LED-ek a DLP vetítéstechnikában

Az alábbi cikk a fénykibocsátó diódák (LED-ek) vetítéstechnikai felhasználásának előnyeit és kihívásait taglalja, különösen a DLP technológiával együtt történő alkalmazásra.


A LED (Light Emitting Diode – azaz fénykibocsátó dióda) egyre fontosabb világítási technológiává válik. Felfedezése óta a LED-et számos különböző alkalmazásban használták, órákban, kalkulátorokban, távirányítókban, jelzőfényként és háttérvilágításként sok más elektronikus eszközben. A technológia igen gyorsabban fejlődik, és ahogy a LED-ek fényereje és hatásfoka növekszik, egyre újabb alkalmazásokban kap szerepet.


A 1950-es években a galliumarzenid (GaAs) tulajdonságaival foglalkozó tanulmányok vezettek a LED felfedezéséhez. A kutatások az 1960-as évek elején kezdődtek, és az első, galliumarzenid-foszfid (GaAsP) alapú, kereskedelmi forgalomba került vörös LED-et a HP és a Monsanto készítette. Az 1970-es évek elején a LED-ek használata az órákban és kalkulátorokban való megjelenésükkel robbanásszerűen terjedt el a Texas Instruments (TI), HP és a Sinclair jóvoltából. Később a LED-eket leginkább, mint jelzőfényt és alfa-numerikus kijelzőt használták.

Ahogy a neve is utal rá, a LED egy dióda, mely fényt bocsát ki. A dióda a legegyszerűbb félvezető, mely az elektromos áramot valamilyen formában kontrollált módon vezeti. A diódát egyszerűbb formájában gyenge vezetőképességű anyagok alkotják, melyeket úgy módosítanak (vagyis „szennyeznek”), hogy növelik a rendelkezésre álló szabad töltéshordozók (elektronok és elektron „lyukak”) mennyiségét. Az elektronokban gazdag N típusú anyagot elektronokban hiányos P típusú anyaggal kombinálják, méghozzá úgy, hogy összeillesztik őket, és egy úgynevezett átmenetet hoznak létre a szabad elektronok áramlásához. Ezt az átmenetet hívják általában PN átmenetnek.

Az alap LED szerkezete
Az alap LED szerkezete


A LED egy PN átmenet dióda, mely fotonokat bocsát ki, mikor megfelelő feszültséget adunk rá. A foton-kibocsátás folyamatát injekciós elektro-lumineszcenciájának hívják, és akkor lép fel, mikor az N típusú anyagból az elektronok átlépnek a P típusú anyagba, hogy ott alacsonyabb energiájú elektron lyukakat töltsenek ki. Mikor a nagyenergiájú elektronok beleesnek ezekbe a lyukakba, elvesztik energiájuk egy részét, s közben fotonok generálódnak. A felhasznált P és N típusú rétegek anyagától és a köztük lévő rés méretétől függ az előálló fény hullámhossza és energiája.

Sokféle anyagot fejlesztettek ki LED-ek gyártására. Az Alumínium-galliumarzenid (AlGaAs), alumínium-indium-galliumfoszfid (AlInGaP), indium-galliumnitrid (InGaN) elterjedten használt napjaink LED-jeiben. Az AlInGaP-t tipikusan vörös és sárga, míg az InGaN-t kék és zöld fény keltésére használják. Ezek az anyagok hatékonyan produkálnak a látható spektrumba tartozó hullámhosszú fotonokat. Az anyagokat új gyártási szerkezetekkel kombinálva nagyon nagyfényerejű LED-ek előállítása vált lehetségessé, melyek helyet kezdenek találni maguknak az általános világítási és autóipari alkalmazásokban. Néhány szerkezetben további foszfor összetevőket kezdtek el használni fehér fény előállítására, hogy az izzószálas és fluoreszcens lámpákkal szemben sokkal alacsonyabb teljesítményigényű és hosszabb élettartamú világítóeszközt kínálhassanak.

Az alapanyagok és a tokozás gyártásával kapcsolatos legfrissebb újítások rendkívül magas fényerő előállításának képességét eredményezték. Az új hordozóanyagok használata jobb hővezetést, s így nagyobb teljesítményt és fénykibocsátást engednek meg. A fénykibocsátás növekedése lehetővé teszi a LED-ek alkalmazását olyan új területeken, mint a gépjárművek világítása, a közlekedési jelzések és legújabban már a televíziós képernyők. A LED-ek fejlődését és fényhatásfokuk következő években várható potenciális javulását mutatja az alábbi ábra.

A világítási technológiák fejlődése
A világítási technológiák fejlődése

 

Az alumínium-indium-galliumfoszfid (AlInGaP) és indium-galliumnitrid (InGaN) szerkezetek gyártásának jelentős fejlődése nagyobb fényerőt biztosítanak különösen a zöld és kék színek esetén. További színek, mint borostyán és cián is előállíthatóak. Ez a fejlődés a megszokott lámpa alapú technológiáknál hosszabb élettartamú, de azokkal közel azonos fényerő mellett jobb színhűségű rendszerek tervezését teszi lehetővé. Ráadásul a LED-ek alkalmazása más rendszerszintű előnyökkel is jár: azonnali be-és kikapcsolás, nincs színfrissítési hiba (színfelbomlás), dinamikusan állítható a fényerő, és a nagyobb színskála lefedettség. Az alábbi ábra a LED megvilágítással lefedett színskála területét mutatja a szokott referencia szabványhoz (Rec. 709) képest.

LED színskála lefedettség
LED színskála lefedettség


A LED megvilágítás sokkal nagyobb színlefedettséget biztosít (40%-al vagy még többel a HDTV színszabványnál [Rec. 709]), s így sokkal pontosabb színhűséget teremt. Ez a teljesítmény különösen vonzó lehet televíziós alkalmazások esetén, ahol a hosszú élettartamra és a kiváló színhűségre van szükség.

A LED hőstabilitása szempontjából fontos, hogy a PN átmenetéből minden irányban kilépő fény minél kisebb mértékben szóródjon szét, mert ez csak a környezetében lévő hordozórétegben és szerelvényekben elnyelődve melegíti azokat. Túl azon, hogy ezt a hőt el kell vezetni a maximális fénykibocsátás és a megbízhatóság érdekében, a képelőállítás céljára való alkalmazás miatt a fényenergia lehető legnagyobb részét a képmodulátorra (mint a DMD chip) kell koncentrálni.

A nagyfényerejű alkalmazásokban a LED-eket impulzusüzemben hajtják meg, mivel kisebb kitöltési tényezőjű, de nagyobb átfolyó áramnál a LED PN átmenetének átlaghőmérséklete alacsonyabb marad, ami meghatározó a fénykibocsátás és az élettartam szempontjából. Ehhez persze nagyáramú, a meghajtó hullámot gyorsan, néhány mikro szekundum alatt kapcsolni képes áramkörre van szükség.

Újabb kihívást jelent, hogy a PN átmenet hőmérsékletének változásával a kilépő fény hullámhossza némileg eltolódik. Ez a színeltolódás természetesen érinti az adott szín színháromszögön (lásd a fenti ábrát) belüli pozícióját és a fehér pontot is, mivel az egyes színek keverékéből áll elő a fehér. A színeltolódás stabilizálásához a LED-eket alapvetően vagy alacsonyabb teljesítményen kell működtetni, vagy rendkívül stabilan kell tartani hőmérsékletüket. Valamilyen formájú visszacsatolás végrehajtásával és megfelelő teljesítményvezérlő algoritmusokkal a fehér szín stabilitása megőrizhető, miközben a magas fényhatásfok is fenntartható.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöltük

Ez az oldal az Akismet szolgáltatást használja a spam csökkentésére. Ismerje meg a hozzászólás adatainak feldolgozását .