Svetlobna dioda (LED): delovanje, vrste in uporaba

Vse o LED: delovanje, vrste, barve, poraba in uporaba v razsvetljavi, avtomobilih ter zaslonih. Prihranki, življenjska doba in nasveti za izbiro prave LED žarnice.

Svetlobna dioda (LED) je polprevodniška naprava, ki iz električne energije proizvaja svetlobo. Svetleče diode imajo dolgo življenjsko dobo in se ne zlomijo zlahka (v primerjavi z žarnicami z žarilno nitko). Proizvajajo lahko veliko različnih barv. So učinkovite - večina energije se pretvori v svetlobo in ne v toploto.

Svetlobna dioda je vrsta diode, ki daje eno barvo svetlobe, ko se skozi njo pošilja elektrika v pričakovani smeri (električno usmerjena v smeri naprej). Ta učinek je vrsta elektroluminiscence.

Barva svetlobe je odvisna od kemične sestave uporabljenega polprevodniškega materiala in je lahko skoraj ultravijolična, vidna ali infrardeča. Barva vpliva na to, koliko električne energije porabi dioda LED. Bela svetleča dioda ima v notranjosti dve ali tri svetleče diode različnih barv. Nekatere bele svetleče diode imajo v notranjosti eno enobarvno svetlečo diodo (navadno modro) v kombinaciji s fosforjem, ki to enobarvno svetlečo diodo pretvori v belo.

Svetlobne diode se uporabljajo na številnih mestih. So barvne kontrolne lučke na številnih elektronskih napravah, lahko se uporabljajo za izdelavo svetlih reklamnih napisov, zavornih luči na nekaterih novejših avtomobilih, v televizorjih in v zadnjem času tudi v žarnicah za dom. Bele diode LED, ki so dovolj svetle za osvetlitev prostorov, so običajno dražje od navadnih žarnic, vendar trajajo dlje in porabijo manj električne energije.

Svetlobnih diod LED, ki same ustvarjajo svetlobo, ne smete zamenjevati z zasloni LCD, ki blokirajo svetlobo. Nekateri zasloni združujejo obe tehnologiji in za osvetlitev zaslona LCD uporabljajo diode LED.

Danes so nekatere svetleče diode SMD (surface-mount devices), zato so lahko zelo majhne.

Kako LED deluje

Svetlobna dioda temelji na p-n spoju v polprevodniku. Ko je dioda v smeri naprej polarizirana (pozitivni potencial na p-strani in negativen na n-strani), se elektroni in luknje združujejo v območju prehoda. Ta recombinacija sprošča energijo v obliki fotonov — torej svetlobe. Ta pojav imenujemo elektroluminiscenca.

Energetska razlika med pasovi (band gap) določena s kemično sestavo materiala vpliva na energijo izdanih fotonov — torej na barvo svetlobe. Zato različni materiali (npr. GaAs, GaP, InGaN) dajejo rdečo, zeleno, modro ali infrardečo svetlobo. Pri belih LED se pogosto uporabi modra die z nanosom fosforja, ki spreminja del modre svetlobe v rumeno in skupaj da vtis bele barve.

Osnovne tehnične značilnosti

• Napetost v smeri naprej (Vf): znaša običajno od ~1,2 V za infrardeče do 3,0–3,6 V za modre/bele LED (odvisno od vrste).
• Tok: indikatorji delujejo pri nekaj miliamperih, standardne majhne LED pri ~20 mA, močne "power" LED pa pri več sto miliamperih do amperih (zahtevajo ustrezno hlajenje).
• Svetilnost in učinkovitost: merjena v lumenih (lm) ali svetilnosti na tok; LED imajo visoko učinkovitost in dobro pretvorbo električne energije v svetlobo (lm/W).
• Barvna temperatura in barvni prikaz (CRI): za bele LED se navaja barvna temperatura v kelvinih (npr. topel 2700–3000 K, nevtralen 4000 K, hladen 5000–6500 K) in indeks barvnega upodabljanja (CRI), ki kaže kakovost reprodukcije barv.
• Življenjska doba: pogosto 15.000–100.000 ur, pri čemer proizvajalci navedejo L70 (čas do 70 % začetne svetilnosti).

Vrste LED

Obstaja več oblik in tehnologij LED:

• Indikatorske LED (majhne diodice v ohišjih 3 mm, 5 mm) za kontrolne lučke.
• SMD LED (surface-mount devices) — ploščice, ki se prilegajo neposredno na tiskana vezja; zelo razširjene v potrošniški elektroniki in razsvetljavi.
• Power LED — močne diode za osvetljevanje, pogosto na območjih z natančnim odvodom toplote.
• COB (Chip On Board) — več čipov na majhnem substratu, dajejo visoko gostoto svetlobe in enakomerno razsvetljavo.
• RGB in RGBW LED — kombinirajo rdečo, zeleno in modro (ter včasih belo) za nastavljanje barv z mešanjem.
• Infrardeče in ultravijolične LED — uporabljene v daljinskih upravljalnikih, IR kamerah, medicini, sušenju, UV LED pa za utrjevanje/adhezije, sterilizacijo (UV-C) in detekcijo.

Naprave za napajanje in upravljanje

LED so napajalno občutljive na tok, zato se pogosto uporabljajo:

• serijski upor pri nizkih napetostih in indikatorjih;
• konstantno tokovni driverji za močne LED in svetilke — zagotavljajo stabilen tok ne glede na nihanja napetosti;
• PWM zatemnjevanje (pulzno širinska modulacija) — pogosto uporablja za zatemnjevanje brez spreminjanja barvne temperature;
• napetostni driverji za LED trakove in modularne sisteme.

Toplotno upravljanje

Čeprav LED proizvedejo manj toplote kot žarnice z žarilno nitko, se močne LED pri visokem toku segrevajo. Prekomerna temperatura skrajša življenjsko dobo in zmanjša svetilnost. Zato so pomembni hladilniki, ustrezno ohišje in termični vmesniki. Pri načrtovanju osvetlitve je treba upoštevati termalno upornost in maksimalno dovoljeno temperaturo čipa.

Uporaba

LED se uporabljajo praktično povsod:

• osnovne kontrolne lučke in indikatorji;
• osvetlitev notranjih prostorov in zunanja javna razsvetljava;
• avtomobilska razsvetljava (žarometi, zavorne luči, notranje luči);
• zasloni (LED-matrike, OLED pa so druga tehnologija) in televizorji;
• reklamni napisi in prometni znaki;
• industrijski procesi, kmetijstvo (rastlinska LED osvetlitev z določenimi valovnimi dolžinami), medicinske naprave, UV-sterilizacija in polimerizacija;
• daljinsko upravljanje in komunikacija (IR LED).

Prednosti in slabosti

• Prednosti: visoka učinkovitost (lm/W), dolga življenjska doba, hitro vklapljanje/izklapljanje, nizka občutljivost na tresljaje, možnost barvnega upravljanja, manjša poraba energije, običajno brez živega srebra.
• Slabosti: začetni stroški pri zamenjavi klasičnih svetilk, potreba po primernem napajanju in hlajenju, možna modra svetloba (out-of-spectrum) pri nizkokakovostnih belih LED, občutljivost na temperaturo, v nekaterih primerih utripanje pri slabi zasnovi napajanja.

Varnost in okolje

Pri visokosvetilnih LED velja previdnost: neposredno gledanje v močne LED lahko poškoduje oči, zlasti zaradi modrega spektra. Za aplikacije, kjer je izpostavljenost oči pomembna (luči, žarometi, laserji), je priporočljiva uporaba zaščitnih ukrepov in pravilnih leč.

Okoljsko so LED ugodnejše, ker porabijo manj energije in pogosto vsebujejo manj škodljivih snovi kot nekatere stare tehnologije. Vendar lahko fosforni premazi in redke zemeljske snovi v materialih zahtevajo reciklažo — zato je pri veliki količini odpadnih svetilk smiselno upoštevati lokalne predpise o ravnanju z električno in elektronsko opremo.

Praktični nasveti za uporabo

• Za zamenjavo klasične žarnice izberite LED z ustrezno svetilnostjo (lumen) in barvno temperaturo.
• Pri zamenjavi preverite, ali je razsvetljava primerno hlajena in ali je napajanje združljivo z LED (ne uporabljajte neustreznih transformatorjev za halogenske luči brez preverjanja).
• Uporabljajte kakovostne drviverje, da se izognete utripanju in skrajšanju življenjske dobe.
• Pri montaži močnih LED zagotovite dober kontakt s hladilnikom ter pravilno montažo in izolacijo.

Zaključek

Svetlobne diode LED so vsestranska in učinkovita svetlobna tehnologija, primerna za številne aplikacije — od majhnih indikatorjev do močne splošne razsvetljave. Pri načrtovanju in uporabi je pomembno upoštevati električne in termične zahteve, kakovost svetlobe (CRI, barvna temperatura) ter varnostne ukrepe za zaščito oči in dolgo življenjsko dobo naprav.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je svetleča dioda (LED)?

V: Kako dolgo trajajo svetleče diode?

V: Kakšne barve lahko proizvajajo diode LED?

V: Kako barva svetleče diode vpliva na porabo energije?

V: Kako delujejo bele svetleče diode?

V: Kje se uporabljajo svetleče diode?

Išči po črki