Gekleurde LED's: hoe krijg je de verschillende kleuren?

De Gekleurde leds Ze hebben ons de afgelopen jaren vergezeld. Elke keer verschijnen er nieuwe tinten LED's, omdat het niet in alle gevallen gemakkelijk was. Als curiositeit moet u bijvoorbeeld weten dat witlicht-LED's en blauwlicht-LED's als een van de laatsten op de markt zijn gekomen.

Momenteel zijn ze geworden een type diode essentieel voor veel gebieden. Daarom leer je in dit artikel alles wat je moet weten Op deze elementaire elektronische componenten, en over waarom ze licht uitstralen, waarom die kleuren, en nog veel meer...

Halfgeleider lichtgevende bronnen

Zoals u zou moeten weten, zijn de twee bronnen van lichtemissie die afkomstig kunnen zijn van halfgeleiderapparaten Laserdiodes en LED-diodes. Terwijl LED is gebaseerd op spontane emissie, zijn lasers gebaseerd op gestimuleerde emissie. Dat is het verschil tussen die twee.

De lichtgevende diodes (Light Emitting Diode) ze zijn de meest voorkomende lichtbron onder elektronische apparatuur. Ze worden gebruikt om de tijd op digitale horloges aan te geven, om de werking of het opladen van de batterij aan te geven, enz. De toepassingen zijn talrijk, en nu zijn ze ook in de verlichting gesprongen met de nieuwe LED-lampen om alle soorten kamers en zelfs voertuigen te verlichten.

Deze led-apparaten behoren tot de groep van opto-halfgeleiders, in staat een elektrische stroom om te zetten in licht. Dit verlichtingsapparaat heeft het grote voordeel dat het duurzaam is, omdat het niet doorbrandt zoals gloeilampen, en het is ook veel efficiënter, waardoor het verbruik veel lager is dan bij conventionele gloeilampen. Bovendien zijn hun productiekosten erg laag, daarom zijn ze zo populair geworden.

Net als elk ander halfgeleiderapparaat heeft de LED de basishoofdelementen, zoals de P-zones met gaten (+) en N-zones met elektronen (-), dat wil zeggen, de gebruikelijke ladingsdragers van een halfgeleider. En dit maakt:

• Wanneer de P-zijde is aangesloten op een voeding en de N-zijde op aarde, is de verbinding voorwaarts gericht, waardoor er stroom door de diode kan stromen en licht kan uitzenden dat we allemaal kunnen zien.
• Als de P-zijde is verbonden met aarde en de N-zijde is verbonden met de voeding, wordt gezegd dat de verbinding in tegengestelde richting is voorgespannen, wat de stroomstroom verhindert. U weet al dat diodes de stroomstroom in één richting voorkomen.
• Wanneer voorwaarts gericht, combineren de P-zijde en N-zijde meerderheids- en minderheidsladingsdragers met elkaar, waardoor ladingsdragers in de uitputtingslaag van de PN-overgang worden geneutraliseerd. En op zijn beurt geeft deze migratie van elektronen en gaten een bepaalde hoeveelheid fotonen vrij, dat wil zeggen dat een deel van de energie wordt uitgezonden in de vorm van licht, met een constante (monochromatische) golflengte. Dit is wat de kleur van de LED zal kenmerken, aangezien deze, afhankelijk van de golflengte die hij uitzendt, IR, blauw, geel, groen, geel, amber, wit, rood, UV, enz. kan zijn.
• De uitgezonden golflengte van het elektromagnetische spectrum, en dus de kleur, wordt bepaald door de halfgeleidermaterialen die de PN-overgang van de diode vormen. Daarom kunnen halfgeleiderverbindingen worden gevarieerd of gespeeld om nieuwe kleuren binnen het spectrum of het zichtbare bereik te creëren.

Wel moet gezegd worden dat de kleuren rood, blauw en groen (RGB of Rood Groen Blauw) prima te combineren zijn om wit licht produceren. Aan de andere kant moet gezegd worden dat de werkspanning van de LED's ook varieert afhankelijk van de kleur. Zo hebben de kleuren rood, groen, amber en geel ongeveer 1.8 volt nodig om te werken. En het is dat het werkspanningsbereik van de lichtemitterende diode kan worden bepaald op basis van de doorslagspanning van het halfgeleidermateriaal dat wordt gebruikt voor de fabricage van de LED.

LED-typen

LED's kunnen op verschillende manieren worden geclassificeerd, een van de belangrijkste is om het te doen op basis van de golflengte die ze uitzenden twee categorieën:

•  zichtbare LED's: zijn die golflengten uitzenden binnen het zichtbare spectrum, dat wil zeggen tussen 400 nm en 750 nm. Dit bereik is wat het menselijk oog kan zien, net zoals we in het geluidsveld alleen kunnen horen tussen 20 Hz en 20 Khz. Onder de 20 Hz is infrageluid dat we niet kunnen horen, en boven de 20 Khz is ultrageluid dat we ook niet kunnen opvangen. Iets soortgelijks gebeurt in het geval van licht, met infrarood of IR wanneer het onder de 400 nm komt en ultraviolet licht wanneer het boven de 750 nm komt. Beide onzichtbaar voor het menselijk oog.
•  onzichtbare LED's: zijn die golflengten die we niet kunnen zien, zoals bij een IR-diode of een UV-diode.

Zichtbare LED's worden voornamelijk gebruikt voor verlichting of signalering. Onzichtbare LED's worden gebruikt in toepassingen zoals optische schakelaars, optische communicatie en analyse, enz., met behulp van fotosensoren.

doeltreffendheid

Zoals u weet, is LED-verlichting veel efficiënter dan conventioneel, dus het verbruikt veel minder energie. Dit komt door de aard van LED's. En in de volgende tabel ziet u de relatie tussen de lichtstroom en het elektrische ingangsvermogen dat aan de LED wordt geleverd. Dat wil zeggen, het kan worden uitgedrukt in lumen per watt (lm/W):

LED-constructie

Bron: ResearchGate

La structuur en constructie van lichtgevende diodes zijn heel anders dan die van een normale diode, zoals een zener, enz. Er zal licht worden uitgezonden door de LED wanneer de PN-overgang voorwaarts is voorgespannen. De PN-overgang is bedekt met een solide epoxyhars en een transparante plastic halfbolvormige koepel die de binnenkant van de LED beschermt tegen atmosferische storingen, trillingen en thermische schokken.

De PN-overgang wordt gevormd met behulp van de materialen verbindingen met een lagere bandgap zoals galliumarsenide, galliumarsenidefosfide, galliumfosfide, indiumgalliumnitride, galliumaluminiumnitride, siliciumcarbide, enz. Rode LED's zijn bijvoorbeeld gebouwd op galliumarsenidesubstraat, groen, geel en oranje op galliumfosfide, enz. In de rode kleuren is de N-type laag gedoteerd met tellurium (Te) en de P-laag is gedoteerd met zink (Zn). Aan de andere kant worden de contactlagen gevormd met behulp van aluminium aan de P-zijde en tin-aluminium aan de N-zijde.

Je moet ook weten dat deze kruispunten niet veel licht uitstralen, dus de koepel van epoxyhars het is zo geconstrueerd dat fotonen van licht uitgezonden door de PN-overgang er het best doorheen worden gereflecteerd en gefocusseerd. Dat wil zeggen, het fungeert niet alleen als een beschermer, maar ook als een lichtconcentrerende lens. Dit is de reden waarom het uitgestraalde licht aan de bovenkant van de LED helderder lijkt te zijn.

De LED's zijn ontworpen om ervoor te zorgen dat de het grootste deel van de recombinatie van ladingsdragers vindt plaats aan het oppervlak van de PN-overgang om voor de hand liggende redenen, en dat wordt op deze manier bereikt:

• Door de doteringsconcentratie van het substraat te verhogen, bewegen extra minderheidsladingsdragerelektronen naar de bovenkant van de structuur, recombineren en stralen licht uit op het LED-oppervlak.
• Door de diffusielengte van de ladingsdragers te vergroten, dat wil zeggen, L = √ Dτ, waarbij D de diffusiecoëfficiënt is en τ de levensduur van de ladingsdrager. Wanneer het boven de kritische waarde wordt verhoogd, is er een mogelijkheid van reabsorptie van de vrijgekomen fotonen in het apparaat.

Dus wanneer de LED-diode is aangesloten met voorwaartse voorspanning, vrachtvervoerders ze krijgen genoeg energie om de bestaande potentiële barrière op de PN-kruising te overwinnen. Minderheidsladingsdragers in zowel de P-type als N-type halfgeleider worden over de kruising geïnjecteerd en recombineren met de meerderheidsdragers. De combinatie van meerderheids- en minderheidsdragers kan op twee manieren zijn:

• stralend: wanneer licht wordt uitgezonden tijdens recombinatie.
• niet stralend: bij recombinatie wordt geen licht uitgezonden, er wordt warmte geproduceerd. Dat wil zeggen, een deel van de toegepaste elektrische energie gaat verloren in de vorm van warmte en niet in licht. Afhankelijk van het percentage energie dat wordt gebruikt om licht of warmte op te wekken, is dit het rendement van de led.

organische halfgeleiders

Sinds kort hebben ze ook ingebroken op de markt OLED of organische lichtgevende diodes, die zijn gebruikt voor beeldschermen. Deze nieuwe organische diodes zijn samengesteld uit een materiaal van organische aard, dat wil zeggen een organische halfgeleider, waarbij geleiding gedeeltelijk of in het gehele organische molecuul is toegestaan.

Deze organische materialen kunnen in kristallijne fase of in polymere moleculen. Dit heeft het voordeel dat ze een zeer dunne structuur hebben, lage kosten, ze hebben een zeer lage spanning nodig om te werken, ze hebben een hoge helderheid en het maximale contrast en de maximale intensiteit.

LED-kleuren

In tegenstelling tot normale halfgeleiderdiodes, stralen LED's dat licht uit dankzij de verbindingen die ze gebruiken, zoals ik al eerder zei. Normale halfgeleiderdiodes zijn gemaakt van silicium of germanium, maar lichtgevende diodes wel verbindingen zoals:

• galliumarsenide
• galliumarsenidefosfide
• Siliciumcarbide
• indium-galliumnitride

Het mengen van deze materialen kan een unieke en andere golflengte produceren om de gewenste kleur te bereiken. Verschillende halfgeleiderverbindingen zenden licht uit in gedefinieerde gebieden van het zichtbare lichtspectrum en produceren daarom verschillende niveaus van lichtintensiteit. De keuze van het halfgeleidermateriaal dat wordt gebruikt bij de fabricage van de led, bepaalt de golflengte van de fotonenemissies en de resulterende kleur van het uitgezonden licht.

Stralingspatroon

Het stralingspatroon wordt gedefinieerd als de hoek van lichtemissie ten opzichte van het emitterende oppervlak. De maximale hoeveelheid vermogen, intensiteit of energie wordt verkregen in de richting loodrecht op het uitstralende oppervlak. De lichtuitstralingshoek is afhankelijk van de uitgestraalde kleur en varieert gewoonlijk tussen ongeveer 80° en 110°. Hier is een tabel met de verschillende kleuren en materialen:

De kleur van het licht dat een LED uitstraalt, wordt niet bepaald door de kunststof carrosseriekleur die de LED omsluit. Dit moet heel duidelijk worden gemaakt. Zoals ik eerder al zei, wordt epoxyhars zowel gebruikt om de lichtopbrengst te verbeteren als om kleur aan te geven wanneer de LED uit is.

LED veelkleurig

Op de markt is er een grote verscheidenheid aan LED's beschikbaar, met verschillende vormen, maten, kleuren, uitgangslichtintensiteiten, enz. Het moet echter gezegd worden dat de onbetwiste koning voor zijn prijs de galliumarsenidefosfide rode LED is, met een diameter van 5 mm. Dat is de meest gebruikte ter wereld, dus het is degene die in de grootste hoeveelheid wordt vervaardigd.

Zoals je hebt gezien, zijn er momenteel echter veel verschillende kleuren en worden er zelfs meerdere kleuren gecombineerd om een LED veelkleurig zoals degene die we in deze sectie gaan zien ...

Twee kleuren

Een tweekleurige LED is, zoals de naam al doet vermoeden, een LED die in twee verschillende kleuren kan uitstralen. Dit wordt bereikt door twee verschillend gekleurde LED's in hetzelfde pakket te combineren. Op deze manier kunt u van de ene kleur naar de andere overschakelen. Zoals bijvoorbeeld die LED's die je op sommige apparaten ziet om de status van de batterijlading aan te geven die rood worden als deze aan het opladen is en groen als deze al is opgeladen.

Om deze LED's te bouwen zijn parallel geschakeld, waarbij de anode van de ene led is aangesloten op de kathode van een andere led en vice versa. Op deze manier zal, wanneer stroom wordt geleverd aan een van de anoden, slechts één LED oplichten, de LED die stroom ontvangt via zijn anode. Als beide anoden tegelijkertijd worden gevoed, is het ook mogelijk om beide tegelijkertijd aan te zetten met dynamisch schakelen.

driekleur

We hebben ook driekleurige LED's, dat wil zeggen zij kan drie verschillende kleuren uitzenden in plaats van twee. Deze combineren drie LED's met een gemeenschappelijke kathode in hetzelfde pakket, en om een ​​of twee kleuren te laten branden, moet je de kathode op aarde aansluiten. En de stroom die wordt geleverd door de anode van de kleur die u wilt regelen of inschakelen.

Dat wil zeggen, voor een of tweekleurige LED-verlichting is het noodzakelijk om de voeding naar een van beide anoden individueel of tegelijkertijd. Deze driekleurige LED's worden ook vaak gebruikt in een veelheid aan apparaten, zoals mobiele telefoons, om meldingen aan te geven, enz. Dit type diode genereert ook extra tinten van de primaire kleuren door de twee LED's op verschillende gelijkstroomverhoudingen in te schakelen.

RGB LED

Het is eigenlijk een soort driekleurige LED, in dit geval bekend als RGB (Rood Groen Blauw), omdat het die drie kleuren licht uitzendt. Zoals je wellicht weet, zijn deze erg populair geworden in gekleurde sierstrips en gaming-uitrusting. Hoewel u de primaire kleuren heeft, is het echter niet mogelijk om alle kleuren en tinten te genereren. Sommige kleuren vallen buiten de RGB-driehoek en kleuren zoals roze, bruin, enz. zijn moeilijk te vinden met RGB.

LED-voor- en nadelen

Nu is het tijd om te zien wat de belangrijkste zijn en nadelen van deze LED-diodes:

Voordelen

• Klein formaat
• Lage productiekosten
• Lang houdbaar (smelt niet)*
• Hoge energie-efficiëntie / laag verbruik
• Lage temperatuur / minder uitgestraalde warmte
• Ontwerp flexibiliteit
• Ze kunnen veel verschillende kleuren produceren, en zelfs wit licht.
• Hoge schakelsnelheid
• hoge lichtintensiteit
• Kan worden ontworpen om licht in één richting te focussen
• Het zijn solid-state halfgeleiderapparaten, dus ze zijn robuuster: beter bestand tegen thermische schokken en trillingen
• Geen aanwezigheid van UV-stralen

Nadelen

• Afhankelijkheid van de omgevingstemperatuur van het uitgestraalde uitgangsvermogen en de golflengte van de LED.
• Gevoeligheid voor schade door te hoge spanning en/of te hoge stroom.
• Theoretisch totaalrendement wordt alleen bereikt onder speciale koude of pulserende omstandigheden.

toepassingen

Last but not least is het noodzakelijk om te laten zien wat de mogelijke toepassingen waarvoor deze gekleurde LED's zijn bedoeld:

• voor voertuigverlichting
• Bewegwijzering: richtingaanwijzers, borden, verkeerslichten
• Geef visuele informatie weer op dashboards
• Voor beeldschermen waarvan de pixels uit LED's bestaan
• Medische toepassingen
• Toys
• Verlichting
• Afstandsbedieningen (IR LED's)
• Etc.