Světelné diody (LED) jsou účinné polovodiče, které generují světlo procesem známým jako elektroluminiscence. Jsou menší, mají delší životnost a jsou spolehlivější než žárovky nebo zářivky. S aplikacemi v osvětlení, displejích a specializovaných oborech nabízejí LED diody vysoký výkon a úsporu energie. Tento článek poskytuje informace o tom, jak LED diody fungují, jejich charakteristikách, životnosti a pokročilých typech.
Bod 3. Elektrické vlastnosti LED
Bod 4. Světelný výkon a účinnost LED
Bod 5. Barva LED a kvalita podání
Kapitola 10. Specializované typy LED
Kapitola 11. Závěr
Č. 12. Často kladené dotazy [FAQ]
Přehled LED
Světelná dioda (LED) je polovodičové zařízení, které generuje světlo, když jím protéká proud v dopředném směru. Na rozdíl od klasických žárovek, které svítí zahříváním vlákna, nebo zářivek, které se spoléhají na buzení plynu, LED diody fungují prostřednictvím elektroluminiscence, přímé emise fotonů, když se elektrony rekombinují s dírami uvnitř polovodiče. Díky tomuto procesu jsou mnohem efektivnější a spolehlivější než starší technologie. LED diody vynikají kompaktním designem, dlouhou životností, odolností proti nárazům a vibracím a minimální spotřebou energie.
Emise světla v polovodičích
Tento obrázek vysvětluje proces vyzařování světla v polovodičích, což je princip fungování LED diod. Když je polovodič buď elektrickým proudem nebo optickou injekcí, elektrony se pohybují z valenčního pásma do vodivého pásma, čímž vzniká oddělení mezi elektrony a dírami. Tento energetický rozdíl se nazývá zakázaný pás (Eg).
Jakmile je elektron ve vodivém pásmu excitován, nakonec se znovu spojí s dírou ve valenčním pásmu. Během tohoto procesu rekombinace se ztracená energie uvolní ve formě fotonu. Energie emitovaného fotonu přesně odpovídá zakázanému pásu materiálu, což znamená, že vlnová délka (nebo barva) světla závisí na zakázaném pásmu polovodiče.
Elektrické vlastnosti LED
| Barva LED | Napětí v propustném směru (Vf) | Proud v Propustném Směru (mA) | Poznámky |
|---|---|---|---|
| Červená | 1,6 – 2,0 V | 5 – 20 mA | Nejnižší Vf, vysoká účinnost |
| Zelená | 2,0 – 2,4 V | 5 – 20 mA | Mírně vyšší Vf |
| Modrá | 2,8 – 3,3 V | 5 – 20 mA | Vyžaduje více napětí |
| Bílá | 2,8 – 3,5 V | 10 – 30 mA | Vyrobeno s modrou LED + fosforovým povlakem |
Světelný výkon a účinnost LED
| Světelný zdroj | Účinnost (lumeny na watt) | Poznámky |
|---|---|---|
| Žárovka | \~10–15 lm/W | Většina energie se ztrácí jako teplo |
| Halogenová žárovka | \~15–25 lm/W | O něco lepší než žárovka |
| Zářivka | \~50–100 lm/W | Vyžaduje předřadník, obsahuje rtuť |
| Kompaktní zářivka (CFL) | \~60–90 lm/W | Provedení Small FormFactor, které se postupně vyřazuje |
| Moderní LED | 120–200 lm/W | K dispozici ve spotřebitelském osvětlení |
| Špičkové LED prototypy | 250–300+ lm/W | Laboratorně testováno, ukazuje budoucí potenciál |
Barva LED a kvalita vykreslování
Korelovaná teplota barev (CCT)
• Teplá bílá (2700 K – 3500 K): Vytváří nažloutlou záři, která se nejlépe hodí do obývacích pokojů, restaurací a útulných interiérů.
• Neutrální bílá (4000K–4500K): Vyvážená a pohodlná, často používaná v kancelářích, učebnách a maloobchodních prostorách.
• Studená bílá (5000K–6500K): Ostré, namodralé světlo podobné dennímu světlu, vynikající pro venkovní osvětlení, dílny a prostředí s náročnými úkoly.
Index podání barev (CRI)
• CRI ≥ 80: Vhodné pro osvětlení domácností a komerčních prostor.
• CRI ≥ 90: Vyžadováno v oblastech vyžadujících přesné posouzení barev, jako jsou umělecká studia, zdravotnická zařízení a luxusní maloobchod.
Životnost LED a údržba lumenů
Standard L70
Životnost LED je měřena standardem L70. Tato hodnota představuje počet provozních hodin, než světelný výkon LED klesne na 70 % svého původního jasu. V tomto okamžiku je LED stále funkční, ale již neposkytuje zamýšlenou kvalitu osvětlení. L70 zajišťuje konzistentní způsob porovnávání výkonu LED mezi různými výrobci.
Životnost LED
• Spotřebitelské LED diody: 25 000 – 50 000 hodin používání.
• Průmyslové LED diody: 50 000 – 100 000+ hodin, určené pro drsnější podmínky a vyšší pracovní cykly.
Řízení teploty LED
Teplota přechodu (Tj)
Teplota přechodu je vnitřní teplota v bodě, kde je uvnitř LED čipu generováno světlo. Výrobci specifikují bezpečný provozní rozsah pod 125 °C. Pokud je tato hodnota překročena, sníží se jas, účinnost a životnost LED. Udržování nízké hodnoty Tj zajišťuje, že LED může splnit svůj jmenovitý výkon.
Tepelná cesta mezi křižovatkou a okolním prostředím
Teplo produkované uvnitř LED musí putovat ze spoje do okolního vzduchu. Tato cesta se nazývá cesta junction-to-ambient. Konstruktéři měří jeho účinnost pomocí tepelného odporu (RθJA), vyjádřeného ve °C/W. Nižší tepelný odpor znamená, že teplo se přenáší efektivněji, udržuje LED chladnější a stabilnější.
Metody chlazení
• Chladiče - Hliníková žebra absorbují a šíří teplo pryč od LED.
• Tepelné průchody - Malé pokovené otvory v desce plošných spojů vedou teplo z LED podložky do měděných vrstev.
• Desky plošných spojů s kovovým jádrem (MCPCB) - Tyto desky se používají ve vysoce výkonných LED diodách a mají kovovou základnu, která efektivně přenáší teplo.
• Aktivní chlazení – Ventilátory nebo systémy kapalinového chlazení se používají v náročných prostředích, jako jsou projektory, osvětlení stadionů nebo průmyslová zařízení.
Způsoby jízdy LED
Ovladače konstantního proudu
Budič konstantního proudu udržuje proud LED stabilní, i když napájecí napětí kolísá. Jedná se o nejspolehlivější způsob napájení LED diod, protože zabraňuje tepelnému úniku a udržuje konzistentní světelný výkon. Vysoce kvalitní ovladače často obsahují ochranu proti zkratu, přepětí a přehřátí.
PWM stmívání
Pulzně šířková modulace (PWM) řídí jas zapínáním a vypínáním LED diod při velmi vysokých rychlostech. Úpravou pracovního cyklu (poměr doby zapnutí a vypnutí) se vnímaný jas plynule mění. Protože spínací frekvence je nad detekčním rozsahem lidského oka, světlo se jeví jako stálé. Špatně navržené systémy s nízkofrekvenčním PWM mohou způsobit viditelné blikání, což vede k únavě očí nebo artefaktům fotoaparátu.
Analogové stmívání
Při analogovém stmívání se jas upravuje změnou amplitudy proudu protékajícího LED diodou. Tato metoda zabraňuje problémům s blikáním, ale může mírně posunout barvu LED diody, zejména při velmi nízkých úrovních jasu. Analogové stmívání je v pokročilých systémech často kombinováno s PWM, aby bylo dosaženo plynulého ovládání barev a přesné regulace jasu.
LED obaly a optika
LED diody pro zařízení pro povrchovou montáž (SMD)
SMD LED diody jsou nejpoužívanějším typem v moderním osvětlení. Montují se přímo na desku plošných spojů a dodávají se ve standardních velikostech, jako jsou 2835 a 5050. SMD LED diody poskytují dobrou účinnost a flexibilitu, takže jsou nejlepší pro LED pásky, domácí žárovky a panelová světla. Jejich kompaktní velikost umožňuje snadnou integraci do tenkých a lehkých přípravků.
LED diody Chip-on-Board (COB)
Balíčky COB montují více LED matric přímo na jeden substrát, čímž se vytváří hustý zdroj světla. Tento design nabízí vyšší jas, plynulejší světelný výkon a snížené oslnění ve srovnání s jednotlivými SMD. COB LED se nacházejí v reflektorech, stropních svítidlech a vysoce výkonných lampách, kde je vyžadováno silné směrové osvětlení.
LED diody balíčku CSP (Chip-Scale Package)
Technologie CSP eliminuje objemné obaly a snižuje LED diodu na téměř stejnou velikost jako samotný polovodičový čip. To umožňuje menší, efektivnější a tepelně stabilní konstrukce. CSP LED diody jsou široce používány v automobilových světlometech, podsvícení smartphonů a zobrazovacích panelech, kde je vyžadována kompaktnost a odolnost.
Optika a řízení paprsku
Surové světlo z LED pouzdra není vždy vhodné pro přímé použití. K tvarování a směrování světla používají návrháři optické prvky, jako jsou čočky pro zaostření nebo šíření světla. Reflektory pro přesměrování a řízení úhlů paprsku. Difuzory pro měkké, rovnoměrné osvětlení.
Specializované typy LED
UV LED diody
Vyzařují ultrafialové světlo pro sterilizaci, vytvrzování lepidla a detekci padělků. Bezpečná, kompaktní alternativa ke rtuťovým UV lampám.
IR LED diody
Vytvářejte neviditelné infračervené světlo pro dálkové ovladače, noční vidění a biometrické systémy. Efektivní a široce používaný v elektronice a bezpečnosti.
OLED
Tenké, flexibilní organické LED diody se používají v chytrých telefonech, televizorech a nositelných zařízeních. Poskytují živé barvy a kontrast, ale mají kratší životnost.
Mikro-LED diody
Displeje nové generace nabízejí jasnější, efektivnější a trvanlivější výkon než OLED. Nejlepší pro AR/VR, televizory a chytré hodinky.
Laserové diody
Polovodičová zařízení, která vytvářejí koherentní svazky s vysokou intenzitou. Používá se v optických vláknech, skenerech, lékařských nástrojích a laserových ukazovátkách.
Závěr
LED diody se vyvinuly do všestranných komponent používaných v osvětlení, displejích a pokročilých technologiích. Jejich účinnost, odolnost a ovladatelnost je odlišují od starších světelných zdrojů. Specializované formy, jako jsou UV, IR, OLED a micro-LED, ještě více rozšiřují svou roli. Díky neustálému zlepšování zůstávají LED diody ústředním bodem budoucnosti udržitelných a vysoce výkonných osvětlovacích systémů.
Často kladené dotazy [FAQ]
1. čtvrtletí. Z jakých materiálů jsou LED diody vyrobeny?
LED diody jsou vyrobeny z polovodičů, jako je arsenid galia (GaAs), fosfid galia (GaP) a nitrid galia (GaN).
2. čtvrtletí. Proč LED diody potřebují rezistory?
Rezistory omezují tok proudu a chrání LED diody před vyhořením.
3. čtvrtletí. Jak se vyrábějí bílé LED diody?
Bílé LED diody používají modrý LED čip se žlutým fosforovým povlakem k vytvoření bílého světla.
4. čtvrtletí. Proč LED diody v průběhu času mění barvu?
LED diody posouvají barvu v důsledku degradace tepla a materiálu a také degradace fosforu.
5. čtvrtletí. Mohou LED diody fungovat v extrémních prostředích?
Ano. Při správném designu mohou LED diody běžet ve velmi chladných, horkých, vlhkých nebo prašných podmínkách.
6. čtvrtletí. Jak se testuje životnost LED?
LED diody jsou testovány na tepelné, vlhkostní a elektrické namáhání, aby se odhadla životnost.