Diode koje emituju svetlost (LED) su efikasni poluprovodnici koji generišu svetlost kroz proces poznat kao elektroluminiscencija. Oni su manji, dugotrajniji i pouzdaniji od žarulja sa žarnom niti ili fluorescentnih lampi. Sa aplikacijama u osvetljenju, ekranima i specijalizovanim oblastima, LED diode nude visoke performanse i uštedu energije. Ovaj članak pruža informacije o tome kako LED diode rade, njihove karakteristike, životni vek, i napredni tipovi.
LED Pregled
Dioda koja emituje svetlost (LED) je poluprovodnički uređaj koji stvara svetlost kada struja teče kroz njega u smeru napred. Za razliku od sijalica sa žarnom niti, koje sijaju zagrevanjem niti, ili fluorescentne lampe koje se oslanjaju na uzbudu gasa, LED diode funkcionišu kroz elektroluminiscenciju, direktnu emisiju fotona kao elektrona rekombinuju sa rupama unutar poluprovodnika. Ovaj proces ih čini daleko efikasnijim i pouzdanijim od starijih tehnologija. LED diode se izdvajaju zbog svog kompaktnog dizajna, dugog radnog veka, izdržljivosti protiv udara i vibracija, i minimalne potrošnje energije.
Emisija svetlosti u poluprovodnika
Ova slika objašnjava proces emisije svetlosti u poluprovodnika, što je princip rada iza LED. Kada je poluprovodnik pobuđen ili električnom strujom ili optičkim ubrizgavanjem, elektroni se kreću iz valentnog opsega u provodni pojas, stvarajući razdvajanje između elektrona i rupa. Ova energetska razlika se naziva pojasni jaz (npr).
Jednom uzbuđen, elektron u provodnom pojasu na kraju rekombinuje sa rupom u valentnom pojasu. Tokom ovog procesa rekombinacije, izgubljena energija se oslobađa u obliku fotona. Energija emitovanog fotona tačno odgovara razmaku u opsegu materijala, što znači da talasna dužina (ili boja) svetlosti zavisi od razmaka poluprovodnika.
LED električne karakteristike
| LED boja | Napredni napon (Vf) | Napredna struja (mA) | Beleške |
|---|---|---|---|
| Crvena | 1.6 – 2.0 V | 5 – 20 mA | Najniži Vf, visoko efikasan |
| Zelena | 2.0 – 2.4 V | 5 – 20 mA | Nešto viši Vf |
| Plava | 2.8 – 3.3 V | 5 – 20 mA | Zahteva više napona |
| Bela | 2.8 – 3.5 V | 10 – 30 mA | Napravljen sa plavim LED + fosfornim premazom |
LED svetlosni izlaz i efikasnost
| Izvor svetlosti | Efikasnost (lumena po vatu) | Beleške |
|---|---|---|
| Sijalica sa žarnom niti | \~10–15 lm/W | Većina energije se gubi kao toplota |
| Halogena sijalica | \~15–25 lm/W | Nešto bolje od užarene |
| Fluorescentna cev | \~50–100 lm/W | Zahteva balast, sadrži živu |
| Kompaktni fluorescentni (CFL) | \~60–90 lm/W | Mali faktor oblika, koji se postepeno ukida |
| Moderna LED | 120–200 lm/W | Dostupno u potrošačkom osvetljenju |
| High-end LED prototipovi | 250–300+ lm/W | Laboratorijski testirano, pokazuje budući potencijal |
LED Boja i kvalitet prikazivanja
Korelirana temperatura boje (CCT)
• Topla bela (2700K–3500K): Proizvodi žućkasti sjaj, najbolji za dnevne sobe, restorane i udobne unutrašnje prostore.
• Neutralna bela (4000K–4500K): Uravnotežena i udobna, često se koristi u kancelarijama, učionicama i maloprodajnim prostorima.
• Hladna bela (5000K–6500K): Oštra, plavičasta svetlost nalik dnevnoj svetlosti, odlična za spoljno osvetljenje, radionice i okruženja sa teškim zadacima.
Indeks prikazivanja boja (CRI)
• CRI ≥ 80: Pogodan za kućno i komercijalno osvetljenje.
• CRI ≥ 90: Potrebno u oblastima koje zahtevaju preciznu procenu boja, kao što su umetnički studiji, medicinske ustanove i vrhunska maloprodaja.
LED životni vek i održavanje lumena
L70 standard
LED životni vek se meri L70 standardom. Ova vrednost predstavlja broj radnih sati dok svetlosna snaga LED diode ne padne na 70% prvobitne osvetljenosti. U ovom trenutku, LED je i dalje funkcionalan, ali više ne obezbeđuje svoj predviđeni kvalitet osvetljenja. L70 obezbeđuje dosledan način da se uporedi LED performanse među proizvođačima.
LED Životni vek
• Potrošačke LED diode: 25.000 – 50.000 sati korišćenja.
• Industrijske LED diode: 50.000 – 100.000+ sati, dizajnirane za oštrije uslove i veće radne cikluse.
LED termički menadžment
Temperatura spoja (Tj)
Temperatura spoja je unutrašnja temperatura na mestu gde se svetlost generiše unutar LED čipa. Proizvođači navode siguran radni opseg ispod 125 ° C. Ako se ova vrednost prekorači, osvetljenost LED-a, efikasnost i životni vek se smanjuju. Imajući Tj nizak obezbeđuje LED može da zadovolji svoje nominalne performanse.
Raskrsnica-to-ambijentalna termalna staza
Toplota proizvedena unutar LED mora putovati od raskrsnice do okolnog vazduha. Ovaj put se naziva spoj sa ambijentalnim putem. Dizajneri mere njegovu efikasnost koristeći termički otpor (RθJA), izražen u °C / V. Niži toplotni otpor znači da se toplota prenosi efikasnije, držeći LED hladniji i stabilniji.
Metode hlađenja
• Hladnjaci - Aluminijumska rebra apsorbuju i šire toplotu dalje od LED-a.
• Thermal Vias - Male obložene rupe u PCB-u sprovode toplotu od LED jastučića do bakarnih slojeva.
• Metal-Core PCB (MCPCB) - Koristi se u LED diodama velike snage, ove ploče imaju metalnu bazu koja efikasno prenosi toplotu.
• Aktivno hlađenje - Ventilatori ili sistemi tečnog hlađenja koriste se u zahtevnim okruženjima kao što su projektori, osvetljenje stadiona ili industrijska postrojenja.
LED metode vožnje
Vozači konstantne struje
Vozač konstantne struje održava LED struju stabilnom čak i kada napon napajanja varira. Ovo je najpouzdaniji način za napajanje LED dioda, jer sprečava termičku bekstvo i održava konzistentnu svetlosnu snagu. Kvalitetni vozači često uključuju zaštitu od kratkog spoja, prenapona i previsoke temperature.
PVM Zatamnjenje
Modulacija širine impulsa (PVM) kontroliše osvetljenost uključivanjem i isključivanjem LED diode pri veoma velikim brzinama. Podešavanjem radnog ciklusa (odnos vremena na vreme i vreme isključenja), uočena osvetljenost se glatko menja. Budući da je frekvencija prebacivanja iznad opsega detekcije ljudskog oka, svetlost se pojavljuje stabilno. Loše dizajnirani sistemi sa niskofrekventnim PVM mogu izazvati vidljivo treperenje, što dovodi do naprezanja očiju ili artefakata kamere.
Analogno zatamnjenje
U analognom zatamnjenju, osvetljenost se podešava promenom amplitude struje koja teče kroz LED. Ova metoda izbegava probleme treperenja, ali može malo pomeriti boju LED-a, posebno na veoma niskim nivoima osvetljenosti. Analogno zatamnjenje se često kombinuje sa PVM u naprednim sistemima kako bi se postigla i glatka kontrola boja i precizna regulacija osvetljenja.
LED pakovanje i optika
LED diode za površinsku montažu uređaja (SMD)
SMD LED diode su najčešće korišćeni tip u modernom osvetljenju. Oni se montiraju direktno na PCB i dolaze u standardnim veličinama kao što su 2835 i 5050. SMD LED diode pružaju dobru efikasnost i fleksibilnost, što ih čini najboljim za LED trake, sijalice za domaćinstvo i panel svetla. Njihova kompaktna veličina omogućava jednostavnu integraciju u tanke i lagane čvora.
Chip-on-Board (COB) LED diode
COB paketi montiraju više LED umire direktno na jednoj podlozi, stvarajući gusti izvor svetlosti. Ovaj dizajn nudi veću osvetljenost, glatkiju svetlost i smanjeni odsjaj u poređenju sa pojedinačnim SMD-ovima. COB LED diode se nalaze u reflektorima, svjetiljkama i lampama velike snage, gdje je potrebno snažno usmjereno osvjetljenje.
Čip-skala paket (CSP) LED diode
CSP tehnologija eliminiše glomaznu ambalažu, smanjujući LED na skoro istu veličinu kao i sama poluprovodnička matrica. To omogućava manje, efikasnije i termički stabilne dizajne. CSP LED diode se široko koriste u automobilskim farovima, pozadinskom osvetljenju pametnih telefona i displejima, gde je potrebna kompaktnost i izdržljivost.
Optika i kontrola snopa
Sirova svetlost iz LED paketa nije uvek pogodna za direktnu upotrebu. Za oblikovanje i usmeravanje svetlosti, dizajneri koriste optičke elemente kao što su sočiva za fokusiranje ili širenje svetlosti. Reflektori za preusmeravanje i kontrolu uglova snopa. Difuzori za meko, ravnomerno osvetljenje.
Specijalizovani LED Tipovi
UV LED diode
Emituju ultraljubičasto svetlo za sterilizaciju, lepak očvršćavanje, i falsifikat detekciju. Sigurna, kompaktna alternativa živim UV lampama.
IR LED diode
Proizvodi nevidljivo infracrveno svetlo za daljinske upravljače, noćni vid i biometrijske sisteme. Efikasan i široko se koristi u elektronici i bezbednosti.
OLED
Tanke, fleksibilne organske LED diode koriste se u pametnim telefonima, televizorima i nosivim uređajima. Isporučite živopisne boje i kontrast, ali imaju kraći životni vek.
Mikro-LED diode
Ekrani sledeće generacije nude svetlije, efikasnije i dugotrajnije performanse od OLED-a. Najbolje za AR / VR, televizore i pametne satove.
Laserske diode
Poluprovodnički uređaji koji stvaraju koherentne zrake visokog intenziteta. Koristi se u optičkim vlaknima, skenerima, medicinskim alatima i laserskim pokazivačima.
Zaključak
LED diode su se razvile u svestrane komponente koje se koriste u osvetljenju, ekranima i naprednim tehnologijama. Njihova efikasnost, trajnost i upravljivost izdvajaju ih od starijih izvora svetlosti. Specijalizovani oblici kao što su UV, IR, OLED i mikro-LED diode još više proširuju svoju ulogu. Uz stalna poboljšanja, LED diode ostaju centralne za budućnost održivih i visokih performansi sistema osvetljenja.
Često postavljana pitanja [FAK]
K1. Od kojih materijala su napravljene LED diode?
LED diode su napravljene od poluprovodnika kao što su galijum arsenid (GaAs), galijum fosfid (GaP), i galijum nitrid (GaN).
K2. Zašto LED diode trebaju otpornike?
Otpornici ograničavaju protok struje i štite LED diode od izgaranja.
K3. Kako su bele LED diode napravljene?
Bele LED diode koriste plavi LED čip sa žutim fosfornim premazom za stvaranje bele svetlosti.
K4. Zašto LED diode menjaju boju tokom vremena?
LED diode menjaju boju zbog toplote i degradacije materijala, kao i fosfora degradacije.
K5. Mogu li LED diode raditi u ekstremnim uslovima?
Da. Uz pravilan dizajn, LED diode mogu raditi u veoma hladnim, vrućim, vlažnim ili prašnjavim uslovima.
K6. Kako je LED životni vek testiran?
LED diode su testirane sa termičkim, vlažnim i električnim stresom kako bi se procenio životni vek.