دیودهای ساطع نور: پرایمر
نیمه هادی هایی به نام دیودهای ساطع نور (LED) انرژی الکتریکی را به انرژی نور تبدیل می کنند. مواد نیمه هادی و ترکیب رنگ نور خروجی را تعیین می کند، با LED ها اغلب به سه طول موج: فرابنفش، مرئی و مادون قرمز طبقه بندی می شوند.
LED های تجاری موجود با توان خروجی تک عنصری حداقل 5 مگاوات دارای محدوده طول موج 275 تا 950 نانومتر هستند. صرف نظر از سازنده، یک خانواده مواد نیمه هادی خاص برای هر محدوده طول موج استفاده می شود. یک نمای کلی از عملکرد LED و یک نگاه سریع به بخش در این مقاله ارائه شده است. همچنین در مورد انواع مختلف LED، طول موج های مناسب، مواد به کار رفته در ساخت آنها و برخی کاربردهای چراغ های خاص بحث خواهد شد.
LED های UV (ال ای دی های فرابنفش): 240 تا 360 نانومتر
به ویژه برای ضدعفونی آب، کاربردهای پزشکی/زیست پزشکی و پخت صنعتی، از LED های UV استفاده می شود. در طول موج های کوتاه 280 نانومتر، سطوح توان خروجی بیشتر از 100 مگاوات انجام شده است. نیترید گالیم/آلومینیوم نیترید گالیوم (GaN/AlGaN) با طول موج 360 نانومتر یا بیشتر، ماده ای است که اغلب برای LED های UV استفاده می شود. طول موج های کوتاهتر از مواد انحصاری استفاده می کنند. طول موجهای کوتاهتر تنها توسط چند ارائهدهنده تولید میشوند، و هزینههای این LEDها در مقایسه با بقیه محصولات LED هنوز بسیار بالاست، حتی اگر بازار طولموجهای 360 نانومتر و بیشتر به دلیل کاهش قیمت و قیمتهای زیاد در حال تثبیت باشد. عرضه.
LEDهای سبز از نزدیک به UV تا 530 نانومتر متغیر هستند
ایندیم گالیوم نیترید (InGaN) ماده ای است که برای کالاهای این محدوده طول موج استفاده می شود. در حالی که از نظر فنی تولید یک LED با طول موج هر مقدار بین 395 تا 530 نانومتر امکان پذیر است، اکثر تامین کنندگان اصلی بر تولید LED های آبی (450 تا 475 نانومتر) برای روشنایی سفید مبتنی بر فسفر و LED های سبز در 520- تمرکز دارند. برد 530 نانومتر برای چراغ سبز چراغ راهنمایی و رانندگی. اکثر مردم تکنولوژی پشت این LED ها را پیشرفته می دانند. در چند سال گذشته، بهبود بازده نوری کند شده یا متوقف شده است.
لامپ های LED از زرد-سبز تا قرمز: 565 تا 645 نانومتر
ماده نیمه هادی مورد استفاده برای این محدوده طول موج آلومینیوم ایندیم فسفید گالیم (AlInGaP) است. بیشتر در طول موج های زرد (590 نانومتر) و قرمز (625 نانومتر) سیگنال ترافیک تولید می شود. اگرچه آنها کمتر رایج هستند، سبز آهکی (یا سبز مایل به زرد 565 نانومتر) و نارنجی (605 نانومتر) نیز در این فناوری ارائه می شوند.
قابل توجه است که ساطع کننده سبز خالص (555 نانومتر) از ویژگی های فناوری InGaN یا AlInGaP نیست. فن آوری های قدیمی تر و کمتر موثر در این زمینه سبز خالص وجود دارد، اما تصور نمی شود که کارآمد یا درخشان باشند. این عمدتاً ناشی از کمبود منابع مالی برای توسعه فناوریهای مواد جایگزین برای این محدوده طول موج و همچنین فقدان علاقه یا تقاضای تجاری است.
660 تا 900 نانومتر: قرمز عمیق تا مادون قرمز نزدیک (IRLED)
ساخت دستگاه ها در این زمینه می تواند اشکال مختلفی داشته باشد، اما آنها همیشه از عناصر آلومینیوم گالیم آرسنید (AlGaAs) یا گالیم آرسنید (GaAs) استفاده می کنند. کاربردهای پزشکی متعدد (در 660-680 نانومتر) و همچنین کنترل از راه دور مادون قرمز و چراغ های دید در شب از جمله کاربردها هستند.
تئوری عملیات LED
یک ولتاژ الکتریکی که برای حرکت الکترون ها در سراسر ناحیه تخلیه کافی است و با یک سوراخ در طرف دیگر ترکیب می شود و یک جفت الکترون-حفره ایجاد می کند، باید اعمال شود تا LED ها، که دیودهای نیمه هادی هستند، در هنگام جریان الکتریکی نور ساطع کنند. جریان در جهت جلوی دستگاه اعمال می شود. این باعث می شود که الکترون یک فوتون ساطع کند زیرا انرژی خود را به شکل نور آزاد می کند.
طول موج نور ساطع شده به فاصله باند نیمه هادی بستگی دارد. مواد با فاصله باند بالاتر، طول موج های کوتاه تری ساطع می کنند زیرا طول موج های کوتاهتر انرژی بیشتری دارند. ولتاژهای بیشتر نیز برای رسانایی در مواد با فاصله باند بیشتر ضروری است. در حالی که LED های نزدیک مادون قرمز دارای ولتاژ رو به جلو 1.5 تا 2.{5}} V هستند، LED های UV آبی با طول موج کوتاه دارای ولتاژ جلویی 3.5 ولت هستند.
عوامل در دسترس بودن و کارایی برای طول موج
پتانسیل بازار، تقاضای مصرفکننده و طولموجهای استاندارد صنعت، عوامل اصلی تعیینکننده بودن یا نبودن یک طول موج معین از نظر تجاری هستند. این بیشتر در محدوده طول موج 420-460 نانومتر، 480-520 نانومتر و 680-800 نانومتر قابل توجه است. هیچ تولیدکنندهای با حجم بالا وجود ندارد که دستگاههای LED را برای این محدودههای طول موج تولید کند، زیرا هیچ کاربرد پرحجمی برای آنها وجود ندارد. با این وجود، یافتن فروشندگان کوچک یا متوسطی که کالاهایی را برای پر کردن این طول موج های خاص به صورت سفارشی ارائه می کنند، امکان پذیر است.
منطقه طول موجی که در آن هر فناوری مواد مؤثرتر است، تقریباً در مرکز هر محدوده یافت می شود. با افزایش یا کاهش سطح دوپینگ نیمه هادی از سطح ایده آل، کارایی کاهش می یابد. به همین دلیل، یک LED آبی به مراتب بیشتر از یک LED سبز یا نزدیک به UV، نور کهربایی بیشتر از یک LED زرد-سبز و نزدیک به IR نور بیشتری از 660 نانومتر تولید می کند. طراحی برای وسط طیف به جای لبه ها همیشه گزینه بهتری است. علاوه بر این، به دست آوردن کالاهایی که از مرزهای فناوری مواد عبور نمی کنند، ساده تر است.
تامین ال ای دی با جریان و ولتاژ
ال ای دی ها دیود هستند و با وجود اینکه نیمه هادی هستند و برای عملکرد به حداقل ولتاژ نیاز دارند، باید در حالت جریان کار کنند. هنگام استفاده از LED ها در حالت DC، دو روش اصلی وجود دارد: استفاده از یک مقاومت محدود کننده جریان ساده ترین و محبوب ترین است. اتلاف قابل توجه گرما و توان در مقاومت نقطه ضعف این فناوری است. ولتاژ منبع تغذیه باید به طور قابل ملاحظه ای بیشتر از ولتاژ پیشروی LED باشد تا جریان در تغییرات دما و از یک دستگاه به دستگاه دیگر ثابت بماند.
درایورهای LED تجاری خارج از قفسه توسط تامین کنندگان مختلفی ارائه می شوند. برای کنترل روشنایی، آنها معمولاً با استفاده از اصول مدولاسیون عرض پالس عمل می کنند.
مجموعه مشخصی از مسائل هنگام پالس LED در حالت جریان بالا و/یا ولتاژ بالا برای آرایه های متصل به صورت سری و موازی ایجاد می شود. برای یک طراح مبتدی ایجاد یک درایو پالس کنترل شده با جریان که می تواند 5 A و 20 ولت را ارائه دهد عملی نیست. چند شرکت ابزارهای تخصصی برای LED هایی که پالس می کنند تولید می کنند.
LED در برنامه هایی که مردم می توانند ببینند
رنگ دقیق در شرایطی که LED ها مستقیماً به عنوان روشنگر مشاهده می شوند یا از آنها استفاده می شود بسیار مهم تر از خروجی دقیق در لومن یا کندلا است. مغز تنظیمات عالی را برای هر گونه تغییر در شدت نور انجام می دهد در حالی که چشم انسان نسبت به آنها بی تفاوت است. به عنوان مثال، یک فرد معمولی که یک صفحه نمایش ویدئویی LED را در یک ساختمان مشاهده می کند، متوجه کاهش 20 درصدی در شدت نمی شود زیرا بخش هایی از صفحه نمایش در 10 درجه تا 20 درجه خارج از محور در مقایسه با قسمت مستقیم روی محور مشاهده می شود. این یک تغییر تدریجی است که وقتی به سمت لبه دید حرکت می کند درک نمی شود. در مقابل، چشم انسان متوجه تنوع رنگی می شود و اگر LED های ناحیه ای دارای 10 نانومتر اختلاف طول موج با سایر نواحی باشند، آن را آزاردهنده می بیند.
اکثر الایدیهای سفیدی که امروزه استفاده میشوند، با تزریق فسفر با طول موج بلندتر با یک LED آبی ایجاد میشوند. شباهت طیفی به نور خورشید با شاخص رندر رنگ (CRI) اندازه گیری می شود. اکثر الایدیهایی که امروزه در روشنایی عمومی استفاده میشوند دارای CRI بهتر از 80 هستند که 100 عدد معادل نور خورشید در نظر گرفته میشود. LED های سفید به دلیل پیشرفت های CRI و بهره وری اپتیکال بهبود یافته به محبوب ترین محصول برای اکثر کاربردهای روشنایی تبدیل شده اند.
مزایا و کاربردهای LED
در مقایسه با چراغ های فیلتر شده، LED ها مزایای متعددی برای کاربردهای تک رنگ دارند زیرا طیف طول موج آنها با دقت بیشتری مشخص شده است. صرفه جویی در انرژی ناشی از استفاده از یک لامپ رشته ای فیلتر شده برای کاربردهای روشنایی عمومی به طور بالقوه می تواند 100 برابر بیشتر باشد. برنامه هایی مانند علائم راهنمایی و رانندگی و چراغ های معماری از این امر بسیار سود می برند. یک پنل خورشیدی کوچک می تواند به راحتی تابلوهای LED بزرگراه قابل حمل کم مصرف را به جای یک ژنراتور بزرگ تامین کند که این یک مزیت واضح است.
به طور کلی، الایدیها ارزانتر، قابل اطمینانتر هستند و ممکن است از وسایل الکترونیکی ارزانتری نسبت به لیزرها تغذیه شوند. LED ها در حال حاضر توسط ایالات متحده و اتحادیه اروپا به طور جداگانه طبقه بندی می شوند. خوشبختانه، بر خلاف لیزرها و دیودهای لیزری، LED ها با مسائل یا هشدارهای ایمنی چشم مشابهی ارائه نمی شوند. از سوی دیگر، ایجاد لکه های اپتیکال متراکم، بسیار ریز و بسیار همسو با LED ها غیرممکن است. لیزر تقریباً همیشه در کاربردهایی که نیاز به چگالی توان فوقالعاده بالا در یک منطقه فشرده دارند مورد نیاز است.
امروزه LED ها در طیف وسیعی از بخش ها و کاربردها استفاده می شوند (جدول 1). این دستگاه ها به دلیل قابلیت اطمینان زیاد، راندمان بالا و کاهش هزینه کل سیستم در مقایسه با لیزر و لامپ، بسیار مقرون به صرفه و برای بازارهای مصرف کننده و صنعتی جذاب هستند. هر تکنولوژی و/یا رنگ منحصر به فرد LED برای رفع نیازهای کاربری خاص ایجاد شده است.
