Jakiś czas temu pisałem o tym w jaki sposób możemy dobrać rezystor do diody LED. To już wiemy. Żadna dioda elektroluminescencyjna nie będzie dla nas zaskoczeniem. Wprost wybornie… Chwila, ale czym właściwie jest dioda LED? Dziś właśnie o tym.
Dioda LED, czyli „Light-Emitting Diode”
W sumie mogłoby być małymi literami, ale chciałem podkreślić znaczenie skrótu. Swoją drogą powiedzenie dioda LED – choć potoczne – to tak naprawdę masło maślane. LED to dioda elektroluminescencyjna, albo po prostu dioda świecąca. Zwrot ten tak naprawdę oznacza „dioda dioda świecąca”. Ale to szczegół (podobno nie zaczyna się zdania od „ale”, ale…).
Sama dioda (bo mamy różne diody, nie tylko świecące) jest elementem elektronicznym posiadającym dwa wyprowadzenia. Jak rezystor, ale to jednak nie to samo. Dioda przewodzi prąd elektryczny „niesymetrycznie”. Upraszczając – ma za zadanie przewodzić prąd w jednym kierunku, a blokować jego przepływ w drugim. Kierunek, w którym dioda przewodzi prąd, nazywamy kierunkiem przewodzenia.
LED niejedno imię ma, czyli od światła widzialnego po UV
Dioda jest elementem półprzewodnikowym, podobnie jak tranzystor czy tyrystor. Każda dioda, nie tylko świecąca. My jednak dzisiaj mówimy o LED-ach, które charakteryzują się… No właśnie, czym? Świecą. Właściwie to emitują promieniowanie elektromagnetyczne (promieniowanie EM) w zakresie światła widzialnego, tak to można ładnie sformułować. Światło to nic innego jak promieniowanie EM. Diody elektroluminescencyjne są w stanie emitować – w zależności od rodzaju – promieniowanie o różnej długości fali:
- światło widzialne o różnych barwach – czerwone, żółte, niebieskie, zielone, etc.
- podczerwień – tę diodę znajdziesz w pilocie do telewizora, starszych telefonach komórkowych i emiterach podczerwieni wspomagających nocną pracę kamer monitoringu
- ultrafiolet – dzięki nim możesz np. sprawdzić banknoty, wiesz w jakim celu?
Najczęściej – w domu, w pracy, na ulicy i w samochodzie – spotykasz się z diodami emitującymi światło widzialne. Wedle wszelkich przesłanek pozwalają one zaoszczędzić energię elektryczną. Dają podobną ilość światła, przy mniejszej mocy pobieranej ze źródła (instalacji elektrycznej, baterii czy akumulatorów). Latarki, namiastki lamp błyskowych w smartfonach, oświetlenie zewnętrzne Twojego samochodu, sygnalizacja świetlna na ulicy, oświetlenie miast, etc. Technologia LED opanowała co się da i idzie po więcej. Niestety wraz z jej powszechnością pojawia się coraz więcej słabo zaprojektowanych przetwornic impulsowych wykorzystywanych do zasilania LED. Przy dużych mocach (np. duże banery reklamowe) niesamowicie skutecznie emitują one zakłócenia. Niepożądane zakłócenia. Kłania się EMC, a także tematyka samych przetwornic impulsowych, ale to temat na inny artykuł (a może i dziesięć).
Tego typu diody występują również jako zwykłe lampki sygnalizujące pracę urządzenia. Wiesz włączone, wyłączone, pracuje, etc. Często jak miga to wiemy, że maszyna „myśli”. Oczywiście są jeszcze wspomniane wcześniej diody podczerwone i ultrafioletowe, te pierwsze często gęsto występują pod nazwą „diody IR”. Zespoły diod podczerwonych wspomagają pracę kamer nocą „rozświetlając czerń”. Ale widzi to tylko oko kamery, ludzkie oko nie jest aż tak doskonałe.
Dioda LED, czyli historia w pigułce
No dobra kiedyś używaliśmy świeczek, lamp naftowych, później zwykłych żarówek. Tych z drucikiem wolframowym. Co to za geniusz poszedł o krok dalej i wymyślił LED-y? Otóż za twórcę, wynalazcę diod elektroluminescencyjnych uważa się Nicka Holonyaka Jr., amerykańskiego inżyniera, profesora z University of Illinois. Wraz z zespołem specjalistów firmy General Electronics stworzył czerwoną diodę LED. Choć niektórzy twierdzą, że LED wynaleziono dużo wcześniej, w drugiej dekadzie XX w. Na pomysł miał wpaść Oleg Łosiew. Spostrzegł on, że diody ostrzowe, używane wówczas w radiotechnice, emitują światło.
W latach 60. diody elektroluminescencyjne nie były tanie. Chodzą słuchy, że w 1968r. za pojedynczego LED-a śpiewano sobie nawet 200 dolarów. Sporo. Warto dodać, że w owych czasach – w Polsce – dolar był dużo droższy, niż dziś. Stopniowo opracowywano nowe metody produkcji, LED-y taniały, pojawiały się nowe barwy – zielone, żółte, pomarańczowe, etc. W latach 90. wyprodukowano pierwszą niebieską diodę świecącą. Do jej stworzenia przysłużył się skromny „węglik krzemu”.
Obecnie na rynku jest niezłe zatrzęsienie, a ceny diod śmiesznie niskie (w porównaniu z latami 60. i 70.). Poczciwa czerwona dioda LED kosztuje zaledwie kilkanaście groszy.
Jak działa i jest zbudowana dioda LED?
Jak działa dioda (sama w sobie, jako element elektroniczny) każdy wie, a jeśli nie to dowie się… Z innego artykułu, do którego link będzie o tutej. My zajmujemy się dziś diodami elektroluminescencyjnymi, diodami LED, diodami świecącymi czy jak je tam zwano i synonimizowano. Generalnie tymi co sobie świecą. Diody Zenera, Schottky’ego, prostownicze i inne zostawiamy na inny wpis. Rzekłem ja, Tomek.
Emisję światła przez diodę LED zawdzięczamy zjawisku luminescencji, właściwie elektroluminescencji. Jest ona wynikiem rekombinacji elektronów i dziur elektronowych pomiędzy warstwami N i P półprzewodnika. Trudne. No to uprośćmy.
Dioda LED jest elementem półprzewodnikowym. Zbudowana jest z dwóch warstw półprzewodników – dwóch typów. Jedna warstwa to półprzewodnik typu N, który ma ładunek ujemny, gdyż zawiera dużą liczbę elektronów (elektron ma ujemny ładunek elektryczny). Z kolei druga warstwa – typu P – zawiera małą liczbę elektronów, a w konsekwencji dużą liczbę tzw. dziur elektronowych. Jeśli dostarczymy energię elektryczną do takiego tworu nastąpi przeskok elektronów z warstwy typu N (która ma dużo elektronów) do warstwy typu P (która ma ich mniej). Podczas takiego przeskoku wydzieli się energia w postaci fotonu, czyli światła. Voilà! Cała filozofia.
To jednak nie wszystko, czego pewnie chciałbyś się dowiedzieć! Dioda sobie świeci. Fajnie, ale jak wyjaśnić fakt, że uzyskujemy światło o różnej barwie? Otóż ma to ścisły związek ze zjawiskiem rekombinacji, które przed chwilą poznałeś (i mam nadzieję – zrozumiałeś). Istotny jest rodzaj zastosowanego półprzewodnika. To od niego zależy jaką odległość musi pokonać nasz elektron skacząc sobie wesoło z warstwy typu N do warstwy typu P. Odległość ta jest ściśle związana z długością fali elektromagnetycznej. No a od czego zależy kolor światła? Właśnie od długości fali. Jesteśmy w domu, kolejna zagadka rozwikłana.
No to może teraz o kolorach, by życie nabrało barw.
- do budowy czerwonych LED wykorzystuje się jeden z trzech rodzajów półprzewodnika – fosforek galu, fosforo-arsenek galu, albo galo-arsenek glinu
- zielona dioda LED, dającą nam światło o długości fali 555 nm, zawiera fosforek galu
- poczciwy azotek galu posłuży nam do budowy niebieskiej diody elektroluminescencyjnej
- arsenek galu lub galo-arsenek glinu pozwolą nam uzyskać diodę emitującą podczerwień
Warto dodać, że wspomniane półprzewodniki o jakże wdzięcznych nazwach służą nam nie tylko do produkcji diod świecących. Azotek galu (symbol GaN) z powodzeniem wykorzystywany jest do budowy laserów półprzewodnikowych i przetworników elektroakustycznych. Z kolei arsenek galu (symbol GaS) jest jednym z najczęściej wykorzystywanych materiałów w elektronice (zaraz obok legendarnego krzemu). GaS jest dużo bardziej odporny na działanie promieniowania EM o wysokiej częstotliwości. Pozwala to na jego pracę przy ponad 250 GHz. Układy scalone, lasery półprzewodnikowe, fotodetektory czy ogniwa słoneczne – tam arsenek galu zadomowił się na dobre.
Symbol diody LED
Symbol diody elektroluminescencyjnej prezentuje się zacnie. Warto dodać, że symbole innych diod (prostowniczej, Zenera czy Schottky’ego) będą podobne. Dioda LED wyróżnia się dwiema strzałkami symbolizującymi emisję światła.
Możesz się również spotkać z symbolem, w którym pozioma kreska będzie przecinać również trójkąt, ale są ważniejsze rzeczy. Należy do nich różnica między anodą i katodą. Dodatni biegun zasilania podłączysz do anody, natomiast ujemny do katody. Wszystko fajnie tylko jak je odróżnić od siebie? Ja mam na to kilka prostych sposobów (niestety nie zawsze na 100% pewnych, ale może chociaż na 99%…).
Sposób I
Zwykle anoda ma dłuższe wyprowadzenie, niż katoda. Zatem biegun dodatni zasilania podłączysz tam, gdzie jest dłuższy drucik.
Jak widać jedno wyprowadzenie jest nieco dłuższe.
Sposób II
Oba wyprowadzenia są takie same, albo po prostu nie widzisz różnicy. Nie wszystek stracone! Zajrzyj do wnętrza. Dioda LED ma w środku dwie „blaszki”. Ta mniejsza to anoda – plus, ta większa to katoda – minus.
Widzisz to? Zawsze możesz wziąć w dłoń diodę i wspomóc się lupą!
Sposób III
Nadal nic nie widzisz? Może tak być, dioda LED bywa matowa i nie widać jej wewnętrznej struktury. Wtedy z pomocą przychodzi miernik (test diody), albo po prostu ostrożne podłączenie do źródła zasilania. Jednak w takim wypadku najbezpieczniej jest wypróbować sposób czwarty.
Sposób IV
Sprawdź w dokumentacji (ang. datasheet).
O popatrz LED, czyli jeszcze słów kilka o OLED!
OLED, czyli organiczna dioda elektroluminescencyjna, pewnie nie raz i nie dwa to hasło obiło Ci się o uszy. Telewizory OLED, odtwarzacze MP4 z OLED, lodówki, pralki i przyciski do papieru – wszystkie rzecz jasna z OLED. 😉
Są to w zasadzie diody LED z tym, że wytwarzane są ze związków organicznych (czyli zawierających węgiel). Przykładem takiego związku, od którego nota bene wszystko się zaczęło, jest PPV, czyli polifenylenowinylen. Jest polimerem, który – po przyłożeniu do niego napięcia elektrycznego – emituje światło barwy zielonej. Odkrycie tego zjawiska miało miejsce w 1989r. na Uniwersytecie Cambridge. Na pierwsze komercyjne wdrożenia ekranów OLED na rynku elektroniki użytkowej przyszło nam poczekać jeszcze ponad dekadę. W 2004r. firma Sony zaprezentowała palmtop, który posiadał niewielki 3.8 calowy ekran o rozdzielczości 480x320px wykonany właśnie w technologii OLED.
Pierwszym masowo produkowanym telewizorem OLED był produkt marki LG o wdzięcznej nazwie 55EM9600. Z jednej strony był to 55 calowy kolos. Z drugiej jednak niespełna 5 mm grubości mogło go plasować gdzieś w okolicach wagi piórkowej. Co kraj to obyczaj, co człowiek to insza opinia.
W czym jest lepsze LED od OLED? Wiewiórki sieją plotki, że ekrany OLED mają lepszą jasność i kontrast. Technologia pozwala też na produkowanie elastycznych „ekranów organicznych”. Nie jest wymagane podświetlenie ekranu, więc możemy uzyskać niemal idealne odwzorowanie czerni. Wreszcie… Ekrany OLED są zazwyczaj cienkie i lekkie, a w procesie produkcji nie używa się rtęci. Fakt ten z pewnością ucieszy proekologiczną część czytelników. Mnie w sumie też.
Są jeszcze siakieś jakieś AMOLED i Super AMOLED, ale kto by to wszystko spamiętał.
Takie tam różne…
Zróbmy sobie małe podsumowanie.
- LED = Light-Emitting Diode, czyli dioda emitująca światło
- LED = dioda elektroluminescencyjna
- Dioda świecąca jest elementem półprzewodnikowym
- Istnieją diody emitujące światło widzialne (czerwone, niebieskie, zielone, etc.), diody podczerwone oraz UV, czyli emitujące ultrafiolet
- Emisja światła przez LED jest związana ze zjawiskiem rekombinacji elektronów i dziur elektronowych pomiędzy dwoma warstwami półprzewodnika
- Kolor światła LED jest związany z odległością jaką musi pokonać elektron skacząc sobie pomiędzy warstwami typu N i typu P
- Kolor ma ścisły związek z długością fali elektromagnetycznej
Przyznaj się ile diod LED spaliłeś zgłębiając arkana i mroczne zakątki elektroniki? Jedną? Sto? A może żadnej? Jeśli masz z tym problem możesz się wspomóc wpisem „Jak dobrać rezystor do diody LED?”. Nie wahaj się – klikaj, czytaj i podaj to dalej.
O LED-ach poczytasz też u Radka tu i tu.
…a jeśli chcesz więcej to klikasz „Lubię to!” na tym zacnym fanpejdżu, ja się wtedy tym jaram i klecę nowe teksty. Rozumiesz.