Spis treści:
LED diody způsobily revoluci v moderní elektronice a staly se hlavním zdrojem světla téměř ve všech technologických odvětvích – proto stojí za to se o těchto prvcích dozvědět více.
Elektroluminiscenční dioda (LED) je speciální typ polovodičové diody, která při průchodu elektrického proudu vyzařuje světlo. Dnes vám poskytneme přehled nejdůležitějších informací o LED diodách – začneme jejich strukturou a principem fungování (na úrovni polovodičové struktury) a poté přejdeme k praktickým úvahám o napájení LED diod a nejběžnějším aplikacím těchto užitečných součástek.
Konstrukce a princip fungování LED diody
LED diodase stejně jako každá běžná křemíková dioda skládá ze dvou různých typů polovodičového materiálu: typu n (s většinovými nosiči v podobě elektronů) a typu p (v němž jsou většinovými nosiči tzv. díry). Když se tyto dva materiály spojí, vytvoří oblast nazývanou bariérová vrstva. V takto zkonstruovaném polovodičovém přechodu se nosiče náboje z obou stran přechodu (elektrony z oblasti typu n a díry z oblasti typu p) vzájemně kombinují v procesu zvaném zářivá rekombinace.
Když elektron (který je na vyšší energetické hladině) rekombinuje s dírou (na nižší energetické hladině), “přebytečná” energie se uvolní ve formě světelného kvanta neboli fotonu.
Není tedy divu, že barva světla vyzařovaného LED diodou závisí na rozdílu energií mezi těmito hladinami, který je v praxi dán použitím vhodného polovodičového materiálu. Například GaAs (arsenid galia) může vyzařovat světlo v infračervené oblasti, zatímco GaN (nitrid galia) je schopen vyzařovat modré světlo.
Stojí za to vědět, že manipulací s polovodičovým materiálem a dopováním lze dosáhnout LED diod, které vyzařují světlo téměř v jakékoli barvě. Bílé diody jsou zvláštní skupinou – jejich světlo je kombinací modré diodové struktury se speciálním žlutým luminoforem (odtud snadné rozpoznání bílých LED podle… žlutého vzhledu polovodičové struktury).
Napájení LED - sériový rezistor
V každodenní praxi se naštěstí nemusíte zabývat otázkami materiálu použitých LED diod. Aby se dioda rozsvítila, stačí ji připojit ke zdroji stejnosměrného napětí ve správné polaritě (tj. anodu ke kladnému pólu zdroje napětí a katodu k zápornému pólu) a propustit jí proud. Jaké parametry napájení je však třeba zajistit, aby náš energeticky úsporný světelný zdroj plnil svou úlohu bezpečně a zároveň efektivně?
Nejprve je důležité odpovědět na otázku, s jakým typem diody máme vlastně do činění. Většina nízkovýkonových diod – jak v průchozích krytech (např. kruhových o průměru 3 mm, 5 mm, 8 mm, 10 mm, ale i obdélníkových 2×5 mm), tak v krytech pro povrchovou montáž (např. velikost 1206) – může pracovat s trvalým proudem až 20 mA. Existují však výjimky – například některé infračervené (IR) LED diody jsou schopny “vydržet” vyšší vodivostní proudy. Středně výkonné a vysokovýkonné LED diody (0,5 W, 1 W, 2 W, 5 W atd.), stejně jako moduly COB LED, již vyžadují proudy od přibližně 350 mA až po mnoho ampérů. Tím však rozdíly nekončí – jednotlivé komponenty mají během provozu také různá napětí – nejnižší napětí (něco málo přes 1 V) mají infračervené LED diody, zatímco červené LED diody vyžadují přibližně 1,8 V a bílé LED diody –3 V nebo více (zejména u modulů COB).
Operační systémy LED
Další rozdíl mezi diodami s nízkým a středním/velkým výkonem lze identifikovat v doporučeném pracovním uspořádání. LED diody s nízkou spotřebou energie mohou úspěšně fungovat, pokud jsou napájeny z zdroje stejnosměrného napětí (Vs), přičemž proud je téměř vždy omezen pomocí sériového rezistora s hodnotou vypočtenou tak, aby při daném vodivostním napětí diody (Vf) rozdíl obou napětí (Vs-Vf) vyvolal na odporu sériového rezistoru (R) proud o intenzitě, kterou chceme získat (If). A tímto jednoduchým způsobem dojdeme ke vzorci, podle kterého lze vypočítat hodnotu tohoto rezistoru:
R = (Vs-Vf) / If.
Napájení stejnosměrným proudem
V případě LED diody s vyšším výkonem je situace bohužel složitější a problém vyplývá z tepelných vlastností polovodičů. Když strukturou LED protéká proud, vyzařuje LED určitý ztrátový výkon (P) P=Vf*If. Uvolnění energie způsobí zahřátí konstrukce a tím se sníží její vodivé napětí. Pokud by taková dioda byla napájena zdrojem konstantního napětí se sériovým omezovacím rezistorem, pokles Vf způsobí… nárůst vodivostního proudu (If). Tento proces by v lepším případě vedl k poměrně výraznému zvýšení teploty diody (což by dlouhodobě zkrátilo její životnost), v horším případě k jejímu téměř okamžitému vyhoření.
To je důvod, proč vysoce výkonné LED diody a moduly COB LED vyžadují napájení konstantním proudem, tj. účinný zdroj proudu. Tento typ obvodu “hlídá”, aby hodnota proudu byla stále stejná, a to vhodnou manipulací s výstupním napětím. Stejnosměrné napájení je nejlepším způsobem, jak zajistit bezpečný a stabilní provoz výkonných LED diod, a používá se standardně v různých typech osvětlovacích zařízení.
LED diody RGB
Kombinace tří struktur LED v základních barvách – červené, zelené a modré – se nazývá diodou RGB LED. Prvky tohoto typu lze dnes najít doslova všude a jejich velkou výhodou je možnost získat (přibližně) jakoukoli barvu – stačí jen vhodně zvolit proudy jednotlivých diod. Na tomto principu fungují mj. následující obrovské reklamní obrazovky a televize na koncertech, které zobrazují vysoce kvalitní grafiku a videozáznamy.
LED diody RGB lze nalézt také v různých osvětlovacích modulech, inteligentních žárovkách nebo pásech, které se používají například k účelům pro osvětlení nábytkových prvků a reklamních zařízení.
