Casa > Exposició > Contingut

Diode emissor de llum (LED), que emet llum quan es carrega elèctric produeix electroluminiscencia

Apr 21, 2017

Diode emissor de llum

Díode emissor de llum
RBG-LED.jpg LEDs blaus, verds i vermells en cas de difusió de 5 mm
Principi de treball Electroluminiscencia
Inventat H._J._Round (1907) [1]
Oleg Losev (1927) [2]
James R. Biard (1961) [3]
Nick Holonyak (1962) [4]
Primera producció Octubre de 1962
Configuració del PIN Ànode i càtode
Símbol electrònic
LED symbol.svg


Parts d'un LED convencional. Les superfícies planes de fons de l'enclusa i la seva col·locació a l'interior de l'epoxi actuen com ancoratges, per evitar que els conductors s'extreuen amb força a través d'una tensió o vibració mecànica.











Modern retrofit amb LED amb cargol E27 a la base


Una làmpada LED modernitzadora amb forma de bulb amb disipador de calor d' alumini, una cúpula de difusió de llum i una base de cargol E27 , que utilitza una font d'alimentació integrada que treballa a la tensió de la xarxa




Imatge tancada d'un LED de muntatge de superfície





Un díode emissor de llum ( LED ) és una font de llum de dos semiconductors de plom . Es tracta d'un díode de connexió p-n , que emet llum quan s'activa. [5] Quan s'aplica una tensió adequada als cables, els electrons es poden recombinar amb forats d'electrons dins del dispositiu, alliberant energia en forma de fotons . Aquest efecte s'anomena electroluminiscencia , i el color de la llum (corresponent a l'energia del fotó) està determinat pel buit de la banda d' energia del semiconductor. Els LED són generalment petits (menys d'1 mm 2 ) i els components òptics integrats es poden utilitzar per modelar el patró de radiació . [6]

Aparent com a components electrònics pràctics el 1962 [7], els primers LED emetien llum d'infraroig de baixa intensitat. Els LEDs infrarojos encara s'utilitzen amb freqüència com a elements transmissors en circuits de control remot, com els de comandaments a distància per a una àmplia varietat d'electrònica de consum. Els primers LEDs de llum visible també eren de baixa intensitat i limitats al vermell. Els LEDs moderns estan disponibles a través de les longituds d' ona visibles , ultraviolades i infrarojos , amb una brillantor molt alta.

Els primers LED es van utilitzar sovint com a llums indicadors de dispositius electrònics, substituint petits focus incandescents. Aviat es van empaquetar en lectures numèriques en forma de pantalles de set segmentos i es veien habitualment en rellotges digitals. Els desenvolupaments recents en LED permeten que s'utilitzin en il·luminació ambiental i de tasques. Els LEDs han permès desenvolupar noves pantalles i sensors, mentre que les seves altes taxes de commutació també s'utilitzen en tecnologies de comunicacions avançades.

Els LED tenen molts avantatges sobre les fonts de llum incandescents, incloent un menor consum energètic, major durada de vida, robustesa física millorada, menor mida i canvi ràpid. Els díodes emissors de llum s'utilitzen ara en aplicacions tan diverses com la il·luminació de l'aviació , els fars d'automoció , la publicitat, la il·luminació general , els senyals de trànsit , els flaixos de la càmera i el fons de pantalla il·luminat. A partir de 2017, els llums LED de la il·luminació de la llar són tan barats o més barats que les fonts de llum fluorescents compactes de sortida comparable. [8] També són significativament més eficients energèticament i, sens dubte, tenen menys preocupacions ambientals relacionades amb la seva eliminació. [9] [10]


Continguts

[ Amaga ]


Història [ edita ]

Descobriments i dispositius primerencs [ edita ]

L'electroluminiscencia verda des d'un punt de contacte en un cristall de SiC recrea l'experiment original de la Ronda a partir de 1907.

L'electroluminescència com a fenomen va ser descobert el 1907 per l'experimentador britànic HJ Round of Marconi Labs , usant un cristall de carbur de silici i un detector de bigotis de gat . [11] [12] L'inventor rus Oleg Losev va informar la creació del primer LED el 1927. [13] La seva investigació es va distribuir a revistes científiques soviètiques, alemanyes i britàniques, però no es va fer cap ús pràctic del descobriment durant diverses dècades. [14] [15] Kurt Lehovec , Carl Accardo i Edward Jamgochian van explicar aquests primers díodes que emeten llum el 1951 utilitzant un aparell que utilitza cristalls SiC amb una font de corrent de bateria o generador d'impulsos i amb una comparació amb una variant de cristall pur El 1953. [16] [17]

Rubin Braunstein [18] de la Radio Corporation of America va informar sobre l'emissió d'infrarojos a partir d' arseniuro de gal·li (GaAs) i altres aliatges de semiconductors l'any 1955. [19] Braunstein va observar una emissió d'infrarojos generada per estructures de díodes simples que utilitzaven antimonis de galio (GaSb), GaAs, indium Aliatges de fosfuro (InP) i silici-germani (SiGe) a temperatura ambient i a 77 Kelvin.

El 1957, Braunstein va demostrar encara més que els dispositius rudimentaris podien ser utilitzats per a la comunicació no radiofònica a una curta distància. Com va assenyalar Kroemer [20] Braunstein "... havia configurat un senzill enllaç de comunicació òptica: la música que es va emergir d'un reproductor de discos es va utilitzar a través d'electrònica adequada per modular el corrent cap endavant d'un díode GaAs. La llum emesa va ser detectada per un díode PbS alguns A distància. Aquest senyal va ser alimentat a un amplificador d'àudio i va ser reproduït per un altaveu. Interceptar el feix va aturar la música. Ens divertim molt bé amb aquesta configuració ". Aquesta configuració va pressionar l'ús de LED per a aplicacions de comunicació òptica.

Un LED Texas Instruments SNX-100 GaAs contingut en una caixa metàl·lica de transistors TO-18.

Al setembre de 1961, mentre treballava a Texas Instruments a Dallas , Texas , James R. Biard i Gary Pittman van descobrir emissions de llum gairebé infrarojas (900 nm) d'un díode de túnel que havien construït sobre un substrat de GaAs. [7] A l'octubre de 1961, havien demostrat una eficient emissió de llum i un acoblament de senyals entre un emissor lleuger de la unió GaAs pn i un fotodetector semiconductor aïllat elèctricament. [21] El 8 d'agost de 1962, Biard i Pittman van presentar una patent titulada "Semiconductor Radiant Diode" basant-se en les seves troballes, que van descriure una unió de p-n de difusió de zinc LED amb un contacte espacial de càtode per permetre una emissió eficient de llum infraroja sota Biaix davanter . Després d'establir la prioritat del seu treball basat en quaderns d'enginyeria anteriors als enviaments de GE Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs i Lincoln Lab al MIT , l' oficina de patents nord-americans va emetre als dos inventors la patent per a l'infraroig GaAs (IR ) Díode emissor de llum (US Patent US3293513 ), el primer LED pràctic. [7] Immediatament després de presentar la patent, Texas Instruments (TI) va iniciar un projecte per fabricar díodes d'infrarojos. A l'octubre de 1962, TI va anunciar el primer producte LED comercial (el SNX-100), que va emprar un cristall pur de GaAs per emetre una sortida de llum de 890 nm. [7] A l'octubre de 1963, TI va anunciar el primer LED hemisfèric comercial, el SNX-110. [22]

El primer LED d'espectre visible (vermell) va ser desenvolupat el 1962 per Nick Holonyak, Jr. mentre treballava a General Electric . Holonyak va informar primer el seu LED a la revista Applied Physics Letters l'1 de desembre de 1962. [23] [24] M. George Craford , [25] un ex estudiant graduat d'Holonyak, va inventar el primer LED groc i va millorar la brillantor del vermell i LED de color vermell-taronja per un factor de deu en 1972. [26] El 1976, TP Pearsall va crear els primers LEDs d'alta eficiència i alta eficiència per a les telecomunicacions de fibra òptica inventant nous materials semiconductors específicament adaptats a les longituds d'ona de transmissió de fibra òptica. [27]

Desenvolupament comercial inicial [ edita ]

Els primers LED comercials s'utilitzaven habitualment com a reemplaçadors per a llums d'indicadors de llum incandescent i de neó , i en pantalles de set segmentos [28], primer en equips costosos, com equips de proves de laboratori i electrònics, més tard en aparells com televisors, ràdios, Calculadores, així com rellotges (veure llista d' usos de senyal ). Fins a 1968, els LEDs visibles i infrarojos eren extremadament costosos, en l'ordre de 200 dòlars EUA per unitat, i tenien poc ús pràctic. [29] L' empresa Monsanto va ser la primera organització a produir massivament LEDs visibles, utilitzant fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) el 1968 per produir LEDs vermells adequats per a indicadors. [29] Hewlett Packard (HP) va introduir LED en 1968, inicialment utilitzant GaAsP subministrat per Monsanto. Aquests LEDs vermells eren prou brillants només per utilitzar-los com indicadors, ja que la sortida de llum no era suficient per il·luminar una àrea. Les lectures en les calculadores eren tan petites que les lents de plàstic es van construir sobre cada dígit per fer-les llegibles. Més tard, altres colors es van fer extensius i van aparèixer en aparells i equips. A la dècada de 1970, Fairchild Optoelectronics va produir uns dispositius LED comercialment reeixits a menys de cinc cèntims. Aquests dispositius van emprar xips de semiconductors compostos fabricats amb el procés planar inventat pel Dr. Jean Hoerni en Fairchild Semiconductor . [30] [31] La combinació de processos planos per a la fabricació de xips i mètodes innovadors d'envasat va permetre a l'equip de Fairchild liderat per Thomas Brandt, pioner de l'optoelectrònica, aconseguir les reduccions de costos necessàries. [32] Aquests mètodes continuen sent utilitzats pels productors LED. [33]

Pantalla LED d'una calculadora científica TI-30 (aprox. 1978), que utilitza lents de plàstic per augmentar la grandària dels dígits visibles

La majoria dels LEDs es van fabricar en els paquets de T1 de 5 mm T1 i 3 mm., Però amb un augment de la potència, cada vegada era més necessari produir calor excessiu per mantenir la fiabilitat [34], per la qual cosa s'han adaptat paquets més complexos per a una dissipació eficient de la calor . Els paquets per a LED d'alta potència d' última generació tenen poca semblança amb els primers LED.

LED blau [ edita ]

Els LEDs blaus van ser desenvolupats per primera vegada per Herbert Paul Maruska a RCA el 1972 utilitzant nitruro de gal (GaN) en un substrat de safir. [35] [36] Els tipus SiC van ser comercialitzats per primera vegada als Estats Units per Cree en 1989. [37] No obstant això, cap dels LEDs blaus inicials va ser molt brillant.

El primer LED blau d'alta brillantor va ser demostrat per Shuji Nakamura de Nichia Corporation el 1994 i es va basar en InGaN . [38] [39] Paral·lelament, Isamu Akasaki i Hiroshi Amano a Nagoya treballen en el desenvolupament de la important nucleació de GaN sobre substrats de safir i la demostració del dopatge tipus p de GaN. Nakamura, Akasaki i Amano van ser guardonats amb el Premi Nobel de Física de 2014 pel seu treball. [40] En 1995, Alberto Barbieri del Laboratori de la Universitat de Cardiff (GB) va investigar l'eficiència i fiabilitat dels LEDs d'alta brillantor i va demostrar un LED de "contacte transparent" amb òxid d'estany d'indi (ITO) a (AlGaInP / GaAs).

En 2001 [41] i 2002, [42] es van demostrar amb èxit processos per al creixement de nitruro de gal (GaN) LED en silici . Al gener de 2012, Osram va demostrar que els LED d'alta potència InGaN creixen en substrats de silici comercial. [43]

LEDs blancs i avanç de la il·luminació [ edita ]

La consecució d'una alta eficiència en LEDs blaus va ser seguida ràpidament pel desenvolupament del primer LED blanc . En aquest dispositiu una Y
3 Al
5 O
12 : El recobriment de fòsfor de Ce (conegut com " YAG ") a l'emissor absorbeix algunes de les emissions blaves i produeix llum groga a través de la fluorescència . La combinació d'aquest groc amb la llum blava restant apareix blanca a l'ull. No obstant això, utilitzant diferents fòsfors (materials fluorescents) també es va fer possible produir llum verda i vermella a través de la fluorescència. La barreja resultant de vermell, verd i blau no només és percebuda pels humans com a llum blanca, sinó que és superior per a la il·luminació pel que fa a la representació del color , mentre que no es pot apreciar el color d'objectes vermells o verds il·luminats només pel groc (i blau restant) Longituds d'ona del fòsfor YAG.

Il·lustració de la llei de Haitz , que mostra una millora en la producció de llum per LED a través del temps, amb una escala logarítmica a l'eix vertical

Els primers LED blancs eren cars i ineficients. No obstant això, la llum de sortida dels LED s'ha incrementat de forma exponencial , amb una duplicació que es produeix aproximadament cada 36 mesos des dels anys 60 (similar a la llei de Moore ). Normalment, aquesta tendència s'atribueix al desenvolupament paral·lel d'altres tecnologies de semiconductors i avenços en òptica i ciencia de materials i s'ha anomenat llei de Haitz després del Dr. Roland Haitz. [44]

El rendiment de la llum i l'eficiència dels LEDs blaus i gairebé ultraviolats augmenten a mesura que disminueixen els costos de dispositius confiables: això va conduir a la utilització de LEDs (relativament) d'alta potència per a la il·luminació que substitueixen la llum incandescent i fluorescent. [45] [46]

S'han demostrat LEDs blancs experimentals per produir més de 300 lúmenes per watt d'electricitat; Alguns poden durar fins a 100.000 hores. [47] En comparació amb les bombetes incandescents, això no és només un gran augment de l'eficiència elèctrica, sinó que, amb el temps, un cost similar o menor per bombeta. [48]

Principi de treball [ edita ]

El funcionament intern d'un LED, que mostra el circuit (part superior) i el diagrama de banda (fons)

Una unió PN pot convertir l'energia de llum absorbida en un corrent elèctric proporcional. El mateix procés s'inverteix aquí (és a dir, la unió PN emet llum quan s'aplica energia elèctrica). Aquest fenomen generalment s'anomena electroluminiscencia , que es pot definir com l'emissió de llum d'un semiconductor sota la influència d'un camp elèctric . Els portadors de càrrega es recombinen en una unió PN progressiva, ja que els electrons creuen des de la regió N i es recombinen amb els forats existents a la regió P. Els electrons lliures es troben en la banda de conducció dels nivells d'energia, mentre que els forats es troben en la banda d'energia de valència. Així, el nivell d'energia dels forats serà menor que els nivells d'energia dels electrons. Alguna porció de l'energia s'ha de dissipar per recombinar els electrons i els forats. Aquesta energia s'emet en forma de calor i llum.

Els electrons dissipen energia en forma de calor per als diodes de silici i germani, però en els semiconductors de fosfuros de gal i arsenià (GaAsP) i fosfat de gal (GaP), els electrons dissipen energia mitjançant l'emissió de fotons . Si el semiconductor és translúcid, la unió es converteix en la font de llum a mesura que s'emet, convertint-se així en un díode emissor de llum, però quan la unió és inversa, no hi haurà llum produïda pel LED i, si el potencial és prou gran, El dispositiu es veurà danyat.

Tecnologia [ edita ]

Diagrama IV per a un díode . Un LED començarà a emetre llum quan s'apliquen més de 2 o 3 volts. La regió de polarització inversa utilitza una escala vertical diferent de la regió de biaix cap endavant, per tal de demostrar que el corrent de fuita és gairebé constant amb tensió fins que es produeix un desglossament. En el biaix cap endavant, el corrent és petit però augmenta exponencialment amb voltatge.

Física [ edita ]

El LED consisteix en un xip de material semiconductor dopat amb impureses per crear una unió pn . Igual que en altres díodes, els corrents flueixen fàcilment des del costat p, o l' ànode , fins a la cara n o el càtode, però no en la direcció inversa. Carregadors- electrons i forats- flueix cap a la unió d' elèctrodes amb diferents voltatges. Quan un electró es troba amb un forat, cau en un nivell d'energia més baix i allibera energia en forma de fotó .

La longitud d' ona de la llum emesa i, per tant, el seu color, depèn de l'energia dels buits de banda dels materials que formen la unió pn . En els díodes de silici o germani , els electrons i forats solen recombinar-se per una transició no radiativa , que no produeix cap emissió òptica, ja que aquests són materials de separació de bandes indirectes . Els materials utilitzats per al LED tenen un buit de banda directa amb energies que corresponen a la llum gairebé infraroja, visible o gairebé ultraviolada.

El desenvolupament LED es va iniciar amb dispositius infrarojos i vermells fabricats amb arseniuro de gal·li . Els avenços en la ciència dels materials han permès fer dispositius amb longituds d'ona cada vegada més curtes, emetent llum en diversos colors.

Normalment, els LED es construeixen sobre un substrat de tipus n, amb un elèctrode unit a la capa de tipus p que es diposita a la superfície. Són substrats de tipus P, encara que són menys comuns. Molts LED comercials, especialment GaN / InGaN, també utilitzen substrat de safir .

Índex de refracció [ edita ]

Exemple idealitzat de cons d'emissió de llum en un semiconductor quadrat simple, per a una única zona d'emissió de punts d'origen. La il·lustració esquerra és per a una oblea translúcida, mentre que la il·lustració correcta mostra els semiconsents formats quan la capa inferior és opaca. La llum s'emet igualment en totes direccions des del punt font, però només pot escapar perpendicularment a la superfície del semiconductor i alguns graus al costat, que s'il·lustra amb les formes del con. Quan es supera l'angle crític, els fotons es reflecteixen internament. Les àrees entre els cons representen l'energia de llum atrapada que es perd com a calor. [49] La majoria de materials utilitzats per a la producció de LED tenen índexs de refracció molt elevats. Això significa que gran part de la llum es reflectirà de nou en el material a la interfície de superfície material / aire. D'aquesta manera, l' extracció lleugera en LEDs és un aspecte important de la producció LED, subjecte a molta investigació i desenvolupament. Els cons d'emissió de llum d'una llapis LED real són molt més complexos que una emissió de llum d'un punt únic. La zona d'emissió de llum és típicament un pla bidimensional entre les ones. Cada àtom en aquest pla té un conjunt individual de cons d'emissió. El dibuix dels milers de milions de cons superposats és impossible, de manera que es tracta d'un diagrama simplificat que mostra les extensions de tots els cons d'emissió combinades. Els cons laterals més grans es retallen per mostrar les característiques interiors i reduir la complexitat de la imatge; S'estenen fins a les vores oposades del pla d'emissió bidimensional.

Els semiconductors sense recobriment nu com el silici mostren un índex de refracció molt elevat en relació amb l'aire lliure, que impedeix el pas dels fotons que arriben a ángulos aguts en relació amb la superfície de contacte de l'aire del semiconductor a causa de la reflexió interna total . Aquesta propietat afecta tant l'eficiència d'emissió de llum dels LED com l'eficiència d'absorció de la llum de les cel·les fotovoltaiques . L'índex de refracció del silici és de 3.96 (a 590 nm), [50] mentre que l'aire és 1.0002926. [51]

En general, un xip semiconductor LED no recobert de superfície plana emetrà llum només perpendicular a la superfície del semiconductor, i uns pocs graus al costat, en forma de cono anomenat el con lleuger , el con de la llum [52] o la fuga Con . [49] L' angle màxim d'incidència es coneix com l' angle crític . Quan s'excedeix aquest angle, els fotons ja no escapen del semiconductor, sinó que es reflecteixen internament dins del cristall de semiconductors com si es tractés d'un mirall . [49]

Les reflexions internes poden escapar a través d'altres cares cristal·lines si l'angle d'incidència és prou baix i el cristall és prou transparent per no tornar a absorbir l'emissió fotònica. Però per a un simple LED quadrat amb superfícies angulars de 90 graus per tots els costats, les cares actuen com miralls d'angle igual. En aquest cas, la major part de la llum no pot escapar i es perd com a calor residual en el cristall. [49]

Una superfície de xip complicada amb aspectes en angle similar a una joia o una lent fresnel pot augmentar la llum, ja que permet emetre llum perpendicularment a la superfície del xip mentre es troba als costats del punt d'emissió de fotó. [53]

La forma ideal d'un semiconductor amb sortida de llum màxima seria una microesfera amb l'emissió de fotons que es produeix al centre exacte, amb elèctrodes que penetren al centre per posar-se en contacte en el punt d'emissió. Tots els raigs de llum que emanen del centre serien perpendiculars a tota la superfície de l'esfera, que no generen reflexions internes. També funcionaria un semiconductor hemisfèric, amb la superfície plana que serveix com a mirall per a fotons dispersos. [54]

Recobriments de transició [ edita ]

Després del dopatge de l' oblea , es descompon en matrius individuals. Cada matriu se sol anomenar un xip.

Molts xips de semiconductors LED estan encapsulats o enrotllats en petxines de plàstic modelades amb colors clars o acolorits. La carcassa de plàstic té tres finalitats:

  1. La muntatge del xip de semiconductors en els dispositius és més fàcil d'aconseguir.

  2. El petit cablejat elèctric fràgil està suportat físicament i protegit contra el dany.

  3. El plàstic actua com a intermediari refractiu entre el semiconductor d'índex relativament alt i l'aire obert de baix índex. [55]

La tercera característica ajuda a augmentar l'emissió de llum del semiconductor actuant com una lent difusora, permetent que la llum s'emeti a un angle d'incidència molt més gran des del con de llum que el xip descobert pot emetre's sol.

Eficiència i paràmetres operatius [ edita ]

Els LED indicadors típics estan dissenyats per funcionar amb no més de 30-60 miliat (mW) d'energia elèctrica. Al voltant de 1999, Philips Lumileds va introduir LED de potència capaç d'utilitzar-lo de forma contínua a un sol. Aquests LEDs utilitzen talles molt més grans de mides de semiconductors per manejar les grans entrades de potència. A més, les troballes de semiconductors es van muntar sobre bidons de metall per permetre l'eliminació de calor de la morta LED.

Un dels avantatges clau de les fonts d'il·luminació basades en LED és d'alta eficàcia lluminosa . Els LEDs blancs es van adaptar ràpidament i van superar l'eficàcia dels sistemes d'il·luminació incandescent estàndard. El 2002, Lumileds fabricava LEDs de 5 watts disponibles amb eficàcia lluminosa de 18-22 lúmenes per watt (lm / W). Per a la comparació, una bombeta incandescent convencional de 60-100 watts emet al voltant de 15 lm / W, i les llums fluorescents estàndard emeten fins a 100 lm / W.

A partir de 2012, Philips havia aconseguit les següents eficiències per a cada color. [56] Els valors d'eficiència mostren la física: potència de llum per energia elèctrica. El valor d'eficàcia de lumen per vat inclou característiques de l'ull humà i es deriva utilitzant la funció de lluminositat .


Color Rang de longitud d'ona (nm) Coeficient d'eficiència típic Eficàcia típica ( lm / W )

Vermell 620 <>λ <> 0,39 72

Taronja vermell 610 <>λ <> 0.29 98

Verd 520 <>λ <> 0.15 93

Cian 490 <>λ <> 0.26 75

Blau 460 <>λ <> 0,35 37

Al setembre de 2003, Cree va demostrar un nou tipus de LED blau que consumeix 24 mW a 20 miliamperes (mA). Això va produir una llum blanca envasada comercialment que donava 65 lm / W a 20 mA, convertint-se en el LED blanc més brillant comercialment disponible en aquest moment i més de quatre vegades més eficient que els incandescents estàndard. El 2006, van demostrar un prototip amb una eficàcia lluminosa LED rècord de 131 lm / W a 20 mA. Nichia Corporation ha desenvolupat un LED blanc amb eficàcia lluminosa de 150 lm / W a un corrent continu de 20 mA. [57] Els LED XLamp XM-L de Cree, comercialment disponibles el 2011, produeixen 100 lm / W a una potència total de 10 W i fins a 160 lm / W a una potència d'entrada de 2 W. El 2012, Cree va anunciar un LED blanc que donava 254 lm / W, [58] i 303 lm / W el març de 2014. [59] La il·luminació general pràctica necessita LED d'alta potència, d'un watt o més. Els corrents operatius típics d'aquests dispositius comencen a 350 mA.

Aquestes eficiències són només per al díode emissor de llum, que es manté a baixa temperatura en un laboratori. Com que els LEDs instal·lats en aparells reals funcionen a una temperatura més alta i amb pèrdues de controladors, l'eficiència del món real és molt menor. Les proves de llums LED comercials dissenyades per reemplaçar les làmpades incandescents o CFL van demostrar que l'eficàcia mitjana encara era d'uns 46 Lm / W el 2009 (el rendiment assolit va ser de 17 Lm / W a 79 Lm / W). [60]

Eficàcia caiguda [ edita ]

La caiguda de l'eficiència és la disminució de l'eficiència lluminosa dels LED ja que el corrent elèctric augmenta per sobre de desenes de miliamperes.

Aquest efecte es va teoritzar inicialment per estar relacionat amb temperatures elevades. Els científics van demostrar el contrari: si la vida d'un LED s'escuritzés, la disminució de l'eficiència és menys greu a temperatures elevades. [61] El mecanisme que provoca disminució de l'eficiència es va identificar el 2007 com la recombinació de Auger , que es va prendre amb reacció mixta. [62] El 2013, un estudi va confirmar la recombinació de Auger com a causa de l'efectivitat de la caiguda. [63]

A més de ser menys eficients, els LEDs operatius a corrents elèctriques més altes generen nivells de calor més alts que comprometen la vida útil del LED. A causa d'aquest augment de la calefacció a corrents més alts, els LED d'alta brillantor tenen un estàndard de funcionament a 350 mA, que és un compromís entre la llum, l'eficiència i la longevitat. [62] [64] [65] [66]

Possibles solucions [ edita ]

En lloc d'augmentar els nivells actuals, la luminància sol augmentar mitjançant la combinació de diversos LEDs en una sola bombeta. La solució del problema de la caiguda de l'eficiència significaria que les bombetes LED domèstiques necessitaran menys LED, el que reduiria significativament els costos.

Els investigadors del Laboratori de Recerca Naval dels EUA han trobat una manera de disminuir la caiguda de l'eficiència. Van descobrir que la caiguda sorgeix de la recombinació no-radioteràpica d' Auger dels portadors injectables. Van crear pous quàntics amb un potencial suau de confinament per disminuir els processos Auger no radiatius. [67]

Els investigadors de la Universitat Central Nacional de Taiwan i Epistar Corp estan desenvolupant una manera de reduir la caiguda de l'eficiència mitjançant l'ús de substrats de nitruro d'alumini ceràmic (AlN), que són més conductors tèrmics que els zafiros utilitzats comercialment. La major conductivitat tèrmica redueix els efectes d'escalfament automàtic. [68]

Vida i fracàs [ edita ]

Article principal: Llista de modificacions de falles LED

Els dispositius d'estat sòlid com els LED estan subjectes a un desgast molt limitat si s'executa a baixes corrents ia baixes temperatures. Les vides típiques esmentades són de 25.000 a 100.000 hores, però la temperatura i la configuració actual poden augmentar o escurçar aquest temps de manera significativa. [69]

El símptoma més comú de la falla LED (i el làser de díode ) és la disminució progressiva de la sortida de llum i la pèrdua d'eficiència. També es poden produir fracassos sobtats, encara que rars. Els primers LED vermells van ser notables per la seva curta vida útil. Amb el desenvolupament de LED d'alta potència, els dispositius estan sotmesos a majors temperatures de connexió i majors densitats de corrent que els dispositius tradicionals. Això provoca estrès en el material i pot causar una primerenca degradació de la llum de sortida. Per classificar quantitativament la vida útil de manera estandarditzada, s'ha suggerit utilitzar L70 o L50, que són els temps d'execució (generalment indicats en milers d'hores) en què un LED determinat arriba al 70% i al 50% de la llum de sortida inicial, respectivament. [70]

Mentre que la majoria de les fonts anteriors de llum (llums incandescents, llums de descàrrega i aquells que cremen combustible combustible, com ara espelmes i llums d'oli), la llum resulta del calor, els LED només funcionen si es mantenen prou frescos. El fabricant especifica habitualment una temperatura de cruïlla màxima de 125 o 150 ° C, i les temperatures més baixes són aconsellables en interès de la llarga vida. A aquestes temperatures, la radiació perd relativament poca calor, el que significa que el feix de llum generat per un LED és genial.

La calor residual en un LED d'alta potència (que a partir del 2015 pot ser inferior a la meitat de la potència que consumeix) es transmet per conducte a través del substrat i el paquet del LED a un disipador de calor , que dóna a la calor l'ambient Aire per convecció. Per això, el disseny tèrmic acurat és essencial, tenint en compte les resistències tèrmiques del paquet LED, el disipador de calor i la interfície entre els dos. Els LEDs de mitja potència sovint estan dissenyats per ser soldats directament a una placa de circuit imprès que conté una capa de metall tèrmicament conductora. Els LEDs d'alta potència estan empaquetats en paquets ceràmics de gran superfície dissenyats per ser connectats a un disipador de calor metàl·lic, la interfície és un material amb alta conductivitat tèrmica ( greix tèrmic , material de canvi de fase , coixinet tèrmicament conductor o adhesiu tèrmic ).

Si una làmpada basada en LED està instal·lada en una lluminària sense ventilació, o una lluminària es troba en un ambient que no té circulació d'aire lliure, és probable que el LED es sobrecaliente, cosa que provoca una reducció de la vida o una fallada catastròfica primerenca. El disseny tèrmic sovint es basa en una temperatura ambient de 25 ° C (77 ° F). Els LEDs que s'utilitzen en aplicacions a l'aire lliure, com ara senyals de trànsit o llums de senyalització en paviment, i en climes on la temperatura dins de la llum s'incrementa molt, podria experimentar una menor producció o fins i tot fracassos. [71]

Atès que l'eficàcia LED és més alta a baixes temperatures, la tecnologia LED és adequada per a la il luminació del congelador de supermercats. [72] [73] [74] Com que els LED produeixen menys calor residual que les làmpades incandescents, el seu ús en els congeladors pot estalviar també en costos de refrigeració. No obstant això, poden ser més susceptibles a l'acumulació de gelades i neu que les llums incandescents [71], per la qual cosa alguns sistemes d'il·luminació LED s'han dissenyat amb un circuit de calefacció afegit. A més, la investigació ha desenvolupat tecnologies de dissipació de calor que transferiran la calor produïda en la unió a les zones adequades de la llum. [75]

Colors i materials [ edita ]

Els LED convencionals estan fabricats a partir d'una varietat de materials semiconductors inorgànics. La taula següent mostra els colors disponibles amb un rang de longitud d'ona, caiguda de voltatge i material:


Color Longitud d'ona [nm] Caiguda de tensió [ΔV] Material semiconductor

Infrarojos Λ > 760 Δ V <> Arsènido de gal (GaAs)
Arseniuro de gal·lio d' alumini (AlGaAs)

Vermell 610 <>λ <> 1,63 <δ>V <> Arseniuro de gal·lio d' alumini (AlGaAs)
Fosfuro d' arsènic de gal (GaAsP)
Aluminum galium indium phosphide (AlGaInP)
Fosfat de gal (III) (GaP)

taronja 590 <>λ <> 2.03 <δ>V <> Fosfuro d' arsènic de gal (GaAsP)
Aluminum galium indium phosphide (AlGaInP)
Fosfat de gal (III) (GaP)

Groc 570 <>λ <> 2.10 <δ>V <> Fosfuro d' arsènic de gal (GaAsP)
Aluminum galium indium phosphide (AlGaInP)
Fosfat de gal (III) (GaP)

Verd 500 <>λ <> 1.9 [76] <δ>V <> Verd tradicional:
Fosfat de gal (III) (GaP)
Aluminum galium indium phosphide (AlGaInP)
Fosfat de gal·lio d' alumini (AlGaP)
Verd pur:
Indi nitruro de gal (InGaN) / Gallium (III) nitruro (GaN)

Blau 450 <>λ <> 2,48 <δ>V <> El selenidi de zinc (ZnSe)
Indi nitruro de gal (InGaN)
Carbur de silici (SiC) com a substrat
Silici (Si) com a substrat en desenvolupament

violeta 400 <>λ <> 2,76 <δ>V <> Indi nitruro de gal (InGaN)

Porpra Múltiples tipus 2,48 <δ>V <> Dues leds blaus / vermells,
Blau amb fòsfor vermell,
O blanc amb plàstic violeta

Ultraviolat Λ <> 3 <δ>V <> Indi nitruro de gal (InGaN) (385-400 nm)

Diamant (235 nm) [77]
Boron nitride (215 nm) [78] [79]
Aluminium nitride (AlN) (210 nm) [80]
Aluminium gallium nitride (AlGaN)
Aluminium gallium indium nitride (AlGaInN)—down to 210 nm [81]


Pink Multiple types Δ V ~ 3.3 [82] Blue with one or two phosphor layers,
yellow with red, orange or pink phosphor added afterwards,

white with pink plastic,
or white phosphors with pink pigment or dye over top. [83]


Blanc Broad spectrum 2.8 < δ="">V <> Cool / Pure White: Blue/UV diode with yellow phosphor
Warm White: Blue diode with orange phosphor

Blue and ultraviolet [ edit ]

Blue LEDs

External video
Herb Maruska original blue LED College of New Jersey Sarnoff Collection.png
“The Original Blue LED” , Chemical Heritage Foundation

The first blue-violet LED using magnesium-doped gallium nitride was made at Stanford University in 1972 by Herb Maruska and Wally Rhines, doctoral students in materials science and engineering. [84] [85] At the time Maruska was on leave from RCA Laboratories , where he collaborated with Jacques Pankove on related work. In 1971, the year after Maruska left for Stanford, his RCA colleagues Pankove and Ed Miller demonstrated the first blue electroluminescence from zinc-doped gallium nitride, though the subsequent device Pankove and Miller built, the first actual gallium nitride light-emitting diode, emitted green light. [86] [87] In 1974 the US Patent Office awarded Maruska, Rhines and Stanford professor David Stevenson a patent for their work in 1972 (US Patent US3819974 A ) and today magnesium-doping of gallium nitride continues to be the basis for all commercial blue LEDs and laser diodes. These devices built in the early 1970s had too little light output to be of practical use and research into gallium nitride devices slowed. In August 1989, Cree introduced the first commercially available blue LED based on the indirect bandgap semiconductor, silicon carbide (SiC). [88] SiC LEDs had very low efficiency, no more than about 0.03%, but did emit in the blue portion of the visible light spectrum. [ citation needed ]

In the late 1980s, key breakthroughs in GaN epitaxial growth and p-type doping [89] ushered in the modern era of GaN-based optoelectronic devices. Building upon this foundation, Theodore Moustakas at Boston University patented a method for producing high-brightness blue LEDs using a new two-step process. [90] Two years later, in 1993, high-brightness blue LEDs were demonstrated again by Shuji Nakamura of Nichia Corporation using a gallium nitride growth process similar to Moustakas's. [91] Both Moustakas and Nakamura were issued separate patents, which confused the issue of who was the original inventor (partly because although Moustakas invented his first, Nakamura filed first). [ citation needed ] This new development revolutionized LED lighting, making high-power blue light sources practical, leading to the development of technologies like Blu-ray , as well as allowing the bright high-resolution screens of modern tablets and phones. [ citation needed ]

Nakamura was awarded the 2006 Millennium Technology Prize for his invention. [92] Nakamura, Hiroshi Amano and Isamu Akasaki were awarded the Nobel Prize in Physics in 2014 for the invention of the blue LED. [93] [94] [95] In 2015, a US court ruled that three companies (ie the litigants who had not previously settled out of court) that had licensed Nakamura's patents for production in the United States had infringed Moustakas's prior patent, and ordered them to pay licensing fees of not less than 13 million USD. [96]

By the late 1990s, blue LEDs became widely available. They have an active region consisting of one or more InGaN quantum wells sandwiched between thicker layers of GaN, called cladding layers. By varying the relative In/Ga fraction in the InGaN quantum wells, the light emission can in theory be varied from violet to amber. Aluminium gallium nitride (AlGaN) of varying Al/Ga fraction can be used to manufacture the cladding and quantum well layers for ultraviolet LEDs, but these devices have not yet reached the level of efficiency and technological maturity of InGaN/GaN blue/green devices. If un-alloyed GaN is used in this case to form the active quantum well layers, the device will emit near-ultraviolet light with a peak wavelength centred around 365 nm. Green LEDs manufactured from the InGaN/GaN system are far more efficient and brighter than green LEDs produced with non-nitride material systems, but practical devices still exhibit efficiency too low for high-brightness applications. [ citation needed ]

With nitrides containing aluminium, most often AlGaN and AlGaInN , even shorter wavelengths are achievable. Ultraviolet LEDs in a range of wavelengths are becoming available on the market. Near-UV emitters at wavelengths around 375–395 nm are already cheap and often encountered, for example, as black light lamp replacements for inspection of anti- counterfeiting UV watermarks in some documents and paper currencies. Shorter-wavelength diodes, while substantially more expensive, are commercially available for wavelengths down to 240 nm. [97] As the photosensitivity of microorganisms approximately matches the absorption spectrum of DNA , with a peak at about 260 nm, UV LED emitting at 250–270 nm are to be expected in prospective disinfection and sterilization devices. Recent research has shown that commercially available UVA LEDs (365 nm) are already effective disinfection and sterilization devices. [98] UV-C wavelengths were obtained in laboratories using aluminium nitride (210 nm), [80] boron nitride (215 nm) [78] [79] and diamond (235 nm). [77]

RGB [ edit ]

RGB-SMD-LED

RGB LEDs consist of one red, one green, and one blue LED. By independently adjusting each of the three, RGB LEDs are capable of producing a wide color gamut . Unlike dedicated-color LEDs, however, these obviously do not produce pure wavelengths. Moreover, such modules as commercially available are often not optimized for smooth color mixing.

White [ edit ]

There are two primary ways of producing white light-emitting diodes (WLEDs), LEDs that generate high-intensity white light. One is to use individual LEDs that emit three primary colors [99] —red, green, and blue—and then mix all the colors to form white light. The other is to use a phosphor material to convert monochromatic light from a blue or UV LED to broad-spectrum white light, much in the same way a fluorescent light bulb works. It is important to note that the 'whiteness' of the light produced is essentially engineered to suit the human eye, and depending on the situation it may not always be appropriate to think of it as white light.

There are three main methods of mixing colors to produce white light from an LED:

  • blue LED + green LED + red LED (color mixing; can be used as backlighting for displays, extremely poor for illumination due to gaps in spectrum)

  • near-UV or UV LED + RGB phosphor (an LED producing light with a wavelength shorter than blue's is used to excite an RGB phosphor)

  • blue LED + yellow phosphor (two complementary colors combine to form white light; more efficient than first two methods and more commonly used) [100]

Because of metamerism , it is possible to have quite different spectra that appear white. However, the appearance of objects illuminated by that light may vary as the spectrum varies, this is the issue of Colour rendition, quite separate from Colour Temperature, where a really orange or cyan object could appear with the wrong colour and much darker as the LED or phosphor does not emit the wavelength. The best colour rendition CFL and LEDs use a mix of phosphors, resulting in less efficiency but better quality of light. Though incandescent halogen lamps have a more orange colour temperature, they are still the best easily available artificial light sources in terms of colour rendition.

RGB systems [ edit ]

Combined spectral curves for blue, yellow-green, and high-brightness red solid-state semiconductor LEDs. FWHM spectral bandwidth is approximately 24–27 nm for all three colors.



RGB LED

White light can be formed by mixing differently colored lights; the most common method is to use red, green, and blue (RGB). Hence the method is called multi-color white LEDs (sometimes referred to as RGB LEDs). Because these need electronic circuits to control the blending and diffusion of different colors, and because the individual color LEDs typically have slightly different emission patterns (leading to variation of the color depending on direction) even if they are made as a single unit, these are seldom used to produce white lighting. Nonetheless, this method has many applications because of the flexibility of mixing different colors, [101] and in principle, this mechanism also has higher quantum efficiency in producing white light. [ citation needed ]

There are several types of multi-color white LEDs: di- , tri- , and tetrachromatic white LEDs. Several key factors that play among these different methods include color stability, color rendering capability, and luminous efficacy. Often, higher efficiency will mean lower color rendering, presenting a trade-off between the luminous efficacy and color rendering. For example, the dichromatic white LEDs have the best luminous efficacy (120 lm/W), but the lowest color rendering capability. However, although tetrachromatic white LEDs have excellent color rendering capability, they often have poor luminous efficacy. Trichromatic white LEDs are in between, having both good luminous efficacy (>70 lm/W) and fair color rendering capability.

One of the challenges is the development of more efficient green LEDs. The theoretical maximum for green LEDs is 683 lumens per watt but as of 2010 few green LEDs exceed even 100 lumens per watt. The blue and red LEDs get closer to their theoretical limits.

Multi-color LEDs offer not merely another means to form white light but a new means to form light of different colors. Most perceivable colors can be formed by mixing different amounts of three primary colors. This allows precise dynamic color control. As more effort is devoted to investigating this method, multi-color LEDs should have profound influence on the fundamental method that we use to produce and control light color. However, before this type of LED can play a role on the market, several technical problems must be solved. These include that this type of LED's emission power decays exponentially with rising temperature, [102] resulting in a substantial change in color stability. Such problems inhibit and may preclude industrial use. Thus, many new package designs aimed at solving this problem have been proposed and their results are now being reproduced by researchers and scientists. However multi-colour LEDs without phosphors can never provide good quality lighting because each LED is a narrow band source (see graph). LEDs without phosphor while a poorer solution for general lighting are the best solution for displays, either backlight of LCD, or direct LED based pixels.

Correlated color temperature (CCT) dimming for LED technology is regarded as a difficult task since binning, age and temperature drift effects of LEDs change the actual color value output. Feedback loop systems are used for example with color sensors, to actively monitor and control the color output of multiple color mixing LEDs. [103]

Phosphor-based LEDs [ edit ]

Spectrum of a white LED showing blue light directly emitted by the GaN-based LED (peak at about 465 nm) and the more broadband Stokes-shifted light emitted by the Ce 3+ :YAG phosphor, which emits at roughly 500–700 nm

This method involves coating LEDs of one color (mostly blue LEDs made of InGaN ) with phosphors of different colors to form white light; the resultant LEDs are called phosphor-based or phosphor-converted white LEDs (pcLEDs). [104] A fraction of the blue light undergoes the Stokes shift being transformed from shorter wavelengths to longer. Depending on the color of the original LED, phosphors of different colors can be employed. If several phosphor layers of distinct colors are applied, the emitted spectrum is broadened, effectively raising the color rendering index (CRI) value of a given LED. [105]

Phosphor-based LED efficiency losses are due to the heat loss from the Stokes shift and also other phosphor-related degradation issues. Their luminous efficacies compared to normal LEDs depend on the spectral distribution of the resultant light output and the original wavelength of the LED itself. For example, the luminous efficacy of a typical YAG yellow phosphor based white LED ranges from 3 to 5 times the luminous efficacy of the original blue LED because of the human eye's greater sensitivity to yellow than to blue (as modeled in the luminosity function ). Due to the simplicity of manufacturing, the phosphor method is still the most popular method for making high-intensity white LEDs. The design and production of a light source or light fixture using a monochrome emitter with phosphor conversion is simpler and cheaper than a complex RGB system, and the majority of high-intensity white LEDs presently on the market are manufactured using phosphor light conversion.

Among the challenges being faced to improve the efficiency of LED-based white light sources is the development of more efficient phosphors. As of 2010, the most efficient yellow phosphor is still the YAG phosphor, with less than 10% Stokes shift loss. Losses attributable to internal optical losses due to re-absorption in the LED chip and in the LED packaging itself account typically for another 10% to 30% of efficiency loss. Currently, in the area of phosphor LED development, much effort is being spent on optimizing these devices to higher light output and higher operation temperatures. For instance, the efficiency can be raised by adapting better package design or by using a more suitable type of phosphor. Conformal coating process is frequently used to address the issue of varying phosphor thickness.

Some phosphor-based white LEDs encapsulate InGaN blue LEDs inside phosphor-coated epoxy. Alternatively, the LED might be paired with a remote phosphor, a preformed polycarbonate piece coated with the phosphor material. Remote phosphors provide more diffuse light, which is desirable for many applications. Remote phosphor designs are also more tolerant of variations in the LED emissions spectrum. A common yellow phosphor material is cerium - doped yttrium aluminium garnet (Ce 3+ :YAG).

White LEDs can also be made by coating near- ultraviolet (NUV) LEDs with a mixture of high-efficiency europium -based phosphors that emit red and blue, plus copper and aluminium-doped zinc sulfide (ZnS:Cu, Al) that emits green. This is a method analogous to the way fluorescent lamps work. This method is less efficient than blue LEDs with YAG:Ce phosphor, as the Stokes shift is larger, so more energy is converted to heat, but yields light with better spectral characteristics, which render color better. Due to the higher radiative output of the ultraviolet LEDs than of the blue ones, both methods offer comparable brightness. A concern is that UV light may leak from a malfunctioning light source and cause harm to human eyes or skin.

Other white LEDs [ edit ]

Another method used to produce experimental white light LEDs used no phosphors at all and was based on homoepitaxially grown zinc selenide (ZnSe) on a ZnSe substrate that simultaneously emitted blue light from its active region and yellow light from the substrate. [106]

S'utilitza un nou estil de galledes compostes de galio-nitruro-en-silici (GaN-on-Si) per produir LEDs blancs amb obleas de silicona de 200 mm. Això evita el típic substrat de safir costós en mides relativament petites d'oli de 100 o 150 mm. [107] L'aparell de safir s'ha d'acoblar a un col·lector tipus mirall per reflectir la llum que d'altra manera es perdria. Està previst que el 2020, el 40% de tots els LED GaN es farà amb GaN-on-Si. Fabricar grans materials de safir és difícil, mentre que el gran material de silici és més econòmic i més abundant. Les empreses LED que van des de l'ús del zafiro fins al silici han de ser una inversió mínima. [108]

Diodes orgànics d'emissió de llum (OLED) [ edita ]

Article principal: díode orgànic emissor de llum

Demostració d'un dispositiu OLED flexible

Díode emissor de llum taronja

En un díode emissor de llum orgànica ( OLED ), el material electroluminiscente que comprèn la capa emissiva del díode és un compost orgànic . El material orgànic és elèctricament conductor a causa de la deslocalització dels electrons de pi causada per la conjugació sobre tota o part de la molècula, i el material, per tant, funciona com un semiconductor orgànic . [109] Els materials orgànics poden ser petites molècules orgàniques en una fase cristal·lina , o polímers . [110]

Els avantatges potencials d'OLED inclouen pantalles fines i de baix cost amb una baixa tensió de transmissió, un ampli angle de visió i un alt contrast i una gamma de colors. [111] Els polímers LED tenen el benefici afegit de visualitzacions imprimibles i flexibles . [112] [113] [114] S'han utilitzat OLED per fer visualitzacions visuals per a dispositius electrònics portàtils, com ara telèfons mòbils, càmeres digitals i reproductors MP3, mentre que possibles usos futurs inclouen il·luminació i televisors. [110] [111]

Quantum dot LEDs [ edita ]

Vegeu també: visualització de punts quàntics

Els punts quàntics (QD) són nanocristalls semiconductors, les propietats òptiques permeten sintonitzar el color d'emissió des de l'espectre visible a l'espectre infraroig. [115] [116] Això permet que els LED de punts quàntics creïn gairebé qualsevol color en el diagrama CIE . Això proporciona més opcions de color i millor representació del color que els LEDs blancs ja que l'espectre d'emissió és molt més estret, característic dels estats quàntics confinats.

Hi ha dos tipus d'esquemes per a l'excitació de QD. S'utilitza l'excitació fotogràfica amb una font de llum primària LED (s'utilitzen normalment LEDs blaus o UV). L'altra és l'excitació elèctrica directa demostrada per primera vegada per Alivisatos et al. [117]

Un exemple del esquema de foto-excitació és un mètode desenvolupat per Michael Bowers a la Vanderbilt University de Nashville, que consisteix a recobrir un LED blau amb punts quàntics que brillen en blanc en resposta a la llum blava del LED. Aquest mètode emet una llum càlida i groguenca, similar a la feta per bombetes incandescents . [118] Els punts quàntics també s'estan considerant per al seu ús en díodes emissors de llum blanca en televisors de pantalla de cristall líquid (LCD). [119]

Al febrer de 2011, els científics de PlasmaChem GmbH van poder sintetitzar els punts quàntics per a aplicacions LED i construir un convertidor lleuger sobre la seva base, que va poder convertir la llum del blau a qualsevol altre color durant moltes dotzenes d'hores. [120] Aquests QDs es poden utilitzar per emetre llum infraroja visible o propera de qualsevol longitud d'ona que sigui excitada per la llum amb una longitud d'ona més curta.

L'estructura de QD-LED utilitzada per al sistema d'excitació elèctrica és similar al disseny bàsic de OLED . Una capa de punts quàntics es troba intercalada entre capes de transport de electrons i materials de transport de forats. Un camp elèctric aplicat fa que els electrons i els forats passin a la capa de punts quàntics i es recombinen formant un excitó que excita un QD. Aquest esquema és comunament estudiat per a la visualització de punts quàntics . La sintonització de les longituds d'ona d'emissió i l'ample de banda estreta també són beneficiosos com a fonts d'excitació per a la imatge de fluorescència. S'ha demostrat la microscòpia òptica d' escorregut a prop de la fluorescència ( NSOM ) que utilitza un QD-LED integrat. [121]

Al febrer de 2008, es va aconseguir una eficàcia lluminosa de 300 lúmenes de llum visible per watt de radiació (no per vàlvula elèctrica) i emissió de llum càlida utilitzant nanocristalls . [122]

Tipus [ edita ]

Els LED es produeixen en diverses formes i mides. El color de la lent de plàstic sol ser el mateix que el color real de la llum emesa, però no sempre. Per exemple, el plàstic violeta s'utilitza sovint per a LEDs infrarojos , i la majoria dels dispositius blaus tenen calaixos incolors. Els LED moderns d'alta potència, com els que s'utilitzen per a la il·luminació i la retroiluminación, es troben generalment en paquets de tecnologia de muntatge superficial (SMT) (no es mostren).

Els principals tipus de LED són miniatura, dispositius d'alta potència i dissenys personalitzats com ara alfanumèrics o multicolors. [123]

Miniatura [ edita ]

Foto de muntatge en miniatura de LEDs en talles més comuns. Poden ser molt més petits que un tradicional LED de 5 mm tipus LED que es mostra a la cantonada superior esquerra.


Molt petit (1.6x1.6x0.35 mm) paquet de color vermell, verd i blau de muntatge en miniatura LED amb detalls d' unió de cable daurat.

Es tracta principalment d'un LED de mata única que s'utilitza com a indicadors, i que vénen en diferents mides de paquets de 2 mm a 8 mm, forats i muntatges de superfície . Normalment no utilitzen un disipador de calor separat. [124] Les qualificacions actuals típiques oscil·len entre 1 mA i 20 mA. La petita grandària estableix un límit superior natural en el consum d'energia degut a la calor provocada per la gran densitat de corrent i la necessitat d'un disipador de calor. Sovint margarida encadenada com s'utilitza en cintes LED .

Les formes de paquets comuns inclouen ronda, amb una part superior plana o rectangular, rectangular amb una part superior plana (tal com s'utilitza en els gràfics de barres) i triangulars o quadrats amb una part superior plana. L'encapsulat també pot ser clar o tenyit per millorar el contrast i l'angle de visió.

Investigadors de la Universitat de Washington han inventat el LED més prim. Està fabricat en materials flexibles bidimensionals (2-D) . Es tracta de tres àtoms de gruix, que són de 10 a 20 vegades més prims que els LED tridimensionals (3-D) i també són 10.000 vegades més petits que el gruix d'un cabell humà. Aquests LEDs en 2-D permetran crear il·luminació més petita, més eficient en energia, comunicació òptica i làsers nanos . [125]

Hi ha tres categories principals de LED de mono simple en miniatura:

Baix corrent


Típicament valorat per a 2 mA al voltant de 2V (consum aproximat de 4 mW)

LED estàndard de 20 mA (d'aproximadament 40 mW a 90 mW) al voltant:
  • 1,9 a 2,1 V per a verd vermell, taronja, groc i tradicional

  • De 3,0 a 3,4 V per a pur verd i blau

  • De 2,9 a 4,2 V per a violeta, rosa, violeta i blanca

Ultra-alta de sortida


20mA a aproximadament 2 o 4-5V, dissenyades per a la seva visualització a la llum directa del sol 5V i 12VLEDs, són LEDs miniatura normals que incorporen una sèrie adequada   Resistència per a connexió directa a un subministrament de 5V o 12V.

Alta potència [ edita ]

Diodes emissors de llum d'alta potència lligats a una base d'estrelles LED ( Luxeon , Lumileds ). Veure també: Il·luminació d'estat sòlid , làmpada LED i gestió tèrmica de LED d'alta potència.

Els LEDs d'alta potència (LEDs HP) o els LED d'alta potència (HO-LED) es poden accionar a corrents de centenars de mA a més d'un amper, en comparació amb les desenes de mA per a altres LED. Alguns poden emetre més de mil lúmenes. [126] [127] S'han aconseguit densitats de potència LED fins a 300 W / cm2. [128] Atès que el sobreescalfament és destructiu, els LEDs d'HP han de ser muntats en un disipador de calor per permetre la dissipació de calor. Si la calor d'un LED d'HP no s'elimina, el dispositiu fallarà en qüestió de segons. Un HP-LED sovint pot reemplaçar una bombeta incandescent en una llanterna o configurar-se en una matriu per formar un llum LED potent.

Alguns coneguts LED d'HP en aquesta categoria són la sèrie Nichia 19, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon i Cree X-lamp. A partir de setembre de 2009, alguns LEDs HP fabricats per Cree ara superen els 105 lm / W. [129]

Els exemples de la llei de Haitz , que preveuen un augment exponencial de la producció de llum i l'eficàcia dels LEDs al llarg del temps, són el LED de la sèrie CREE XP-G que va assolir 105 lm / W el 2009 [129] i la sèrie Nichia 19 amb una eficàcia típica de 140 Lm / W, llançat el 2010. [130]

AC conduït [ edita ]

Els LED han estat desenvolupats per Seoul Semiconductor que poden operar amb corrent altern sense la necessitat d'un convertidor de corrent continu. Per a cada semicicle, part del LED emet llum i la part és fosca i aquesta es torna a invertir durant el següent semicicle. L'eficàcia d'aquest tipus d'HP-LED sol ser de 40 lm / W. [131] Una gran quantitat d'elements LED en sèrie poden funcionar directament des de la tensió de la línia. El 2009, Seoul Semiconductor va llançar un LED de tensió DC elevat, anomenat 'Acrich MJT', capaç de ser conduït des de la corrent altern per CA amb un simple circuit de control. La dissipació de baixa potència d'aquests LED els proporciona una major flexibilitat que el disseny LED AC original. [132]

Variacions específiques de l'aplicació [ edita ]

Parpelleig [ edita ]

Els LEDs intermitents s'utilitzen com a indicadors de cerca d'atenció sense requerir l'electrònica externa. Els LEDs intermitents s'assemblen als LED estàndard, però contenen un circuit multivibrator integrat que fa que el LED flasqueu amb un període típic de segon. En els LEDs de lent difusa, aquest circuit és visible com un petit punt negre. La majoria dels LEDs emissors emeten llum d'un color, però els dispositius més sofisticats poden flashear entre diversos colors i fins i tot es desfanquen a través d'una seqüència de color utilitzant barreja de color RGB.

Bi-color [ edita ]

Els LED bicolors contenen dos emissors LED diferents en un cas. Hi ha dos tipus d'aquests. Un tipus consisteix en dues juntes connectades a les mateixes dues connexions antiparal·lelades entre elles. El flux actual en una direcció emet un color, i el corrent en la direcció oposada emet l'altre color. L'altre tipus consisteix en dues matrius amb conductors separats per a dues matrius i un altre plom per a l'ànode o el càtode comú, de manera que es puguin controlar de forma independent. La combinació bi-color més comú és vermella / verd tradicional, però, altres combinacions disponibles inclouen verd ambre / tradicional, verd vermell / pur, vermell / blau i verd blau / pur.

Tri-color [ edita ]

Els LED de tres colors contenen tres emissors LED diferents en un cas. Cada emissor està connectat a un plom separat perquè es puguin controlar de forma independent. Un arranjament de quatre plom és típic amb un plom comú (ànode o càtode) i un plom addicional per a cada color.

RGB [ edita ]

Els LED RGB són LED tri-color amb emissors de color vermell, verd i blau, en general, utilitzant una connexió de quatre cables amb un plom comú (ànode o càtode). Aquests LED poden tenir un comportament negatiu positiu o comú. D'altres, tanmateix, només tenen dos cables (positius i negatius) i disposen d'una petita unitat electrònica de control .

Decoratiu-multicolor [ edita ]

Els LED multicolors decoratius incorporen diversos emissors de diferents colors subministrats per només dos cables de sortida. Els colors es canvien internament variant la tensió d'alimentació.

Alfanumèric [ edita ]

Els LEDs alfanumèrics estan disponibles en format de set segment , starburst i matrix de punts . Les pantalles de set segments controlen tots els números i un conjunt limitat de lletres. Les pantalles de Starburst poden mostrar totes les lletres. Les pantalles matricials solen utilitzar 5x7 píxels per caràcter. Les pantalles LED de set segments es van utilitzar de forma generalitzada en els anys 70 i 80, però l'ús creixent de pantalles de cristall líquid , amb les seves necessitats d'energia més baixes i una major flexibilitat de la pantalla, ha reduït la popularitat de les pantalles LED numèriques i alfanumèriques.

Digital-RGB [ edita ]

Els LED RGB digitals són LED RGB que contenen la seva pròpia electrònica de control "intel·ligent". A més de l'alimentació i el sòl, aquestes proporcionen connexions per a la introducció de dades, la sortida de dades i, de vegades, un senyal de rellotge o estroboscòpic. Aquests estan connectats en una cadena daisy , amb les dades del primer LED emès per un microprocessador, que pot controlar la brillantor i el color de cada LED independentment dels altres. S'utilitzen on es necessita una combinació de control màxim i electrònica visible mínima, com ara cadenes per a les matrius de Nadal i LED. Alguns fins i tot tenen taxes de refresc al rang de kHz, permetent aplicacions de vídeo bàsiques.

Filament [ edita ]

Un filament LED consisteix en múltiples xips LED connectats en sèrie en un substrat longitudinal comú que forma una vareta fina que recorda un filament incandescent tradicional. [133] S'estan utilitzant com a alternativa decorativa de baix cost per a bombetes tradicionals que s'estan eliminant en molts països. Els filaments requereixen una tensió bastant alta a la llum a la brillantor nominal, el que els permet treballar de manera eficient i simplement amb voltatges de la xarxa. Sovint s'utilitzen un rectificador senzill i una limitació de corrent capacitiva per crear un reemplaçament de baix cost per a una bombeta tradicional sense la complexitat de crear un convertidor de baixa tensió i corrent elevat que sigui requerit per LED solts. [134] En general, estan empaquetats en un recinte tancat amb forma similar a les làmpades que van dissenyar per reemplaçar (p. Ex., Una bombeta) i es van omplir de nitrogen inert o gas diòxid de carboni per eliminar el calor de manera eficient.

Consideracions d'ús [ edita ]

Fonts d'energia [ edita ]

Article principal: Fonts d'alimentació LED

Circuit LED senzill amb resistència per a la limitació de corrent

La tensió actual característica d'un LED és similar a altres díodes, ja que el corrent depèn exponencialment de la tensió (vegeu l' equació de díode de Shockley ). Això vol dir que un petit canvi de voltatge pot provocar un gran canvi en el corrent. [135] Si la tensió aplicada supera la caiguda de voltatge del LED d'una quantitat reduïda, es pot superar la qualificació actual per una gran quantitat, potencialment perjudicial o per destruir el LED. La solució típica és utilitzar fonts d'alimentació de corrent constant per mantenir la corrent per sota de la qualificació de corrent màxima del LED. Atès que la majoria de les fonts d'energia comuns (piles, fonts) són fonts de tensió constant, la majoria dels accessoris LED han d'incloure un convertidor de potència, almenys una resistència limitant de corrent. Tanmateix, l'alta resistència de les cèl·lules de monedes de tres volts combinades amb l'alta resistència diferencial dels LEDs basades en el nitrur fa que es pugui encendre un LED d'aquesta moneda sense una resistència externa.

Polaritat elèctrica [ edita ]

Article detallat: Polaritat elèctrica de LEDs

Igual que amb tots els díodes, els fluxos corrents són fàcilment de tipus p a tipus n. [136] No obstant això, cap flux de corrent i cap llum s'emet quan s'aplica una petita tensió en sentit invers. Si la tensió inversa creix prou com per superar la tensió de col·lapse , es produeix un flux de corrent gran i el LED es pot danyar. Si el corrent invers és suficientment limitat per evitar danys, el LED de direcció inversa és un díode de soroll útil.

Seguretat i salut [ edita ]

La gran majoria de dispositius que contenen LED són "segurs en totes les condicions d'ús normal", per la qual cosa es classifiquen com a "Producte de classe 1 LED" / "LED Klasse 1". En l'actualitat, només uns quants LEDs, uns LEDs molt brillants que també tenen un angle de visió estretament focalitzat de 8 ° o menys, podrien, en teoria, causar ceguesa temporal, per la qual cosa es classifiquen com a "Classe 2". [137] L'opinió de l'Agència francesa per a la Seguretat i Salut Laboral, Mediambiental i Ocupacional (ANSES) de 2010, sobre els problemes de salut relacionats amb els LEDs, va suggerir que prohibís l'ús públic de les llums que estaven en el moderat Risk Group 2, especialment aquells amb un Component blau alt en llocs freqüentats per nens. [138] En general, les normes de seguretat làser , i el sistema "Class 1", "Class 2", etc., també s'apliquen als LED. [139]

Tot i que els LED tenen l'avantatge de les làmpades fluorescents que no contenen mercuri , poden contenir altres metalls perillosos com el plom i l' arsènic . Pel que fa a la toxicitat dels LEDs quan es tracta de residus, un estudi publicat el 2011 va afirmar: "Segons els estàndards federals, els LED no són perillosos, excepte els LEDs de baixa intensitat, que van arribar a Pb a nivells superiors als límits reguladors (186 mg / L; límit regulador: 5). No obstant això, segons la normativa de Califòrnia, els nivells excessius de coure (fins a 3892 mg / kg; límit: 2500), plom (fins a 8103 mg / kg; límit: 1000), níquel (fins a 4797 mg / kg; límit: 2000), o plata (fins a 721 mg / kg; límit: 500) fan tots excepte els LEDs de baixa intensitat groga perillosos ". [140]

El 2016, una declaració de l' Associació Mèdica Americana (AMA) sobre la possible influència de l' enllumenat urbà blau en el cicle de vigilància dels habitants de la ciutat va generar certa controvèrsia. Fins ara les làmpades de sodi d'alta pressió (HPS) amb espectre de llum taronja eren les fonts de llum més eficients que s'utilitzen habitualment a la il·luminació del carrer. Ara molts fanals moderns estan equipats amb LED de nitruro de gal de indi (InGaN). Aquests són encara més eficients i, sobretot, emeten llum rica en blau amb una temperatura de color correlacionada (CCT) superior . Atès que la llum amb un CCT elevat s'assembla a la llum del dia, es pensa que això podria tenir un efecte en la fisiologia circadiana normal mitjançant la supressió de la producció de melatonina en el cos humà. Encara no hi ha estudis rellevants i els crítics afirmen que els nivells d'exposició no són prou alts per tenir un efecte notable. [141]

Avantatges [ edita ]

  • Eficiència: els LED emeten més lúmens per vat que les bombetes incandescents. [142] L'eficàcia dels accessoris d'il·luminació LED no es veu afectada per la forma i la mida, a diferència de les bombetes o tubs fluorescents.

  • Color: els LED poden emetre llum d'un color desitjat sense utilitzar cap filtre de color, ja que necessiten els mètodes tradicionals d'il·luminació. Això és més eficient i pot reduir els costos inicials.

  • Mida: els LED poden ser molt petits (més petits que 2 mm 2 [143] ) i s'uneixen fàcilment a les plaques de circuit imprès.

  • Temps d'escalfament: els LED s'encén ràpidament. Un indicador LED típic vermell tindrà una brillantor total en menys d'un microsegon . [144] Els LEDs que s'utilitzen en els dispositius de comunicació poden tenir temps de resposta encara més ràpids.

  • Ciclisme: els LED són ideals per a usos subjectes a un ciclisme de freqüència constant, a diferència de les làmpades incandescents i fluorescents que fracassen més ràpidament quan circulen amb freqüència o amb llums de descàrrega d'alta intensitat (llums HID) que requereixen molt de temps abans de reiniciar.

  • Dimming: els LED es poden reduir molt fàcilment mitjançant la modulació d'amplada de pols o baixant el corrent cap endavant. [145] Aquesta modulació d'amplada de pols és per això que els llums LED, especialment els fars a cotxes, quan es veuen a la càmera o per algunes persones, semblen parpellejar o parpellejar. Es tracta d'un tipus d' efecte estroboscòpic .

  • Llum fresca: en contrast amb la majoria de les fonts de llum, els LED irradien molt poca calor en forma d' IR que pot causar danys a objectes o teles sensibles. L'energia perduda es dispersa com a calor a través de la base del LED.

  • Falla lenta: els LED majoritàriament fracassen en el temps, en lloc de la fallida brusca de les bombetes incandescents. [69]

  • Durada de la vida: els LED poden tenir una vida útil relativament llarga. Un informe calcula entre 35.000 i 50.000 hores de vida útil, tot i que el temps per completar el fracàs pot ser més llarg. [146] Els tubs fluorescents normalment es valoren aproximadament de 10.000 a 15.000 hores, depenent en part de les condicions d'ús i de les bombetes incandescents a 1.000 a 2.000 hores. Diverses demostracions DOE han demostrat que els costos de manteniment reduïts d'aquesta durada prolongada, en comptes d'estalviar energia, són el factor principal en la determinació del període de recuperació d'un producte LED. [147]

  • Resistència al xoc: els LEDs, que són components d'estat sòlid, són difícils de danyar amb un xoc extern, a diferència de les bombetes fluorescents i incandescents, que són fràgils.

  • Enfocament: el paquet sòlid del LED es pot dissenyar per focalitzar la llum. Les fonts incandescents i fluorescents sovint requereixen un reflector extern per recollir la llum i dirigir-la de forma útil. Per als paquets de LED més grans, les lents de reflexió interna (TIR) solen utilitzar-se amb el mateix efecte. Tanmateix, quan es necessiten grans quantitats de llum, moltes fonts de llum solen desplegar-se, que són difícils d'enfocar o combinar cap al mateix objectiu.

Desavantatges [ edita ]

  • Preu inicial: els LED són actualment lleugerament més cars (preu per lumen) en funció del cost de capital inicial que altres tecnologies d'il·luminació. A partir de març de 2014, almenys un fabricant afirma haver arribat a $ 1 per quilòmetre. [148] La despesa addicional es deriva parcialment de la producció de llum relativament baixa i de la unitat de circuits i fonts d'alimentació necessàries.

  • Dependència de la temperatura: el rendiment del LED depèn en gran mesura de la temperatura ambient de l'entorn operatiu o de les propietats de gestió tèrmica. La superposició d'un LED en altes temperatures ambientals pot provocar un sobreescalfament del paquet LED, el que va provocar una fallada del dispositiu. Cal un disipador de calor adequat per mantenir una llarga vida. Això és especialment important en els usos automotriu, mèdic i militar, on els dispositius han d'operar en un ampli rang de temperatures, que requereixen baixes taxes de fracàs. Toshiba ha produït LEDs amb un rang de temperatura de funcionament de -40 a 100 ° C, que s'adapti als LEDs tant per a ús interior com exterior en aplicacions com ara llums, enllumenat del sostre, llums de carrer i reflectors. [107]

  • Sensibilitat de tensió: els LED s'han de subministrar amb una tensió per sobre de la tensió del llindar i un corrent per sota de la seva puntuació. El corrent i el temps de vida canvien molt, amb un petit canvi en la tensió aplicada. Per tant, requereixen un subministrament regulat actualment (generalment només una resistència en sèrie per indicadors LED). [149]

  • Representació del color: la majoria de LEDs blancs amb llum freda tenen espectres que difereixen significativament d'un radiador de cos negre com el sol o una llum incandescent. L'espiga a 460 nm i la immersió a 500 nm poden fer que el color dels objectes es percebi de manera diferent sota la il·luminació LED de color blanc i negre que la llum solar o les fonts incandescents, a causa del metamerisme , [150] les superfícies vermelles resulten particularment pobres per part del fòfor típic LEDs blancs freds.

  • Font de llum de la zona: els LEDs individuals no s'aproximen a una font de llum de punt que dóna una distribució de llum esfèrica, sinó una distribució lambertiana . Així, els LEDs són difícils d'aplicar als usos que necessiten un camp de llum esfèrica; No obstant això, diferents camps de llum poden ser manipulats per l'aplicació de diferents òptiques o "lents". Els LEDs no poden proporcionar divergència per sota d'alguns graus. En canvi, els làsers poden emetre bigues amb diferències de 0,2 graus o menys. [151]

  • Polaritat elèctrica : a diferència de les bombetes incandescents, que s'il·luminen, independentment de la polaritat elèctrica , els LED només es il·luminaran amb la correcta polaritat elèctrica. Per combinar automàticament la polaritat de la font amb els dispositius LED, es poden utilitzar rectificadors .

  • Risc blau: hi ha una preocupació que els LEDs blaus i els LEDs blancs frescos siguin capaços d'excedir els límits de seguretat de l'anomenat perill de llum blava tal com es defineix en les especificacions de seguretat ocular, com ANSI / IESNA RP-27.1-05: Pràctica recomanada Per a la seguretat fotobiològica per a sistemes de llum i làmpades. [152] [153]

  • La contaminació lumínica : ja que els LEDs blancs , especialment aquells amb alta temperatura de color , emeten una llum de longitud d'ona molt més curta que les fonts de llum exteriors convencionals, com ara làmpades de vapor de sodi d' alta pressió, l'augment de la sensibilitat blau i verd de la visió escotopica fa que els LEDs blancs utilitzats a l'aire lliure La il·luminació provoca sensiblement més resplendor del cel . [132] [154] [155] [156] [157] L'Associació Mèdica Americana va advertir sobre l'ús de LED blancs de gran contingut blau en la il·luminació del carrer, a causa del seu major impacte en la salut humana i el medi ambient, en comparació amb la baixa quantitat de llum blava Fonts (per exemple, sodi d'alta pressió, PC amb ambre LEDs i baixos LED de CCT). [158]

  • Descens d'eficiència : l'eficiència dels LED disminueix a mesura que augmenta el corrent elèctric . La calefacció també augmenta amb corrents més alts que comprometen la vida útil del LED. Aquests efectes posen límits pràctics al corrent a través d'un LED en aplicacions d'alta potència. [62] [64] [65] [159]

  • Impacte sobre els insectes: els LED són molt més atractius per als insectes que les llums de vapor de sodi, tant que hi ha hagut una preocupació especulativa sobre la possibilitat d'interrupció de les xarxes alimentàries. [160] [161]

  • Ús en condicions d'hivern: ja que no donen molta calor en comparació amb les llums incandescents, els llums LED que s'utilitzen per al control del trànsit poden fer que la neu s'enfosque i provoqui accidents. [162] [163]

Aplicacions [ edita ]

Els usos LED es divideixen en quatre categories principals:

  • Senyals visuals on la llum passa més o menys directament des de la font fins a l'ull humà, per transmetre un missatge o significat

  • Il·luminació on la llum es reflecteix des d'objectes per donar resposta visual d'aquests objectes

  • Mesurar i interactuar amb processos que no impliquen cap visió humana [164]

  • Sensors de llum de banda estreta on els LED funcionen en un mode de polarització inversa i responen a la llum incident, en lloc d'emetre llum [165] [166] [167] [168]

Indicadors i signes [ edita ]

El baix consum d'energia , el baix manteniment i la petita grandària dels LEDs han donat lloc a usos com a indicadors d'estat i pantalles en diversos equips i instal·lacions. Les pantalles de LED d' àrea gran s'utilitzen com a pantalles d'estadi, pantalles decoratives dinàmiques i senyals dinàmics de missatges a les autopistes. Les pantalles lleugeres i lleugeres s'utilitzen en aeroports i estacions de ferrocarril, i com a mostra de destinació per a trens, autobusos, tramvies i transbordadors.

Senyals de trànsit vermell i verd LED

La llum d'un color és adequada per a semàfors i senyals, senyals de sortida , il·luminació de vehicles d'emergència , llums de navegació o llums de navegació (els estàndards de cromàcia i luminància s'estableixen de conformitat amb la Convenció sobre el Reglament internacional per a la prevenció de col·lisions al mar 1972, annex I i El CIE) i llums LED de Nadal . En climes freds, els semàfors LED poden romandre nevats. [169] Els LEDs vermells o grocs s'utilitzen en indicadors i pantalles alfanumèriques en entorns on s'ha de conservar la visió nocturna: pilots d'avions, submarins i ponts de vaixells, observatoris d'astronomia i en el camp, com ara l'observació d'animals nocturns i l'ús del camp militar.

Les aplicacions d'automoció per a LED segueixen creixent.

A causa de la seva llarga vida, els temps de commutació ràpids i la seva capacitat per veure's a la llum del dia a causa de la seva elevada producció i enfocament, s'han utilitzat leds en llums de fre per a llums , camions i autobusos d' alta muntatge , i Gireu els senyals per un temps, però molts vehicles utilitzen ara LEDs per als seus clústers de llum posterior. L'ús en els frens millora la seguretat, a causa d'una gran reducció del temps necessari per il·luminar-se totalment, o més ràpidament, fins a 0,5 segons més ràpid [ cita requerida ] que una bombeta incandescent. Això dóna als conductors més temps per reaccionar. En un circuit de doble intensitat (marcadors i frens posteriors), si els LED no són pulsats a una freqüència suficientment ràpida, poden crear una matriu fantasma , on apareixeran imatges fantasma del LED si els ulls escanegen ràpidament la matriu. Els fars de LED blancs comencen a ser utilitzats. L'ús de LEDs té avantatges d'estil perquè els LED poden formar llums molt més primes que les llums incandescents amb reflectors parabòlics .

A causa del baix cost relatiu dels LEDs de baixa producció, també s'utilitzen en molts usos temporals, com ara llistelles de glowsticks , tires i el tèxtil fotònic Lumalive . Els artistes també han utilitzat LEDs per a art LED .

Els receptors de ràdio del temps i tots els riscos amb codificació de missatges d'àrea específica (SAME) tenen tres LEDs: vermell per advertències, taronja per a rellotges i groc per avisos i declaracions cada vegada que es publiquen.

Il·luminació [ edita ]

Amb el desenvolupament d'LED d'alta eficiència i alta potència, s'ha pogut fer servir LED en il·luminació i il·luminació. Per fomentar el canvi cap a les llums LED i altres enllumenat d'alta eficiència, el Departament d'Energia dels Estats Units ha creat el concurs del L Prize . La bombeta LED de Philips Lighting North America va guanyar la primera competició el 3 d'agost de 2011, després d'haver completat amb èxit 18 mesos de proves intensives de camp, laboratori i producte. [170]

Els LED s'utilitzen com a fanals i en altres il·luminacions arquitectòniques . La robustesa mecànica i la llarga vida s'utilitzen en la il·luminació d'automòbils sobre cotxes, motocicletes i llums de bicicleta . L'emissió de llum LED pot ser controlada de manera eficient utilitzant principis d' òptica sense igual .

Els llums del carrer LED s'utilitzen en pols i en garatges d'estacionament. El 2007, el poble italià de Torraca va ser el primer lloc per convertir tot el seu sistema d'il·luminació a LED. [171]

Els LED s'utilitzen en la il·luminació de l'aviació. Airbus ha utilitzat la il·luminació LED en el seu Airbus A320 Enhanced des de 2007, i Boeing utilitza la il·luminació LED al 787 . Els LEDs també s'estan utilitzant ara a l'aeroport i la il·luminació d'heliports. Actualment, els accessoris de l'aeroport LED inclouen llums de pista de mitja intensitat, llums de la línia central de la pista d'aterratge, centre de roda de tramvia i llums de vora, senyals d'orientació i il·luminació d'obstrucció.

Els LEDs també s'utilitzen com a font de llum per a projectors DLP , i per a retroil·lulars televisors LCD (referits com televisors LED ) i pantalles portàtils . Els LED RGB augmenten la gamma de color en un 45%. Les pantalles per a pantalles de TV i ordinador es poden fer més primes mitjançant LEDs per retroiluminació. [172]

La manca d'IR o de la radiació tèrmica fa que els LED siguin ideals per a llums d'escena usant bancs de LED RGB que puguin canviar fàcilment el color i disminuir la calefacció de la il·luminació d'escena tradicional, així com la il·luminació mèdica on la radiació IR pot ser nociu. En la conservació de l'energia, la menor producció de calor dels LED també significa que els sistemes de climatització (refrigeració) tenen menys calor necessaris per a la seva eliminació.

Els LED són petits, resistents i necessiten poca potència, de manera que s'utilitzen en dispositius de mà, com ara llanternes . Els llums estroboscòpics LED o els flaixos de la càmera funcionen a una caixa forta, de baixa tensió, en comptes dels 250 + volts que es troben normalment a la il·luminació basada en flash de xenó . Això és especialment útil a les càmeres dels telèfons mòbils , on l'espai és a una prima i els circuits voluminosos voluminosos no són desitjables.

Els LED s'utilitzen per a la il·luminació infraroja en usos de visió nocturna, incloent càmeres de seguretat . Un anell de LEDs al voltant d'una càmera de vídeo , orientat cap endavant cap a un fons retrorreflectant , permet la introducció de les tecles de croma a les produccions de video .

LED que s'utilitzarà per als miners, per augmentar la visibilitat dins de les mines

Els LED s'utilitzen en operacions de mineria , com a làmpades de capçals per proporcionar llum als miners. S'han realitzat investigacions per millorar els LEDs per a la mineria, reduir el resplendor i augmentar la il·luminació, reduint el risc de lesions als miners. [173]

Actualment, els LED s'utilitzen habitualment en totes les àrees del mercat, des d'un ús comercial fins a un ús domèstic: il·luminació estàndard, instal·lacions AV, escenogràfiques, teatrals, arquitectòniques i públiques, i on es fa servir llum artificial.

Els LED estan trobant cada vegada més usos en aplicacions mèdiques i educatives, per exemple, com a millora de l'estat d'ànim, [ cita requerida ] i noves tecnologies com AmBX , explotant versatilitat LED. La NASA fins i tot ha patrocinat la investigació per l'ús de LEDs per promoure la salut dels astronautes. [174]

Comunicació de dades i altres senyals [ edita ]

Vegeu també: Li-Fi

La llum es pot utilitzar per transmetre dades i senyals analògics. Per exemple, la il·luminació de LEDs blancs es pot utilitzar en sistemes que ajuden a la gent a navegar en espais tancats mentre cerca habitacions o objectes necessaris. [175]

Els dispositius d'escolta assistencial en molts teatres i espais similars utilitzen matrius de LED infrarojos per enviar sons als receptors dels oients. Els díodes emissors de llum (així com els làsers semiconductors) s'utilitzen per enviar dades sobre molts tipus de cable de fibra òptica , des d'àudio digital a través de cables TOSLINK fins als enllaços de fibra d'ample de banda molt elevats que formen la xarxa troncal d'Internet. Durant un temps, les computadores eren comunament equipades amb interfícies d' IrDA , que els permetien enviar i rebre dades a màquines properes a través d'infrarojos.

Com que els LEDs poden circular i desconnectar milions de vegades per segon, es pot aconseguir un ample de banda molt elevat. [176]

Il·luminació sostenible [ edita ]

Es necessita una il·luminació eficient per a una arquitectura sostenible . In 2009, US Department of Energy testing results on LED lamps showed an average efficacy of 35 lm/W, below that of typical CFLs , and as low as 9 lm/W, worse than standard incandescent bulbs. A typical 13-watt LED lamp emitted 450 to 650 lumens, [177] which is equivalent to a standard 40-watt incandescent bulb.

However, as of 2011, there are LED bulbs available as efficient as 150 lm/W and even inexpensive low-end models typically exceed 50 lm/W, so that a 6-watt LED could achieve the same results as a standard 40-watt incandescent bulb. The latter has an expected lifespan of 1,000 hours, whereas an LED can continue to operate with reduced efficiency for more than 50,000 hours.

See the chart below for a comparison of common light types:


LED CFL Incandescent
Lightbulb Projected Lifespan 50.000 hores 10,000 hours 1,200 hours
Watts Per Bulb (equiv. 60 watts) 10 14 60
Cost Per Bulb $2.00 $7.00 $1.25
KWh of Electricity Used Over 50,000 Hours 500 700 3000
Cost of Electricity (@ 0.10 per KWh) $50 $70 $300
Bulbs Needed for 50,000 Hours of Use 1 5 42
Equivalent 50,000 Hours Bulb Expense $2.00 $35.00 $52.50
TOTAL Cost for 50,000 Hours $52.00 $105.00 $352.50

Energy consumption [ edit ]

In the US, one kilowatt-hour (3.6 MJ) of electricity currently causes an average 1.34 pounds (610 g) of CO
2
emission. [178] Assuming the average light bulb is on for 10 hours a day, a 40-watt bulb will cause 196 pounds (89 kg) of CO
2
emission per year. The 6-watt LED equivalent will only cause 30 pounds (14 kg) of CO
2
over the same time span. A building's carbon footprint from lighting can, therefore, be reduced by 85% by exchanging all incandescent bulbs for new LEDs if a building previously used only incandescent bulbs.

In practice, most buildings that use a lot of lighting use fluorescent lighting , which has 22% luminous efficiency compared with 5% for filaments, so changing to LED lighting would still give a 34% reduction in electrical power use and carbon emissions.

The reduction in carbon emissions depends on the source of electricity. Nuclear power in the United States produced 19.2% of electricity in 2011, so reducing electricity consumption in the US reduces carbon emissions more than in France ( 75% nuclear electricity ) or Norway ( almost entirely hydroelectric ).

Replacing lights that spend the most time lit results in the most savings, so LED lights in infrequently used locations bring a smaller return on investment.

Light sources for machine vision systems [ edit ]

Machine vision systems often require bright and homogeneous illumination, so features of interest are easier to process. LEDs are often used for this purpose, and this is likely to remain one of their major uses until the price drops low enough to make signaling and illumination uses more widespread. Barcode scanners are the most common example of machine vision, and many low-cost products use red LEDs instead of lasers. [179] Optical computer mice are an example of LEDs in machine vision, as it is used to provide an even light source on the surface for the miniature camera within the mouse. LEDs constitute a nearly ideal light source for machine vision systems for several reasons:

  • The size of the illuminated field is usually comparatively small and machine vision systems are often quite expensive, so the cost of the light source is usually a minor concern. However, it might not be easy to replace a broken light source placed within complex machinery, and here the long service life of LEDs is a benefit.

  • LED elements tend to be small and can be placed with high density over flat or even-shaped substrates (PCBs etc.) so that bright and homogeneous sources that direct light from tightly controlled directions on inspected parts can be designed. This can often be obtained with small, low-cost lenses and diffusers, helping to achieve high light densities with control over lighting levels and homogeneity. LED sources can be shaped in several configurations (spot lights for reflective illumination; ring lights for coaxial illumination; backlights for contour illumination; linear assemblies; flat, large format panels; dome sources for diffused, omnidirectional illumination).

  • LEDs can be easily strobed (in the microsecond range and below) and synchronized with imaging. High-power LEDs are available allowing well-lit images even with very short light pulses. This is often used to obtain crisp and sharp "still" images of quickly moving parts.

  • LEDs come in several different colors and wavelengths, allowing easy use of the best color for each need, where different color may provide better visibility of features of interest. Having a precisely known spectrum allows tightly matched filters to be used to separate informative bandwidth or to reduce disturbing effects of ambient light. LEDs usually operate at comparatively low working temperatures, simplifying heat management, and dissipation. This allows using plastic lenses, filters, and diffusers. Waterproof units can also easily be designed, allowing use in harsh or wet environments (food, beverage, oil industries). [179]

Other applications [ edit ]

LED costume for stage performers

LED wallpaper by Meystyle

The light from LEDs can be modulated very quickly so they are used extensively in optical fiber and free space optics communications. This includes remote controls , such as for TVs, VCRs, and LED Computers, where infrared LEDs are often used. Opto-isolators use an LED combined with a photodiode or phototransistor to provide a signal path with electrical isolation between two circuits. This is especially useful in medical equipment where the signals from a low-voltage sensor circuit (usually battery-powered) in contact with a living organism must be electrically isolated from any possible electrical failure in a recording or monitoring device operating at potentially dangerous voltages. An optoisolator also allows information to be transferred between circuits not sharing a common ground potential.

Many sensor systems rely on light as the signal source. LEDs are often ideal as a light source due to the requirements of the sensors. LEDs are used as motion sensors , for example in optical computer mice . The Nintendo Wii 's sensor bar uses infrared LEDs. Pulse oximeters use them for measuring oxygen saturation . Some flatbed scanners use arrays of RGB LEDs rather than the typical cold-cathode fluorescent lamp as the light source. Having independent control of three illuminated colors allows the scanner to calibrate itself for more accurate color balance, and there is no need for warm-up. Further, its sensors only need be monochromatic, since at any one time the page being scanned is only lit by one color of light. Since LEDs can also be used as photodiodes, they can be used for both photo emission and detection. This could be used, for example, in a touchscreen that registers reflected light from a finger or stylus . [180] Many materials and biological systems are sensitive to, or dependent on, light. Grow lights use LEDs to increase photosynthesis in plants , [181] and bacteria and viruses can be removed from water and other substances using UV LEDs for sterilization . [98]

LEDs have also been used as a medium-quality voltage reference in electronic circuits. The forward voltage drop (eg about 1.7 V for a normal red LED) can be used instead of a Zener diode in low-voltage regulators. Red LEDs have the flattest I/V curve above the knee. Nitride-based LEDs have a fairly steep I/V curve and are useless for this purpose. Although LED forward voltage is far more current-dependent than a Zener diode, Zener diodes with breakdown voltages below 3 V are not widely available.

The progressive miniaturization of low-voltage lighting technology, such as LEDs and OLEDs , suitable to be incorporated into low-thickness materials has fostered in recent years the experimentation on combining light sources and wall covering surfaces to be applied onto interior walls. [182] The new possibilities offered by these developments have prompted some designers and companies, such as Meystyle , [183] Ingo Maurer , [184] Lomox [185] and Philips , [186] to research and develop proprietary LED wallpaper technologies, some of which are currently available for commercial purchase. Other solutions mainly exist as prototypes or are in the process of being further refined.