Dioda LED została wynaleziona przez Rosjanina Olega Władimirowicza Łosiewa w połowie lat dwudziestych dziewiętnastego wieku. Pierwsza komercyjna dioda LED o widmie światła widzialnego (czerwonego) została opracowana w 1962 roku. Wkrótce powstały również diody zielone, a na początku lat 70. kolory zostały stworzone diody o barwie pomarańczowej. Kilku badaczy zaczęło następnie skupiać się na próbach stworzenia bardziej bogatego w energię niebieskiego światła, ponieważ może to tworzyć światło białe. Można to zrobić na (co najmniej) dwa różne sposoby, albo przez bezpośrednie, addytywne mieszanie kolorów z czerwonym i zielonym i / lub żółtym (jak na wyświetlaczu OLED), albo przez pozwolenie, aby bogate w energię fotony w niebieskim świetle wzbudzały warstwę luminoforu, która w swoim szczęście daje pożądane białe światło (jak w większości diod LED do użytku domowego). Jednak niebieska dioda LED wymagała trzydziestu lat prac rozwojowych, aby stać się tak wydajną i łatwą w produkcji, że mogłaby stać się produktem komercyjnym, co zostało nagrodzone Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2014 roku. Jasność diod LED była przez długi czas dość słaba i były one używane głównie jako lampki kontrolne, wyświetlacze 7-segmentowe oraz do transoptorów, pilotów na podczerwień i tym podobnych. Dopiero w latach 80. XX wieku udało się wyprodukować światło LED, które było wystarczająco mocne, aby można było je stosować na zewnątrz w świetle słonecznym. Obecnie istnieją diody LED i lampy oparte na diodach LED w wielu różnych kolorach, od podczerwieni przez kolory widzialne do ultrafioletu, a także w różnych odcieniach światła białego zimnego i ciepłego. Efekt świetlny to forma elektroluminescencji. Kolor zależy od zastosowanych materiałów półprzewodnikowych i może występować w widmie ultrafioletowym, widzialnym lub podczerwonym. Diody LED z niewidzialnym światłem są używane zwłaszcza z fotodiodami lub odpowiednimi odbiornikami do transmisji pewnego typu sygnału, na przykład kurtyny świetlnej lub pilota. Podobnie jak zwykła dioda, składa się z kawałka materiału półprzewodnikowego domieszkowanego zanieczyszczeniami, atomów o różnej liczbie elektronów walencyjnych, aby utworzyć strukturę z odpowiednio dodatnią i ujemną częścią oraz złączem PN. Nośniki ładunków (elektrony i dziury), które rekombinują na złączu PN, uwalniają energię w postaci fotonów. Długość fali światła, a tym samym kolor światła, zależy od wielkości pasma wzbronionego materiału półprzewodnikowego. Zwykła dioda, zazwyczaj wykonana z krzemu lub germanu, nie emituje światła. Materiały stosowane do diod LED muszą mieć bezpośrednie pasmo wzbronione o wielkości odpowiadającej energiom fotonów dla światła bliskiej podczerwieni, światła widzialnego lub bliskiego ultrafioletu. Aby zwiększyć radiację, często stosuje się studnie kwantowe z dolnym pasmem wzbronionym do koncentracji nośników ładunku w mniejszej objętości przestrzennej.
W przeciwieństwie do żarówek, które mogą wykorzystywać prąd stały lub zmienny, oświetlenie LED wymaga prądu stałego o właściwej biegunowości. Gdy napięcie na diodzie jest we właściwym kierunku, znaczny prąd przepływa przez złącze PN w diodzie. Mówi się więc, że prąd jest przyszłościowy. Napięcie na diodzie LED jest w tym czasie stabilne dla danej diody LED i proporcjonalne do energii emitowanych fotonów. Jeśli napięcie ma złą polaryzację, jest odwrócone, płynie bardzo mały prąd upływu i nie jest emitowane żadne światło, ale przy podwyższonym napięciu następuje przebicie i dioda może ulec zniszczeniu. Najpopularniejszym typem diod LED są te montowane w otworze o średnicy pięciu milimetrów. Obecnie najczęściej montowane są natynkowo w wielu obudowach. Ponieważ diody LED są wrażliwe na przegrzanie, dużo pracy włożono w wykonanie obudów z dobrym chłodzeniem. Efektywność diod LED wynosi co najwyżej około 25% na niebieskim i 16–17% na białym, co jest w klasie lamp wyładowczych lub w niektórych przypadkach nawet lepsze. Białe światło uzyskuje się poprzez addytywne mieszanie kolorów. Jedną z metod jest zamontowanie diod LED, które dają różne kolory, takie jak niebieski, zielony i czerwony, na tych samych lub oddzielnych chipach tak blisko siebie, że światło jest postrzegane jako białe. Innym sposobem jest włączenie diod emitujących promieniowanie UV do mieszaniny substancji fluorescencyjnych (substancji świetlnych), które zapewniają światło w różnych częściach widma widzialnego. Najskuteczniejsze jest jednak użycie chipa z niebieskim promieniowaniem z lekką substancją osadzoną w krzemie wokół diody. Warstwa proszku itrowo-glinowo-granatowego domieszkowanego cerem daje żółte fluorescencyjne światło, które w połączeniu z niebieskim światłem diody daje równomierne białe światło. Sprawność takiej białej diody jest bardzo wysoka, ponieważ już niebieska dioda LED ma bardzo wysoką wydajność (dwukrotnie większą niż diody ultrafioletowe) i ponieważ część niebieskiego światła jest używana bezpośrednio bez konwersji. Niebieskie diody LED również emitują część swojego promieniowania w niewidocznej ultrafioletowej części widma, a nawet ta część jest w dużej mierze przekształcana w żółte światło widzialne. Ten ostatni współczynnik oznacza, że uzyskujesz około 4-5 razy więcej światła widzialnego z białego światła niż z niebieskiej diody LED. Białe diody LED zwykle wykorzystują chipy InGaN / SiC. Technologia jest objęta szeregiem patentów, dlatego tylko pięciu lub sześciu producentów może dostarczać białe diody LED bez naruszenia patentu. Najnowszą innowacją w technologii LED jest urządzenie, które może emitować światło ultrafioletowe. Kiedy światło ultrafioletowe oświetla określone materiały, materiały te będą emitować światło widzialne. Ultrafioletowe i niebieskie diody LED są stosunkowo drogie w porównaniu ze standardowymi czerwonymi, zielonymi, żółtymi i podczerwonymi, a zatem są rzadziej używane w zastosowaniach komercyjnych. Diody LED dużej mocy to wysokowydajne diody LED zapewniające jak największy strumień świetlny. Od dawna mówi się o diodach LED dużej mocy, które radzą sobie z większymi prądami. Powinny one być w stanie zastąpić zarówno żarówki halogenowe, jak i podobne. Powodem jest to, że mają większe wbudowane chipy przystosowane standardowo do 0,35 A (1 W), ale są dostępne do 100 W. Dzięki swojej budowie i budowie diody te będą mogły zastąpić różne formy klastrów LED, podświetlaczy oraz lamp halogenowych. Typowe zastosowania to wyświetlacze LED i LCD, telewizory LCD (telewizory z płaskim ekranem), oświetlenie wewnętrzne pojazdów, wyposażenie biura i kuchni lub inne trudne warunki. Doskonałym przykładem są wszystkie kierunkowskazy, światła cofania i światła hamowania w samochodzie. Właściciel samochodu nigdy nie będzie musiał wymieniać świateł przez cały okres eksploatacji samochodu. Typowe zastosowanie diod LED w różnych kolorach to 7-segmentowe wyświetlacze, które mogą pokazywać liczby. Dla pełnego zestawu liter stosuje się 14–16 segmentów, matrycę punktową 5 × 7 lub podobną. Aby umożliwić wyświetlanie skali, na przykład na wskaźniku poziomu, istnieją moduły z wieloma diodami LED ustawionymi w rzędzie. To prąd płynący przez diodę LED określa jej jasność, a nie napięcie. Napięcie przewodzenia (Uf) na diodzie LED zmienia się od około 1,9 V (czerwony) do około 3,6 V (niebieski) i jest zwykle definiowane przy prądzie 20 mA w kierunku do przodu (If). Jeśli maksymalny prąd w kierunku do przodu (jeśli max) zostanie przekroczony więcej niż krótko, dioda jest zniszczona. Dlatego w zasadzie we wszystkich aplikacjach należy mieć rezystor ograniczający prąd połączony szeregowo z diodą LED. Jedna noga diody LED jest krótsza i jest – i jest również nazywana katodą. Dłuższa noga to + i nazywana jest anodą. Pojęcia anoda i katoda nie oznaczają tutaj, że to kierunek prądu zewnętrznego określa, czym jest anoda i katoda, ale są one trwale połączone z konstrukcją elementu. Biała dioda LED z 3,3 V Uf i 20 mA Jeśli musi być podłączona do akumulatora 9 V.
Prąd musi być ograniczony przez rezystor szeregowy. Napięcie na całym obwodzie wynosi 9 V minus spadek napięcia przewodzenia na diodzie oznacza, że spadek napięcia na rezystorze powinien wynosić 5,7 V.Prąd należy ograniczyć do 20 mA i zgodnie z prawem omowym przyjmujemy R = U / I = 5,7 / 0, 02 = 285 Ω.
Prąd nie może przekraczać 20 mA, więc wybierasz rezystor o domyślnej wartości 330 Ω. Prąd wyniesie wtedy I = U / R = 5,7 / 330 = nieco ponad 17 mA. Moc na rezystorze wyniesie około 98 mW.
Powszechnym sposobem regulowania działania diod LED jest modulacja szerokości impulsu (PWM) tych diod o tak wysokiej częstotliwości, że ludzkie oko nie ma czasu na dostrzeżenie błysków / migotania. Na przykład, jeśli dioda LED jest modulowana szerokością impulsu o 70% z czasem, średni prąd spadnie do 70% wartości maksymalnej, czego wynikiem jest zmniejszenie średniej mocy o 30%, co może mieć duży wpływ, jeśli na przykład masz problemy z wytwarzaniem ciepła. Powszechnym błędnym przekonaniem jest to, że diody LED wydają się świecić jaśniej przy tym samym średnim prądzie, jeśli są pulsacyjne. [Wymagane źródło] W rzeczywistości postrzegana jasność jest identyczna. Można założyć, że migotanie diod LED z modulacją szerokości impulsu ma negatywny wpływ na zdrowie, takie jak bóle głowy, zmęczenie oczu i zmniejszona prędkość odczytu, jeśli częstotliwość PWM jest tak niska, jak na przykład 100 Hz. Udowodniono, że migotanie o częstotliwości 00 Hz z lamp fluorescencyjnych ma takie efekty. Wpływ wyższych częstotliwości na zdrowie nie jest znany. Istnieją dwa rodzaje paneli LED: konwencjonalne, które wykorzystują indywidualne diody LED i panele SMD (Surface Mount Device). Najpopularniejsze ekrany zewnętrzne i niektóre ekrany wewnętrzne są zbudowane z diod LED w sposób znany jako indywidualnie montowane diody LED. Skupisko diod czerwonych, zielonych i niebieskich tworzy piksel w pełnym kolorze, zwykle o kształcie kwadratu. Te piksele są umieszczane w równych odległościach i mierzone od środka do środka w celu uzyskania absolutnej rozdzielczości pikseli.
