Spis treści:
Diody LED zrewolucjonizowały współczesną elektronikę, stając się podstawowym źródłem światła w niemal wszystkich gałęziach techniki – warto więc dokładniej poznać te elementy.
Dioda elektroluminescencyjna (ang. Light Emitting Diode, LED) jest specjalnym typem diody półprzewodnikowej, zdolnej do emisji światła podczas przepływu przezeń prądu elektrycznego. Dziś przedstawimy Ci najważniejsze informacje o diodach LED – zaczniemy od ich budowy oraz zasady działania (na poziomie struktury półprzewodnikowej), a potem przejdziemy do praktycznych uwag dotyczących zasilania diod LED oraz najczęstszych zastosowań tych przydatnych komponentów.
Budowa i zasada działania diody LED
Dioda LED, podobnie jak każda zwykła dioda krzemowa, składa się z dwóch różnych rodzajów materiału półprzewodnikowego: typu n (z nośnikami większościowymi w postaci elektronów) i typu p (w którym nośniki większościowe to tzw. dziury). Kiedy te dwa materiały zostaną ze sobą połączone, utworzą one obszar zwany warstwa zaporową. W tak zbudowanym złączu półprzewodnikowym, nośniki ładunku z obu stron złącza (elektrony z obszaru typu n i dziury z obszaru typu p) łączą się ze sobą w procesie nazywanym rekombinacją promienistą.
Gdy elektron (który znajduje się na wyższym poziomie energetycznym) rekombinuje z dziurą (na niższym poziomie energetycznym), „nadmiarowa” energia jest uwalniana w postaci kwantu światła, czyli fotonu.
Nic więc dziwnego, że kolor światła emitowanego przez diodę LED zależy od różnicy energii między tymi poziomami, co w praktyce jest narzucone przez zastosowanie odpowiedniego materiału półprzewodnikowego. Na przykład GaAs (arsenek galu) może emitować światło w zakresie podczerwieni, podczas gdy GaN (azotek galu) jest zdolny do emisji światła niebieskiego.
Warto wiedzieć, że poprzez manipulowanie materiałem półprzewodnikowym oraz domieszkowaniem można uzyskać diody LED emitujące światło w niemal każdym kolorze. Szczególną grupę stanowią diody białe – ich światło jest połączeniem struktury diody niebieskiej ze specjalnym, żółtym luminoforem (stąd też łatwo rozpoznać białe diody LED po… żółtym wyglądzie struktury półprzewodnikowej).
Zasilanie diod LED - szeregowy rezystor
W codziennej praktyce na szczęście nie musisz zastanawiać się nad materiałowymi zagadnieniami stosowanych diod LED. Aby dioda zaczęła świecić, wystarczy podłączyć ją do źródła prądu stałego w odpowiedniej polaryzacji (tzn. anodę do dodatniego bieguna źródła napięcia, a katodę do ujemnego bieguna) i przepuścić przezeń prąd. Ale jakie parametry zasilania należy zapewnić, aby nasze energooszczędne źródło światła bezpiecznie i zarazem efektywnie pełniło swoją rolę?
Przede wszystkim należy odpowiedzieć sobie na pytanie, z jakiego typu diodą mamy do czynienia. Większość diod małej mocy – zarówno w obudowach przewlekanych (np. okrągłe o średnicy 3 mm, 5 mm, 8 mm, 10 mm, a także prostokątne 2×5 mm), jak i montowanych powierzchniowo (np. w rozmiarze 1206) – może pracować z ciągłym prądem do 20 mA. Są jednak wyjątki – przykładowo, niektóre diody LED podczerwieni (IR) są w stanie „znieść” większe natężenie prądu przewodzenia. W przypadku diod średniej i dużej mocy (0.5 W, 1 W, 2 W, 5 W, etc.), a także moduły LED COB, wymagają już prądu o natężeniu od około 350 mA do nawet wielu amperów. Ale to nie koniec różnic – poszczególne elementy mają także inne napięcie w czasie pracy – najniższe napięcie (nieco ponad 1 V) panuje na diodach IR, podczas gdy diody czerwone wymagają napięcia około 1.8 V, a białe – 3 V lub więcej (zwłaszcza w przypadku modułów COB).
Układy pracy diod LED
Kolejną różnicę pomiędzy diodami małej oraz średniej/dużej mocy można wskazać w zalecanym układzie pracy. Diody LED małej mocy mogą z powodzeniem pracować przy zasilaniu ze źródła napięcia stałego (Vs), przy czym prąd ogranicza się niemal zawsze z użyciem szeregowego rezystora o wartości obliczonej tak, by przy danym napięciu przewodzenia diody (Vf) różnica obu napięć (Vs-Vf) wywoływała na rezystancji szeregowego opornika (R) przepływ prądu o natężeniu, które chcemy uzyskać (If). I w ten prosty sposób dochodzimy do wzoru, który można wykorzystać do obliczenia wartości tegoż rezystora:
R = (Vs-Vf) / If.
Zasilanie stałoprądowe
W przypadku diod LED o większej mocy sytuacja jest niestety bardziej złożona, a problem wynika z termicznych właściwości półprzewodników. Otóż, przy przepływie prądu przez strukturę diody LED, wydziela się na niej pewna moc strat (P) o wartości P=Vf*If. Wydzielanie mocy powoduje podgrzewanie struktury, a to obniża jej napięcie przewodzenia. Jeżeli dioda taka byłaby zasilana za pomocą źródła stałego napięcia z szeregowym rezystorem ograniczającym, to spadek Vf spowoduje… wzrost prądu przewodzenia (If). Proces ten w najlepszym przypadku doprowadziłby do dość znacznego wzrostu temperatury diody (co w dłuższej perspektywie skróciłoby jej żywotność), a w najgorszym – do jej niemal natychmiastowego przepalenia.
Z tego właśnie względu diody LED dużej mocy oraz moduły LED COB wymagają zasilania stałoprądowego, czyli za pomocą wydajnego źródła prądowego. Tego typu układ „pilnuje”, by wartość natężenia prądu była cały czas taka sama, a dokonuje tego poprzez… odpowiednie manipulowanie napięciem wyjściowym. Zasilanie stałoprądowe to najlepszy sposób na zapewnienie bezpiecznej, stabilnej pracy diod dużej mocy, stosowany standardowo w różnego rodzaju instalacjach oświetleniowych.
Diody LED RGB
Połączenie trzech struktur LED w kolorach podstawowych – czerwonym, zielonym i niebieskim – nosi nazwę diody LED RGB. Elementy tego typu można dziś spotkać dosłownie wszędzie, a ich ogromną zaletą jest możliwość uzyskania (w przybliżeniu) dowolnego koloru – wystarczy jedynie odpowiednio dobrać natężenia prądów poszczególnych diod składowych. Na tej zasadzie działają m.in. ogromne ekrany reklamowe i telebimy na koncertach, wyświetlające wysokiej jakości grafikę oraz nagrania wideo.
Diody LED RGB można także spotkać w rozmaitych modułach oświetleniowych, inteligentnych żarówkach, czy też taśmach, służących m.in. do podświetlania elementów meblowych i instalacji reklamowych.
