Fénykibocsátó dióda

Hogyan működik? Fizikai háttérismeret

A fénykibocsátó (fényemittáló) dióda (LED=Light Emitting Diode) működésének alapja, hogy a nyitó irányban előfeszített p-n átmenetben az n rétegből szabad elektronok haladnak a p rétegbe, ahol rekombinálódnak az ott többségi töltéshordozó lyukakkal. Hasonló módon a p rétegből lyukak haladnak át a határrétegen keresztül az n rétegbe, ahol az ott többségi töltéshordozó elektronokkal rekombinálódnak. Bizonyos félvezető anyagokban (ezek jellegzetesen 3 és 5 vegyértékű anyagok, pl. galliumarzenid) ez a rekombináció közvetlen fény (foton) kibocsátással jár. A keletkező fény színe az alapanyagtól, és a megfelelő arányban ötvözött adalékanyagoktól (pl. foszfor) függ. Jelenleg a vörös, zöld, sárga, narancs, kék színek különféle árnyalataiban, illetve fehér fényű fényemittáló diódákat gyártanak. A látható tartományon kívüli fényre (pl. infravörös) is készítenek LED-et.

A LED-ek nyitóirányú karakterisztikája a szilíciumdiódához hasonló, azzal az eltéréssel, hogy a diffúziós potenciál nagyobb, pl. a vörös fényt kibocsátó (GaAsP) dióda esetén kb. 1,5V (1. ábra, az ábra jobb oldalán a fényemittáló dióda rajzjele látható), a más színt kibocsátó LED-ek diffúziós potenciálja még nagyobb (2-2,5V).

1. ábra: Vörös (GaAsP) LED nyitókarakterisztikája, és a LED áramköri rajzjele

Záróirányban a LED karakterisztikája a kristály erős szennyezése miatt már kevésbé hasonló a szilíciumdiódához, a letörési feszültség sokszor csak 3…5V.

A háztartási izzók forgalmazásának korlátozása 2010. körül magával hozta a fénykibocsátó egyenirányítóknak a hétköznapi életben való széleskörű elterjedését. Helytelenül ezeket a diódákat is izzónak nevezik, aminek következménye, hogy a diódákat is ugyanúgy akarják alkalmazni, mint a fénykibocsátó ellenállásokat. Nyilvánvaló különbség, hogy amíg az izzólámpa egyen- és váltóáramról is világít, az egyenirányító nem. A fénykibocsátó ellenállás feszültséggenerátorról ( kis belső ellenállású áramforrásról ) biztonsággal üzemeltethető, ellentétben a LED-del, amit áramgenerátorról kell működtetni. A fénykibocsátó egyenirányító nyitófeszültségét és az izzó üzemi feszültségét összekeverni súlyos tervezői hiba.

A LED-eket különböző méretben, alakban (kerek, nyíl alakú, stb.), más-más munkaponti áramhoz (általában 10…50 mA) ill. hatásfokkal gyártják. A jobb hatásfokú LED ugyanakkora munkaponti áram esetén nagyobb intenzitású fényt szolgáltat.

Szokás vörös és zöld fényű LED-et egy (színtelen) műanyag tokban gyártani. Az egyik kivezetés (pl. a két katód) közös, ezt, és a diódák anódját vezetik ki. Így ugyanaz a LED vörös, zöld, ill. mindkét fény bekapcsolásakor sárga színt bocsát ki.

A LED-ek jelölése és legegyszerűbb bekötése

A LED (fényemittáló dióda) katódját a műanyag búra peremének letörésével szokták jelölni (2.ábrán bal oldalt). Gyári új állapotban az anód kivezetés hosszabb, a katód rövidebb szokott lenni.

2.ábra: LED rajzjele

A LED leg- egyszerűbb bekötése: ellenállással korlátozzuk az áramát

A hagyományos kialakítású LED katódja az áttetsző műanyag burán belül láthatóan egy „tálcát” tart, amelybe az anódtól egy vékonyabb vezeték érkezik be. (Speciális, nagy fényerejű LED-ek esetében előfordul, hogy az anód tartja a „tálcát”.) A fenti három ismérv alapján könnyen megállapítható, hogy melyik kivezetés a katód. Az ábra jobb oldalán 3 ill. 5 mm. átmérőjű piros, sárga és zöld LED-ek, a jobb szélen 5 mm. átmérőjű közösen tokozott piros/zöld LED látható (a három kivezetés közül a középső a közös katód).

LED-ek csoportosítása

Szín szerint

• ultraibolya (400 nm, 749 THz, 3.1 eV környéke)
• kék (470 nm, 638 THz, 2.6 eV környéke, 1990-es évek közepétől kapható)
• zöld (568 nm, 523 THz, 2.2 eV környéke)
• sárga (588 nm, 510 THz, 2.1 eV környéke)
• narancs (625 nm, 480 THz, 2.0 eV környéke)
• vörös (640 nm, 468 THz, 1.9 eV környéke)
• infravörös (900-950 nm, 333-316 THz, 1.4-1.3 eV) - lásd még Információátvitel fény segítségével szócikket
• rózsaszín (kék chip és piros fénypor)
• fehér (RGB megfelelő arányú keveréke, 1990-es évek végétől kapható; illetve ultraibolya chip és fénypor)
• többszínű LED: közös tokozásban található például piros és zöld szín. Netán R-G-B mindhárom színe.

A LED színe ( hullámhossza, frekvenciája ) és a nyitófeszültsége közötti kapcsolatot a foton energiája határozza meg.

[math] E = e*U = h*f = h*\frac{c}{\lambda} [/math], ahol

• E = foton energiája, J
  • 1 elektronvolt ( eV ) = 1.602176462(63)·10^-19 J.
• e = elektron töltése, 1.602176462(63)·10^-19 C
• U = LED nyitófeszültsége, V
• h = Planck-állandó, 6.62606896(33)*10^-34 Js
• f = foton frekvenciája, Hz
• c = fénysebesség, 299792458 m/s
• λ = foton hullámhossza, m

Fényerősség alapján

Tápfesz meglétét jelző 0805 méretű LED

• 1 mcd (millicandela) ... 50 mcd: kijelző céljára
• 50 mcd ... 1000 mcd: erős fényű
• 1 cd ... 100 cd: ultra erős fényű

Iránykarakterisztika alapján

• 12˚ ... 140˚ közöttiek kaphatóak, a 20° alattiak ritkák.
• Kapható LED-re beépítéskor rászerelhető LED-lencse és LED-reflektor is.

Tokozás alapján

• színével egyező vagy fehér színű
• „víztiszta” vagy matt tok - előbbi pontszerű, éles fényforrást biztosít, utóbbi egyenletesen elosztja a tok teljes felületére a LED fényét

Kivitel alapján

3 mm átmérőjű LED-ek 0805 méretű előtét ellenállásokkal. Doboz előlapjára fúrt furatokhoz kivezetve.

Furatszerelt

• kör alakú: általában 3 mm és 5 mm-es átmérőjűekkel találkozhatunk, de 1,8 mm-es, 8 mm-es és 10 mm-es is kapható
• négyzet alakú - sokféle méretben, például 3x3 vagy 5x5 mm
• téglalap alakú, például 2x5 mm. Vonalkijelző építéséhez igen praktikus
• háromszög alakú - szintén esztétikai célokból.

1206 méretű felületszerelt LED-ek 0805 méretű előtét ellenállásokkal.

Felületszerelt

• 0603 (1.6x0.8 mm)
• 0805 (2.0x1.2 mm)
• 1206 (3.2x1.6 mm)
• 1210 (3.2x2.4 mm)
• egyedi méretben

Megjegyzés: a furatszerelt LED-eknél hosszabbra hagyott lábbal biztosítható, hogy a doboz előlapján fúrt furatban legyen fizikailag a LED. Felületszerelt LED-ek esetén ha nem csak a NYÁK-on való diagnosztikai céllal szeretnénk a LED-et, hanem a doboz előlapjára, akkor műanyagból hengeres vagy téglatest alakú testet szoktak az előlapra ragasztani, amely a NYÁK-on található felületszerelt LED közelében végződik (leggyakrabban hozzá is nyomódik) és a LED fényét az előlapra vezeti.

Többszínű LED-ek

Gyakori, hogy 2 színt közös tokba építenek. Például piros-zöld színt. Ezeknél a kivezetések az alábbiak lehetnek:

• 3 kivezetéses közös anódos
• 3 kivezetéses közös katódos
• 2 kivezetéses antiparallel (polaritástól függ, melyik világít)
• 4 kivezetéses független LED-ek (SMD-knél előfordul)

Három színes ( piros, zöld, kék, RGB ) LED-ek közös katódos és közös anódos kivitelben is kaphatók. Fényerő változtatással feketétől fehérig szinte minden szín előállítására alkalmasak additív színkeveréssel.

Vezérlővel egybeépített ( villogó ) LED-ek

Szivárvány LED

Adja magát, hogy egy, a LED-et villogtató integrált áramkört is beépítsenek a LED tokjába.

Két kivezetését alapvetően ugyanúgy kell bekötni, mint a folyamatosan világító társaiét. Sorba kapcsolt IC-s LED-ekkel 4,7 voltos Z-diódák kötendők párhuzamosan.

Először az egyszínű LED-eket villogtató típusok jelentek meg, majd az RGB-k, amiknél a színátmenet folyamatos. ( A színek keverését impulzusszélesség-modulációval oldják meg. )

LED kijelzők

Vonalkijelzők

Gyakran találkozhatunk olyan elrendezéssel, hogy több LED egymás után van gyárilag tokozva.

• Közös anódos
• Közös katódos

7 szegmenses számkijelzők

7 szegmenses LED kijelző (2 digites)

Ebben az esetben nem egy vonalba, hanem a digitális számok képének megfelelően van elrendezve a műanyag tokban a 7 darab LED. Továbbá tizedespont céljára is szoktak LED-et beépíteni.

• Közös anódos
• Közös katódos
• 1, 2, 3, 4 digitet (számjegyet) is tartalmazhat egy tok.

A 7 szegmenses kijelzők 5 mm-es számmagasságtól akár 200 mm számmagasságig kaphatók. A nagyméretű kijelzőkben a szegmens több LED soros+párhuzamos kapcsolásával épül fel a megfelelő fényerő biztosítása érdekében.

14 vagy 16 szegmenses alfanumerikus kijelző

Erre már betűk is ráférnek.

• Közös anódos
• Közös katódos

Pontmátrix kijelző

Pontmátrix LED kijelző

Sok-sok kör alakú LED sorokba és oszlopokba szervezve. Ezt szintén összerakhatjuk mi magunk is sok-sok LED-del, de egyben is megvásárolhatjuk. A pontmátrix kijelzőt a sok LED-je miatt nem hagyományos módon szokás meghajtani, hanem úgynevezett multiplex meghajtással, ami annyit jelent, hogy egymás után kapcsoljuk rá a feszültséget a sorokra és az adott sorra kötött feszültség mellett az adott oszlopra az ellentétes polaritást. Így időben váltogatva (multiplexálva) villantjuk fel gyors egymás után a LED-eket, amely az emberi szem számára folytonos fényt eredményez. A megoldás előnye, hogy a képen látható kijelző esetén nem kell 64 láb, mindössze 2 x 8 láb időben váltakozó vezérlése elegendő.

Alkalmazások

A LED-et beavatkozónak tervezték.

• Használható fényérzékelőnek, fotodiódának is, bár a fotodiódák érzékenysége jobb, ugyanis azok erre a feladatra vannak kihegyezve.
• Karakterisztikája mellékesen feszültség-stabilizálásra is alkalmassá teszi.
• Villogó LED ütemadóként is használható.

Soros és párhuzamos kapcsolásuk.