Đi-ốt phát sáng: Lớp sơn lót
Chất bán dẫn được gọi là đi-ốt phát quang (đèn LED) biến đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng. Vật liệu bán dẫn và thành phần xác định màu sắc của ánh sáng đầu ra, với đèn LED thường được phân loại thành ba bước sóng: cực tím, khả kiến và hồng ngoại.
Các đèn LED thương mại sẵn có với công suất đầu ra một phần tử ít nhất là 5 mW có dải bước sóng từ 275 đến 950 nm. Bất kể nhà sản xuất nào, một họ vật liệu bán dẫn cụ thể được sử dụng cho từng dải bước sóng. Tổng quan về hoạt động của đèn LED và lướt qua lĩnh vực này được cung cấp trong bài viết này. Cũng sẽ có một cuộc thảo luận về các loại đèn LED khác nhau, các bước sóng thích hợp, vật liệu được sử dụng trong cấu tạo của chúng và một số cách sử dụng cho các đèn cụ thể.
Đèn LED UV (đèn LED cực tím): 240 đến 360 nm
Riêng đối với khử trùng nước, các ứng dụng y tế/y sinh và bảo dưỡng công nghiệp, đèn LED UV được sử dụng. Ở bước sóng ngắn tới 280 nm, mức công suất đầu ra lớn hơn 100 mW đã được thực hiện. Gallium nitride/nhôm gallium nitride (GaN/AlGaN) với bước sóng 360 nm hoặc dài hơn là vật liệu được sử dụng thường xuyên nhất cho đèn LED UV. Bước sóng ngắn hơn sử dụng các vật liệu độc quyền. Các bước sóng ngắn hơn chỉ được sản xuất bởi một số nhà cung cấp và chi phí cho các đèn LED này vẫn còn khá cao khi so sánh với các sản phẩm LED còn lại, ngay cả khi thị trường cho các bước sóng 360 nm trở lên đang ổn định do giá giảm và thị trường lớn. cung cấp.
Đèn LED màu xanh lá cây có dải từ gần tia cực tím đến 530nm
Indium gallium nitride (InGaN) là vật liệu được sử dụng cho hàng hóa trong phạm vi bước sóng này. Mặc dù về mặt kỹ thuật có thể sản xuất đèn LED có bước sóng với bất kỳ giá trị nào trong khoảng từ 395 đến 530 nm, nhưng phần lớn các nhà cung cấp chính tập trung vào việc tạo ra đèn LED xanh lam (450 đến 475 nm) để chiếu sáng trắng dựa trên phốt pho và đèn LED xanh lục trong 520– Phạm vi 530 nm cho đèn xanh tín hiệu giao thông. Hầu hết mọi người coi công nghệ đằng sau những đèn LED này là tiên tiến. Trong vài năm qua, những cải tiến về hiệu quả quang học đã chậm lại hoặc ngừng hẳn.
Đèn LED từ vàng-lục đến đỏ: 565 đến 645 nm
Chất bán dẫn được sử dụng cho dải bước sóng này là nhôm indium gallium phosphide (AlInGaP). Nó chủ yếu được tạo ra ở bước sóng màu vàng (590 nm) và đỏ (625 nm) của tín hiệu giao thông. Mặc dù chúng ít phổ biến hơn, nhưng màu lục chanh (hoặc màu lục vàng 565 nm) và màu da cam (605 nm) cũng được cung cấp trong công nghệ này.
Cần lưu ý rằng bộ phát màu xanh lá cây thuần khiết (555 nm) không phải là một tính năng của công nghệ InGaN hoặc AlInGaP. Có những công nghệ cũ hơn, kém hiệu quả hơn trong lĩnh vực xanh thuần túy này, nhưng chúng không được cho là hiệu quả hay xuất sắc. Điều này chủ yếu là do thiếu tài chính cho việc phát triển các công nghệ vật liệu thay thế cho dải bước sóng này cũng như thiếu lợi ích hoặc nhu cầu thương mại.
660 đến 900 nm: đỏ đậm đến cận hồng ngoại (IRLED)
Việc xây dựng các thiết bị trong lĩnh vực này có thể có nhiều dạng khác nhau, nhưng chúng luôn sử dụng các nguyên tố nhôm gali arsenua (AlGaAs) hoặc gali arsenua (GaAs). Nhiều mục đích sử dụng trong y tế (ở bước sóng 660–680 nm) cũng như điều khiển từ xa hồng ngoại và đèn nhìn ban đêm nằm trong số các ứng dụng.
lý thuyết hoạt động LED
Một điện áp đủ để các electron di chuyển qua vùng cạn kiệt và kết hợp với một lỗ trống ở phía bên kia để tạo ra một cặp electron-lỗ trống phải được áp dụng để đèn LED, là điốt bán dẫn, phát ra ánh sáng khi có điện. dòng điện được áp dụng theo hướng chuyển tiếp của thiết bị. Điều này làm cho electron phát ra một photon khi nó giải phóng năng lượng của nó dưới dạng ánh sáng.
Bước sóng của ánh sáng phát ra phụ thuộc vào vùng cấm của chất bán dẫn. Vật liệu có vùng cấm cao hơn phát ra bước sóng ngắn hơn vì bước sóng ngắn hơn có nhiều năng lượng hơn. điện áp lớn hơn cũng cần thiết cho sự dẫn điện trong vật liệu có độ rộng vùng cấm lớn hơn. Trong khi đèn LED hồng ngoại gần có điện áp chuyển tiếp từ 1,5 đến 2.0 V, đèn LED xanh lam UV bước sóng ngắn có điện áp chuyển tiếp là 3,5 V.
Các yếu tố sẵn có và hiệu quả cho bước sóng
Tiềm năng thị trường, nhu cầu của người tiêu dùng và bước sóng tiêu chuẩn ngành là những yếu tố chính quyết định liệu một bước sóng nhất định có khả thi về mặt thương mại hay không. Điều này dễ nhận thấy nhất trong dải bước sóng 420–460 nm, 480–520 nm và 680–800 nm. Không có nhà sản xuất số lượng lớn nào sản xuất các thiết bị LED cho các dải bước sóng này vì không có số lượng sử dụng lớn cho chúng. Tuy nhiên, có thể xác định vị trí các nhà cung cấp vừa hoặc nhỏ cung cấp hàng hóa để đáp ứng các bước sóng cụ thể này trên cơ sở đặt trước.
Vùng bước sóng mà mỗi công nghệ vật liệu hoạt động hiệu quả nhất có thể được tìm thấy gần như ở trung tâm của mỗi dải. Hiệu quả giảm dần khi mức pha tạp của chất bán dẫn tăng hoặc giảm xuống dưới mức lý tưởng. Vì lý do này, đèn LED xanh lam tạo ra nhiều ánh sáng hơn nhiều so với đèn LED xanh lục hoặc cận UV, màu hổ phách tạo ra nhiều ánh sáng hơn đèn LED xanh lục vàng và hồng ngoại gần tạo ra nhiều ánh sáng hơn 660 nm. Thiết kế cho phần giữa của quang phổ thay vì các cạnh luôn là một lựa chọn tốt hơn. Ngoài ra, việc mua những hàng hóa không nằm trong ranh giới của công nghệ vật liệu sẽ đơn giản hơn.
Cung cấp đèn LED với dòng điện và điện áp
Đèn LED là điốt và phải được vận hành ở chế độ hiện tại mặc dù chúng là chất bán dẫn và yêu cầu điện áp tối thiểu để hoạt động. Khi sử dụng đèn LED ở chế độ DC, có hai phương pháp chính: Sử dụng điện trở giới hạn dòng điện là cách đơn giản và phổ biến nhất. Sự tản nhiệt và năng lượng đáng kể trong điện trở là một nhược điểm của công nghệ này. Điện áp cung cấp cần phải cao hơn đáng kể so với điện áp chuyển tiếp của đèn LED để dòng điện duy trì ổn định khi thay đổi nhiệt độ và từ thiết bị này sang thiết bị khác.
Trình điều khiển LED bán sẵn trên thị trường được cung cấp bởi nhiều nhà cung cấp. Để kiểm soát độ sáng, chúng thường hoạt động bằng cách sử dụng các nguyên tắc điều chế độ rộng xung.
Một loạt các vấn đề khác biệt phát sinh khi phát xung các đèn LED ở chế độ dòng điện cao và/hoặc điện áp cao cho các mảng được kết nối nối tiếp và song song. Người mới bắt đầu thiết kế không thể tạo ra bộ điều khiển xung điều khiển dòng điện có thể cung cấp 5 A và 20 V. Một số công ty sản xuất các công cụ chuyên dụng cho đèn LED phát xung.
Đèn LED trong các ứng dụng mà mọi người có thể nhìn thấy
Màu sắc chính xác quan trọng hơn đáng kể trong các tình huống mà đèn LED được xem trực tiếp hoặc được sử dụng làm bộ phát sáng so với đầu ra chính xác tính bằng lumen hoặc candela. Bộ não thực hiện những điều chỉnh tuyệt vời đối với bất kỳ sự thay đổi nào về cường độ ánh sáng trong khi mắt người tương đối thờ ơ với chúng. Chẳng hạn, một người bình thường xem màn hình video LED trên một tòa nhà sẽ không nhận thấy cường độ giảm 20 phần trăm do các phần của màn hình được xem lệch trục từ 10 độ đến 20 độ so với phần trực tiếp trên trục vì đây là một sự thay đổi dần dần không được cảm nhận khi nó di chuyển về phía rìa của tầm nhìn. Ngược lại, mắt người sẽ nhận thấy sự thay đổi màu sắc và cảm thấy khó chịu nếu đèn LED của một khu vực có bước sóng chênh lệch 10 nm so với đèn LED ở các khu vực khác.
Hầu hết các đèn LED trắng được sử dụng ngày nay được tạo ra bằng cách truyền một chất lân quang nhìn thấy được có bước sóng dài hơn với một đèn LED màu xanh lam. Sự tương đồng quang phổ với ánh nắng mặt trời được đo bằng chỉ số kết xuất màu (CRI). Phần lớn đèn LED được sử dụng trong chiếu sáng chung hiện nay có CRI tốt hơn 80, với 100 được coi là tương đương với ánh nắng mặt trời. Đèn LED trắng đang trở thành sản phẩm được tìm kiếm nhiều nhất cho phần lớn các ứng dụng chiếu sáng do những tiến bộ của CRI và hiệu quả quang học được cải thiện.
Lợi ích và ứng dụng của đèn LED
So với đèn được lọc, đèn LED có một số lợi ích cho các ứng dụng đơn sắc vì phổ bước sóng của chúng được chỉ định chính xác hơn. Tiết kiệm năng lượng từ việc sử dụng bóng đèn sợi đốt được lọc cho các ứng dụng chiếu sáng chung có thể cao hơn gấp 100 lần. Các ứng dụng như tín hiệu giao thông và đèn kiến trúc được hưởng lợi rất nhiều từ điều này. Một bảng điều khiển năng lượng mặt trời nhỏ có thể dễ dàng cung cấp năng lượng cho các biển báo LED trên đường cao tốc di động công suất thấp thay cho một máy phát điện lớn, đây là một lợi ích rõ ràng.
Nói chung, đèn LED rẻ hơn, đáng tin cậy hơn và có thể được cung cấp bởi các thiết bị điện tử rẻ hơn so với laser. Đèn LED hiện được phân loại riêng bởi cả Hoa Kỳ và Liên minh Châu Âu. May mắn thay, không giống như tia laze và điốt laze, đèn LED không đi kèm với các vấn đề hoặc cảnh báo về an toàn cho mắt giống như vậy. Mặt khác, không thể tạo ra các điểm dày đặc về mặt quang học, rất nhỏ và chuẩn trực cao bằng đèn LED. Gần như luôn luôn cần có một tia laser trong các ứng dụng đòi hỏi mật độ năng lượng đặc biệt cao trong một vùng nhỏ gọn.
Ngày nay, đèn LED được sử dụng trong nhiều lĩnh vực và ứng dụng (Bảng 1). Những thiết bị này cực kỳ kinh tế và hấp dẫn đối với cả thị trường tiêu dùng và công nghiệp nhờ độ tin cậy cao, hiệu quả cao và giảm tổng chi phí hệ thống so với laser và đèn. Mỗi công nghệ và/hoặc màu sắc LED độc đáo đã được tạo ra để đáp ứng nhu cầu sử dụng cụ thể.
