LED » Stručný výklad ke svítivým diodám
Aktualizováno 25. 5. 2022 | Doba potřebná k přečtení: 9 minut
Zkratka LED je tvořena třemi písmeny: Light Emitting Diode, což znamená dioda vyzařující světlo, resp. svítivá dioda. Původně se LED neboli svítivé diody používaly jako optické LED kontrolky v přístrojích nebo elektronických obvodech a existovaly pouze v červené, zelené a žluté barvě. Mezitím se ale objevily i modré a bílé LED. Svítivost LED se navíc zvýšila natolik, že LED fungují jako efektivní svítidla například v LED reflektorech nebo kapesních svítidlech. Proto se s LED potkáváme úplně všude, bez ohledu na to, zda se jedná o semafory, displeje nebo moderní LED osvětlení soukromých a komerčních prostor. Díky dlouhé životnosti, malé velikosti a rozmanitosti tvarů a barevných spekter nahradila LED svítidla za poměrně krátkou dobu žárovky, halogenové a úsporné zářivky. Za každou LED se nicméně skrývá promyšlená technika, kterou vám přiblížíme níže.
LED patří mezi polovodičové součástky ze skupiny polovodičů III/V. To znamená, že sestávají z materiálů, které patří do třetí a páté skupiny v periodické soustavě prvků. Použité polovodičové materiály tvoří diodu, která umožňuje tok proudu (I) pouze v jednom směru. U LED teče proud od anody směrem k LED čipu. Jádro LED tvoří polovodičový krystal, který je umístěný na reflektoru.
Konstrukci svítivé diody lze snadno vysvětlit na příkladu LED na drátkách.
Konstrukce svítivé diody na příkladu LED na drátkách.
(1) Polovodičový krystal (také LED čip) je srdcem LED a vytváří světlo na základě fyzikálních procesů.
(2) Reflektor, do něhož je LED čip zabudovaný, zvyšuje jak energetickou účinnost, tak i světelnou účinnost.
(3) Katoda (–) je spojená s reflektorem.
(4) Přes anodu (+) teče proud směrem k polovodičovému krystalu.
(5) Tenký drátek (vodivé vlákno) spojuje LED čip s anodou.
(6) Plastová čočka obklopuje konstrukci a ovlivňuje úhel vyzařování a světelnou účinnost. V závislosti na účelu použití je oválná, trojúhelníková, vyklenutá nebo zploštělá.
Symbol ve schématu zapojení (obrázek vpravo) znázorňuje tok proudu od anody ke katodě a vznikající světelné vlny (šipky). Aby LED v obvodu fungovala, musí být zapojená se správnou polaritou. Aby byla LED použita správně, je připojovací drátek anody zpravidla o něco delší.
Konstrukce LED čipu
Zelená je záporně dotovaná vrstva materiálu polovodiče (n-vrstva).
Modrá kladně dotovaná vrstva materiálu polovodiče (p-vrstva).
Z p-vrstvy vyzařují světelné vlny.
Ostatně: Při dotování je polovodičový krystal cíleně „znečišťován“ cizími atomy, aby se změnila jeho vodivost. To vede k přebytku elektronů v p-vrstvě a k nedostatku elektronů (k elektronovým dírám) v n-vrstvě. To je základ procesů, které vedou k vytváření světla.
Jak už jsme zmínili, nacházejí se na polovodičovém krystalu dvě vrstvy polovodičových materiálů. n-dotovaná vrstva vykazuje přebytek elektronů, druhá, tenčí p-dotovaná vrstva disponuje příliš velkým množstvím defektních elektronů, zvaných také elektronové díry. Pokud se přes obě vrstvy připojí napětí ve směru průchodu LED, cestují přebytečné elektrony směrem k p-vrstvě. V takzvané izolační vrstvě narážejí na elektronové díry. Tam se elektrony začnou rekombinovat s elektronovými dírami. To znamená, že se oba nosiče náboje sjednotí. Rekombinace tak představuje opačný proces oproti ionizaci.
Na rozdíl od ionizace, která vyžaduje energii, se při rekombinaci energie uvolňuje a ve formě světelných záblesků (fotonů) je vyzařována přes tenkou p-vrstvu. LED čip dále vysílá tyto světelné záblesky směrem ven, přičemž vnitřní strany reflektoru zesilují vycházející světlo. Tento proces pokračuje nepřetržitě, dokud jsou přes zdroj napětí přiváděny volné elektrony. Vedle světelných záblesků kromě toho vzniká během rekombinace malé množství odpadního tepla.
Následující video ještě jednou velmi názorně vysvětluje způsob fungování svítivé diody:
Barva světla LED svítivé diody závisí na dotování vrstev a na použitých materiálech polovodičů. Tyto různé kombinace poukazují na různé hladiny energie. Během rekombinace elektronů se uvolňují fotony s různým množstvím energie. Ty určují barvu světla, resp. vlnovou délku viditelného světla.
Vzniká tak například krátkovlnné modré světlo při vysokém výdeji energie a krátkovlnné červené světlo při nízkém množství energie. Mezitím byly vyvinuty četné vhodné materiálové systémy, takže svítivé diody mohou vyzařovat téměř všechny barvy monochromaticky (jednobarevně).
Pro vytvoření příslušných barev se často používají následující látky:
arsenid hliníku a galia (AlGaAs): červená s vlnovou délkou 650–750 nm
fosfid arsenidu galia (GaAsP): žlutá s vlnovou délkou 575–585 nm
fosfid galia (GaP): zelená s vlnovou délkou 490–575 nm
indium galium nitrid (InGaN): modrá s vlnovou délkou 420–490 nm
Vedle uvedených barev jako červená, zelená, žlutá nebo modrá existují také LED, které pracují s neviditelným infračerveným světlem. Tyto IR LED najdeme v dálkových ovladačích televizorů, DVD přehrávačů nebo satelitních přijímačů. Ale také na druhém konci viditelného spektra existují LED, které pracují v UV rozsahu. IR a UV LED se částečně používají také u světelných závor, aby se rušení viditelným světlem omezilo na minimum.
Tip z praxe: Kontrola funkčnosti IR dálkových ovladačů
Jestliže dálkový ovladač televizoru nefunguje přesto, že v něm jsou vložené nové baterie, můžete snadno zkontrolovat, zda IR LED v dálkovém ovladači vysílá světelné signály. Za tím účelem je třeba pouze stisknout jedno tlačítko na dálkovém ovladači a přitom sledovat IR LED. Protože ale lidské oko nedokáže rozpoznat infračervené světelné signály, použije se navíc kamera chytrého telefonu. Kamery zpravidla fungují nejen při světle ve viditelném frekvenčním rozsahu. Většinou dokážou rozpoznávat také světlo v IR oboru, takže jsou světelné signály IR LED na displeji chytrého telefonu dobře viditelné. Za účelem otestování je možné kamerou chytrého telefonu jednoduše naskenovat fungující dálkový ovladač.
Vznik bílého LED světla
Zejména za účelem osvětlení je potřeba vytvářet bílé světlo. K dosažení tohoto cíle se používají dva různé postupy:
Aditivní skládání barev
Podobně jako hranol rozkládá bílé světlo na jeho jednotlivé spektrální barvy, lze tento proces využít i v opačném směru. K tomu se kombinují různobarevné LED. Díky překrývání tří primárních barev červené, modré a zelené vzniká bílé světlo. Červená a zelená tvoří žlutou, z modré a červené je magenta a kombinace zelené a modré dává cyan.
Uvnitř vícebarevné svítivé diody se tedy nacházejí tři polovodičové krystaly, z nichž každý vytváří vždy jednu ze tří primárních barev. Tyto LED jsou označovány také jako RGB LED. RGB LED najdeme na LED páskách s funkcí střídání barev. S použitím různě intenzivně svítících primárních barev lze vytvořit téměř neomezenou rozmanitost barev.
Luminiscence
Modrá svítivá dioda je uvnitř potažená tenkou fosforovou vrstvičkou. Část modrých světelných vln, bohatých na energii, přiměje fosfor k záření, takže je vyzařováno žluté světlo, které má nižší energii. Vlivem skládání žlutého a modrého světla vzniká pro lidské oko bílé světlo.
Konstrukce LED čipu s luminiscenční technikou:
1. Polovodičový krystal
2. Žluté fosforové světlo
3. Bílé světlo
4. Konverzní vrstva
5. Modré světlo
V závislosti na fosforové vrstvě bílé svítivé diody vzniká světlo více nebo méně silného žlutého tónu (teple bílé světlo).
Výsledkem kombinace s modrými světelnými vlnami je nažloutlé nebo namodralé světlo, které působí tepleji nebo studeněji. Tato „barevnost“ bílého světla se udává v kelvinech jako barevná teplota.
RGB LED jsou částečně doplněny ještě bílými LED, čímž vznikají RGBW LED, které vedle barevného světla vydávají také ještě bílé světlo.
Protože se LED používají v mnoha oblastech, jsou nutné různé konstrukční tvary LED. Ke standardu momentálně patří LED na drátkách, SMD LED a COB LED.
LED na drátkách
Svítivá dioda na drátkách byla prvním konstrukčním tvarem na trhu. Snadno se pájí i méně zkušeným technikům. Najdeme ji například ve spínačích elektrospotřebičů.
SMD-LED
V průmyslu často najdeme SMD LED, které mezitím pronikly už i do soukromých domácností. Označení SMD (Surface Mounted Device) získaly podle způsobu jejich upevnění, neboť je možné je pájet na desku. Mají plochý, menší a tedy všestrannější konstrukční tvar než například LED na drátkách. Proto jsou také LED pásky vybavené SMD LED, protože lze velký počet LED tohoto konstrukčního tvaru snadno seskupovat.
1. Deska
2. Chladicí těleso
3. Fosforová vrstva
4. Optika
5. LED čip
6. Vodivé vlákno
COB-LED
Třetí variantou je COB LED (Chip On Board), kterou lze letovat přímo na podložku tištěného obvodu. Přípojky čipu přitom spojuje s podložkou tištěného obvodu jeden nebo dva zlaté drátky. Tato LED je vnímána jako výkonná a hodí se pro plně obsazené LED moduly. Ty se nacházejí například v LED zářivkách. Na rozdíl od LED na drátkách a k SMD LED, které jsou už zalité, se musí u COB LED epoxidová čočka na svítivou diodu nalepit. Výhody: Touto čočkou lze flexibilně nastavit úhel vyzařování světla. Kromě toho deska zároveň zajišťuje chlazení. Doporučujeme vám, abyste na desku nanesli teplovodivé lepidlo, jímž svítivou diodu upevníte a ještě lépe odvedete teplo.
1. Deska, která slouží také pro chlazení
2. Vodivé vlákno
3. Epoxidová čočka
4. Fosforová vrstva
5. Polovodičový krystal
HighPower LED
Mnozí výrobci LED nazývají některé ze svých produktů jako High Power LED. Právě když jde o to, jak vytvořit jasné světlo na malé ploše, například u kapesních svítilen nebo reflektorů. Přitom je ovšem potřeba mít na paměti, že se nejedná o oficiální definici High Power LED. Počty lumenů, wattů a ampérů se u této skupiny silně liší.
LED nejsou dimenzované pro vysoká napětí. To, s jakým napětím musí být dioda provozována, závisí na barvě.
IR LED mají provozní napětí 1,2–1,8 V
Červené LED mají provozní napětí 1,6–2,2 V
Zelené a žluté LED mají provozní napětí 1,9–2,5 V
Modré nebo bílé LED mají provozní napětí 2,7–3,5 V
UV LED mají provozní napětí 3,1–4,5 V
Přesné hodnoty napětí, stejně jako proud, musí odpovídat technické dokumentaci diody.
Výpočet předřadného odporu LED
Pokud má být například standardní LED na drátkách se 2,2 V a 20 mA provozována na 12 V, musí být předřadným odporem omezeno jak napětí, tak i proud.
Přitom by měl být odpor dimenzovaný tak, aby na něm napětí pokleslo na 9,8 V (12 V – 2,2 V), pokud protéká proud 20 mA. Odpor lze vypočítat také podle Ohmova zákona R = U : I (9,8 V : 0,02 A = 490 Ω). Podle odporové řady se pak v praxi používá odpor 510 Ω nebo 560 Ω.
Volba předřadníku nebo LED kontroléry
U superjasných vysokovýnonových LED naproti tomu uvádějí výrobci kromě rozsahu napětí také konkrétní provozní proud. V takovém případě musejí být použity speciální LED kontroléry nebo předřadníky, které poskytují přesně tento proud.
Přitom je důležité: Celkový výzkum všech připojených LED nesmí překročit výkon předřadníku.
Zvláštní pozornost je potřeba u LED věnovat teplotě, zvláště pokud sami nechcete montovat žádné intenzivní, výkonné svítivé diody, protože LED reagují velmi citlivě na příliš velké vyvíjení tepla.
Pokud svítivá dioda už nefunguje, příčina je zřídka ve vadném polovodičovém krystalu. Mnohem častěji je problém v příliš vysokém vyvíjení tepla, které může nastat v důsledku příliš velkého provozního proudu nebo chybného zpracování. Vznikající teplo například dokáže zničit celou komplexní konstrukci uvnitř polovodičového krystalu.
Zdá se to těžko uvěřitelné. Pokud se totiž dotkneme svítivé diody, pocítíme jen malé množství tepla. Důvodem je to, že je u LED techniky produkováno málo odpadního tepla, protože světlo vzniká vyzařování fotonů. Naproti tomu žárovka produkuje mnohem více tepla, protože u ní světlo vzniká zahříváním materiálu a teplo vyzařuje.
Ale i když navenek sotva něco zaznamenáte: Uvnitř svítivé diody stoupá teplota, protože zde malé množství tepla vzniká jako vedlejší produkt. To se děje například prostřednictvím příliš vysokého průtoku proudu v důsledku příliš malého předřadného odporu nebo chybného sestavení obvodu.
Čím chladnější je během provozu její okolí, tím lépe je na tom LED, pokud jde o její fungování a životnost. Příliš vysoká teplota v okolí může výrazně zkrátit životnost svítidla. V závislosti na konstrukčním tvaru jsou pro chlazení k dispozici různé prostředky. Teplo je zpravidla odváděno jiným materiálem, jako je hliník nebo keramika. Například sokly LED svítidel tak bývají vyrobené z jednoho z uvedených materiálů. V případě SMD LED tvoří čip jednotku s chladicím tělesem.
Výhody svítivých diod
Hospodárnost
Nízká spotřeba energie díky vysokému stupni účinnosti, tedy jasné osvětlení při nízké spotřebě energie. To se pozná podle nízkého počtu wattů v porovnání s běžnými žárovkami.
Dlouhá životnost: V závislosti na materiálech polovodičů a provozních podmínkách vydrží LED zpravidla mezi 15 000 a 50 000 hodinami.
To odpovídá době provozu 3 hodiny denně po dobu 14 až 45 let.
Design
Malý konstrukční tvar, který například snižuje náklady na dodání.
Velká flexibilita a rozmanitost tvarů – například se hodí do běžných svítidel.
Díky velké rozmanitosti typů s barev a také díky stmívatelnosti lze svítivé diody využít v nejrůznějších oblastech. Nejen ve svítidlech, ale také jako podsvícení LCD displejů, jako infračervené LED ve světelných závorách, v optoelektronice nebo signalizačních zařízeních.
Technika
Bezpečnost díky nízkého napětí.
Odolnost vůči nárazům a vibracím.
Malé zpoždění zapnutí.
Téměř žádné výpadky.
Prakticky bezúdržbové po celou dobu používání.
Ekologická nezávadnost
LED neobsahují žádné toxické látky.
Díky tomu se vyznačují velmi vysokou snášenlivostí v životním prostředí.
Nevýhody svítivých diod
Hospodárnost
Vyšší pořizovací náklady
Technika
Při použití v místnostech, kde vzniká více vlhkosti, například v koupelně nebo v kuchyni, mohou součástky LED svítidel korodovat.
LED pak mohou mít výpadek. Právě kovové části, přípojky a elektronické součástky jsou velmi citlivé.
Při nákupu věnujte pozornost IP třídě LED, abyste se vyhnuli korozi.
Ekologická nezávadnost
LED se neobejdou bez kovů vzácných zemin.
Likvidace pouze jako tříděný odpad, nesmí se odhazovat do domovního odpadu.
V mnohých LED svítidlech jsou LED pevně zabudované. To znamená, že se musí kompletně zlikvidovat, pokud je svítidlo defektní.
Ve spojení s displeji nebo televizory stále častěji slýcháme pojem OLED neboli organické svítivé diody. Organická LED v zásadě pracuje stejně jako běžná LED, ale mezi elektrodami se nachází struktura trvořená jedním nebo více organickými filmy.
Konstrukce OLED čipu
1. Vyzařované světlo
2. Transparentní anoda
3. Prostupná vodivá vrstva
4. Organická polymerová svítivá vrstva
5. Katoda
6. Připojení k napětí
Při připojení napětí se nosiče napětí v organické vrstvě rekombinují a prostřednictvím anody přitom vydávají světlo.
Na rozdíl od LCD displejů, které nutně potřebují podsvícení displeje, svítí displeje s organickými LED samočinně. Pokud nejsou LED aktivovány, jednoduše zůstanou tmavé, takže lze černé oblasti obrázku výborně zobrazit. Protože podsvícení displeje není k dispozici, u černé barvy nedochází ani k rušivému prosvěcování.