LED dioda

Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox součástka LED dioda (také jen LED z anglického Light-Emitting Diode, v překladu dioda emitující světlo) je polovodičová elektronická součástka, která při průchodu elektrického proudu v propustném směru emituje světlo nebo infračervené záření či ultrafialové záření. Tento jev se nazývá elektroluminiscence. LED diody představují jednu z nejefektivnějších technologií pro přeměnu elektrické energie na světlo, což vedlo k revoluci v osvětlovací technice, displejích a mnoha dalších oblastech.

Barva emitovaného světla závisí na chemickém složení použitého polovodičového materiálu. Klíčovým milníkem ve vývoji LED technologie byl vynález vysoce svítivé modré diody na počátku 90. let 20. století, který umožnil vytvoření bílého světla kombinací barev nebo pomocí luminoforu. Za tento objev byla v roce 2014 udělena Nobelova cena za fyziku.

📜 Historie

Vývoj LED diod byl postupný proces, který trval několik desetiletí a stál na objevech mnoha vědců.

🔬 Rané objevy

První pozorování elektroluminiscence v pevných látkách učinil britský experimentátor Henry Joseph Round v roce 1907 při práci s krystaly karbidu křemíku (SiC). Tento objev však neměl v té době praktické využití a byl na dlouhou dobu zapomenut.

Ve 20. letech 20. století v Sovětském svazu prováděl rozsáhlý výzkum tohoto jevu Oleg Vladimirovič Losev. Nezávisle objevil, že diody z karbidu křemíku emitují světlo, když jimi prochází proud. Publikoval řadu článků o svém výzkumu, ale ani jeho práce nevedla k okamžitému komerčnímu využití.

🔴 První praktická LED

Za vynálezce první praktické LED diody ve viditelném spektru je považován americký inženýr Nick Holonyak Jr., který v roce 1962 během svého působení ve společnosti General Electric představil červenou LED diodu na bázi arsenidu-fosfidu gallitého (GaAsP). Tento objev odstartoval éru komerčního využití LED, nejprve jako indikátorů v elektronických zařízeních. V 70. letech byly vyvinuty i další barvy, jako je zelená, oranžová a žlutá, avšak jejich svítivost byla stále relativně nízká.

🔵 Revoluce modré diody

Největší výzvou po dlouhou dobu zůstávala konstrukce efektivní modré LED diody. Její existence byla klíčová pro vytvoření bílého světla smícháním tří základních barev (RGB – červená, zelená, modrá). Průlom nastal až na začátku 90. let, kdy tým japonských vědců – Isamu Akasaki, Hiroši Amano a Šúdži Nakamura – úspěšně vyvinul vysoce svítivou modrou LED na bázi nitridu gallitého (GaN).

Tento objev byl revoluční, protože umožnil nejen vytvoření plnobarevných LED displejů, ale především konstrukci bílých LED zdrojů světla. Bílé světlo se typicky vytváří buď kombinací červené, zelené a modré diody, nebo častěji použitím modré diody, která budí luminofor emitující světlo ve žluté části spektra. Lidské oko pak vnímá kombinaci modrého a žlutého světla jako bílou. Za tento přínos získali Akasaki, Amano a Nakamura v roce 2014 Nobelovu cenu za fyziku.

⚙️ Princip funkce

Funkce LED diody je založena na kvantově-mechanickém jevu v polovodičovém materiálu.

⚛️ Fyzikální podstata

Základem každé diody je P-N přechod, což je rozhraní mezi dvěma typy polovodičového materiálu: typem P (s přebytkem kladných nosičů náboje, tzv. děr) a typem N (s přebytkem záporných nosičů náboje, elektronů).

Když je na diodu přiloženo elektrické napětí v propustném směru (kladný pól na anodu – typ P, záporný pól na katodu – typ N), elektrony z oblasti N a díry z oblasti P jsou tlačeny směrem k P-N přechodu. V oblasti přechodu dochází k jejich rekombinaci – elektron "zapadne" do díry.

Při této rekombinaci přechází elektron z vyšší energetické hladiny (vodivostního pásu) na nižší energetickou hladinu (valenčního pásu). Energie, která se při tomto přechodu uvolní, je vyzářena ve formě fotonu, tedy částice světla.

🌈 Určení barvy

Barva (vlnová délka) emitovaného světla je přímo úměrná energii uvolněného fotonu. Tato energie odpovídá šířce tzv. zakázaného pásu (band gap) použitého polovodičového materiálu. Různé materiály mají různou šířku zakázaného pásu, a proto emitují světlo o různé barvě.

Arsenid gallitý (GaAs): Infračervené záření
Arsenid-fosfid gallitý (GaAsP): Červená, oranžová, žlutá
Fosfid gallitý (GaP): Zelená
Nitrid gallia a india (InGaN): Zelená, modrá, bílá (s luminoforem)
Nitrid hliníku, gallia a india (AlInGaP): Vysoce svítivá červená, oranžová, žlutá
Karbid křemíku (SiC): První modré LED (dnes již překonané)
Diamant (s příměsí boru): Ultrafialové záření

💡 Vlastnosti a parametry

LED diody mají řadu unikátních vlastností, které je odlišují od tradičních světelných zdrojů, jako jsou žárovky nebo zářivky.

✅ Výhody

Vysoká účinnost: Moderní LED diody dosahují světelné účinnosti přes 200 lumenů na watt, což je výrazně více než u žárovek (cca 15 lm/W) nebo zářivek (cca 60-100 lm/W).
Dlouhá životnost: Životnost LED se pohybuje v desítkách tisíc až sto tisíc hodin, což je řádově více než u jiných zdrojů.
Mechanická odolnost: Jelikož se jedná o součástku v pevném stavu bez křehkých vláken či skleněných trubic, jsou LED velmi odolné vůči otřesům a vibracím.
Malé rozměry: Umožňují vytvářet miniaturní a designově flexibilní světelné zdroje.
Rychlý start: Na rozdíl od zářivek dosahují plného jasu okamžitě po zapnutí.
Možnost stmívání: Jas LED lze snadno regulovat, obvykle pomocí pulzně šířkové modulace (PWM).
Nízká emise tepla: Většina energie se přemění na světlo, nikoli na teplo (infračervené záření), což je činí bezpečnějšími a vhodnými pro citlivé aplikace.
Barevná variabilita: LED mohou emitovat světlo v přesně definované barvě bez nutnosti použití filtrů.

❌ Nevýhody

Vyšší pořizovací cena: Ačkoliv ceny neustále klesají, počáteční investice do LED osvětlení je stále vyšší než u tradičních zdrojů.
Citlivost na teplotu: Vysoké provozní teploty snižují účinnost a zkracují životnost LED. Proto vyžadují kvalitní chlazení, zejména u výkonových typů.
Napájení: LED diody jsou nízkopěťové součástky vyžadující stejnosměrný proud. Pro připojení k běžné síti je nutný napájecí zdroj (tzv. driver), který transformuje napětí a stabilizuje proud.
Index podání barev (CRI): Některé levnější bílé LED mohou mít nižší index podání barev, což způsobuje, že barvy osvětlených předmětů vypadají nepřirozeně.
Modré světlo: Bílé LED s chladným odstínem emitují významný podíl modrého světla, které může při nadměrné expozici (zejména v noci) narušovat cirkadiánní rytmus.

📊 Technické parametry

Napětí v propustném směru (Uf): Napětí, které je na diodě při průchodu proudu. Liší se podle barvy (cca 1,8 V pro červenou, až 3,5 V pro modrou a bílou).
Proud v propustném směru (If): Jmenovitý proud, pro který je dioda navržena (typicky 20 mA pro indikační LED, až několik ampérů pro výkonové LED).
Svítivost (Iv): Množství světla vyzářeného do určitého prostorového úhlu, udává se v kandelách (cd) nebo mililkandelách (mcd).
Světelný tok (Φ): Celkové množství světla vyzářeného do všech směrů, udává se v lumenech (lm).
Vyzařovací úhel: Úhel, ve kterém svítivost klesne na polovinu maximální hodnoty.

🌍 Využití a aplikace

Díky svým vlastnostem našly LED diody uplatnění v širokém spektru oborů:

Osvětlení: Domácí a komerční osvětlení (LED žárovka), veřejné osvětlení, architektonické osvětlení.
Displeje: Podsvícení LCD panelů (televizory, monitory, mobilní telefony), velkoplošné obrazovky, informační panely.
Automobilový průmysl: Přední světlomety, brzdová a koncová světla, směrovky, osvětlení interiéru.
Signalizace a indikace: Kontrolky na elektronických zařízeních, semafory, dopravní značení.
Infračervené aplikace: Dálkové ovládání, optické závory, noční vidění, datové přenosy (IrDA).
Ultrafialové aplikace: Dezinfekce vody a vzduchu, vytvrzování polymerů, kontrola pravosti bankovek.
Zahradnictví: Speciální pěstební (grow) světla s optimalizovaným spektrem pro fotosyntézu.
Lékařství: Fototerapie, chirurgické osvětlení, endoskopie.

📦 Typy a provedení

LED diody se vyrábějí v mnoha různých tvarech a pouzdrech podle účelu použití.

Vývodové (THT): Klasické diody s drátovými vývody, typicky v 3mm nebo 5mm pouzdře. Používají se hlavně pro indikaci.
Pro povrchovou montáž (SMD): Miniaturní diody pájené přímo na povrch desky plošných spojů. Jsou dominantní v moderní elektronice, osvětlovacích páscích a podsvícení displejů.
Výkonové (High-Power): Navrženy pro vysoké proudy a velký světelný výkon. Vyžadují montáž na chladič pro odvod tepla.
COB (Chip on Board): Technologie, kde je více LED čipů integrováno na jedné desce a překryto vrstvou luminoforu. Vytváří tak jednolitou svítící plochu s vysokou hustotou světla.
OLED (Organic Light-Emitting Diode): Technologie využívající organické materiály. Nevyžaduje podsvícení, protože každý bod svítí sám. Používá se v prémiových displejích televizorů a mobilních telefonů.
MicroLED: Relativně nová technologie využívající mikroskopické anorganické LED pro každý pixel. Slibuje výhody OLED (vysoký kontrast, rychlá odezva) s vyšším jasem a delší životností.

💡 Pro laiky

Představte si LED diodu jako velmi malou a úspornou žárovku, která funguje na úplně jiném principu.

Jednosměrný ventil na elektřinu: Dioda funguje jako jednosměrný ventil pro elektrický proud. Pustí ho jen jedním směrem.
Světlo jako vedlejší produkt: Když proud tímto "ventilem" prochází, část jeho energie se přemění přímo na světlo. Na rozdíl od klasické žárovky, která nejdříve rozžhaví drátek a světlo je jen vedlejším produktem velkého množství tepla, LED dioda vytváří světlo mnohem efektivněji a s minimálním teplem.
Barva je dána materiálem: Barva, kterou LED svítí, je pevně daná materiálem, ze kterého je vyrobena. Je to jako mít různé druhy "svítících kamenů" – jeden svítí červeně, jiný zeleně a další modře. Pro vytvoření bílého světla se nejčastěji vezme modře svítící "kámen" a potře se žlutou svítící vrstvou. Dohromady to naše oči vnímají jako bílé světlo.

Díky této efektivitě a dlouhé životnosti LED diody postupně nahrazují staré typy osvětlení a šetří obrovské množství elektrické energie po celém světě.

♻️ Dopad na životní prostředí

Přechod na LED osvětlení má významný pozitivní dopad na životní prostředí, především díky masivním úsporám elektrické energie a snížení emisí oxidu uhličitého. Dlouhá životnost také snižuje množství odpadu.

Na rozdíl od kompaktních zářivek neobsahují LED diody toxickou rtuť. Výroba polovodičových materiálů, jako je gallium nebo indium, je však energeticky náročná a spojená s těžbou vzácných prvků. Přesto je celková energetická bilance za dobu životnosti LED zdroje výrazně pozitivní ve srovnání s předchozími technologiemi.

Šablona:Aktualizováno