Aby zrozumieć, czym jest dioda LED, musisz najpierw zrozumieć jej ogólnie przyjęte oznaczenie, reprezentowane w języku angielskim jako dioda LED. W tłumaczeniu oznacza to dosłownie „emitowanie małych diod LED”. Z technicznego punktu widzenia są to urządzenia półprzewodnikowe, które przekształcają prąd elektryczny w światło widzialne. Ten najprostszy produkt swoim wyglądem i wzornictwem znacznie różni się od typowych urządzeń oświetleniowych: żarówek i tym podobnych.
Historia pochodzenia
Urządzenie i zasada działania emiterów LED są łatwiejsze do zrozumienia, jeśli zapoznasz się z tłem ich występowania. Po raz pierwszy ten emitujący produkt narodził się w 1962 roku w postaci monochromatycznej czerwonej diody. Pomimo wielu niedociągnięć, technologia jego produkcji została uznana za obiecującą. Dziesięć lat po pokazaniu czerwonej próbki, zielone i żółte diody LED zostały zaprezentowane szerokiej publiczności. Ze względu na niski odrzut, produkty te były używane głównie w domu jako wskaźniki na przednich panelach AGD.
Z biegiem czasu intensywność blasku wzrosła kilkakrotnie, aw latach 90. ubiegłego wieku można było wykonać próbkę o strumieniu świetlnym równym 1 lumenowi. W 1993 roku japoński inżynier S. Nakamura stworzył pierwszą w historii niebieską diodę, wyróżniającą się podwyższonym poziomem jasności. Od tego momentu ich twórcy nauczyli się, jak uzyskać dowolny kolor w zakresie widzialnym, w tym biały.
Dzięki niezwykłym właściwościom produktów LED z biegiem czasu stały się one poważnym konkurentem znanych wielu żarówkom.
Od 2005 roku branża opanowała produkcję białych diod LED o strumieniu świetlnym do 100 lm i więcej. Ponadto nauczyli się, jak tworzyć elementy oświetleniowe o różnych odcieniach bieli („ciepły”, „zimny” i inny blask).
Urządzenie i zasada powstawania promieniowania
Aby zrozumieć, jak działa dioda LED - przede wszystkim należy wziąć pod uwagę kilka punktów dotyczących jej konstrukcji:
- podstawą elementu LED jest kryształ półprzewodnikowy, który przepuszcza prąd tylko w jednym kierunku;
- klasyczne urządzenie LED zakłada obecność podłoża izolacyjnego;
- szklany korpus diody niezawodnie chroni kryształ przed wpływami zewnętrznymi i jest jednocześnie elementem rozpraszającym;
- Z tyłu obudowy znajdują się dwa styki, do których dioda LED jest zasilana energią elektryczną.
Aby wydłużyć żywotność urządzenia emitującego, przestrzeń pomiędzy soczewką rozpraszającą a samym kryształem jest wypełniona przezroczystym związkiem silikonowym.
W konstrukcji niektórych diod przewidziano specjalne podłoże aluminiowe, które stanowi podstawę urządzenia i jednocześnie odprowadza z niego nadmiar ciepła.
Łatwiej jest zrozumieć, jak działa dioda LED, badając złącze półprzewodnikowe, które profesjonaliści nazywają złączem elektron-dziura. Jej nazwa wiąże się z odmiennym charakterem głównych nośników w warstwie przyściennej obu struktur. W jednym półprzewodniku na granicy styku występuje nadmiar elektronów, aw sąsiednim materiale nadmiar dziur.W procesie wytwarzania złącza półprzewodnikowego wnikają one w sąsiednią warstwę, tworząc potencjalną barierę zapobiegającą ich odwrotnemu obciążeniu. Wartość napięcia przewodzenia diody LED podczas jej pracy zależy od szerokości złącza.
Po przyłożeniu do diody potencjału o danej polaryzacji i wartości generowanej przez źródło prądu stałego, możliwe jest przesunięcie złącza w żądanym kierunku. Doprowadzi to do jego otwarcia i pojawienia się przeciwprądu przeciwnie naładowanych cząstek. Kiedy się zderzają, w granicach przejścia emitowane są kwanty energii świetlnej - fotony. W zależności od częstotliwości powtarzania tych impulsów, promieniowanie nabiera określonego zabarwienia.
Co decyduje o kolorze diody LED
Do produkcji diod LED wykorzystywane są różne rodzaje materiałów półprzewodnikowych, których wybór determinuje emitowany przez nie odcień koloru.
Zdolność do rozróżniania kolorów jest wrodzoną właściwością ludzkiego oka, która potrafi z dużą dokładnością uchwycić jego gradacje. Jest to nierozerwalnie związane z długością fali promieniowania kwantowego, które niosą ze sobą fale elektromagnetyczne o określonej częstotliwości. W takim przypadku na granicy złącza półprzewodnikowego diody LED powstają impulsy świetlne.
Badając właściwości różnych półprzewodników na wczesnym etapie badań, naukowcy zidentyfikowali takie materiały, jak fosforek galu, a także związki trójskładnikowe AlGaAs i GaAsP. Przy ich użyciu można było uzyskać promieniowanie czerwone i żółto-zielone. Obecnie w celu uzyskania różnych kombinacji kolorystycznych stosuje się bardziej złożone kombinacje aluminium z indem i galem (AllnGaP) lub azotkiem indowo-galowym (InGaN). Te półprzewodniki są w stanie wytrzymać znaczne prądy, co pozwala uzyskać z nich wysoką skuteczność świetlną.
Technika mieszania kolorów
Nowoczesne taśmy diodowe i modułowe klastry LED są w stanie wytworzyć różne odcienie zakresu świetlnego. Biorąc pod uwagę, że jedno przejście generuje promieniowanie monochromatyczne, do wytworzenia wielokolorowej poświaty wymagane jest urządzenie z wieloma chipami. Ten złożony produkt działa jak monitor komputerowy, na którym można uzyskać niemal dowolny odcień (do tego służy specjalny moduł RGB).
Wykorzystując tę zasadę tworzenia cienia, udało się uzyskać białą poświatę, która jest szeroko stosowana np. w naświetlaczach LED. Aby to zrobić, wszystkie trzy oryginalne lub podstawowe kolory zostały zmieszane w równych proporcjach.
Można to również uzyskać łącząc struktury diodowe promieniowania ultrafioletowego lub niebieskiego z żółtą powłoką typu fosforowego.
Cechy produkcji LED
Aby zrozumieć, w jaki sposób powstają diody LED, należy zapoznać się z cechami konstrukcyjnymi pod kątem technologii użytych do produkcji. Dlatego rozważając specyfikę ich produkcji, brane są pod uwagę przede wszystkim następujące punkty:
- specyficzna metoda kształtowania barwy promieniowania (matryca lub luminofor);
- na ile woltowych diod LED są zaprojektowane i jaką wartość prądu wytrzymują;
- która technologia pozwala uzyskać najlepszą jakość blasku i jest tańsza.
Produkcja chipów z wykorzystaniem schematu matrycowego będzie kosztować producenta więcej, co opłaca się wysoką jakością promieniowania. Wady luminoforów to niski strumień świetlny, a także nie do końca czysta barwa promieniowania. Ponadto mają krótsze życie zawodowe i są bardziej podatne na porażkę.
Przy produkcji prostych diod wskaźnikowych o napięciu stałym 2-4 V ich przejście jest obliczane dla małych prądów (do 50 mA). Aby stworzyć pełnoprawne urządzenia oświetleniowe i obwody mostków LED, wymagane będą urządzenia o wysokim natężeniu prądu (do 1 ampera). Jeśli w jednym module diody są połączone szeregowo, łączne napięcie na ich złączach osiąga 12, a nawet 24 wolty.Przy wytwarzaniu produktów plus dla każdej diody LED jest oznaczony w specjalny sposób (na odpowiedniej nodze wykonuje się mały występ).
Aplikacje i kontrola blasku
Ze względu na różnorodność modyfikacji produkty LED znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach:
- w produkcji lamp energooszczędnych instalowanych na przykład w typowym żyrandolu lub w zwykłym kinkiecie ściennym;
- do stosowania jako oświetlacze w szeroko rozpowszechnionych miniaturowych latarkach, a także w większych konstrukcjach, takich jak „lampy kempingowe”;
- w razie potrzeby ozdobne oświetlenie pomieszczeń w postaci długich wstążek o różnych kolorach.
Ich zastosowanie wynika ze stopnia odporności urządzenia na czynniki klimatyczne, ocenianego przez klasę ochrony produktu. W zależności od projektu stosowane są wyłącznie w pomieszczeniach lub mogą pracować na otwartej przestrzeni (w szczególności jako dekoracja na billboardy lub deszcz LED).
Poziom jasności w zwykłej lampie lub żyrandolu można regulować na różne sposoby. W tym celu najczęściej stosuje się specjalne obwody elektroniczne, które pozwalają modulować amplitudę i inne parametry impulsów świetlnych. Dla wygody pracy ze sprzętem gospodarstwa domowego taki moduł jest produkowany w postaci standardowego panelu sterowania.
