Z tego artykułu dowiesz się jak jest zbudowana i jak działa dioda LED, która jest podstawą nowoczesnego oświetlenia. Opowiem także o tym dlaczego białe diody LED maja inną budowę oraz jak działają diody RGB.
Diody LED to bardzo nowoczesne źródło światła, choć wcale nie takie młode jak mogłoby się wydawać. Wynaleziono je bowiem już w latach 60-tych. Ale dopiero niedawno zaczął się ich ogromny rozwój. Diody LED w znaczący sposób różnią się od wszystkich innych źródeł światłą. Dlatego aby lepiej zrozumieć tę różnicę zacznę od skróconej historii światła. Tego sztucznego, bo naturalne jest z nami od zawsze.
Podział źródeł światła
Mądrzy ludzie podzielili źródła światła znane człowiekowi na generacje. I tak pierwszą generacją był (i wciąż jest) oczywiście ogień czyli pochodnie i ogniska, a nieco później świece i lampy naftowe. Do tej generacji należą wszystkie źródła światła spalające cokolwiek w celu oddania choć odrobiny światła. Nie jest to idealne źródło światła (choć jakże romantyczne), więc naukowcy szukali lepszych rozwiązań. Takich, które byłyby trwalsze, nie kopciły i nie wymagały ciągłego nadzoru czy uzupełniania paliwa.
Podobno pierwszą żarówkę wynalazł francuski naukowiec de Moleyns … ale finalnie po kilku kłótniach oficjalnym wynalazcą został Thomas Alva Edison. I to on przeniósł ludzkość do drugiej generacji źródeł światła, czyli lamp żarowych. Pomysł prosty: bierzemy drucik (najlepiej z jakiegoś odpornego na wysoką temperaturę metalu, jak wolfram) i zamykamy w szklanej bańce wypełnionej gazem szlachetnym. Potem podłączamy do prądu i drucik rozgrzewa się do białości dając nam światło. Ponieważ w bańce nie ma tlenu to drucik nie utlenia się (czyli nie spala), więc może świecić bardzo długo. Niestety takie źródła światła większość energii elektrycznej przetwarzają na ciepło zamiast na światło, więc nie były (i nie są, bo przecież wciąż powszechnie je stosujemy) oszczędne!
Poszukiwania oszczędności i lepszej sprawności (a także jeszcze kilku innych usprawnień) doprowadziło ludzi do kolejnej, trzeciej generacji źródeł światła czyli lamp wyładowczych. Nie wdając się w szczegóły (bo jest ich sporo) i lekko uogólniając można stwierdzić, że lampy wyładowcze to takie, gdzie pod wpływem wysokiego napięcia zaczyna świecić jakiś gaz. Do tej generacji należą na przykład świetlówki liniowe, świetlówki kompaktowe (niesłusznie zwane żarówkami energooszczędnymi, gdyż nie posiadają żarnika) czy palniki ksenonowe (popularne w samochodach i technice estradowej). I to właściwie tyle jeśli chodzi o generacje źródeł światła inne niż LED. Istnieją wprawdzie jeszcze światła chemiczne ale nie są powszechne i stosuje się je właściwie tylko w ratownictwie oraz survivalu.
LED, czyli czwarta generacja źródeł światła
Aż dziwne, że przez tyle lat człowiek wynalazł tylko 4 rodzaje źródeł światła. I właśnie czwartą generacją są diody LED oraz ogólnie światło oparte na luminescencji. Ale to dosyć szeroka definicja, więc ograniczymy ją do elektroluminescencji, która bezpośrednio dotyczy diod LED. A co to jest? Hmm… tak naprawdę to mocno skomplikowana sprawa. Mocno generalizując można stwierdzić, że jest to zjawisko fizyczne polegające na bezpośredniej przemianie prądu elektrycznego, czyli elektronów w fotony, czyli światło. Zostawmy jednak dokładną i szczegółową definicję naukowcom i pasjonatom. Spróbuję opisać to w sposób zupełnie nienaukowy i bardzo uproszczony, ale za to mam nadzieję zrozumiały. Dociekliwym polecam opis na Wikipedii.
Budowa diody LED
Mechaniczną budowę przykładowej diody LED pokazuje rysunek po prawej. Różnych typów diod LED jest wiele. Różnią się one budową mechaniczną ale sercem każdej z nich jest zawsze chip półprzewodnikowy. To on przetwarza prąd elektryczny na światło. Widać go na zdjęciu mikroskopowym w nagłówku artykułu. Taki chip półprzewodnikowy w diodzie to specjalny materiał przewodzący prąd tylko w jedną stronę. Zbudowany jest najczęściej z kryształów bazujących na arsenku galu z różnymi dodatkami. W diodzie LED ten kryształ składa się z dwóch warstw, z których jedna nazywa się „p” a druga „n”. Warstwa „n” ma w sobie bardzo dużo elektronów a warstwa „p” ma mnóstwo tak zwanych dziur. Jeśli do takiego kryształu podłączy się prąd to elektrony z warstwy „n” zaczynają przeskakiwać do dziur z warstwy „p”. Podczas tego przeskoku zostaje im spory nadmiar energii, którą „wyrzucają” na zewnątrz w postaci światła.
Jak światło wydostaje się z diody?
Niestety materiał, z którego wykonany jest półprzewodnik jest nieprzeźroczysty. Dlatego fotonom (nośniki światła) nie jest wcale tak łatwo się wydostać. Odbijają się one od ścianek tracąc energię i tylko części z nich udaje się faktycznie wydostać na zewnątrz. To właśnie je widzimy jako światło. Pozostałe tylko rozgrzewają diodę. Z tym związana jest między innymi skuteczność świetlna danej diody LED. Naukowcy nieustannie pracują nad taką strukturą półprzewodników aby fotonom jak najłatwiej było się wydostać. Trwają tez prace nad stworzeniem przeźroczystych półprzewodników. Rodzaj materiału oraz domieszek wpływa także na szerokość przerwy energetycznej. Czyli tej odległości, jaką elektrony muszą przeskoczyć aby powstało światło. A ta odległość decyduje o tym o jakiej długości fali powstanie światło. Czyli w jakim konkretnym kolorze – na przykład czerwonym, zielonym lub niebieskim.
I tutaj mamy pierwszą wielką różnicę jaka dystansuje diody LED od wszystkich innych źródeł światła. Mianowicie diody LED od razu produkują światło w jednym, konkretnym kolorze. Inne źródła potrzebują do tego filtrów, które ze światła białego przepuszczają tylko wybrany kolor. Filtry są niedoskonałe i nie dość, że zatrzymują część światła obniżając jasność to jeszcze zawsze poza wymaganym kolorem przepuszczają też część barw o podobnym zakresie co daje mniej nasycone kolory. Dioda LED świeci od razu tylko jednym, konkretnym kolorem o dosyć wąskim paśmie i dlatego wydaje się on taki nasycony oraz intensywny.
Jak działają białe diody LED?
Czytając powyższe zapewne u wielu z Was pojawiło się pytanie. Skoro dioda LED potrafi świecić tylko w jednym kolorze to jakim cudem istnieją diody LED świecące na biało? Bo przecież, jak pamiętamy z lekcji fizyki, białe światło nie istnieje i tak na prawdę jest to tylko złudzenie wzrokowe powstające w mózgu. Dzieje się tak, kiedy oko zaobserwuje kilka odpowiednich kolorów na raz w odpowiednich proporcjach.
Otóż naukowcy wykorzystali tutaj mały trik. Tak na prawdę zdecydowana większość białych diod LED to diody świecące na niebiesko. Ale nie widzimy oryginalnego koloru diody ponieważ jej światło jest zamieniane na białe poprzez specjalny luminofor napylony na soczewkę diody. Działa to trochę tak, jak w świetlówkach ale stosuje się nieco inne luminofory. Ma to oczywiście swoje wady, bo poza krótszą żywotnością luminoforu powstają również dodatkowe straty. Przez co białe diody LED mają nieco gorszą wydajność niż te kolorowe. Poza tym tańsze luminofory słabszej jakości mają tendencję do zmiany barwy oraz wypalania się w miarę upływu czasu. Postępy w tej dziedzinie są jednak coraz większe i czołowi producenci diod LED nieustannie prezentują swoje ulepszone produkty.
LED RGB czyli mieszanie kolorów podstawowych
Istnieje jeszcze technika RGB, która pozwala na uzyskanie białego koloru zachowując oryginalną sprawność diody LED i nie posiada części wad luminoforów. Polega ona na mieszaniu trzech barw podstawowych (czerwona, zielona i niebieska – stąd od angielskich nazw skrót RGB). Jeśli w jednej diodzie zamkniemy trzy miniaturowe diody w tych podstawowych kolorach to po dobraniu odpowiednich proporcji każdego z kolorów uzyskamy kolor biały. Co więcej, jeśli takiej diodzie damy możliwość sterowania jasnością poszczególnych kolorów to możemy uzyskać również prawie dowolny inny kolor. Ludzkość zna tą technologię już od bardzo dawna. Na zasadzie RGB pracują kineskopy wszystkich telewizorów na świecie, podobnie jak większość ekranów LCD lub plazmowych. Technikę tą… a właściwie sposób na uzyskanie wielu barw z zaledwie kilku podstawowych znają również malarze. Od lat mieszają na przykład niebieską i żółtą farbę aby otrzymać różne odcienie koloru zielonego.
Technika RGB posiada niestety jedną wadę jeśli ma być stosowana do wytwarzania światła białego. Otrzymane w ten sposób światło ma stosunkowo wąskie pasmo promieniowania i w związku z tym nie jest zbyt dobre jakościowo (niskie CRI). Dlatego w profesjonalnych zastosowaniach dodaje się do RGB dodatkowe składowe (jak na przykład amber lub pomarańcz). Poszerza to widmo i poprawia jakość światła oraz jego współczynnik oddawania barw.
