Taśmy LED Maclean

Diody elektroluminescencyjne, zwane potocznie diodami LED, to prawdziwi niedoceniani bohaterowie w świecie elektroniki. Wykonują wiele różnych prac na wszelkiego rodzaju urządzeniach. Tworzą cyfry na zegarach cyfrowych, przesyłają informacje z pilotów, zapalają zegarki i informują, kiedy Twoje urządzenia są włączone. Zebrane razem mogą tworzyć obrazy na dużym ekranie telewizora lub oświetlać sygnalizację świetlną, a także posłużyć jako taśma LED (zmieniająca dowolnie kolory). Zasadnic, jeśli spojrzysz na taśmę z diodami LED to zobaczysz na niej małe żarówki, które łatwo dopasowują się do obwodu elektrycznego. Ale w przeciwieństwie do tradycyjnych żarówek nie mają one spalających się włókien, zużywają mniej prądu i nie nagrzewają się. Są oświetlane wyłącznie ruchem elektronów w materiale półprzewodnikowym i działają tak długo, jak standardowy tranzystor. Żywotność diody LED przewyższa krótką żywotność żarówki o tysiące godzin. Ze względu na te zalety maleńkie diody LED są jedną z najpopularniejszych technologii oświetlania telewizorów LCD. Taśmę z diodami LED można jednak zamontować w dowolnym miejscu i nie musi to być telewizor, ale także biurko, komputer, monitor, meble - ogranicza Cię jedynie przestrzeń, przedmioty, długość taśmy, no i rzecz oczywista, czyli własna wyobraźnia. 

Diody LED mają kilka zalet w porównaniu z tradycyjnymi żarówkami, ale ich główną zaletą jest wydajność. W przypadku żarówek proces wytwarzania światła wiąże się z wytworzeniem dużej ilości ciepła (żarnik musi zostać podgrzany, aby się oświetlił). Ta energia jest całkowicie marnowana, chyba że używasz lampy jako grzejnika, ponieważ ogromna część dostępnej energii elektrycznej nie służy wytwarzaniu światła widzialnego. Mówiąc względnie, diody LED generują bardzo mało ciepła. Znacznie większy procent energii elektrycznej trafia bezpośrednio do wytwarzania światła, co znacznie zmniejsza zapotrzebowanie na energię elektryczną. Na wat diody LED emitują więcej lumenów (lub ilości światła widzialnego) niż zwykłe żarówki. Diody elektroluminescencyjne mają wyższą skuteczność świetlną (to, jak wydajnie energia elektryczna jest zamieniana na światło widzialne) niż żarówki. Na przykład 60-watowa żarówka może generować 750-900 lumenów, ale taką samą moc można uzyskać z żarówki LED, używając tylko 6-8 watów. Ta sama żarówka LED może wytrzymać 25 000 godzin, ale 60-watowa żarówka prawdopodobnie będzie świecić tylko przez około 1200 godzin. Innymi słowy, jedna żarówka LED może wytrzymać aż 21 żarówek 60-watowych zapalonych jedna po drugiej.

Do niedawna diody LED były zbyt drogie w większości zastosowań oświetleniowych, ponieważ są zbudowane na bazie zaawansowanych materiałów półprzewodnikowych. Cena urządzeń półprzewodnikowych gwałtownie spadła dopiero po 2000 roku, co spowodowało, że diody LED stały się bardziej opłacalną opcją oświetlenia - względnie dla szerokiego zakresu sytuacji. Chociaż taśmy LED’owe mogą być droższe niż żarówki żarowe, to jednak ze względu na dłuższą ich żywotność i sposobność własnej konfiguracji, jak i zmiany mocy oraz  emitowanego przez nie koloru światła, na dłuższą metę okazują się zwyczajnie lepszym zakupem. Kilka firm zaczęło sprzedawać taśmy i żarówki LED zaprojektowane, aby konkurować z żarowymi i kompaktowymi świetlówkami, które zapewniają długą żywotność jasnego światła i niesamowitą wydajność energetyczną. W tym tekście przyjrzymy się technologii stojącej za tymi wszechobecnymi migaczami, wyjaśniając kilka fajnych zasad związanych z elektrycznością i światłem. Edukację zawsze jest warto zacząć od podstaw.

Powiedzmy, że na “skrzyżowaniu” wolne elektrony z materiału typu N wypełniają otwory w materiale typu P.  Tworzy to warstwę izolacyjną w środku diody, zwaną strefą zubożenia. Dioda to najprostszy rodzaj urządzenia półprzewodnikowego. Mówiąc najogólniej, półprzewodnik to materiał o zmiennej zdolności przewodzenia prądu elektrycznego. Większość półprzewodników jest wykonana ze słabego przewodnika, do którego dodano zanieczyszczenia (atomy innego materiału). Proces dodawania zanieczyszczeń nazywa się “domieszkowaniem”. W przypadku diod LED materiał przewodnika to zazwyczaj arsenek glinu-galu (AlGaAs). W czystym arsenku glinu-galu wszystkie atomy doskonale łączą się ze swoimi sąsiadami, nie pozostawiając żadnych wolnych elektronów (ujemnie naładowanych cząstek), które przewodzą prąd elektryczny. W materiale “domieszkowanym” dodatkowe atomy zmieniają równowagę, albo dodając wolne elektrony, albo tworząc dziury, do których mogą się przedostać. Każda z tych zmian powoduje, że materiał jest bardziej przewodzący.

Półprzewodnik z dodatkowymi elektronami nazywany jest materiałem typu N, ponieważ zawiera dodatkowo ujemnie naładowane cząstki. W materiale typu N wolne elektrony przemieszczają się z obszaru naładowanego ujemnie do obszaru naładowanego dodatnio. Kiedy ujemny koniec obwodu jest podłączony do warstwy typu N, a koniec dodatni do warstwy typu P, elektrony i dziury zaczynają się poruszać, a strefa zubożenia znika. Półprzewodnik z dodatkowymi otworami nazywany jest materiałem typu P, ponieważ w rzeczywistości zawiera dodatkowe dodatnio naładowane cząstki. Elektrony mogą przeskakiwać od dziury do dziury, przemieszczając się od ujemnie naładowanego obszaru do dodatnio naładowanego obszaru. W rezultacie same dziury wydają się przemieszczać z obszaru naładowanego dodatnio do obszaru naładowanego ujemnie. Dioda składa się z odcinka materiału typu N połączonego z sekcją materiału typu P, z elektrodami na każdym końcu. Ten układ przewodzi prąd tylko w jednym kierunku. Gdy do diody nie jest przyłożone napięcie, elektrony z materiału typu N wypełniają otwory z materiału typu P wzdłuż połączenia między warstwami, tworząc strefę zubożenia. W strefie zubożenia materiał półprzewodnikowy powraca do swojego pierwotnego stanu izolacji - wszystkie otwory są wypełnione, więc nie ma wolnych elektronów ani pustych przestrzeni dla elektronów, a elektryczność nie może płynąć.

Kiedy dodatni koniec obwodu jest podłączony do warstwy typu N, a koniec ujemny do warstwy typu P, wolne elektrony gromadzą się na jednym końcu diody, a dziury na drugim.  Strefa wyczerpania staje się większa. Aby pozbyć się strefy zubożenia, musisz przenieść elektrony z obszaru typu N do obszaru typu P, a dziury poruszać się w odwrotnym kierunku. Aby to zrobić, podłącz stronę typu N diody do ujemnego końca obwodu, a stronę typu P do dodatniego końca. Wolne elektrony w materiale typu N są odpychane przez elektrodę ujemną i przyciągane do elektrody dodatniej. Otwory w materiale typu P przesuwają się w drugą stronę. Kiedy różnica napięcia między elektrodami jest wystarczająco duża, elektrony w strefie wyczerpania są wyrzucane ze swoich otworów i ponownie zaczynają swobodnie się poruszać. Strefa wyczerpania znika, a ładunek przemieszcza się po diodzie. Jeśli spróbujesz poprowadzić prąd w inny sposób, ze stroną typu P podłączoną do ujemnego końca obwodu i stroną typu N podłączoną do dodatniego końca, prąd nie będzie płynął. Ujemne elektrony w materiale typu N są przyciągane do elektrody dodatniej. Dodatnie dziury w materiale typu P są przyciągane przez elektrodę ujemną. Żaden prąd nie przepływa przez złącze, ponieważ dziury i elektrony poruszają się w złym kierunku. Zwiększa się strefa wyczerpania. Interakcja między elektronami i dziurami w tym układzie ma interesujący efekt uboczny - generuje światło!

Światło jest formą energii, którą może uwolnić atom. Składa się z wielu małych, przypominających cząstki pakietów, które mają energię i pęd, ale nie mają masy. Te cząstki, zwane fotonami, są najbardziej podstawowymi jednostkami światła. Fotony są uwalniane w wyniku poruszających się elektronów. W atomie elektrony poruszają się po orbitali wokół jądra. Elektrony na różnych orbitalach mają różne ilości energii. Ogólnie mówiąc, elektrony o większej energii poruszają się po orbitaliach dalej od jądra. Aby elektron mógł przeskoczyć z niższego orbitalu na wyższy, coś musi zwiększyć jego poziom energii. I odwrotnie, elektron uwalnia energię, gdy spada z wyższej orbity na niższą. Ta energia jest uwalniana w postaci fotonu. Większy spadek energii uwalnia foton o wyższej energii, który charakteryzuje się wyższą częstotliwością. Jak dowiedzieliśmy się wcześniej, wolne elektrony poruszające się po diodzie mogą wpaść do pustych otworów z warstwy typu P. Wiąże się to ze spadkiem z pasma przewodnictwa na niższy orbital, więc elektrony uwalniają energię w postaci fotonów. Dzieje się tak w każdej diodzie, ale fotony można zobaczyć tylko wtedy, gdy dioda składa się z określonego materiału. 

Na przykład atomy w standardowej diodzie krzemowej są rozmieszczone w taki sposób, że elektron spada na stosunkowo niewielką odległość. W rezultacie częstotliwość fotonu jest tak niska, że ​​jest niewidoczny dla ludzkiego oka - znajduje się w podczerwonej części widma światła. Oczywiście niekoniecznie jest to złe, ponieważ zastosowanie diody LED na podczerwień jest idealne między innymi w przypadku pilotów do telewizora. Widoczne diody elektroluminescencyjne (VLED), takie jak te, które zapalają liczby w zegarze cyfrowym, wykonane są z materiałów charakteryzujących się szerszą przerwą między pasmem przewodzenia a dolnymi orbitaliami. Wielkość szczeliny decyduje o częstotliwości fotonu - innymi słowy decyduje o kolorze światła. Chociaż diody LED są używane we wszystkim, od pilotów po cyfrowe wyświetlacze w elektronice, widoczne diody LED są popularne dzięki ich długiej żywotności i miniaturowym rozmiarom. W zależności od materiałów zastosowanych w diodach LED, można je zbudować tak, aby świeciły w podczerwieni, ultrafiolecie i wszystkich kolorach widma widzialnego pomiędzy nimi. Chociaż wszystkie diody emitują światło, większość nie robi tego zbyt skutecznie. W zwykłej diodzie sam materiał półprzewodnikowy pochłania dużą część energii świetlnej. Diody LED są specjalnie skonstruowane, aby uwalniać dużą liczbę fotonów na zewnątrz. Dodatkowo umieszczono je w plastikowej żarówce, która skupia światło w określonym kierunku. Większość światła z diody odbija się od boków żarówki, przechodząc przez zaokrąglony koniec.