Diody LED szybko zastępują żarówki w niemal wszystkich dziedzinach, w których ich pozycja wydawała się niezachwiana. Przewagi konkurencyjne elementów półprzewodnikowych były przekonujące: niski koszt, długa żywotność i, co najważniejsze, wyższa wydajność. Podczas gdy sprawność lamp wynosiła mniej niż 5%, niektórzy producenci diod LED twierdzą, że zamieniają one na światło co najmniej 60% zużywanej energii elektrycznej. Prawdziwość tych stwierdzeń pozostaje na sumieniu marketingowców, ale szybki rozwój właściwości użytkowych elementów półprzewodnikowych nie budzi niczyich wątpliwości.
Zawartość
Co to jest dioda LED i jak działa?
Dioda LED (dioda świecąca, LED) to konwencjonalna dioda półprzewodnikowawykonane z kryształów:
- arsenek galu, fosforek indu lub selenek cynku - na emitery promieniowania optycznego;
- Azotek galu - do urządzeń w zakresie ultrafioletu;
- siarczku ołowiu - dla pierwiastków emitujących w zakresie podczerwieni.
Materiały te zostały wybrane, ponieważ złącze p-n wykonanych z nich diod emituje światło po przyłożeniu napięcia stałego. Konwencjonalne diody krzemowe lub germanowe mają niewielką emisję lub nie mają jej wcale.
Emisja diod LED nie wynika ze stopnia nagrzania elementu półprzewodnikowego; jest spowodowana przejściem elektronów z jednego poziomu energetycznego na drugi podczas rekombinacji nośników ładunku (elektronów i dziur). Uzyskane w ten sposób światło jest monochromatyczne.
Cechą tego promieniowania jest bardzo wąskie widmo, dlatego trudno jest wyizolować pożądaną barwę za pomocą filtrów światła. A niektóre kolory (biały, niebieski) są nieosiągalne przy tej zasadzie produkcji. Dlatego obecnie dominuje technologia, w której zewnętrzna powierzchnia diody LED jest pokryta luminoforem, a jej świecenie jest inicjowane przez promieniowanie złącza p-n (które może być widzialne lub leżeć w zakresie UV).
Budowa diody LED
Dioda LED została pierwotnie zaprojektowana w taki sam sposób jak zwykła dioda - złącze p-n i dwa styki. Do obserwacji blasku wystarczy ciało wykonane z przezroczystego związku lub metalu z przezroczystym oknem. Wiadomo jednak, że w obudowie urządzenia mają być wbudowane dodatkowe elementy. Na przykład, Rezystory - do włączania diody LED W obwodzie o wymaganym napięciu (12 V, 220 V) bez żadnego zewnętrznego obwodu. Albo oscylator z dzielnikiem do tworzenia migających elementów emitujących światło. Korpus jest również pokryty luminoforem, który świeci po zapaleniu złącza p-n, zwiększając w ten sposób możliwości diody LED.
Tendencja do lutowania bezołowiowego nie zatrzymała się również na diodach LED. Urządzenia SMD szybko zdobywają udział w rynku technologii oświetleniowej dzięki zaletom technologii produkcji. Produkty SMD nie są wolne od ołowiu. Złącze P-n jest zamontowane na ceramicznej podstawie, wypełnionej masą i pokrytej warstwą luminoforu. Napięcie jest podawane przez płytki stykowe.
Obecnie urządzenia oświetleniowe wyposażone są w diody LED oparte na technologii COB. Istota tej technologii polega na tym, że na jednej płytce kilka (od 2-3 do kilkuset) złączy p-n jest połączonych w matrycę. Wszystko jest umieszczane na wierzchu w pojedynczej obudowie (lub formowany jest moduł SMD) i pokrywane warstwą fosforu. Technologia ta jest bardzo obiecująca, ale jest mało prawdopodobne, aby całkowicie wyparła inne konstrukcje diod LED.
Jakie są dostępne rodzaje diod LED i gdzie są one stosowane
Diody LED o zasięgu optycznym są stosowane jako elementy wskazujące oraz jako urządzenia oświetleniowe. Każda specjalizacja ma swoje własne wymagania.
Diody sygnalizacyjne LED
Zadaniem diody sygnalizacyjnej LED jest wskazywanie stanu urządzenia (zasilanie, alarm, zadziałanie czujnika itp.). W tej dziedzinie szeroko stosowane są diody LED z żarzeniem w złączu p-n. Urządzenia z fosforem nie są zabronione, ale nie ma w nich żadnego szczególnego punktu. W tym przypadku luminancja nie ma pierwszorzędnego znaczenia. Priorytetem jest kontrast i szeroki kąt widzenia. Diody LED są stosowane na panelach urządzeń (z otworem), na płytkach - typu pin i SMD.
Oświetlenie LED
Z kolei elementy z luminoforem są stosowane głównie do oświetlania. Zapewnia to wystarczający strumień świetlny i kolory zbliżone do naturalnych. Wyjściowe diody LED z tego obszaru są praktycznie wyciśnięte przez elementy SMD. Powszechnie stosowane są diody COB LED.
Urządzenia przeznaczone do przesyłania sygnałów w zakresie optycznym lub podczerwieni można zaliczyć do osobnej kategorii. Na przykład w urządzeniach do zdalnego sterowania sprzętem gospodarstwa domowego lub urządzeniach zabezpieczających. Elementy UV mogą być stosowane w kompaktowych źródłach promieniowania UV (detektory walutowe, materiały biologiczne itp.).
Najważniejsze cechy diod LED
Jak każda dioda, diody LED mają ogólne właściwości "diodopodobne". Parametry graniczne, których przekroczenie prowadzi do awarii urządzenia:
- maksymalny dopuszczalny prąd przewodzenia;
- Maksymalne napięcie wyjściowe;
- Maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne.
Pozostałe charakterystyki są specyficzne dla "diody".
Kolor oświetlenia
Kolor światła - ten parametr charakteryzuje diody LED w zakresie optycznym. W większości przypadków oprawy są białe i mają różne kolory. temperatura światła. W przypadku lampek sygnalizacyjnych może to być dowolny z zakresów barw widzialnych.
Długość fali
Ten parametr w pewnym stopniu powiela poprzedni, ale z dwoma zastrzeżeniami:
- Urządzenia pracujące w podczerwieni i w ultrafiolecie nie mają widzialnego koloru, więc dla nich jest to jedyna cecha charakteryzująca widmo emisji;
- parametr ten ma zastosowanie raczej do diod LED z emisją bezpośrednią - elementy z luminoforami emitują w szerokim paśmie, więc ich luminescencji nie można jednoznacznie scharakteryzować za pomocą długości fali (jaka może być długość fali koloru białego?).
Dlatego długość emitowanej fali jest wielkością raczej informacyjną.
Zużycie prądu
Prąd pobierany to prąd roboczy, przy którym emitowane światło osiąga optymalną jasność. Jeśli zostanie on nieznacznie przekroczony, urządzenie nie ulegnie szybko awarii - jest to różnica w stosunku do maksymalnego dopuszczalnego poziomu. Obniżanie go jest również niepożądane - spada natężenie promieniowania.
Moc
Zużycie energii jest proste. W przypadku prądu stałego jest to po prostu iloczyn poboru prądu i przyłożonego napięcia. Producenci produktów oświetleniowych często mylą się, podając na opakowaniach dużymi liczbami moc równoważną żarówce, która ma taki sam strumień świetlny jak oprawa oświetleniowa.
Widoczny kąt bryłowy
Kąt bryłowy pozorny najprościej przedstawić jako stożek wychodzący ze środka źródła światła. Ten parametr jest równy kątowi rozwarcia tego stożka. W przypadku diod sygnalizacyjnych LED decyduje ona o tym, jak alarm będzie widoczny z boku. W przypadku opraw oświetleniowych określa ona strumień świetlny.
Maksymalne natężenie światła
Maksymalne natężenie światła jest podane w kandelach w danych technicznych urządzenia. W praktyce jednak wygodniej jest posługiwać się pojęciem strumienia świetlnego. Strumień świetlny (w lumenach) jest równy iloczynowi natężenia światła (w kandelach) i pozornego kąta bryłowego. Dwie diody LED o tym samym natężeniu światła dają różne światło pod różnym kątem. Im większy kąt, tym większy strumień świetlny. Jest to wygodniejsze przy obliczaniu systemów oświetleniowych.
Spadek napięcia
Spadek napięcia przedniego to napięcie, które pada na diodę LED, gdy jest ona otwarta. Znając ją, można obliczyć napięcie potrzebne do otwarcia np. szeregu elementów emitujących światło.
Jak sprawdzić, do jakiego napięcia znamionowego jest przystosowana dioda LED
Najłatwiejszym sposobem sprawdzenia napięcia znamionowego diody LED jest zapoznanie się z podręcznikami. Jeśli jednak zostanie znalezione nieoznakowane urządzenie nieznanego pochodzenia, można je podłączyć do regulowanego zasilacza i płynnie zwiększać napięcie od zera. Przy określonym napięciu dioda LED zacznie jasno migać. Jest to napięcie robocze ogniwa. W przypadku tego testu należy pamiętać o kilku szczegółach:
- badane urządzenie może mieć wbudowany rezystor i być przeznaczone do pracy przy odpowiednio wysokim napięciu (do 220 V) - nie każdy zasilacz ma taki zakres regulacji;
- emisja diody LED może leżeć poza spektrum widzialnym (UV lub IR) - wtedy moment zapłonu nie jest wykrywalny wizualnie (choć w niektórych przypadkach blask urządzenia IR można zobaczyć za pomocą kamery w smartfonie);
- Podłączenie elementu do źródła napięcia stałego powinno być wykonane ze ścisłym zachowaniem polaryzacji, w przeciwnym razie łatwo jest zniszczyć diodę LED napięciem odwrotnym, przekraczającym możliwości urządzenia.
Jeśli nie znasz pinu elementu, lepiej zwiększ napięcie do 3...3,5 V, jeśli dioda nie zaświeciła - odłącz napięcie, odwróć połączenie biegunów źródła i powtórz procedurę.
Jak sprawdzić polaryzację diody LED
Istnieje kilka metod określania polaryzacji styków.
- W przypadku elementów bezołowiowych (w tym COB) biegunowość napięcia zasilającego jest wskazywana bezpośrednio na obudowie - za pomocą symboli lub błysków na obudowie.
- Ponieważ dioda LED ma konwencjonalne złącze p-n, można ją badać multimetrem w trybie testu diody. Niektóre testery mają napięcie pomiarowe wystarczające do zapalenia się diody LED. Poprawność połączenia można sprawdzić wizualnie, obserwując świecenie elementu.
- Niektóre urządzenia CCCP z metalową obudową mają klucz (występ) w obszarze katody.
- Wiodąca część katody jest dłuższa. Za pomocą tej cechy można zidentyfikować tylko elementy nie lutowane. W przypadku używanych diod LED zaciski są skracane i wyginane w celu montażu w dowolny sposób.
- Na koniec można sprawdzić położenie anoda i katoda jest możliwe dzięki tej samej metodzie, która jest używana do określania napięcia diody LED. Luminescencja będzie możliwa tylko wtedy, gdy element jest prawidłowo podłączony - katoda do minusa źródła, a anoda do plusa.
Rozwój technologii nie stoi w miejscu. Jeszcze kilkadziesiąt lat temu dioda LED była drogą zabawką do eksperymentów laboratoryjnych. Obecnie trudno sobie wyobrazić życie bez niego. Co będzie dalej - czas pokaże.
