Šviesos diodas (LED): apibrėžimas, veikimas ir panaudojimas

Sužinokite viską apie šviesos diodus (LED): apibrėžimą, veikimo principą, energijos taupymą, ilgaamžiškumą ir praktišką panaudojimą namuose, pramonėje bei elektronikoje.

Šviesos diodas (LED) yra puslaidininkinis prietaisas, kuris elektros energiją tiesiogiai paverčia šviesa. Skirtingai nuo tradicinių kaitrinių lemputėmis) ir kai kurių kitų šviesos šaltinių, LED lempos pasižymi ilgu tarnavimo laiku, atsparumu smūgiams ir dideliu energetiniu efektyvumu – didžioji dalis sunaudojamos energijos virsta šviesa, o ne šiluma. LED technologija leidžia kurti labai įvairių spalvų ir apšvietimo charakteristikų šaltinius, nuo ultravioletinės iki infraraudonosios srities.

Veikimo principas

Šviesos diodas yra tam tikros rūšies diodas, kuris skleidžia vienos spalvos šviesą, kai per jį teka elektros srovė numatyta kryptimi (elektra nukreipta į priekį). Šis reiškinys vadinamas elektroluminescencija: sujungus p‑tipo ir n‑tipo puslaidininkines zonas p-n sandūroje, rekombinuojant elektronams ir skylėms išskiriama fotono energija, kurios bangos ilgis priklauso nuo puslaidininkinės medžiagos energetinio tarpo (juostos pločio).

Medžiagos ir šviesos spalvos

Šviesos spalva priklauso nuo naudojamos puslaidininkinės medžiagos cheminės sudėties ir struktūros. Dažniausiai naudojamos medžiagos yra įvairios galio arsenido ir galio nitrido junginių sistemos (pvz., GaAs, GaP, GaN, AlGaInP), kurios leidžia gaminti diodus nuo infraraudonosios iki ultravioletinės srities. Spalva gali būti artima ultravioletinei, matomos arba infraraudonosios šviesai. Nuo spalvos priklauso ir prietaiso elektros charakteristikos bei energijos sąnaudos (pvz., mėlyni ir ultravioletiniai LED turi didesnį užtvarinį įtampą nei raudoni).

Kaip gaunama balta šviesa

Balta šviesa gali būti gaunama keliais būdais:

• sumaišius kelis monochrominius LED (dažnai raudoną, žalią ir mėlyną — RGB),
• naudojant vieną mėlyną arba ultravioletinį LED, padengtą luminoforu, kuris dalį šviesos konvertuoja į kitas spalvas ir taip susidaro balta šviesa (tai labai dažnas metodas),
• naudojant kelių sluoksnių puslaidininkinius LED, išskiriančius skirtingas spalvas tuo pačiu elementu.

Techniniai parametrai ir praktinės savybės

Svarbūs LED parametrai:

• Spinduliuojama galia ir šviesos srautas: matuojami liumenais (lm); aukštos kokybės šviesos diodai pasiekia labai didelį liumenų kiekį vienam sunaudotam vatui (lm/W).
• Vidinė įtampa ir srovė: kiekvienas LED turi būdingą priekines įtampas (pvz., ~1,8–3,6 V priklausomai nuo spalvos) ir nominalią darbo srovę; daugelyje prietaisų naudojami srovės ribotuvai arba specialūs LED vairuotojai (constant current drivers).
• Spalvinė charakteristika: Correlated Color Temperature (CCT) apibūdina baltoje šviesoje vyraujančią „šiltumą“ ar „šaltumą“, o Color Rendering Index (CRI) nurodo, kaip tiksliai apšviesti objektai atrodys.
• Žiūrėjimo kampas ir lęšiai: optika formuoja spindulio kampą ir paskirstymą; nuo to priklauso apšvietimo tolygumas ir tolimųjų šviesos žibintų savybės.
• Temperatūros valdymas: LED efektyvumas ir ilgaamžiškumas priklauso nuo darbo temperatūros – reikalingas šilumos išvedimas per korpusą, aušinimo radiatorius ar termiškai gerą pakuotę.

Pakuotės ir gamybos formos

Šiandien daugelis LED būna kaip paviršinio montavimo įtaisai (SMD), todėl jie gali būti labai maži ir lengvai integruojami į spausdintuosius plokštes. Kitos populiarios formos: tradicinės 3 mm/5 mm permaunamos lemputės, COB („chip-on-board“) moduliai, aukštos galios LED su dideliais šilumokaičiais ir matricos ar matricos pakopos moduliai didelėms apšvietimo sistemoms.

Panaudojimas

Šviesos diodai naudojami labai įvairiai:

• indikatorių ir sąsajų elementai elektronikoje (pavyzdžiui, daugelio prietaisų lemputės ir indikatoriai),
• reklaminiai ženklai ir šviesdėžės, šviesos juostos ir dekoratyvinis apšvietimas,
• televizorių ir monitorių foninis apšvietimas bei tiesioginiai LED ekranai,
• automobilių žibintai (įskaitant dienos šviesos žibintus, stabdžių žibintus ir posūkio signalus),
• gatvių ir pastatų apšvietimas, sporto arenų apšvietimas,
• hortikultūra (augalų auginimas su specialiomis spektrinėmis juostomis), medicinos prietaisai, infraraudonųjų LED naudojimas nuotolinio valdymo pultams ir infraraudonajai detekcijai,
• nuolatinio ryškumo ir spalvų valdymo sprendimai, Li-Fi (duomenų perdavimas per šviesą) ir kt.

Montavimas, valdymas ir diminimas

LED reikia valdyti tinkama srove ir įtampa; paprasčiausi sprendimai naudoja serijinius rezistorius, bet pramonėje dažnai naudojami nuolatinės srovės (constant current) vairuotojai, užtikrinantys stabilų ir saugų darbą. Diminimas vyksta dviem pagrindiniais būdais:

• PWM (Pulse‑Width Modulation): greitas impulsų ilgio moduliavimas, kurio metu LED srovė įjungta/išjungta – tai leidžia išvengti spalvų pasikeitimo ir yra labai efektyvu;
• analoginis srovės reguliavimas: keičiant nuolatinę srovę galima reguliuoti šviesos intensyvumą, tačiau kai kuriems LED gali keistis spalvinė charakteristika.

Privalumai ir trūkumai

• Privalumai: aukštas energetinis efektyvumas, ilgas tarnavimo laikas (dešimtys tūkstančių valandų), atsparumas mechaniniams pažeidimams, trumpas įsijungimo laikas, galimybė preciziškai valdyti spalvas ir ryškumą.
• Trūkumai: priklausomybė nuo temperatūros (reikia efektyvaus aušinimo), galimas mėlynos šviesos poveikis akių sveikatai (ilgalaikis didelis intensyvumas), kokybiškų baltų LED gaminiai dažnai kainuoja brangiau, taip pat LED gali reikalauti specialių vairuotojų ir radiatorių aukštos galios sprendimuose.

Saugos, aplinkos ir priežiūros aspektai

LED paprastai yra saugesni aplinkai nei kai kurios senesnės technologijos, nes juose nėra gyvsidabrio. Tačiau kai kurie komponentai ir gamyboje naudojamos medžiagos gali reikalauti tinkamo perdirbimo. Taip pat reikšmingas elektrostatiško iškrovimo (ESD) jautrumas montuojant ir tvarkant mikromodulius. Renkantis apšvietimą, verta atkreipti dėmesį į CRI ir CCT parametrus bei į tai, ar yra tinkama šilumos valdymo sistema – tai tiesiogiai lemia spalvos kokybę ir ilgaamžiškumą.

Šviesos diodų technologija nuolat tobulėja: gerėja šviesos efektyvumas, spalvų atkūrimas ir mažėja kaina, todėl LED tampa dominuojančia technologija daugelyje apšvietimo sričių.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra šviesos diodas (LED)?

K: Kiek laiko veikia šviesos diodai?

K: Kokias spalvas gali sukurti šviesos diodai?

K.: Kaip šviesos diodo spalva veikia jo energijos suvartojimą?

K: Kaip veikia baltieji šviesos diodai?

K: Kur naudojami šviesos diodai?

Paieška pagal raidę