LED » Stručný výklad k svietivým diódam
Aktualizované 25. 5. 2022 | Čas potrebný na prečítanie: 9 minút
Skratka LED je tvorená troma písmenami: Light Emitting Diode, čo znamená dióda vyžarujúca svetlo, resp. svietivá dióda. Pôvodne sa LED alebo inak svietivé diódy používali ako optické LED kontrolky v prístrojoch alebo elektronických obvodoch a existovali len v červenej, zelenej a žltej farbe. Medzitým sa však objavili aj modré a biele LED. Okrem toho sa svietivosť LED zvýšila natoľko, že LED fungujú ako efektívne svietidlá, napríklad v LED reflektoroch alebo vo vreckových svietidlách. Preto sa s LED stretávame úplne všade, bez ohľadu na to, či ide o semafory, displeje alebo moderné LED osvetlenie súkromných a komerčných priestorov. Vďaka dlhej životnosti, malej veľkosti a rozmanitosti tvarov a farebných spektier, nahradili LED svietidlá za pomerne krátku dobu žiarovky, ako aj halogénové a úsporné žiarivky. Za každou LED sa však skrýva premyslená technika, ktorú vám nižšie priblížime.
LED patria medzi polovodičové súčiastky skupiny polovodičov III/V. To znamená, že pozostávajú z materiálov, ktoré patria do tretej a piatej skupiny v periodickej sústave prvkov. Použité polovodičové materiály tvoria diódu, ktorá umožňuje tok prúdu (I) iba v jednom smere. Pri LED tečie prúd od anódy smerom k LED čipu. Jadro LED tvorí polovodičový kryštál, ktorý je umiestnený na reflektore.
Konštrukciu svietivej diódy je možné ľahko vysvetliť na príklade LED na drôtikoch.
Konštrukcia svietivej diódy na príklade LED na drôtikoch.
(1) Polovodičový kryštál (taktiež LED čip) je srdcom LED a vytvára svetlo na základe fyzikálnych procesov.
(2) Reflektor, do ktorého je LED čip zabudovaný, zvyšuje ako energetickú účinnosť, tak aj svetelnú účinnosť.
(3) Katóda (–) je spojená s reflektorom.
(4) Cez anódu (+) tečie prúd smerom k polovodičovému kryštálu.
(5) Tenký drôtik (vodivé vlákno) spája LED čip s anódou.
(6) Plastová šošovka obklopuje konštrukciu a ovplyvňuje uhol vyžarovania a svetelnú účinnosť. V závislosti od účelu použitia je oválna, trojuholníková, vyklenutá alebo sploštená.
Symbol v schéme zapojenia (obrázok vpravo) znázorňuje tok prúdu od anódy ku katóde a vznikajúce svetelné vlny (šípky). Aby LED v obvode fungovala, musí byť zapojená so správnou polaritou. Aby bola LED použitá správne, je pripojovací drôtik anódy spravidla o niečo dlhší.
Konštrukcia LED čipu
Zelená je záporne dotovaná vrstva materiálu polovodiča (n-vrstva).
Modrá, kladne dotovaná vrstva materiálu polovodiča (p-vrstva).
Z p-vrstvy vyžarujú svetelné vlny.
Nakoniec: Pri dotovaní je polovodičový kryštál cielene „znečisťovaný“ cudzími atómami, aby sa zmenila jeho vodivosť. To vedie k prebytku elektrónov v p-vrstve a k nedostatku elektrónov (k elektrónovým dieram) v n-vrstve. To je základ procesov, ktoré vedú k vytváraniu svetla.
Ako sme už spomínali, na polovodičovom kryštáli sa nachádzajú dve vrstvy polovodičových materiálov. N-dotovaná vrstva vykazuje prebytok elektrónov, druhá, tenšia p-dotovaná vrstva disponuje príliš veľkým množstvom defektných elektrónov, nazývaných tiež elektrónové diery. Pokiaľ sa cez obe vrstvy pripojí napätie v smere priechodu LED, cestujú prebytočné elektróny smerom k p-vrstve. V takzvanej izolačnej vrstve narážajú na elektrónové diery. Následne sa elektróny začnú s elektrónovými dierami rekombinovať. Čo znamená, že sa oba nosiče náboja zjednotia. Rekombinácia tak oproti ionizácií predstavuje opačný proces.
Na rozdiel od ionizácie, ktorá energiu vyžaduje, sa pri rekombinácii energia uvoľňuje a vo forme svetelných zábleskov (fotónov) je vyžarovaná cez tenkú p-vrstvu. LED čip tieto svetelné záblesky vysiela ďalej smerom von, pričom vnútorné strany reflektora vychádzajúce svetlo zosilňujú. Tento proces pokračuje nepretržite, dokiaľ sú cez zdroj napätia privádzané voľné elektróny. Okrem svetelných zábleskov, vzniká počas rekombinácie aj malé množstvo odpadového tepla.
Nasledujúce video ešte raz veľmi názorne vysvetľuje spôsob fungovania svietivej diódy:
Das folgende Video erklärt die Funktionsweise einer Leuchtdiode noch einmal sehr anschaulich:
Farba svetla LED svietivej diódy závisí od dotovania vrstiev a od použitých materiálov polovodičov. Tieto rôzne kombinácie poukazujú na rôzne hladiny energie. Počas rekombinácie elektrónov sa uvoľňujú fotóny s rôznym množstvom energie. Tie určujú farbu svetla, resp. vlnovú dĺžku viditeľného svetla.
Tak vzniká napríklad krátkovlnné modré svetlo, pri vysokom výdaji energie a krátkovlnné červené svetlo, pri nízkom množstve energie. Medzitým boli vyvinuté početné vhodné materiálové systémy, takže svietivé diódy môžu vyžarovať takmer všetky farby monochromaticky (jednofarebne).
Na vytvorenie príslušných farieb sa často používajú nasledujúce látky:
arzenid hliníka a gália (AlGaAs): červená s vlnovou dĺžkou 650–750 nm
fosfid arzenidu gália (GaAsP): žltá s vlnovou dĺžkou 575–585 nm
fosfid gália (GaP): zelená s vlnovou dĺžkou 490–575 nm
indium gálium nitrid (InGaN): modrá s vlnovou dĺžkou 420-490 nm
Okrem uvedených farieb ako červená, zelená, žltá alebo modrá, existujú aj LED, ktoré pracujú s neviditeľným infračerveným svetlom. Tieto IR LED nájdeme v diaľkových ovládačoch televízorov, DVD prehrávačov alebo v satelitných prijímačoch. Ale aj na druhom konci viditeľného spektra existujú LED, ktoré pracujú v UV rozsahu. IR a UV LED sa čiastočne používajú taktiež pri svetelných závorách, aby sa rušenie viditeľným svetlom obmedzilo na minimum.
Tip z praxe: Kontrola funkčnosti IR diaľkových ovládačov
Ak diaľkový ovládač televízora nefunguje napriek tomu, že sú v ňom vložené nové batérie, môžete ľahko skontrolovať, či IR LED v diaľkovom ovládači vysiela svetelné signály. Na to je potrebné stlačiť iba jedno tlačidlo na diaľkovom ovládači a sledovať pritom IR LED. Vzhľadom k tomu, že ľudské oko nedokáže rozpoznať infračervené svetelné signály, použije sa navyše kamera chytrého telefónu. Kamery spravidla fungujú nielen pri svetle vo viditeľnom frekvenčnom rozsahu. Väčšinou dokážu rozpoznávať aj svetlo v IR obore, takže sú svetelné signály IR LED na displeji chytrého telefónu dobre viditeľné. Za účelom otestovania je možné kamerou chytrého telefónu jednoducho naskenovať fungujúci diaľkový ovládač.
Vznik bieleho LED svetla
Najmä za účelom osvetlenia je potrebné vytvárať biele svetlo. Na dosiahnutie tohto cieľa sa používajú dva rôzne postupy:
Aditívne skladanie farieb
Podobne ako hranol rozkladá biele svetlo na jeho jednotlivé spektrálne farby, je možné tento proces využiť aj v opačnom smere. K tomu sa kombinujú rôznofarebné LED. Vďaka prekrývaniu troch primárnych farieb, červenej, modrej a zelenej, vzniká biele svetlo. Červená a zelená tvorí žltú farbu, z modrej a červenej je magenta a kombinácia zelenej a modrej dáva zase cyan.
Vo vnútri viacfarebnej svietivej diódy sa teda nachádzajú tri polovodičové kryštály, z ktorých každý vytvára vždy jednu z troch primárnych farieb. Tieto LED sú označované aj ako RGB LED. RGB LED nájdeme na LED páskach s funkciou striedania farieb. S použitím rôzne intenzívne svietiacich primárnych farieb je možné vytvoriť takmer neobmedzenú rozmanitosť farieb.
Luminiscencia
Modrá svietivá dióda je vo vnútri potiahnutá tenkou fosforovou vrstvičkou. Časť modrých svetelných vĺn, bohatých na energiu, prinúti fosfor k žiareniu, takže je vyžarované žlté svetlo, ktoré má nižšiu energiu. Vplyvom skladania žltého a modrého svetla vzniká pre ľudské oko biele svetlo.
Konštrukcia LED čipu s luminiscenčnou technikou:
1. Polovodičový kryštál
2. Žlté fosforové svetlo
3. Biele svetlo
4. Konverzná vrstva
5. Modré svetlo
V závislosti na fosforovej vrstve bielej svietivej diódy vzniká svetlo viac alebo menej silného žltého tónu (teple biele svetlo).
Výsledkom kombinácie s modrými svetelnými vlnami je žltkasté alebo modrasté svetlo, ktoré pôsobí teplejšie alebo studenejšie. Táto „farebnosť“ bieleho svetla sa udáva v kelvinoch ako farebná teplota.
RGB LED sú čiastočne doplnené ešte bielymi LED, čím vznikajú RGBW LED, ktoré vedľa farebného svetla vydávajú ešte aj biele svetlo.
Pretože sa LED používajú v mnohých oblastiach, sú potrebné rôzne konštrukčné tvary LED. K štandardu momentálne patrí LED na drôtikoch, SMD LED a COB LED.
LED na drôtikoch
Svietivá dióda na drôtikoch bola prvým konštrukčným tvarom na trhu. Ľahko sa spájkuje aj menej skúseným technikom. Nájdeme ju napríklad v spínačoch elektrospotrebičov.
SMD-LED
V priemysle často nájdeme SMD LED, ktoré medzitým prenikli už aj do súkromných domácností. Označenia SMD (Surface Mounted Device) získali podľa spôsobu ich upevnenia, pretože je ich možné spájkovať na dosku. Majú plochý, menší a teda všestrannejší konštrukčný tvar, než napríklad LED na drôtikoch. Preto sú taktiež LED pásky vybavené SMD LED, lebo je tak možné veľký počet LED tohto konštrukčného tvaru ľahko zoskupovať.
1. Doska
2. Chladiace teleso
3. Fosforová vrstva
4. Optika
5. LED čip
6. Vodivé vlákno
COB-LED
Tretím variantom je COB LED (Chip On Board), ktorú je možné letovať priamo na podložku tlačeného obvodu. Prípojky čipu pritom spája s podložkou tlačeného obvodu jeden alebo dva zlaté drôtiky. Táto LED je vnímaná ako výkonná a hodí sa na plne obsadené LED moduly. Tie sa nachádzajú napríklad v LED žiarivkách. Na rozdiel od LED na drôtikoch a od SMD LED, ktoré už sú zaliate, sa u COB LED musí epoxidová šošovka na svietivú diódu nalepiť. Výhody: Touto šošovkou je možné flexibilne nastaviť uhol vyžarovania svetla. Okrem toho, doska zároveň zaisťuje chladenie. Odporúčame vám, aby ste na dosku naniesli teplo-vodivé lepidlo, ktorým svietivú diódu upevníte a ešte lepšie tak teplo odvediete.
1. Doska, ktorá slúži taktiež na chladenie
2. Vodivé vlákno
3. Epoxidová šošovka
4. Fosforová vrstva
5. Polovodičový kryštál
HighPower LED
Mnohí výrobcovia LED nazývajú niektoré zo svojich produktov ako High Power LED. Práve keď ide o to, ako vytvoriť jasné svetlo na malej ploche, napríklad na vreckových svietidlách alebo reflektoroch. Treba mať však pritom na pamäti to, že nejde o oficiálnu definíciu High Power LED. Počty lúmenov, wattov a ampérov sa u tejto skupiny silne líšia.
LED nie sú dimenzované na vysoké napätie. To, s akým napätím musí byť dióda prevádzkovaná, závisí od farby.
IR LED majú prevádzkové napätie 1,2–1,8 V
Červené LED majú prevádzkové napätie 1,6–2,2 V
Zelené a žlté LED majú prevádzkové napätie 1,9–2,5 V
Modré alebo biele LED majú prevádzkové napätie 2,7–3,5 V
UV LED majú prevádzkové napätie 3,1–4,5 V
Presné hodnoty napätia, rovnako ako prúd, musia zodpovedať technickej dokumentácii diódy.
Výpočet predradného odporu LED
Pokiaľ má byť napríklad štandardná LED na drôtikoch s 2,2 V a 20 mA prevádzkovaná na 12 V, musí byť predradným odporom obmedzené ako napätie, tak aj prúd.
Pritom by mal byť odpor dimenzovaný tak, aby na ňom napätie pokleslo na 9,8 V (12 V – 2,2 V), pokiaľ preteká prúd 20 mA. Odpor je možné vypočítať aj podľa Ohmov-ho zákona R = U : I (9,8 V : 0,02 A = 490 Ω). Podľa odporovej rady sa potom v praxi používa odpor 510 Ω alebo 560 Ω.
Voľba predradníka alebo LED kontrolóry
Pri super-svietivých vysokovýkonných LED však výrobcovia udávajú nielen rozsah napätia, ale aj konkrétny prevádzkový prúd. V tomto prípade sa musia použiť špeciálne LED kontrolóry alebo predradníky, ktoré dodávajú presne tento prúd.
Dôležité je: Celkový výkon všetkých pripojených LED nesmie prekročiť výkon predradníka.
Pri LED je potrebné venovať zvláštnu pozornosť teplote, najmä ak sami nechcete montovať žiadne intenzívne, výkonné svietivé diódy, pretože LED reagujú veľmi citlivo na príliš veľké vyvíjanie tepla.
Pokiaľ už svietivá dióda nefunguje, zriedka je príčina v chybnom polovodičovom kryštáli. Oveľa častejším dôvodom býva problém v príliš vysokom vyvíjaní tepla, ktoré môže nastať v dôsledku príliš veľkého prevádzkového prúdu alebo chybného spracovania. Vznikajúce teplo dokáže napríklad zničiť celú komplexnú konštrukciu vo vnútri polovodičového kryštálu.
Zdá sa to ťažko uveriteľné. Pokiaľ sa totiž dotkneme svietivej diódy, pocítime len malé množstvo tepla. Dôvod je ten, že LED technika produkuje málo odpadového tepla, pretože svetlo vzniká vyžarovaním fotónov. Naproti tomu žiarovka produkuje oveľa viac tepla, pretože pri nej vzniká svetlo zahrievaním materiálu a teplo vyžaruje.
Ale aj keď navonok sotva niečo zaznamenáte: Vo vnútri svietivej diódy stúpa teplota, pretože tu vzniká malé množstvo tepla ako vedľajší produkt. To sa deje napríklad prostredníctvom príliš vysokého prietoku prúdu v dôsledku príliš malého predradného odporu alebo chybného zostavenia obvodu.
Čím chladnejšie je počas prevádzky jej okolie, tým lepšie je na tom LED, pokiaľ ide o jej fungovanie a životnosť. Príliš vysoká teplota v okolí môže výrazne skrátiť životnosť svietidla. V závislosti na konštrukčnom tvare, sú na chladenie k dispozícii rôzne prostriedky. Teplo je spravidla odvádzané iným materiálom, ako je hliník alebo keramika. Napríklad sokle LED svietidiel tak bývajú vyrobené z jedného z uvedených materiálov. V prípade SMD LED tvorí čip jednotku s chladiacim telesom.
Výhody svietivých diód
Hospodárnosť
Nízka spotreba energie vďaka vysokému stupňu účinnosti, teda jasné osvetlenie pri nízkej spotrebe energie. To sa pozná podľa nízkeho počtu wattov v porovnaní s bežnými žiarovkami.
Dlhá životnosť: V závislosti na materiáloch polovodičov a prevádzkových podmienkach vydrží LED spravidla medzi 15 000 a 50 000 hodinami.
To zodpovedá dobe prevádzky 3 hodiny denne po dobu 14 až 45 rokov.
Design
Malý konštrukčný tvar, ktorý napríklad znižuje náklady na dodanie.
Veľká flexibilita a rozmanitosť tvarov – hodí sa napríklad do bežných svietidiel.
Vďaka veľkej rozmanitosti typov a farieb a taktiež vďaka stmievateľnosti je možné svietivé diódy využiť v najrôznejších oblastiach. Nielen vo svietidlách, ale aj ako podsvietenie LCD displejov, ako infračervené LED vo svetelných závorách, v optoelektronike alebo v signalizačných zariadeniach.
Technika
Bezpečnosť vďaka nízkemu napätiu.
Odolnosť voči nárazom a vibráciám.
Malé oneskorenie zapnutia.
Takmer žiadne výpadky.
Prakticky bezúdržbové po celú dobu používania.
Ekologická nezávadnosť
LED neobsahujú žiadne toxické látky.
Vďaka tomu sa vyznačujú veľmi vysokou znášanlivosťou v životnom prostredí.
Nevýhody svietivých diód
Hospodárnosť
Vyššie obstarávacie náklady
Technika
Pri použití v miestnostiach, kde vzniká viac vlhkosti, napríklad v kúpeľni alebo v kuchyni, môžu súčiastky LED svietidiel korodovať.
LED potom môžu mať výpadok. Práve kovové časti, prípojky a elektronické súčiastky sú veľmi citlivé.
Pri nákupe venujte pozornosť IP triede LED, aby ste sa vyhli korózii.
Ekologická nezávadnosť
LED sa nezaobídu bez kovov vzácnych zemín.
Likvidácia iba ako triedený odpad, nesmie sa odhadzovať do domového odpadu.
V mnohých LED svietidlách sú LED pevne zabudované. To znamená, že sa musia kompletne zlikvidovať, pokiaľ je svietidlo defektné.
V spojení s displejmi alebo televízormi stále častejšie počúvame pojem OLED alebo organické svietivé diódy. Organická LED pracuje v zásade rovnako ako bežná LED, ale medzi elektródami sa nachádza štruktúra tvorená jedným alebo viacerými organickými filmami.
Konštrukcia OLED čipu
1. Vyžarované svetlo
2. Transparentná anóda
3. Priestupná vodivá vrstva
4. Organická polymérová svietivá vrstva
5. Katóda
6. Pripojenie k napätiu
Pri pripojení napätia sa nosiče napätia v organickej vrstve rekombinujú a pritom prostredníctvom anódy vydávajú svetlo.
Na rozdiel od LCD displejov, ktoré nutne potrebujú podsvietenie displeja, svietia displeje s organickými LED samočinne. Pokiaľ nie sú LED aktivované, jednoducho zostanú tmavé, takže je možné čierne oblasti obrázku výborne zobraziť. Pretože podsvietenie displeja nie je k dispozícii, pri čiernej farbe nedochádza ani k rušivému presväcovaniu.