Da biste razumjeli što je LED, prvo morate razumjeti njegovu općeprihvaćenu oznaku, koja je na engleskom predstavljena kao LED. Prevedeno, to doslovno znači "emitiranje malih LED-ova". S tehničkog stajališta to su poluvodički uređaji koji pretvaraju električnu struju u zračenje vidljivim svjetlom. Ovaj se najjednostavniji proizvod po svom izgledu i uređaju znatno razlikuje od tipičnih rasvjetnih uređaja: žarulje sa žarnom niti i slično.
Povijest nastanka
Uređaj i princip rada LED odašiljača lakše je razumjeti ako se upoznate s pozadinom njihove pojave. Ovaj zračeći proizvod prvi je put rođen 1962. godine u obliku jednobojne crvene diode. Unatoč brojnim nedostacima, njegova tehnologija proizvodnje prepoznata je kao obećavajuća. Desetljeće nakon demonstracije uzorka crvene, zelene i žute LED diode predstavljene su široj javnosti. Zbog niskog povrata, ovi su se proizvodi uglavnom koristili unutar kuće kao pokazatelji na prednjim pločama kućanskih elektroničkih uređaja.
S vremenom se intenzitet sjaja nekoliko puta povećavao, a 90-ih godina prošlog stoljeća bilo je moguće napraviti uzorak sa svjetlosnim tokom jednakim 1 lumenu. Japanskog inženjera S. Nakamura 1993. stvorio je prvu plavu diodu u povijesti koja je imala visoku razinu svjetline. Od tog trenutka njihovi su programeri naučili dobivati bilo koju boju vidljivog spektra, uključujući i bijelu.
Zbog izvanrednih karakteristika LED proizvoda, s vremenom su postali ozbiljan konkurent žaruljama sa žarnom niti koje su mnogima poznate.
Od 2005. godine industrija je ovladala proizvodnjom bijelih LED dioda sa svjetlosnim tokom do 100 lm ili više. Pored toga, naučili smo kako napraviti osvjetljujuće elemente s raznim nijansama bijele boje ("toplo", "hladno" i drugi sjaji).
Uređaj i princip stvaranja zračenja
Da biste razumjeli kako je LED organiziran, prije svega, potrebno je uzeti u obzir nekoliko točaka u vezi s njegovim dizajnom:
- osnova LED elementa je poluvodički kristal, koji prolazi strujom samo u jednom smjeru;
- klasični LED uređaj pretpostavlja prisutnost izolacijske podloge;
- stakleni dio diode pouzdano štiti kristal od vanjskih utjecaja, a ujedno je i element raspršivanja;
- Na stražnjoj strani kućišta nalaze se dva kontakta na koja se napaja LED snaga.
Kako bi se povećalo vrijeme reakcije odašiljača, prostor između leće za raspršavanje i samog kristala napunjen je prozirnim silikonskim spojem.
U strukturi nekih LED-ova predviđena je posebna aluminijska podloga koja je baza uređaja i istodobno uklanja višak topline iz nje.
Princip rada LED-a lakše je razumjeti ispitivanjem poluvodičkog spoja, koji profesionalci nazivaju prijelazom elektrona-rupa. Ime mu je povezano s različitom prirodom glavnih nosača u pograničnom sloju dviju struktura. U jednom poluvodiču postoji višak elektrona na granici dodira, a u materijalu koji se nalazi uz njega nalaze se višak rupa. U procesu proizvodnje poluvodičkog spoja, oni prodiru u susjedni sloj, tvoreći potencijalnu barijeru koja sprečava njihovu obrnutu pristranost.Izravni napon na LED tijekom rada ovisi o širini prijelaza.
Kad se potencijal danog polariteta i vrijednost koju generira izvor istosmjerne struje dovede do diode, moguće je pomaknuti prijelaz u željenom smjeru. To će dovesti do njegovog otvaranja i pojave suprotnog protoka čestica suprotnih naboja. Kad se sudaraju na prijelaznim granicama, ispuštaju se kvante svjetlosne energije - fotoni. Ovisno o brzini ponavljanja tih impulsa, zračenje poprima određenu boju.
Što određuje boju LED-a
U proizvodnji LED dioda koriste se razne vrste poluvodičkih materijala, čiji izbor određuje nijansu boje koju emitiraju.
Sposobnost razlikovanja boje urođeno je svojstvo ljudskog oka, sposobno je s velikom točnošću uhvatiti njegove gradacije. Neraskidivo je povezana s valnom duljinom kvantnog zračenja koju nose elektromagnetski valovi određene frekvencije. U tom se slučaju svjetlosni impulsi formiraju na granici poluvodičkog prijelaza LED-a.
U proučavanju svojstava različitih poluvodiča u ranoj fazi svog proučavanja, znanstvenici su identificirali materijale poput galij-fosfida, kao i ternarne spojeve AlGaAs i GaAsP. Pri njihovoj uporabi bilo je moguće dobiti crveno i žuto-zeleno zračenje. Danas se za dobivanje različitih kombinacija boja koriste složenije kombinacije aluminija s indijumom i galijem (AllnGaP) ili galijevim indijskim nitridom (InGaN). Ovi poluvodiči su u stanju izdržati značajne struje, što im omogućuje primanje velike svjetlosne snage.
Tehnika miješanja boja
Suvremene diodne vrpce i LED modularni klasteri mogu emitirati različite nijanse svjetlosnog raspona. S obzirom da jedan prijelaz tvori jednobojno zračenje, za stvaranje višebojnog sjaja bit će potreban uređaj s više čipova. Ovaj složen proizvod djeluje poput monitora računala, na kojem je moguće dobiti gotovo bilo koju nijansu (za to se koristi poseban RGB modul).
Korištenjem ovog principa formiranja sjene, bilo je moguće dobiti bijeli sjaj, na primjer, široko korišten u LED reflektorima. Da biste to učinili, sve tri izvorne ili osnovne boje pomiješane su u jednakim omjerima.
Također je moguće dobiti kombinacijom diodnih struktura ultraljubičastog ili plavog zračenja sa žutim premazom fosfora.
Značajke proizvodnje LED-ova
Da biste razumjeli kako se izrađuju LED-ovi, morat ćete se upoznati sa strukturnim značajkama u smislu tehnologija koje se koriste u proizvodnji. Stoga se pri razmatranju specifičnosti njihove proizvodnje prvenstveno uzimaju u obzir sljedeće točke:
- specifična metoda oblikovanja boje zračenja (matrica ili fosfor);
- za koliko su volti LED osmišljeni i koliko struje mogu izdržati;
- koja tehnologija omogućava postizanje najbolje kvalitete sjaja i jeftinija je.
Izrada čipova u matričnom krugu koštat će proizvođača više, što se isplati zračenjem visoke kvalitete. Nedostaci fosfora uključuju i slabo svjetlo, kao i ne sasvim čisto zračenje u boji. Pored toga, imaju manji radni resurs i često ne uspijevaju.
U proizvodnji jednostavnih indikatorskih dioda s izravnim naponom od 2-4 Volta, njihov se prijelaz izračunava za male struje (do 50 mA). Za izradu visokokvalitetnih rasvjetnih uređaja i LED krugova mosta bit će potrebni uređaji s velikim indikatorima struje (do 1 Ampere). Ako su u jednom modulu diode povezane serijski, ukupni napon u njihovim spojnicama doseže 12, pa čak i 24 volta.Kod proizvodnje proizvoda plus svakog LED-a označen je na poseban način (na odgovarajućoj nozi izrađena je mala izbočina).
Opseg i upravljanje luminiscencijom
Zbog raznolikosti modifikacija, LED proizvodi se široko koriste u različitim područjima:
- npr. u proizvodnji štednih svjetiljki ugrađenih u tipični luster, primjerice, ili u uobičajeni zidni zid;
- za uporabu kao iluminatora u široko rasprostranjenim minijaturnim svjetiljkama, kao i u većim strukturama kao što su "turističke svjetiljke za kampiranje";
- ako je potrebno, dekorativno osvjetljenje soba u obliku dugih vrpci s različitim bojama.
Njihova uporaba je zbog stupnja otpornosti uređaja na utjecaje klimatskih čimbenika, ocijenjeno razredom zaštite proizvoda. Ovisno o dizajnu, koriste se samo u zatvorenom prostoru ili mogu raditi na otvorenim prostorima (posebno kao dizajn za panoe ili LED kišu).
Razinu svjetline možete kontrolirati u običnoj svjetiljci ili lusteru na različite načine. Za to se najčešće koriste posebni elektronički sklopovi za moduliranje amplitude i drugih parametara svjetlosnih impulsa. Radi praktičnosti rada s kućanskom opremom, takav modul izrađen je u obliku tipične upravljačke ploče.
