фар
• Знаки: покажчики, знаки, світлофори
• Відображення візуальної інформації на інформаційних панелях
• Для дисплеїв, де пікселі складаються зі світлодіодів
• Медичні програми
• Іграшки
• Iluminación
• Пульти дистанційного керування (ІЧ світлодіоди)
• І т.д.

Повний шлях до статті: Hardware libre » Електронні складові » Кольорові світлодіоди: як отримати різні кольори?

Будьте першим, щоб коментувати