Definicja
Dioda elektroluminescencyjna (LED) i fototranzystor są elementami półprzewodnikowymi przetwarzającymi energię elektryczną na energię promieniowania świetlnego.
Przeznaczenie
Dioda elektroluminescencyjna, nazywana potocznie diodą świecącą lub LED - ami (ang. Light Emitting Diode) są najbardziej rozpowszechnionymi elementami optoelektronicznymi.
LED-y świecące światłem widzialnym znajdują zastosowanie w podawaniu stanów pracy urządzenia np. włączenie, wyłączenie, poziom energii w bateriach, poziom paliwa w zbiorniku samochodowym; czy też innym, w aparaturze pomiarowej, we wskaźnikach (linijkach diodowych), klawiatura zamka szyfrowego, lub też jako elementy podświetlające skalę przyrządu pomiarowego. Zastosowań jest tak wiele, że trudno jest je wszystkie wymienić. Diody świecące w zakresie fal podczerwonych znajdują swoje zastosowanie w przesyle informacji drogą światłowodową na krótkich odcinkach oraz w zdalnym sterowaniu sprzętów gospodarstwa domowego np. telewizora i magnetowidu, czy też bramy wjazdowej, a nawet do transmisji powietrznej danych z komputera do komputera przez złącze IrDA (np. między PC, a palmtopem, czy notebookiem)
Zasada działania
Przy spolaryzowaniu złącza PN w kierunku przewodzenia elektrony z pasma przewodnictwa przechodzą do obszaru P, gdzie rekombinują z dziurami w paśmie podstawowym. Odpowiadający temu nadmiar energii Wg=hf (h stał Planka) ulega wypromieniowaniu w postaci ciepła lub światła. Pierwszy przypadek nosi nazwę rekombinacji niepromienistej, a drugi promienistej. Rekombinacja promienista zachodzi przede wszystkim w półprzewodnikach o prostej przerwie energetycznej. Elektroluminescencja występuje, gdy źródłem pobudzenia promieniowania jest prąd lub pole elektryczne.
Zasada działania - rysunek
(ZDJĘCIE NR 1 - załącznik)
Kolory świecenia
Produkuje się diody o różnym kolorze świecenia: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, a ostatnio za sprawą polskich naukowców niebieską. Są też w sprzedaży diody świecące promieniowaniem podczerwonym. Barwa świecenia zależy od materiału z jakiego jest ona wykonana oraz od technologii wytwarzania. Diody świecące światłem widzialnym są wykonane z arsenku galu GaP (promieniowanie o barwie czerwonej i zielonej), arsenofosforku galu GaAsP (promieniowanie o barwie czerwonej, pomarańczowej i żółtej), fosforku galowo-indowego InGaP i arsenku glinowo-galowego AlGaAs, zaś diody świecące światłem podczerwonym są wykonane z arsenku galu GaAs domieszkowanego cynkiem Zn i krzemem Si.
Rodzaje obudów
Podobnie jak dioda prostownicza, dioda elektroluminescencyjna ma dwie elektrody: anodę i katodę. Dioda świecąca ma obudowę z tworzywa przepuszczającego promieniowanie świetlne. Stosuje się obudowy przeźroczyste, matowe (półprzeźroczyste), bezbarwne lub barwione na kolor świecenia.Większość diod ma obudowę zrobioną z tworzywa sztucznego, które może mieć kształt np. cylindryczny z kulistym zakończeniem, lub prostokątny.Obudowa przeważnie ma kształt soczewki formatującej wiązkę promieniowania. Umożliwia ona otrzymanie optymalnego kształtu charakterystyki kątowej promieniowania, która jest obrazem rozchodzenia się światła w przestrzeni w zależności od kąta patrzenia na diodę.
Charakterystyka kątowa promieniowania
(ZDJĘCIE NR 2 - załącznik)
Symbol diody
Symbol diody elektroluminescencyjnej jest podobny do symbolu zwykłej diody, ma natomiast dodatkowo dwie strzałki skierowane grotami na zewnątrz.
Przykładowy układ pracy diody:
(ZDJĘCIE NR 3 - załącznik)
Charakterystyka prądowo-napieciowa diody LED:
Charakterystyka diody LED jest podobna do charakterystyki diody prostowniczej. Z powodu dużego przyrostu wartości prądu przewodzenia diody przy niewielkim wzroście jej napięcia przewodzenia stosuje się szeregowo z nią rezystor. Dioda LED ma nieco wyższe napięcie przewodzenia, które wynosi 2V dla diody czerwonej i 3V dla diody zielonej i żółtej. Diody LED maja niskie napięcia zaporowe wahające się między 3, a 5V. Maksymalny prąd przewodzenia to 20 - 50mA, zależnie od typu diody.
(ZDJĘCIE NR 4 - załącznik)
Charakterystyka porównawcza diód o różnym kolorze świecenia
(ZDJĘCIE NR 5 - załącznik)
Ilość wydzielanego światła
Ważnym parametrem diody LED świecących światłem widzialnym jest ilość wydzielanego światła mierzonego w milikandelach (mcd). Jest to wartość 1 - 2mcd w zależności od typu diody. Dla diod emitujących promieniowanie podczerwone ważnym parametrem jest moc promieniowania Pe wyrażaną w miliwatach lub miliwatach na steradian. Częstotliwość graniczna diod LED wynosi maksymalnie kilkanaście MHz. Praca impulsowa diody LED jest zbliżona parametrami do pracy diody impulsowej. Ilość światła jest proporcjonalna do ilości przepływającego prądu przez diodę (zależność liniowa).
Charakterystyka światłości diody
(ZDJĘCIE NR 6 - załącznik)
Charakterystyka widmowa diody
(ZDJĘCIE NR 7 - załącznik)
Diody świecące światłem podczerwonym
Diody elektroluminescencyjne emitujące światło podczerwone maja obudowy zawierające soczewkę ogniskującą promieniowanie świetlne. Prąd przewodzenia tych diod to 20 - 100mA, przy napięciu z zakresu 1,5 - 1,7V. Napięcie wsteczne nie może przekraczać wartości 3V.
Wskaźniki segmentowe
W wskaźnikach segmentowych, nazywanych też cyfrowymi, jedna lub dwie diody tworzą segment. Podstawowym najczęściej stosowanym (do niedawna) wyświetlaczem jest wyświetlacz 7-segmentowy w kształcie liczby "8" i z kropką. Umożliwia to wyświetlenie cyfr od "0" do "9" i liter A, C, E, H, I, J, L, O, P, S, U. Zwiększenie ilość wyświetlaczy daje możliwość pokazania na nich większego zakresu liczb i całych wyrazów. Każda dioda wchodząca w skład wyświetlacza ma takie parametry jak zwykła dioda LED. Dla większej wygody w projektowaniu zastosowań wyświetlacza zmniejszono ilość wyprowadzeń bez, zmniejszania jego funkcjonalności. Łączy się wszystkie anody lub katody w danym wyświetlaczu, co redukuje ilość nóżek blisko o połowę.
Wskaźniki obecnie produkowane mają wysokość od 3 - 21 mm (czasem większych), a kąt patrzenia może wynosić do 150, zaś w obudowie jest po kilka wyświetlaczy.
Diody znajdują swoje zastosowanie we wskaźnikach mozaikowych, zwanych też alfanumerycznymi. Każdy znak stanowi sobą mozaikę (matrycę) do wyświetlenia przez diody elektroluminescencyjne. Najczęściej składają się one z 35 punktów świetlnych (5 kolumn i 7 wierszy). Mozaika ta jest najmniejszą, przy pomocy której da się wyświetlić wszystkie cyfry i znaki łacińskie oraz część znaków specjalnych, co daje 64 znaki kodu ASCII. Zastosowanie to np. wyświetlacze trasy w autobusach miejskiej komunikacji.
Wskaźniki światłowodowe są podobne do wyświetlaczy 7-segmentowych, ale segment jest wyświetlany przez punkt świetlny, który światłowodem przechodzi na całą szerokość segmentu. Obudowa jest światłowodem. We wnęce tej obudowy znajduje się dioda LED. Obserwator ma wrażenie widzenia belki świetlnej o jednolitej światłości.
Wskaźnik monolityczny jest zbudowany z płytki izolacyjnej ze strukturami monolitycznymi ukształtowanymi w formie segmentów, drukowanymi połączeniami wewnętrznymi i zewnętrznymi oraz zespół soczewek zapewniających transmisję światła i widoczność syfr pod dużym kątem. Wskaźniki te stosuje się przede wszystkim w kalkulatorach i zegarkach.
Zalety i wady wskaźników cyfrowych
Typowymi zaletami wskaźników cyfrowych jest:
- niskie napięcie zasilania 1,5 - 3V (łatwe łączenie z układami scalonymi)
- dobra czytelność i duży kąt widzenia oraz duża powierzchnia cyfry w stosunku do objętości
- długi czas pracy 114 lat, przy 50% spadku luminancji po 250 000 godzinach (28,6 lat)
- duża szybkość działania
- odporność na wstrząsy i czynniki zewnętrzne
- możliwość scalenia z układami dekodująco-sterującymi.
Wadami są przede wszystkim duży prąd zasilania.
Uwaga końcowa
Przy badaniu diody nieznanego typu należy zasilać ją napięciem nie większym niż 3V i nie przekraczać prądu o wartości 20mA.
