Da bi razumeli, kaj je LED, morate najprej razumeti njeno splošno sprejeto oznako, ki je v angleščini predstavljena kot LED. V prevodu to dobesedno pomeni "oddajanje majhnih LED". S tehničnega vidika so to polprevodniške naprave, ki pretvarjajo električni tok v sevanje vidne svetlobe. Ta najpreprostejši izdelek se po videzu in dizajnu opazno razlikuje od standardnih svetlobnih naprav: žarnice z žarilno nitko in podobno.
Zgodovina izvora
Zasnovo in princip delovanja LED oddajnikov je lažje razumeti, če se seznanite z ozadjem njihovega nastanka. Ta oddajni izdelek se je prvič rodil leta 1962 v obliki enobarvne rdeče diode. Kljub številnim pomanjkljivostim je bila njegova proizvodna tehnologija priznana kot obetavna. Desetletje po predstavitvi rdečega vzorca so širši javnosti predstavili zelene in rumene LED. Zaradi nizke moči so se ti izdelki večinoma uporabljali doma kot indikatorji na sprednjih ploščah gospodinjskih elektronskih naprav.
Sčasoma se je intenzivnost sijaja večkrat povečala in v 90. letih prejšnjega stoletja je bilo mogoče narediti vzorec s svetlobnim tokom, ki je enak 1 lumnu. Leta 1993 je japonski inženir S. Nakamura ustvaril prvo modro diodo v zgodovini, za katero je značilna povečana stopnja svetilnosti. Od tega trenutka so se njihovi razvijalci naučili proizvajati katero koli barvo v vidnem spektru, vključno z belo.
Zaradi izjemnih lastnosti LED izdelkov so sčasoma postali resna konkurenca mnogim znanim žarnicam z žarilno nitko.
Od leta 2005 je industrija obvladala proizvodnjo belih LED s svetlobnim tokom do 100 lm ali več. Poleg tega smo se naučili izdelati svetlobne elemente z različnimi odtenki bele (»topli«, »hladni« in drugi siji).
Zasnova in princip generiranja sevanja
Da bi razumeli, kako deluje LED, morate najprej upoštevati številne točke v zvezi z njegovo zasnovo:
- osnova LED elementa je polprevodniški kristal, ki prehaja tok samo v eno smer;
- klasična zasnova LED predvideva prisotnost izolacijskega substrata;
- stekleno telo diode zanesljivo ščiti kristal pred zunanjimi vplivi in hkrati služi kot disipativni element;
- Na zadnji strani ohišja sta dva kontakta, na katera se LED napaja z električno energijo.
Za podaljšanje odzivne življenjske dobe oddajne naprave je prostor med razpršilno lečo in samim kristalom napolnjen s prozorno silikonsko zmesjo.
Struktura nekaterih LED diod vključuje posebno aluminijasto podlago, ki služi kot osnova naprave in hkrati odvaja odvečno toploto iz nje.
Načelo delovanja LED je lažje razumeti s pregledom polprevodniškega spoja, ki ga strokovnjaki imenujejo spoj elektronov in lukenj. Njegovo ime je povezano z različno naravo glavnih nosilcev v mejni plasti obeh struktur. V enem polprevodniku je na kontaktni meji presežek elektronov, v materialu, ki meji nanj, pa je presežek lukenj. Med proizvodnim postopkom polprevodniškega spoja prodrejo v sosednjo plast in tvorijo potencialno oviro, ki jim preprečuje obratno prednapetost. Velikost prednje napetosti na LED med njenim delovanjem je odvisna od širine prehoda.
Ko se na diodo uporabi potencial dane polarnosti in velikosti, ki ga ustvari vir enosmernega toka, je možno spoj premakniti v želeno smer. To bo povzročilo njegovo odprtje in pojav nasprotnega toka nasprotno nabitih delcev. Ob trčenju znotraj meja prehoda se oddajajo kvanti svetlobne energije – fotoni. Glede na hitrost ponavljanja teh impulzov sevanje pridobi določeno barvo.
Kaj določa barvo LED?
Pri izdelavi LED diod se uporabljajo različni tipi polprevodniških materialov, od katerih je odvisna barvna niansa, ki jo oddajajo.
Sposobnost razlikovanja barv je prirojena lastnost človeškega očesa, ki je sposobno z veliko natančnostjo zajeti njihove gradacije. Neločljivo je povezan z valovno dolžino kvantnega sevanja, ki ga prenašajo elektromagnetni valovi določene frekvence. V tem primeru nastanejo svetlobni impulzi na meji polprevodniškega spoja LED.
Pri proučevanju lastnosti različnih polprevodnikov v zgodnji fazi študija so znanstveniki identificirali materiale, kot so galijev fosfid, ter ternarne spojine AlGaAs in GaAsP. Z njihovo uporabo je bilo mogoče dobiti rdeče in rumeno-zeleno sevanje. Danes se za pridobivanje različnih barvnih kombinacij uporabljajo kompleksnejše kombinacije aluminija z indijem in galijem (AllnGaP) ali indijev galijev nitrid (InGaN). Ti polprevodniki so sposobni prenesti znatne tokove, kar jim omogoča visoko svetlobno učinkovitost.
Tehnika mešanja barv
Sodobni diodni trakovi in LED modularni grozdi so sposobni proizvajati različne odtenke svetlobnega spektra. Ob upoštevanju dejstva, da en prehod proizvaja enobarvno sevanje, bo za ustvarjanje večbarvnega sijaja potrebna večkristalna naprava. Ta kompleksen izdelek deluje kot računalniški monitor, na katerem je mogoče dobiti skoraj vse odtenke (za to se uporablja poseben RGB modul).
S tem principom oblikovanja senčil je bilo mogoče dobiti bel sijaj, ki se pogosto uporablja na primer v LED reflektorjih. Da bi to naredili, so bile vse tri prvotne ali osnovne barve mešane v enakih razmerjih.
Lahko ga dobimo tudi s kombiniranjem diodnih struktur ultravijoličnega ali modrega sevanja z rumeno fosforno prevleko.
Značilnosti izdelave LED
Da bi razumeli, kako so izdelane LED diode, se morate seznaniti s strukturnimi značilnostmi v smislu tehnologij, ki se uporabljajo v proizvodnji. Zato se pri upoštevanju posebnosti njihove proizvodnje upoštevajo predvsem naslednje točke:
- posebna metoda oblikovanja barve sevanja (matrika ali fosfor);
- za koliko voltov so zasnovane LED diode in kakšen tok lahko prenesejo;
- Katera tehnologija vam omogoča najboljšo kakovost sijaja in je cenejša.
Izdelava čipov z uporabo matrične sheme bo proizvajalca stala več, kar se izplača z visokokakovostnim sevanjem. Slabosti fosforjev vključujejo nizko svetlobno moč, pa tudi ne povsem čisto emisijsko barvo. Poleg tega imajo krajšo življenjsko dobo in pogosteje odpovedujejo.
Pri izdelavi preprostih indikatorskih diod s prednjo napetostjo 2-4 V se njihov prehod izračuna za majhne tokove (do 50 mA). Za ustvarjanje polnopravnih svetlobnih naprav in mostičnih vezij LED boste potrebovali naprave z visokimi tokovnimi vrednostmi (do 1 ampera). Če so diode v enem modulu povezane v zaporedno verigo, skupna napetost na njihovih stičiščih doseže 12 ali celo 24 voltov. Pri izdelavi izdelkov je plus vsake LED označen na poseben način (na ustrezni nogi je narejena majhna štrlina).
Uporaba in nadzor luminiscence
Zaradi različnih modifikacij se LED izdelki pogosto uporabljajo na različnih področjih:
- pri izdelavi energetsko varčnih svetilk, nameščenih na primer v standardnem lestencu ali v običajni stenski svetilnik;
- za uporabo kot osvetljevalci v široko uporabljenih miniaturnih svetilkah, kot tudi v večjih oblikah, kot so "lučke za kampiranje";
- po potrebi dekorativna osvetlitev prostorov v obliki dolgih trakov različnih barv.
Njihovo uporabo določa stopnja odpornosti naprave na podnebne dejavnike, ocenjena z zaščitnim razredom izdelka. Odvisno od zasnove se uporabljajo samo v zaprtih prostorih ali pa lahko delujejo v odprtih prostorih (zlasti zasnova reklamnih panojev ali LED dežja).
Stopnjo svetilnosti v navadni svetilki ali lestencu lahko nadzirate na različne načine. V ta namen se najpogosteje uporabljajo posebna elektronska vezja za modulacijo amplitude in drugih parametrov svetlobnih impulzov. Za udobje dela z gospodinjsko opremo je tak modul izdelan v obliki standardne nadzorne plošče.
