Spis treści:
Diody półprzewodnikowe to jedne z najważniejszych elementów elektronicznych. Spotykamy się z nimi zwykle już na samym początku drogi do mistrzostwa w elektronice. Na ogół każdy wie, jak wygląda dioda, ale zapytani o jej budowę i sposób działania często mają w głowie wielki znak zapytania.
Jak działa dioda?
Diody działają na zasadzie zjawiska elektroluminescencji, czyli przekształcania energii elektrycznej na światło. To całkiem proste – gdy prąd elektryczny przepływa przez pewne materiały, w tym przez nasze diody półprzewodnikowe, powstaje emisja światła.
W przypadku diod półprzewodnikowych elektroluminescencja zachodzi w obszarze zaporowym między dwoma warstwami o przeciwnych typach przewodnictwa. Gdy do diody jest przyłożone napięcie powyżej wartości progowej, nośniki ładunku (elektrony i dziury) zaczynają przechodzić przez obszar zaporowy. W wyniku tego procesu uwalniana jest energia elektryczna i otrzymujemy emisję światła o określonej długości fali.
Owa wartość progowa napięcia, z którą spotkacie się jeszcze w tym artykule, to wartość, przy której pojawia się znaczący przepływ prądu przez diodę. Zwykle zależy od rodzaju diody, i tak na przykład diody LED o różnych kolorach – czerwone, zielone czy niebieskie – mogą mieć różne wartości napięcia progowego.
W normalnym stanie dioda jest zaporowa, co oznacza, że nie przewodzi prądu. Jednak gdy połączymy diodę z zewnętrznym źródłem napięcia w odpowiedni sposób, to wówczas można ją włączyć i umożliwić przepływ prądu. W diodzie przewodzenie prądu zachodzi tylko w jednym kierunku – zwrotnym. Oznacza to tyle, że prąd może płynąć z warstwy typu n do warstwy typu p, ale nie na odwrót. Gdy przyłożone napięcie jest większe od tzw. napięcia progowego diody, to zaczyna przewodzić prąd.
Budowa diody
To, jak zbudowana jest dioda, jest nam niezbędne do uzupełnienia pojęcia o tym, jak działa. Podstawowym elementem diody jest półprzewodnik najczęściej wykonany z krzemu lub germanu. Półprzewodnik taki ma dwie warstwy:
- warstwę typu p, w której dominują nośniki ładunku typu dodatniego (dziury),
- warstwę typu n, w której dominują nośniki ładunku typu ujemnego (elektrony).
Miejsce styku tych dwóch warstw nazywane jest obszarem zaporowym. W tym obszarze brak jest nośników ładunku (nie przewodzi prądu). Wszystko zaczyna się w momencie, gdy zewnętrzne napięcie jest przyłożone w odpowiedni sposób. Przyłączając anodę diody (warstwę typu p) do dodatniego bieguna źródła napięcia i katodę diody (warstwę typu n) do ujemnego bieguna, napięcie zewnętrzne odwraca polaryzację diody i powoduje przepływ prądu.
Ważne jest, aby pamiętać, że diody są polaryzowane, co oznacza, że musisz podłączyć je poprawnie w obwodzie, aby działały poprawnie. Przeciwna polaryzacja, czyli odwrotne podłączenie diody, może spowodować brak przewodzenia lub uszkodzenie diody.
Jak dobrać diodę?
Wybrać diodę prawidłowo to znać jej podstawowe parametry i rozumieć różnicę pomiędzy ich charakterystyką z uwzględnieniem planowanego zastosowania. Dobór diody zależy więc od konkretnej aplikacji. Oto kilka czynników.
- Znane już nam napięcie przewodzenia, czyli napięcie progowe. Określa ono minimalne napięcie, które musi być przyłożone do diody, aby zaczęła przewodzić prąd. W zależności od zastosowania dobór diody musi uwzględniać to napięcie.
- Prąd przewodzenia. Określa maksymalny prąd, który dioda może przewodzić bez uszkodzenia. Wybór diody powinien uwzględniać maksymalny prąd wymagany przez obwód. Pomagają w tym specyfikacje techniczne i pomiary prądu z multimetrem. To bardzo ważny punkt – ważne są tu wszystkie elementy obwodu takie jak tranzystory czy rezystory-oporniki dobrane pod względem maksymalnego prądu.
- Czas reakcji. W niektórych zastosowaniach, zwłaszcza takich, jak komunikacja optyczna i wszelkie sygnalizowanie, ważne jest, aby dioda miała krótki czas reakcji, czyli odpowiednią szybkość włączania i wyłączania.
- Charakterystyka świetlna. Jeśli dioda ma być używana jako źródło światła, a nie tylko jako element bliżej nieokreślonego obwodu, to warto wówczas uwzględnić jej charakterystykę świetlną, czyli spektrum emisji światła oraz jasność.
- Temperatura. Wysoka temperatura może wpływać na działanie diody, dlatego należy wybrać diodę, która będzie odporna na temperaturę pracy w danym środowisku. Coraz bardziej popularny montaż diod w kuchni czy w łazience ma swoje minusy – nie chcemy, żeby unosiła się do nich para znad często używanych kuchenki albo zlewu, która w dłuższej perspektywie czasu też zaszkodzić samemu mocowaniu.
Charakterystyka świetlna diody - o co chodzi?
Pojęcie, z którym spotykamy się polując na najlepsze możliwe diody podczas poszukiwań w sklepie. Często jest opatrzone graficznym przedstawieniem zależności między prądem elektrycznym przepływającym przez diodę a intensywnością światła emitowanego przez nią – coś jak kolorowy schemat z wydajnością energetyczną lodówek. To ważna sprawa przy wyborze diod LED do różnych zastosowań w domu, biurze czy warsztacie.
Charakterystyka świetlna diody jest zwykle przedstawiana na wykresie, gdzie na osi poziomej przedstawiany jest prąd, zazwyczaj w amperach, a na osi pionowej – jasność światła, najczęściej w lumenach i nieco rzadziej w kandelach (cd). Wykres ten pokazuje, jak dioda LED zachowa się w różnych warunkach pracy. Zwróć uwagę na minimalne napięcie, przy którym dioda zaczyna emitować światło. Poniżej tego napięcia dioda zachowuje się jak zwykły element półprzewodnikowy i nie będzie emitować światła. Im większy prąd płynie przez diodę, tym większa jest jej jasność. Charakterystyka świetlna wskaże, jak owa jasność zmieni się wraz z prądem. Powtarzamy ku przestrodze, że przy zbyt dużym prądzie dioda przegrzeje się i ulegnie uszkodzeniu. Charakterystyka świetlna może, a raczej powinna, zawierać informacje o efektywności świetlnej diody, czyli ilości emitowanego światła w stosunku do zużywanego prądu. Wyższa efektywność oznacza większą wydajność energetyczną diody.
Jakie diody wybrać do domu?
Chyba najczęściej zadawane pytanie – szkoda, że tak ogólne, ale i tutaj da się co nieco doradzić. Przede wszystkim określ, do jakiego konkretnego zastosowania potrzebujesz diod LED w domu. Czy chcesz zamontować je jako oświetlenie ogólne, oświetlenie dekoracyjne, oświetlenie punktowe? A może chodzi o podświetlenie mebli lub półek? Wybór diod będzie różnił się w zależności od rodzaju oświetlenia, które zamierzasz zrealizować. Zastanów się, jak intensywnego oświetlenia potrzebujesz w danej przestrzeni. Jasność diod LED jest najczęściej mierzona w lumenach (lm). Im wyższa wartość lumenów, tym jaśniejsze światło będzie emitowane przez diodę. Wybierz diody o odpowiedniej jasności, aby dostosować oświetlenie do swoich potrzeb. Barwa światła to pole do popisu i fantazji, bo diody LED są dostępne w różnych barwach, takich jak biała ciepła, biała neutralna, biała zimna, czerwona, niebieska czy zielona. Wybierz kolor światła, który najlepiej pasuje do atmosfery i stylu, jakie chcesz uzyskać w danej przestrzeni.
Przyjmuje się, że nie męczące wzroku diody to te o barwie neutralnej lub ciepłej. Biała ciepła (zakres barw od 2700K do 3000K) przypomina tradycyjne żarówki o barwie żółtawej. Emituje przyjemne, ciepłe światło, które jest często stosowane do oświetlenia w pomieszczeniach mieszkalnych, sypialniach czy salonach.
Biała neutralna (zakres barw od 3500K do 4500K) jest bardziej zbliżona do naturalnego światła dziennego. Emituje więc neutralne, białe światło i jest często stosowana w miejscach pracy, biurach, kuchniach czy łazienkach.
Biała zimna powyżej 5000K jest bardziej niebieskawa i intensywna. Emituje chłodne, jasne światło i często jest stosowana w miejscach wymagających dobrego oświetlenia, takich jak magazyny, parkingi czy zewnętrzne oświetlenie. Ze światłem niebieskim jednak wiąże się fakt, że takie oświetlenie jest bardziej męcząca dla oczu szczególnie w długotrwałym użytkowaniu w domowym otoczeniu.
