Light-Emitting Diodit: Pohjustus
Puolijohteet, joita kutsutaan valodiodeiksi (LED), muuttavat sähköenergian valoenergiaksi. Puolijohdemateriaali ja koostumus määräävät ulostulovalon värin, ja LEDit luokitellaan usein kolmeen aallonpituuteen: ultravioletti, näkyvä ja infrapuna.
Kaupallisesti saatavilla olevien LEDien, joiden yksielementtilähtöteho on vähintään 5 mW, aallonpituusalue on 275-950 nm. Valmistajasta riippumatta kullekin aallonpituusalueelle käytetään tiettyä puolijohdemateriaaliperhettä. Tässä artikkelissa on yleiskatsaus LEDien toimivuuteen ja lyhyt katsaus alaan. Keskustellaan myös erilaisista LED-tyypeistä, sopivista aallonpituuksista, niiden valmistuksessa käytetyistä materiaaleista ja tiettyjen valojen käyttötavoista.
UV-LEDit (ultravioletti-LEDit): 240-360 nm
Erityisesti veden desinfiointiin, lääketieteellisiin/biolääketieteellisiin sovelluksiin ja teolliseen kovetukseen käytetään UV-LED-valoja. Niinkin lyhyillä kuin 280 nm:n aallonpituuksilla on saavutettu yli 100 mW:n tehotasoja. Galliumnitridi/alumiinigalliumnitridi (GaN/AlGaN), jonka aallonpituus on 360 nm tai enemmän, on materiaali, jota käytetään useimmin UV-LED-valoissa. Lyhyemmät aallonpituudet käyttävät ainutlaatuisia materiaaleja. Lyhyempiä aallonpituuksia tuottaa vain muutama toimittaja, ja näiden LEDien kustannukset ovat edelleen melko korkeat muihin LED-tuotteisiin verrattuna, vaikka 360 nm:n ja sitä pidempien aallonpituuksien markkinat ovat vakiintumassa alennettujen hintojen ja suuren toimittaa.
Vihreät LEDit vaihtelevat lähes UV-säteilystä 530 nm:iin
Indiumgalliumnitridi (InGaN) on materiaali, jota käytetään tavaroissa tällä aallonpituusalueella. Vaikka on teknisesti mahdollista valmistaa LED-valoa, jonka aallonpituus on 395–530 nm, suurin osa suurimmista toimittajista keskittyy sinisten LEDien (450–475 nm) tuottamiseen fosforipohjaiseen valkoiseen valaistukseen ja vihreiden LEDien tuottamiseen 520–520– 530 nm liikennevalojen vihreä valaistus. Useimmat ihmiset pitävät näiden LEDien takana olevaa tekniikkaa edistyksellisenä. Muutaman viime vuoden aikana optisen tehokkuuden parantuminen on hidastunut tai pysähtynyt.
LEDit vaihtelevat kelta-vihreästä punaiseen: 565 - 645 nm
Tällä aallonpituusalueella käytetty puolijohdeaine on alumiini-indiumgalliumfosfidi (AlInGaP). Sitä tuotetaan enimmäkseen liikennevalojen keltaisen (590 nm) ja punaisen (625 nm) aallonpituuksilla. Vaikka ne ovat harvinaisempia, tässä tekniikassa tarjotaan myös limenvihreää (tai kellertävänvihreää 565 nm) ja oranssia (605 nm).
On huomionarvoista huomata, että puhtaan vihreä (555 nm) emitteri ei ole InGaN- tai AlInGaP-teknologioiden ominaisuus. Tällä puhtaan vihreän alueella on vanhempia, vähemmän tehokkaita tekniikoita, mutta niitä ei pidetä tehokkaina tai loistavina. Tämä johtuu pääasiassa rahoituksen puutteesta vaihtoehtoisten materiaaliteknologioiden kehittämiseen tälle aallonpituusalueelle sekä kaupallisen kiinnostuksen tai kysynnän puutteesta.
660–900 nm: syvänpunaisesta lähiinfrapunaan (IRLED)
Tämän alueen laitteiden rakentaminen voi olla monia eri muotoja, mutta niissä käytetään aina alumiinigalliumarsenidi (AlGaAs) tai galliumarsenid (GaAs) elementtejä. Käyttökohteita ovat lukuisat lääketieteelliset käyttötarkoitukset (660–680 nm:ssä) sekä infrapunakaukosäätimet ja pimeänäkövalot.
LEDin toimintateoria
Sähköjännite on riittävä, jotta elektronit voivat liikkua tyhjennysalueen poikki ja yhdistyä toisella puolella olevaan reikään elektroni-aukko-parin muodostamiseksi, jotta LEDit, jotka ovat puolijohdediodeja, lähettävät valoa, kun sähkö virta syötetään laitteen eteenpäin. Tämä saa elektronin lähettämään fotonin, kun se vapauttaa energiansa valon muodossa.
Säteilevän valon aallonpituus riippuu puolijohteen kaistanvälistä. Suuremman kaistavälin materiaalit lähettävät lyhyempiä aallonpituuksia, koska lyhyemmillä aallonpituuksilla on enemmän energiaa. suurempia jännitteitä tarvitaan myös johtamiseen materiaaleissa, joissa on suurempi kaistaväli. Lähi-IR-LEDien myötäsuuntainen jännite on 1,5–2.0 V, kun taas lyhytaaltoisten UV-sinisten LEDien lähtöjännite on 3,5 V.
Aallonpituuksien saatavuus ja tehokkuustekijät
Markkinapotentiaali, kulutuskysyntä ja alan standardinmukaiset aallonpituudet ovat tärkeimmät tekijät sen suhteen, onko tietty aallonpituus kaupallisesti kannattavaa vai ei. Tämä on havaittavinta aallonpituusalueilla 420–460 nm, 480–520 nm ja 680–800 nm. Näille aallonpituusalueille ei ole suuria valmistajia valmistavia LED-laitteita, koska niille ei ole suuria määriä käyttöä. Siitä huolimatta on mahdollista löytää pieniä tai keskisuuria myyjiä, jotka tarjoavat tavaroita näiden tiettyjen aallonpituuksien täyttämiseen mittatilaustyönä.
Se aallonpituusalue, jossa jokainen materiaalitekniikka on tehokkain, löytyy melkein jokaisen alueen keskeltä. Tehokkuus heikkenee, kun puolijohteen dopingtaso nousee tai laskee ihanteellisen tason alapuolelle. Tästä syystä sininen LED tuottaa paljon enemmän valoa kuin vihreä tai lähes UV-LED, keltainen tuottaa enemmän valoa kuin keltavihreä LED ja lähes IR tuottaa enemmän valoa kuin 660 nm. Suunnittelu spektrin keskelle reunojen sijaan on aina parempi vaihtoehto. Lisäksi on yksinkertaisempaa saada tavaroita, jotka eivät ole materiaalitekniikan rajoja.
LEDien syöttäminen virralla ja jännitteellä
LEDit ovat diodeja ja niitä on käytettävä virtatilassa, vaikka ne ovat puolijohteita ja vaativat toimiakseen vähimmäisjännitteen. Käytettäessä LEDejä DC-tilassa on kaksi ensisijaista menetelmää: Virtaa rajoittavan vastuksen käyttö on yksinkertaisin ja suosituin. Huomattava lämmön- ja tehohäviö vastuksessa on tämän tekniikan haittapuoli. Syöttöjännitteen on oltava huomattavasti suurempi kuin LEDin myötäjännite, jotta virta pysyy tasaisena lämpötilan muutoksissa ja laitteesta toiseen.
Useat toimittajat tarjoavat kaupallisia valmiita LED-ajureita. Kirkkauden säätämiseksi ne toimivat tyypillisesti käyttämällä pulssinleveysmodulaatioperiaatteita.
Erillisiä ongelmia syntyy, kun LED-valot sykkivät suurvirta- ja/tai suurjännitetilassa sarjaan ja rinnankytketyille matriiseille. Aloittelevan suunnittelijan ei ole käytännöllistä luoda virtaohjattua pulssikäyttöä, joka voi tuottaa 5 A ja 20 V. Muutamat yritykset valmistavat erikoistyökaluja pulsseihin LEDeihin.
LEDit sovelluksissa, jotka ihmiset voivat nähdä
Tarkalla värillä on huomattavasti enemmän merkitystä tilanteissa, joissa LEDejä katsotaan suoraan tai niitä käytetään valaisimina, kuin tarkalla valoteholla lumeneissa tai kandeloissa. Aivot tekevät erinomaiset säädöt valon voimakkuuden vaihteluille, kun taas ihmissilmä on suhteellisen välinpitämätön niihin. Keskivertoihminen, joka katselee esimerkiksi rakennuksessa LED-videonäyttöä, ei huomaa 20 prosentin intensiteetin laskua, koska näytön osia katsotaan 10–20 asteen kulmassa akselin ulkopuolella verrattuna suoraan akselilla olevaan osaan, koska tämä on asteittainen muutos, jota ei havaita sen liikkuessa kohti näön reunaa. Sitä vastoin ihmissilmä huomaa värivaihtelun ja pitää sen kiusallisena, jos alueen LEDeillä on 10 nm aallonpituusero muiden alueiden LEDeihin verrattuna.
Suurin osa nykyään käytössä olevista valkoisista LED-valoista on luotu lisäämällä pidemmän aallonpituuden näkyvää fosforia siniseen LEDiin. Spektrin muistutus auringonpaisteeseen mitataan värintoistoindeksillä (CRI). Suurin osa nykyään yleisvalaistuksessa käytettävistä LED-valoista on CRI-arvoltaan parempi kuin 80, ja 100:aa pidetään auringonpaistetta vastaavana. Valkoisista LEDeistä on tulossa halutuin tuote useimmissa valaistussovelluksissa CRI-kehityksen ja parantuneen optisen tehokkuuden ansiosta.
LEDin edut ja käyttötarkoitukset
Suodatettuihin valoihin verrattuna LEDillä on useita etuja monokromaattisissa sovelluksissa, koska niiden aallonpituusspektrit on määritelty tarkemmin. Suodatetun hehkulampun käyttäminen yleisvalaistussovelluksissa energiansäästö voi olla 100 kertaa suurempi. Sovellukset, kuten liikennevalot ja arkkitehtuurivalot, hyötyvät tästä suuresti. Pieni aurinkopaneeli voi helposti antaa virtaa pienitehoisille kannettaville valtatien LED-kyltteille suuren generaattorin sijaan, mikä on selvä etu.
Yleensä LEDit ovat halvempia, luotettavampia, ja ne voivat saada virtansa halvemmasta elektroniikasta kuin laserit. Sekä Yhdysvallat että Euroopan unioni luokitellaan LEDit nyt erikseen. Onneksi, toisin kuin laserit ja laserdiodit, LEDit eivät sisällä samoja silmäturvallisuusongelmia tai -varoituksia. Toisaalta on mahdotonta luoda optisesti tiheitä, hyvin pieniä ja erittäin kollimoituja täpliä LEDeillä. Laseria tarvitaan lähes aina sovelluksissa, jotka vaativat poikkeuksellisen suurta tehotiheyttä kompaktilla alueella.
Nykyään LEDejä hyödynnetään monilla aloilla ja sovelluksissa (taulukko 1). Nämä laitteet ovat erittäin taloudellisia ja houkuttelevat sekä kuluttaja- että teollisuusmarkkinoille suuren luotettavuutensa, korkean hyötysuhteensa ja lasereihin ja lamppuihin verrattuna alhaisempien järjestelmän kokonaiskustannusten ansiosta. Jokainen ainutlaatuinen LED-tekniikka ja/tai väri on luotu vastaamaan tietyn käyttötarkoituksen tarpeita.
