Dioda electroluminiscenta

Dioda electroluminiscenta

O dioda care are proprietatea de a emite lumina atunci cand este direct polarizata este o dioda electroluminiscenta. Pentru desemnarea acestui tip de dispozitive este folosita in mod curent prescurtarea LED care provine de la initialele denumirii in limba engleza Light Emitting Diode, adica dioda emitatoare de lumina.

Dioda electroluminiscenta este realizata dintr-o jonctiune pn polarizata direct. Excitatia luminiscentei se face prin injectie de purtatori minoritari. Simbolul diodei electroluminiscente este prezentat in figura de mai jos

Caracteristica spectrala a radiatiei emise depinde de largimea benzii interzise si de tipul impuritatilor folosite. Pentru ca spectru emis sa se situeze in domeniul vizibil, se folosesc semiconductoare cu banda interzisa mai larga (de exemplu GaAs, GaAsP etc)

In figurile de mai sus, a si b, se prezinta doua caracteristici esentiale pentru un LED, tip ROL - 02, realizat din GaAsP : variatia relativa a intensitatii luminoase functie de curentul direct si caracteristica spectrala.

Din ultima caracteristica rezulta ca maximul raspunsului luminos are loc pentru = 666 nm, ceea ce corespunde culorii rosii. Tensiunea pe structura in polarizare directa are valoarea tipica de 1,5 V.

Diodele electroluminiscente sunt folosite ca simple indicatoare luminoase sau servesc la realizarea elementelor de afisare. In figura de mai jos este prezentat un element de afisare cu 7 segmente si punct zecimal.

Daca dimensiunile cifrei sunt mari, elementul de afisaj are o constructie conform urmatoarei figuri

Iluminarea unui segment se realizeaza prin extensia luminii provenite de la un LED, cu ajutorul unei cavitati piramidale de reflexie si difuzie a lumini. Dioda electroluminiscenta este montata pe baza mica a cavitatii, baza mare reprezentand fereastra de iluminare a segmentului.

Structura semiconductoare a unui LED are o suprafata foarte mica (un sfert de milimetru patrat), ea fiind deci o sursa cvasipunctuala de lumina. Marimea suprafetei luminoase se obtine printr-o incapsulare adecvata ; capsulele se realizeaza in mod curent din rasini sintetice colorate (pentru LED-urile ce emit in vizibil ) sau incolore (pentru LED-urile cu emisie in infrarosu - ROL 91, ROL 091 ).

Diodele electroluminiscente asa-zise ,,normale"(ROL 03, 05, 07, 09) au diametrul capsulei de 5 mm ca in figura de mai jos

Iar cele miniatura (ROL 003, 005, 007, 009) au diametrul capsulei de 3mm, exemplu figura urmatoare :   

Parametrii electrici ai LED-urilor sunt identici cu cei ai diodelor, valorile lor fiind diferite de la un tip de dispozitiv la altul :

curentul direct I_F nu trebuie sa depaseasca 50mA la LED-urile ce emit in vizibil, el putand atinge 100 mA la diodele electroluminiscente cu emisie in infrarosu

tensiunea de deschidere" a jonctiunii V_F reprezinta diferenta de potential ce trebuie aplicata la bornele diodei electroluminiscente pentru ca acesta sa emita. Valoarea lui V_F variaza intre 1,6 si 2,3 V, in functie de culoarea luminii emise

tensiunea inversa V_R este cuprinsa intre 3 - 5 V, depasirea acestor valori putand duce la distrugerea dispozitivului.

Parametrul ce defineste calitatea unui LED este intensitatea radiatiei electromagnetice emise. In acest sens, diodele electroluminiscente ce emit in domeniul vizibil sunt caracterizate de intensitatea luminoasa I_V, masurate in milicandele, iar cele cu emisie in infrarosu de intensitatea radianta I_e, masurata in mW/steradian. LED-urile cu emisie in vizibil din familia ROL au intensitatea luminoasa cuprinsa intre 0,2 si 8 mcd, iar cele cu emisie in infrarosu au intensitatea radianta de un microwatt pe steradian.

In orice circuit, LED-ul trebuie montat in serie cu un rezistor, calculul valorii acestuia R facandu-se in functie de tipul diodei elecroluminiscente si de curentul ce dorim sa treaca prin dispozitiv. In cazul circuitului din figura urmatoare :

valoarea rezistentei electrice se calculeaza cu relatia:

V - V_F

R

I_F

V fiind tensiunea la bornele circuitului.

De exemplu, daca folosim un LED rosu (V_F = 1,6V) prin care dorim sa treaca 30mA, iar sursa de tensiune furnizeaza 4,5 V, valoarea rezistorului va fi

4,5 - 1,6

R = ----- ----- ----- = 97

30 x 10^-3

In cazul in care utilizam un LED verde (V_F = 2,3V), celelalte conditii ramanand aceleasi, valoarea lui R, va fi :

4,5 - 2,3

R = ----- ----- ----- = 73

30 x 10^-3

Daca dioda electroluminiscenta este plasata in circuitul de colector al unui tranzistor npn ca in figura de mai jos

curentul direct prin LED este egal cu curentul colector al tranzistorului (I_F     = I _C ) iar valoarea rezistorului de sarcina va fi data de relatia

V - V_F + V_CE )

R

I_F

unde V este tensiunea de la bornele sursei, iar V_CE este tensiunea dintre colectorul si emitorul tranzistorului.

Timpii mici de raspuns ai LED-urilor permit obtinerea unor semnale luminoase de frecvente mari (zeci de MHz) atunci cand li se aplica tensiuni alternative corespunzatoare.

Diodele electroluminiscente sunt utilizate pe scara larga in instalatiile si aparatele electronice, profesionale sau de larg consum, ca indicator luminos cu doua stari : stins sau aprins.

Fata de becul cu incandescenta, LED-ul prezinta avantajele unei fiabilitati mult sporite rezistenta la socuri si timp de viata mare), ale timpului de raspuns incomparabil mai mic si dimensiunilor reduse. In plus LED-ul nu solicita circuitele de comanda in momentul aprinderii prin absorbtia unui supracurent important asa cum se intampla cu filamentul rece al unui bec. Singurul dezavantaj major este vizibilitatea redusa in conditii de iluminare ambianta puternica.

Vom intalni LED-uri pe panoul celor mai diverse aparate, indicand prezenta tensiunii in diferite circuite, functiile executate la un moment dat, pozitia unor obiecte pe panouri sinoptice s.a.m.d.

Grupari de diode electroluminiscente 6 - 10 LED-uri sunt folosite a indica nivelul unei marimi electrice cu cat aceasta este mai mare cu atat se aprind mai multe diode. Este inlocuit astfel instrumentul de masura electromagnetic indicator de nivel sau de acord) cu un dispozitiv mult mai fiabil si vizibil.

O utilizare interesanta o constituie LED-ul ca element indicator pentru echilibrul unei punti. In locul clasicului instrument de zero, sensibil la socuri si cu gabarit important, in aparatura portabila se foloseste uneori un montaj electronic care indica zero-ul prin aprinderea sau stingerea unei diode electroluminescente.

Grupate sub forma elementelor de afisare numerica (digiti) LED-urile servesc ca afisoare in aparatura digitala. Le intalnim la calculatoare, ceasuri electronice, AVO-metre numerice, frecventmetre de precizie, case de marcaj sau balante numerice etc.

Timpul de raspuns mic face ca sa fie aplicabila multiplexarea in timp, adica comanda succesiva, cu un singur circuit decodor si un singur amplificator de curent, a tuturor cifrelor unui afisaj. Aceasta se face prin adresarea succesiva a diferitilor digiti, cu o frecventa suficient de mare incat ochiul sa nu distinga palpairea.

Datorita consumului relativ important, utilizarea in aparatura portabila este limitata si aprinderea afisajului se face doar pentru scurt timp atunci cand este nevoie.