Diody elektroluminescencyjne

W przeszłości diody elektroluminescencyjne były głownie stosowane jako wskaźniki świetlne, którym nie stawiano wysokich wymagań technicznych. Mały strumień świetlny, zbyt niska ilość strumienia świetlnego sprawiały, że wachlarz zastosowań tych źródeł światła był bardzo wąski. Na ich podstawie konstruowano wyświetlacze numeryczne, wskaźniki świetlne. Były również stosowane w konstrukcjach opraw ewakuacyjnych oraz w sygnalizatorach drogowych.

Burzliwy rozwój technologii w końcu XX wieku doprowadził do powstania nowych źródeł światła barwy białej. Wkroczyły one na obszar wcześniej zarezerwowany przez żarówki, lampy fluorescencyjne oraz wyładowcze. Półprzewodnikowe źródła światła jakimi są diody LED z powodzeniem wypierają tradycyjne. Kolorowe diody były kolejnym krokiem milowym w rozwoju tego obszaru techniki. Dzięki m.in. małym gabarytom, wysokiej skuteczności świetlnej, niskiemu poziomowi zużycia energii, żywotności ponad 50 tys. godzin oraz odporności mechanicznej diody mogą stać się ciekawą alternatywą dla innych źródeł światła.

Eksperci przewidują, że diody elektroluminescencyjne będą miały rewolucyjny wpływ na całą branżę oświetleniową oraz zmniejszający się poziom zużycia energii w celach oświetleniowych. Technologia diod LED umożliwia produkcję źródeł światła o wysokiej skuteczności świetlnej co skutkuje zwiększeniem produkcji opraw oświetleniowych w oparciu o półprzewodniki.

Popularnym obszarem zastosowań diod staje się oświetlenie miejscowe. Są to głownie oprawy akcentujące elementy wnętrza lub dostarczające kolorowych efektów świetlnych. Są również stosowane m.in. przy doświetlaniu stanowiska pracy. W ofercie producentów sprzętu oświetleniowego jest sporo opraw oświetlenia miejscowego z wykorzystaniem diod LED jednak ciekawą alternatywą dla ich produktów będzie lampa, której projekt przedstawiono w tej pracy.

Historia diod LED (rys historyczny)

Pierwsza dioda LED została skonstruowana w 1967 roku. Była to dioda wykonana z GaAsP i emitowała jedynie promieniowanie o barwie czerwonej. Innym materiałem stosowanym do produkcji diod LED jest GaP. W zależności od domieszkowania, diody wykonane z tego materiału emitują promieniowane o innych barwach. W 1993 roku Japończyk Szuji Nakamura z Nichia Chemical Industries Ltd., skonstruował niebiskie diody LED. W 1997 r. zastosowany został w nich luminofor, dzięki czemu otrzymano diody LED emitujące promieniowane o barwie białej.

Obecnie głównymi kierunkami rozwoju diod LED są super jasne diody niebieskie, białe diody LED oraz diody nadfioletowe (UV). Perspektywicznie dziedziną, w której białe diody LED znajdą największe zastosowanie jest oświetlenie ogólne, ponieważ tam mogą one zastąpić konwencjonalne źródła światła

Diody LED emitują promieniowanie o barwie białej poprzez zmieszanie ze sobą trzech kolorów (czerwonego, zielonego i niebieskiego) lub przez zmieszanie promieniowania niebieskiej diody LED z promieniowaniem pochodzącym z pobudzonego do świecenia luminoforu generującego światło w zakresie barwy żółtej [1].

Budowa diod LED

Dioda luminescencyjna (dioda świecąca LED) jest elementem półprzewodnikowym, którego zasada działania opiera się na właściwości wykorzystania cech złącza p – n spolaryzowanego w kierunku przewodzenia.

Emisja promieniowania w diodzie jest efektem rekombinacji ładunków w złączu p – n i ma dokładnie określone widmo częstotliwościowe. Diody świecące LED (Light Emitting Diode) emitują promieniowanie (fotony) pod wpływem przepływu przez nie prądu w kierunku przewodzenia tj. od warstwy p do warstwy n. Nośniki prądu uzyskują energię elektryczną ze źródła zewnętrznego [2].
Poniższy rysunek (rys. 1) przedstawia konstrukcję diody LED.

Rys. 1 Budowa diody LED [3]

Działanie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pseudo-pęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu.

Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym polegającym na emitowaniu przez materię promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego, które dla pewnych długości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe. W diodzie LED mamy do czynienia z tzw. elektroluminescencją, przy wytworzeniu której źródłem energii pobudzającej jest prąd elektryczny dostarczony z zewnątrz, czasami pole elektryczne. Najefektywniejsza elektroluminescencja w półprzewodniku powstaje w wyniku rekombinacji swobodnych nośników ładunku w złączu p-n, gdy jest ono spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Zjawiska przeszkadzające elektroluminescencji to pochłanianie wewnętrzne i całkowite odbicie wewnętrzne. Długość fali generowanego promieniowania [3]

gdzie:
λ – długość fali;
c – prędkość światła w próżni;
h – stała Plancka;
wg – szerokość warstwy zabronionej.

Emisja promieniowania diody LED zachodzi w dość wąskim przedziale długości fali. Długość fali odpowiadająca maksimum charakterystyki widmowej diody świecącej jest nazywana „dominującą” długością fali często oznaczoną literą d. Wartość d określa barwę świecenia diody LED i zależy od materiału półprzewodnikowego. Materiał półprzewodnikowy może mieć różny skład i różne domieszki, dzięki czemu dioda może być źródłem promieniowania zarówno z obszaru widzialnego jak i niewidzialnego.
Kilka podstawowych LED-ów o różnym materiale półprzewodnika:

• GaAs (arsenek galu) – emituje w paśmie podczerwieni i czerwieni 650 – 950 nm;
• GaAsP (arsenofosforek galu) – emituje w zakresie 590 – 630 nm;
• GaN (azotek galu) – świeci na niebiesko 430 nm;
• Inga/YAG (azotek indowogalowy) – daje światło białe 380 – 760 nm.

Rysunek 2 przedstawia długość fali emitowanej przez diodę w zależności od materiału z jakiego została wytworzona.

Rys. 2 Długość fali emitowanej przez diodę w zależności od rodzaju materiału [4]

Intensywność świecenia diody zależy od wielkości natężenia prądu płynącego przez diodę, przy czym prąd ten waha się od kilku do kilkunastu miliamperów.

Dioda zawiera dwa obszary półprzewodnika, dwa zetknięte ze sobą kryształy. W jednym obszarze n dzięki dobraniu materiału i domieszek elektrony znajdują się w stanie wyższym czyli mają wyższą energię, w drugim materiale tworzącym tzw. obszar p elektrony znajdują się w niższym stanie i mają niższą energię. Dołączenie do diody zewnętrznego napięcia wymusza ruch elektronów. Gdy elektrony o wyższej energii przechodzą do obszaru o niższej energii oddają część swojej energii w postaci kwantu promieniowania elektromagnetycznego [2].

Głównymi kierunkami rozwoju diod LED są diody nadfioletowe (UV), super jasne diody niebieskie oraz diody białe LED. Perspektywistycznie dziedziną, w której białe diody LED znajdą zastosowanie jest oświetlenie ogólne, ponieważ powoli wypierają one z rynku konwencjonalne źródła światła. 

Zastosowanie diod LED w technice świetlnej

Cechy diod LED wpływające na szerokie zastosowanie w technice świetlnej:

• Niskie zużycie energii elektrycznej. Diody świecące LED, to wysokowydajne źródło kolorowego światła. Diody LED, jako przyrządy półprzewodnikowe, bezpośrednio zamieniają energię elektryczną na promieniowanie świetlne (w procesie tzw. rekombinacji promienistej). Sprawność tej przemiany jest bardzo wysoka (bliska 100%). Niestety nie wszystkie kwanty światła zdołają opuścić kryształ półprzewodnika (część ulegnie pochłonięciu poprzez sieć kryształu i podniesie temperaturę półprzewodnika).
• Wysoki wskaźnik oddawania barw (diody białe).
• Brak promieniowania nadfioletowego i podczerwonego. Widmo diod świecących LED (wyjąwszy elementy specjalistyczne, tj.: emitery IR i UV) nie zawiera szkodliwych (bo przyspieszających proces starzenia się oświetlanych przedmiotów) prążków podczerwieni i nadfioletu. Z tego względu diody LED są szczególnie cenione jako źródła światła oświetlające eksponaty muzealne.
• Różne barwy świecenia.
• Bardzo duża trwałość. Średnia, użyteczna trwałość diod świecących LED jest nawet kilkunastokrotnie wyższa niż popularnych lamp fluorescencyjnych i kilkudziesięciokrotnie wyższa niż zwykłych żarówek. Diody nie ulegają nagłemu wygaśnięciu, zmniejszają tylko stopniowo strumień emitowanego światła (np. kolor pomarańczowy o 50% w ciągu 50.000 - 70.000 godzin ciągłej pracy).
• Wysoka odporność na uszkodzenia mechaniczne oraz możliwość pracy w trudnych warunkach atmosferycznych. Diody LED w modułach podświetlających pracują poprawnie w bardzo szerokim zakresie temperatur otoczenia (od -300C do +650C). Dzięki zwartej budowie (świecący kryształ umieszczony jest w przeźroczystej zalewie) oraz z powodu braku części szklanych i żarników, moduły podświetlające są szczególnie odporne na uszkodzenia mechaniczne (wibracje, udary).
• Niskie napięcie zasilania. Układy zasilane są napięciem nie przekraczającym 24 VDC, zapewniona jest stabilizacja prądu diod z odpowiednią kompensacją termiczną (zabezpiecza to diody przed przegrzaniem oraz umożliwia uzyskanie powtarzalnego strumienia świetlnego niezależnie od odległości pomiędzy modułem LED a źródłem zasilającym).
• Bardzo małe w porównaniu do tradycyjnych źródeł wydzielanie ciepła. Wysoka sprawność energetyczna diod świecących LED sprawia, że tylko niewielka część energii elektrycznej zamienia się w ciepło (temperatura świecącej diody - w przemyślanych konstrukcjach - jest niewiele większa od temperatury otoczenia).
• Łatwe współdziałanie z systemami sterowania. Moduły z diodami świecącymi LED mogą być sterowane szybkozmiennymi sygnałami elektrycznymi. Umożliwia to łatwą i praktycznie bezstratną (przy wykorzystaniu modulacji PWM) regulację jasności modułów. Dzięki tej własności można uzyskać ciekawe efekty wizualne (np. pulsowanie światła, błyski itp.).
• Łatwy i wygodny montaż modułów podświetlanych. Diody LED są montowane na płytkach PCB. Płytki mogą być przykręcane (średnica otworu 3,5 mm) lub przyklejane (np. przy użyciu dwustronnej taśmy klejącej lub klejów silikonowych).
• Oszczędności w kosztach konserwacji.
• Możliwość częstego załączania.
• Małe wymiary.

Pierwsze barwne diody świecące w zastosowaniach zewnętrznych zostały wykorzystane w światłach samochodowych oraz sygnalizacji sterującej ruchem ulicznym. Są także używane jako źródła światła w sygnalizatorach wyjść ewakuacyjnych oraz znakach świetlnych. Mogą to być oprawy montowane w podłodze lub w przypodłogowym pasie ścian. Diody LED są także powszechnie używane do oświetlania miejscowego. Zastępują one coraz częściej tradycyjne źródła światła. Można je także spotkać w światłach rowerów oraz w latarkach.

Właściwości diod LED takie jak: niski pobór mocy, niska temperatura pracy, długa trwałość oraz możliwość ich sterowania, czynią z nich wspaniałe elementy do iluminacji zewnętrznej. W stosunku do dotychczas stosowanych w technice iluminacji lamp, umożliwiają dość proste wprowadzenie dynamiki zmian natężenia oświetlenia i barwy.

Kolorowe diody LED są stosowane do wytworzenia we wnętrzach specjalnych, często dynamicznych efektów barwnych. Różnobarwne diody LED zostały również wykorzystane w obiektach leczniczych i wypoczynkowych, w których wykorzystano ich właściwości do aranżowania w zależności od potrzeby atmosfery relaksującej.

Kolorowe diody LED znalazły również zastosowanie jako elementy dekoracyjne i akcentujące w pomieszczeniach wystawowych, sklepowych, reprezentacyjnych, muzeach, galeriach itp. Ze względu na brak promieniowania UV i IR możliwe okazało się podświetlenie obiektów z niedużych odległości bez narażenia na destrukcyjne działanie promieniowania [5].

Wygląd współczesnych diod oświetleniowych został przedstawiony na rys. 3:

Rys. 3 Współczesne diody oświetleniowe: a) moduł LUMO 1XR ALU, b) moduł m-LUMO 1XR-C CW [6]

Literatura:
1. Fryc I.: Wpływ wartości natężenia prądu pracy diody LED na jakość emitowanego przez nią promieniowania optycznego. Technika Świetlna. XI Krajowa Konferencja Oświetleniowa z udziałem gości zagranicznych, Warszawa 2002.
2. Piotrowski L., Hemka L.: Wpływ zmian parametrów zasilania oraz geometrii ustawienia półprzewodnikowych źródeł światła (LED) na ich parametry świetlne i barwowe. Technika Świetlna. XII Krajowa Konferencja Oświetleniowa z udziałem gości zagranicznych, Warszawa 2003.
3. Portal Wikipedia: www.wikipedia.pl.
4. Yao H., Schubert E.: Light Emitting Diodes: Research, Manufacturing, and Applications V. San Jose, USA 2001.
5. Pabjańczyk W.: Zastosowanie LED w technice oświetlania i sygnalizacji w ruchu drogowym. Przegląd Elektrotechniczny, Warszawa 2003.
6. Katalog firmy Lediko: www.lediko.pl.

Artykuł współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, działania 8.1