Princip fungování bílé LED

LED = Light Emitting Diode – světlo emitující dioda.

led1LED_symbol_maskProchází-li P-N přechodem polovodiče v propustném směru elektrický proud, přechod emituje elektromagnetické záření o úzkém rozsahu vlnových délek, většinou viditelné světlo. Speciální typy LED diod vyzařují záření infračervené nebo ultrafialové. P-N přechod, resp. čip je umístěn do pouzdra a opatřen vývody. Typická LED má dva vývody : A= anoda, K=katoda.  Provozní režim LED (průchod proudu v propustném směru) je takový, že na anodu se připojí kladný pól napájecího zdroje (+) a na katodu pól záporný (-). Svit LED diody závisí od protékajícího proudu. LED je možno napájet přes do série zapojený předřadný odpor ze zdroje napětí (LED pásky, LED lišty aj. LED malého výkonu) nebo ze zdroje proudu (POWER LED, LED moduly pro LED světelnou výzbroj). V jednom pouzdře může být umístěno více čipů. Čipy v pouzdře mohou být pro posílení výkonu stejné barvy a nebo pro dosažení barevných efektů mohou mít barvy různé – RGB LED. Čipy v pouzdře mohou být různě elektricky zapojeny. Různě elektricky zapojeny mohou být i LED na LED modulech, případně mohou LED moduly obsahovat další podpůrnou elektroniku. Při stanovení vlastností LED, resp.  LED modulů a LED zařízení vycházejte zásadně z dokumentace výrobce !

Barevné LED, typicky R=red, G=green, B=blue, O=orange, svítí svojí vlastní barvou, která je závislá na chemickém složení použitého polovodiče. Pro speciální účely (řízení svitu rostlin, osvětlování masných produktů, signalizační účely aj.) se vyrábějí speciální LED diody se světlem konkrétních barevných délek.

LED_Spectrum

Bílé světlo můžete obdržet smícháním RGB složek ze separátních barevných LED. Tímto způsobem můžete obdržet barevné spektrum v rámci barevného prostoru RGB prakticky jakékoli. Pro dlouhodobou stabilitu parametrů takovéto světelné sestavy, resp. udržení neutrálního odstínu bílé, je ale nutná relativně složitá elektronika, protože LED čipy různých barev mají různé elektrické vlastnosti, různé závislosti svitu na provozních podmínkách včetně teploty a různobarevné čipy i různě stárnou. Tento princip se používá např. u akvarijního osvětlení nebo osvětlení pro růst rostlin. V těchto aplikacích se ale nejedná o bílou barvu, ale o speciální poměr barevných složek, případně o změnu barevného spektra v čase, a nároky na stabilitu proto nejsou tak kritické. Rovněž pokud objevíte u speciálních svítidel (zdravotnictví, laboratoře) někde v ploše bílých LED jednu nebo více LED svítící dalšími barvami, nejedná se o chybu, ale přídavné LED, které posouvají generované barevné spektrum do potřebné oblasti pro zvýšení barevného rozlišení, případně přídavná červená LED zvyšuje index CRI. Řídící elektronika takovéto světelné sestavy je pak samozřejmě řešena velmi složitě a na principu autokalibrace.

Primárním zdrojem světelné energie je u bílých LED čip svítící modře (royal blue).  Část modrého světla je vyzařována LED diodu přímo a část je transformována fosforovým luminoforem na další barvy spektra – zelená, žlutá, červená.  Poměrem prošlé a transformované složky je možno obdržet LED s různou barevnou teplotou a podle vlastností luminoforu i různé čistoty bílé a vyrovnanosti světelného spektra a tím dosaženého CRI. Vlastnosti luminoforu a jeho podíl na generovaném světle jsou pro LED zásadní. LED svítící teple bíle mají nižší svítivost  a účinnost než LED svítící studeně bíle. LED s vysokým CRI mají nižší svítivost a účinnost než LED s CRI běžným, případně je vysoké CRI dosažitelné pouze pro teplou a neutrální bílou. Rovněž problematický barevný odstín do modra nebo do zelena u levných LED žárovek svědčí o low end luminoforu a i historicky první bílé LED svítily téměř modře.  Lidské oko je k barevným odstínům poměrně tolerantní a světelný vjem oka je v lidském mozku doplněn naší “historickou” zkušeností. Teplou bílou máme spojenu se západem a východem slunce, ohněm a plamenem a vláknovou žárovkou, což jsou všechno světelné zdroje s barevnou teplotou výrazně nižší, než 3000K, tedy “do žkuta”. Naopak studenou bílou máme spojenu s ledem, sněhem, vodou, modrou oblohou, což jsou světelné zdroje, které mají v důsledku Rayleighova rozptylu slunečního světla v atmosféře barevnou teplotu výrazně nad 6000K, tedy “do modra”. Problémem je neutrální bílá – po té požadujeme, aby byla doopravdy prosta jakéhokoli přídavného odstínu. Pokud má oko možnost srovnání, naše rozlišovací schopnost barev prudce roste a protože je lidské oko nejvíce citlivé na žlutozelenou část světelného spektra, vnímáme rozdíly odstínů u teplé bílé mnohem více než u studené bílé.

luminofor_na_bile_LED

Jednou z možností, jak bílou LED konstrukčně realizovat, je mít fosforový luminofor jako samostatnou část LED pouzdra a kompletovat jej s modře svítícím čipem jako další výrobní krok (vzdálený fosfor). Výhodou je, že k hromadně vyráběným čipům se luminofor kompletuje podle aktuální potřeby. Tento systém je poměrně náročný na konstrukci LED pouzdra a přináší další technické problémy (zpětný odraz na ploše luminoforu aj.), přesto je ale poměrně rozšířený.

Vzdálený fosfor je dokonce možno realizovat zcela externě, kdy se na již zapouzdřený čip vrstva luminoforu nanáší nástřikem a nebo má luminofor podobu fólie, která se na čip nebo sestavu čipů lepí. Luminofor může mít dokonce podobu plátů, které se připevňují před kompletovaný LED modul jako filtr. Konstrukční náročnost takového řešení je samozřejmě vysoká a světelné ztráty v důsledku vnitřních odrazů značné.

Nejjednodušší cestou výroby bílé LED je nanést luminofor přímo na čip nebo do zalévací hmoty. Konstrukce LED pouzdra je velmi jednoduchá a výroba je masová a levná.

Phosphor_Deposition_03

Parametry LED čipů je možno při jejich výrobě v širokém rozsahu ovlivnit, ale výsledek je vždy statistická záležitost, kdy v rámci výrobního procesu vzniknou čipy navzájem různých vlastností, zejména různé svítivosti, barevné teploty a předního napětí. Takto vyrobené čipy se pak podle společných parametrů třídí do skupin tzv. BINů. Pro běžnou praxi jsou nejdůležitějšími parametry konkrétního BINu LED tyto : svítivost, barevná teplota a CRI a přední napětí. Na základě znalosti typu LED, BINu svítivosti, budícího proudu a teploty vypočítáte pomocí softwarových nástrojů dodávaných výrobci LED k jimi vyráběným typům konkrétní světelný tok LED za daných podmínek a další technické údaje.