Warto przeczytać

Diody LED (light‑emitting diode), jak sama nazwa wskazuje, to przede wszystkim źródła światła. Emitują one światło dzięki zjawisku rekombinacji promienistej, czyli łączenia się elektronów z dziurami, zachodzącym na złączu p‑n. W trakcie tego zjawiska elektrony zmniejszają swoją energię, a ubytek energii jest emitowany w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Energia porcji (kwantu) tego promieniowania jest w przybliżeniu równa wartości przerwy wzbronionej $E_g$, czyli różnicy między energią elektronów z zakresu pasma przewodnictwapasmo przewodnictwapasma przewodnictwa i pasma walencyjnegopasmo walencyjnepasma walencyjnego w materiale półprzewodnikowym, z którego została wykonana dioda. O pasmowej teorii przewodnictwa możesz przeczytać w e‑materiałach: „Jak zbudowane są metale” i „Co to są półprzewodniki”. O zasadzie działania diod LED możesz przeczytać w e‑materiale „Dioda elektroluminescencyjna”.

W materiałach, z których wykonuje się diody, elektrony przechodzące z zakresu energii pasma przewodnictwa do zakresu pasma walencyjnego praktycznie całą nadwyżkę energii emitują w postaci fotonówfotonfotonów – porcji światła o energii zależnej od częstotliwości. Związek między wartością przerwy wzbronionej $E_g$ a rodzajem promieniowania można opisać wzorem:

gdzie $E_f\approx E_g$ to energia fotonu, równa w przyblizeniu energii przerwy wzbronionej, $h$ – stała Planckastała Planckastała Plancka, $f$ – częstotliwość fotonu.

Barwa obserwowanego przez nas światła zależy bezpośrednio od częstotliwości fotonów. Zatem barwa światła emitowanego przez diodę zależy od wartości $E_g$ materiału diody.

Szerokość przerwy wzbronionej jest cechą charakterystyczną materiału diody – dlatego diody z natury rzeczy emitują promieniowanie jednobarwne. Wynalezienie diody świecącej na niebiesko na początku lat dziewięćdziesiątych i dzięki temu możliwość tworzenia przez diody dowolnej barwy światła stało się początkiem kariery diod LED. Znaczne obniżenie w ostatnich latach kosztów wytwarzania źródeł światła LED, (na przykład „żarówki” LED staniały w ciągu ostatnich pięciu lat niemal dziesięciokrotnie), powoduje, że diody LED stają się dominującym źródłem światła niemal we wszystkich dziedzinach.

Światło białe ze źródeł LED uzyskuje się najczęściej na trzy sposoby:

1. W jednej obudowie umieszcza się trzy różnobarwne diody LED, które w sumie dają światło białe (Rys. 1.). Tego typu diodę nazywa się RGBdiody RGBRGB. Jeżeli do tego typu diody dołączy się sterowanie, umożliwiające regulowanie prądu płynącego przez poszczególne diody, można z niej uzyskiwać różne barwy światła.

R15ZmZ32if9rQ

Rys. 1 przedstawia schemat powstawania światła białego przy użyciu trzech diod emitujących w górę światło, od lewej: czerwone, niebieskie i zielone. Barwy po wymieszaniu dają światło białe przedstawione u góry schematu za pomocą elipsy z białym wnętrzem. Elementy schematu narysowano czarną linią ciągłą. Barwy: czerwona, niebieska i zielona obrazują światło dawane przez diody, które po nałożeniu się dają dodatkowo barwy: jasnoczerwoną i fioletową oraz jasnoniebieską i jasnozieloną - przedstawione w formie kolorowych trójkątów, których wierzchołki stykają się z elipsą na samej górze.

2. Diodę LED emitującą nadfiolet pokrywa się trójbarwnym luminoforem, który zamienia promieniowanie nadfioletowe w światło białe.

3. Diodę emitującą światło niebieskie pokrywa się luminoforem, który pobudzony światłem niebieskim, emituje światło żółte. Wymieszanie światła niebieskiego i żółtego daje w rezultacie światło białe.

Podstawowymi zaletami diod LED jest ich wydajność, trwałość – diody mogą wytrzymać do 100000 godzin pracy i wszechstronność zastosowań.

Wydajność źródeł światła opisuje wielkość nazywana skutecznością świetlną. Skuteczność świetlna, oznaczana literą $\eta$, określa całkowitą moc uzyskanego światła w stosunku do mocy prądu elektrycznego, który to światło wytwarza. Wyraża się ją wzorem:

gdzie $\Phi$ to strumień świetlnystrumień świetlnystrumień świetlny, a $P$ to moc prądu elektrycznego wykorzystywanego przez źródło wytwarzające strumień $\Phi$. Strumień świetlny jest wielkością opisującą moc emitowanego światła, a jego jednostką jest lumenlumenlumen (lm). Skuteczność świetlna jest mierzona w lumenach na wat (lm/W). Porównanie skuteczności świetlnej różnych źródeł światła pokazuje tabela:

Jak widać z tabeli, diody przewyższają znacznie w skuteczności tradycyjne źródła światła: żarówki, żarówki halogenowe, czy lampy fluorescencyjne (świetlówki). Diodom dorównują droższe w wykonaniu, lampy sodowe i metalohalogenkowe, w których światło jest emitowane w wyniku wyładowań zachodzących w parach metali. Źródła te stosuje się do oświetlenia ulic, hal sportowych i stadionów.

Istotnymi zaletami diod LED są także wszechstronne możliwości zastosowań. Źródła LED mają moc od kilku miliwatów do kilkudziesięciu watów. Są stosowane jako wszelkiego typu lampki sygnalizacyjne w różnego typu urządzeniach elektrycznych i elektronicznych. Na przykład: lampki – wskaźniki pracy urządzeń elektrycznych i elektronicznych, wskaźniki naładowania akumulatorów itp. (Rys. 2.).

ReQjjoq8hTClF

Rys. 2. przedstawia zdjęcie trzech diod (po lewej) oraz wskaźnik naładowania (po prawej). Diody świecące na zielono, żółto i czerwono widoczne są na rozmytym tle w kolorze szarożółtym. Po prawej - czarny okrąg, we wnętrzu którego po lewej znajduje się pionowy prostokąt podzielony na dziesięć poziomych prostokątów w różnych kolorach - stanowiących skalę naładowania. Od dołu: jeden prostokąt koloru czerwonego, dwa - koloru pomarańczowego i siedem - koloru zielonego. Z prawej strony skali napisy w kolorze białym : 0%, 50%, 100% oraz symbol baterii z zaznaczonymi biegunami + i - i podpisem Bettery Indicator.

Moc około kilkuset miliwatów mają diody stosowane w wyświetlaczach LED (Rys. 3.).

RnqSSSHWQ0fLo

Rys. 3 Zdjęcie przedstawia przykład wyświetlacza LED, jaki spotykamy na peronach kolejowych dworca, wyświetlający informację o bieżącym połączeniu. Wyświetlacz ma formę prostopadłościanu wykonanego z blachy (tutaj w przykładzie w kolorze granatowym), z wyświetlaczem koloru czarnego, na której informacja wyświetla się w kolorze jasnym.

Do oświetlenia pomieszczeń i ulic stosuje się diody o mocy od 1 W do kilkudziesięciu watów (Rys. 4. i 5.).

RTajD2hHcZYB6

Rys. 4 to poziomy układ trzech zdjęć żarówek LED różnego typu. Od lewej: żarówka LED w kształcie typowym dla klasycznej żarówki żarnikowej, ułożona poziomo na czarnym tle. Żarówka jest barwy białej zakończona metalowym gwintem w kolorze jasnozłotym. Środkowe zdjęcie przedstawia żarówkę w kształcie podobnym do grzyba leśnego, widzianą od strony kapelusza. Widoczne żaróweczki - żółte kółeczka na białym tle. Całość wykonana z tworzywa sztucznego barwy białej. Na zdjęciu po prawej widać 2 fragmenty taśmy LED przypominającej na pierwszy rzut oka krawiecki centymetr. Zamiast podziałki są oznaczenia techniczne.

R1SzOZbeF2ExX

Rys. 5 Zdjęcie obrazujące wykorzystanie oświetlenia LED w mieście, między innymi do podświetlania budowli. Na zdjęciu przedstawiono nocne oświetlenie świątyni BAPS. Oświetlenie podkreśla piękno budynku. Na pierwszy planie jest zbiornik wodny z dwiema figurami ptaków unoszących skrzydła. Na drugim planie podświetlone schody wiodące do świątyni oraz sylwetki ludzkie. Świątynia to wielka jasna bryła na czarnym tle, z kopułami i wieżycami Oświetlenie daje efekt jasnofioletowej poświaty.

Małe wymiary diod LED umożliwiły tworzenie nowych rodzajów źródeł światła, jak węże, sople, łańcuchy czy kurtyny świetlne.

R1DqkbG44HPb8

Rys. 6 Zdjęcie obrazujące wykorzystanie oświetlenia LED w mieście do świątecznej dekoracji ulic i budynków. Pokazano uliczkę miejską z niskimi kamienicami w porze nocnej. Pomiędzy kamienicami rozciągnięto dekoracyjne oświetlenie w postaci girland i podświetlonych kul.

Diody LED już kilkanaście lat temu zaczęły wypierać tradycyjne źródła światła w podświetlaniu ekranów LCD w telewizorach czy laptopach, co umożliwiło zmniejszenie ich grubości. Kolejnym krokiem w rozwoju technologii było zastosowanie związków organicznych do wytwarzania diod LED i powstanie technologii OLED i jej kolejnych odmian (AMOLED, Super AMOLED). Wyświetlacze wyprodukowane w technologii OLED są wyjątkowo cienkie, ponieważ nie wymagają podświetlania, gdyż diody samoistnie generują światło. Ten typ wyświetlacza najpierw rozpowszechnił się smartfonach, a następnie w ekranach telewizorów (Rys. 7. i 8.).

R1A2V52N8lsUd

Rys. 7 to poziomy układ dwóch zdjęć. Z lewej - zdjęcie trzech smartfonów - każdy ma wyświetlacz w innym kolorze - niebieskim, jasnozielonym i czerwonym. Z prawej - zdjęcie obrazujące w powiększeniu świecące elementy - na czarnym tle regularny układ małych prostokątów różnej wielkości i kolorze układających się w pionowe paski.

R1NKABD1NHiLc

Rys. 8 przedstawia zdjęcie telewizora z wyświetlaczem OLED. Na tle jasnej ściany ustawiony telewizor z wyświetlonym ekranem. Z lewej i prawej strony telewizora widać fragmenty domowego wyposażenia RTV.

W tym e‑materiale przedstawione zostały tylko niektóre z zastosowań technologii LED. Praktycznie wszędzie tam, gdzie korzysta się ze źródeł światła, można spotkać diody LED. Poza wymienionymi wcześniej zaletami tych diod można jeszcze dodać, że natychmiast po włączeniu zaczynają świecić, są dosyć odporne na częstość włączania, są odporne na wstrząsy i wpływ atmosfery, można za ich pomocą uzyskać niemal każdą barwę światła.

Słowniczek