Diody LED

Optoelektronika towarzyszy nam w stopniu, z jakiego często nie zdajemy sobie nawet sprawy. Diody LED są obecne dosłownie wszędzie – pełnią rolę subtelnych wskaźników stanu urządzeń, delikatnie podświetlają elementy wyposażenia wnętrz, iluminują ulice, mosty i fasady ogromnych wieżowców, a nawet… zastępują konwencjonalne lampy błyskowe w nowoczesnych aparatach cyfrowych.

Diody LED – zasada działania

Skrót LED pochodzi od anglojęzycznego zwrotu „light-emitting diode”, czyli w dosłownym tłumaczeniu „dioda emitująca światło”. W polskiej literaturze można natomiast spotkać się z określeniem „dioda elektroluminescencyjna”, które znacznie lepiej oddaje zasadę działania tych użytecznych elementów optoelektronicznych. Elektroluminescencja to zjawisko zachodzące w strukturze złącza półprzewodnikowego i polegające na tzw. rekombinacji pary nośników ładunku (elektronu oraz dziury), której efektem jest wyemitowanie kwantu światła – fotonu. W zależności od zastosowanego materiału diody LED wytwarzają światło o różnych długościach fali, a więc o różnych barwach. Najpopularniejsze i (najstarsze) są diody czerwone, zielone i żółte – dopiero pod koniec XX wieku dołączyły do nich diody niebieskie, a potem białe, których działanie opiera się na połączeniu struktury diody niebieskiej ze specjalną warstwą luminoforu o żółtym zabarwieniu. Dziś w handlu dostępne są także diody LED o barwie pomarańczowej, bursztynowej czy fioletowej, a w niektórych zastosowaniach można także spotkać diody UV oraz IR (emitujące niewidzialne promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni). Szczególną odmianę omawianych elementów stanowią diody LED RGB, które łączą w sobie trzy struktury barwne (czerwoną, zieloną i niebieską), sterowane osobno za pomocą dedykowanych wyprowadzeń. W mniej wymagających zastosowaniach spotkać można również diody dwukolorowe (np. czerwono-zielone), zaś w konstrukcjach ekranów i telebimów LED wykorzystywane są diody RGBW, które oprócz trzech kolorów podstawowych świecą także czystym światłem białym (W – white).

Diody LED w praktyce - co warto o nich wiedzieć?

Każda dioda LED charakteryzuje się zestawem istotnych parametrów, z których najważniejsze zebraliśmy poniżej.

• Długość fali – wielkość określana w nanometrach, w przypadku diod emitujących światło widzialne rozciąga się w zakresie od około 400 do 780 nm. Diody IR wytwarzają promieniowanie w paśmie (zazwyczaj) od ok. 800 do 950 nm, zaś UV – ok. 400 nm lub mniej.

• Światłość jest miarą jasności diody. Jednostka standardowa to kandela (cd), choć w praktyce częściej spotkać się można z milikandelami (mcd): 1 mcd = 0,001 cd. Zwykłe „wskaźnikowe” diody LED charakteryzują się światłością na poziomie od około 10...20 mcd, zaś superjasne diody małej mocy, stosowane m.in. w miniaturowych latarkach, mogą osiągać nawet kilkanaście kandeli.

• Napięcie przewodzenia to inaczej spadek napięcia na diodzie spolaryzowanej w kierunku przewodzenia, czyli podczas normalnej pracy. Parametr ten wynosi od około 1,2 V (w przypadku diod podczerwieni) do nawet ponad 4 V dla niektórych diod białych. Dotyczy to oczywiście pojedynczych diod LED, gdyż tzw. moduły LED COB (spotykane np. w nowoczesnych latarkach czołowych) zawierają w istocie zestaw pojedynczych emiterów połączonych szeregowo i zamontowanych na wspólnym podłożu (pełniącym rolę radiatora), a zatem ich sumaryczne napięcie przewodzenia jest wielokrotnie wyższe.

• Moc – każda dioda LED ma określoną przez producenta maksymalną moc strat, której przekroczenie może doprowadzić do przegrzania diody i skrócenia jej żywotności, a w skrajnych przypadkach – nawet natychmiastowego przepalenia. Zwykłe, małe diody LED mają moc na poziomie kilkudziesięciu miliwatów, podczas gdy emitery stosowane w aplikacjach oświetleniowych osiągają z powodzeniem moc na poziomie kilku watów.

• Prąd ciągły – z pojęciem maksymalnej dopuszczalnej mocy wiąże się także wartość prądu przewodzenia, który może przez diodę LED płynąć przez dowolnie długi czas. W przypadku diod małej mocy wynosi on przeważnie 20 mA (lub kilkadziesiąt mA w niektórych modelach). Diody LED dużej mocy często wymagają często ponad jednego ampera do osiągnięcia swojej maksymalnej wydajności, zaś w przypadku modułów LED COB wartość ta rośnie nawet do kilku amperów.

• Prąd szczytowy to nic innego jak maksymalna wartość natężenia prądu, który może popłynąć przez diodę w krótkim impulsie. Parametr ten jest szczególnie ważny np. dla konstruktorów systemów transmisji danych za pomocą podczerwieni, gdyż w tych właśnie zastosowaniach diody LED najczęściej pracują właśnie w trybie impulsowym.

Obudowy diod LED

Wszystkie „klasyczne” diody LED można podzielić pod względem rodzaju oraz rozmiarów obudowy. Diody w wersjach przewlekanych (tj. wyposażonych w wyprowadzenia drutowe do lutowania w otworach płytki drukowanej) mają zwykle średnicę 3 mm, 5 mm, 8 mm lub 10 mm, choć dość popularne są także diody prostokątne 2x5 mm oraz bardzo jasne, szerokokątne diody LED Super Flux. W zastosowaniach wymagających miniaturyzacji spotkać można natomiast diody LED SMD. Tutaj wachlarz dostępnych rozwiązań jest znacznie szerszy – wymienić można chociażby diody w obudowach 0603, 0805, 1206, 5730 czy też PLCC.