Dioda Pemancar Cahaya: Primer
Semikonduktor yang disebut dioda pemancar cahaya (LED) mengubah energi listrik menjadi energi cahaya. Bahan dan komposisi semikonduktor menentukan warna cahaya keluaran, dengan LED sering dikategorikan menjadi tiga panjang gelombang: ultraviolet, tampak, dan inframerah.
LED yang tersedia secara komersial dengan daya keluaran elemen tunggal minimal 5 mW memiliki rentang panjang gelombang 275 hingga 950 nm. Terlepas dari pabrikannya, keluarga bahan semikonduktor tertentu digunakan untuk setiap rentang panjang gelombang. Tinjauan fungsi LED dan sekilas sektor ini disediakan dalam artikel ini. Juga akan ada diskusi tentang berbagai jenis LED, panjang gelombang yang sesuai, bahan yang digunakan dalam konstruksinya, dan beberapa kegunaan lampu tertentu.
LED UV (LED ultraviolet): 240 hingga 360 nm
Khusus untuk disinfeksi air, aplikasi medis/biomedis, dan perawatan industri, LED UV digunakan. Pada panjang gelombang sesingkat 280 nm, tingkat keluaran daya lebih besar dari 100 mW telah dicapai. Gallium nitride/aluminium gallium nitride (GaN/AlGaN) dengan panjang gelombang 360 nm atau lebih merupakan bahan yang paling sering digunakan untuk LED UV. Panjang gelombang yang lebih pendek memanfaatkan bahan eksklusif. Panjang gelombang yang lebih pendek hanya diproduksi oleh beberapa penyedia, dan biaya untuk LED ini masih cukup tinggi jika dibandingkan dengan penawaran produk LED lainnya, bahkan jika pasar untuk panjang gelombang 360 nm dan lebih lama menjadi stabil karena penurunan harga dan besar memasok.
LED hijau berkisar dari dekat-UV hingga 530 nm
Indium gallium nitride (InGaN) adalah bahan yang digunakan untuk barang dalam rentang panjang gelombang ini. Meskipun secara teknis layak untuk menghasilkan LED dengan panjang gelombang nilai apa pun antara 395 dan 530 nm, mayoritas pemasok utama berfokus pada pembuatan LED biru (450 hingga 475 nm) untuk penerangan putih berbasis fosfor dan LED hijau di 520– Kisaran 530 nm untuk pencahayaan hijau sinyal lalu lintas. Kebanyakan orang menganggap teknologi di balik LED ini sudah maju. Selama beberapa tahun terakhir, peningkatan efisiensi optik telah melambat atau berhenti.
LED mulai dari kuning-hijau hingga merah: 565 hingga 645 nm
Bahan semikonduktor yang digunakan untuk rentang panjang gelombang ini adalah aluminium indium gallium phosphide (AlInGaP). Ini sebagian besar diproduksi dalam panjang gelombang sinyal lalu lintas kuning (590 nm) dan merah (625 nm). Meskipun kurang umum, hijau limau (atau hijau kekuningan 565 nm) dan jingga (605 nm) juga ditawarkan dalam teknologi ini.
Patut dicatat bahwa emitor hijau murni (555 nm) bukanlah fitur dari teknologi InGaN atau AlInGaP. Ada teknologi yang lebih tua dan kurang efektif di bidang hijau murni ini, tetapi tidak dianggap efisien atau cemerlang. Hal ini sebagian besar disebabkan oleh kurangnya pembiayaan untuk pengembangan teknologi material alternatif untuk rentang panjang gelombang ini serta kurangnya minat atau permintaan komersial.
660 hingga 900 nm: merah tua hingga inframerah dekat (IRLED)
Konstruksi perangkat di area ini dapat mengambil berbagai bentuk, tetapi mereka selalu menggunakan elemen aluminium gallium arsenide (AlGaAs) atau gallium arsenide (GaAs). Banyak penggunaan medis (pada 660–680 nm) serta remote control infra merah dan lampu penglihatan malam adalah beberapa aplikasinya.
Teori operasi LED
Tegangan listrik yang cukup untuk elektron bergerak melintasi daerah penipisan dan bergabung dengan lubang di sisi lain untuk membuat pasangan elektron-lubang harus diterapkan agar LED, yang merupakan dioda semikonduktor, memancarkan cahaya ketika arus listrik arus diterapkan ke arah depan perangkat. Ini menyebabkan elektron memancarkan foton saat melepaskan energinya dalam bentuk cahaya.
Panjang gelombang cahaya yang dipancarkan tergantung pada celah pita semikonduktor. Bahan dengan celah pita yang lebih tinggi memancarkan panjang gelombang yang lebih pendek karena panjang gelombang yang lebih pendek memiliki lebih banyak energi. tegangan yang lebih besar juga diperlukan untuk konduksi pada material dengan celah pita yang lebih besar. Sementara LED IR-dekat memiliki tegangan maju 1,5 hingga 2.0 V, LED biru-UV panjang gelombang pendek memiliki tegangan maju 3,5 V.
Faktor ketersediaan dan efisiensi untuk panjang gelombang
Potensi pasar, permintaan konsumen, dan panjang gelombang standar industri adalah penentu utama apakah panjang gelombang tertentu layak secara komersial atau tidak. Ini paling terlihat pada rentang panjang gelombang 420–460 nm, 480–520 nm, dan 680–800 nm. Tidak ada produsen volume tinggi yang memproduksi perangkat LED untuk rentang panjang gelombang ini karena tidak ada penggunaan volume tinggi untuk mereka. Namun demikian, adalah layak untuk menemukan vendor kecil atau menengah yang menyediakan barang untuk memenuhi panjang gelombang khusus ini berdasarkan pesanan.
Wilayah panjang gelombang di mana setiap teknologi material paling efektif dapat ditemukan hampir di tengah setiap rentang. Efisiensi berkurang saat tingkat doping semikonduktor naik atau turun di bawah tingkat ideal. Untuk alasan ini, LED biru menghasilkan lebih banyak cahaya daripada LED hijau atau LED dekat-UV, amber menghasilkan lebih banyak cahaya daripada LED kuning-hijau, dan IR-dekat menghasilkan lebih banyak cahaya daripada 660 nm. Merancang untuk bagian tengah spektrum daripada tepi selalu merupakan pilihan yang lebih baik. Selain itu, lebih mudah untuk mendapatkan barang yang tidak melewati batas teknologi material.
Memasok LED dengan arus dan tegangan
LED adalah dioda dan harus dioperasikan dalam mode arus meskipun semikonduktor dan membutuhkan voltase minimum untuk berfungsi. Saat menggunakan LED dalam mode DC, ada dua metode utama: Penggunaan resistor pembatas arus adalah yang paling sederhana dan paling populer. Disipasi panas dan daya yang cukup besar pada resistor merupakan kelemahan dari teknologi ini. Tegangan suplai harus jauh lebih tinggi daripada tegangan maju LED agar arus tetap stabil di seluruh perubahan suhu dan dari satu perangkat ke perangkat lainnya.
Driver LED off-the-shelf komersial ditawarkan oleh berbagai pemasok. Untuk kontrol kecerahan, mereka biasanya berfungsi menggunakan prinsip modulasi lebar pulsa.
Serangkaian masalah yang berbeda muncul saat LED berdenyut dalam mode arus tinggi dan/atau tegangan tinggi untuk larik yang terhubung secara seri dan paralel. Tidak praktis bagi perancang pemula untuk membuat penggerak pulsa yang dikontrol arus yang dapat menyediakan 5 A dan 20 V. Beberapa perusahaan memproduksi alat khusus untuk LED yang berdenyut.
LED dalam aplikasi yang dapat dilihat orang
Warna yang tepat lebih penting secara signifikan dalam situasi di mana LED dilihat langsung atau digunakan sebagai luminator daripada keluaran yang tepat dalam lumen atau kandela. Otak membuat penyesuaian yang sangat baik untuk setiap variasi intensitas cahaya sementara mata manusia relatif acuh tak acuh terhadapnya. Rata-rata orang yang melihat layar video LED di gedung, misalnya, tidak akan melihat pengurangan intensitas 20 persen karena bagian layar dilihat pada 10 derajat hingga 20 derajat di luar sumbu dibandingkan dengan bagian langsung di sumbu karena ini adalah perubahan bertahap yang tidak dirasakan saat bergerak menuju tepi penglihatan. Sebaliknya, mata manusia akan melihat variasi warna dan merasa terganggu jika LED suatu daerah memiliki perbedaan panjang gelombang 10 nm dari yang ada di daerah lain.
Sebagian besar LED putih yang digunakan saat ini dibuat dengan memasukkan fosfor tampak dengan panjang gelombang yang lebih panjang dengan LED biru. Kemiripan spektral dengan sinar matahari diukur dengan color rendering index (CRI). Mayoritas LED yang digunakan dalam penerangan umum saat ini memiliki CRI lebih baik dari 80, dengan 100 dianggap setara dengan sinar matahari. LED putih menjadi produk yang paling dicari untuk sebagian besar aplikasi pencahayaan karena kemajuan CRI dan peningkatan efisiensi optik.
Manfaat dan kegunaan LED
Dibandingkan dengan lampu yang difilter, LED memiliki beberapa manfaat untuk aplikasi monokromatik karena spektrum panjang gelombangnya ditentukan dengan lebih tepat. Penghematan energi dari penggunaan lampu pijar berfilter untuk aplikasi penerangan umum berpotensi 100 kali lebih tinggi. Aplikasi seperti sinyal lalu lintas dan lampu arsitektur sangat diuntungkan dari hal ini. Sebuah panel surya kecil dapat dengan mudah memberi daya pada rambu LED jalan raya portabel berdaya rendah sebagai pengganti generator besar, yang merupakan keuntungan yang jelas.
Secara umum, LED lebih murah, lebih dapat diandalkan, dan mungkin ditenagai oleh elektronik yang lebih murah daripada laser. LED sekarang diklasifikasikan secara terpisah oleh AS dan Uni Eropa. Untungnya, tidak seperti laser dan dioda laser, LED tidak memiliki masalah atau peringatan keselamatan mata yang sama. Di sisi lain, tidak mungkin membuat bintik-bintik yang padat secara optik, sangat kecil, dan sangat terkolimasi dengan LED. Laser hampir selalu dibutuhkan dalam aplikasi yang membutuhkan kerapatan daya yang sangat tinggi di wilayah yang padat.
Saat ini, LED digunakan di berbagai sektor dan aplikasi (Tabel 1). Perangkat ini sangat ekonomis dan menarik bagi pasar konsumen dan industri berkat keandalannya yang tinggi, efisiensi tinggi, dan pengurangan biaya total sistem dibandingkan dengan laser dan lampu. Setiap teknologi dan/atau warna LED yang unik telah diciptakan untuk memenuhi kebutuhan penggunaan tertentu.
