- GaAs - arsenek galu - materiał półprzewodnikowy, przy zastosowaniu którego otrzymuje się podczerwień ;
- AlGaAs - arsenek galowo-glinowy - ten półprzewodnik pozwala na osiągnięcie blado-czerwonych kolorów i podczerwieni;
- AlGaInP - fosforek indowo-galowo-glinowy - pozwala na uzyskanie barwy pomarańczowo czerwonej ;
- GaP - fosforek galu - odpowiada za otrzymywanie szerokiej palety barw między czerwonym, żółtym i zielonym kolorem ;
- AlGaP - fosforek galowo-glinowy - główny materiał półprzewodnikowy wykorzystywany do produkcji zielonych diod LED ;
- GaN - azotek galu - ceniony półprzewodnik, którego zakres zastosowań obejmuje coraz większy wachlarz urządzeń (głównie impulsowych). W diodach LED odpowiada za barwę zieloną i niebieską ;
- InGaN - azotek galowo-indowy - GaN rozszerzony o domieszkę indu pozwolił konstruktorom przełamać barierę widzialności wysokoenergetycznych kolorów i wejść w zakres bliskiego ultafioletu (UV-A) ;
- SiC - węglik krzemu - niezwykle rzadki i ceniony w jubilerstwie sztuczny diament, który zastosowany w diodach LED pozwala osiągnąć głębokie odcienie światła niebieskiego (Royal Blue) ;
- α-Al2O3 - alfa-tritlenek-diglinu - potocznie zwany korundem, wykorzystywany w przemyśle narzędziowym (m. in. w wiertłach korundowych). Dioda na bazie korundu może świecić w szerokiej gamie odcieni niebieskiego światła ;
- ZnSe - selenek cynku - najczęściej wykorzystywany półprzewodnik w produkcji diod niebieskich .
Co też ważne - wykonanie "przerzutu" elektronów oraz wywołania ich rekombinacji w różnych typach półprzewodników wymaga dostarczenia także zmiennej energii elektrycznej do samego złącza półprzewodnikowego. Różne typy LED'ów mają więc różne wymogi dotyczące ich zasilania - w pojęciu ogólnym biorąc pod uwagę tylko ich kolory - różnych napięć.
Znajdująca się po prawej stronie tabela w sposób dobitny obrazuje zależność koloru emitowanego światła (a wraz z nim długości fali fotonów) od napięcia przyłożonego do elektrod diody.
UWAGA!!! W tym miejscu trzeba nadmienić, że podane tutaj zakresy napięć to szacunkowe zakresy napięć, w których mogą (ale nie muszą) pracować diody o wskazanych kolorach. Poszczególne modele diod od różnych producentów, w różnych rozmiarach i o różnych mocach mogą pracować na napięciach zbliżonych, odpowiadających, albo zupełnie innych. Przed podłączeniem diody warto zapoznać się z jej charakterystykami lub notami katalogowymi.
Jak widzimy w tabeli, diody LED świecące białym kolorem potrzebują niemalże największe napięcie zasilania dla prawidłowego działania. Jednakże ... Ten kolor diod nie został wyróżniony wcześniej przy okazji wspomnień o półprzewodnikach, na których bazują diody LED.
Zastanawiając się dalej - jeżeli jedno złącze emituje falę o jednej określonej długości, to w jaki sposób otrzymuje się biały kolor światła diod LED ... ? A to nie jest tak, że nie istnieje jedna konkretna długość fali odpowiadającej kolorowi białemu? Opowiemy sobie coś o tym, ale przed tym należy zapoznać się z budową gotowej diody LED!
Krok trzeci;
Budowa diod LED ...
Złącze półprzewodnikowe, które zostało wnikliwie opisane w artykule o diodach półprzewodnikowych, a w tym artykule doprecyzowane pod kątem zastosowania w diodach LED, w wyniku odpowiednich zabiegów technologicznych i po osadzeniu na odpowiednio przygotowanym korpusie, staje się już pełnoprawną diodą elektroluminescencyjną LED.
Na tym prostym (i dosyć popularnym) schemacie zaznaczone zostały najważniejsze elementy w budowie tytułowych LED'ów. Warto jednak dodać kilka słów, dla nadania tej ilustracji większego uniwersalizmu.
Obudowę diody stanowi zazwyczaj syntetyczna (epoksydowa) żywica lub rzadziej szkło. Może ona być przezroczysta lub matowa, bezbarwna (w diodach "crystal") lub zabarwiana (w diodach dyfuzyjnych). Oprócz ochrony złącza przed czynnikami zewnętrznymi pełni ona także funkcję soczewki, skupiając bądź rozpraszając emitowane przez diodę światło.
Doprowadzenie zasilania - wykonany najczęściej ze złota lub srebra drucik dyskretnie łączący ze sobą elektrody diody. Jego grubość (mniejsza od grubości włosa) jest wystarczająca, aby mógł przez niego popłynąć odpowiedni prąd a równocześnie na tyle mała, że nie ingeruje znacząco w ilość oddawanego przez diodę światła.
Odblask (odbłyśnik) to wykonana zazwyczaj ze srebra cienka warstwa, której zadaniem jest odbijanie światła padającego do wewnątrz diody. Jego zastosowanie pozwala na znaczące zwiększenie wydajności świetlnej diody.
Zaznaczony na obrazku, ledwo widoczny Chip ze złączem diody to nic innego, jak omawiane do tej pory złącze półprzewodnikowe, które jest głównym elementem wykonawczym w całokształcie elementu.
Anoda diody LED to wyprowadzenie półprzewodnika typu P, które w przewodząco spolaryzowanej diodzie podłączone jest do dodatniego bieguna zasilania.
Katoda to analogicznie biegun ujemny elementu, połączony z półprzewodnikiem typu N wchodzącym w skład złącza. Tutaj można dopowiedzieć, że biegun ten zazwyczaj (ale nie zawsze) znajduje się na większej blaszce znajdującej się wewnątrz "bańki" diody. Zlokalizowanie i poprawna interpretacja wielkości zatopionych w żywicy (bądź szkle) blaszek to pierwsza z dostępnych metod określania prawidłowej polaryzacji tegoż elementu. Blaszkę tę pieszczotliwie nazywa się kowadełkiem.
Ostatni wyróżniony element diody LED to znajdujący się u podstawy żywicznej bańki kołnierz. Kołnierz ten pełni dwie ważne role w budowie tego elementu - po pierwsze stanowi pewne ograniczenie przy montażu diody w obudowach, płytach czy panelach (uniemożliwia diodzie swobodne przejście całą objętością przez przygotowany otwór) oraz pozwala na określenie polaryzacji diody. Jak? Otóż kołnierz ten we większości diod (zdarzają się wyjątki) jest odpowiednio frezowany na płasko po stronie katody elementu.
Aby dowieść autentyczności zamieszczonych powyżej informacji przyjrzymy się z grubsza zdjęciu fizycznej diody LED z prawej strony.
Na zdjęciu widać owalną "bańkę" oraz dwie blaszki połączone bezpośrednio z właściwymi wyprowadzeniami diody. Widać też, że jedna z nich jest znacznie większa, a swoim kształtem rzeczywiście przypomina kowadło.
Co także rzuca się w oczy (i bynajmniej nie jest przypadkiem powstałym na wskutek obróbki zdjęcia), to różna długość wyprowadzeń właściwych elementu. Jest to trzecia i ostatnia wizualna wskazówka dotycząca polaryzacji diody LED - dłuższa "nóżka" nowej nielutowanej diody LED stanowi jej anodę, czyli biegun dodatni.
Półmetek!
Wróćmy jednak do kolorów...
W pewnym momencie podczas omówienia zatrzymaliśmy się na chwilę dywagując nad tym, jaka długość fali odpowiada widzialnemu kolorowi białemu. Ustaliliśmy wtedy, że żadna. Taka po prostu nie istnieje! Postęp technologiczny i wysoka kreatywność konstruktorów pozwoliła jednak na otrzymanie białego koloru światła z diod LED. Jak ... ? Istnieją aż 3 podstawowe sposoby osiągnięcia tego efektu.
1. Pierwsza z dostępnych metod otrzymywania białego światła to łączenie kolorów. Jak ogólnie wiadomo - kolor biały jest mieszaniną trzech barw podstawowych - czerwonego (R - red), zielonego (G - green) i niebieskiego (B - blue). Złożenie więc jednego źródła światła składającego się z trzech "podźródeł" o wymienionych kolorach pozwala na uzyskanie białego koloru.
Technologia taka jest stosowana na szeroką skalę. Przykładem takiego otrzymywania białego koloru są matryce wyświetlaczy wszelkiego rodzaju (co z resztą pokazano na zdjęciu poniżej - zdjęcie matrycy OLED z białym obrazem w dużym przybliżeniu optycznym), wielokolorowych kontrolkach LED czy w popularnych taśmach LED RGB.
2. Druga metoda zakłada użycie diod nadfioletowych oraz zewnętrznego specjalnego aktywnego luminoforu, który pobudzony ultrafiolem emituje barwy składowe światła białego.
Ta znacznie tańsza od poprzedniej metody posiada jednak jedną znaczącą wadę - skuteczność świetlna takiego układu jest stosunkowo niska, co dalej przekłada się na znacząco wyższy pobór mocy przy emisji tej samej ilości światła.
Prezentacja graficzna całego procesu została przedstawiona po prawej stronie na obrazku.
3. Najczęściej wykorzystywaną metodą otrzymania białego światła pozostaje stosowanie wewnętrznego żółtego luminoforu umieszczonego bezpośrednio na jednej z wewnętrznych elektrod diody (na kowadełku). Cały chip LED zatopiony jest pod luminoforem.
Chip LED emituje niebieskie światło, które miesza się z żółtym kolorem luminoforu (czyli żółtym) dając w efekcie białe światło widzialne.
Prezentacja graficzna całego procesu została przedstawiona po prawej stronie na obrazku.
Na zamieszczonej powyżej grafice przedstawione zostały diody LED SMD o różnej barwie emitowanego światła. Widoczna jest tutaj obecność żółtego luminoforu odpowiedzialnego za "przemianę" światła niebieskiego w białe w przypadku dwóch pierwszych grafik.
Po prawej stronie widnieje grafika większej diody o większej ilości wyprowadzeń. Jest to dioda RGB, czyli dioda mogąca emitować niezależnie kolor czerwony, zielony i niebieski (równocześnie lub osobno). W momencie, kiedy każdy ze znajdujących się w jej strukturze chipów zaświeci w jednym czasie, dioda wyemituje z wysoką wydajnością światło białe.
Warunki pracy;
Parametry i obwody z LED ...
Dioda LED jako element wykonawczy w obwodach elektronicznych nie służy do regulowania przepływu prądu, jego magazynowania czy ograniczania. Dioda LED ma po prostu zaświecić się. W związku z tym element ten musi zasilany być w ściśle określony sposób.
Najważniejszymi parametrami diod LED są:
- Napięcie przewodzenia - wartość napięcia, która odłożona zostaje na spolaryzowanej diodzie LED, przy której przepływ prądu odpowiada wartości prądu znamionowego. Napięcia te zostały wyszczególnione w tabeli znajdującej się przy paragrafie dot. zależności kolorów światła od zastosowanego półprzewodnika.
- Prąd znamionowy - wartość prądu, który może bezpiecznie przepłynąć przez diodę bez obawy o jej uszkodzenie. Ten parametr jest równocześnie najważniejszym parametrem LED, ponieważ jest on jedynym stałym parametrem, który nie ulega przesuwaniu i zmianom w zależności od czasu czy czynników zewnętrznych.
- Moc znamionowa - Iloczyn wartości maksymalnego prądu i znamionowego napięcia diody, który informuje o znamionowym poborze mocy samej diody LED oraz podaje skróconą wskazówkę potrzebną do doboru odpowiedniego zasilacza prądowego (jeśli takowy ma być stosowany).
- Długość fali lub temperatura barwowa - ważny parametr określający długość fali emitowanego światła, a więc jej koloru lub (w przypadku temperatury barwowej) informacja o odcieniu bieli diody emitującej białe światło.
- Strumień świetlny - wyrażany w lm (lumenach) parametr, określający, "ile światła" może oddać nam dioda LED. Zazwyczaj wyrażany jest w jednostce lm/W, czyli ilości lumenów na każdy wat mocy diody.
- Świetlistość - mniej ważny parametr, określający "ilość światła" padającą w danym kierunku.
Diody LED przez wzgląd na swoje charakterystyki prądowo-napięciowe nie są zdolne (we większości wypadków) do pracy w obwodach elektronicznych samodzielnie, bez stosowania innych elementów bądź układów elektronicznych. Prąd diody nie jest bowiem wartością stałą, którą dioda potrzebować będzie bez względu na wysokość pozostałych parametrów. Aby zabezpieczyć diodę przed próbą "wymuszenia" przepływu zbyt dużego (i szkodliwego dla niej) prądu, należy zasilać je stałoprądowo, lub włączać je do obwodu szeregowo z odpowiednią rezystancją, ograniczającą trwale przepływ prądu.
ZAKOŃCZENIE;
Krótko o rodzajach LED ...
Diody LED to bardzo obszerna grupa elementów półprzewodnikowych mocno różniących się od siebie. W zależności od przeznaczenia diody te mogą przyjmować różne kształty, wymiary, mogą pracować na różnych napięciach, z różnymi mocami etc.
Do najpopularniejszych rodzajów (odmian) diod lub układów z diodami LED zaliczamy:
- Diody LED 3mm - są to klasyczne diody LED wyglądające tak, jak dioda przedstawiona na schemacie budowy LED we wcześniejszych częściach artykułu. Średnica "bańki" tej diody wynosi 3mm (licząc nad kołnierzem). Posiada ona wyprowadzenia przeznaczone do montażu przewlekłego THT.
W tej obudowie spotkać można diody o dowolnym kolorze między ultrafioletem, przez niebieski, zielony, żółty i czerwony kończąc na podczerwieni. - Diody LED 5mm - to te same klasyczne przewlekane diody zamknięte we większej obudowie o średnicy 5mm.
Podobnie jak wcześniej - diody w tej obudowie występują we wszystkich dostępnych wariantach kolorystycznych. - Diody LED 8 i 10mm - to kolejny raz powiększone diody LED w obudowach do druku THT.
Podobnie jak wcześniej - można pośród nich wybierać z całego dostępnego wachlarza kolorów i odcieni. - Diody prostokątne - są to przewlekane diody LED, których obudowa została specjalnie wyprofilowana w kształt prostopadłościanu o podstawie prostokątnej. Stosowane są jako kontrolki lub w linijkach wskaźnikowych i wysterowania (w bargrafach).
Diody te występują w każdym dostępnym kolorze światła. - Diody LED SMD - są to elementy zamknięte w znacznie mniejszych obudowach przystosowanych do montażu powierzchniowego. Mogą przyjmować różne wymiary, posiadać zmienną różną ilość wyprowadzeń. Najpopularniejszymi z nich są diody 5050, 3528 i 2835 znajdujące zastosowanie w oświetleniu różnego rodzaju.
Diody te występują także w pełnej gamie kolorystycznej. - Diody mocy Power LED lub High Power LED - moduły diodowe, najczęściej oparte o konstrukcję COB, które pracują na znacząco większych prądach i mocach znamionowych. Oddają one znacząco wyższą większą ilość światła. Większa moc znamionowa przekłada się także na wyższą temperaturę pracy diody, przez co parametry tych diod mogą zmieniać się w trakcie pracy. Fakt ten sprawia, że diody te wymagają zasilania stałoprądowego i niekiedy dodatkowych modułów chłodzenia. Stosowane są najczęściej w naświetlaczach LED i latarkach ręcznych.
Występują we wielu wariantach kolorystycznych, jednakże najczęściej stosuje się te, oddające światło w kolorze białym. - LED COB - technologia Chip-On-Board (skrót COB) - jest to moduł, wewnątrz którego znajduje się wiele chipów LED dzielących wspólną obudowę, wspólne ramki wyprowadzeń i w przypadku białych diod - wspólny luminofor. Taka konstrukcja pozwala na uzyskanie bardziej jednolitego światła w przypadku pasków o dużej szerokości i lub długości, a także umożliwia skuteczniejszą radiację ciepła, a co za tym idzie - skuteczniejsze chłodzenie modułu. Stosowane są przede wszystkim w naświetlaczach i taśmach LED.
Istnieją kolorowe moduły LED COB, jednakże najczęściej stosowanymi LED'ami z tej grupy są te o barwie białej światła. - Diody LED RGB - moduły LED zawierające 3 podstawowe kolory (czerwony, zielony i niebieski) w jednej obudowie.
Występują zarówno w obudowach SMD jak i przewlekanych. Poszczególne kolory mogą być całkowicie niezależne lub połączone wspólną elektrodą. - Diody LED RGBA - moduły LED zawierające 3 podstawowe kolory (czerwony, zielony i niebieski) i dodatkowy kolor bursztynowy (amber) w jednej obudowie.
Występują zarówno w obudowach SMD jak i przewlekanych. Poszczególne kolory mogą być całkowicie niezależne lub połączone wspólną elektrodą. - Diody LED RGBW - moduły LED zawierające 3 podstawowe kolory (czerwony, zielony i niebieski) i dodatkowy kolor biały (white) w jednej obudowie.
Występują zarówno w obudowach SMD jak i przewlekanych. Poszczególne kolory mogą być całkowicie niezależne lub połączone wspólną elektrodą. - Elementy optoelektroniczne - szeroka grupa elementów elektronicznych bazujących na opisanych diodach LED, wykorzystywana w elektronice przy przekazywaniu sygnałów lub załączaniu mocy przy zachowaniu izolacji galwanicznej. Należą do niej m. in. transoptory, przekaźniki SSR, fotodiody i fototranzystory.
- Wyświetlacze segmentowe - elementy wielowyprowadzeniowe, w których strukturze umieszczono kilka-kilkanaście kompletnych diod LED ułożonych w taki sposób, aby odpowiednio sterowane przekazywały szereg informacji wizualnych. Najczęściej spotykanymi są wyświetlacze 7-segmentowe, które odpowiednio sterowane wyświetlają cyfry z zakresu od 0-9.
Sklep Lispol posiada szeroki wybór tychże elementów we wielu wariantach! Zapraszamy do zapoznania się z pełną ofertą elementów optoelektronicznych!
Dioda elektroluminescencyjna - częściej nazywana diodą LED (ang. Light Emitting Diode) - to prosty element elektroniczny, znajdujący zastosowanie we większości urządzeń elektronicznych.
