02 – Světelné diody

LED mění proud na světlo. A tři barvy dají dohromady skoro cokoli.

Zapojení

LED1 (bílá) — jednoduchý obvod: +5 V → SW1 → R1 (1 kΩ) → LED1 → GND

LED2 (RGB, common anode) — tři samostatné kanály: SW2 rozsvítí červenou (R), SW3 zelenou (G), SW4 modrou (B). Každý kanál má vlastní odpor R2/R3/R4 (1 kΩ) a všechny tři sdílejí společnou anodu (CA) připojenou na +5 V.

---

Co je LED?

LED (Light Emitting Diode — dioda emitující světlo) je malá součástka, která při průchodu proudu svítí. Na rozdíl od žárovky nespaluje žádné vlákno — světlo vzniká přímo uvnitř křemíkového čipu.

Proč záleží na orientaci?

LED má dvě nožičky s různou funkcí:

• Anoda (A) — delší nožička, připojuje se na kladné napájení (+)
• Katoda (C) — kratší nožička, připojuje se na zápornou stranu (GND)

Otočíš-li ji naopak, proud nepoteče a LED nesvítí. To je vlastnost diody — propouští proud jen jedním směrem.

Proč je tam odpor?

Bez odporu LED shoří

LED má malý vnitřní odpor. Bez předřadného odporu R1 by přes ni protekl příliš velký proud — LED by se přepálila. R1 proud omezí na bezpečnou hodnotu.

RGB LED — tři v jednom

LED2 je RGB dioda — v jednom pouzdru jsou tři barevné čipy: červený (R), zelený (G) a modrý (B). Stiskni SW2 pro červenou, SW3 pro zelenou, SW4 pro modrou. Stiskni najednou víc tlačítek — barvy se smíchají. Červená + zelená dává žlutou, všechny tři dohromady dávají bílou.

Jak LED svítí — přechod PN

LED je polovodičová součástka vyrobená ze dvou vrstev:

• vrstva P — přebytek kladných nosičů náboje (tzv. děr)
• vrstva N — přebytek elektronů

Jejich rozhraní tvoří přechod PN. Přivedeme-li napětí správným směrem (anoda+, katoda−), elektrony z vrstvy N přeskočí přes přechod a setkají se s dírami z vrstvy P. Při tomto setkání — rekombinaci — se uvolní energie. U LED se vyzáří jako foton světla.

Prahové napětí

LED nezačne svítit okamžitě — musí se překonat prahové napětí (V_f, forward voltage):

Barva	Prahové napětí
Červená	1,8–2,2 V
Zelená	2,0–2,4 V
Modrá	3,0–3,4 V
Bílá	3,0–3,6 V

Výpočet předřadného odporu

Odpor musí omezit proud na pracovní hodnotu (typicky 10–20 mA):

$R = \dfrac{V_{cc} - V_f}{I_f}$

kde V_cc je napájecí napětí, V_f prahové napětí LED a I_f požadovaný pracovní proud.

Pro bílou LED (V_f ≈ 3,2 V) při 5 V napájení a I_f = 10 mA:

$R = \dfrac{5\,\text{V} - 3{,}2\,\text{V}}{0{,}010\,\text{A}} = 180\,\Omega$

Na desce je R1 = 1 kΩ — proud bude nižší (kolem 1,8 mA), ale LED přesto svítí a je v bezpečí.

Common anode vs. common cathode

RGB LED2 má společnou anodu (CA) — všechny tři čipy sdílejí kladný pól (+5 V). Každý kanál se ovládá přes svůj odpor a tlačítko, které ho připojuje na GND. Existuje i opačná varianta — common cathode — kde jsou kanály připojeny na +5 V přes odpor a sdílejí GND.

Fyzika světla a materiály

Proč každá barva vyžaduje jiné napětí?

Energie fotonu odpovídá šířce zakázaného pásu (band gap, E_g) materiálu. Různé materiály mají různé E_g → různé vlnové délky světla → různé barvy:

$E_{\text{foton}} = \dfrac{h \cdot c}{\lambda}$

kde $h = 6{,}626 \times 10^{-34}\,\text{J·s}$ (Planckova konstanta) a $c = 3 \times 10^8\,\text{m/s}$ (rychlost světla).

Červená LED (λ ≈ 630 nm) potřebuje energii ≈ 1,97 eV → prahové napětí ≈ 2,0 V. Modrá LED (λ ≈ 460 nm) potřebuje energii ≈ 2,70 eV → prahové napětí ≈ 2,7–3,3 V.

Přímý a nepřímý polovodič

LED funguje jen u přímých polovodičů (direct bandgap), kde zákon zachování hybnosti umožňuje přímou rekombinaci za vzniku fotonu. Křemík (Si) je nepřímý — rekombinace u něj uvolňuje energii jako teplo. Proto z klasického křemíku LED nevyrobíš.

Typické materiály:

• InGaN — modrá, zelená, bílá LED
• AlGaInP — červená, oranžová, žlutá

Voltampérová charakteristika

LED se chová jako dioda — V-A charakteristika je exponenciální (Shockleyova rovnice):

$I = I_s \left(e^{\frac{V}{n V_T}} - 1\right)$

kde I_s je saturační proud (~nA), $n$ ideality factor (1–2) a $V_T = k \cdot T / q \approx 26\,\text{mV}$ při 25 °C.

Proto se LED nesmí napájet přímo napětím — malá změna napětí způsobí obrovskou změnu proudu. Předřadný odpor nebo konstantní proudový zdroj jsou nutností.

Kvantová účinnost (EQE)

EQE (External Quantum Efficiency) udává poměr emitovaných fotonů ku přivedeným elektronům. Moderní bílé LED dosahují EQE > 60 %, žárovka jen asi 5 %.

Doporučená literatura

• Schubert: Light-Emitting Diodes (Cambridge University Press)
• Neamen: Semiconductor Physics and Devices — přechod PN
• Sedra & Smith: Microelectronic Circuits — diody