Diody LED stają się dominującym źródłem światła wykorzystywanym w większości zastosowań. Używa się ich jako zamienników tradycyjnych żarówek i halogenów oraz świetlówek – zarówno w typowych oprawach domowych i biurowych, jak i w lampach przemysłowych czy oświetleniu zewnętrznym. Mogą być wykorzystywane jako podświetlenie przycisków w urządzeniach i jako lampy w pojazdach wszelkiego rodzaju. Diody LED służą też do podświetlania ekranów w sprzęcie elektronicznym czy nawet zastępują lasery – montuje się je np. w niektórych drukarkach. Tak wielkie powodzenie technologi świetlnych LED wynika z niezawodności oraz możliwości miniaturyzacji i wysokiej energooszczędności. Przyjrzyjmy się bliżej działaniu i budowie typowych diod LED.
Na jakiej zasadzie działa dioda LED?
Diody LED wyróżniają się wysoką skutecznością świetlną, a więc stosunkiem uzyskiwanego strumienia świetlnego określanego w lumenach do zużywanej mocy elektrycznej podawanej w watach. Oznacza to możliwość dostarczania światła o wysokim natężeniu przy jednoczesnym niskim zużyciu energii elektrycznej, ponieważ około 85% jest przekształcane na promieniowanie świetlne, co wiąże się z bardzo niskim zużyciem prądu i przekłada się na niewielki koszt użytkowania. Poza aspektem ekonomicznym i ekologicznym używanie LED-ów wiąże się także z możliwością produkcji modułów o niewielkich rozmiarach. Plusem technologii LED jest duża swoboda kształtowania parametrów uzyskiwanego strumienia świetlnego – dostępne są diody, które są w stanie emitować światło o różnej barwie i natężeniu.
Większość zalet LED-ów wynika z zasady, na jakiej funkcjonują. O ile w przypadku żarówek i halogenów wykorzystywano rozgrzewanie do wysokiej temperatury wolframowego żarnika, a w tradycyjnych świetlówkach wyładowania elektryczne wywoływane w mieszance par rtęci i argonu, powodujące efekt w postaci promieniowania ultrafioletowego pobudzającego do świecenia luminofor, którym pokryte były ścianki szklanej rurki, o tyle w LED-ach wykorzystuje się efekt działania półprzewodników. W diodzie znajduje się tzw. złącze p-n składające z obszaru akceptorowego (p), w którym znajduje się przewaga dziur, a zatem miejsc z brakującymi elektronami oraz donorowego (n), gdzie występuje większa koncentracja wolnych elektronów. Układ ten pozostaje w równowadze, jednak po przyłożeniu napięcia dochodzi do przemieszczania się do złącza zarówno dziur, jak i wolnych elektronów. Umożliwia to zajście tzw. rekombinacji promienistej, związanej z zapełnieniem dziur przez wolne elektrony, co oznacza ich przejście na niższy poziom energetyczny. Uwalniana w ten sposób energia jest wypromieniowywana w postaci emisji fotonów, a także przyspieszonego ruchu cząsteczek, a zatem ciepła będącego rekombinacją niepromienistą.
Dioda może emitować światło o różnej charakterystyce. Dla uzyskania pożądanej barwy światła stosuje się luminofory w odpowiednich barwach. Dzięki odpowiedniemu doborowi i mieszaniu barw luminoforu możemy otrzymać różne kolory światła, w tym kolor biały.
W jaki sposób z diod powstają źródła światła w technologii LED?
Źródło światła korzystające z diody LED może być wykonane w różnych technologiach. Wciąż stosowane są diody typu DIP (Dual In-line Package), które mają formę zbliżoną do walca z kulistym zakończeniem. Układ tego rodzaju składa się z przezroczystej otoczki z soczewką utworzoną w górnym punkcie jej obudowy oraz ze znajdującej się we wnętrzu kostki z elementem półprzewodzącym emitującym światło. Dioda ma wyprowadzenie w postaci nóżek, które są zarazem elementem montażowym i złączem, do którego doprowadzane jest napięcie. Zupełnie inną konstrukcję mają diody SMD (Surface Mounted Device). W tym przypadku pojedynczy element składa się z obudowy, na której umieszczone są kostki półprzewodnikowe. Ponieważ układ jest montowany na płaskiej powierzchni, ma niewielką wysokość i nieduże rozmiary. Elementy tego rodzaju są produkowane w różnych rozmiarach. Najmniejsze moduły SMD mają wymiary 0,4 na 0,2 milimetrów, a większe nawet 5 na 5 centymetrów. Jeszcze inaczej są zbudowane moduły COB (Chip On Board) – w tym przypadku na jednej płytce znajduje się większa ilość diod, które nie są jednak zasilane niezależnie, jak w przypadku modułów SMD, a wspólnie. Pozwala to na znaczne zagęszczenie diod, a w efekcie – uzyskanie wysokiej jasności z niewielkiej powierzchni. Coraz bardziej popularnym rozwiązaniem są też moduły COG (Chip On Glass), tzw. LED Filament. W tym przypadku moduły są nanoszone na ceramiczny albo szklany podkład, tworząc długie walcowate pasma, dzięki czemu strumień światła może rozchodzić się w podobny sposób jak z tradycyjnego żarnika.
Do wytwarzania źródeł światła są używane wszystkie typy diod, jednak szczególnie uniwersalne są diody SMD. Z wykorzystaniem modułów tego typu powstają popularne taśmy LED, listwy świetlne, a także źródła światła do rozmaitych opraw od lamp ulicznych, przez różnego rodzaju reflektory, aż po zamienniki klasycznych domowych żarówek. Są one montowane z wykorzystaniem materiałów używanych przy produkcji elektroniki, w tym płytek PCB (Printed Circuit Board). Wykonuje się je z materiału, który zapewnia odpowiednią izolacyjność np. z tzw. FR4, który jest rodzajem laminatu epoksydowego, który jest wzmocniony włóknem szklanym, o większej lub mniejszej grubości i elastyczności. Nanosi się na niego ścieżki miedziane tworzące w wybranych miejscach powłokę o grubości od kilku do kilkunastu mikrometrów, układaną jedno lub obustronnie, które doprowadzają napięcie do umieszczanych na powierzchni płytki układów. W przypadku, gdy źródło światła będzie wymagało sprawniejszego odprowadzania powstającego ciepła, podłoże może zawierać warstwę aluminiową.
Budowa źródła światła LED zależy od jego przeznaczenia. Na płytce PCB na ogół są montowane diody LED z odpowiednimi rezystorami, a układ ma wyprowadzane właściwe złącza do podłączenia napięcia czy otwory montażowe pozwalające na umieszczenie go w oprawie. Niekiedy powstający element może być otoczony powłoką z tworzywa sztucznego zapewniającą wodoodporność i stanowiącą ochronę przed zanieczyszczeniami. Szczególnym rodzajem LED-owych źródeł światła są elastyczne taśmy LED – są one zasilane napięciem stałym 12 albo 24 V, wymagają więc stosowania właściwego zasilacza. Dla łatwego montażu taśmy LED mają naniesioną na spodzie warstwę klejącą zabezpieczoną osłonką, dzięki czemu można je łatwo przyklejać do odpowiedniego podłoża. Warstwa zewnętrzna może być zabezpieczona powłoką silikonową albo specjalną, hermetycznie zamykaną osłonką.