Jak LED diody fungují

Domů > Blog o LED osvětlení > Odborné > Jak LED diody fungují

Technologie LED

LED dioda je elektronická polovodičová součástka, která obsahuje P-N přechod. Tato technologie je stará více než 40 let ale až nyní je jejich výroba masově rozšiřována. Jednak je technologicky zcela na jiné úrovni, světelný tok se vyrovná nebo dokonce překoná jiná konvenční svítidla a náklady na výrobu jsou stlačeny na minimum. Další vývoj však lze očekávat.

LED dioda vyzařuje světlo právě díky P-N přechodu, kterým prochází elektrický proud. Oficiální český název zní elektroluminiscenční dioda. Slangově ji však každý nazývá spíše jako ledka.

Oproti jiným zdrojům světla jako jsou například žárovky, výbojky nebo zářivky pracují LED diody s poměrně malými hodnotami vstupního napětí a proudu.

Diody jsou většinou vybaveny tzv. optickým prvkem pro lepší rozptyl světla. Jedná se o kulové vrchlíky z epoxidové pryskyřice. Dle vlastností tohoto prvku mají diody bodové či rozptylové vlastnosti s různými vyzařovacími úhly.

V následujících pár řádcích najdete popis sestavení a funkci LED diod. Kladný náboj je přiváděn vodičem přes anodu (1) LED diody do vlákna (4). Druhá část diody je zapojena k vodivému rámu (7) vedoucímu z katody (2) k zápornému pólu. O barvě vyzařovaného světla rozhoduje chemické složení LED polovodiče (6). Epoxidová pryskyřice, ve které se celé LED světlo nachází, má tři hlavní funkce. Za prvé je navržena tak, aby dovolila průchod maximálnímu množství světla, dále upravuje úhel, pod kterým se světlo šíří, a chrání LED před vlivy okolí. Díky zapouzdření je LED dioda téměř nezničitelná a neobsahuje žádné volně pohyblivé části. Jako polovodičové zařízení, které reguluje průchod proudu bez žhavení vlákna, je zároveň také velice spolehlivé.

Barvy LED diod

Poměrně dlouho trval vývoj LED diod emitující modré a vysoce svítivé bílé světlo. To z principu fungování LED nelze přímo vyzařovat. Starší bíle zářící ledky tak obsahovali trojici čipů mísící barvy tak aby bylo dosaženo vjemu bílého světla. Protože není možné přímo emitovat bílé světlo, využívají LED diody tzv. luminoforu. Některé průhledné LED emitují modré světlo, část tohoto světla je přímo na čipu transformována luminoforem na žluté světlo a díky míšení těchto dvou barev vzniká světlo bílé. Jiné typy bílých LED emitují ultrafialové záření, to je přímo na čipu luminoforem transformováno na bílé světlo.

LED umí vyzařovat jednobarevné světlo v rámci daného spektra. Takové světlo je označeno podle maximální vlnové délky (Ipk) a je měřená v nanometrech (NM).

Maximální vlnová délka je určená vlastnostmi materiálu, ze kterého se skládá LED čip. Výrobní tolerance dosahuje hodnot ±10 NM, lidské oko je nejcitlivější vůči spektru mezi 565 a 600 NM a proto je jednodušší vnímat rozdíly barev u žlutých a oranžových LED než u ostatních barev.

LED prvky jsou vyráběny ze sloučenin galia a zpravidla obsahují jeden nebo více dalších materiálů (např. fosfor), které způsobují požadovanou barevnost světla. Rozdíly mezi jednotlivými LED světly se projevují také v intenzitě světla, které vyzařují.

Barevné RGB diody

Bílé světlo vzniká překryvem všech částí viditelného spektra. Lidské oko ovšem nepotřebuje všechny části spektra k tomu, aby vidělo světlo jako bílé. Stačí k tomu směs tří základních barev: červené, zelené a modré. Z této kombinace barev se dá namíchat jakákoliv jiná barva. RGB LED dioda je složena ze všech 3 barev a je proto možné pomocí této jediné společné diodě dosáhnout širokého spektra různých barev. Dosažení tohoto efektu vyžaduje důmyslnou konstrukci svítivého prvku při míšení a difúzi barev.

RGB je to barevný model, který je založen na teorii pana Younga a Helmholze, trojbarevném vidění a Maxwellově barevném trojúhelníku. Své kořeny jako standart pro zobrazování barev na internetu má v letech 1953. Tento model se používá u zobrazovacích zařízení k míchání barev. RGB LED dioda je složena ze všech 3 barev a je proto možné pomocí této jediné společné diodě dosáhnout širokého spektra různých barev. Stejný způsob se používá u monitorů a televizí. RGB diody tak mohou měnit barvu vydávaného světla.

Svítivost

Světelný výkon závisí na mnoha veličinách, například druh čipu, zapouzdření a účinnost waferů. Někteří výrobci používají k označení intensity světla termíny jako „super-bright“ a „ultra-bright“. Taková označení jsou však subjektivní, protože neexistuje průmyslový standard pro označení svítivosti LED. Množství světla, které LED vyzáří se měří v milikandelách (mcd) a je rozdílné od měření prováděného na standartních žárovkách se žhavicím vláknem.

Svítivost je úměrná procházejícímu proudu (If) LED čipem; platí, že čím větší množství proudu, tím větší množství produkovaného světla. LED dioda je navržena na průchod 20mA proudu ale každé použití má svá omezení. Čím vyšší proud tím i vyšší množství produkovaného tepla. Obdobně, vyšší počet LED komponent na čipu přispívá k teplotnímu namáhání součástek. Nárůst napětí znamená i větší množství odpadního tepla. LED jsou navrženy tak, aby si udržely svou životnost co nejdéle při dodržování provozních parametrů.

Vyzařovací úhel

Vyzařovací úhel závisí na druhu LED čipu a čočce z epoxidové pryskyřice která láme světlo a také na umístění LED diod ve svítidle. Světelný tok z LED je směrový a proto pro vyšší světelný výkon se světlo soustředí do úzkého paprsku. Všeobecně se dá říct, že čím větší je vyzařovací úhel, tím více svítí svítidlo do stran.

Zapouzdření je navrženo tak, aby sloužilo jako zesilovací čočka pro světlo vycházející z LED čipu. Na viditelnosti vyzařovaného světla se podílí také barva zapouzdření. Difúzní úprava umožňuje rozptyl světla v celém zapouzdření. Nedifuzní a průsvitná LED zařízení se vyznačují jasnějším světlem a zároveň i užším úhlem viditelnosti oproti difúzním.

Životnost

Jako zařízení bez pohyblivých součástí není u LED světla pravděpodobné selhání pokud jsou používána v rámci předepsaných parametrů.

V průměru se životnost pohybuje kolem 50 000 hodin. V naší nabídce naleznete výrobky, u kterých výrobce uvádí životnost mezi 30 000 a 90 000 hodin. Pokud si koupíte žárovku o životnosti 40 000 hodin a budete svítit 4 hodiny denně, žárovka by Vám měla vydržet až 27 let. Aby LED osvětlení vydrželo co nejdéle, je třeba zajistit optimální chlazení. Pokud si koupíte levnou žárovku, která nebude mít dostatečné chlazení a budete s ní svítit delší dobu, je pravděpodobné, že se životnost znatelně zkrátí. Stejně tak tomu je u ostatních LED světel. Při výběru je tedy nutné zamyslet se nad použitím LED osvětlení. Zejména při dlouhodobém svícení je nutné vybrat světlo, které bude správně chlazeno. Pokud si nebudete vědět s výběrem rady, neváhejte nás kontaktovat. Rádi Vám poradíme s jakoukoliv konkrétní realizací.

Většina výrobců udává životnost svých svítidel 50 000 hodin. Tato životnost je však udávána při nedosažitelné pracovní teplotě (například 25°). V reálu pak čipy pracují i při trojnásobné teplotě a jejich životnost se tak rapidně snižuje.

Zapojení LED

Na rozdíl od jiných světelných zdrojů, u kterých nezáleží na polaritě vstupního napětí a tím pádem pracují na střídavém napětí, LED zapojené nesprávným směrem nefungují. Pokud je napětí na P-N přechodu zapojeno správně, nazýváme zapojení diody v propustném směru. Pokud je zapojena opačně, neprochází skrz ní žádný proud a říkáme, že je zapojena v závěrném směru. V posledních letech se na trhu začínají objevovat tzv. AC COB diody, fungující na střídavé napětí. V tomto případě je rozsvícena jen polovina periody. Rozsvícejí se a zhasínají s frekvencí střídavého zdroje. U tohoto řešení však může vznikat stroboskopický efekt.

Regulace jasu LED diod

U LED diod platí pravidlo: čím vyšší proud do nich pustíme, tím jasněji svítí. Nejčastěji je dioda nastavena pomocí předřadného odporu. k regulaci jasu je možné použít i jednoduchý regulátor s tranzistorem.

Video o fungování LED diod v anglickém jazyce

Doporučení pro práci s LED zařízeními

Následující informace jsou myšleny jako doporučení a eshop LED Solution nenese právní zodpovědnost za případné závady.

Statická elektřina a proudový náraz

Statická elektřina a proudový náraz poškozují LED. Doporučuje se používat protistatický náramek nebo rukavici při manipulaci s LED světly. Veškerá zařízení, vybavení a nástroje musí být uzemněny.

Příprava k pájení

Vodiče by měly být zahnuté alespoň 3mm od epoxidového zapouzdření světla. Ohyb se provádí na pevném podkladě kleštěmi.

Osazení

Vodiče by měly být upraveny tak, aby odpovídaly připraveným otvorům v desce s tištěnými spoji. Tím se zamezí případnému přetížení.

LED je vhodné podložit a upevnit do požadované pozice. Epoxidové zapouzdření by se nemělo dotýkat desky, aby nedošlo k mechanickému namáhání LED. Část, která obsahuje čočku by nikdy neměla být připevněna lepidlem k plastu nebo kovu.

Pájení

Jako minimální vzdálenost mezi jednotlivými LED se doporučují 3mm.

Pro tvrdé pájení je možné, že bude zapotřebí LED upevnit do správné pozice, zároveň je nutné vyvarovat se mechanickému zatížení. Po připájení se nedoporučuje LED ohýbat.

Čištění

Zamezte kontaktu s korozivními chemikáliemi které mohou poškodit povrch LED a způsobit odbarvení. Pro veškerou údržbu používejte izopropyl alkohol.

Vhodnost čištění LED ultrazvukem závisí na nastavení oscilátoru a způsobu připojení LED. Mělo by být prováděno jen v případě, že nezpůsobí poškození.

Skladování

Vodiče LED jsou potaženy stříbrem a v případě vystavení plynům jako sirovodík může dojít k odbarvení vodičů. Je vhodné uchovávat LED ve vlhkuvzdorném, uzavíratelném balení s absorpčním materiálem uvnitř.

Zapojení LED

Ujistěte se, že vodiče jsou zapojeny správně s ohledem na jejich délku a polaritu.

Délku vodičů omezte na minimum.

Výběr zdroje a uzemnění se odvíjí od množství procházejícího proudu v instalaci.

Rozptyl tepla

Při instalaci více LED na menší plochu je nutné počítat s odpadním teplem. Existuje-li možnost, že okolní teplota bude překračovat 60`C, je vhodné zvážit možnosti chlazení. Dále existují omezení týkající se maximálního množství proudu které je možné přivádět do zařízení.