Δίοδοι εκπομπής φωτός (Light Emitting Diodes)
Η δίοδος εκπομπής φωτός είναι μία ημιαγώγιμος δίοδος που εκπέμπει φως όταν ηλεκτρικό ρεύμα εφαρμόζεται με εμπρόσθια ορθή πόλωση προς τη συσκευή, όπως ακριβώς και σε ένα απλό κύκλωμα. Το αποτέλεσμα είναι μια μορφή ηλεκτροφωταύγειας, όπου ασυνεχές και στενού φάσματος φως εκπέμπεται από το πέρασμα p-n σε ένα συμπαγές υλικό. Τα LED χρησιμοποιούνται ευρέως ως φωτεινές ενδείξεις για.....
ηλεκτρονικές συσκευές και όλο και περισσότερο σε εφαρμογές με απαιτήσεις όπως σε φακούς και φωτισμούς χώρων.
Ένα LED είναι συνήθως μια μικρή περιοχή (μικρότερη από 1 mm2) φωτεινής πηγής, συχνά με φακό τοποθετημένο στην κορυφή του chip για να διαμορφώσει την ακτινοβολία του και να συμβάλει στην αντανάκλαση. Το χρώμα του εκπεμπόμενου φωτός εξαρτάται από την σύνθεση και την κατάσταση του ημιαγώγιμου υλικού που χρησιμοποιείται και μπορεί να είναι υπέρυθρο, ορατό ή υπεριώδες. Εκτός από το φωτισμό, ενδιαφέρουσες εφαρμογές συμπεριλαμβάνουν υπεριώδη (UV) LED για την αποστείρωση του νερού και την απολύμανση των συσκευών, όπως και τον φωτισμό στην καλλιέργεια για την ενίσχυση της φωτοσύνθεσης των φυτών.
Ανακαλύψεις και πρώιμες συσκευές
Η πρώτη γνωστή αναφορά συμπαγούς διόδου εκπομπής φωτός έγινε το 1970 από τον Βρετανό πειραματιστή H. J. Round του Marconi Labs, όταν παρατήρησε φωταύγεια παραγόμενη από ένα κρύσταλλο πυριτίου, ενώ χρησιμοποιούσε έναν ανιχνευτή μαγνητικού πεδίου (cats' whiskers sensor). Ο Ρώσος Oleg Vladimirovich Losev δημιούργησε το πρώτο LED στα μέσα της δεκαετίας του 1920. Η ερευνά του αν και διανεμήθηκε σε Ρωσικά, Γερμανικά και Βρετανικά επιστημονικά περιοδικά αγνοήθηκε και δεν βρήκε πρακτική εφαρμογή για αρκετές δεκαετίες. Ο Rubin Braunstein του Radio Corporation of America ανέφερε υπεριώδεις εκπομπές από αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) και από άλλα κραμάτα ημιαγώγιμων υλικών το 1955. Ο Braunstein παρατήρησε υπεριώδεις εκπομπές παραγόμενες από απλές σε δομή διόδους χρησιμοποιώντας κράματα GaSb, GaAs, InP και Ge-Si σε θερμοκρασία δωματίου στους 77 βαθμούς Kelvin. Το 1961 οι πειραματιστές Bob Biard και Gary Pittman που δούλευαν στην Texas Instruments βρήκαν ότι το αρσενικούχο γάλλιο παρήγαγε υπέρυθρη ακτινοβολία, όταν δεχόταν ηλεκτρικό ρεύμα. Οι Biard and Pittman κατάφεραν να διασφαλίσουν την πιστοποίηση του έργου τους, λαμβάνοντας δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τη δίοδο εκπομπής υπέρυθρου φωτός.
Το πρώτο πρακτικά ορατού φάσματος (κόκκινο) LED δημιουργήθηκε το 1962 από τον Nick Holonyak Jr., ενώ δούλευε στην General Electrics Company. Αργότερα μετακινήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις (University of Illinois). Ο Holonyak θεωρείται ο πατέρας της διόδου εκπομπής φωτός. Ο M. George Craford, ένας πρώην απόφοιτος φοιτητής του Holonyak, εφήυρε το πρώτο κίτρινο LED και το 10 φορές πιο δυνατό κόκκινο και το κόκκινο-πορτοκαλί LED το 1972. Μέχρι το 1968 τα LED ορατού και υπεριώδους φάσματος ήταν υπερβολικά δαπανηρά, της τάξης των $200 το τεμάχιο, έχοντας έτσι μικρή εφαρμογή. Η Hewlett Packard (HP) εισήγαγε τις διόδους εκπομπής φωτός το 1968 χρησιμοποιώντας αρχικά GaAsP υλικό. Η τεχνολογία αυτή αποδείχτηκε να έχει σημαντικές εφαρμογές σε αλφαριθμητικές οθόνες και εντάχθηκε η εφαρμογή της στα πρώιμα φορητά κομπιουτεράκια.
Πρακτική εφαρμογή
Οι πρώτοι λαμπτήρες LED για εμπορική χρήση χρησιμοποιήθηκαν ευρέως ως υποκατάστατα φωτεινών ενδείξεων με λαμπτήρες πυρακτώσεως και σε οθόνες, πρώτα σε ακριβούς εξοπλισμούς όπως εργαστήρια και ηλεκτρονικά όργανα μετρήσεων, αργότερα σε συσκευές όπως τηλεοράσεις, ραδιόφωνα, τηλέφωνα, κομπιουτεράκια ακόμα και σε ρολόγια (βλέπε τη λίστα εφαρμογών). Αυτά τα κόκκινα LED ήταν αρκετά φωτεινά μόνο για τη χρήση ως φωτεινές ενδείξεις, καθώς η ένταση του φωτός δεν ήταν αρκετή για τον φωτισμό ενός χώρου. Αργότερα άλλα χρώματα έγιναν ευρέως διαθέσιμα και άρχισαν να έχουν εφαρμογές σε συσκευές και εξοπλισμό, καθώς η τεχνολογία υλικών των LED έγινε πιο προηγμένη, η παραγωγή φωτός αυξήθηκε, ενώ διατηρήθηκε η αποδοτικότητα και η αξιοπιστία τους σε αποδεκτό επίπεδο.
Η εφεύρεση και εξέλιξη υψηλής ισχύος λευκών LED οδήγησε στη χρήση τους για φωτισμό (βλέπε λίστα εφαρμογών φωτισμού). Τα περισσότερα LED παράχθηκαν σε τεμάχια των 5 mm T1¾ και 3 mm T1, αλλά με αυξανόμενη ισχύ, καθιστώντας έτσι αναγκαία την απαγωγή της υπερβολικής θερμότητας, ώστε να διατηρήσουν την αξιοπιστία τους. Για αυτό το λόγο υιοθετήθηκαν πιο σύνθετα τεμάχια για την αποδοτική απαγωγή της θερμότητας. Τα σύγχρονα υψηλής ισχύος LED δε θυμίζουν σε τίποτα τα πρώιμα LED.
Συνεχής εξέλιξη
Το πρώτο υψηλής φωτεινότητας μπλε LED παρουσιάστηκε από τον Shuji Nakamura και βασίστηκε σε InGaN, δανειζόμενο στοιχεία εξέλιξης από την GaN πυρήνωση σε υποστρώματα ζαφείριου και την επίδειξη με p-type ενίσχυμένο GaN που αναπτύχθηκe από τους Isamu Akasaki και H. Amano στη Nagoya. Το 1995, ο Alberto Barbieri στο Εργαστήριο του Cardiff University ερεύνησε την αποτελεσματικότητα και την αξιοπιστία της υψηλής φωτεινότητας διόδου LED και επέδειξε ένα πολύ εντυπωσιακό αποτέλεσμα χρησιμοποιώντας μια διάφανη επαφή που κατασκευάστηκε από οξείδιο του ινδίου και του κασσιτέρου (ITO), στα (AlGaInP/GaAs) LED. Η ύπαρξη των μπλε LED και LED υψηλής απόδοσης γρήγορα οδήγησε στην ανάπτυξη του πρώτου λευκού LED το οποίο υιοθέτησε τη χρήση Y 3 Al 5 O 12: Ce, ή "YAG", με επίστρωση φωσφόρου για να αναμειχθεί κίτρινο φως με μπλε για την παραγωγή φωτός που εμφανίζεται λευκό. Στο Νakamura απονεμήθηκε το 2006 Βραβείο Τεχνολογίας Millenium για την εφεύρεσή του.
Οι εξελίξεις αποδίδονται σε παράλληλη ανάπτυξη άλλων τεχνολογιών ημιαγωγών καθώς και στις εξελίξεις στην οπτική και στην επιστήμη των υλικών. Η τάση αυτή ονομάζεται συνήθως Νόμος Haitz προς τιμήν του Δρ Roland Haitz.
Τεχνολογία
Όπως και σε άλλες διόδους, το ρεύμα ρέει εύκολα από την p πλευρά, ή άνοδο, προς την n πλευρά, ή κάθοδο, αλλά όχι προς την αντίθετη κατεύθυνση. Οι φορείς φορτίου - τα ηλεκτρόνια και οι οπές ροής – περνούν από την επαφή κινούμενα από ηλεκτρόδια με διαφορετικό δυναμικό. Όταν ένα ηλεκτρόνιο συναντά μια τρύπα, πέφτει σε ένα χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο και απελευθερώνει ενέργεια με τη μορφή ενός φωτονίου.
Το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται και επομένως και το χρώμα του, εξαρτάται από την ενέργεια χάσματος των υλικών που αποτελούν την επαφή p-n. Στις διόδους πυριτίου ή γερμανίου, τα ηλεκτρόνια και οι οπές επανασυνδέονται από μια χωρίς ακτινοβολία μετάβαση, η οποία δεν παράγει οπτική εκπομπή, γιατί αυτά είναι έμμεσα υλικά χάσματος. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για το LED είναι άμεσης ζώνης χάσματος με ενέργεια που αντιστοιχεί στο εγγύς υπέρυθρο φως, στο ορατό φως ή κοντά στην υπεριώδη ακτινοβολία.
Η ανάπτυξη των LED ξεκίνησε με υπέρυθρες και κόκκινες συσκευές που έχουν κατασκευαστεί με αρσενικούχο γάλλιο. Οι εξελίξεις στην επιστήμη των υλικών έχουν κάνει δυνατή την παραγωγή των συσκευών με ολοένα και μικρότερα μήκη κύματος, που παράγουν φως σε μια ποικιλία χρωμάτων. Τα LED είναι συνήθως τοποθετημένα σε n-τύπου υπόστρωμα, με ένα ηλεκτρόδιο προσκολλημένο στο στρώμα p-τύπου στην επιφάνειά του. Τα p-τύπου υποστρώματα, αν και λιγότερο συνήθη, χρησιμοποιούνται επίσης. Πολλά LED, ειδικά GaN/InGaN, χρησιμοποιούν επίσης υπόστρωμα ζαφείριου.
Εκχύλιση Φωτός
Ο δείκτης διάθλασης των περισσοτέρων ημιαγώγιμων υλικών είναι αρκετά υψηλός, έτσι ώστε σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις το φως από τα LED είναι συνδεδεμένο με ένα μέσο με πολύ χαμηλότερο δείκτη. Η μεγάλη διαφορά δείκτη κάνει την αντανάκλαση αρκετά ουσιαστική (ανά συντελεστές Fresnel). Το παραγόμενο φως εν μέρει αντανακλάται πίσω στον ημιαγωγό, όπου μπορεί να απορροφηθεί και να μετατραπεί σε επιπλέον θερμότητα. Αυτό είναι συνήθως ένα από τα κυρίαρχα αίτια της αναποτελεσματικότητας των LED. Συχνά πάνω από το ήμισυ του εκπεμπόμενου φωτός αντανακλάται πίσω στο LED. Η αντανάκλαση είναι σύνηθες να μειώνεται με τη χρήση σε σχήμα θόλου (μισή σφαίρα) καλύμματος με τη δίοδο στο κέντρο, έτσι ώστε οι απερχόμενες ακτίνες φωτός να χτυπάνε την επιφάνεια κάθετα, κατά την οποία γωνία η ανάκλαση γίνεται η ελάχιστη δυνατή. Τα υποστρώματα που είναι διαφανή στο εκπεμπόμενο μήκος κύματος, και υποστηρίζονται από μια αντανακλαστική επίστρωση, αυξάνουν την αποτελεσματικότητα των LED. Ο δείκτης διάθλασης του υλικού συσκευασίας πρέπει να ταιριάζει με το δείκτη του ημιαγωγού, ώστε να ελαχιστοποιηθεί η αντανάκλαση. Μια επίστρωση ενάντια στην αντανάκλαση μπορεί επίσης να προστεθεί.
Το περίβλημα μπορεί να είναι έγχρωμο, αλλά αυτό είναι μόνο για αισθητικούς λόγους ή για να βελτιωθεί ο βαθμός αντίθεσης. Το χρώμα του περιβλήματος δεν επηρεάζει σημαντικά το χρώμα του εκπεμπόμενου φωτός. Άλλες στρατηγικές για τη μείωση των επιπτώσεων της αντανάκλασης διεπαφής περιλαμβάνουν το σχεδιασμό των LED ώστε να απορροφούν και να επανεκπέμπουν το ανακλώμενο φως (η διαδικασία ονομάζεται ανακύκλωση φωτονίων) και την μετατροπή της μικροσκοπική δομής της επιφάνειας για τη μείωση της ανάκλασης, με το να της προκαλέσουμε τυχαία τραχύτητα, δημιουργώντας προγραμματισμένα μοτίβα. Πρόσφατα φωτονικοί κρύσταλλοι έχουν χρησιμοποιηθεί επίσης για την ελαχιστοποίηση της εκ νέου ανάκλασης. Τον Δεκέμβριο του 2007, επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης υποστήριξαν ότι βρήκαν έναν τρόπο να καταστήσουν τους LED με υψηλότερη ενεργειακή απόδοση, αποτυπώνοντας δισεκατομμύρια τρύπες πάνω τους χρησιμοποιώντας μια διαδικασία γνωστή ως λιθογραφία nanoimprint.
Απόδοση και λειτουργικές παραμέτροι
Τα LED για χρήση ως τυπικές ενδείξεις λειτουργίας είναι σχεδιασμένα να λειτουργούν με όχι περισσότερα από 30-60 milliwatts [mW] ηλεκτρικής ενέργειας. Γύρω στο 1999, η LumiLED εισήγαγε τα LED ισχύος με ικανότητα συνεχούς χρήσης σε ένα Watt [1W]. Αυτά τα LED χρησιμοποιούσαν πολύ μεγαλύτερα μεγέθη ημιαγωγών για να μπορέσουν να χειριστούν τη μεγαλύτερη εισροή ισχύος. Επίσης αυτού του τύπου οι ημιαγωγοί ήταν τοποθετημένοι πάνω σε μεταλλικά μέρη για να επιτρέψουν την απαγωγή της θερμότητας από τα LED.
Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα του φωτισμού με βάση τα LED είναι η υψηλή απόδοσή τους, όπως προκύπτει από τον λόγο της έντασης του φωτός που παράγεται ανά μονάδα ηλεκτρικής ισχύος. Τα λευκά LED γρήγορα συμβάδισαν και αργότερα ξεπέρασαν την αποτελεσματικότητα των συμβατικών συστημάτων φωτισμού πυράκτωσης. Το 2002,η LumiLED κατέστησε τα 5-Watt LED διαθέσιμα με απόδοση φωτεινότητας από 18-22 lumens ανά Watt [lm/W]. Συγκριτικά, μια συμβατική λάμπα πυρακτώσεως 60-100 W παράγει περίπου 15 lm/W, και οι λαμπτήρες φθορισμού παράγουν έως και 100 lm/W. (Το άρθρο που αναφέρεται στην απόδοση φωτεινότητας πραγματεύεται αυτές τις συγκρίσεις με περισσότερες λεπτομέρειες).
Τον Σεπτέμβριο του 2003, ένα νέο είδος μπλε LED παρουσιάστηκε από την εταιρεία Cree, Inc. για την παροχή 24 MW σε 20 milliamperes [mA]. Αυτό παρήγαγε λευκό φως εμπορικά διαθέσιμο που απέδιδε 65 lm / W σε 20 mA, και το κατέστησε το πιο λαμπρό λευκό LED που ήταν τότε διαθέσιμο και πάνω από τέσσερις φορές πιο αποδοτικό από τους συνηθισμένους λαμπτήρες πυρακτώσεως. Το 2006 παρουσιάστηκε από την ίδια εταιρεία ένα πρωτοποριακό λευκό LED με φωτεινή απόδοση 131 lm/W στα 20 mA. Επίσης, η Seoul Semiconductor, είχε σχέδια για 135 lm/W έως το 2007 και 145 lm/W έως το 2008, το οποίο θα αποτελούσε μια θεαματική βελτίωση έναντι τόσο των συνηθισμένων λαμπτήρων πυρακτώσεως όσο και των συνηθισμένων λαμπτήρων φθορισμού. Η Nichia Corporation ανέπτυξε ένα λευκό LED με φωτεινή απόδοση των 150 lm/W σε ένα ρεύμα των 20 mA.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα υψηλής ισχύος (≥1W) LED είναι αναγκαία για πρακτικές εφαρμογές φωτισμού. Το ρεύμα λειτουργίας για τις εν λόγω διατάξεις αρχίζει στα 350 mA. H Cree εξέδωσε δελτίο τύπου στις 19 Νοεμβρίου 2008 για ένα πρωτοποριακό LED που βρισκόταν σε πειραματικό στάδιο και που επιτύγχανε 161 lumens/watt σε θερμοκρασία δωματίου. Η συνολική παραγωγή ήταν 173 lumens και η συσχετισμένη στρωματική θερμοκρασία χρώματος αναφέρθηκε στα 4689 K.
Υπεριώδη και μπλε LED
Τα μπλε LED βασίζονται σε ημιαγωγούς GaN (νιτρίδιο του γαλλίου) και InGaN (ίνδιο νιτρίδιο γαλλίου). Μπορούν να προστεθούν στα υπάρχοντα κόκκινα και πράσινα LED για να παράγουν την εντύπωση του λευκού φωτός, αν και σήμερα τα λευκά LED χρησιμοποιούν σπάνια αυτή την αρχή. Τα πρώτα μπλε LED δημιουργήθηκαν το 1971 από τον Jacques Pankove (εφευρέτη του LED με νιτρίδιο του γαλλίου) στα RCA Laboratories. Ωστόσο, αυτές οι συσκευές είχαν πολύ μικρή απόδοση φωτός για να έχουν πρακτική χρήση. Στα τέλη της δεκαετίας του 1980, τα βασικά επιτεύγματα που σημειώθηκαν στην επιταξιακή ανάπτυξη GaN και την ενίσχυση p-type από τον Isamu Akasaki και Hiroshi Amano (Ναγκόγια, Ιαπωνία) εισάγουν τη σύγχρονη εποχή των βασιζόμενων σε GaN οπτικοηλεκτρονικών συσκευών. Αξιοποιώντας αυτή τη βάση δεδομένων, το 1993, τα υψηλής φωτεινότητας μπλε LED παρουσιάστηκαν μέσα από το έργο του Shuji Nakamura.
Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1990, τα μπλε LED έγιναν ευρέως διαθέσιμα. Έχουν μια ενεργή περιοχή που αποτελείται από ένα ή περισσότερα κβαντικά φρεάτια InGaN στριμωγμένη ανάμεσα σε πυκνές στρώσεις GaN. Μεταβάλλοντας το σχετικό κλάσμα In-GaN στα κβαντικά φρεάτια InGaN, η εκπομπή φωτός μπορεί να μεταβάλλεται από μοβ σε κίτρινο-πορτοκαλί. Το AlGaN νιτρίδιο αργιλίου του γαλλίου διαφόρων AlN κλασμάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή περιβλημάτων και τις στρώσεις των κβαντικών φρεατίων για τα LED υπεριώδους ακτινοβολίας, αλλά αυτές οι συσκευές δεν έχουν ακόμη προσεγγίσει το επίπεδο της απόδοσης και της τεχνολογικής ωριμότητας των μπλε/πράσινων συσκευών InGaN-GaN. Εάν οι ενεργές στρώσεις των κβαντικών φρεατίων είναι GaN, σε αντίθεση με τις κραματούχες InGaN ή AlGaN, η συσκευή θα εκπέμπει σχεδόν υπεριώδες φως με μήκος κύματος περίπου 350-370 nm. Τα πράσινα LED που κατασκευάζονται από το σύστημα InGaN-GaN είναι πολύ πιο αποδοτικά και πιο φωτεινά από τα πράσινα LED που παράγονται με μη-νιτριδίου υλικά.
Τα υπεριώδη LED καθίστανται διαθέσιμα στην αγορά σε μια σειρά από μήκη κύματος. Αυτά με UV εκπομπές σε μήκη κύματος 375-395 nm περίπου είναι ήδη αγοραστικά προσιτά και συχνά αντιμετωπίζονται, για παράδειγμα, ως αντικαταστατές λαμπτήρων μαύρου φωτός (black light), για την επιθεώρηση της παραποίησης/απομίμησης UV υδατογραφημάτων σε ορισμένα έγγραφα και χαρτονομίσματα. Οι δίοδοι μικρότερου μήκους κύματος, αν και σημαντικά πιο ακριβές, είναι εμπορικά διαθέσιμοι για μήκη κύματος έως 247 nm. Δεδομένου ότι η φωτοευαισθησία των μικροοργανισμών σχεδόν ταιριάζει με το φάσμα απορρόφησης του DNA, με μέγιστο περίπου τα 260 nm, τα UV LED που εκπέμπουν στα 250-270 nm αναμένονται να εφαρμοστούν μελλοντικά σε συσκευές απολύμανσης και συσκευές αποστείρωσης. Πρόσφατες έρευνες έχουν δείξει ότι τα εμπορικά διαθέσιμα UVA LED (365 nm) είναι ήδη αποτελεσματικά σε συσκευές απολύμανσης και αποστείρωσης.
Μήκη κύματος κάτω των 210 nm επιτεύχθηκαν σε εργαστήρια που χρησιμοποιούν νιτρίδιο αλουμινίου. Αν και δεν είναι ένα LED τέτοιο, μια συνηθισμένη NPN διπολική κρυσταλλολυχνία θα εκπέμπει μοβ φως αν το πέρασμα της βάσης εκπομπής της υποβάλλεται σε μια πιθανή αντίστροφη κατάρρευση. Αυτό είναι εύκολο να αποδειχθεί με το να αλλοιώσουμε την κορυφή από μια μεταλλική κρυσταλλολυχνία (BC107, 2N2222 ή παρόμοια) και ωθώντας αυτή πολύ παραπάνω από το σημείο βλάβης της βάσης του εκπομπέα, μέσω μιας αντίστασης περιορισμού του ρεύματος.
Λευκά LED
Υπάρχουν δύο τρόποι για την παραγωγή υψηλής έντασης λευκού φωτός χρησιμοποιώντας LED. Ο ένας είναι να χρησιμοποιηθούν μεμονωμένα LED που εκπέμπουν τα τρία βασικά χρώματα - κόκκινο, πράσινο και μπλε και στη συνέχεια να αναμιχθούν όλα τα χρώματα για να παράγουν λευκό φως. Ο άλλος είναι η χρήση φωσφόρου για να μετατρέψει το μονοχρωματικό φως από ένα μπλε ή UV LED σε ευρέως φάσματος λευκό φως, κατά τον ίδιο τρόπο που δουλεύει ένας λαμπτήρας φθορισμού.
Συστήματα RGB
Το λευκό φως μπορεί να παραχθεί με ανάμειξη διαφορετικών χρωμάτων. Η πιο κοινή μέθοδος είναι η χρήση κόκκινου, πράσινου και μπλε (RGB), εξ ου και η μέθοδος ονομάζεται πολύχρωμα λευκά LED (μερικές φορές αναφέρεται ως RGB LED). Επειδή ο μηχανισμός του σχετίζεται με εξελιγμένο ηλεκτρο-οπτικό σχεδιασμό για τον έλεγχο της ανάμιξης και της διάδοσης των διαφόρων χρωμάτων, η προσέγγιση αυτή έχει σπάνια χρησιμοποιηθεί για τη μαζική παραγωγή λευκών LED στην βιομηχανία. Παρ’ όλα αυτά η μέθοδος αυτή είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα για πολλούς ερευνητές και τους επιστήμονες λόγω της ευελιξίας της ανάμειξης διαφόρων χρωμάτων. Επίσης, ο μηχανισμός αυτός έχει υψηλότερη κβαντική απόδοση στην παραγωγή λευκού φωτός.
Υπάρχουν διάφοροι τύποι πολύχρωμων λευκών LED: δι-, τρι- και τετραχρωματικά λευκά LED. Αρκετά σημαντικοί παράγοντες που εμπλέκονται σε αυτές τις διαφορετικές προσεγγίσεις περιλαμβάνουν την σταθεροποίηση του χρώματος, την ικανότητα απόδοσης του χρώματος, και την απόδοση φωτεινότητας. Συχνά υψηλότερη αποδοτικότητα σημαίνει χαμηλότερη απόδοση των χρωμάτων, παρουσιάζοντας ένα συμβιβασμό μεταξύ της φωτεινής απόδοσης και της χρωματικής απόδοσης. Για παράδειγμα, τα διχρωματικά λευκά LED έχουν την καλύτερη αποδοτικότητα φωτεινότητας (120 lm/W), αλλά τη χαμηλότερη ικανότητα χρωματικής απόδοσης. Αντιθέτως, τα τετραχρωματικά λευκά LED αν και έχουν εξαιρετική ικανότητα χρωματικής απόδοσης, έχουν συχνά χαμηλή αποδοτικότητα φωτεινότητας. Τα τριχρωματικά λευκά LED είναι μια ενδιάμεση κατάσταση και έχουν και καλή αποδοτικότητα φωτεινότητας (>70lm/W) αλλά και επαρκείς ικανότητες απόδοσης χρωμάτων.
Το τι προσφέρουν τα πολύχρωμα LED δεν είναι απλώς άλλη μια λύση για την παραγωγή λευκού φωτός, αλλά είναι μια ολόκληρη νέα τεχνική παραγωγής λευκού φωτός από διαφορετικά χρώματα. Κατ' αρχήν, όλα τα ικανά να αντιληφθούμε χρώματα μπορούν να παραχθούν με ανάμειξη διαφορετικών ποσοτήτων των τριών βασικών χρωμάτων, και αυτό καθιστά δυνατή την επίτευξη ακριβή έλεγχου των χρωμάτων. Καθώς όλο και περισσότερη προσπάθεια είναι αφιερωμένη στην έρευνα αυτής την τεχνικής, τα πολύχρωμα LED θα πρέπει να έχουν έντονη επιρροή στη θεμελιώδη μέθοδο που χρησιμοποιούμε για να παράγουμε και να ελέγξουμε το χρώμα του φωτός. Ωστόσο, πριν αυτό το είδος των LED μπορέσει να διαδραματίσει πραγματικά έναν ρόλο στην αγορά, διάφορα τεχνικά προβλήματα του πρέπει να επιλυθούν. Αυτά βεβαίως περιλαμβάνουν ότι αυτό το είδος των εκπομπών ισχύος LED μειώνεται εκθετικά με την αύξηση της θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα μια ουσιαστική αλλαγή στη σταθεροποίηση του χρώματος. Το εν λόγω πρόβλημα δεν είναι αποδεκτό για τις βιομηχανικές χρήσεις. Ως εκ τούτου, πολλές νέες προτάσεις με στόχο την επίλυση του προβλήματος αυτού έχουν προταθεί και τα αποτελέσματά τους παρουσιάζονται από τους ερευνητές και τους επιστήμονες.
LED βασισμένα σε Φωσφόρο
Αυτή η μέθοδος συμπεριλαμβάνει την επίστρωση ενός LED μονού χρώματος (συνήθως μπλε LED που κατασκευάζονται από InGaN) με φωσφόρο σε διάφορα χρώματα για να παράγουν λευκό φως, προκύπτοντας έτσι LED που ονομάζονται λευκά LED βασιζόμενα σε φωσφόρο. Ένα μέρος του μπλε φωτός υφίσταται μετατόπιση Stokes και μετασχηματίζεται από μικρότερα μήκη κύματος προς μεγαλύτερα. Ανάλογα με το χρώμα του αρχικού LED, φωσφόρος διαφορετικών χρωμάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Αν διαφορετικά στρώματα φωσφόρου από ευδιάκριτα χρώματα εφαρμόζονται, το εκπεμπόμενο φάσμα διευρύνεται, αυξάνοντας αποτελεσματικά το δείκτη απόδοσης χρωμάτων (CRI) σε ένα δεδομένο LED.
Τα βασισμένα σε φωσφόρο LED έχουν χαμηλότερη απόδοση από τα συνηθισμένα LED, λόγω της απώλειας θερμότητας από τη μετατόπιση, καθώς και εξαιτίας άλλων παραγόντων που σχετίζονται με το φωσφόρο και που οδηγούν σε υποβάθμιση. Ωστόσο, η μέθοδος φωσφόρου εξακολουθεί να είναι η πιο δημοφιλής τεχνική για την κατασκευή υψηλής έντασης λευκών LED. Ο σχεδιασμός και η παραγωγή μιας πηγής φωτός ή μιας φωτιστικής εγκατάστασης χρησιμοποιώντας μονοχρωματικό εκπομπέα με μετατροπέα φωσφόρου είναι απλούστερη και φθηνότερη από ένα πολύπλοκο σύστημα RGB και η πλειοψηφία των υψηλής έντασης λευκών LED σήμερα στην αγορά κατασκευάζονται με τη χρήση μετατροπέα φωσφορούχου φωτός.
Το μεγαλύτερο εμπόδιο για την επίτευξη υψηλής αποδοτικότητας είναι η φαινομενικά αναπόφευκτη ενεργειακή απώλεια. Εντούτοις, πολλές προσπάθειες έχουν γίνει για τη βελτιστοποίηση των συσκευών αυτών αναφορικά με την παραγωγή φωτός και τη δυνατότητα λειτουργίας τους σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η απόδοση μπορεί για παράδειγμα να αυξηθεί με το να προσαρμοστούν σχεδιαστικά στις εκάστοτε ανάγκες ή χρησιμοποιώντας έναν πιο κατάλληλο τύπο φωσφόρου. Με την συνεχιζόμενη εξέλιξη βλέπουμε την αποτελεσματικότητα των LED φωσφόρου να αυξάνεται μέσω κάθε νέου προϊόντος που εισάγεται στην αγορά.
Τεχνικά, τα λευκά LED που βασίζονται σε φωσφόρο ενσωματώνουν InGaN μπλε LED στο εσωτερικό μιας εποξικής φωσφορικής επικάλυψης. Ένα κοινό κίτρινο φωσφορικό υλικό είναι ο γρανάτης αλουμινίου νιτρίου ενισχυμένος με δημήτριο (Ce3+:YAG). Τα λευκά LED μπορούν επίσης να παραχθούν με επίστρωση LED που εκπέμπουν κοντά στο υπεριώδες (NUV), με ένα μείγμα υψηλής απόδοσης με βάση το ευρώπιο κόκκινου και μπλε φωσφόρου συν πράσινο του χαλκού και του αλουμινίου ενισχυμένου με θειούχο ψευδάργυρο (ZnS: Cu, Al). Πρόκειται για μια μέθοδο ανάλογη με των λαμπτήρων φθορισμού στον τρόπο λειτουργίας. Ωστόσο, η υπεριώδης ακτινοβολία προκαλεί φωτουποβάθμιση στην εποξική ρητίνη και σε πολλά άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται στο περίβλημα των LED, προκαλώντας προβλήματα στους κατασκευαστές και μικρότερη διάρκεια ζωής. Η μέθοδος αυτή είναι λιγότερο αποδοτική από ότι το μπλε LED με YAG:Ce φωσφόρο, καθώς η μετατόπιση Stokes είναι μεγαλύτερη μετατρέποντας έτσι περισσότερη ενέργεια σε θερμότητα και συνεπώς εκπέμπεται φως με καλύτερα φασματικά χαρακτηριστικά που καθιστούν το χρώμα καλύτερο. Λόγω της υψηλότερης παραγωγής ακτινοβολίας των υπεριωδών LED έναντι των μπλε και οι δύο προσεγγίσεις παρέχουν αντίστοιχη φωτεινότητα. Μια άλλη ανησυχία είναι ότι η υπεριώδης ακτινοβολία μπορεί να διαρρεύσει από μια πηγή φωτός προβληματικής λειτουργίας και να προκαλέσει βλάβες στα ανθρώπινα μάτια ή το δέρμα.
Άλλα λευκά LED
Μια άλλη μέθοδος που χρησιμοποιείται πειραματικά για την παραγωγή λευκού φωτός LED χωρίς τη χρήση φωσφόρου και βασίστηκε σε επιταξιακά ανεπτυγμένο σεληνιούχο ψευδάργυρο (ZnSe) πάνω σε ένα υπόστρωμα εκπέμπει ταυτόχρονα μπλε φως από την ενεργή περιοχή και κίτρινο φως από το υπόστρωμα.
Οργανικές δίοδοι εκπομπής φωτός (OLED)
Αν το υλικό της εκπέμπουσας στρώσης του LED είναι μια οργανική ένωση, είναι γνωστό ως οργανική δίοδος εκπομπής φωτός (OLED). Για να λειτουργήσει ως ημιαγωγός, το εκπέμπον οργανικό υλικό πρέπει να έχει συζευγμένους δεσμούς pi. To εκπέμπον υλικό μπορεί να είναι ένα οργανικό μόριο σε μια κρυσταλλική φάση ή ένα πολυμερές. Τα πολυμερή υλικά μπορούν να είναι ευέλικτα. Τέτοια LED είναι γνωστά ως PLED ή FLED.
Σε σύγκριση με τα συνήθη LED, τα OLED είναι πιο φωτεινοί και τα LED πολυμερούς έχουν το πρόσθετο πλεονέκτημα της ευελιξίας. Μερικές πιθανές μελλοντικές εφαρμογές των OLED θα μπορούσε να είναι:
* Οικονομικές, ευέλικτες οθόνες
* Φωτεινές πηγές
* Διακοσμήσεις τοίχων
* Φωτιζόμενα υφάσματα
Τα OLED έχουν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή οθονών οπτικής απεικόνισης για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, όπως κινητά τηλέφωνα, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές και MP3 players. Έχουν επίσης παρουσιαστεί και μεγαλύτερες οθόνες αλλά γενικά το προσδόκιμο ζωής τους ήταν και παραμένει ακόμη πολύ μικρό (<1.000 ώρες) για να είναι πρακτικό. Σήμερα, τα OLED λειτουργούν σε σημαντικά χαμηλότερη απόδοση από τα ανόργανα (κρυσταλλικά) LED. Quantum Dot LED (σε πειραματικό στάδιο) Μια νέα τεχνική που αναπτύχθηκε από τον Michael Bowers, έναν μεταπτυχιακό φοιτητή στο Πανεπιστήμιο Vanderbilt στο Nashville, περιλαμβάνει επίστρωση ενός μπλε LED με κβαντικές τελείες που εκπέμπουν ένα λευκό φως σε σχέση με το μπλε φως από τα LED. Η τεχνική αυτή δημιουργεί ένα ζεστό, υπόλευκο φως παρόμοιο με αυτό που παράγεται από τους λαμπτήρες πυρακτώσεως. Τα Quantum dots είναι ημιαγώγιμοι νανοκρύσταλλοι που διαθέτουν μοναδικές οπτικές ιδιότητες.Το χρώμα των εκπομπών τους μπορεί να ρυθμιστεί από την ορατή περιοχή μέχρι όλο το υπέρυθρο φάσμα. Αυτό επιτρέπει στα κβαντικά LED να δημιουργήσουν σχεδόν οποιοδήποτε χρώμα στο διάγραμμα CIE. Αυτό παρέχει περισσότερες επιλογές χρωμάτων και καλύτερη χρωματική απόδοση λευκών LED. Τα κβαντικά LED είναι διαθέσιμα στα ίδια είδη περιβλήματος, όπως τα παραδοσιακά φωσφορούχα LED. Πλεονεκτήματα χρήσης των LED * Απόδοση: Τα LED παράγουν περισσότερο φως ανά Watt από τους λαμπτήρες πυρακτώσεως. Αυτό είναι σημαντικό σε συσκευές εξοικονόμησης ενέργειας ή συσκευές που τροφοδοτούνται από μπαταρίες. * Χρώμα: Τα LED μπορούν να εκπέμψουν φως στο χρώμα της προτίμησής μας χωρίς τη χρήση φίλτρων χρωματισμού που απαιτούνται στις παραδοσιακές μεθόδους φωτισμού. Αυτό είναι πιο αποδοτικό και μπορεί να μειώσει το αρχικό κόστος. * Μέγεθος: Τα LED μπορεί να είναι πολύ μικροί (μικρότεροι από 2 mm2) και μπορούν εύκολα να τοποθετηθούν πάνω σε τυπωμένα κυκλώματα. * Χρόνος On / Off: Τα LED ανάβουν πολύ γρήγορα. Μια χαρακτηριστική κόκκινη ενδεικτική λυχνία LED επιτυγχάνει πλήρη φωτεινότητα σε μικροδευτερόλεπτα. Λυχνίες LED που χρησιμοποιούνται σε συσκευές επικοινωνίας μπορούν να έχουν και ακόμη ταχύτερους χρόνους απόκρισης. * Συχνή χρήση: Τα LED είναι ιδανικά για χρήση σε εφαρμογές που υπόκεινται σε συχνή on-off χρήση, σε αντίθεση με τους λαμπτήρες φθορισμού που καίγονται πιο γρήγορα όταν εναλλάσσονται συχνά, ή HID λαμπτήρες που απαιτούν μεγάλο χρονικό διάστημα πριν την επανέναρξη. * Dimming: Τα LED μπορούν πολύ εύκολα να μετριάσουν τη φωτεινότητά τους, είτε με διαφοροποίηση του παλμικού εύρους είτε μειώνοντας το ρεύμα. * Ψυχρό φως: Σε αντίθεση με τις περισσότερες πηγές φωτός, τα LED εκπέμπουν πολύ λίγη θερμότητα με τη μορφή της IR που να προκαλεί βλάβες σε ευαίσθητα αντικείμενα ή υφάσματα. Η καταναλισκόμενη ενέργεια διανέμεται ως θερμότητα μέσω της βάσης των LED. * Βαθμιαία μείωση απόδοσης: Τα LED μειώνουν βαθμιαία την απόδοση τους με την πάροδο του χρόνου, έναντι στην απότομη παύση λειτουργίας των λαμπτήρων πυρακτώσεως. * Διάρκεια ζωής: Τα LED μπορεί να έχουν μια σχετικά μακρά διάρκεια ζωής. Μία έρευνα εκτιμά 35.000 έως 50.000 ώρες ωφέλιμης ζωής, εντούτοις ο χρόνος μέχρι την οριστική τους παύση μπορεί να είναι μεγαλύτερος. Ο χρόνος ζωής από τις λάμπες φθορισμού κατά κανόνα ανέρχεται σε περίπου 10.000 έως 15.000 ώρες, ανάλογα εν μέρει από τις συνθήκες χρήσης, και των λαμπτήρων πυρακτώσεως σε 1.000 - 2.000 ώρες. * Αντοχή σε κραδασμούς: Τα LED, όντας συμπαγή, είναι δύσκολο να καταστραφούν με εξωτερικούς κραδασμούς, σε αντίθεση με τους λαμπτήρες φθορισμού και τους λαμπτήρες πυρακτώσεως που είναι εύθραυστοι. * Εστίαση: Το σχήμα των LED μπορεί να σχεδιαστεί έτσι ώστε να ενθαρρύνει την εστίαση του φωτός. Οι λαμπτήρες πυρακτώσεως και φθορισμού συχνά απαιτούν ένα εξωτερικό κάτοπτρο για τη συλλογή φωτός και την κατεύθυνσή του με εύχρηστο τρόπο. * Τοξικότητα: Τα LED δεν περιέχουν υδράργυρο, σε αντίθεση με τους λαμπτήρες φθορισμού. Εφαρμογές Οι πολλές εφαρμογές των LED είναι ποικίλες, αλλά κατατάσσονται σε τρεις βασικές κατηγορίες: Εφαρμογές οπτικού σήματος ,όπου το φως πηγαίνει περισσότερο ή λιγότερο άμεσα από τα LED στο ανθρώπινο μάτι ώστε να μεταφέρει ένα μήνυμα. Στο φωτισμό, όπου το φως των LED αντανακλάται στα αντικείμενα για να δώσει μια ενδιαφέρουσα διαφορετική οπτική τους. Τέλος, τα LED επίσης χρησιμοποιούνται για να παράγουν φως για τη μέτρηση και την αλληλεπίδραση με διαδικασίες που δεν περιλαμβάνουν το ανθρώπινο οπτικό σύστημα. Χρήσεις ενδείξεων και σήμανσης * Ενδείξεις κατάστασης σε μια ποικιλία εξοπλισμού * Οθόνες LED που χρησιμοποιούνται ως οθόνες τηλεόρασης σε γήπεδα, ηλεκτρονικούς πίνακες και διακοσμητικές οθόνες. * Φωτεινούς σηματοδότες και σημάνσεις * Φωτεινά σήματα εξόδου * Λεπτές, ελαφριές οθόνες μηνυμάτων σε αεροδρόμια και σιδηροδρομικούς σταθμούς και ως οθόνες δρομολογίων για τρένα, λεωφορεία, τραμ, καθώς και για πλοία. * Κόκκινες ή κίτρινες λυχνίες LED που χρησιμοποιούνται ως ενδείξεις σε οθόνες σε περιβάλλοντα όπου η νυχτερινή ορατότητα πρέπει να διασφαλιστεί: πιλοτήρια αεροσκαφών, γέφυρες υποβρυχίων και πλοίων, αστρονομικά παρατηρητήρια, καθώς και σε ανοιχτούς χώρους, πχ. για τη παρακολούθηση των ζώων τη νύχτα και για στρατιωτική χρήση. * LED όλων των χρωμάτων, συμπεριλαμβανομένων του υποκίτρινου, ώστε να προσομοιάζει τις λάμπες πυρακτώσεως, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εφαρμογές σε σιδηροδρομικές εγκαταστάσεις. * Σε ηλεκτρονικούς πίνακες για την εμφάνιση μηνυμάτων. * Εξαιτίας της μεγάλης διάρκειας ζωής τους και τους γρήγορους χρόνους ανταπόκρισής τους, τα LED έχουν χρησιμοποιηθεί στην αυτοκινητοβιομηχανία για τα ψηλά τοποθετημένα φώτα φρένων, για τα φώτα φρένων των φορτηγών και των λεωφορείων και για φώτα σήμανσης πορείας (φλας), αλλά πολλά ακριβά οχήματα αρχίζουν τώρα να χρησιμοποιούν LED για ολόκληρα τα φωτιστικά σώματα του πίσω μέρους τους. Εκτός από το κέρδος σε αξιοπιστία, προσφέρουν και αισθητικό πλεονεκτήματα, αφού τα LED είναι ικανά να σχηματίσουν πολύ λεπτότερες φωτεινές δέσμες από ότι οι λαμπτήρες πυρακτώσεως με τη χρήση παραβολικών ανακλαστήρων. Η σημαντική βελτίωση του χρόνου που απαιτείται για να ανάψει (ίσως 0.5s γρηγορότερα από έναν λαμπτήρα πυρακτώσεως), βελτιώνει την ασφάλεια, δίνοντας στους οδηγούς περισσότερο χρόνο για να αντιδράσουν. Έχει αναφερθεί ότι σε κανονικές ταχύτητες αυτοκινητόδρομου η μείωση του χρόνου αντίδρασης αντιστοιχεί στην κάλυψη απόστασης ίσης με το μήκος ενός αυτοκινήτου. Οι λευκοί προβολείς LED έχουν αρχίσει να κάνουν την εμφάνισή τους. * Ως ένα μέσο αναφοράς της ποιότητας της τάσης σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Η προς τα εμπρός πτώση τάσης (πχ., περίπου 1,7 V για ένα κανονικό κόκκινο LED) μπορεί να χρησιμοποιηθεί αντί για μια δίοδο Zener σε χαμηλής τάσης ρυθμιστές. Αν και η τάση των LED προς τα εμπρός είναι πολύ πιο εξαρτημένη από την ένταση, από μια καλή δίοδο Zener, οι Zener δεν είναι διαθέσιμες για τάσεις κάτω των 3V περίπου. * Ως φωτισμός ασφαλείας σε οχήματα * Χριστουγεννιάτικα φώτα με LED λαμπτήρες διατίθενται σε διάφορα χρώματα και με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. * Παρέχονται LED-modules σε μια πιο εύχρηστη μορφή για τα άτομα με λιγότερες γνώσεις των ηλεκτρονικών και ικανότητα εγκατάστασής τους: αυτοί οι λαμπτήρες LED περιέχονται μέσα σε σε προστατευτικό περίβλημα και ένας οδηγός βοηθάει στην τοποθέτηση τους, με παροχή ρεύματος συνήθως 12 βολτ. Τα LED αυτά είναι διαθέσιμα σε μια ευρεία ποικιλία σχημάτων, μεγεθών και χρωμάτων. Φωτισμός * Αντικατάσταση λαμπτήρων * Φακοί με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και μεγάλη διάρκεια ζωής * Φανάρια * Φώτα για δημοτικό φωτισμό * Μεγάλου μεγέθους οθόνες βίντεο * Αρχιτεκτονικός φωτισμός * Φωτεινές πηγές για τα μηχανολογικά συστήματα όπου απαιτείται φωτεινός, εστιασμένος, ομοιογενής και ενδεχομένως φωτισμός strobed. * Φώτα για τα αυτοκίνητα, τις μοτοσικλέτες * Φώτα ποδηλάτου * Για τηλεοράσεις LCD οπίσθιου φωτισμού και ελαφρές οθόνες φορητών υπολογιστών. Χρησιμοποιώντας RGB LED αυξάνεται η παλέτα των χρωμάτων μέχρι 45%. * Φωτεινή πηγή για προβολείς DLP * Φώτα για θεατρικές σκηνές, όπου χρησιμοποιώντας RGB LED αλλάζει εύκολα το χρώμα με μειωμένη μάλιστα θέρμανση σε σχέση με τις παραδοσιακές πηγές φωτισμού. * Φωτισμός για ιατρικούς σκοπούς, όπου η IR ακτινοβολία (υπέρυθρη) και οι υψηλές θερμοκρασίες είναι ανεπιθύμητες. * Strobe φώτα ή φλας φωτογραφικών μηχανών που λειτουργούν σε μια ασφαλή, χαμηλή τάση, σε αντίθεση με το +250 Volt που συνήθως απαιτούνται σε φλας τύπου ξένον. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τις κάμερες στα κινητά τηλέφωνα, όπου ο χώρος είναι πολύτιμος και τα ογκώδη με αύξηση τάσης κυκλώματα είναι ανεπιθύμητα. * Αόρατο υπέρυθρο φωτισμό για νυχτερινή όραση, πχ. σε κάμερες ασφαλείας. Έξυπνος φωτισμός Το φως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση ευρυζωνικών δεδομένων, η οποία έχει ήδη εφαρμοστεί σε IrDA πρότυπα με χρήση υπέρυθρων LED. Επειδή οι λυχνίες LED μπορούν να ανάβουν και να σβήνουν εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο, μπορούν, στην πραγματικότητα, να γίνουν ασύρματοι διακομιστές για τη μεταφορά δεδομένων. Τα λέιζερ μπορούν επίσης να κλιμακώνονται, με αυτόν τον τρόπο. Μη οπτικές Εφαρμογές * Φώτα βλάστησης με λυχνίες LED για την αύξηση της φωτοσύνθεσης των φυτών * Σε τηλεχειριστήρια, όπως για τηλεοράσεις και βίντεο, συχνά χρησιμοποιούν υπέρυθρα LED. * Αισθητήρες κίνησης, για παράδειγμα στο οπτικό ποντίκι του υπολογιστή του Nintendo Wii χρησιμοποιούνται υπέρυθρα LED. * Ως αισθητήρες φωτός. * Σε οπτικές ίνες και Free Space Optics επικοινωνίες. * Σε οξύμετρα παλμού για τη μέτρηση κορεσμού οξυγόνου * Σε φωτοθεραπεία με LED για την ακμή. Χρησιμοποιώντας μπλε ή κόκκινα LED έχει αποδειχθεί ότι μειώνεται σημαντικά η ακμή μετά από τρίμηνη θεραπεία. * Μερικοί σαρωτές χρησιμοποιούν συστοιχίες των RGB LED και όχι τον τυπικό cold-cathode φθοριούχο λαμπτήρα ως πηγή φωτός. Έχοντας ανεξάρτητο έλεγχο τριών φωτιζόμενων χρωμάτων επιτρέπει στον σαρωτή να αυτοβαθμονομήσει πιο ακριβή ισορροπία χρώματος, και δεν υπάρχει ανάγκη για προθέρμανση. Επιπλέον, οι αισθητήρες που χρειάζεται είναι μονοχρωματικοί, δεδομένου ότι σε οποιοδήποτε χρονικό σημείο η σελίδα που σαρώνεται φωτίζεται από ένα μόνο χρώμα. * Συσκευές UV για εφαρμογές επίστρωσης. * Αποστείρωση του νερού και άλλων ουσιών με χρήση υπεριώδους φωτός. * Αισθητήρες αφής: Καθώς τα LED μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως φωτοδίοδοι, μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για την εκπομπή όσο και την ανίχνευση φωτογραφίας. Αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για παράδειγμα, σε μια φωτοευαίσθητη οθόνη που καταγράφει το ανακλώμενο φως από ένα δάκτυλο ή μια γραφίδα. * Οι οπτικό-μονωτές χρησιμοποιούν ένα LED σε συνδυασμό με μια φωτοδίοδο ή φωτοτρανζίστορ για να παρέχουν μια διαδρομή σήματος με ηλεκτρική μόνωση ανάμεσα σε δύο κυκλώματα. Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο σε ιατρικό εξοπλισμό, όπου τα σήματα από ένα χαμηλής τάσης κύκλωμα (συνήθως με μπαταρίες) ερχόμενα σε επαφή με ένα ζωντανό οργανισμό πρέπει να είναι ηλεκτρικά μονωμένα από τυχόν ηλεκτρική βλάβη της συσκευής καταγραφής ή παρακολούθησης λειτουργίας σε δυνητικά επικίνδυνες τάσεις. Ένας οπτικο-μονωτής επιτρέπει επίσης να μεταφερθούν πληροφορίες μεταξύ κυκλωμάτων που δεν μοιράζονται ένα κοινό ουδέτερο δυναμικό. Πηγές φωτισμού για τα συστήματα μηχανικής όρασης Τα συστήματα μηχανικής όρασης απαιτούν συχνά φωτεινό και ομοιογενή φωτισμό, έτσι ώστε τα χαρακτηριστικά που παρουσιάζουν ενδιαφέρον να είναι ευκολότερα στην επεξεργασία τους. Τα LED συχνά χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό και αυτό το πεδίο εφαρμογής τους είναι πιθανόν να παραμείνει ένας από τους μείζονες τομείς εφαρμογής μέχρι η τιμή τους να πέσει αρκετά χαμηλά, ώστε οι εφαρμογές φωτισμού και σηματοδότησης να καταστούν πιο διαδεδομένες. Τα barcode scanners αποτελούν το πιο κοινό παράδειγμα της μηχανικής όρασης, καθώς οι πιο οικονομικοί χρησιμοποιούν κόκκινα LED αντί λέιζερ. Τα LED αποτελούν μια σχεδόν ιδανική πηγή φωτός για τα συστήματα μηχανικής όρασης για διάφορους λόγους: * Το μέγεθος του φωτιζόμενου πεδίου είναι συνήθως συγκριτικά μικρό και τα συστήματα παρακολούθησης ή οι κάμερες είναι αρκετά ακριβά, έτσι ώστε το κόστος των LED να είναι συνήθως μικρής σημασίας σε σύγκριση με τις εφαρμογές τους. * Τα στοιχεία LED τείνουν να είναι μικρά και μπορούν να τοποθετηθούν με υψηλή πυκνότητα σε επίπεδα ή ομαλά σχηματοποιημένα υποστρώματα (PCBs κλπ.), έτσι ώστε οι φωτεινές και ομοιογενείς πηγές τους να μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να κατευθύνουν το φως αυστηρά ελεγχόμενα και άμεσα πάνω σε σημεία που απαιτούν έλεγχο. * Οι λαμπτήρες LED συχνά έχουν ή μπορούν να χρησιμοποιηθούν με μικρούς, φθηνούς φακούς και διαχύτες, συμβάλλοντας στην επίτευξη φωτός υψηλής πυκνότητας με πολύ καλό έλεγχο του φωτισμού και ομοιογένεια. * Οι λαμπτήρες LED μπορούν εύκολα να αναβοσβήνουν ρυθμικά (strobed) (σε εύρος μικροδευτερόλεπτου, msec και κάτω) και να συγχρονιστούν. Η δύναμή τους έχει επίσης φτάσει σε υψηλά επίπεδα που επιτρέπει να επιτευχθεί αρκετά υψηλή ένταση, επιτυγχάνοντας καλά φωτισμένες εικόνες ακόμα και με πολύ σύντομους παλμούς φωτός. Αυτό χρησιμοποιείται συχνά για την αποτύπωση εικόνων με μεγάλη οξύτητα ακόμα και από γρήγορα κινούμενα μέρη. * Οι λαμπτήρες LED υπάρχουν σε διάφορα χρώματα και μήκη κύματος, επιτρέποντας έτσι την επιλογή του κατάλληλου χρώματος για κάθε εφαρμογή, ώστε το χρώμα να μπορεί να παρέχει την καλύτερη προβολή των χαρακτηριστικών που παρουσιάζουν ενδιαφέρον. Έχοντας ένα επακριβώς γνωστό φάσμα επιτρέπεται η χρήση τέλεια εφαρμόσιμων φίλτρων κατάλληλα για την κάθε εφαρμογή όπως και η μείωση της ενοχλητική επίδρασης από το φωτισμό του περιβάλλοντος. * Οι λαμπτήρες LED συνήθως λειτουργούν με συγκριτικά χαμηλές θερμοκρασίες, απλοποιώντας τη διαχείριση θερμότητας και την απαγωγή της, με αποτέλεσμα τη δυνατότητα χρήσης πλαστικών φακών, φίλτρων και διαχύτων. Αδιάβροχες μονάδες μπορούν επίσης εύκολα να σχεδιαστούν, επιτρέποντας τη χρήση σε σκληρά ή υγρά περιβάλλοντα (βιομηχανίες πετρελαίου, τροφίμων, ποτών). * Οι πηγές LED μπορεί να σχηματοποιηθούν σε πολλές διαφορετικές συνθέσεις (σποτάκια για ανακλαστικό φωτισμό, φώτα σε δακτύλιο για ομοαξονικό φωτισμό, πίσω φώτα για φωτισμό περιγράμματος, γραμμικές συνθέσεις, επίπεδα, μεγάλα πάνελ, θολωτή πηγή για διάχυση και σε κατευθυντικό φωτισμό). * Πολύ συμπαγείς διαμορφώσεις είναι δυνατόν να υπάρξουν, επιτρέποντας σε μικρά LED φωτισμού να ενσωματώνονται στις έξυπνες κάμερες και σε αισθητήρες.
Η δίοδος εκπομπής φωτός είναι μία ημιαγώγιμος δίοδος που εκπέμπει φως όταν ηλεκτρικό ρεύμα εφαρμόζεται με εμπρόσθια ορθή πόλωση προς τη συσκευή, όπως ακριβώς και σε ένα απλό κύκλωμα. Το αποτέλεσμα είναι μια μορφή ηλεκτροφωταύγειας, όπου ασυνεχές και στενού φάσματος φως εκπέμπεται από το πέρασμα p-n σε ένα συμπαγές υλικό. Τα LED χρησιμοποιούνται ευρέως ως φωτεινές ενδείξεις για.....
ηλεκτρονικές συσκευές και όλο και περισσότερο σε εφαρμογές με απαιτήσεις όπως σε φακούς και φωτισμούς χώρων.
Ένα LED είναι συνήθως μια μικρή περιοχή (μικρότερη από 1 mm2) φωτεινής πηγής, συχνά με φακό τοποθετημένο στην κορυφή του chip για να διαμορφώσει την ακτινοβολία του και να συμβάλει στην αντανάκλαση. Το χρώμα του εκπεμπόμενου φωτός εξαρτάται από την σύνθεση και την κατάσταση του ημιαγώγιμου υλικού που χρησιμοποιείται και μπορεί να είναι υπέρυθρο, ορατό ή υπεριώδες. Εκτός από το φωτισμό, ενδιαφέρουσες εφαρμογές συμπεριλαμβάνουν υπεριώδη (UV) LED για την αποστείρωση του νερού και την απολύμανση των συσκευών, όπως και τον φωτισμό στην καλλιέργεια για την ενίσχυση της φωτοσύνθεσης των φυτών.
Ανακαλύψεις και πρώιμες συσκευές
Η πρώτη γνωστή αναφορά συμπαγούς διόδου εκπομπής φωτός έγινε το 1970 από τον Βρετανό πειραματιστή H. J. Round του Marconi Labs, όταν παρατήρησε φωταύγεια παραγόμενη από ένα κρύσταλλο πυριτίου, ενώ χρησιμοποιούσε έναν ανιχνευτή μαγνητικού πεδίου (cats' whiskers sensor). Ο Ρώσος Oleg Vladimirovich Losev δημιούργησε το πρώτο LED στα μέσα της δεκαετίας του 1920. Η ερευνά του αν και διανεμήθηκε σε Ρωσικά, Γερμανικά και Βρετανικά επιστημονικά περιοδικά αγνοήθηκε και δεν βρήκε πρακτική εφαρμογή για αρκετές δεκαετίες. Ο Rubin Braunstein του Radio Corporation of America ανέφερε υπεριώδεις εκπομπές από αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) και από άλλα κραμάτα ημιαγώγιμων υλικών το 1955. Ο Braunstein παρατήρησε υπεριώδεις εκπομπές παραγόμενες από απλές σε δομή διόδους χρησιμοποιώντας κράματα GaSb, GaAs, InP και Ge-Si σε θερμοκρασία δωματίου στους 77 βαθμούς Kelvin. Το 1961 οι πειραματιστές Bob Biard και Gary Pittman που δούλευαν στην Texas Instruments βρήκαν ότι το αρσενικούχο γάλλιο παρήγαγε υπέρυθρη ακτινοβολία, όταν δεχόταν ηλεκτρικό ρεύμα. Οι Biard and Pittman κατάφεραν να διασφαλίσουν την πιστοποίηση του έργου τους, λαμβάνοντας δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τη δίοδο εκπομπής υπέρυθρου φωτός.
Το πρώτο πρακτικά ορατού φάσματος (κόκκινο) LED δημιουργήθηκε το 1962 από τον Nick Holonyak Jr., ενώ δούλευε στην General Electrics Company. Αργότερα μετακινήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις (University of Illinois). Ο Holonyak θεωρείται ο πατέρας της διόδου εκπομπής φωτός. Ο M. George Craford, ένας πρώην απόφοιτος φοιτητής του Holonyak, εφήυρε το πρώτο κίτρινο LED και το 10 φορές πιο δυνατό κόκκινο και το κόκκινο-πορτοκαλί LED το 1972. Μέχρι το 1968 τα LED ορατού και υπεριώδους φάσματος ήταν υπερβολικά δαπανηρά, της τάξης των $200 το τεμάχιο, έχοντας έτσι μικρή εφαρμογή. Η Hewlett Packard (HP) εισήγαγε τις διόδους εκπομπής φωτός το 1968 χρησιμοποιώντας αρχικά GaAsP υλικό. Η τεχνολογία αυτή αποδείχτηκε να έχει σημαντικές εφαρμογές σε αλφαριθμητικές οθόνες και εντάχθηκε η εφαρμογή της στα πρώιμα φορητά κομπιουτεράκια.
Πρακτική εφαρμογή
Οι πρώτοι λαμπτήρες LED για εμπορική χρήση χρησιμοποιήθηκαν ευρέως ως υποκατάστατα φωτεινών ενδείξεων με λαμπτήρες πυρακτώσεως και σε οθόνες, πρώτα σε ακριβούς εξοπλισμούς όπως εργαστήρια και ηλεκτρονικά όργανα μετρήσεων, αργότερα σε συσκευές όπως τηλεοράσεις, ραδιόφωνα, τηλέφωνα, κομπιουτεράκια ακόμα και σε ρολόγια (βλέπε τη λίστα εφαρμογών). Αυτά τα κόκκινα LED ήταν αρκετά φωτεινά μόνο για τη χρήση ως φωτεινές ενδείξεις, καθώς η ένταση του φωτός δεν ήταν αρκετή για τον φωτισμό ενός χώρου. Αργότερα άλλα χρώματα έγιναν ευρέως διαθέσιμα και άρχισαν να έχουν εφαρμογές σε συσκευές και εξοπλισμό, καθώς η τεχνολογία υλικών των LED έγινε πιο προηγμένη, η παραγωγή φωτός αυξήθηκε, ενώ διατηρήθηκε η αποδοτικότητα και η αξιοπιστία τους σε αποδεκτό επίπεδο.
Η εφεύρεση και εξέλιξη υψηλής ισχύος λευκών LED οδήγησε στη χρήση τους για φωτισμό (βλέπε λίστα εφαρμογών φωτισμού). Τα περισσότερα LED παράχθηκαν σε τεμάχια των 5 mm T1¾ και 3 mm T1, αλλά με αυξανόμενη ισχύ, καθιστώντας έτσι αναγκαία την απαγωγή της υπερβολικής θερμότητας, ώστε να διατηρήσουν την αξιοπιστία τους. Για αυτό το λόγο υιοθετήθηκαν πιο σύνθετα τεμάχια για την αποδοτική απαγωγή της θερμότητας. Τα σύγχρονα υψηλής ισχύος LED δε θυμίζουν σε τίποτα τα πρώιμα LED.
Συνεχής εξέλιξη
Το πρώτο υψηλής φωτεινότητας μπλε LED παρουσιάστηκε από τον Shuji Nakamura και βασίστηκε σε InGaN, δανειζόμενο στοιχεία εξέλιξης από την GaN πυρήνωση σε υποστρώματα ζαφείριου και την επίδειξη με p-type ενίσχυμένο GaN που αναπτύχθηκe από τους Isamu Akasaki και H. Amano στη Nagoya. Το 1995, ο Alberto Barbieri στο Εργαστήριο του Cardiff University ερεύνησε την αποτελεσματικότητα και την αξιοπιστία της υψηλής φωτεινότητας διόδου LED και επέδειξε ένα πολύ εντυπωσιακό αποτέλεσμα χρησιμοποιώντας μια διάφανη επαφή που κατασκευάστηκε από οξείδιο του ινδίου και του κασσιτέρου (ITO), στα (AlGaInP/GaAs) LED. Η ύπαρξη των μπλε LED και LED υψηλής απόδοσης γρήγορα οδήγησε στην ανάπτυξη του πρώτου λευκού LED το οποίο υιοθέτησε τη χρήση Y 3 Al 5 O 12: Ce, ή "YAG", με επίστρωση φωσφόρου για να αναμειχθεί κίτρινο φως με μπλε για την παραγωγή φωτός που εμφανίζεται λευκό. Στο Νakamura απονεμήθηκε το 2006 Βραβείο Τεχνολογίας Millenium για την εφεύρεσή του.
Οι εξελίξεις αποδίδονται σε παράλληλη ανάπτυξη άλλων τεχνολογιών ημιαγωγών καθώς και στις εξελίξεις στην οπτική και στην επιστήμη των υλικών. Η τάση αυτή ονομάζεται συνήθως Νόμος Haitz προς τιμήν του Δρ Roland Haitz.
Τεχνολογία
Όπως και σε άλλες διόδους, το ρεύμα ρέει εύκολα από την p πλευρά, ή άνοδο, προς την n πλευρά, ή κάθοδο, αλλά όχι προς την αντίθετη κατεύθυνση. Οι φορείς φορτίου - τα ηλεκτρόνια και οι οπές ροής – περνούν από την επαφή κινούμενα από ηλεκτρόδια με διαφορετικό δυναμικό. Όταν ένα ηλεκτρόνιο συναντά μια τρύπα, πέφτει σε ένα χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο και απελευθερώνει ενέργεια με τη μορφή ενός φωτονίου.
Το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται και επομένως και το χρώμα του, εξαρτάται από την ενέργεια χάσματος των υλικών που αποτελούν την επαφή p-n. Στις διόδους πυριτίου ή γερμανίου, τα ηλεκτρόνια και οι οπές επανασυνδέονται από μια χωρίς ακτινοβολία μετάβαση, η οποία δεν παράγει οπτική εκπομπή, γιατί αυτά είναι έμμεσα υλικά χάσματος. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για το LED είναι άμεσης ζώνης χάσματος με ενέργεια που αντιστοιχεί στο εγγύς υπέρυθρο φως, στο ορατό φως ή κοντά στην υπεριώδη ακτινοβολία.
Η ανάπτυξη των LED ξεκίνησε με υπέρυθρες και κόκκινες συσκευές που έχουν κατασκευαστεί με αρσενικούχο γάλλιο. Οι εξελίξεις στην επιστήμη των υλικών έχουν κάνει δυνατή την παραγωγή των συσκευών με ολοένα και μικρότερα μήκη κύματος, που παράγουν φως σε μια ποικιλία χρωμάτων. Τα LED είναι συνήθως τοποθετημένα σε n-τύπου υπόστρωμα, με ένα ηλεκτρόδιο προσκολλημένο στο στρώμα p-τύπου στην επιφάνειά του. Τα p-τύπου υποστρώματα, αν και λιγότερο συνήθη, χρησιμοποιούνται επίσης. Πολλά LED, ειδικά GaN/InGaN, χρησιμοποιούν επίσης υπόστρωμα ζαφείριου.
Εκχύλιση Φωτός
Ο δείκτης διάθλασης των περισσοτέρων ημιαγώγιμων υλικών είναι αρκετά υψηλός, έτσι ώστε σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις το φως από τα LED είναι συνδεδεμένο με ένα μέσο με πολύ χαμηλότερο δείκτη. Η μεγάλη διαφορά δείκτη κάνει την αντανάκλαση αρκετά ουσιαστική (ανά συντελεστές Fresnel). Το παραγόμενο φως εν μέρει αντανακλάται πίσω στον ημιαγωγό, όπου μπορεί να απορροφηθεί και να μετατραπεί σε επιπλέον θερμότητα. Αυτό είναι συνήθως ένα από τα κυρίαρχα αίτια της αναποτελεσματικότητας των LED. Συχνά πάνω από το ήμισυ του εκπεμπόμενου φωτός αντανακλάται πίσω στο LED. Η αντανάκλαση είναι σύνηθες να μειώνεται με τη χρήση σε σχήμα θόλου (μισή σφαίρα) καλύμματος με τη δίοδο στο κέντρο, έτσι ώστε οι απερχόμενες ακτίνες φωτός να χτυπάνε την επιφάνεια κάθετα, κατά την οποία γωνία η ανάκλαση γίνεται η ελάχιστη δυνατή. Τα υποστρώματα που είναι διαφανή στο εκπεμπόμενο μήκος κύματος, και υποστηρίζονται από μια αντανακλαστική επίστρωση, αυξάνουν την αποτελεσματικότητα των LED. Ο δείκτης διάθλασης του υλικού συσκευασίας πρέπει να ταιριάζει με το δείκτη του ημιαγωγού, ώστε να ελαχιστοποιηθεί η αντανάκλαση. Μια επίστρωση ενάντια στην αντανάκλαση μπορεί επίσης να προστεθεί.
Το περίβλημα μπορεί να είναι έγχρωμο, αλλά αυτό είναι μόνο για αισθητικούς λόγους ή για να βελτιωθεί ο βαθμός αντίθεσης. Το χρώμα του περιβλήματος δεν επηρεάζει σημαντικά το χρώμα του εκπεμπόμενου φωτός. Άλλες στρατηγικές για τη μείωση των επιπτώσεων της αντανάκλασης διεπαφής περιλαμβάνουν το σχεδιασμό των LED ώστε να απορροφούν και να επανεκπέμπουν το ανακλώμενο φως (η διαδικασία ονομάζεται ανακύκλωση φωτονίων) και την μετατροπή της μικροσκοπική δομής της επιφάνειας για τη μείωση της ανάκλασης, με το να της προκαλέσουμε τυχαία τραχύτητα, δημιουργώντας προγραμματισμένα μοτίβα. Πρόσφατα φωτονικοί κρύσταλλοι έχουν χρησιμοποιηθεί επίσης για την ελαχιστοποίηση της εκ νέου ανάκλασης. Τον Δεκέμβριο του 2007, επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης υποστήριξαν ότι βρήκαν έναν τρόπο να καταστήσουν τους LED με υψηλότερη ενεργειακή απόδοση, αποτυπώνοντας δισεκατομμύρια τρύπες πάνω τους χρησιμοποιώντας μια διαδικασία γνωστή ως λιθογραφία nanoimprint.
Απόδοση και λειτουργικές παραμέτροι
Τα LED για χρήση ως τυπικές ενδείξεις λειτουργίας είναι σχεδιασμένα να λειτουργούν με όχι περισσότερα από 30-60 milliwatts [mW] ηλεκτρικής ενέργειας. Γύρω στο 1999, η LumiLED εισήγαγε τα LED ισχύος με ικανότητα συνεχούς χρήσης σε ένα Watt [1W]. Αυτά τα LED χρησιμοποιούσαν πολύ μεγαλύτερα μεγέθη ημιαγωγών για να μπορέσουν να χειριστούν τη μεγαλύτερη εισροή ισχύος. Επίσης αυτού του τύπου οι ημιαγωγοί ήταν τοποθετημένοι πάνω σε μεταλλικά μέρη για να επιτρέψουν την απαγωγή της θερμότητας από τα LED.
Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα του φωτισμού με βάση τα LED είναι η υψηλή απόδοσή τους, όπως προκύπτει από τον λόγο της έντασης του φωτός που παράγεται ανά μονάδα ηλεκτρικής ισχύος. Τα λευκά LED γρήγορα συμβάδισαν και αργότερα ξεπέρασαν την αποτελεσματικότητα των συμβατικών συστημάτων φωτισμού πυράκτωσης. Το 2002,η LumiLED κατέστησε τα 5-Watt LED διαθέσιμα με απόδοση φωτεινότητας από 18-22 lumens ανά Watt [lm/W]. Συγκριτικά, μια συμβατική λάμπα πυρακτώσεως 60-100 W παράγει περίπου 15 lm/W, και οι λαμπτήρες φθορισμού παράγουν έως και 100 lm/W. (Το άρθρο που αναφέρεται στην απόδοση φωτεινότητας πραγματεύεται αυτές τις συγκρίσεις με περισσότερες λεπτομέρειες).
Τον Σεπτέμβριο του 2003, ένα νέο είδος μπλε LED παρουσιάστηκε από την εταιρεία Cree, Inc. για την παροχή 24 MW σε 20 milliamperes [mA]. Αυτό παρήγαγε λευκό φως εμπορικά διαθέσιμο που απέδιδε 65 lm / W σε 20 mA, και το κατέστησε το πιο λαμπρό λευκό LED που ήταν τότε διαθέσιμο και πάνω από τέσσερις φορές πιο αποδοτικό από τους συνηθισμένους λαμπτήρες πυρακτώσεως. Το 2006 παρουσιάστηκε από την ίδια εταιρεία ένα πρωτοποριακό λευκό LED με φωτεινή απόδοση 131 lm/W στα 20 mA. Επίσης, η Seoul Semiconductor, είχε σχέδια για 135 lm/W έως το 2007 και 145 lm/W έως το 2008, το οποίο θα αποτελούσε μια θεαματική βελτίωση έναντι τόσο των συνηθισμένων λαμπτήρων πυρακτώσεως όσο και των συνηθισμένων λαμπτήρων φθορισμού. Η Nichia Corporation ανέπτυξε ένα λευκό LED με φωτεινή απόδοση των 150 lm/W σε ένα ρεύμα των 20 mA.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα υψηλής ισχύος (≥1W) LED είναι αναγκαία για πρακτικές εφαρμογές φωτισμού. Το ρεύμα λειτουργίας για τις εν λόγω διατάξεις αρχίζει στα 350 mA. H Cree εξέδωσε δελτίο τύπου στις 19 Νοεμβρίου 2008 για ένα πρωτοποριακό LED που βρισκόταν σε πειραματικό στάδιο και που επιτύγχανε 161 lumens/watt σε θερμοκρασία δωματίου. Η συνολική παραγωγή ήταν 173 lumens και η συσχετισμένη στρωματική θερμοκρασία χρώματος αναφέρθηκε στα 4689 K.
Υπεριώδη και μπλε LED
Τα μπλε LED βασίζονται σε ημιαγωγούς GaN (νιτρίδιο του γαλλίου) και InGaN (ίνδιο νιτρίδιο γαλλίου). Μπορούν να προστεθούν στα υπάρχοντα κόκκινα και πράσινα LED για να παράγουν την εντύπωση του λευκού φωτός, αν και σήμερα τα λευκά LED χρησιμοποιούν σπάνια αυτή την αρχή. Τα πρώτα μπλε LED δημιουργήθηκαν το 1971 από τον Jacques Pankove (εφευρέτη του LED με νιτρίδιο του γαλλίου) στα RCA Laboratories. Ωστόσο, αυτές οι συσκευές είχαν πολύ μικρή απόδοση φωτός για να έχουν πρακτική χρήση. Στα τέλη της δεκαετίας του 1980, τα βασικά επιτεύγματα που σημειώθηκαν στην επιταξιακή ανάπτυξη GaN και την ενίσχυση p-type από τον Isamu Akasaki και Hiroshi Amano (Ναγκόγια, Ιαπωνία) εισάγουν τη σύγχρονη εποχή των βασιζόμενων σε GaN οπτικοηλεκτρονικών συσκευών. Αξιοποιώντας αυτή τη βάση δεδομένων, το 1993, τα υψηλής φωτεινότητας μπλε LED παρουσιάστηκαν μέσα από το έργο του Shuji Nakamura.
Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1990, τα μπλε LED έγιναν ευρέως διαθέσιμα. Έχουν μια ενεργή περιοχή που αποτελείται από ένα ή περισσότερα κβαντικά φρεάτια InGaN στριμωγμένη ανάμεσα σε πυκνές στρώσεις GaN. Μεταβάλλοντας το σχετικό κλάσμα In-GaN στα κβαντικά φρεάτια InGaN, η εκπομπή φωτός μπορεί να μεταβάλλεται από μοβ σε κίτρινο-πορτοκαλί. Το AlGaN νιτρίδιο αργιλίου του γαλλίου διαφόρων AlN κλασμάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή περιβλημάτων και τις στρώσεις των κβαντικών φρεατίων για τα LED υπεριώδους ακτινοβολίας, αλλά αυτές οι συσκευές δεν έχουν ακόμη προσεγγίσει το επίπεδο της απόδοσης και της τεχνολογικής ωριμότητας των μπλε/πράσινων συσκευών InGaN-GaN. Εάν οι ενεργές στρώσεις των κβαντικών φρεατίων είναι GaN, σε αντίθεση με τις κραματούχες InGaN ή AlGaN, η συσκευή θα εκπέμπει σχεδόν υπεριώδες φως με μήκος κύματος περίπου 350-370 nm. Τα πράσινα LED που κατασκευάζονται από το σύστημα InGaN-GaN είναι πολύ πιο αποδοτικά και πιο φωτεινά από τα πράσινα LED που παράγονται με μη-νιτριδίου υλικά.
Τα υπεριώδη LED καθίστανται διαθέσιμα στην αγορά σε μια σειρά από μήκη κύματος. Αυτά με UV εκπομπές σε μήκη κύματος 375-395 nm περίπου είναι ήδη αγοραστικά προσιτά και συχνά αντιμετωπίζονται, για παράδειγμα, ως αντικαταστατές λαμπτήρων μαύρου φωτός (black light), για την επιθεώρηση της παραποίησης/απομίμησης UV υδατογραφημάτων σε ορισμένα έγγραφα και χαρτονομίσματα. Οι δίοδοι μικρότερου μήκους κύματος, αν και σημαντικά πιο ακριβές, είναι εμπορικά διαθέσιμοι για μήκη κύματος έως 247 nm. Δεδομένου ότι η φωτοευαισθησία των μικροοργανισμών σχεδόν ταιριάζει με το φάσμα απορρόφησης του DNA, με μέγιστο περίπου τα 260 nm, τα UV LED που εκπέμπουν στα 250-270 nm αναμένονται να εφαρμοστούν μελλοντικά σε συσκευές απολύμανσης και συσκευές αποστείρωσης. Πρόσφατες έρευνες έχουν δείξει ότι τα εμπορικά διαθέσιμα UVA LED (365 nm) είναι ήδη αποτελεσματικά σε συσκευές απολύμανσης και αποστείρωσης.
Μήκη κύματος κάτω των 210 nm επιτεύχθηκαν σε εργαστήρια που χρησιμοποιούν νιτρίδιο αλουμινίου. Αν και δεν είναι ένα LED τέτοιο, μια συνηθισμένη NPN διπολική κρυσταλλολυχνία θα εκπέμπει μοβ φως αν το πέρασμα της βάσης εκπομπής της υποβάλλεται σε μια πιθανή αντίστροφη κατάρρευση. Αυτό είναι εύκολο να αποδειχθεί με το να αλλοιώσουμε την κορυφή από μια μεταλλική κρυσταλλολυχνία (BC107, 2N2222 ή παρόμοια) και ωθώντας αυτή πολύ παραπάνω από το σημείο βλάβης της βάσης του εκπομπέα, μέσω μιας αντίστασης περιορισμού του ρεύματος.
Λευκά LED
Υπάρχουν δύο τρόποι για την παραγωγή υψηλής έντασης λευκού φωτός χρησιμοποιώντας LED. Ο ένας είναι να χρησιμοποιηθούν μεμονωμένα LED που εκπέμπουν τα τρία βασικά χρώματα - κόκκινο, πράσινο και μπλε και στη συνέχεια να αναμιχθούν όλα τα χρώματα για να παράγουν λευκό φως. Ο άλλος είναι η χρήση φωσφόρου για να μετατρέψει το μονοχρωματικό φως από ένα μπλε ή UV LED σε ευρέως φάσματος λευκό φως, κατά τον ίδιο τρόπο που δουλεύει ένας λαμπτήρας φθορισμού.
Συστήματα RGB
Το λευκό φως μπορεί να παραχθεί με ανάμειξη διαφορετικών χρωμάτων. Η πιο κοινή μέθοδος είναι η χρήση κόκκινου, πράσινου και μπλε (RGB), εξ ου και η μέθοδος ονομάζεται πολύχρωμα λευκά LED (μερικές φορές αναφέρεται ως RGB LED). Επειδή ο μηχανισμός του σχετίζεται με εξελιγμένο ηλεκτρο-οπτικό σχεδιασμό για τον έλεγχο της ανάμιξης και της διάδοσης των διαφόρων χρωμάτων, η προσέγγιση αυτή έχει σπάνια χρησιμοποιηθεί για τη μαζική παραγωγή λευκών LED στην βιομηχανία. Παρ’ όλα αυτά η μέθοδος αυτή είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα για πολλούς ερευνητές και τους επιστήμονες λόγω της ευελιξίας της ανάμειξης διαφόρων χρωμάτων. Επίσης, ο μηχανισμός αυτός έχει υψηλότερη κβαντική απόδοση στην παραγωγή λευκού φωτός.
Υπάρχουν διάφοροι τύποι πολύχρωμων λευκών LED: δι-, τρι- και τετραχρωματικά λευκά LED. Αρκετά σημαντικοί παράγοντες που εμπλέκονται σε αυτές τις διαφορετικές προσεγγίσεις περιλαμβάνουν την σταθεροποίηση του χρώματος, την ικανότητα απόδοσης του χρώματος, και την απόδοση φωτεινότητας. Συχνά υψηλότερη αποδοτικότητα σημαίνει χαμηλότερη απόδοση των χρωμάτων, παρουσιάζοντας ένα συμβιβασμό μεταξύ της φωτεινής απόδοσης και της χρωματικής απόδοσης. Για παράδειγμα, τα διχρωματικά λευκά LED έχουν την καλύτερη αποδοτικότητα φωτεινότητας (120 lm/W), αλλά τη χαμηλότερη ικανότητα χρωματικής απόδοσης. Αντιθέτως, τα τετραχρωματικά λευκά LED αν και έχουν εξαιρετική ικανότητα χρωματικής απόδοσης, έχουν συχνά χαμηλή αποδοτικότητα φωτεινότητας. Τα τριχρωματικά λευκά LED είναι μια ενδιάμεση κατάσταση και έχουν και καλή αποδοτικότητα φωτεινότητας (>70lm/W) αλλά και επαρκείς ικανότητες απόδοσης χρωμάτων.
Το τι προσφέρουν τα πολύχρωμα LED δεν είναι απλώς άλλη μια λύση για την παραγωγή λευκού φωτός, αλλά είναι μια ολόκληρη νέα τεχνική παραγωγής λευκού φωτός από διαφορετικά χρώματα. Κατ' αρχήν, όλα τα ικανά να αντιληφθούμε χρώματα μπορούν να παραχθούν με ανάμειξη διαφορετικών ποσοτήτων των τριών βασικών χρωμάτων, και αυτό καθιστά δυνατή την επίτευξη ακριβή έλεγχου των χρωμάτων. Καθώς όλο και περισσότερη προσπάθεια είναι αφιερωμένη στην έρευνα αυτής την τεχνικής, τα πολύχρωμα LED θα πρέπει να έχουν έντονη επιρροή στη θεμελιώδη μέθοδο που χρησιμοποιούμε για να παράγουμε και να ελέγξουμε το χρώμα του φωτός. Ωστόσο, πριν αυτό το είδος των LED μπορέσει να διαδραματίσει πραγματικά έναν ρόλο στην αγορά, διάφορα τεχνικά προβλήματα του πρέπει να επιλυθούν. Αυτά βεβαίως περιλαμβάνουν ότι αυτό το είδος των εκπομπών ισχύος LED μειώνεται εκθετικά με την αύξηση της θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα μια ουσιαστική αλλαγή στη σταθεροποίηση του χρώματος. Το εν λόγω πρόβλημα δεν είναι αποδεκτό για τις βιομηχανικές χρήσεις. Ως εκ τούτου, πολλές νέες προτάσεις με στόχο την επίλυση του προβλήματος αυτού έχουν προταθεί και τα αποτελέσματά τους παρουσιάζονται από τους ερευνητές και τους επιστήμονες.
LED βασισμένα σε Φωσφόρο
Αυτή η μέθοδος συμπεριλαμβάνει την επίστρωση ενός LED μονού χρώματος (συνήθως μπλε LED που κατασκευάζονται από InGaN) με φωσφόρο σε διάφορα χρώματα για να παράγουν λευκό φως, προκύπτοντας έτσι LED που ονομάζονται λευκά LED βασιζόμενα σε φωσφόρο. Ένα μέρος του μπλε φωτός υφίσταται μετατόπιση Stokes και μετασχηματίζεται από μικρότερα μήκη κύματος προς μεγαλύτερα. Ανάλογα με το χρώμα του αρχικού LED, φωσφόρος διαφορετικών χρωμάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Αν διαφορετικά στρώματα φωσφόρου από ευδιάκριτα χρώματα εφαρμόζονται, το εκπεμπόμενο φάσμα διευρύνεται, αυξάνοντας αποτελεσματικά το δείκτη απόδοσης χρωμάτων (CRI) σε ένα δεδομένο LED.
Τα βασισμένα σε φωσφόρο LED έχουν χαμηλότερη απόδοση από τα συνηθισμένα LED, λόγω της απώλειας θερμότητας από τη μετατόπιση, καθώς και εξαιτίας άλλων παραγόντων που σχετίζονται με το φωσφόρο και που οδηγούν σε υποβάθμιση. Ωστόσο, η μέθοδος φωσφόρου εξακολουθεί να είναι η πιο δημοφιλής τεχνική για την κατασκευή υψηλής έντασης λευκών LED. Ο σχεδιασμός και η παραγωγή μιας πηγής φωτός ή μιας φωτιστικής εγκατάστασης χρησιμοποιώντας μονοχρωματικό εκπομπέα με μετατροπέα φωσφόρου είναι απλούστερη και φθηνότερη από ένα πολύπλοκο σύστημα RGB και η πλειοψηφία των υψηλής έντασης λευκών LED σήμερα στην αγορά κατασκευάζονται με τη χρήση μετατροπέα φωσφορούχου φωτός.
Το μεγαλύτερο εμπόδιο για την επίτευξη υψηλής αποδοτικότητας είναι η φαινομενικά αναπόφευκτη ενεργειακή απώλεια. Εντούτοις, πολλές προσπάθειες έχουν γίνει για τη βελτιστοποίηση των συσκευών αυτών αναφορικά με την παραγωγή φωτός και τη δυνατότητα λειτουργίας τους σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η απόδοση μπορεί για παράδειγμα να αυξηθεί με το να προσαρμοστούν σχεδιαστικά στις εκάστοτε ανάγκες ή χρησιμοποιώντας έναν πιο κατάλληλο τύπο φωσφόρου. Με την συνεχιζόμενη εξέλιξη βλέπουμε την αποτελεσματικότητα των LED φωσφόρου να αυξάνεται μέσω κάθε νέου προϊόντος που εισάγεται στην αγορά.
Τεχνικά, τα λευκά LED που βασίζονται σε φωσφόρο ενσωματώνουν InGaN μπλε LED στο εσωτερικό μιας εποξικής φωσφορικής επικάλυψης. Ένα κοινό κίτρινο φωσφορικό υλικό είναι ο γρανάτης αλουμινίου νιτρίου ενισχυμένος με δημήτριο (Ce3+:YAG). Τα λευκά LED μπορούν επίσης να παραχθούν με επίστρωση LED που εκπέμπουν κοντά στο υπεριώδες (NUV), με ένα μείγμα υψηλής απόδοσης με βάση το ευρώπιο κόκκινου και μπλε φωσφόρου συν πράσινο του χαλκού και του αλουμινίου ενισχυμένου με θειούχο ψευδάργυρο (ZnS: Cu, Al). Πρόκειται για μια μέθοδο ανάλογη με των λαμπτήρων φθορισμού στον τρόπο λειτουργίας. Ωστόσο, η υπεριώδης ακτινοβολία προκαλεί φωτουποβάθμιση στην εποξική ρητίνη και σε πολλά άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται στο περίβλημα των LED, προκαλώντας προβλήματα στους κατασκευαστές και μικρότερη διάρκεια ζωής. Η μέθοδος αυτή είναι λιγότερο αποδοτική από ότι το μπλε LED με YAG:Ce φωσφόρο, καθώς η μετατόπιση Stokes είναι μεγαλύτερη μετατρέποντας έτσι περισσότερη ενέργεια σε θερμότητα και συνεπώς εκπέμπεται φως με καλύτερα φασματικά χαρακτηριστικά που καθιστούν το χρώμα καλύτερο. Λόγω της υψηλότερης παραγωγής ακτινοβολίας των υπεριωδών LED έναντι των μπλε και οι δύο προσεγγίσεις παρέχουν αντίστοιχη φωτεινότητα. Μια άλλη ανησυχία είναι ότι η υπεριώδης ακτινοβολία μπορεί να διαρρεύσει από μια πηγή φωτός προβληματικής λειτουργίας και να προκαλέσει βλάβες στα ανθρώπινα μάτια ή το δέρμα.
Άλλα λευκά LED
Μια άλλη μέθοδος που χρησιμοποιείται πειραματικά για την παραγωγή λευκού φωτός LED χωρίς τη χρήση φωσφόρου και βασίστηκε σε επιταξιακά ανεπτυγμένο σεληνιούχο ψευδάργυρο (ZnSe) πάνω σε ένα υπόστρωμα εκπέμπει ταυτόχρονα μπλε φως από την ενεργή περιοχή και κίτρινο φως από το υπόστρωμα.
Οργανικές δίοδοι εκπομπής φωτός (OLED)
Αν το υλικό της εκπέμπουσας στρώσης του LED είναι μια οργανική ένωση, είναι γνωστό ως οργανική δίοδος εκπομπής φωτός (OLED). Για να λειτουργήσει ως ημιαγωγός, το εκπέμπον οργανικό υλικό πρέπει να έχει συζευγμένους δεσμούς pi. To εκπέμπον υλικό μπορεί να είναι ένα οργανικό μόριο σε μια κρυσταλλική φάση ή ένα πολυμερές. Τα πολυμερή υλικά μπορούν να είναι ευέλικτα. Τέτοια LED είναι γνωστά ως PLED ή FLED.
Σε σύγκριση με τα συνήθη LED, τα OLED είναι πιο φωτεινοί και τα LED πολυμερούς έχουν το πρόσθετο πλεονέκτημα της ευελιξίας. Μερικές πιθανές μελλοντικές εφαρμογές των OLED θα μπορούσε να είναι:
* Οικονομικές, ευέλικτες οθόνες
* Φωτεινές πηγές
* Διακοσμήσεις τοίχων
* Φωτιζόμενα υφάσματα
Τα OLED έχουν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή οθονών οπτικής απεικόνισης για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, όπως κινητά τηλέφωνα, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές και MP3 players. Έχουν επίσης παρουσιαστεί και μεγαλύτερες οθόνες αλλά γενικά το προσδόκιμο ζωής τους ήταν και παραμένει ακόμη πολύ μικρό (<1.000 ώρες) για να είναι πρακτικό. Σήμερα, τα OLED λειτουργούν σε σημαντικά χαμηλότερη απόδοση από τα ανόργανα (κρυσταλλικά) LED. Quantum Dot LED (σε πειραματικό στάδιο) Μια νέα τεχνική που αναπτύχθηκε από τον Michael Bowers, έναν μεταπτυχιακό φοιτητή στο Πανεπιστήμιο Vanderbilt στο Nashville, περιλαμβάνει επίστρωση ενός μπλε LED με κβαντικές τελείες που εκπέμπουν ένα λευκό φως σε σχέση με το μπλε φως από τα LED. Η τεχνική αυτή δημιουργεί ένα ζεστό, υπόλευκο φως παρόμοιο με αυτό που παράγεται από τους λαμπτήρες πυρακτώσεως. Τα Quantum dots είναι ημιαγώγιμοι νανοκρύσταλλοι που διαθέτουν μοναδικές οπτικές ιδιότητες.Το χρώμα των εκπομπών τους μπορεί να ρυθμιστεί από την ορατή περιοχή μέχρι όλο το υπέρυθρο φάσμα. Αυτό επιτρέπει στα κβαντικά LED να δημιουργήσουν σχεδόν οποιοδήποτε χρώμα στο διάγραμμα CIE. Αυτό παρέχει περισσότερες επιλογές χρωμάτων και καλύτερη χρωματική απόδοση λευκών LED. Τα κβαντικά LED είναι διαθέσιμα στα ίδια είδη περιβλήματος, όπως τα παραδοσιακά φωσφορούχα LED. Πλεονεκτήματα χρήσης των LED * Απόδοση: Τα LED παράγουν περισσότερο φως ανά Watt από τους λαμπτήρες πυρακτώσεως. Αυτό είναι σημαντικό σε συσκευές εξοικονόμησης ενέργειας ή συσκευές που τροφοδοτούνται από μπαταρίες. * Χρώμα: Τα LED μπορούν να εκπέμψουν φως στο χρώμα της προτίμησής μας χωρίς τη χρήση φίλτρων χρωματισμού που απαιτούνται στις παραδοσιακές μεθόδους φωτισμού. Αυτό είναι πιο αποδοτικό και μπορεί να μειώσει το αρχικό κόστος. * Μέγεθος: Τα LED μπορεί να είναι πολύ μικροί (μικρότεροι από 2 mm2) και μπορούν εύκολα να τοποθετηθούν πάνω σε τυπωμένα κυκλώματα. * Χρόνος On / Off: Τα LED ανάβουν πολύ γρήγορα. Μια χαρακτηριστική κόκκινη ενδεικτική λυχνία LED επιτυγχάνει πλήρη φωτεινότητα σε μικροδευτερόλεπτα. Λυχνίες LED που χρησιμοποιούνται σε συσκευές επικοινωνίας μπορούν να έχουν και ακόμη ταχύτερους χρόνους απόκρισης. * Συχνή χρήση: Τα LED είναι ιδανικά για χρήση σε εφαρμογές που υπόκεινται σε συχνή on-off χρήση, σε αντίθεση με τους λαμπτήρες φθορισμού που καίγονται πιο γρήγορα όταν εναλλάσσονται συχνά, ή HID λαμπτήρες που απαιτούν μεγάλο χρονικό διάστημα πριν την επανέναρξη. * Dimming: Τα LED μπορούν πολύ εύκολα να μετριάσουν τη φωτεινότητά τους, είτε με διαφοροποίηση του παλμικού εύρους είτε μειώνοντας το ρεύμα. * Ψυχρό φως: Σε αντίθεση με τις περισσότερες πηγές φωτός, τα LED εκπέμπουν πολύ λίγη θερμότητα με τη μορφή της IR που να προκαλεί βλάβες σε ευαίσθητα αντικείμενα ή υφάσματα. Η καταναλισκόμενη ενέργεια διανέμεται ως θερμότητα μέσω της βάσης των LED. * Βαθμιαία μείωση απόδοσης: Τα LED μειώνουν βαθμιαία την απόδοση τους με την πάροδο του χρόνου, έναντι στην απότομη παύση λειτουργίας των λαμπτήρων πυρακτώσεως. * Διάρκεια ζωής: Τα LED μπορεί να έχουν μια σχετικά μακρά διάρκεια ζωής. Μία έρευνα εκτιμά 35.000 έως 50.000 ώρες ωφέλιμης ζωής, εντούτοις ο χρόνος μέχρι την οριστική τους παύση μπορεί να είναι μεγαλύτερος. Ο χρόνος ζωής από τις λάμπες φθορισμού κατά κανόνα ανέρχεται σε περίπου 10.000 έως 15.000 ώρες, ανάλογα εν μέρει από τις συνθήκες χρήσης, και των λαμπτήρων πυρακτώσεως σε 1.000 - 2.000 ώρες. * Αντοχή σε κραδασμούς: Τα LED, όντας συμπαγή, είναι δύσκολο να καταστραφούν με εξωτερικούς κραδασμούς, σε αντίθεση με τους λαμπτήρες φθορισμού και τους λαμπτήρες πυρακτώσεως που είναι εύθραυστοι. * Εστίαση: Το σχήμα των LED μπορεί να σχεδιαστεί έτσι ώστε να ενθαρρύνει την εστίαση του φωτός. Οι λαμπτήρες πυρακτώσεως και φθορισμού συχνά απαιτούν ένα εξωτερικό κάτοπτρο για τη συλλογή φωτός και την κατεύθυνσή του με εύχρηστο τρόπο. * Τοξικότητα: Τα LED δεν περιέχουν υδράργυρο, σε αντίθεση με τους λαμπτήρες φθορισμού. Εφαρμογές Οι πολλές εφαρμογές των LED είναι ποικίλες, αλλά κατατάσσονται σε τρεις βασικές κατηγορίες: Εφαρμογές οπτικού σήματος ,όπου το φως πηγαίνει περισσότερο ή λιγότερο άμεσα από τα LED στο ανθρώπινο μάτι ώστε να μεταφέρει ένα μήνυμα. Στο φωτισμό, όπου το φως των LED αντανακλάται στα αντικείμενα για να δώσει μια ενδιαφέρουσα διαφορετική οπτική τους. Τέλος, τα LED επίσης χρησιμοποιούνται για να παράγουν φως για τη μέτρηση και την αλληλεπίδραση με διαδικασίες που δεν περιλαμβάνουν το ανθρώπινο οπτικό σύστημα. Χρήσεις ενδείξεων και σήμανσης * Ενδείξεις κατάστασης σε μια ποικιλία εξοπλισμού * Οθόνες LED που χρησιμοποιούνται ως οθόνες τηλεόρασης σε γήπεδα, ηλεκτρονικούς πίνακες και διακοσμητικές οθόνες. * Φωτεινούς σηματοδότες και σημάνσεις * Φωτεινά σήματα εξόδου * Λεπτές, ελαφριές οθόνες μηνυμάτων σε αεροδρόμια και σιδηροδρομικούς σταθμούς και ως οθόνες δρομολογίων για τρένα, λεωφορεία, τραμ, καθώς και για πλοία. * Κόκκινες ή κίτρινες λυχνίες LED που χρησιμοποιούνται ως ενδείξεις σε οθόνες σε περιβάλλοντα όπου η νυχτερινή ορατότητα πρέπει να διασφαλιστεί: πιλοτήρια αεροσκαφών, γέφυρες υποβρυχίων και πλοίων, αστρονομικά παρατηρητήρια, καθώς και σε ανοιχτούς χώρους, πχ. για τη παρακολούθηση των ζώων τη νύχτα και για στρατιωτική χρήση. * LED όλων των χρωμάτων, συμπεριλαμβανομένων του υποκίτρινου, ώστε να προσομοιάζει τις λάμπες πυρακτώσεως, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εφαρμογές σε σιδηροδρομικές εγκαταστάσεις. * Σε ηλεκτρονικούς πίνακες για την εμφάνιση μηνυμάτων. * Εξαιτίας της μεγάλης διάρκειας ζωής τους και τους γρήγορους χρόνους ανταπόκρισής τους, τα LED έχουν χρησιμοποιηθεί στην αυτοκινητοβιομηχανία για τα ψηλά τοποθετημένα φώτα φρένων, για τα φώτα φρένων των φορτηγών και των λεωφορείων και για φώτα σήμανσης πορείας (φλας), αλλά πολλά ακριβά οχήματα αρχίζουν τώρα να χρησιμοποιούν LED για ολόκληρα τα φωτιστικά σώματα του πίσω μέρους τους. Εκτός από το κέρδος σε αξιοπιστία, προσφέρουν και αισθητικό πλεονεκτήματα, αφού τα LED είναι ικανά να σχηματίσουν πολύ λεπτότερες φωτεινές δέσμες από ότι οι λαμπτήρες πυρακτώσεως με τη χρήση παραβολικών ανακλαστήρων. Η σημαντική βελτίωση του χρόνου που απαιτείται για να ανάψει (ίσως 0.5s γρηγορότερα από έναν λαμπτήρα πυρακτώσεως), βελτιώνει την ασφάλεια, δίνοντας στους οδηγούς περισσότερο χρόνο για να αντιδράσουν. Έχει αναφερθεί ότι σε κανονικές ταχύτητες αυτοκινητόδρομου η μείωση του χρόνου αντίδρασης αντιστοιχεί στην κάλυψη απόστασης ίσης με το μήκος ενός αυτοκινήτου. Οι λευκοί προβολείς LED έχουν αρχίσει να κάνουν την εμφάνισή τους. * Ως ένα μέσο αναφοράς της ποιότητας της τάσης σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Η προς τα εμπρός πτώση τάσης (πχ., περίπου 1,7 V για ένα κανονικό κόκκινο LED) μπορεί να χρησιμοποιηθεί αντί για μια δίοδο Zener σε χαμηλής τάσης ρυθμιστές. Αν και η τάση των LED προς τα εμπρός είναι πολύ πιο εξαρτημένη από την ένταση, από μια καλή δίοδο Zener, οι Zener δεν είναι διαθέσιμες για τάσεις κάτω των 3V περίπου. * Ως φωτισμός ασφαλείας σε οχήματα * Χριστουγεννιάτικα φώτα με LED λαμπτήρες διατίθενται σε διάφορα χρώματα και με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. * Παρέχονται LED-modules σε μια πιο εύχρηστη μορφή για τα άτομα με λιγότερες γνώσεις των ηλεκτρονικών και ικανότητα εγκατάστασής τους: αυτοί οι λαμπτήρες LED περιέχονται μέσα σε σε προστατευτικό περίβλημα και ένας οδηγός βοηθάει στην τοποθέτηση τους, με παροχή ρεύματος συνήθως 12 βολτ. Τα LED αυτά είναι διαθέσιμα σε μια ευρεία ποικιλία σχημάτων, μεγεθών και χρωμάτων. Φωτισμός * Αντικατάσταση λαμπτήρων * Φακοί με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και μεγάλη διάρκεια ζωής * Φανάρια * Φώτα για δημοτικό φωτισμό * Μεγάλου μεγέθους οθόνες βίντεο * Αρχιτεκτονικός φωτισμός * Φωτεινές πηγές για τα μηχανολογικά συστήματα όπου απαιτείται φωτεινός, εστιασμένος, ομοιογενής και ενδεχομένως φωτισμός strobed. * Φώτα για τα αυτοκίνητα, τις μοτοσικλέτες * Φώτα ποδηλάτου * Για τηλεοράσεις LCD οπίσθιου φωτισμού και ελαφρές οθόνες φορητών υπολογιστών. Χρησιμοποιώντας RGB LED αυξάνεται η παλέτα των χρωμάτων μέχρι 45%. * Φωτεινή πηγή για προβολείς DLP * Φώτα για θεατρικές σκηνές, όπου χρησιμοποιώντας RGB LED αλλάζει εύκολα το χρώμα με μειωμένη μάλιστα θέρμανση σε σχέση με τις παραδοσιακές πηγές φωτισμού. * Φωτισμός για ιατρικούς σκοπούς, όπου η IR ακτινοβολία (υπέρυθρη) και οι υψηλές θερμοκρασίες είναι ανεπιθύμητες. * Strobe φώτα ή φλας φωτογραφικών μηχανών που λειτουργούν σε μια ασφαλή, χαμηλή τάση, σε αντίθεση με το +250 Volt που συνήθως απαιτούνται σε φλας τύπου ξένον. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τις κάμερες στα κινητά τηλέφωνα, όπου ο χώρος είναι πολύτιμος και τα ογκώδη με αύξηση τάσης κυκλώματα είναι ανεπιθύμητα. * Αόρατο υπέρυθρο φωτισμό για νυχτερινή όραση, πχ. σε κάμερες ασφαλείας. Έξυπνος φωτισμός Το φως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση ευρυζωνικών δεδομένων, η οποία έχει ήδη εφαρμοστεί σε IrDA πρότυπα με χρήση υπέρυθρων LED. Επειδή οι λυχνίες LED μπορούν να ανάβουν και να σβήνουν εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο, μπορούν, στην πραγματικότητα, να γίνουν ασύρματοι διακομιστές για τη μεταφορά δεδομένων. Τα λέιζερ μπορούν επίσης να κλιμακώνονται, με αυτόν τον τρόπο. Μη οπτικές Εφαρμογές * Φώτα βλάστησης με λυχνίες LED για την αύξηση της φωτοσύνθεσης των φυτών * Σε τηλεχειριστήρια, όπως για τηλεοράσεις και βίντεο, συχνά χρησιμοποιούν υπέρυθρα LED. * Αισθητήρες κίνησης, για παράδειγμα στο οπτικό ποντίκι του υπολογιστή του Nintendo Wii χρησιμοποιούνται υπέρυθρα LED. * Ως αισθητήρες φωτός. * Σε οπτικές ίνες και Free Space Optics επικοινωνίες. * Σε οξύμετρα παλμού για τη μέτρηση κορεσμού οξυγόνου * Σε φωτοθεραπεία με LED για την ακμή. Χρησιμοποιώντας μπλε ή κόκκινα LED έχει αποδειχθεί ότι μειώνεται σημαντικά η ακμή μετά από τρίμηνη θεραπεία. * Μερικοί σαρωτές χρησιμοποιούν συστοιχίες των RGB LED και όχι τον τυπικό cold-cathode φθοριούχο λαμπτήρα ως πηγή φωτός. Έχοντας ανεξάρτητο έλεγχο τριών φωτιζόμενων χρωμάτων επιτρέπει στον σαρωτή να αυτοβαθμονομήσει πιο ακριβή ισορροπία χρώματος, και δεν υπάρχει ανάγκη για προθέρμανση. Επιπλέον, οι αισθητήρες που χρειάζεται είναι μονοχρωματικοί, δεδομένου ότι σε οποιοδήποτε χρονικό σημείο η σελίδα που σαρώνεται φωτίζεται από ένα μόνο χρώμα. * Συσκευές UV για εφαρμογές επίστρωσης. * Αποστείρωση του νερού και άλλων ουσιών με χρήση υπεριώδους φωτός. * Αισθητήρες αφής: Καθώς τα LED μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως φωτοδίοδοι, μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για την εκπομπή όσο και την ανίχνευση φωτογραφίας. Αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για παράδειγμα, σε μια φωτοευαίσθητη οθόνη που καταγράφει το ανακλώμενο φως από ένα δάκτυλο ή μια γραφίδα. * Οι οπτικό-μονωτές χρησιμοποιούν ένα LED σε συνδυασμό με μια φωτοδίοδο ή φωτοτρανζίστορ για να παρέχουν μια διαδρομή σήματος με ηλεκτρική μόνωση ανάμεσα σε δύο κυκλώματα. Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο σε ιατρικό εξοπλισμό, όπου τα σήματα από ένα χαμηλής τάσης κύκλωμα (συνήθως με μπαταρίες) ερχόμενα σε επαφή με ένα ζωντανό οργανισμό πρέπει να είναι ηλεκτρικά μονωμένα από τυχόν ηλεκτρική βλάβη της συσκευής καταγραφής ή παρακολούθησης λειτουργίας σε δυνητικά επικίνδυνες τάσεις. Ένας οπτικο-μονωτής επιτρέπει επίσης να μεταφερθούν πληροφορίες μεταξύ κυκλωμάτων που δεν μοιράζονται ένα κοινό ουδέτερο δυναμικό. Πηγές φωτισμού για τα συστήματα μηχανικής όρασης Τα συστήματα μηχανικής όρασης απαιτούν συχνά φωτεινό και ομοιογενή φωτισμό, έτσι ώστε τα χαρακτηριστικά που παρουσιάζουν ενδιαφέρον να είναι ευκολότερα στην επεξεργασία τους. Τα LED συχνά χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό και αυτό το πεδίο εφαρμογής τους είναι πιθανόν να παραμείνει ένας από τους μείζονες τομείς εφαρμογής μέχρι η τιμή τους να πέσει αρκετά χαμηλά, ώστε οι εφαρμογές φωτισμού και σηματοδότησης να καταστούν πιο διαδεδομένες. Τα barcode scanners αποτελούν το πιο κοινό παράδειγμα της μηχανικής όρασης, καθώς οι πιο οικονομικοί χρησιμοποιούν κόκκινα LED αντί λέιζερ. Τα LED αποτελούν μια σχεδόν ιδανική πηγή φωτός για τα συστήματα μηχανικής όρασης για διάφορους λόγους: * Το μέγεθος του φωτιζόμενου πεδίου είναι συνήθως συγκριτικά μικρό και τα συστήματα παρακολούθησης ή οι κάμερες είναι αρκετά ακριβά, έτσι ώστε το κόστος των LED να είναι συνήθως μικρής σημασίας σε σύγκριση με τις εφαρμογές τους. * Τα στοιχεία LED τείνουν να είναι μικρά και μπορούν να τοποθετηθούν με υψηλή πυκνότητα σε επίπεδα ή ομαλά σχηματοποιημένα υποστρώματα (PCBs κλπ.), έτσι ώστε οι φωτεινές και ομοιογενείς πηγές τους να μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να κατευθύνουν το φως αυστηρά ελεγχόμενα και άμεσα πάνω σε σημεία που απαιτούν έλεγχο. * Οι λαμπτήρες LED συχνά έχουν ή μπορούν να χρησιμοποιηθούν με μικρούς, φθηνούς φακούς και διαχύτες, συμβάλλοντας στην επίτευξη φωτός υψηλής πυκνότητας με πολύ καλό έλεγχο του φωτισμού και ομοιογένεια. * Οι λαμπτήρες LED μπορούν εύκολα να αναβοσβήνουν ρυθμικά (strobed) (σε εύρος μικροδευτερόλεπτου, msec και κάτω) και να συγχρονιστούν. Η δύναμή τους έχει επίσης φτάσει σε υψηλά επίπεδα που επιτρέπει να επιτευχθεί αρκετά υψηλή ένταση, επιτυγχάνοντας καλά φωτισμένες εικόνες ακόμα και με πολύ σύντομους παλμούς φωτός. Αυτό χρησιμοποιείται συχνά για την αποτύπωση εικόνων με μεγάλη οξύτητα ακόμα και από γρήγορα κινούμενα μέρη. * Οι λαμπτήρες LED υπάρχουν σε διάφορα χρώματα και μήκη κύματος, επιτρέποντας έτσι την επιλογή του κατάλληλου χρώματος για κάθε εφαρμογή, ώστε το χρώμα να μπορεί να παρέχει την καλύτερη προβολή των χαρακτηριστικών που παρουσιάζουν ενδιαφέρον. Έχοντας ένα επακριβώς γνωστό φάσμα επιτρέπεται η χρήση τέλεια εφαρμόσιμων φίλτρων κατάλληλα για την κάθε εφαρμογή όπως και η μείωση της ενοχλητική επίδρασης από το φωτισμό του περιβάλλοντος. * Οι λαμπτήρες LED συνήθως λειτουργούν με συγκριτικά χαμηλές θερμοκρασίες, απλοποιώντας τη διαχείριση θερμότητας και την απαγωγή της, με αποτέλεσμα τη δυνατότητα χρήσης πλαστικών φακών, φίλτρων και διαχύτων. Αδιάβροχες μονάδες μπορούν επίσης εύκολα να σχεδιαστούν, επιτρέποντας τη χρήση σε σκληρά ή υγρά περιβάλλοντα (βιομηχανίες πετρελαίου, τροφίμων, ποτών). * Οι πηγές LED μπορεί να σχηματοποιηθούν σε πολλές διαφορετικές συνθέσεις (σποτάκια για ανακλαστικό φωτισμό, φώτα σε δακτύλιο για ομοαξονικό φωτισμό, πίσω φώτα για φωτισμό περιγράμματος, γραμμικές συνθέσεις, επίπεδα, μεγάλα πάνελ, θολωτή πηγή για διάχυση και σε κατευθυντικό φωτισμό). * Πολύ συμπαγείς διαμορφώσεις είναι δυνατόν να υπάρξουν, επιτρέποντας σε μικρά LED φωτισμού να ενσωματώνονται στις έξυπνες κάμερες και σε αισθητήρες.
1 σχόλια:
να 'χες και την πηγή καλά θα ήταν
Δημοσίευση σχολίου