LED osvětlení

Světlo vyzařující dioda, též elektroluminiscenční dioda či LED, je elektronická polovodičová součástka obsahující přechod P-N.

Prochází-li přechodem elektrický proud v propustném směru, přechod vyzařuje (emituje) nekoherentní světlo s úzkým spektrem. Může emitovat i jiné druhy záření. Tento jev je způsoben elektroluminiscencí.

Pásmo spektra záření diody je závislé na chemickém složení použitého polovodiče. LED jsou vyráběny s pásmy vyzařování od skoro ultrafialových, přes různé barvy viditelného spektra, až po infračervené pásmo. Poměrně dlouho trval vývoj modré LED, na nějž čekal jeden z projektů ploché barevné televizní obrazovky.

Z principu funkce LED vyplývá, že nelze přímo emitovat bílé světlo - starší bíle zářící diody většinou obsahují trojici čipů vybíraných tak, aby bylo aditivním míšením v rozptylném materiálu vrchlíku dosaženo vjemu bílého světla.

Protože není možné přímo emitovat bílé světlo, pravé bílé LED využívají luminoforu. Některé bílé LED emitují modré světlo, část tohoto světla je přímo na čipu luminoforem transformována na žluté světlo a díky míseni těchto barev vzniká bílá. Jiné typy bílých LED emitují ultrafialové záření, to je přímo na čipu luminoforem transformováno na bílé světlo.

Se zkracující se vlnovou délkou emitovaného světla roste napětí, při kterém se proud v propustném směru začíná zvětšovat. U křemíkové (Si) diody je toto napětí asi 0,6 V, u zelené LED z GaP 1,7 V a u modré z SiC již 2,5 V.

Základní monokrystaly diod bývají překryty kulovými vrchlíky z epoxidové pryskyřice nebo akrylového polyesteru. Materiály, z nichž se LED vyrábějí, totiž mají poměrně vysoký index lomu a velká část vyzařovaného světla by se odrážela totálním odrazem zpět na rovinném rozhraní se vzduchem.

Oproti jiným elektrickým zdrojům světla (žárovka, výbojka, doutnavka) mají LED tu výhodu, že pracují s poměrně malými hodnotami proudu a napětí. Z toho vyplývá jejich užití v displejích (ve tvaru cifer a písmen). Kombinací LED základních barev (červená, zelená, modrá) je možno získat i barevné obrazovky.

Konstrukčně představují LED součástku, v níž je kontaktovaný čip (nebo kombinace čipů) zastříknut materiálem s požadovanými optickými vlastnostmi (LED se vyrábějí v bodovém či rozptylném provedení, s různým vyzařovacím úhlem). Kontakty mohou být v provedení pro povrchovou montáž (SMD) nebo ve tvaru ohebných či poddajných přívodů. Sestavy více LED, pouzdřené společně mohou mít samostatně vyveden každý čip, společnou anodu či katodu nebo jiný systém kontaktování dle zamýšleného užití (například dvojbarevné diody).

Specifika použití

Na rozdíl od žárovek, u kterých nezáleží na polaritě napájecího napětí a jsou schopny tedy pracovat na střídavé napětí, LED zapojené nesprávným způsobem nepracují. Když je napětí na P-N přechodu diody zapojené správně, říkáme že je zapojena v propustném směru a v tomto stavu skrz ní prochází proud. Když je zapojené opačně než má být, říkáme že je zapojená v závěrném směru a neprochází skrz ní téměř žádný proud a ani nevyzařuje žádné světlo. Proud v propustném směru LED se pohybuje od 1-2 mA u tzv. nízkopříkonových LED přes 20 mA u standardních LED až po proudy vyšší než 1A u speciálních LED používaných v osvětlovací technice. Některé LED jsou schopny pracovat se střídavým napětím. V takovém případě jsou ale rozsvíceny jen polovinu periody, ve které jsou polarizovány propustně. Periodicky se tak rozsvěcují a zhasínají s frekvencí střídavého zdroje.

Výhody použití LED

• Produkují více světla na watt energie než žárovky (nejmodernější přes 100 lm/W), to je užitečné v zařízeních napájených bateriemi, nebo v úsporných zařízeních (česky řečeno, mají vyšší účinnost).
• Mohou vyzářit světlo v požadované barvě bez použití složitých barevných filtrů.
• Jejich pouzdro může být navrhnuto k soustředění světla na určité místo. Světelné tepelné (žárovky) a fluorescenční (zářivky) většinou potřebují k soustředění světla vnější optickou soustavu.
• V zařízeních, kde potřebujeme funkci „stmívání“ nemění svou barvu při snížení napájecího proudu, na rozdíl od žárovek, které při snížení napájení vydávají žlutější světlo.
• Jsou odolné vůči nárazům.
• Jsou ideální na použití v zařízeních, kde dochází k častému vypínání a zapínání zařízení, na rozdíl od žárovek, které mohou při častém zapínání a vypínaní snadno shořet.
• Mají extrémně dlouhou životnost. Jeden z výrobců vypočítal odhadovanou dobu životnosti jejich LED mezi 100 000 a 1 000 000 hodin (neplatí pro výkonné LED, tam mohou být značně menší hodnoty). U zářivek je obvyklý údaj 8 000 - 12 000 hodin a u typických žárovek 1 000 – 2 000 hodin.
• Nejčastější příčinou jejich selhání je postupný úbytek jasu, na rozdíl od žárovek, u kterých se nejčastěji přeruší vlákno.
• Velice rychle se rozsvítí. Typický červený LED indikátor se rozsvítí v řádu mikrosekund. LED používané v telekomunikačních zařízeních mohou mít tyto doby i mnohonásobně kratší.
• Jsou velice malé a snadno mohou být osazeny do desky plošných spojů.
• Neobsahuji rtuť (na rozdíl od zářivek).

Nevýhody LED

• Mají vyšší pořizovací náklady (počítáno v ceně za lumen), než tradiční světelné zdroje. Další náklady také vychází z toho, že jedna dioda poměrně slabě září (Pozn.: Dnešní LED dosahují již velmi vysokého světelného toku), a proto jich potřebujeme větší množství . Nicméně pokud si vezmeme celkové náklady (včetně udržovacích), daleko překonávají žárovky a halogenové zdroje světla.
• Jejich výkonnost hodně závisí na teplotě okolního prostředí. Používání LED na hranici proudových specifikací může vést k přehřátí pouzdra LED diody a k následnému selhání zařízení. V případech vyšších teplot se musí zajistit dostatečné chlazení. To je obzvláště důležité v automobilech a zařízeních pro vojenské nebo lékařské účely, které musí fungovat v širokém rozsahu teplot a jsou u nich kladeny vysoké požadavky na spolehlivost.
• Musí být napájeny správným proudem.
• Obvykle vyzařují světlo jen v úzkém paprsku v jednom směru.
• Světlo z bílých LED diod může zkreslovat barvy
• Nemohou být použity v aplikacích, kde potřebujeme ostře směrový paprsek světla. LED nejsou schopny směrovosti pod několik stupňů. Pokud potřebujeme směrovější zařízení, je lepší použit Laser (nebo LED lasery).
• Roste znepokojení z toho, že modré a bílé LED jsou teď schopny poškodit zrak – oko je výrazně citlivější na modré a „bílé“ světlo a přílišná intenzita, která je použitá u LED diod může oko především v noci poškodit. Dnešní diody jsou schopny překračovat bezpečnostní limity specifikované v ANSI/IESNA RP-27.1-05: Recommended Practice for Photobiological Safety for Lamp and Lamp Systems.

Světelné zdroje pro systémy strojového snímání

Systémy strojového snímání často vyžadují jasné a homogenní osvětlení, aby dokázali lépe vykonávat požadovanou činnost. LED jsou často k tomuto účelu využívány, a na tomto poli zůstává jeden z jejich hlavních způsobů využití, dokud jejich cena neklesne natolik, aby byly využity v širším měřítku i v jiných oblastech. LED diody představují téměř dokonalý zdroj světla pro systémy strojového snímání z několika hlavních důvodů:

• Velikost ozařovaného prostoru je obvykle poměrně malá a systém Vision nebo „chytré kamery“ schopné snímat i nedokonale osvětlené předměty jsou docela drahé. Proto je zde cena LED menší problém, když ji srovnáme s cenou telekomunikačních zařízení.
• Elementy LED tíhnou k tomu být co nejmenší a mohou být osazeny ve velké hustotě na ploché nebo dokonce tvarované povrchy. To umožňuje osvětlit kontrolovanou část zdroji homogenního světla z přesně vymezených úhlů.
• Mají nebo jsou snadno doplnitelné malými, levnými čočkami a rozptylovacím stínítkem, to pomáhá k dosažení vysokých hustot světla a kontroly nad světlem (jeho rozptylem) .
• Můžou být snadno použity k vytvoření záblesku (v řádu mikrosekund a méně), jejich síla je už dostatečně velká k dosažení dobře osvětlených obrázků i při velmi krátkém trvání světelného pulzu. Toho je využíváno v případě, kdy potřebujeme získat ostrý obraz rychle se pohybujících částí.
• Jsou k dispozici v několika barvách a vlnových délkách, což umožňuje použít nejlepší barvu pro dané využití, kde různé barvy mohou přesněji osvětlit předmět zájmu.
• Díky tomu, že mají přesně známé spektrum, tak se dají dobře nastavit barevné filtry, které se použijí k vyfiltrování získaných informací nebo ke snížení rušení okolním světlem.
• Obvykle pracují při srovnatelně nižších teplotách než klasické zdroje.
• Mohou být uspořádány v požadovaných uskupeních (poosvětlení pro vykreslení kontur, plochy, kopule pro světlo rozptýlené mnoha směry apod.)
• Je možné díky ním zmenšit osvětlovací zařízení, to umožňuje osadit malé LED osvětlovače do „chytrých kamer“ nebo zobrazovacích senzorů.

zdroj: Wikipedie