LED » Podstawowe informacje na temat diody LED
Skrót LED oznacza Light Emitting Diode, czyli diodę elektroluminescencyjną. Początkowo diody LED były używane jako wskaźniki optyczne w urządzeniach lub obwodach i występowały tylko w kolorach czerwonym, zielonym i żółtym. Obecnie jednak dostępne są również niebieskie i białe diody LED. Ponadto jasność świecenia została zwiększona do tego stopnia, że diody LED działają jako wydajne źródła światła, np. w reflektorach lub latarkach. Z tego powodu diody LED możemy spotkać wszędzie: czy to w sygnalizacji świetlnej, wyświetlaczach, czy w nowoczesnym oświetleniu LED do pomieszczeń prywatnych i biznesowych. Ze względu na ich długą żywotność, niewielkie rozmiary i szeroką gamę kształtów i widm kolorów, żarówki LED szybko zastąpiły żarówki żarowe, halogenowe i energooszczędne. Za każdą diodą LED kryje się jednak cała sprytna technologia, którą z przyjemnością wyjaśnimy poniżej.
Dioda LED jest jednym z elementów z grupy półprzewodników III/V. Oznacza to, że składa się z materiałów należących do trzeciej i piątej grupy w układzie okresowym. Zastosowane tu elementy półprzewodnikowe tworzą diodę, która umożliwia przepływ prądu (I) tylko w jednym kierunku. Prąd w diodzie LED płynie od anody w kierunku chipu LED. Rdzeniem diody jest kryształ wykonany z półprzewodnika, który znajduje się w odbłyśniku.
Budowę diody elektroluminescencyjnej można łatwo wyjaśnić na podstawie przykładu okablowanej diody LED.
Struktura diody elektroluminescencyjnej na przykładzie przewodowej diody LED.
(1) Kryształ półprzewodnikowy (znany również jako chip LED) jest centralnym elementem diody LED i generuje światło za pomocą procesów fizycznych.
(2) Odbłyśnik, w którym zainstalowany jest chip LED, zwiększa zarówno wydajność, jak i skuteczność świetlną.
(3) Katoda (-) jest podłączona do odbłyśnika.
(4) Prąd przepływa przez anodę (+) w kierunku kryształu półprzewodnikowego.
(5) Cienki przewód łączy chip LED z anodą.
(6) Plastikowa soczewka otacza strukturę i wpływa na kąt padania promieniowania i strumień świetlny. W zależności od przeznaczenia jest ona owalna, trójkątna, zakrzywiona lub spłaszczona.
Symbol przełączania (rysunek po prawej) ilustruje przepływ prądu od anody do katody i wynikające z tego fale świetlne (strzałki). Aby dioda LED działała w obwodzie, musi być zainstalowana z prawidłową polaryzacją. W celu zapewnienia prawidłowego podłączenia diody LED, przewód łączący anodę jest zwykle nieco dłuższy.
Struktura chipa LED:
Kolor zielony to ujemnie naładowana warstwa materiału półprzewodnikowego (warstwa n).
Kolor niebieski to dodatnio naładowana warstwa materiału półprzewodnikowego (warstwa p).
Fale świetlne wychodzą z warstwy p.
Przy okazji: podczas procesu domieszkowania, kryształ półprzewodnika jest celowo "zanieczyszczany" obcymi atomami w celu zmiany jego przewodnictwa. Prowadzi to do nadmiaru elektronów w warstwie p i braku elektronów (dziur elektronowych) w warstwie n. Jest to podstawa procesów generujących światło.
Jak już pokazano, na krysztale półprzewodnika znajdują się dwie warstwy materiałów półprzewodnikowych. Warstwa z domieszką n wykazuje nadmiar elektronów, podczas gdy druga, cieńsza warstwa z domieszką p ma za dużo elektronów defektowych, znanych również jako dziury elektronowe. Jeśli napięcie zostanie przyłożone do obu warstw w kierunku przepływu diody LED, nadmiar elektronów migruje w kierunku warstwy p. Spotykają się one z dziurami elektronowymi w tak zwanej warstwie zaporowej. Tam migrujące elektrony i dziury elektronowe zaczynają ulegać reakcji rekombinacji. Oznacza to, że oba nośniki ładunku łączą się. Rekombinacja stanowi zatem proces odwrotny do jonizacji.
Barwa światła diody LED zależy od stopnia nasycenia warstw i zastosowanych materiałów półprzewodnikowych. Te różne kombinacje mają różne poziomy energii. Podczas rekombinacji elektronów uwalniane są fotony o różnych poziomach mocy. Określają one kolor światła lub długość fali światła widzialnego.
Krótkofalowe światło niebieskie jest wytwarzane z wysoką energią wyjściową, a długofalowe światło czerwone z niską. Obecnie istnieje wiele odpowiednich systemów materiałowych, dzięki czemu diody elektroluminescencyjne mogą odtwarzać prawie wszystkie kolory monochromatycznie (jednokolorowo).
Do uzyskania odpowiednich kolorów często stosuje się następujące substancje:
Arsenek glinowo-galowy (AlGaAs): czerwony o długości fali 650 - 750 nm
Fosforek arsenku galu (GaAsP): żółty o długości fali 575 - 585 nm
Fosforek galu (GaP): zielony o długości fali 490 - 575 nm
Azotek indu i galu (InGaN): niebieski o długości fali 420 - 490 nm
Poza pokazanymi kolorami, takimi jak czerwony, zielony, żółty lub niebieski, istnieją również diody LED, które działają z niewidzialnym światłem podczerwonym. Takie diody IR LED można znaleźć w pilotach do telewizorów, odtwarzaczy DVD lub odbiorników satelitarnych. Istnieją również diody LED działające w zakresie UV, które znajdują się na drugim końcu pasma widzialnego. Lampy LED IR i UV są czasami stosowane w barierach świetlnych, aby zminimalizować zakłócenia powodowane przez światło widzialne.
Nasza praktyczna wskazówka: sprawdzanie funkcjonalności pilotów IR
Jeśli pilot do telewizora nie działa pomimo posiadania nowych baterii, można łatwo sprawdzić, czy dioda IR LED emituje sygnały świetlne. Wystarczy nacisnąć przycisk na pilocie i spojrzeć na diodę IR LED. Z uwagi jednak na to, że ludzkie oko nie jest w stanie rozpoznać sygnałów świetlnych w podczerwieni, zastosowanie znajduje również kamera smartfona. Z reguły kamery działają nie tylko ze światłem w zakresie częstotliwości widzialnych. W niektórych przypadkach mogą one również rozpoznawać światło w zakresie podczerwieni, dzięki czemu sygnały świetlne z diody IR LED są wyraźnie widoczne na wyświetlaczu smartfona. Do celów testowych można po prostu zeskanować działający pilot zdalnego sterowania za pomocą kamery smartfona.
Tworzenie białego światła LED
Oświetlenie wymaga w szczególności wytwarzania światła białego. Do osiągnięcia tego celu wykorzystywane są dwa różne procesy:
Zasada działania pryzmatu polega na rozszczepianiu światła białego na różne kolory widmowe. W tym celu łączone są różnokolorowe diody LED. Białe światło powstaje w wyniku nałożenia na siebie trzech podstawowych kolorów: czerwonego, niebieskiego i zielonego. Barwy czerwona i zielona dają kolor żółty, czerwona i niebieska to magenta, a zielona i niebieska to cyjan.
Wielokolorowa dioda elektroluminescencyjna zawiera zatem trzy kryształy półprzewodnikowe, z których każdy wytwarza jeden z trzech kolorów podstawowych. Te diody LED są również znane jako diody LED RGB. Można je znaleźć w taśmach LED z funkcją zmiany kolorów. Jest to możliwe dzięki pozornie nieograniczonej różnorodności kolorów, które mogą być tworzone przy użyciu barw podstawowych o różnej intensywności.
Luminescencja
Niebieska dioda LED pokryta jest wewnątrz cienką warstwą luminoforu. Niektóre fale światła niebieskiego o wysokiej energii wzbudzają luminofor, powodując emisję żółtego światła o niższej energii. Mieszanina żółtego i niebieskiego światła wytwarza barwę białą dla ludzkiego oka.
Struktura chipa LED z technologią luminescencji:
1. kryształ półprzewodnikowy
2. żółta warstwa luminoforu
3. białe światło
4. warstwa konwersacyjna
5. niebieskie światło
W zależności od grubości warstwy luminoforu białej diody LED, wytwarzane jest światło o mniej lub bardziej intensywnym żółtym odcieniu (ciepłe białe światło).
Połączenie z niebieskimi falami świetlnymi daje żółtawe lub niebieskawe światło, które wydaje się bardziej ciepłe lub zimne. " Stopień zabarwienia" światła białego jest określany jako temperatura barwowa w Kelwinach.
Częściowo diody RGB są jeszcze uzupełniane białymi diodami LED, tworząc diody RGBW, aby oprócz kolorowego światła wytwarzać również optymalne białe.
Diody LED mogą być stosowane w wielu obszarach, dlatego wymagane są różne projekty LED. Obecnie standardem są przewodowe diody LED, diody LED SMD i diody LED COB.
Przewodowa dioda LED
Przewodowa dioda elektroluminescencyjna była pierwszą konstrukcją na rynku i łatwo jest ją wlutować technikom-hobbystom. Można je znaleźć np. w przełącznikach urządzeń elektrycznych.
Dioda SMD
Diody LED SMD są często spotykane w przemyśle, a obecnie znajdują również zastosowanie w gospodarstwach domowych. Swoją nazwę SMD (surface mounted device) zawdzięczają sposobowi mocowania, ponieważ można je przylutować do płytki drukowanej. Konstrukcja sprawia, że jest ona bardziej płaska, mniejsza, a przez to bardziej wszechstronna niż przykładowo przewodowa dioda LED. Z tego powodu taśmy LED są również wyposażone w diody LED SMD, ponieważ wiele z nich można łatwo grupować.
1. Płytka drukowana
2. Radiator
3. Warstwa luminoforu
4. Optyka
5. Chip LED
6. Przewód łączący
COB-LED
Trzecim wariantem są diody LED COB (Chip On Board), które są lutowane bezpośrednio do płytek drukowanych. Jeden lub dwa pozłacane przewody łączą połączenia chipa z płytką drukowaną. Ta dioda LED jest uważana za wydajną i nadaje się do ciasno ułożonych modułów LED. Można je znaleźć np. w lampach LED. W przeciwieństwie do przewodowych diod LED i diod LED SMD, które są już obudowane, dioda LED COB wymaga soczewki epoksydowej, która jest połączona z diodą emitującą światło. Zaleta: soczewka ta umożliwia dostosowanie kąta wiązki światła. Płytka drukowana służy również jako system chłodzenia. Zalecamy nałożenie kleju termoprzewodzącego na płytkę drukowaną, aby zabezpieczyć diodę LED i jeszcze lepiej odprowadzać ciepło.
1. Płytka drukowana, która jest również używana do chłodzenia
2. Przewód łączący
3. Soczewka epoksydowa
4. Warstwa luminoforu
5. Kryształ półprzewodnikowy
Dioda LED wysokiej mocy
Wielu producentów diod LED nazywa niektóre ze swoich produktów diodami LED dużej mocy. Zwłaszcza jeśli chodzi o generowanie bardzo jasnego światła na małym obszarze, np. w latarkach lub reflektorach. Należy jednak zauważyć, że nie ma oficjalnej definicji diody LED o dużej mocy. Dlatego też dane dotyczące lumenów, watów i amperów dla tej grupy są bardzo zróżnicowane.
Diody LED nie są przystosowane do wysokich napięć. Wartość napięcia, przy którym dioda powinna pracować, zależy również od jej koloru:
Diody IR LED mają napięcie robocze 1,2 - 1,8 V
Czerwone diody LED mają napięcie robocze od 1,6 do 2,2 V.
Zielone lub żółte diody LED mają napięcie robocze 1,9 - 2,5 V
Niebieskie lub białe diody LED mają napięcie robocze 2,7 - 3,5 V
Diody LED UV mają napięcie robocze 3,1 - 4,5 V
Dokładne wartości napięcia i prądu należy pobrać z dokumentacji technicznej diody.
Obliczanie rezystora szeregowego LED
Jeżeli przykładowo standardowa dioda LED ma być zasilana napięciem 2,2 V i prądem 20 mA przy napięciu 12 V, zarówno napięcie, jak i prąd muszą być ograniczone rezystorem szeregowym.
Rezystor powinien być tak zaprojektowany, aby napięcie 9,8 V (12 V - 2,2 V) spadało na nim, gdy płynie prąd 20 mA. Rezystancję można obliczyć zgodnie z prawem Ohma R = U : I (9,8 V : 0,02 A = 490 Ω). W zależności od rezystancji szeregowej, stosuje się rezystor o rezystancji 510 Ω lub 560 Ω.
Wybór statecznika lub sterownika LED
Jednak w przypadku bardzo jasnych diod LED o dużej mocy producenci określają konkretny prąd roboczy, a także zakres napięcia. W takim przypadku należy użyć specjalnych sterowników LED lub stateczników, które dostarczają dokładnie taki prąd.
Ważne: całkowita moc wszystkich podłączonych diod LED nie może przekraczać mocy statecznika.
Szczególną uwagę należy zwrócić na temperaturę diod LED, zwłaszcza jeśli chcesz zainstalować źródła LED o dużej mocy, ponieważ są one bardzo wrażliwe na wydzielanie nadmiernej ilości ciepła.
Jeśli dioda elektroluminescencyjna przestaje działać, rzadko jest to spowodowane bezpośrednio wadliwym kryształem półprzewodnikowym. Najczęściej jest to wynikiem nadmiernego wzrostu temperatury, który może być wywołany nadmiernym prądem roboczym lub złym przetwarzaniem. Wynikające z tego ciepło niszczy np. złożoną konstrukcję wewnątrz kryształu półprzewodnikowego.
Wydaje się to zaskakujące. W końcu każdy, kto dotknie diody elektroluminescencyjnej, zauważy bardzo niewielki rozwój ciepła. Wynika to z faktu, że technologia LED wytwarza niewiele ciepła odpadowego, ponieważ światło jest generowane przez emisję fotonów. Żarówka generuje stosunkowo dużą ilość ciepła, ponieważ światło jest wytwarzane przez ogrzewanie materiału i wypromieniowuje to ciepło.
Nawet jeśli na zewnątrz jest to ledwo zauważalne: wewnątrz diody elektroluminescencyjnej temperatura wzrasta, ponieważ niewielka ilość ciepła jest generowana jako produkt uboczny. Dzieje się tak np. wtedy, gdy przepływ prądu jest zbyt wysoki w wyniku zastosowania zbyt małego rezystora szeregowego lub nieprawidłowej struktury przełączania.
Im niższa temperatura otoczenia podczas pracy, tym lepiej dla diod LED pod względem funkcjonalności i żywotności. Zbyt wysoka temperatura otoczenia może znacznie skrócić żywotność źródła światła. W zależności od konstrukcji, istnieją różne sposoby chłodzenia. Z reguły ciepło jest odprowadzane przez inny materiał, taki jak aluminium lub ceramika. Podstawy źródeł światła LED są np. wykonane z jednego z tych dwóch materiałów. W przypadku diod LED SMD, chip tworzy jedną całość z radiatorem.
Zalety diod elektroluminescencyjnych
Efektywność ekonomiczna
Niskie zużycie energii dzięki wysokiej wydajności, tj. jaśniejsze oświetlenie przy niższym zużyciu energii. Można to rozpoznać po niskiej mocy w porównaniu do konwencjonalnych żarówek..
Długa żywotność: w zależności od materiałów półprzewodnikowych i warunków pracy, żywotność diody LED wynosi od 15 000 do 50 000 godzin.Przy pracy przez 3 godziny dziennie odpowiada to żywotności od 14 do 45 lat.
Design
Niewielka konstrukcja, co przekłada się np. na niższe koszty dostawy.
Duża elastyczność dzięki różnorodności kształtów, na przykład pasują do konwencjonalnych opraw oświetleniowych.
Dzięki różnorodności typów i kolorów oraz możliwości przyciemniania, diody LED mogą być stosowane w wielu różnych obszarach. Nie tylko w oprawach oświetleniowych, ale także jako podświetlenie wyświetlaczy LCD, jako diody podczerwieni w barierach świetlnych, w optoelektronice lub w systemach sygnalizacyjnych.
Technologia
Bezpieczeństwo dzięki niskiemu napięciu.
Odporność na wstrząsy i wibracje.
Niskie opóźnienie włączenia.
Prawie żadnych przestojów.
Praktycznie bezobsługowe przez cały czas pracy.
Zgodność z wymogami ochrony środowiska
Diody LED nie zawierają żadnych substancji toksycznych.
Diody LED charakteryzują się zatem bardzo wysokim poziomem przyjazności dla środowiska.
Wady diod LED
Efektywność ekonomiczna
Wyższe koszty nabycia
Technologia
W przypadku stosowania w pomieszczeniach o dużej wilgotności, takich jak łazienki lub kuchnie, elementy oświetlenia LED mogą korodować.
Może to spowodować awarię diody LED. Szczególnie wrażliwe są części metalowe, połączenia i podzespoły elektroniczne.
Przy zakupie należy zwrócić uwagę na standard IP diod LED, aby uniknąć korozji.
Kompatybilność środowiskowa
Niezbędne są metale ziem rzadkich.
Utylizacja w punktach zbiórki odpadów, nie w odpadach domowych.
Źródła światła w wielu lampach LED są zainstalowane na stałe. Oznacza to, że należy je całkowicie zutylizować, gdy tylko ulegną uszkodzeniu.
Termin OLED lub organiczna dioda elektroluminescencyjna jest często używany w odniesieniu do wyświetlaczy lub telewizorów. Zasadniczo dioda organiczna działa jak konwencjonalna dioda LED, z wyjątkiem tego, że między elektrodami znajduje się struktura składająca się z jednej lub więcej warstw organicznych.
Struktura chipa OLED
1. Emitowane światło
2. Przezroczysta anoda
3. Warstwa przewodząca z otworami
4. Organiczna polimerowa warstwa luminescencyjna
5. Katoda
6. Połączenie napięciowe
Po przyłożeniu napięcia nośniki ładunku w warstwie organicznej ulegają ponownej rekombinacji i emitują światło przez przezroczystą anodę.
W przeciwieństwie do wyświetlaczy LCD, które wymagają podświetlenia, ekrany z organicznymi diodami LED zapalają się automatycznie. Nieaktywne diody LED pozostają po prostu ciemne, dzięki czemu czarne obszary obrazu są doskonale wyświetlane. Brak podświetlenia oznacza również brak irytującego efektu migotania w kolorze czarnym.
Diody LED i akcesoria
Taśmy LED i akcesoria