Diod Pemancar Cahaya: Primer
Semikonduktor yang dipanggil diod pemancar cahaya (LED) mengubah tenaga elektrik kepada tenaga cahaya. Bahan dan komposisi semikonduktor menentukan warna cahaya keluaran, dengan LED sering dikategorikan kepada tiga panjang gelombang: ultraviolet, boleh dilihat dan inframerah.
LED tersedia secara komersil dengan kuasa keluaran elemen tunggal sekurang-kurangnya 5 mW mempunyai julat panjang gelombang 275 hingga 950 nm. Tanpa mengira pengilang, keluarga bahan semikonduktor tertentu digunakan untuk setiap julat panjang gelombang. Gambaran keseluruhan fungsi LED dan pandangan pantas pada sektor ini disediakan dalam artikel ini. Terdapat juga perbincangan tentang jenis LED yang berbeza, panjang gelombang yang sesuai, bahan yang digunakan dalam pembinaannya, dan beberapa kegunaan untuk lampu tertentu.
LED UV (LED ultraungu): 240 hingga 360 nm
Khususnya untuk pembasmian kuman air, aplikasi perubatan/bioperubatan, dan pengawetan industri, LED UV digunakan. Pada panjang gelombang sependek 280 nm, tahap output kuasa lebih daripada 100 mW telah dicapai. Gallium nitride/aluminium gallium nitride (GaN/AlGaN) dengan panjang gelombang 360 nm atau lebih adalah bahan yang paling kerap digunakan untuk LED UV. Panjang gelombang yang lebih pendek menggunakan bahan eksklusif. Panjang gelombang yang lebih pendek dihasilkan oleh beberapa pembekal sahaja, dan kos untuk LED ini masih agak tinggi jika dibandingkan dengan tawaran produk LED yang lain, walaupun pasaran untuk panjang gelombang 360 nm dan lebih lama adalah stabil disebabkan harga yang dikurangkan dan harga yang besar. bekalan.
LED hijau berjulat dari dekat-UV hingga 530 nm
Indium gallium nitride (InGaN) ialah bahan yang digunakan untuk barangan dalam julat panjang gelombang ini. Walaupun secara teknikalnya boleh dilaksanakan untuk menghasilkan LED dengan panjang gelombang sebarang nilai antara 395 dan 530 nm, majoriti pembekal utama menumpukan pada penjanaan LED biru (450 hingga 475 nm) untuk pencahayaan putih berasaskan fosfor dan LED hijau dalam 520– Julat 530 nm untuk lampu hijau isyarat lalu lintas. Kebanyakan orang menganggap teknologi di sebalik LED ini canggih. Sejak beberapa tahun kebelakangan ini, peningkatan dalam kecekapan optik telah perlahan atau terhenti.
LED daripada kuning-hijau hingga merah: 565 hingga 645 nm
Bahan semikonduktor yang digunakan untuk julat panjang gelombang ini ialah aluminium indium gallium phosphide (AlInGaP). Ia kebanyakannya dihasilkan dalam isyarat lalu lintas kuning (590 nm) dan merah (625 nm) panjang gelombang. Walaupun ia kurang biasa, warna hijau limau (atau hijau kekuningan 565 nm) dan oren (605 nm) turut ditawarkan dalam teknologi ini.
Perlu diperhatikan bahawa pemancar hijau tulen (555 nm) bukanlah ciri sama ada teknologi InGaN atau AlInGaP. Terdapat teknologi yang lebih lama dan kurang berkesan dalam bidang hijau tulen ini, tetapi mereka tidak dianggap sebagai cekap atau cemerlang. Ini kebanyakannya disebabkan oleh kekurangan pembiayaan untuk pembangunan teknologi bahan alternatif untuk julat panjang gelombang ini serta kekurangan minat atau permintaan komersial.
660 hingga 900 nm: merah dalam kepada inframerah dekat (IRLED)
Pembinaan peranti di kawasan ini boleh mengambil pelbagai bentuk, tetapi ia sentiasa menggunakan unsur aluminium gallium arsenide (AlGaAs) atau gallium arsenide (GaAs). Pelbagai kegunaan perubatan (pada 660–680 nm) serta alat kawalan jauh inframerah dan lampu penglihatan malam adalah antara aplikasi.
Teori operasi LED
Voltan elektrik yang mencukupi untuk elektron bergerak merentasi kawasan penyusutan dan bergabung dengan lubang di sisi lain untuk mencipta pasangan lubang elektron mesti digunakan agar LED, yang merupakan diod semikonduktor, memancarkan cahaya apabila elektrik arus digunakan dalam arah hadapan peranti. Ini menyebabkan elektron mengeluarkan foton kerana ia membebaskan tenaganya dalam bentuk cahaya.
Panjang gelombang cahaya yang dipancarkan bergantung pada celah jalur semikonduktor. Bahan celah jalur yang lebih tinggi mengeluarkan panjang gelombang yang lebih pendek kerana panjang gelombang yang lebih pendek mempunyai lebih banyak tenaga. voltan yang lebih besar juga diperlukan untuk pengaliran dalam bahan dengan jurang jalur yang lebih besar. Walaupun LED berhampiran-IR mempunyai voltan hadapan 1.5 hingga 2.0 V, LED biru-UV panjang gelombang pendek mempunyai voltan hadapan 3.5 V.
Faktor ketersediaan dan kecekapan untuk panjang gelombang
Potensi pasaran, permintaan pengguna dan panjang gelombang standard industri adalah penentu utama sama ada panjang gelombang tertentu berdaya maju secara komersial atau tidak. Ini paling ketara dalam julat panjang gelombang 420–460 nm, 480–520 nm, dan 680–800 nm. Tiada pengeluar volum tinggi yang menghasilkan peranti LED untuk julat panjang gelombang ini kerana tiada penggunaan volum tinggi untuknya. Namun begitu, adalah boleh dilakukan untuk mencari vendor bersaiz kecil atau sederhana yang menyediakan barangan untuk mengisi panjang gelombang khusus ini atas dasar yang dipesan lebih dahulu.
Rantau panjang gelombang di mana setiap teknologi bahan paling berkesan boleh didapati hampir di tengah-tengah setiap julat. Kecekapan berkurangan apabila tahap doping semikonduktor meningkat atau menurun di bawah paras ideal. Atas sebab ini, LED biru menghasilkan lebih banyak cahaya daripada LED hijau atau dekat-UV, ambar menghasilkan lebih banyak cahaya daripada LED kuning-hijau, dan dekat-IR menghasilkan lebih banyak cahaya daripada 660 nm. Mereka bentuk untuk bahagian tengah spektrum dan bukannya tepi sentiasa menjadi pilihan yang lebih baik. Selain itu, lebih mudah untuk mendapatkan barangan yang tidak menjangkau sempadan teknologi material.
Membekalkan LED dengan arus dan voltan
LED adalah diod dan mesti dikendalikan dalam mod semasa walaupun ia adalah semikonduktor dan memerlukan voltan minimum untuk berfungsi. Apabila menggunakan LED dalam mod DC, terdapat dua kaedah utama: Penggunaan perintang pengehad arus adalah yang paling mudah dan paling popular. Pelesapan haba dan kuasa yang besar dalam perintang adalah kelemahan teknologi ini. Voltan bekalan perlu jauh lebih tinggi daripada voltan hadapan LED untuk arus kekal stabil merentasi perubahan suhu dan dari satu peranti ke peranti yang lain.
Pemacu LED luar biasa komersial ditawarkan oleh pelbagai pembekal. Untuk kawalan kecerahan, ia biasanya berfungsi menggunakan prinsip modulasi lebar denyut.
Satu set isu yang berbeza timbul apabila berdenyut LED dalam mod arus tinggi dan/atau voltan tinggi untuk tatasusunan yang disambungkan secara bersiri dan selari. Adalah tidak praktikal untuk pereka permulaan untuk mencipta pemacu nadi terkawal semasa yang boleh menyediakan 5 A dan 20 V. Beberapa syarikat menghasilkan alat khusus untuk LED yang berdenyut.
LED dalam aplikasi yang boleh dilihat oleh orang ramai
Warna tepat lebih penting dalam situasi di mana LED dilihat secara langsung atau digunakan sebagai luminator daripada output tepat dalam lumen atau candela. Otak membuat pelarasan yang sangat baik untuk sebarang variasi dalam keamatan cahaya manakala mata manusia agak acuh tak acuh terhadapnya. Rata-rata orang yang melihat skrin video LED pada bangunan, misalnya, tidak akan melihat pengurangan 20 peratus dalam keamatan kerana bahagian skrin dilihat pada 10 darjah hingga 20 darjah di luar paksi berbanding bahagian secara langsung pada paksi kerana ini adalah perubahan beransur-ansur yang tidak dilihat kerana ia bergerak ke arah tepi penglihatan. Sebaliknya, mata manusia akan melihat variasi warna dan merasa mengganggu jika LED kawasan mempunyai perbezaan panjang gelombang 10 nm daripada di kawasan lain.
Kebanyakan LED putih yang digunakan hari ini dicipta dengan memasukkan fosfor boleh dilihat dengan panjang gelombang yang lebih panjang dengan LED biru. Keserupaan spektrum kepada cahaya matahari diukur dengan indeks pemaparan warna (CRI). Majoriti LED yang digunakan dalam pencahayaan umum pada masa kini mempunyai CRI lebih baik daripada 80, dengan 100 dianggap setara dengan cahaya matahari. LED putih menjadi produk yang paling dicari untuk kebanyakan aplikasi pencahayaan disebabkan oleh kemajuan CRI dan kecekapan optik yang lebih baik.
Faedah dan kegunaan LED
Berbanding dengan lampu yang ditapis, LED mempunyai beberapa faedah untuk aplikasi monokromatik kerana spektrum panjang gelombangnya ditentukan dengan lebih tepat. Penjimatan tenaga daripada menggunakan mentol pijar yang ditapis untuk aplikasi pencahayaan am berpotensi menjadi 100 kali lebih tinggi. Aplikasi seperti isyarat lalu lintas dan lampu seni bina mendapat manfaat yang besar daripada ini. Panel suria yang kecil boleh dengan mudah memberi kuasa kepada tanda LED lebuh raya mudah alih berkuasa rendah sebagai ganti penjana besar, yang merupakan faedah yang jelas.
Secara umum, LED adalah lebih murah, lebih boleh dipercayai dan mungkin dikuasakan oleh elektronik yang lebih murah daripada laser. LED kini dikelaskan secara berasingan oleh kedua-dua AS dan Kesatuan Eropah. Nasib baik, tidak seperti laser dan diod laser, LED tidak datang dengan isu atau amaran keselamatan mata yang sama. Sebaliknya, adalah mustahil untuk mencipta tompok optik padat, sangat kecil, dan sangat berkolimat dengan LED. Laser hampir selalu diperlukan dalam aplikasi yang memerlukan ketumpatan kuasa yang sangat tinggi di kawasan padat.
Hari ini, LED digunakan dalam pelbagai sektor dan aplikasi (Jadual 1). Peranti ini sangat menjimatkan dan menarik kepada kedua-dua pasaran pengguna dan industri berkat kebolehpercayaan yang tinggi, kecekapan tinggi dan jumlah kos sistem yang dikurangkan berbanding dengan laser dan lampu. Setiap teknologi dan/atau warna LED yang unik telah dicipta untuk memenuhi keperluan penggunaan tertentu.