Aby ste pochopili, čo je to LED, musíte najskôr porozumieť jej všeobecne prijatému označeniu, ktoré je v angličtine predstavované ako LED. V preklade to v doslovnom preklade znamená „vyžarovanie malých LED“. Z technického hľadiska sú to polovodičové súčiastky, ktoré premieňajú elektrický prúd na žiarenie viditeľného svetla. Tento najjednoduchší výrobok sa svojím vzhľadom a dizajnom výrazne líši od typických svetelných zariadení: žiaroviek a podobne.
História pôvodu
Zariadenie a princíp činnosti LED žiaričov je ľahšie pochopiteľný, ak sa oboznámite s pozadím ich výskytu. Prvýkrát sa tento emitujúci produkt narodil v roku 1962 v podobe monochromatickej červenej diódy. Napriek mnohým nedostatkom bola jeho výrobná technológia uznaná ako sľubná. Desať rokov po predstavení červenej vzorky sa širokej verejnosti predstavili zelené a žlté LED diódy. Kvôli nízkemu spätnému rázu sa tieto výrobky používali hlavne v domácnosti ako indikátory na predných paneloch domácich elektronických spotrebičov.
V priebehu času sa intenzita žiary niekoľkonásobne zvýšila a v 90. rokoch minulého storočia bolo možné vyrobiť vzorku so svetelným tokom rovným 1 lúmenu. V roku 1993 vytvoril japonský inžinier S. Nakamura vôbec prvú modrú diódu, ktorá sa vyznačovala zvýšenou úrovňou svietivosti. Od tohto okamihu sa ich vývojári naučili, ako získať akúkoľvek farbu vo viditeľnom spektre vrátane bielej.
Vďaka pozoruhodným vlastnostiam výrobkov LED sa časom stali vážnym konkurentom žiaroviek, ktoré sú známe mnohým.
Od roku 2005 toto odvetvie zvládlo výrobu bielych LED so svetelným tokom do 100 lm a viac. Okrem toho sa naučili, ako vyrábať svetelné prvky s rôznymi odtieňmi bielej („teplá“, „studená“ a iná žiara).
Prístroj a princíp tvorby žiarenia
Aby ste pochopili, ako LED funguje, musíte v prvom rade vziať do úvahy niekoľko bodov týkajúcich sa jej dizajnu:
- základom LED prvku je polovodičový kryštál, ktorý prechádza prúdom iba jedným smerom;
- klasické LED zariadenie predpokladá prítomnosť izolačného podkladu;
- sklenené telo diódy spoľahlivo chráni kryštál pred vonkajšími vplyvmi a je zároveň rozptyľujúcim prvkom;
- na zadnej strane puzdra sú dva kontakty, do ktorých je LED napájaná elektrickou energiou.
Na zvýšenie životnosti emitujúceho zariadenia je priestor medzi difúznou šošovkou a samotným kryštálom vyplnený priehľadnou silikónovou zmesou.
V štruktúre niektorých LED je zabezpečený špeciálny hliníkový substrát, ktorý je základňou zariadenia a zároveň z neho odvádza prebytočné teplo.
Je ľahšie pochopiť, ako funguje dióda LED, a to preskúmaním polovodičového spojenia, ktoré odborníci nazývajú spojením elektrón-diera. Jeho názov je spojený s rozdielnym charakterom hlavných nosičov v hraničnej vrstve týchto dvoch štruktúr. V jednom polovodiči je na hranici kontaktu prebytok elektrónov a v susednom materiáli sú prebytočné otvory.V procese výroby polovodičového spoja prenikajú do susednej vrstvy a vytvárajú potenciálnu bariéru, ktorá zabraňuje ich opačnému skresleniu. Hodnota dopredného napätia na LED počas jeho činnosti závisí od šírky križovatky.
Keď sa na diódu aplikuje potenciál danej polarity a hodnota generovaná zdrojom konštantného prúdu, je možné posunúť križovatku v požadovanom smere. To povedie k jeho otvoreniu a vzniku protiprúdu opačne nabitých častíc. Keď sa zrazia, v medziach prechodu sú emitované kvantá svetelnej energie - fotóny. V závislosti od rýchlosti opakovania týchto impulzov žiarenie získava určité farebné sfarbenie.
Čo určuje farbu LED
Pri výrobe LED sa používajú rôzne druhy polovodičových materiálov, ktorých výber určuje farebný odtieň, ktorý vyžarujú.
Schopnosť rozlíšiť farbu je vrodenou vlastnosťou ľudského oka a je schopná zachytiť jej gradácie s veľkou presnosťou. Je neoddeliteľne spojená s vlnovou dĺžkou kvantového žiarenia, ktorú so sebou nesú elektromagnetické vlny určitej frekvencie. V tomto prípade sa vytvárajú svetelné impulzy na hranici polovodičového spojenia LED.
Pri štúdiu vlastností rôznych polovodičov v ranom štádiu štúdia vedci identifikovali materiály, ako je fosfid gália, ako aj ternárne zlúčeniny AlGaAs a GaAsP. Pri ich použití bolo možné získať červené a žltozelené žiarenie. Dnes sa na získanie rôznych farebných kombinácií používajú zložitejšie kombinácie hliníka s indiom a gáliom (AllnGaP) alebo nitridom gália a gália (InGaN). Tieto polovodiče sú schopné odolávať významným prúdom, čo z nich umožňuje dosiahnuť vysokú svetelnú účinnosť.
Technika miešania farieb
Moderné diódové pásky a modulárne klastre LED sú schopné produkovať rôzne odtiene svetelného rozsahu. Vzhľadom na to, že jeden prechod generuje monochromatické žiarenie, je na vytvorenie viacfarebnej žiary potrebné zariadenie s viacerými čipmi. Tento komplexný produkt funguje ako počítačový monitor, na ktorom je možné získať takmer akýkoľvek odtieň (na to sa používa špeciálny modul RGB).
S využitím tohto princípu tienenia bolo možné získať bielu žiaru, ktorá sa široko používa napríklad v LED svetlometoch. Za týmto účelom boli všetky tri pôvodné alebo základné farby zmiešané v rovnakých pomeroch.
Môže sa tiež získať kombináciou diódových štruktúr ultrafialového alebo modrého žiarenia so žltým povlakom fosforového typu.
Vlastnosti výroby LED
Aby ste pochopili, ako sa LED vyrábajú, musíte sa oboznámiť s konštrukčnými vlastnosťami z hľadiska technológií použitých pri výrobe. Preto pri zvažovaní špecifík ich výroby sú v prvom rade zohľadnené tieto body:
- špecifická metóda formovania farby žiarenia (matrica alebo fosfor);
- pre koľko voltov LED sú určené a akej prúdovej hodnote odolávajú;
- ktorá technológia umožňuje získať najlepšiu kvalitu žiarenia a je lacnejšia.
Výroba čipov pomocou maticovej schémy bude výrobcu stáť viac, čo sa oplatí pri vysokej kvalite žiarenia. Medzi nevýhody fosforu patrí slabý svetelný výkon a tiež nie úplne čistá farba žiarenia. Okrem toho majú kratšiu pracovnú životnosť a je pravdepodobnejšie, že zlyhajú.
Pri výrobe jednoduchých indikačných diód s priamym napätím 2–4 Volty sa ich prechod počíta pre malé prúdy (do 50 mA). Na vytvorenie plnohodnotných osvetľovacích zariadení a mostíkových obvodov LED budú potrebné zariadenia s vysokou prúdovou rýchlosťou (do 1 A). Ak sú v jednom module diódy zapojené do sériového reťazca, celkové napätie na ich spojoch dosahuje 12 alebo dokonca 24 voltov.Pri výrobe výrobkov je plus pre každú LED označený osobitným spôsobom (na príslušnej nohe je urobený malý výčnelok).
Aplikácie a riadenie žhavenia
Vďaka rôznym úpravám sú výrobky LED široko používané v rôznych oblastiach:
- pri výrobe energeticky úsporných žiaroviek inštalovaných napríklad v typickom lustri alebo v obyčajnom nástennom svietniku;
- na použitie ako iluminátory v rozšírených miniatúrnych lampiónoch, ako aj vo väčších konštrukciách, ako sú „kempingové kempingové lampy“;
- v prípade potreby dekoratívne osvetlenie priestorov vo forme dlhých stúh s rôznymi farbami.
Ich použitie je spôsobené stupňom odolnosti zariadenia voči klimatickým faktorom, ktorý sa hodnotí podľa triedy ochrany produktu. Podľa prevedenia sa používajú iba v interiéroch alebo môžu pracovať na otvorených priestranstvách (najmä ako dekorácia na billboardy alebo LED dažde).
Úroveň svietivosti v bežnej lampe alebo lustri môžete ovládať rôznymi spôsobmi. K tomu sa najčastejšie používajú špeciálne elektronické obvody, ktoré umožňujú moduláciu amplitúdy a ďalších parametrov svetelných impulzov. Pre pohodlie práce s vybavením domácnosti je takýto modul vyrobený vo forme štandardného ovládacieho panelu.
