Spis ilustracji: Wstęp: Wynalezienie diody: Działanie: Konstrukcja: Wzór: Luminescencja:... 7

Transkrypt

1 Strona 1 Wstęp.

2 Spis treści Strona 2 Spis ilustracji:... 3 Wstęp:... 4 Wynalezienie diody:... 5 Działanie:... 6 Konstrukcja:... 6 Wzór:... 7 Luminescencja:... 7 Długość faligenerowanego promieniowania:... 8 Sprawność:... 9 Kolory diod LED: Zalety: Parametry diod elektroluminescencyjnych (LED): Odmiany i zastosowania LED: Lampa LED: Zalety: Wady: Przykładowe zastosowania diod LED w technice: Spis indeksów: Łącza: Wstęp.

3 Spis ilustracji: Strona 3 Rysunek nr 1. Diody LED skonfigurowane RGB Rysunek nr 2. Diody LED kolejno: zielona, żółta, czerwona Rysunek nr 3. Rozmiary diod LED 3, 5, 10mm... 6 Rysunek nr 4.Diody LED różne kolory Rysunek nr 5. Diody LED 3mm - kolory Rysunek nr 6. Wyświetlacz 7-segmentowy Rysunek nr 7. Lampa diodowa z trzonkiem GU10, zbudowana na diodach SMD Rysunek nr 8. Listwa LED Rysunek nr 9. Lampa diodowa GU10 z normalnymi diodami LED Rysunek nr 10.Lampa diodowa z trzonkiem E Wyświetlacz z lat Giętki wyświetlacz Power LED Sygnalizacja świetlna Światła samochodowe Wyświetlacz informacyjny Wstęp.

4 Strona 4 Wstęp: Dioda elektroluminescencyjna,dioda świecąca (ang. light-emitting diode, LED) dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych 1, emitujących promieniowanie w zakresie światła 2 widzialnego, podczerwieni i ultrafioletu. Rysunek nr 1. Diody LED skonfigurowane RGB. 1 Przyrządy optoelektroniczne - grupa przyrzadów reagujacych lub wytwarzajace swiatlo. 2 Zakres swiatla - widziany zakres przez przyrzady optoelektroniczne. Wstęp.

5 Strona 5 Wynalezienie diody: Do produkcji weszła w latach sześćdziesiątych w formie opracowanej przez amerykańskiego inżyniera Nicka Holonyaka 3 juniora, który jest uważany za jej wynalazcę. Możliwe jest, że została wynaleziona już wcześniej, w latach 20. XX wieku. Radziecki technik radiowy Oleg Łosiew 4 zauważył, że diody ostrzowe używane w odbiornikach radiowych emitują światło, w latach opublikował łącznie 16 artykułów opisujących działanie diod elektroluminescencyjnych. Rysunek nr 2. Diody LED kolejno: zielona, żółta, czerw 3 Holonyak - amerykanski inzynier. 4 Losiew - radziecki technik radiowy. Wynalezienie diody.

6 Strona 6 Działanie: Działanie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku 5 (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pseudopęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu. Konstrukcja: Półprzewodnikiem cechującym się tego rodzaju przejściami jest arsenek galu (GaAs) i między innymi dzięki tej własności głównie on jest wykorzystywany do produkcji źródeł promieniowania (drugim powodem jest bardzo duża sprawność kwantowa jest to parametr określający udział przejść rekombinacyjnych, w wyniku których generowane są fotony do ilości nośników ładunku przechodzących przez warstwę zaporową złącza p-n 6, przejścia rekombinowane zachodzą w obszarze czynnym złącza). Rysunek nr 3. Rozmiary diod LED 3, 5, 10mm 5 Rekombinacja nośników ładunku - rekombinacja promienista. 6 Zlacze p-n wykorzystujace dwa rodzaje polprzewodnika: typu n i typu p. Działanie.

7 Strona 7 Wzór: przy czym: Nfot całkowita ilość fotonów generowanych wewnątrz obszaru czynnego; Nnośo całkowita ilość nośników wstrzykiwanych do obszaru czynnego złącza; Pprom moc promieniowania generowanego wewnątrz półprzewodnika; h stała Plancka; v częstotliwość generowanego promieniowania; I prąd elektryczny doprowadzony do diody; e ładunek elektronu. W krzemie i germanie dominują przejścia skośne. Luminescencja: Luminescencja 7 jest zjawiskiem fizycznym polegającym na emitowaniu przez materię promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego, które dla pewnych długości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe. W diodzie elektroluminescencyjnej (LED) mamy do czynienia z tzw. elektroluminescencją 8, przy wytworzeniu której źródłem energii pobudzającej jest prąd elektryczny dostarczony z zewnątrz, czasami pole elektryczne. Najefektywniejsza elektroluminescencja w półprzewodniku powstaje w wyniku rekombinacji swobodnych nośników ładunku w złączu p-n, gdy jest ono spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Zjawiska przeszkadzające elektroluminescencji to pochłanianie wewnętrzne i całkowite odbicie wewnętrzne. 7 Luminescencja zdolnosc do swiecenia. 8 Elektroluminescencja zdolnosc do swiecenia z uzyciem pradu elektrycznego. Działanie.

8 Strona 8 Długość fali 9 generowanego promieniowania: przy czym: Wg = Wc Wv szerokość pasma zabronionego lub różnica energii poziomów, między którymi zachodzi rekombinacja, h stała Plancka, c prędkość światła. Miarą strat na odbicie wewnętrzne i pochłanianie jest stosunek zewnętrznej do wewnętrznej sprawności kwantowej nqz/nnw. O ile wewnętrzna sprawność kwantowa nqw jest zależna od technologii procesu wytwarzania złącza oraz właściwości zastosowanego półprzewodnika, o tyle na zewnętrzną sprawność kwantową ma także wpływ kształt diody. Kąt krytyczny, przy którym występuje pełne odbicie wewnętrzne: przy czym n* jest współczynnikiem załamania. Pochłanianie wewnętrzne może być wyrażane za pomocą funkcji exp[-a(l)x], gdzie a(l) jest współczynnikiem absorpcji 10 dla danej długości fali, x zaś określa odległość od miejsca rekombinacji promienistej do powierzchni emitującej promieniowanie diody na zewnątrz. 9 Dlugosc fali- stosunek predkosci swaitla w prozni do czestotliwosci danej fali. 10 Absorpcja inaczej pochlanianie. Działanie.

9 Strona 9 Sprawność: Całkowitą sprawność 11 zamiany energii elektrycznej na energię promienistą w przypadku omawianej diody płaskiej określa zależność: przy czym: P moc wejściowa elektryczna; 4n*/(n*+1)² współczynnik transmisji (przepuszczalności) promieniowania z wnętrza półprzewodnika do powietrza; f(l) strumień fotonów; R współczynnik odbicia od kontaktu tylnego; αn, αp współczynnik absorpcji w obszarze n lub p diody; Złącza p-n diod elektroluminescencyjnych z GaAs wykonuje się zazwyczaj techniką dyfuzyjną, co zapewnia im wysoką sprawność kwantową. Promieniowanie diod elektroluminescencyjnych z GaAs można uczynić widzialnym za pomocą przetworników podczerwieni, na przykład przez pokrycie powierzchni diody odpowiednim luminoforem. Promieniowanie widzialne emitują diody elektroluminescencyjne z półprzewodników trójskładnikowych GaAsP, w których tak samo jak w GaAs 12 są spełnione warunki dla prostych przejść rekombinacyjnych. Diody z GaAsP emitują światło czerwone o długości fali l = 650 nm. 11 Sprawnosc stosunek energii wejsciowej do wyjsciowej razy 100%. 12 GaAs- arsenek galu. Działanie.

10 Strona 10 Długość fali emitowanego promieniowania zwiększa się ze wzrostem temperatury złącza. Diody emitują promieniowanie w bardzo wąskim przedziale widma: od 490 nm kolor niebieski do 950 nm bliska podczerwień 13. Diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V grupy układu okresowego 14 np. arsenek galu GaAs, fosforek galu GaP, arseno-fosforek galu GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu). Barwa promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne zależy od materiału półprzewodnikowego; są to barwy: niebieska, żółta, zielona, pomarańczowa, czerwona. Kolory diod LED: Tabela nr 1. Kolory LED w zależności od użytych materiałów. Nazwa Materiał Barwa Arsenek galu GaAs Podczerwień Fosforek galu GaP czerwona, zielona, żółta Fosforo-arsenek galu GaAs(1-x)P(x) czerwona, pomarańczowa, żółta Galo-arsenek glinu Al(x)Ga(1-x)As czerwona, podczerwień Azotek galu GaN niebieska, biała 13 Podczerwien dolny zakres swiatla niewidzialnego przez ludzki wzrok. 14 Uklad okresowy uklad pierwiastkowy. Działanie.

11 Strona 11 Zalety: Średni prąd przewodzenia IF nie powinien przekraczać ma, zależnie od typu diody. Często ogranicza się go za pomocą odpowiednio dobranego rezystora połączonego szeregowo z diodą lub stabilizatora prądu. Stabilizatory prądu są zwykle stosowane do zasilania diod dużej mocy, gdzie istotna jest sprawność układu zasilania 15 diody. Zalety diod elektroluminescencyjnych: mały pobór prądu, mała wartość napięcia zasilającego, duża sprawność, małe straty energii, małe rozmiary, duża trwałość 16, duża wartość luminacji. Rysunek nr 4.Diody LED różne kolor 15 Uklad zasilania uklad stabilizujacy prad lub napiecie diody. 16 Duza trwalosc duza zywotnosc, odpornosc na wiekszosc warunkow diody itp. Działanie.

12 Strona 12 Parametry diod elektroluminescencyjnych (LED): sprawność kwantowa (zewnętrzna), skuteczność świetlna, długość fali emitowanego światła, szerokość widmowa, moc wyjściowa, częstotliwość graniczna 17, czas narastania lub opadania 18, maksymalny prąd (przewodzenia) zasilający (w ma), maksymalne napięcie wsteczne (do kilku V). Rysunek nr 5. Diody LED 3mm - kolory. 17 Czestotliwosc graniczna max czestotliowsc z ktora moza pracowac dana diode. 18 Czas narastania lub opadania czas wlaczenia i wylaczenia zależny od pojemności wlasnej diody. Parametry diod LED.

13 Strona 13 Odmiany i zastosowania LED: IR emitujące promieniowanie podczerwone wykorzystywane w łączach światłowodowych, a także w urządzeniach zdalnego sterowania. HBLED, High Brightness LED diody o wysokiej jasności świecenia; za takie uważa się, których jasność przekracza 0,2 cd; znajdują one zastosowanie w miejscach, gdzie zwykle używa się tradycyjnych źródeł światła w sygnalizacji ulicznej, w oświetleniu pojazdów, w latarkach. RGB LED dioda mająca struktury do generowania trzech podstawowych barw (czerwony, zielony, niebieski), a co za tym idzie, przez możliwość ich mieszania, praktycznie dowolnej barwy. RGBA LED rozszerzenie struktury RGB o dodatkową diodę o kolorze bursztynowym (ang. Amber) powiększającą osiągalną przestrzeń barw 19. RGBW LED rozszerzenie struktury RGB o dodatkową diodę o kolorze białym (ang. White). Przykładem diody RGBW jest dioda firmy CREE 20 model MC-E RGBW. warm white LED Dioda generująca światło białe ciepłe (według normy PN-EN jest to temperatura barwowa poniżej 3300 K). Diody ciepłe mają najbardziej zbliżoną temperaturę barwową do światła żarówki. neutral white LED Dioda generująca światło białe neutralne (według normy PN-EN jest to temperatura barwowa 3300 K K). cool white LED Dioda generująca światło białe zimne (według normy PN-EN jest to temperatura barwowa powyżej 5300 K). 19 Przestrzen barw wykres zawierajacy wszystkie kolory I przypisane parametry dla koloru. 20 CREE amerykanska firma produkujaca diody LED duzej mocy. Odmiany diod LED.

14 Strona 14 High Power LED lub Power LED - Dioda wysokiej mocy, do poprawnej pracy wymaga zapewnienia odpowiedniego chłodzenia i źródła prądowego do zasilania. Białe diody tego typu mają najczęściej emiter wielkości kilku mm2, jasność lm przy prądzie 350 ma i pobieranej mocy 21 około 1 W. Maksymalny prąd podawany przez producentów to zazwyczaj 0,7 1,5A na 1 mm2 struktury (maksymalny prąd zależy w głównej mierze od chłodzenia struktury świecącej diody). Firmy produkujące tego typu LED-y to (przykładowe modele w nawiasach): Philips Lumileds Lighting Company (Luxeon K2, Luxeon Rebel), CREE (XR-C, XR-E, XP-C, XP-E, XP-G, MC-E), Seoul Semiconductors (SSC-P4, SSC-P7), Osram Opto Semiconductors GmbH (Ostar, Oslon), Luminus Devices (SST-50, SST-90) Nichia. Zespoły diod elektroluminescencyjnych są stosowane w różnego rodzaju wyświetlaczach, jak np. wyświetlacz siedmiosegmentowy 22. Rysunek nr 6. Wyświetlacz 7-segmentowy 21 Moc iloczyn pradu I napiecia. 22 Wyswietlacz 7-segmentowy wyswietla znaki : ABCdEF. Odmiany diod LED.

15 Strona 15 Lampa LED: Lampa LED 23 (nieprawidłowo zwana "żarówką LED") - źródło światła oparte na diodach elektroluminescencyjnych (LED), umieszczone w obudowie pozwalającej zastosować je w oprawie oświetleniowej przeznaczonej dla żarówek. Źródłem światła w lampach LED jest biała dioda elektroluminescencyjna, która składa się z zwykle z dwóch zasadniczych elementów: niebieskiej diody elektroluminescencyjnej i luminoforu. Niebieska dioda elektroluminescencyjna, emituje światło o długości fali około 450 nm. Światło niebieskie pobudza do świecenia luminofor umieszczony w obudowie diody. Luminofor 24, np.: YAG:Ce, emituje światło żółto zielone, które zmieszane ze światłem niebieskim diody daje światło białe. W zależności od rodzaju luminoforu możemy uzyskać biały kolor o różnej temperaturze barwnej. Obecnie najlepsze LED-owe źródła światła białego cechują się sprawnością ponad 300 lumenów z wata mocy elektrycznej, czyli ponad 44%. Rysunek nr 7. Lampa diodowa z trzonkiem GU10, zbudowana na diodach SMD 23 Lampa LED zestaw diod LED I zasilacz w jednej obudowie do zastosowania w domu, przemysle 24 Luminofor substancja chemiczna ktora po oswietleniu swiatlem najczesciej niebieskim lub UV wytwarza swiatlo o innym kolorze. Lampa LED.

16 Strona 16 Proste konstrukcje, służące głównie jako kontrolki przeznaczone do zastępowania miniaturowych żaróweczek w tablicach synoptycznych lub samochodowych tablicach rozdzielczych, zawierają tylko diodę świecącą w dowolnym kolorze oraz opornik, pracują przy napięciach 6 24 V. Lampy diodowe, służące do oświetlania, posiadają cokół 25, np. E14 lub E27, który pozwala umieścić je w oprawie dla żarówek 230 V, ale też znormalizowane przyłącza bagnetowe albo igiełkowe. Niskie napięcie konieczne do zasilania diod świecących: białych lub ciepło białych (Warm White), jest w nich wytwarzane za pomocą przetwornicy impulsowej. W lampach LED stosuje się zarówno diody klasyczne (okrągłe, coraz rzadziej) jak i nowoczesne diody montowane powierzchniowo o szerszym kącie świecenia oraz większej trwałości i wydajności świetlnej, zwane diodami LED SMD 26 oraz LED COB. Rysunek nr 8. Listwa LED 25 Cokól - gwint 26 SMD montaz powierzchniowy. Lampa LED.

17 Strona 17 Zalety: Do podstawowych zalet lamp diodowych, w porównaniu z lampami żarowymi, należy znacznie większa trwałość (obecnie na rynku dostępne są lampy LED o trwałości ok. 50 tys. godzin - przy korzystaniu przez około 5h/dzień ich trwałość wynosi ok. 30 lat), szerszy zakres napięć roboczych 27, większa sprawność, znacznie mniejsze nagrzewanie, brak zależności temperatury barwowej światła od napięcia zasilającego, a w przypadku kontrolek, dodatkowo możliwość uzyskania dowolnego koloru świecenia bez użycia barwnych filtrów. Zaletą jest także możliwość doboru dowolnej temperatury barwowej lampy LED. Lampy LED są praktycznie niewrażliwe na częste cykle załącz / wyłącz przez to stanowią doskonałą alternatywę oświetlenia w miejscach gdzie często i krótko zapala się światło np. toalety, lampy z czujnikiem ruchu 28. Cechują się także niezwykle krótkim (<1s.) czasem rozpalenia do jasności 100%. Rysunek nr 9. Lampa diodowa GU10 z normalnymi diodami LED 27 Napiécie robocze napiecie zasilajace. 28 Czujnik ruchu czujnik reagujacy na zmiany otoczenia fizycznego. Lampa LED.

18 Strona 18 Wady: Jedną z poważniejszych wad jest wysoka cena, która jest jednak rekompensowana przez dużo dłuższą żywotność oraz bardzo niskie koszty eksploatacyjne. Zwrot inwestycji polegającej na wymianie oświetlenia tradycyjnego na lampy LED może być krótszy nawet niż 1 rok, a oszczędności osiągane na każdej wymienionej żarówce wynoszą np. około 40 zł/rok w przypadku żarówki 50-watowej i odpowiednio ok. 80 zł/rok dla 100-watowej. Wadą lamp LED jest różnorodna charakterystyka widmowa w porównaniu do żarówki wolframowej lub halogenowej. Przy wyborze źródła światła należy zatem zwracać uwagę na opis lampy LED - np. "ciepła biała" i "zimna biała". Według badań przeprowadzonych w 2012 roku na Uniwersytecie Compultense bezpośrednie patrzenie w światło emitowane przez lampy LED może spowodować nieodwracalne zmiany w siatkówce 29, przy czym badanie dotyczy długotrwałego patrzenia na ekrany telewizorów, telefonów komórkowych, komputerów wyposażonych w monitory LED itp. a nie dotyczy oświetlenia LED. Autorka badania wskazuje na to, że ludzie obecnie żyją coraz dłużej i coraz więcej czasu spędzają wpatrzeni w różne ekrany emitujące sztuczne światło 30, co może powodować wspomniane nieodwracalne zmiany. Rysunek nr 10.Lampa diodowa z trzonkiem E27 29 Siatkówka czesc narzadu wzroku. 30 Sztuczne swiatlo swiatlo nienaturalne np diody led, halogeny itp. Lampa LED.

19 Strona 19 Przykładowe zastosowania diod LED w technice: Wyświetlacz kalkulatora naukowego TI (rok 1978): Giętkie wyświetlacze OLED 32 : Wyświetlacz z lat 78 Giętki wyświetlacz 31 TI-30 model kalkulatora od Texas instruments. 32 OLED organiczne diody LED. Przykładowe zastosowania diod LED.

20 Strona 20 Diody LED dużej mocy: Power LED Światła sygnalizacyjne: Sygnalizacja świetlna Przykładowe zastosowania diod LED.

21 Strona 21 Światła samochodowe: Światła samochodowe Wyświetlacze informacyjne: Wyświetlacz informacyjny Przykładowe zastosowania diod LED.

22 Strona 22 Spis indeksów: arsenek galu, 6, 9, 10 barwy: niebieska, żółta, zielona, pomarańczowa, czerwona, 10 cool white LED, 13 Długość fali, 8 działanie diod elektroluminescencyjnych, 5 elektroluminescencji, 7 HBLED, High Brightness LED, 13 High Power LED, 14 krzemie i germanie, 7 materiałów półprzewodnikowych, 10 Miarą strat na odbicie wewnętrzne i pochłanianie, 8 neutral white LED, 13 Nicka Holonyak, 5 obszarze czynnym złącza, 6 Oleg Łosiew, 5 pasma przewodnictwa, 6 RGB LED, 13 RGBA LED, 13 RGBW LED, 13 Średni prąd przewodzenia IF nie powinien przekraczać ma, 11 warm white LED, 13 wierzchołkowi pasma walencyjnego, 6 współczynnikiem absorpcji, 8 Wynalezienie diody, 5 wyświetlacz siedmiosegmentowy, 14 zjawisku rekombinacji nośników ładunku, 6 Przykładowe zastosowania diod LED.

23 Strona 23 Łącza: łącze do rozdziału 1, łącze do rozdziału 2, łącze do rozdziału 3, łącze do rozdziału 4, łącze do rozdziału 5, łącze do rozdziału 6. Przykładowe zastosowania diod LED.