LED

Vzhled přesunout do postranního panelu skrýt Schematická značka elektroluminiscenční diodyLED různých barev dostupné kolem roku 1985

LED (zkratka z anglického Light-Emitting Diode, česky elektroluminiscenční dioda, též světelná dioda, svítivá dioda, slangově ledka, ojediněle svítivka) je v elektrotechnice označení pro diodu, která emituje světlo, případně infračervené nebo ultrafialové záření, čímž se liší od standardní diody. Díky snížení ceny a vyšší účinnosti převodu elektrické energie na světlo jsou LED po roce 2020 využívány jako náhrada žárovek a zářivek v domácnostech, autech i v průmyslu.

Princip funkce

Prochází-li PN přechodem světelné diody elektrický proud v propustném směru, přecházejí volné elektrony z části typu N (s přebytkem volných elektronů) do části typu P (s nedostatkem volných elektronů, s tzv. dírami). Když excitovaný volný elektron z části N zapadne do orbity atomu v polovodiči typu P, dostane se na nižší energetickou hladinu. Přebytečná energie je v podobě vlnění vyzářena mimo materiál (různými druhy záření, např. viditelné světlo, infračervené nebo ultrafialové záření). Při vhodné volbě příměsí v polovodičovém materiálu je v LED na odhaleném PN přechodu přebytečná energie vyzářena ve viditelném spektru jako nekoherentní světlo s úzkým spektrem (úzký vlnový rozsah).

Pásmo spektra záření diody je závislé na chemických příměsích použitého polovodiče. LED jsou vyráběny s pásmy vyzařování od ultrafialových, přes různé barvy viditelného spektra, až po infračervené pásmo. Poměrně dlouho trval vývoj modré LED, která umožnila vznik moderních velkoplošných barevných obrazovek, a v té souvislosti i bílé vysocesvítivé LED, které se používají hlavně jako zdroje světla v různých svítilnách a světlometech a dále k podsvícení displejů z tekutých krystalů.

Z principu funkce LED vyplývá, že nelze přímo emitovat bílé světlo – starší bíle zářící diody většinou obsahují trojici čipů vybíraných tak, aby bylo aditivním míšením v rozptylném materiálu vrchlíku obalu diody dosaženo vjemu bílého světla.

Protože není možné přímo emitovat bílé světlo, novější bílé LED využívají luminoforu. Některé průhledné LED emitují modré světlo, část tohoto světla je přímo na polovodiči luminoforem transformována na žluté světlo a díky mísení těchto barev vzniká bílá. Jiné typy bílých LED emitují ultrafialové záření, to je přímo na čipu luminoforem transformováno na bílé světlo.

Se zkracující se vlnovou délkou emitovaného světla roste velikost napětí v propustném směru (obvykle označované UF). U křemíkové diody je toto napětí asi 0,6 V, u zelené LED z GaP 1,7 V a u modré z SiC již 2,5 V.

Základní monokrystaly diod bývají překryty kulovými vrchlíky z epoxidové pryskyřice nebo akrylového polyesteru. Materiály, z nichž se LED vyrábějí, totiž mají poměrně vysoký index lomu a velká část vyzařovaného světla by se odrážela totálním odrazem zpět na rovinném rozhraní se vzduchem.

Oproti jiným elektrickým zdrojům světla (žárovka, výbojka, doutnavka) mají LED tu výhodu, že pracují s poměrně malými hodnotami proudu a napětí. Z toho vyplývá jejich užití v displejích (ve tvaru cifer a písmen). Kombinací LED základních barev (červená, zelená, modrá) je možno vyrobit barevné obrazovky (OLED).

Konstrukčně představují LED součástku, v níž je kontaktovaný čip (nebo kombinace čipů) zastříknut materiálem s požadovanými optickými vlastnostmi (LED se vyrábějí v bodovém či rozptylném provedení, s různým vyzařovacím úhlem). Kontakty mohou být v provedení pro povrchovou montáž (SMD) nebo ve tvaru ohebných či poddajných přívodů. Sestavy více čipů LED v jednom pouzdře mohou mít samostatně vyvedeny kontakty na každý čip, společnou anodu či katodu, či antiparalelně, anebo mohou mít na čipu řídící elektroniku (např. LED měnící barvy či blikající).

Historie a vývoj

Elektroluminiscenční diody Tesla LQ-100 – první LED vyráběné v Československu ve druhé polovině 70. let.

Elektroluminiscenci polovodičového materiálu pozoroval v roce 1907 Henry Joseph, ovšem ke komerční výrobě LED byla ještě dlouhá cesta. První praktickou LED s viditelným spektrem vyvinul v roce 1962 Nick Holonyak Jr. (narozen 1928) na Univerzitě Illinois v Urbana Champaign. První použitelné LED se objevily na trhu v roce 1968, 70. letech 20. století začala výroba žlutých, oranžových a zelených LED. Po roce 1992 výroba modrých a bílých LED.

Elektrické vlastnosti LED

Graf typické voltampérové charakteristiky elektroluminiscenční diody. Vodorovná osa U znázorňuje výši napětí, svislá osa I výši proudu. Kladná část grafu zobrazuje chování diody v propustném směru, záporná část grafu její chování v závěrném směru.

Závislost proudu na napětí (voltampérová charakteristika) má podobný průběh jako běžná polovodičová dioda. Liší se pouze hodnotami hraničních napětí v propustném a závěrném směru.

Zvyšujeme-li od nuly napětí na diodě v propustném směru (tj. kladný pól zdroje je připojen na anodu a záporný pól zdroje na katodu diody), zpočátku LED neprochází téměř žádný proud - chová se, jako by byla nevodivá. Od určité výše přiloženého napětí dojde k zlomu - dioda se začne otevírat a na další drobné zvyšování napětí reaguje prudkým nárůstem procházejícího proudu. Proud vzhledem k napětí roste přibližně exponenciálně. Tehdy se dioda začíná také rozsvěcet. Zvyšujeme-li dále napětí, dioda zvyšuje svůj jas, až dosáhne svého maxima. Závislost svítivosti LED na proudu je v této oblasti přibližně lineární, tj. např. při dvojnásobném zvýšení proudu dojde ke zhruba dvojnásobnému zvýšení intenzity světla vydávaného diodou. Při dalším zvyšování proudu nad povolenou mez může dojít k tepelnému přetížení polovodičového přechodu a poruše diody.

Připojíme-li LED na zdroj napětí v závěrném směru (tj. kladný pól zdroje je připojen na katodu a záporný pól na anodu), při jeho zvyšování od nuly diodou neprochází žádný proud. Chová se nevodivě. Při určité výši napětí v závěrném směru dojde k průrazu - diodou začne náhle procházet velký proud. Tento průraz bývá ve většině případů destruktivní - polovodičový přechod je zkratován a dioda je trvale poškozena. Průrazné napětí v závěrném směru je u elektroluminiscenční diody oproti usměrňovacím diodám velmi nízké - v řádu jednotek voltů. Při připojení napětí v závěrném směru LED nikdy nesvítí.

Vzhledem ke tvaru voltampérové charakteristiky se tyto diody musejí napájet ze zdroje proudu. Pokud nevyžadujeme vysokou účinnost zapojení (například u různých indikátorů), můžeme se přiblížit proudovému zdroji tím, že připojíme LED v sérii s rezistorem omezujícím protékající proud ke zdroji stálého napětí (změny napětí vyvolají menší změny proudu). Tento způsob je běžně používán.

Zapojujeme-li více kusů LED dohromady, nelze je spojit přímo paralelně. Kvůli výrobním odchylkám se totiž mohou voltampérové charakteristiky jednotlivých kusů mírně lišit. Vzhledem ke strmosti pracovní části charakteristiky mohou mít paralelně spojené diody různou svítivost, v horším případě může dojít ke zničení těch kusů, jimiž prochází větší proud. Proto se doporučuje jejich sériové zapojení. To zaručí shodný proud protékající všemi diodami. Musíme-li přesto spojit více LED paralelně (např. není-li k dispozici dostatečně vysoké napájecí napětí), musíme ke každé LED připojit předřadný rezistor. Takto lze také spojit paralelně více skupin LED sériově spojených. Každá skupina sériově spojených LED musí však mít vlastní předřadný rezistor.

Většina LED má také nízké průrazné napětí, takže mohou být zničeny přiložením závěrného napětí i o výši jen několika voltů. Protože se nelze vždy spolehnout na obecná pravidla určení polarity vývodů, je vhodné se o jejich polaritě přesvědčit nahlédnutím do katalogového listu. Případně lze polaritu zjistit připojením diody ke zdroji nízkého napětí v sérii s ochranným rezistorem.

Zapojení vývodů

Bližší záběr na LED, jsou zde vidět vnitřní struktury. Anoda a katoda na LED Vnitřní struktura LED

Na rozdíl od žárovek, u kterých nezáleží na polaritě napájecího napětí a jsou schopny tedy pracovat na střídavé napětí, LED zapojené nesprávným způsobem nepracují. Když je napětí na P-N přechodu diody zapojené správně, říkáme že je zapojena v propustném směru a v tomto stavu skrz ni prochází proud. Když je zapojené opačně než má být, říkáme že je zapojená v závěrném směru a neprochází skrz ni téměř žádný proud a ani nevyzařuje žádné světlo. Proud v propustném směru u nízkopříkonových LED se pohybuje od 1-2 mA, u standardních LED 10~25 mA až po proudy nad 1 A u speciálních LED používaných v osvětlovací technice. Některé LED jsou schopny pracovat se střídavým napětím. V takovém případě jsou ale rozsvíceny jen polovinu periody, ve které jsou polarizovány propustně. Periodicky se tak rozsvěcují a zhasínají s frekvencí střídavého zdroje. Řešením pro odstranění tohoto jevu může být antiparalelní zapojení dvou diod.

I když nejspolehlivěji lze zjistit polaritu vývodů LED nahlédnutím do katalogového listu výrobce, existují obecně platné způsoby pro označení polarity (pozor, podle velikosti vývodu P nebo N uvnitř pouzdra často nelze polaritu stanovit):

znaménko: + −
polarita: kladná záporná
výstup: anoda (A) katoda (K)
vývod: dlouhý krátký
pouzdro z vnějšku: zakulacené ploché
barevně: červená černá

Z velikosti elektrod uvnitř LED nelze určit, zda se jedná o katodu či anodu.

Méně spolehlivé metody pro určení polarity jsou:

znaménko: + −
označení pouzdra: nic proužek
číslo vývodu: 1 2
DPS: kruhový čtvercový

Regulace jasu LED

Obecně platí: čím vyšší proud, tím jasněji dioda svítí. Nejjednodušeji (a nejčastěji) lze proud diodou nastavit pomocí předřadného odporu (je zapojen v sérii s diodou LED). K regulaci jasu LED je možné použít i jednoduchý regulátor s tranzistorem.

Důmyslnější způsob regulace využívá pulzně šířkovou modulaci. Tehdy LED protéká pulzní proud. Pulzy musejí mít vyšší frekvenci, než je lidské oko schopné zachytit, což vyvolá zdání konstantního svitu. Změnou střídy těchto pulzů pak měníme jas. Pulzně šířková modulace (PWM) se používá při napájení výkonových LED, kde tepelná ztráta na předřadném rezistoru by značně snižovala účinnost napáječe.

Je-li k dispozici dostatečně velké napětí, lze propojit několik LED do série pouze s jedním omezujícím rezistorem. Paralelní zapojení je obvykle problém (rozebráno výše).

Další typy LED

Vícebarevné LED obsahují minimálně dvě paralelně nebo opačně polarizované a zapojené diody, kdy každá je jiné barvy (typicky červená a zelená). Tím je umožněno zobrazit dvě různé základní barvy nebo rozsah škály barev namíchaný změnou poměru svitu jednotlivých LED, po kterou jsou rozsvíceny. Jiné zase obsahují sadu diod rozdílných barev uspořádaných do skupin zapojených se společnou anodou nebo katodou. Zde můžeme dosáhnout širší škály různých barev bez toho, že bychom museli měnit polaritu napájení (např. často používaná RGB LED – červená, zelená a modrá).

LED obvykle stále svítí, když skrze ně prochází proud, jsou ale dostupné i blikající LED. Ty mají stejný technologický základ, navíc obsahují klopný obvod, který způsobí, že LED bliká (typicky s periodou jedna sekunda). Nejběžněji jsou k dostání v červené, žluté nebo zelené barvě. Většina jich svítí pouze jednou barvou, ale jsou k dostání i vícebarevné.

Existují speciální typy LED se zabudovanými rezistory. Můžeme tak ušetřit místo na desce plošných spojů. To může být zvlášť užitečné při konstrukci prototypů, nebo při změnách zamýšleného zapojení (když potřebujeme udělat změny už na hotové desce). Často se využívají pro indikaci v automobilové technice, kde mají vestavěný předřadný odpor pro 12 V.

Např. v dálkovém ovládání od televize můžeme vidět infračervené LED. Také se používají v IrDA, pro komunikaci elektronických zařízení na malé vzdálenosti. Pouhým okem toto záření není vidět, ale protože CCD snímače v digitálních kamerách jsou na toto záření citlivé, jsou infračervené LED nedílnou součástí některých bezpečnostních kamerových systémů.

Pro speciální účely se vyrábí ultrafialové LED. Tyto LED jsou instalovány v zařízeních pro kontrolu ochranných prvků bankovek, nebo jiných dokumentů.

Charakteristické hodnoty napětí v propustném směru

Pro obyčejné LED v 3mm nebo 5mm pouzdrech, jsou charakteristické následující hodnoty napětí v propustném směru. To závisí na technologii výroby, typu použitých polovodičů, teplotě a protékajícím proudu (hodnoty zde uvedené přibližně pro hodnotu 20 mA)

Barva Úbytek napětí
Infračervená 1,6 V
Červená 1,8 V až 2,1 V
Oranžová 2,2 V
Žlutá 2,4 V
Zelená 2,6 V
Modrá 3,0 V až 3,5 V
Bílá 3,0 V až 3,5 V
Ultrafialová 3,5 V

U většiny LED je maximální závěrné napětí (UR) kolem 5 V.

Barva vlnová délka (nm) Napětí (V) Látka
Infračervená λ > 760 ΔU < 1.9 GaAs
AlGaAs
Rudá 610 < λ < 760 1.63 < ΔU < 2.03 AlGaAs
GaAsP
AlGaInP
GaP
Oranžová 590 < λ < 610 2.03 < ΔU < 2.10 GaAsP
AlGaInP
GaP
Žlutá 570 < λ < 590 2.10 < ΔU < 2.18 GaAsP
AlGaInP
GaP
Zelená 500 < λ < 570 1.9 < ΔU < 4.0 InGaN/GaN
GaP
AlGaInP
AlGaP
Modrá 450 < λ < 500 2.48 < ΔU < 3.7 ZnSe
InGaN
SiC
Si
Fialová 400 < λ < 450 2.76 < ΔU < 4.0 InGaN
Červená/modrá + fialový luminofor
Ultrafialová λ < 400 3.1 < ΔU < 4.4 Diamant (Vlnová délka: 235 nm)

Nitrid boru (Vlnová délka: 215 nm)
AlN (Vlnová délka: 210 nm)
AlGaN
AlGaInN — (Vlnová délka: pod 210 nm)

Bílá Celé spektrum ΔU = 3.5 Modrá/ultrafialová + žlutý luminofor

Výhody použití LED

LED k osvětlování

LED jako součástky

LED jsou vyráběny v mnoha různých tvarech a velikostech. Obrázek ukazuje část sortimentu dostupného v roce 2005. 5 mm velké v cylindrickém pouzdru (červená, pátá zleva) je nejobvyklejší, odhadem se podílí 80 % na celkové produkci. Barva plastické čočky pouzdra je obvykle stejná jako barva vyzařovaného světla, ale nemusí to být pravidlem. Například pro infračervené diody je obvykle používáno purpurové pouzdro a pro modré zase čiré.

Nevýhody LED

Aplikace, ve kterých jsou LED využity

Jediná superjasná LED společně se skleněnými čočkami je schopna vytvořit přenosový kanál, který může přenášet video v DVD kvalitě na značnou vzdálenost. Toto zařízení, RONJA, může snadno postavit každý elektrotechnický nadšenec. Osvětlení LED na Audi S6

Světelné zdroje pro systémy strojového snímání

Systémy strojového snímání často vyžadují jasné a homogenní osvětlení, aby dokázaly lépe vykonávat požadovanou činnost. LED jsou často k tomuto účelu využívány, a na tomto poli zůstává jeden z jejich hlavních způsobů využití, dokud jejich cena neklesne natolik, aby byly využity v širším měřítku i v jiných oblastech. LED představují téměř dokonalý zdroj světla pro systémy strojového snímání z několika hlavních důvodů:

Odkazy

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Light-emitting diode na anglické Wikipedii.

  1. ↑ Světelné zdroje – světelné diody, Světlo 5/2009
  2. ↑ OSRAM: green LED. catalog.osram-os.com . . Dostupné v archivu pořízeném dne 2011-07-21. 
  3. ↑ KOIZUMI, S.; WATANABE, K; HASEGAWA, M; KANDA, H. Ultraviolet Emission from a Diamond pn Junction. Science. 2001, s. 1899. DOI 10.1126/science.1060258. PMID 11397942. Je zde použita šablona {{Cite journal}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
  4. ↑ KUBOTA, Y.; WATANABE, K.; TSUDA, O.; TANIGUCHI, T. Deep Ultraviolet Light-Emitting Hexagonal Boron Nitride Synthesized at Atmospheric Pressure. Science. 2007, s. 932. DOI 10.1126/science.1144216. PMID 17702939. Je zde použita šablona {{Cite journal}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
  5. ↑ WATANABE, Kenji; TANIGUCHI, Takashi; KANDA, Hisao. Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal. Nature Materials. 2004, s. 404. DOI 10.1038/nmat1134. PMID 15156198. Je zde použita šablona {{Cite journal}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
  6. ↑ TANIYASU, Yoshitaka; KASU, Makoto; MAKIMOTO, Toshiki. An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres. Nature. 2006, s. 325. DOI 10.1038/nature04760. PMID 16710416. Je zde použita šablona {{Cite journal}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
  7. ↑ LEDs move into the ultraviolet. physicsworld.com. physicsworld.com, May 17, 2006. Dostupné online . Je zde použita šablona {{Cite news}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
  8. ↑ LED Žárovka 8719514435711. lightning.philips.cz . Philips . Dostupné online. 
  9. ↑ LED žárovky, citováno 14.9.2015

Literatura

Související články

Externí odkazy