Fizika | Fénytan, Optika » Bődi Béla - Néhány szó a LED-ekről

ismeretfrissítő Néhány szó a LED-ekről A LED (fényemittáló dióda) olyan félvezető eszköz, amely az elektromos energiát közbenső hőenergia nélkül közvetlenül fénnyé alakítja, azaz a fényemittáló diódán átfolyó áram az ohmos veszteségen hőt termel, de ez a hőenergia nem vesz részt a fénykeltésben, mint az izzólámpákban. Ha egy pn-átmenetben nyitóirányú feszültség hatására az n réteg-ből elektronok haladnak a p rétegbe (vagy lyukak az ellenkező irányba), akkor adott valószínűséggel találkoznak lyukakkal (vagy elektronokkal), amelyekkel egyesülnek (rekombinálódnak). A gerjesztett elektronlyukpár rekombinációja során közvetlen vagy közvetett módon egy fénykvantum keletkezik. Ahhoz, hogy a felszabaduló fénykvantumok hullámhossza az emberi szem számára látható legyen, vagy az iparilag hasznosítható infravörös tartományba essen, olyan anyagot kell választani, amelyben a tiltott zóna 1. ábra elegendően

széles, és a rekombinálódás valószínűsége nagy. Legalkalmasabbnak a galliumarzenid és a galliumfoszfid bizonyult. Ezekből külön-külön, vagy megfelelő ötvözési arányokban vegyesen, egyéb adalékanyagokkal keverve állíthatók elő a ma ismert színű fényemittáló diódák félvezető anyagai. Tehát a LED-ek színét nem a műanyag tokozás színe határozza meg. Elsőként a vörös és infravörös LED-ek jelentek meg, majd követte a zöld és a sárga, valamint kevert színe, a narancssárga. Nagyon sokáig váratott magára a kék LED, de ma már elmondhatjuk, hogy a teljes színskála előállítható, sőt az ultraibolya sugártartományt is meghódították. 46 A LED optoelektronikai eszköz, ezért tulajdonságait, műszaki paramétereit is két csoportra oszthatjuk: a működtető oldalról a villamos paraméterekre és a kimeneti oldalról az optikai paraméterekre. Most csak a főbb villamos paraméterek kerülnek ismertetésre. Villamos

jellemzők A LED lényegében egy pn-átmenetes dióda, villamos paraméterei tehát diódajellemzők. Az 1 ábrán látható a villamos rajzjele és egy kör keresztmetszetű LED kialakítása. A LED hosszabb lába az anódja (+ kivezetés), a rövidebb a katódja (– kivezetés), amely mellett a kör keresztmetszetű LED-ek le vannak lapolva. Amennyiben a műanyag tokozás átlátszó, akkor a katód felismerhető arról is, hogy általában ő a hosszabb elektróda. A LED működőképességének ellenőrzésekor tekintettel kell lenni arra, hogy a LED-ek áramfelvétele kicsi (milliamperes nagyságrendű), azaz 12 V-os tápfeszültség esetén 1 kΩ körüli ellenállást kell vele sorba kötni. Ma már széles körben elterjedt a háromszínű LED-ek (Tri Colour LED) alkalmazása (2. ábra), ahol egy tokozáson belül kerül beépítésre egy vörös és egy zöld LED 2. ábra 3. ábra Amikor a két LED egyszerre világít, akkor sárga fény jön létre. A 2 ábrán látható

az ilyen kialakítású LED eltérő lábhossz-kialakítása. Két LED egy tokozáson belül úgy is elhelyezhető, hogy egymással ellentétes polaritással vannak bekötve (Bipolar LED). Ilyenkor bármilyen polaritású feszültséget kapcsolunk rá, akkor is valamelyik LED világítani fog. Ezek a LED-ek kiválóan alkalmasak a később ismertetendő LED-es próbalámpa kialakításához Az előzőekben már említésre került, hogy a LED-eket előtét-ellenállás segítségével köthetjük be egy áramkörbe. Az előtét-ellenállás értékét a 3 ábrának megfelelő, az alábbiak szerint határozhatjuk meg: R = (VS - VL) / I, azaz a tápfeszültségből le kell vonni a LED nyitóirányú feszültségét (általánosságban ez 2 V körüli érték), majd el kell osztani a LED-en átfolyó üzemi áramerősséggel (körülbelül 20 mA). Az így kapott ellenállásértéket a szabvány szerinti legközelebbi ellenállásértékre felfelé kell kerekíteni Amennyiben több azonos

típusú LEDet akarunk egyszerre működtetni, akkor azokat egymással sorba kell bekötni az áramkörbe. Ilyenkor is a már előzőekben ismertetett képlet használható, azzal a kiegészítéssel, hogy a LED-ek nyitóirányú feszültségét annyiszor kell levonni a tápfe- autótechnika 2006/12 ismeretfrissítő 4. ábra 5. ábra 6. ábra szültségből, ahány LED-et kötöttünk egymással sorba (4. ábra) A fentiek jobb megértése miatt: ha egy LED-es próbalámpára (5. ábra) végezzük el a fenti számítást, akkor a következőket kapjuk. Tudjuk, hogy 12 V a tápfeszültség, 2 V-os a nyitófeszültség és 20 mA az üzemi áram, tehát: egymással párhuzamosan, akkor csak a kisebb nyitóirányú LED fog világítani, és így jó eséllyel a túláram tönkre fogja tenni. Ha azonos típusú LED-eket használunk, akkor is a gyártási tűrések miatt nem lesz azonos a LED-eken átfolyó üzemi áram. Azaz, ha a LED-eket párhuzamosan akarjuk bekötni, akkor

mindegyik LED-del sorban előtétellenállást kell használni. Az előzőek összefoglalásaként, érdemes áttekinteni az 1. táblázat adatait Főbb paraméterek a nyitó-, ill zárókarakterisztika és a disszipáció. Ez utóbbi azért lényeges, mert a LED-eket gyakran használjuk impulzus üzemmódban. A leadott fényteljesítmény arányosan növekszik a nyitóirányú árammal, amelynek határértékét statikusan nem szabad túllépni. Impulzusüzemben azonban igen, ilyenkor a teljesítménydisszipáció szab határt A kibocsátott fény által keltett világosságérzet azonban (a szem érzékenységének megfelelően) jelentősen megnő, így gyakran alkalmazzák. A zárókarakterisztikánál nem szabad túllépni a zárófeszültséget, amely LED-eknél volt nagyságrendű! A LED-ekkel számos kijelzőtípus is megvalósítható. A 7 ábrán néhány gyakoribb kivitel látható. A leginkább elterjedt kijelzőtípus a 7 szegmenses kijelző. Ennél kétféle kivitellel is

találkozhatunk. A közös anódú, illetve katódú kivitellel Ezeknél a kijelzőt alkotó LED-ek anódja vagy katódja közösítve van. A világítódiódákról általában elmondhatjuk, hogy azok igen hosszú élettartamúak. A valóságban ez nem mindig áll fenn A világítómorzsa (chip) mérete köbmilliméter alatti, a LED áramának egy néhány négyzetmilliméter méretű felületen kell áthaladnia, és ez még igen jó hatásfok esetén is melegíti a félvezetőt. Így abban a nagy áramsűrűség hatására változások léphetnek fel. Ezért az elméleti 100 000 órás élettartam a gyakorlatban 20–50 ezer órára csökken. R = (12 V – 2 V) / 0,02 A = 500 Ω, a legközelebbi szabványos ellenállásérték: 680 Ω. A LED-ek 6. ábra szerinti párhuzamos bekötését kerülni kell! Amennyiben különböző nyitóirányú feszültségű LED-eket kötünk 7. ábra Bődi Béla Típus Szín Maximális áramerősség Nyitóirányú feszültség Maximális

nyitóirányú feszültség Maximális záróirányú feszültség Nyílásszög Jellemző hullámhossz általános Vörös 30 mA 1,7 V 2,1 V 5V 60° 660 nm általános Élénkpiros 30 mA 2,0 V 2,5 V 5V 60° 625 nm általános Sárga 30 mA 2,1 V 2,5 V 5V 60° 590 nm általános nagy intenzitású élénk Zöld 25 mA 2,2 V 2,5 V 5V 60° 565 nm Kék 30 mA 4,5 V 5,5 V 5V 50° 430 nm Vörös 30 mA 1,85 V 2,5 V 5V 60° 660 nm kisáramú Vörös 30 mA 1,7 V 2,0 V 5V 60° 625 nm autótechnika 2006/12 47