Superjasné LED

Josef Hubeňák

V osmdesátých letech minulého století se v katalogu TESLA objevily první světelné diody československé výroby. První v řadě  byla LQ 100, zářící červeným světlem. V katalogu najdeme údaje:

svítivost 0,8 ≥ 0,2 mcd

proud 20 mA

napětí 1,65 ≤ 2 V

vlnová délka λ_max 660 nm

Jen pamětníci si ještě vzpomenou na rubínově zbarvenou diodu se zlatavým kovovým pouzdrem:

PN přechod schopný emitovat fotony byl vytvořen v GaAs. Ačkoliv dioda svítí červeně, zdaleka nejde o monochromatické světlo. Pološířka spektrální charakteristiky byla 150 až 300 nm [1].

Galium fosfidové diody bez příměsí září zeleně s maximem na vlnové délce 565 nm a žlutého světla lze dosáhnout příměsí teluru, zinku a kyslíku. Modře svítící diody měly PN přechod vytvořen v karbidu křemíku a příměsi dusíku, hliníku a bóru posouvaly dominantní vlnovou délku od 458 nm do 620 nm [1]. Děj, při kterém vznikají fotony, je přechod elektronu z polovodiče N do P a zachycení děrou. Přebytek energie  elektron odevzdá mřížce a vzniká teplo; pouze 1 až 10 elektronů ze sta vytvoří při tomto ději foton. 

Více než třicet let vývoje elektroluminiscenčních diod LED podstatně změnilo parametry a dnes při stejném příkonu mají svítivosti hodnoty o čtyři řády vyšší. Několik příkladů z nabídky dodavatele OSHINO Lamps:

typ SUR 50010,  InGaAlP červená    λ_max = 641 nm, proud  I = 20 mA, napětí  U = 1,9 V, svítivost 7 400 mcd

typ SUY 50010,  InGaAlP žlutá λ_max = 590 nm, proud  I = 20 mA, napětí  U = 2,0 V,  svítivost 6 200 mcd

typ SPG 50020, GaN zelená λ_max = 523 nm, proud  I = 20 mA, napětí  U = 3,5 V,  svítivost 7 000 mcd

typ SUB 50010, GaN modrá λ_max = 470 nm, proud  I = 20 mA, napětí  U = 3,5 V,  svítivost 2 500 mcd

typ SUW 50010, GaN bílá proud  I = 20 mA, napětí  U = 1,9 V,  svítivost 20 000 mcd, barevné souřadnice x = 0,30,  y = 0,30

Konstrukčně jsou si uvedené typy zcela podobné:

Na vysoké svítivosti se podílí soustředění světelného toku do malého vyzařovacího úhlu, což je dobře vidět na polárním grafu svítivosti:

Výše uvedené informace a grafy jsou převzaty z webové stránky [2].

Pro pokusy s těmito diodami je třeba znát jejich maximální příkon – není nijak velký a přehřátí vede nejprve ke snížení svítivosti a pak ke zničení. Výrobce udává pouze 100 mW. Při doporučeném proudu 20 mA nebezpečí přehřátí nehrozí. Pro napájení diod lze použít stejnosměrný zdroj a vhodný  odpor do série. Jednoduché zapojení s tranzistorem umožní nastavit proud  v určitém intervalu a napájet diodu z devítivoltové baterie:

Napětí na Zenerově diodě je prakticky konstantní a potenciometrem P1 můžeme regulovat proud báze a tím také proud kolektoru. Trimr P2 slouží při nastavení zdroje na maximální proud LED. Mezní hodnotu nastavíme na 25 mA. Změny napětí baterie nemají na funkci zdroje velký vliv a úbytek napětí na LED není rozhodující. Zdroj je vestavěn do plastové krabičky, na čelní stěně je vypínač, zdířky pro připojení LED a knoflík potenciometru P1.

Barevné LED umožní ukázat skládání barev. Na snímku jsou tři diody s červeným, zeleným a modrým světlem a v oblastech překrytí najdeme barvu žlutou a fialovou, přesněji řečeno purpurovou. Regulací proudu diod lze docílit vhodné poměry osvětlení a vytvořit i bílé světlo.

Světla barevných LED nejsou zdaleka monochromatická. Pro pozorování spektra byl použit objektiv ze starého zvětšovacího přístroje MAGNIFAX a vyrobena optická lavice s držákem pro sondy:

Červený filtr patřící k vybavení zvětšovacího přístroje byl nahrazen průhledným cédéčkem, které zde slouží jako optická mřížka. Posuv objektivu a poloha sondy dávají možnost měnit velikost obrazu. Spektrum bílé LED je na dalším snímku.

Pro fotografování zůstala clona objektivu MAGNIFAXU maximálně otevřena. Při pozorování je vhodné naopak co nejvíce zaclonit objektiv. Ze snímku je přesto patrné, že bílá LED obsahuje vlnové délky z celé viditelné oblast.  Spektrum žluté LED je na další fotografii:

Na snímku je viditelná červená i zelená složka světla, které subjektivně vnímáme jako žluté. Pozorování spekter lze doplnit i měřením vlnové délky. Laserový modul s vlnovou délku 650 nm je zabudován do sondy podobné předchozím s LED a pro  napájení byl sestaven 3 voltový zdroj ze dvou monočlánků.

Mřížkové spektrum 1. řádu pro paprsek laseru je vhodné nastavit tak, aby vzdálenost od nultého byla rovna 65 mm. Pak už stačí vyměnit sondu s laserem za sondu s LED, objektiv ponechat  na místě a posouváním sondy nastavit ostrý obraz nultého maxima. Vzdálenost dané části spektra od středu nultého maxima v milimetrech stačí vynásobit deseti a máme vlnovou délku v nanometrech.

Odečítání vlnových délek není zcela přesné, jak ukáže jednoduchý rozbor systému:

Z obrázku je zřejmé, že vzdálenost nultého a prvního maxima je . Pro vlnovou délku l a mřížku s konstantou a platí podmínka prvního maxima  .

Z této podmínky je  a pokud jsou úhly malé (pod 5°), lze sinus a tangens vzájemně zaměnit. Pak pro výchylku platí . V sestavě daného měření jde ale o úhel asi 25° a odchylka tangenty a sinu již není zanedbatelná. Kalkulátor ukáže číselné hodnoty:

tg 25°   = 0,4663

sin 25°  = 0,4226

Hodnoty se liší o 10 % a stejná chyba vznikne při odečítání vlnové délky přímo ze stínítka. Pro informativní zjištění vlnové délky je taková chyba přípustná.

Bílá LED se svítivostí 20 cd umožnila sestavit model světlovodu. Hadička z průhledného plastu je naplněna silikonovým olejem, na vstupu je zalisována dioda a výstup je opatřen zátkou z průhledného epoxidu (zde byla použita LED o průměru 3 mm).

Podmínka totálního odrazu není splněna pro všechny paprsky vyzářené diodou a na světlovodu je možné pozorovat ztráty. Hadičku lze narovnat i zakřivit a sledovat vliv zakřivení na intenzitu výstupního svazku.

Do skupiny experimentů s LED lze zařadit i pozorování luminiscence.

Dnešní bezpečnostní předpisy požadují  označení východů a únikových cest z objektů i pro případ, kdy není k dispozici elektrické osvětlení a existují firmy, dodávající nápisy, značky a symboly vyrobené z moderních luminiscenčních materiálů s relativně vysokým jasem a dlouhou dobou dosvitu (řádově desítky minut). Zde byl využit terčík o průměru 50 mm. Červená, zelená a modrá LED položené vedle terče ukáží zajímavý efekt: luminiscenční stopu vytvoří pouze dioda modrá. Důkazem jsou obrázky č. 12, 13,14 a 15.

Intenzívní luminiscence nastane po zhasnutí modré LED, jak ukazuje obr. 15.

V nabídce LED jsou dnes i diody vyzařující ultrafialové světlo. Díky poměrně velkému intervalu vlnových délek takové LED září i ve viditelné oblasti spektra :

Po zhasnutí ultrafialové LED se objeví intenzívní luminiscenční stopa:

Diody s vysokou svítivostí  jsou snadno dostupné a experimenty s nimi jsou fyzikálně zajímavé, bezpečné a esteticky působivé.

Sonda s laserovou diodou nabízí ještě další využití. Fyzika a optika se podílí i na efektních obalech některého zboží a následující snímek ukazuje odraz laserového paprsku od ústřižku krabičky z kosmetického zboží:

Ústřižek vsazený do špejle vrací nulté maximum přímo na laserovou sondu a symetricky rozmístěná další maxima připomínají laueogramy. Tady jde patrně o dvě mřížky navzájem kolmé a vytvořené ve dvou vrstvách nad sebou. Po této ukázce je možné, že studenti s laserovým ukazovátkem budou studovat obaly kosmetického zboží.

Všeobecná dostupnost digitálních fotoaparátů umožňuje studentům i žákům odnést si vlastní záznam experimentů a dále s nimi pracovat.

Literatura

1. Svečnikov, S.V. : Základy optoelektroniky SNTL Praha 1975

2. http://www.oshino-lamps.de/