Deuodau Allyrru Golau: A Primer
Mae lled-ddargludyddion o'r enw deuodau allyrru golau (LEDs) yn trawsnewid egni trydanol yn egni golau. Mae'r deunydd lled-ddargludyddion a'r cyfansoddiad yn pennu lliw y golau allbwn, gyda LEDs yn aml yn cael eu categoreiddio'n dri thonfedd: uwchfioled, gweladwy ac isgoch.
Mae gan y LEDs sydd ar gael yn fasnachol sydd â phŵer allbwn un elfen o 5 mW o leiaf ystod tonfedd o 275 i 950 nm. Waeth beth fo'r gwneuthurwr, defnyddir teulu deunydd lled-ddargludyddion penodol ar gyfer pob ystod tonfedd. Rhoddir trosolwg o weithrediad LED a chipolwg cyflym ar y sector yn yr erthygl hon. Bydd trafodaeth hefyd ar wahanol fathau o LED, y tonfeddi priodol, y deunyddiau a ddefnyddir wrth eu hadeiladu, a rhai defnyddiau ar gyfer y goleuadau penodol.
LEDs UV (LEDs uwchfioled): 240 i 360 nm
Yn enwedig ar gyfer diheintio dŵr, cymwysiadau meddygol / biofeddygol, a halltu diwydiannol, defnyddir UV LEDs. Ar donfeddi mor fyr â 280 nm, mae lefelau allbwn pŵer sy'n fwy na 100 mW wedi'u cyflawni. Gallium nitride / alwminiwm gallium nitride (GaN / AlGaN) gyda thonfeddi o 360 nm neu fwy yw'r deunydd a ddefnyddir amlaf ar gyfer LEDau UV. Mae tonfeddi byrrach yn defnyddio deunyddiau unigryw. Dim ond ychydig o ddarparwyr sy'n cynhyrchu tonfeddi byrrach, ac mae'r costau ar gyfer y LEDs hyn yn dal yn eithaf uchel o'u cymharu â gweddill y cynigion cynnyrch LED, hyd yn oed os yw'r farchnad ar gyfer tonfeddi 360 nm a hirach yn sefydlogi oherwydd prisiau gostyngol a mawr. cyflenwad.
Mae LEDs gwyrdd yn amrywio o ger-UV i 530 nm
Indium gallium nitride (InGaN) yw'r deunydd a ddefnyddir ar gyfer y nwyddau yn yr ystod tonfedd hwn. Er ei bod yn dechnegol ymarferol cynhyrchu LED gyda thonfedd o unrhyw werth rhwng 395 a 530 nm, mae mwyafrif y prif gyflenwyr yn canolbwyntio ar gynhyrchu LEDs glas (450 i 475 nm) ar gyfer goleuo gwyn sy'n seiliedig ar ffosffor a LEDs gwyrdd yn y 520–. Amrediad 530 nm ar gyfer goleuadau gwyrdd signal traffig. Mae'r rhan fwyaf o bobl yn ystyried bod y dechnoleg y tu ôl i'r LEDau hyn yn ddatblygedig. Dros yr ychydig flynyddoedd diwethaf, mae gwelliannau mewn effeithlonrwydd optegol wedi arafu neu ddod i ben.
LEDs yn amrywio o felyn-wyrdd i goch: 565 i 645 nm
Y sylwedd lled-ddargludyddion a ddefnyddir ar gyfer yr amrediad tonfedd hwn yw indium gallium phosphide (AlInGaP). Fe'i cynhyrchir yn bennaf mewn tonfeddi signal traffig melyn (590 nm) a choch (625 nm). Er eu bod yn llai cyffredin, mae'r calch-wyrdd (neu'r melynwyrdd 565 nm) ac oren (605 nm) hefyd yn cael eu cynnig yn y dechnoleg hon.
Mae'n werth nodi nad yw'r allyrrydd gwyrdd pur (555 nm) yn nodwedd o dechnolegau InGaN nac AlInGaP. Mae technolegau hŷn, llai effeithiol yn y maes hwn o wyrdd pur, ond ni chredir eu bod yn effeithlon nac yn wych. Achosir hyn yn bennaf gan ddiffyg cyllid ar gyfer datblygu technolegau deunydd amgen ar gyfer yr ystod tonfedd hon yn ogystal â diffyg diddordeb neu alw masnachol.
660 i 900 nm: coch dwfn i bron-isgoch (IRLEDs)
Gall adeiladu dyfeisiau yn y maes hwn fod ar sawl ffurf wahanol, ond maent bob amser yn defnyddio elfennau alwminiwm gallium arsenide (AlGaAs) neu gallium arsenide (GaAs). Mae nifer o ddefnyddiau meddygol (660-680 nm) yn ogystal â rheolyddion o bell isgoch a goleuadau gweledigaeth nos ymhlith y cymwysiadau.
Theori gweithrediad LED
Rhaid cymhwyso foltedd trydanol sy'n ddigonol i'r electronau symud ar draws y rhanbarth disbyddu a chyfuno â thwll ar yr ochr arall i greu pâr twll electron er mwyn i LEDs, sef deuodau lled-ddargludyddion, allyrru golau pan fydd trydan. cymhwysir cerrynt i gyfeiriad ymlaen y ddyfais. Mae hyn yn achosi i'r electron allyrru ffoton wrth iddo ryddhau ei egni ar ffurf golau.
Mae tonfedd y golau a allyrrir yn dibynnu ar fwlch band y lled-ddargludydd. Mae deunyddiau bandgap uwch yn allyrru tonfeddi byrrach oherwydd bod gan donfeddi byrrach fwy o egni. mae folteddau uwch hefyd yn angenrheidiol ar gyfer dargludiad mewn deunyddiau gyda bwlch band mwy. Er bod gan LEDau bron-IR foltedd ymlaen o 1.5 i 2.0 V, mae gan LEDau UV-glas tonfedd fer foltedd blaen o 3.5 V.
Ffactorau argaeledd ac effeithlonrwydd ar gyfer tonfeddi
Potensial y farchnad, galw defnyddwyr, a thonfeddi o safon diwydiant yw'r prif benderfynyddion a yw tonfedd benodol yn hyfyw yn fasnachol ai peidio. Mae hyn yn fwyaf amlwg yn yr ystodau tonfedd 420-460 nm, 480-520 nm, a 680-800 nm. Nid oes unrhyw weithgynhyrchwyr cyfaint uchel yn cynhyrchu dyfeisiau LED ar gyfer yr ystodau tonfedd hyn gan nad oes unrhyw ddefnyddiau cyfaint uchel ar eu cyfer. Serch hynny, mae'n ymarferol lleoli gwerthwyr bach neu ganolig sy'n darparu nwyddau i lenwi'r tonfeddi penodol hyn ar sail bwrpasol.
Gellir dod o hyd i'r rhanbarth tonfedd lle mae pob technoleg ddeunydd yn fwyaf effeithiol bron yng nghanol pob ystod. Mae effeithlonrwydd yn lleihau wrth i lefel dopio'r lled-ddargludydd godi neu ostwng yn is na'r lefel ddelfrydol. Am y rheswm hwn, mae LED glas yn cynhyrchu llawer mwy o olau na LED gwyrdd neu ger-UV, mae ambr yn cynhyrchu mwy o olau na LED melyn-wyrdd, ac mae ger-IR yn cynhyrchu mwy o olau na 660 nm. Mae dylunio ar gyfer canol y sbectrwm yn hytrach na'r ymylon bob amser yn opsiwn gwell. Yn ogystal, mae'n symlach cael nwyddau nad ydynt yn pontio ffiniau technoleg deunydd.
Cyflenwi LEDs gyda cherrynt a foltedd
Deuodau yw LEDs a rhaid eu gweithredu mewn modd cerrynt er eu bod yn lled-ddargludyddion ac yn gofyn am isafswm foltedd i weithredu. Wrth ddefnyddio LEDs yn y modd DC, mae dau brif ddull: Defnyddio gwrthydd cyfyngu cerrynt yw'r symlaf a'r mwyaf poblogaidd. Mae'r afradu gwres a phŵer sylweddol yn y gwrthydd yn anfantais i'r dechnoleg hon. Mae angen i foltedd y cyflenwad fod yn sylweddol uwch na foltedd blaen y LED er mwyn i'r cerrynt aros yn gyson ar draws newidiadau tymheredd ac o un ddyfais i'r llall.
Mae gyrwyr LED masnachol oddi ar y silff yn cael eu cynnig gan amrywiaeth o gyflenwyr. Ar gyfer rheoli disgleirdeb, maent fel arfer yn gweithredu gan ddefnyddio egwyddorion modiwleiddio lled pwls.
Mae set benodol o faterion yn codi wrth curo LEDs mewn modd cerrynt uchel a/neu foltedd uchel ar gyfer araeau sydd wedi'u cysylltu mewn cyfres ac yn gyfochrog. Nid yw'n ymarferol i ddylunydd cychwynnol greu gyriant pwls a reolir gan gyfredol a all ddarparu 5 A a 20 V. Mae ychydig o gwmnïau'n cynhyrchu offer arbenigol ar gyfer LEDs sy'n curiad y galon.
LEDs mewn cymwysiadau y gall pobl eu gweld
Mae union liw yn bwysicach o lawer mewn sefyllfaoedd lle mae LEDs yn cael eu gweld yn uniongyrchol neu eu defnyddio fel luminators nag allbwn manwl gywir mewn lumens neu candela. Mae'r ymennydd yn gwneud addasiadau rhagorol ar gyfer unrhyw amrywiadau mewn dwyster golau tra bod y llygad dynol yn gymharol ddifater iddynt. Er enghraifft, ni fydd y person cyffredin sy'n edrych ar sgrin fideo LED ar adeilad yn sylwi ar ostyngiad o 20 y cant mewn dwyster gan fod rhannau o'r sgrin yn cael eu gweld ar 10 gradd i 20 gradd oddi ar yr echelin o'i gymharu â'r gyfran yn uniongyrchol ar yr echel oherwydd mae hwn yn newid graddol nas canfyddir wrth iddo symud tuag at ymyl y golwg. Mewn cyferbyniad, bydd y llygad dynol yn sylwi ar amrywiad lliw ac yn ei chael hi'n drafferthus os oes gan LEDs ardal wahaniaeth tonfedd 10 nm o'r rhai mewn ardaloedd eraill.
Mae'r rhan fwyaf o LEDau gwyn sy'n cael eu defnyddio heddiw yn cael eu creu trwy drwytho ffosffor gweladwy tonfedd hirach gyda LED glas. Mae'r tebygrwydd sbectrol i heulwen yn cael ei fesur gan y mynegai rendro lliw (CRI). Mae gan y mwyafrif o LEDs a ddefnyddir mewn goleuadau cyffredinol y dyddiau hyn CRI sy'n well na 80, gyda 100 yn cael eu hystyried yn gyfwerth â heulwen. Mae LEDs gwyn yn dod yn gynnyrch mwyaf poblogaidd ar gyfer y mwyafrif o gymwysiadau goleuo oherwydd datblygiadau CRI a gwell effeithlonrwydd optegol.
Manteision a defnyddiau LED
O'u cymharu â goleuadau wedi'u hidlo, mae gan LEDs nifer o fanteision ar gyfer cymwysiadau monocromatig gan fod eu sbectra tonfedd wedi'u nodi'n fwy manwl gywir. Gall yr arbedion ynni o ddefnyddio bwlb gwynias wedi'i hidlo ar gyfer cymwysiadau goleuo cyffredinol fod 100 gwaith yn uwch. Mae cymwysiadau fel signalau traffig a goleuadau pensaernïol yn elwa'n fawr o hyn. Gall panel solar bach bweru arwyddion LED priffyrdd cludadwy pŵer isel yn lle generadur mawr, sy'n fantais amlwg.
Yn gyffredinol, mae LEDs yn llai costus, yn fwy dibynadwy, a gallant gael eu pweru gan electroneg rhatach na laserau. Mae LEDs bellach yn cael eu dosbarthu ar wahân gan yr Unol Daleithiau a'r Undeb Ewropeaidd. Yn ffodus, yn wahanol i laserau a deuodau laser, nid yw LEDs yn dod â'r un materion neu rybuddion diogelwch llygaid. Ar y llaw arall, mae'n amhosibl creu smotiau sy'n drwchus yn optegol, yn fach iawn ac wedi'u gwrthdaro'n fawr â LEDs. Mae angen laser bron bob amser mewn cymwysiadau sy'n galw am ddwysedd pŵer eithriadol o uchel mewn rhanbarth cryno.
Heddiw, defnyddir LEDs mewn ystod eang o sectorau a chymwysiadau (Tabl 1). Mae'r dyfeisiau hyn yn hynod ddarbodus ac yn apelio at farchnadoedd defnyddwyr a diwydiannol diolch i'w dibynadwyedd mawr, eu heffeithlonrwydd uchel, a chyfanswm cost gostyngol y system o'i gymharu â laserau a lampau. Mae pob technoleg a/neu liw LED unigryw wedi'i greu i ddiwallu anghenion defnydd penodol.
