Dziś trudno wyobrazić sobie życie bez diod elektroluminescencyjnych. Zalety ekologiczne i ekonomiczne są zbyt oczywiste: zużywają bardzo mało energii w porównaniu z konwencjonalnymi źródłami światła, są znacznie trwalsze, tańsze, mniejsze, lżejsze i równie łatwe w instalacji. Poniżej przedstawiamy przegląd struktury i funkcji diod LED THD, tj. tych diod LED, które są używane głównie do sygnałów optycznych.
Dioda LED to półprzewodnik, który emituje światło, gdy przepływa przez niego prąd. Elektrony w półprzewodniku oddziałują z elektronami i emitują energię w postaci cząstek światła, fotonów. Wymagana do tego energia elektronów określa kolor światła.
Pierwsze diody LED, które pojawiły się jako komponenty elektroniczne w 1962 roku, wytwarzały niewidzialne światło podczerwone o niskiej intensywności. Takie podczerwone diody LED nadal można znaleźć w pilotach zdalnego sterowania, na przykład do kontrolowania urządzeń elektroniki użytkowej. W dziedzinie światła widzialnego, początkowo na rynku pojawiły się diody LED o niskiej intensywności promieniowania czerwonego. Obecnie dostępne są diody LED o znacznie wyższej wydajności świetlnej w zakresie światła widzialnego, a także ultrafioletu i podczerwieni. W przeciwieństwie jednak do diody laserowej, światło emitowane przez zwykłą diodę LED nie jest ani spójne spektralnie, ani nawet silnie monochromatyczne. Jednakże jego spektrum jest tak wąskie, że dla ludzkiego oka jawi się ono jako czysty kolor.
Podobnie jak wszystkie diody, diody elektroluminescencyjne mają biegun ujemny - katodę i biegun dodatni - anodę. Przewodniki pozwalają na rozróżnienie biegunów na podstawie długości przewodów łączących: w niemal wszystkich dostępnych na rynku diodach LED dłuższy przewód prowadzi do bieguna dodatniego, tj. anody, podczas gdy krótszy przewód do katody.
Diody LED są stosunkowo wrażliwymi elementami półprzewodnikowymi, dlatego dopuszczalny prąd nie może zostać przekroczony dla żadnego typu i wyjścia.
Typowe wartości wynoszą od 10 do 30 miliamperów dla diod LED małej mocy i od około 350 do 1000 miliamperów dla diod LED dużej mocy. Z tego powodu wymagany jest obwód ograniczający prąd, zwykle rezystor szeregowy dla małej mocy.
Kilka diod LED można zgrupować w układzie szeregowym lub szeregowo-równoległym. Ponieważ napięcia DC sumują się, możliwe jest zmniejszenie rezystancji szeregowej, a tym samym zwiększenie wydajności komponentu.
Maksymalny dopuszczalny prąd jest mnożony przez liczbę diod połączonych równolegle.
Jednak prąd w diodzie LED rośnie wykładniczo wraz z przyłożonym napięciem. Nawet niewielki wzrost maksymalnego napięcia wstecznego o pięć woltów powoduje dużą zmianę prądu, co może prowadzić do przegrzania, a tym samym do zniszczenia diody LED.
Dlatego prąd powinien być zawsze dostarczany przez źródło prądu stałego i przez rezystor szeregowy.
Wybierając różne materiały półprzewodnikowe, można produkować kolorowe diody LED, których światło emituje w wąskim zakresie długości fal od bliskiej podczerwieni do widma widzialnego i zakresu ultrafioletowego. Półprzewodniki oparte na arsenku galu (AlGaAs), na przykład, wytwarzają światło podczerwone i czerwone, z fosforkiem arsenku galu (GaAsP) i fosforkiem indowo-galowym (AlInGaP) diody świecą na czerwono, pomarańczowo lub żółto, z fosforkiem galu (GaP) na żółto-zielono, a z azotkiem indowo-galowym (InGaN)/azotkiem galu (GaN) na ultrafioletowo, fioletowo, niebiesko i zielono.
Niebieskie diody LED, które są dostępne dopiero od kilku lat, mają obszar aktywny składający się z jednej lub więcej warstw InGaN osadzonych pomiędzy grubszymi warstwami GaN, tak zwanymi warstwami okładzinowymi. Zmieniając względną proporcję In/Ga w źródłach kwantowych InGaN, emisję światła można teoretycznie zmieniać od koloru fioletowego do bursztynowego.
Istnieją dwie główne metody produkcji białych diod elektroluminescencyjnych. Jeden polega na umieszczeniu pojedynczych diod LED w trzech addytywnych kolorach podstawowych: czerwonym, zielonym i niebieskim na bardzo małej przestrzeni. Z pewnej odległości oko postrzega mieszankę kolorów podstawowych jako biel. Inną, obecnie preferowaną metodą jest wykorzystanie materiału luminoforowego do konwersji światła monochromatycznego z niebieskiej lub UV diody LED na światło białe. Na przykład żółty luminofor sprawia, że białe diody LED o dużej mocy wydają się żółte, gdy są wyłączone; po włączeniu część niebieskiego światła przechodzi przez przestrzeń między kryształami luminoforu, co dla oka daje kolor biały.
Wielokolorowe diody LED oferują światło o różnych barwach w jednej obudowie. Większość dostrzegalnych kolorów można wygenerować poprzez mieszanie różnych intensywności trzech półprzewodników emitujących światło w kolorach podstawowych. Umożliwia to precyzyjną dynamiczną kontrolę kolorów. Jednak moc emisji tego typu diod LED maleje wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury, co skutkuje znacznie niższą stabilnością kolorów.
Asortyment diod LED rozciąga się od bardzo małych czerwonych, zielonych, żółtych i niebieskich miniaturowych diod LED SMD do montażu powierzchniowego po diody LED z połączeniami przewodowymi w 8-milimetrowych obudowach do montażu przelotowego. Typowe diody LED mają średnicę pięciu milimetrów i są okablowane promieniowo, co oznacza, że przewody łączące znajdują się obok siebie. Zazwyczaj prądy znamionowe wahają się od około jednego do ponad 20 miliamperów. Kilka chipów LED przymocowanych do elastycznego paska nośnego tworzy taśmę LED.
Typowe obudowy są okrągłe z kopułą lub płaskim wierzchołkiem, prostokątne z płaskim wierzchołkiem oraz trójkątne lub kwadratowe z płaskim wierzchołkiem. Obudowa z żywicy epoksydowej może być również przezroczysta, rozproszona lub przyciemniona w celu poprawy kontrastu i kąta widzenia. Aby skupić wytwarzane światło, standardowe diody LED mają soczewki o kątach wiązki od 4 do 360 stopni. Dostępne są również diody LED z zewnętrznymi lub wewnętrznymi odbłyśnikami.
Strumień świetlny diody LED można określić w lumenach i kandelach . Lumen odnosi się do strumienia świetlnego diody elektroluminescencyjnej, a dokładniej do strumienia świetlnego emitowanego we wszystkich kierunkach. Z drugiej strony, kandela jest używana, gdy dioda LED świeci preferencyjnie w bardzo określonym kierunku , na przykład przez wbudowaną soczewkę, i jak dobrze ludzkie oko postrzega to światło. Ponieważ zdecydowana większość przewodowych diod LED ma soczewki, ich dane techniczne są również podawane w kandelach. Skrót dla kandeli to „cd”, a skrót dla milikandeli to „mcd”.
Na przykład, standardowa biała przewodowa dioda LED o średnicy 5 milimetrów i kącie wiązki 20 stopni zapewnia natężenie światła 12 500 milikandeli lub 1,2 lumena. To bardzo niewiele w porównaniu do konwencjonalnej 40-watowej żarówki, która emituje około 400 lumenów we wszystkich kierunkach.
Obliczenia te wyraźnie pokazują, że standardowe przewodowe diody LED mogą przede wszystkim pełnić funkcje sygnalizacyjne i niekoniecznie nadają się jako źródło światła.
Czym są diody LED?
Diody LED spotykamy obecnie wszędzie: czy to w światłach drogowych, telewizorach, czy też w oświetleniu pomieszczeń prywatnych i biznesowych. Dzięki długiej żywotności, niewielkim rozmiarom i szerokiej gamie kształtów i spektrum kolorów, diody LED szybko zyskały przewagę nad żarówkami, halogenami i lampami energooszczędnymi.