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 Eg, czyli różnicy między energią elektronów z zakresu pasma przewodnictwapasmo przewodnictwapasma przewodnictwapasma 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 Eg a rodzajem promieniowania można opisać wzorem:

Ef=hf

gdzie EfEg to energia fotonu, równa w przyblizeniu energii przerwy wzbronionej, hstała 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 Eg 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. Dioda RGB
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.
  1. Diodę LED emitującą nadfiolet pokrywa się trójbarwnym luminoforem, który zamienia promieniowanie nadfioletowe w światło białe.

  2. 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 η, określa całkowitą moc uzyskanego światła w stosunku do mocy prądu elektrycznego, który to światło wytwarza. Wyraża się ją wzorem:

η = Φ P

gdzie Φ to strumień świetlnystrumień świetlnystrumień świetlny, a P to moc prądu elektrycznego wykorzystywanego przez źródło wytwarzające strumień Φ. 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:

Źródło światła

Skuteczność świetlna [lm/W]

Orientacyjna równowartość żarówek tradycyjnych [szt.]

Żarówka tradycyjna

5‑20

1

Lampa żarowa rtęciowa

15‑25

2

Żarówka halogenowa

20‑30

2

Rtęciówka

30‑65

4

Świetlówka energooszczędna

40‑100

6

Dioda LED

50‑300

6

Lampa metalohalogenkowa

80‑125

6

Rtęciówka halogenowa

70‑100

7

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. Przykłady diod LED stosowanych jako lampki wskaźnikowe i wskaźnik naładowania akumulatora wykorzystujacy diody LED.
Źródło: Kszapsza, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:RYG_LEDs.JPG [dostęp 13.07.2022], licencja: CC BY-SA 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/.

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

RnqSSSHWQ0fLo
Rys. 3. Przykłady wyświetlaczy LED.
Źródło: Mussklprozz, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bf-Aue-Sachs-DSA-AusschnittSchriftAufgehellt.jpg [dostęp 13.07.2022], licencja: CC BY-SA 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/.

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

RTajD2hHcZYB6
Rys. 4. Typowe żarówki LED do oświetlenia pomieszczeń. Nazwa żarówka LED to nazwa stosowana tradycyjnie mimo, że źródła LED nie emitują światła w wyniku żarzenia, tak jak tradycyjne żarówki, w których świecący drucik rozgrzewa się do temperatury około 2800°C.
Źródło: www.oswietlenieled.info, Grezur, Zátonyi Sándor, (ifj.) Fizped, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Led-lampa.jpg [dostęp 13.07.2022], https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lampa_led_smd.JPG [dostęp 13.07.2022], https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Listwowy_modu%C5%82_led.jpg [dostęp 13.07.2022], licencja: CC BY-SA 3.0. https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/deed.en.
R1SzOZbeF2ExX
Rys. 5. Zastosowanie źródeł LED do oświetlenia ulic i budowli.
Źródło: Volkan Yuksel, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:DSC09917_BAPS_Temple_-_E_view_by_Volkan_Yuksel.jpg [dostęp 13.07.2022], licencja: CC BY-SA 3.0. https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/.

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

R1DqkbG44HPb8
Rys. 6. Przykłady ozdobnego oświetlenia LED typu: wąż, łańcuch i kurtyna świetlna.
Źródło: Kim Hansen, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sct_Mathias_xmas_illumination_2010-12-14.jpg [dostęp 13.07.2022], licencja: CC BY-SA 3.0. https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/.

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. Smartfon z wyświetlaczem OLED i widok w powiększeniu układu świecących elementów.
Źródło: Matthew Rollings, 嘉傑, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Samsung_AMOLED.jpg [dostęp 31.07.2022], https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nexus_one_screen_microscope.jpg [dostęp 31.07.2022], licencja: CC BY-SA 3.0. https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en.
R1NKABD1NHiLc
Rys. 8. Telewizor z wyświetlaczem OLED
Źródło: dostępny w internecie: https://pixabay.com/pl/photos/telewizja-monitor-ekran-sypialnia-2565306/ [dostęp 13.07.2022].

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

Foton
Foton

(ang.: photon) – cząstka elementarna nieposiadająca ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o zerowej masie spoczynkowej m0=0 i liczbie spinowej s o wartości równej 1. Foton jest nośnikiem oddziaływań elektromagnetycznych, jest kwantem (porcją) energii promieniowania elektromagnetycznego, np. światła widzialnego.

(https://www.ekologia.pl/wiedza/slowniki/leksykon-ekologii-i-ochrony-srodowiska/foton)

Stała Plancka
Stała Plancka

(ang.: Planck constant) – jedna z podstawowych stałych fizycznych. Ma wymiar działania, pojawia się w większości równań mechaniki kwantowej. Historycznie stała Plancka pojawiła się w pracy Maxa Plancka na temat wyjaśnienia przyczyn tzw. katastrofy w nadfiolecie w prawie promieniowania ciała doskonale czarnego. Planck stwierdził, że energia nie może być wypromieniowywana w dowolnych ciągłych ilościach, a jedynie w postaci „paczek” (kwantów) o wartości hf, gdzie f jest częstotliwością promieniowania.

(Wikipedia)

Pasmo przewodnictwa
Pasmo przewodnictwa

(ang.: conduction band) – pasmo energetyczne określające zakres energii elektronów, przy której mogą przemieszczać się w całej objętości ciała.

Pasmo walencyjne
Pasmo walencyjne

pasmo podstawowe (ang.: vanence band) – zakres energii, jaką mają elektrony walencyjne związane z jądrem atomu.

(Wikipedia)

Strumień świetlny
Strumień świetlny

(ang.: luminous flux) – wielkość fizyczna z dziedziny fotometrii wizualnej określająca całkowitą moc światła emitowanego z danego źródła światła mogącego wywołać określone wrażenie wzrokowe.

(Wikipedia)

Lumen
Lumen

(ang.: lumen) – jednostka strumienia świetlnego określającego ilość światła emitowanego przez dane źródło światła. Oznacza to, że im więcej jest lumenów, tym więcej źródło emituje światła.

(https://www.eelektryka.com/content/6-lumen-lampa-led)

Diody RGB
Diody RGB

(ang.: RGB diodes) - specyficzne diody LED, które emitują trzy barwy światła: R (red) - czerwoną, G (green) zieloną, B (blue) - niebieską. Połączenie tych trzech barw daje barwę białą. Dobór poszczególnych barw w odpowiednich proporcjach umożliwia uzyskanie dowolnej barwy światła.

(https://wolnaenergia.eu/charakterystyka-zrodel-swiatla-led-co-to-sa-led-y)