led zaujÍmavÉ a atraktÍvne svetelnÉ zdroje … · každá luminiscencia má najmenej dve ......

Tvorivý učiteľ fyziky VIII, Smolenice 7. ‐ 9. apríl 2015

‐ 131 ‐

LED – ZAUJÍMAVÉ A ATRAKTÍVNE SVETELNÉ ZDROJE VO VYUČOVANÍ FYZIKY (2015: MEDZINÁRODNÝ ROK SVETLA) Daniel Kluvanec, Boris Lacsný, Monika Hanáková, Omar Al‐Shantir Katedra fyziky Fakulty prírodných vied UKF v Nitre Abstrakt: Ak by sme mali vymenovať niekoľko tém, ktoré rezonujú v súčasnej fyzike a technických aplikáciách, určite by medzi ne patrila téma svetlo emitujúce diódy (v skratke LED, angl. Light Emitting Diode). Hoci ide o súčiastky, ktoré sú známe viac ako 50 rokov (prvú použiteľnú LED zostrojil roku 1962 kanadský fyzik Nick Holonyak), postupne sa rozvíjala fyzikálna teória LED i technológie, ktoré v súčasnosti predstavujú nielen pokrok v oblasti svetla, ale aj v ekonomike, na celom svete. Ide o svetelné zdroje, ktoré majú aj isté nedostatky (napr. výrobná cena), ale majú neočakávane revolučné prednosti v kvalite svetla, úspornosti a trvanlivosti. LED majú už v súčasnosti široké použitie v prístrojovej technike, ako signalizačné svetlá, dekoračné zdroje, kontrolné svetlá, lasery, diaľkové ovládače, ale aj osvetľovacie zdroje. Pomocou LED je možné získať svetlo rôznej farby. Elektrickým príkonom sú LED žiarovky veľmi úsporné svetlá s nastavením kvality a s presným smerovaním svetelného toku. Konštrukcia LED žiaroviek, na rozdiel od tradičných (Edisonových), je odolnejšia voči mechanickým poruchám a elektrickému opotrebovaniu, ich životnosť je rádovo 104 hodín. Úsporné a kvalitné sú aj LED obrazovky monitorov a televízorov a LED lasery. Kľúčové slová: LED, P ‐ N prechod, RGB LED, V‐A charakteristika, vyučovanie fyziky. Úvod V abstrakte sú uvedené hlavné dôvody, aby sme poznatky o LED zaradili vo vhodnom čase a primeraným spôsobom do vyučovania fyziky na základných a stredných školách. V našom príspevku chceme predložiť návrh, ako možno s touto témou zoznamovať žiakov vo vyučovaní fyziky na nižšej úrovni na základnej škole, a na vyššej úrovni na strednej škole a v príprave učiteľov fyziky. LED žiarovky sú vyrábané pre istý účel (farba, teplota farby, svietivosť, častejšie svetelný tok), ale bez udania takých parametrov, na ktoré sme zvyknutí pri usmerňovacích polovodičových diódach alebo pri klasických žiarovkách. Metodicky odporúčame (1) Poskytnúť žiakom informácie o LED s naznačením fyzikálneho princípu P ‐ N prechodov

v polovodičových systémoch a vzťahu medzi vlnovou dĺžkou svetla a šírkou pásma energie preskoku elektrónov.

(2) Demonštrovať a umožniť aj žiakom vykonať pokusy s LED s rôznymi farbami. Vo vyšších ročníkoch je možné merať voltampérové charakteristiky LED, meranie prahového napätia Up, ako aj vzťahu medzi prahovým napätím a vlnovou dĺžkou λ (resp. frekvenciou f) emitovaného svetla. Môžeme pripomenúť, že LED sú kvantové systémy, čo znamená, že ich činnosť nie je možné vysvetliť len pomocou princípov klasickej fyziky.

(3) Ako mimoriadne atraktívne a zaujímavo možno demonštrovať a vykonať merania s dvojelektródovými a štvorelektródovými diódami. Prístupné sú aj LED – lasery, ktoré sa používajú ako ukazovadlá vo vyučovaní. Rovnako aj diaľkové ovládače pre elektronické zariadenia, napr. v domácnosti.

V príspevku prezentujeme teoretickú úlohu, ktorá bola zaradená v okresnom kole 56. roč. Fyzikálnej olympiády (FO), E2 19. marca 2015 a experimentálnu úlohu, ktorú sme zostavili pre Celoštátne kolo FO, ktoré sa konalo v dňoch 12. – 15. marca v Nitre.


‐ 132 ‐

1. Niekoľko slov z histórie Základné pojmy: luminiscenciou nazývame vyžarovanie elektromagnetického vlnenia vo viditeľnej oblasti spektra alebo blízko neho, po prijatí nejakej formy energie, a to bezprostredne alebo po určitom čase. Luminiscenčné látky sa nazývajú luminofory. Každá luminiscencia má najmenej dve časovo oddelené štádia: vzbudenie elektrónového systému atómov látky a následne emisiu vyžiarením fotónov. Vzbudenie môžu spôsobiť fotóny (fotoluminiscencia), elektróny, príp. iné častice s elektrickým nábojom (elektroluminiscencia), alebo chemické procesy (chemoluminiscencia). Ak dochádza k emisii svetla bezprostredne pri vzbudení atómov luminofora hovoríme o fluorescencii. Ak emisia nastupuje až po ukončení vzbudenia, luminiscenciu nazývame fosforescenciou. Doba, počas ktorej zostáva atóm vo vzbudenom stave sa nazýva doba života atómu. Hraničným kritériom pre posúdenie fluore‐ a fosforescencie je obvykle doba života atómov luminofora 10‐8 s. (Dekker, 1966, s. 399).

Obr. 1: Historický pokus, elektrolumini-scencia na kryštáli SiC.

V histórii boli najskôr zaregistrované mnohé fyzikálne javy bez toho, aby boli podložené komplexným výskumom a teoretickými modelmi. Mnohí z nás mali možnosť poznať svetielkovanie staršieho a hnilého dreva v lesoch. Svetielkovanie niektorých húb modrým svetlom (ohnivé huby, faire fire) je známe už mnoho storočí. Svätojánske mušky fluoreskujú. Túto skupina javov možno označiť bioluminiscencia, resp. chemoluminiscencia. Prvú človekom vyvolanú luminiscenciu pozoroval na kryštáli SiC (carborundum) spojenej s elektródou Joseph Round (1907), Obr. 1. Až v roku 1928 sa pokúsil ruský fyzik Oleg V. Lossev vysvetliť tento jav. Zistil, že emitované svetlo nie je tepelné žiarenie, ako napr. v klasickej (Edisonovej) žiarovke. Fyzikálne prijateľné vysvetlenie javu elektroluminiscencie na kryštáli SiC podali až r. 1953 Kurt Lehovec, Carl Accard a Edward Jamgochiani (Lehovec, K., Accarda, Jamgochian,1951, 1953). Rubin Braunstein od roku 1955 pracoval na vývoji infračervených diód (GaSb,GaAs, InP,SiGe) a v roku 1957 demonštroval ako prvý v histórii zariadenie na nerádiovú komunikáciu na krátku vzdialenosť pomocou infračervených diód (Braunstein, 1955). V roku 1962 sa začala komerčne vyrábať prvá infračervená LED dióda (GaAs 900 nm SNX‐100). Prvá červená LED dióda z viditeľnej oblasti bola objavená Nickom Holonyakom ml. tiež v roku 1962 (Holonyak, Bevacqua,1962).


‐ 133 ‐

Žltú LED diódu objavil M. George Craford, žiak N. Holonyaka, ktorému sa podarilo v roku 1972 zvýšiť aj svetelnosť červenej a oranžovej LED diódy desaťnásobne. V roku 1976 T. P. Pearsall vytvoril vysoko svetelnú a efektívnu LED diódu pre optickú telekomunikáciu. Prvá modrá LED dioda s vysokou svetelnou účinnosťou bola vyrobená v roku 1994 Shuji Nakamurom na báza InGaN. Paralelne Isam Akasaki a Hiroshi Amano objavili polovodič typu P GaN. Nakarumovi, Amanovi a Akasakimu bola udelená Nobelova cena (rovnocenne s hodnotou 1/3 pre každého) 8. decembra 2014 v Aule Magna Štokholmskej univerzity „za objav vysokoúčinného modrého svetla na LED, ktoré sú zdrojom energiu šetriaceho bieleho svetla.“

Vývoj komerčných LED diód v historicky najvýznamnejšej etape objavov LED, po roku 1960, je znázornený zaujímavým grafom na Obr. 2. PC v skratke znamená konverziu modrého svetla na fosfore (phosphor converted) LED, pričom vzniká biele svetlo; DH‐ sú označené diódy s dvojitou heteroštruktúrou. Účinnosť η premeny (zvislá os, graf na Obr. 2) je pomer medzi vyžarovaným svetelným výkonom a elektrickým príkonom. Pozn.: najvyššia účinnosť sa dosahuje pri emisii modrého svetla, napr. na štruktúrach InGaN.

Základom pre udelenie Nobelovej ceny za fyziku v roku 2014 bol objav vysoko efektívnej diódy s modrým svetlom na báze nitridu gália (GaN) (Luby, 2015), primárne ako zdroja modrého svetla, pomocou ktorého možno získať fotoluminiscenciou (na fosfore, ktorým je pokrytý substrát GaN)

Obr. 2: Historický vývoj komerčných LED diód od polovice šesťdesiatych rokov až po súčasnosť. Svetelná účinnosť LED sa zvýšila takmer 104 krát.

η S

vete

lná

úči

nn

osť

Obr.3: Kryštál GaN (Anan).


‐ 134 ‐

energeticky úsporné a jasné biele svetlo (Obr. 4). Z grafu na Obr. 2 možno dedukovať, že prvé LED (jednoduché, napr. GaP, ale aj LED s dvojitou štruktúrou, napr. GaAlAs s červeným svetlom, aj modré na substráte SiC), mali nízku svetelnú účinnosť, rádovo 10‐3 – 10‐2.

Analogickou technológiou možno získať zelené, červené alebo modré svetlo. Ide o medzinárodne zaužívané označenie RGB (red: červené, green: zelené, blue: modré). V obchodnej sieti možno získať jednofarebné LED (dvojelektródové: anóda, katóda) alebo RGB LED (dvojelektródové: anóda, katóda; štvorelektródové: napr. spoločná katóda a tri anódy, Obr. 8). Miešaním troch farieb vzniká vysoko účinné biele svetlo, vhodné na bežné osvetlenie. Rozlišujú sa tri druhy bieleho svetla: teplé biele (~3000 K), denné biele (~4 500 K), studené biele (~6 000 K), ktoré sa aj ako spotrebiteľské žiarovky predávajú.

Obr. 4: Emisné spektrum žltej LED vzbudené pomocou modrého kryštálu GaN pokrytého fosforom dopovaného YAG cérom.

Obr. 5: Niekoľko LED rôznych tvarov a veľkostí. Farba plastového obalu je často rovnaká ako farba vyžarovaného svetla, ale nie vždy. Napr. fialový plast sa často

používa na infračervených LED. Väčšina modrých LED má číre (bezfarebné) puzdro. Moderné výkonné LED, používané na osvetlenie, sa konštruujú SMT technológiou (Surface Mount Technology: na povrch montované súčiastky),

napr. letovaním LED na plošný spoj (dosku).


‐ 135 ‐

Fyzikálny výskum a technológie v oblasti LED od osemdesiatych rokov však kvalitou napredovali exponenciálne. Prvú vysokoefektívnu LED s modrým svetlom na báze GaN zostrojila až r. 1995 trojica citovaných nositeľov Nobelovej ceny. Farebnosť svetla sa dosahuje dopovaním prvkov v YAG (ytrium – alumínium granát, Y3Al5O12), napr. chrómom (zelená farba), kobaltom (modrá), horčíkom (červená), titánom (žltá), neodýmom (purpurová). Prvé LED diódy boli drahé a neefektívne, ich výkon a svetelná účinnosť však rástli exponenciálne. V roku 2012 Osram prezentoval komerčnú výrobu výkonovej LED InGaN, ktorej výrobné náklady klesli o 90 % použitím kremíkového substrátu miesto zafírového. Predpoveď odborníkov je, že roku 2020 bude prevaha GaN s kremíkom (Si). Pokrok v oblasti variabilnej svetelnej techniky sa objavom účinných LED dostal na vysokú kvalitatívnu úroveň, ktorá predstavuje celosvetovo nesmierny prínos pre priemysel, ekonomiku, ale aj pre bežný život každého človeka. Tento pokrok, ktorý pravdepodobne ešte nie je zavŕšený, sa dosiahol vďaka základnému a aplikovanému fyzikálnemu výskumu. . 2. Polovodičový P – N prechod Spojením polovodičov s vodivosťami typu P a N vzniká usmerňovacia dvojvrstva. Súčiastky, ktoré majú funkciu usmerňovať elektrický prúd (vedú elektrický prúd len v jednom smere) sa všeobecne nazývajú diódy. V súčasnosti takmer výhradne v slabo i silnoprúdových obvodoch sa používajú polovodičové diódy. Ako sme uviedli, niektoré polovodičové diódy pri zapojení v priepustnom smere vyžarujú svetlo. Fyzikálny princíp svetlo emitujúcich diód (LED) stručne vysvetlíme pomocou pásmového spektra energií pevnej látky – kryštálu, Obr. 6. Zatiaľ, čo v izolovaných atómoch elektróny na orbitách môžu nadobúdať len určité diskrétne hodnoty energie, Obr. 6a, pri usporiadaní atómov v kryštáli (pevnej látke) dochádza v dôsledku vzájomného pôsobenia atómov k rozštiepeniu diskrétnych hladín na pásma energií, Obr. 6b. Elektróny obsadzujú stavy od najnižšej energie smerom nahor. Ak je najvyššie pásmo obsadené čiastočne, látka je elektricky vodivá a neprepúšťa svetlo. Toto pásmo sa nazýva „vodivostné“. Nižšie energie prislúchajú „valenčnému“ , ktoré je obsadené elektrónmi zabezpečujúcimi valenčnú väzbu medzi atómami látky. Ak je pod vodivostným pásmom energetická

medzera Eg, „zakázané“ pásmo gap (angl. medzera, pásmo), látku voláme polovodič (Eg < 3 eV). V prípade, že Eg > 3 eV, látka sa volá izolant.

Čistý polovodič pri nízkej teplote T 0 K je elektricky nevodivý. Nenulová vodivosť vyžaduje prítomnosť pohyblivých elektrónov vo vodivostnom pásme a/alebo dier (voľných – neobsadených

stavov) vo valenčnom pásme. Vznik párov elektróndiera sa dosiahne dodaním energie E Eg, a to vo forme tepla (tepelná excitácia), fotónov (excitácia ožiarením) a pod. Závislosť elektrickej vodivosti od teploty využívajú termistory, od žiarenia fotorezistory. Zvýšenie elektrickej vodivosti sa dosiahne pomocou prímesí v základnom polovodiči. Donory v kryštáli sú zdrojom voľných elektrónov, akceptory sú zasa zdrojom voľných dier. Pre termodynamickú rovnováhu v ľubovoľnej sústave je dôležitá Fermiho energia EF, ktorá je

v podstate chemický potenciál látky, Obr. 6c. V Npolovodiči je Fermiho hladina tesne pod okrajom

vodivostného pásma, v Ppolovodiči tesne nad okrajom valenčného pásma. Pre usmerňovacie prechody platí podmienka EFd > EFa.


‐ 136 ‐

Pri splnení tejto podmienky nastáva difúzia častíc (elektrónov a dier), ktorá sa ukončí ustálením konštantnej hodnoty chemického potenciálu EF na oboch stranách P – N prechodu (v celej sústave), Obr. 6d. V úzkej oblasti kontaktu dochádza k rekombinácii elektrónov a dier, vzniká nevodivá hradlová vrstva bez

voľných nosičov náboja. V dôsledku difúzie Npolovodič sa nabije kladne a Ppolovodič záporne. Na hradlovej vrstve vzniká kontaktné napätie UPN (Obr. 6d), ktoré zodpovedá šírke zakázaného pásma UPN = Eg/e. Fermiho hladinu možno posúvať vonkajším napätím U. Ak má napätie U opačnú polaritu ako UPN zmenšuje sa rozdiel hranice vodivostného pásma v oboch polovodičoch, Obr. 6e. To vedie postupne k nárastu prúdu cez prechod. Pre

U > UPN je prechod vodivý a VA charakteristika sa stáva takmer lineárnou, Obr. 7. Ak predĺžime lineárnu časť až na os napätia, dostaneme tzv. prahové napätie Up, ktoré predstavuje približne otváracie napätie prechodu. Hodnota Up je približne 0,7 UPN. Pri rekombinácii

(1)

(2) elektrón

diera Eg

EFd

EFa

polovodič N polovodič P

prímesová hladina

E = 0

EF

eUPN

+

N P

UPN

EF

N P

UPN U

eU

EF

Up

atóm kryštál

prímesový polovodič

a) b) c)

d) e)

Obr. 6: a) Spektrum energií izolovaného atómu, b) pásmové spektrum energií v kryštáli, c) pásmové spektrum energií prímesového polovodiča N a P, d) pásmové

spektrum energií prímesového polovodiča s P – N prechodom, e) pásmové spektrum energií prímesového polovodiča s P – N prechodom a vonkajším zdrojom napätia

pripojeným v priepustnom smere.

I

U Up

A

K

Obr. 7: V-A charakteristika P – N prechodu, značka LED (vpravo).


‐ 137 ‐

elektrónu a diery pri prechode prúdu v priepustnom smere sa uvoľňuje energia eU, ktorá sa odovzdá kryštalickej mriežke (nežiarivé prechody) alebo sa vyžiari vo forme fotónu (elektroluminiscencia). 3. Luminiscenčné diódy ‐ LED

Pre praktické aplikácie PN prechodu v elektronike sa používajú jednoduché polovodiče, napr. Si, Ge zo skupiny IV, alebo kompozitné dvojice prvkov zo skupín IIIV (napr. GaAs, InSb, GaN) a IIVI (napr. ZnS, CdS, ZnO). V P N prechodoch jednoduchých polovodičov prevládajú pri rekombinácii nežiarivé prechody, zatiaľ čo v kompozitných prevládajú žiarivé prechody. Kompozitné polovodiče sa preto používajú na výrobu LED. Ako sme uviedli, farba elektroluminiscencie je daná typom použitého polovodiča. Svetelná účinnosť niektorých farieb klasických LED je nižšia ako u ostatných farieb. V tom prípade sa využíva na vytvorenie svetla kombinácia primárnej elektroluminiscencie vysoko účinnej konverzie P – N prechodu s následnou fotoluminiscenciou použitím vhodného luminoforu (napr. GaN LED sa pokrýva fosforom s prímesami), ktorým sa vlnová dĺžka primárneho svetla transformuje na vlnovú dĺžku požadovaného vyžarovaného svetla.

Elektrické vlastnosti LED približuje VA charakteristika, Obr. 7. Pri napätí U << Up v priepustnom smere je prúd I veľmi malý a prechod P – N nevyžaruje. Pri zvyšovaní napätia U, v blízkosti napätia Up začína prúd narastať a prechod začína vyžarovať svetlo so základnou vlnovou dĺžkou. Pre U > Up prechod sa stáva vodivý a spektrum žiarenia sa posúva ku kratším vlnovým dĺžkam (napr. červená prechádza do oranžovej). Hodnota prahového napätia Up sa určí predĺžením lineárnej časti charakteristiky na os napätia. Približne možno predpokladať, že pri napätí Up je energia emitovaných fotónov EF = e Up, čo

zodpovedá vlnovej dĺžke svetla ≈ h c / EF, kde h = 6,6251034 Js je Planckova

konštanta, e = 1,6021019 C elementárny náboj, c = 3,00108 ms1 rýchlosť šírenia svetla vo vákuu.

RGB LED pozostáva z trojice P – N prechodov, ktoré sú zdrojom troch základných farieb. Tieto diódy sú napájané osobitne, pričom sériové odpory vyvažujú nerovnomernosť svetelnej účinnosti diód, Obr. 8. Elektródy sú odlíšené dĺžkou prívodov (drôtikov), najdlhší je spoločný prívod K (katóda).

4. Aplikácie vo vyučovaní Určenie tém na výučbu o moderných zdrojoch svetla založených na LED je mnoho. Učiteľ má možnosť nielen preberať námety z literatúry a odporúčaní v tomto článku, ale aj sám tvoriť nové úlohy. Témy o LED sú príťažlivé najmä preto, že žiaci ich v ostatnom čase poznajú z praktického života a vlastnosti LED možno jednoducho variabilne demonštrovať v učebni alebo laboratóriu. Výber tém volíme aj podľa toho, či máme cieľ len demonštrovať svetelné atraktívne zdroje s prekvapivými svetelnými efektmi alebo ich zaradíme na prehĺbenie a rozšírenie v riadnej výučbe

Obr. 8: Schéma RGB LED (vľavo) a nákres reálnej LED.


‐ 138 ‐

alebo v práci v krúžkoch, napr. fyzikálnej olympiády. Náročnosť tém možno voliť od jednoduchých (pre žiakov ZŠ) až po zložitejšie pre žiakov strednej školy. 4.1 Témy pre žiakov základnej školy (ZŠ)1 Infračervené LED: V 8. ročníku odporúčame príležitostne použiť LED v tematickom okruhu Svetlo, ako príklad zdroja svetla – viditeľného aj infračerveného v diaľkovom ovládači TV, osvetlenia, spínania audio zariadení a pod., vysvetlením princípu (Obr. 9a) a demonštráciou. Po stlačení tlačidla na ovládači vidieť cez objektív fotoaparátu, resp. kamery, citlivý na infračervené žiarenie, biele záblesky (Obr. 9 b,c). Vysielanie infračerveného žiarenia je riadené mikročipom a prijímané fotodiódou prijímača (Obr. 9a).

Skladanie farieb (interferencia) svetla: Generovanie bieleho svetla skladaním základných farieb použitím RGB LED. Smartfóny, ktoré poznajú i vlastnia mnohí žiaci, používajú organické LED (OLED). OLED obrazovky majú vyššiu spotrebu v porovnaní s klasickými LED. Na nastavenie bieleho displeja je potrebné využiť čo najväčšie množstvo LED, čo vedie k vyššiemu príkonu displeja. Elektrické obvody s rôznymi typmi LED (biele, jednofarebné, dvojfarebné pri opačnom zapojení): Pri zdroji napätia 4,5 V (štvorcová batéria) je potrebné použiť predradný rezistor s odporom 220 Ω. Aby LED svietila, je potrebné ju zapojiť ku zdroju v priepustnom smere, tzn. anódu na kladný pól a katódu na záporný pól batérie. Súčiastky zletujeme alebo spojíme tak, aby dlhší vývod ‐ anóda, bola zapojená na kladný pól zdroja a kratší ‐ katóda na záporný pól (Obr. 10a). Výhodou je, že pre nízku spotrebu LED možno využiť aj vybitejšie batérie, resp. gombíkové batérie s napätím 3 V, pričom v tomto prípade nie je nutné použiť predradný rezistor. LED je možné prilepiť lepiacou páskou o batériu tiež dodržiac správne zapojenie (Obr. 10b). Ďalej je možné využiť priestorovo úsporné zapojenie a prilepiť takto pripravené LED na magnetickú tabuľu, resp. feromagnetický materiál (Obr. 10c), prípadne pomocou svetelnej stopy ukázať trajektórie rôznych pohybov [http2], resp. pri blikajúcich LED z dĺžky čiar porovnať rýchlosti pohybu v jednotlivých úsekoch pri nerovnomerných pohyboch (napr. voľnom páde).

1 Vychádzame z jestvujúceho vzdelávacieho programu Fyzika ISCED 2 a učebníc pre 8. a 9. ročník základnej školy a zodpovedajúcich ročníkov osemročného gymnázia.

Obr. 9: a) Schéma princípu diaľkového ovládania (upravené podľa Macaulay, 2001) b) diaľkový ovládač pred stlačením a c) po stlačení tlačidla ovládača.

(video dostupné v prezentácii na [http1]).


‐ 139 ‐

. Teoretické úlohy s LED: Na demonštračný experiment môže priamo nadväzovať teoretická úloha, v ktorej žiaci určujú odpor R predradného rezistora tak, aby boli dosiahnuté menovité hodnoty napätia U a prúdu I pre konkrétnu diódu. Následnou úlohou je určiť príkon celého elektrického obvodu, LED a predradného rezistora. Úlohu možno spojiť s experimentom, pomocou ktorého sa porovnajú vypočítané a namerané hodnoty U a I. Konkrétny text bol 4. úlohou okresného kola 56. ročníka FO pre kategóriu E (autor D. Kluvanec). Text i riešenie tejto úlohy sú dostupné na www.olympiady.sk a http://fo.uniza.sk, alebo www.iuventa.sk, 2015 [http 3]. Elektrická práca, elektrický príkon: Vhodný námet pre prehlbovanie ekologického myslenia a medzipredmetových vzťahov vo vyučovaní. Tým môžeme viesť žiakov k uvedomeniu si významnosti LED pri úspore energie a k diskusii o možných dopadoch s využitím medzipredmetových vzťahov, prácou s informáciami, zohľadňujúc environmentálne hľadisko. Úlohou žiakov je porovnať odhady týkajúce sa zmeny spotreby pri používaní LED v rôznych krajinách s vlastnými odhadmi pre Slovensko alebo pre obec, ulicu, domácnosť, čo je možné riešiť aj v rámci žiackych projektov. Námetom môžu byť otázky: Aké by boli úspory elektrickej energie, príp. finančných nákladov, ak by sa zamenili klasické žiarovky LED svietidlami s rovnakým svetelným výkonom (v obci, jednej ulici, vchode paneláku, v jednom byte, na Slovensku)2. Vypočítajte alebo odhadnite aké úspory by vznikli náhradou klasických žiaroviek LED svietidlami. Vo vašej obci bola/má byť postavená nová ulica, ktorá je/bude osvetlená LED lampami. Porovnajte cenu elektriny, ktorú by obec zaplatila za osvetlenie tejto ulice pri LED a klasickom osvetlení. Cieľom je žiakom ukázať, že takáto zmena v používaní LED žiaroviek môže byť významná, nielen z globálneho hľadiska. 4.2 Témy pre žiakov strednej školy (SŠ) Pre žiakov strednej školy a skupiny žiakov s rozličným záujmom o fyziku a techniku i rozličnou úrovňou poznatkov z fyziky máme viac možností k teoretickým i experimentálnym úlohám s LED v porovnaní so žiakmi ZŠ. Na tomto mieste nemáme priestor pre uvedenie podrobných informácií a návodov na realizáciu úloh. Uvedieme však jednoduchý a zrozumiteľný komentár alebo odporúčané zdroje prístupné z literatúry, ktoré priamo alebo upravené môžeme použiť pre prácu so žiakmi na SŠ. Predpokladáme, že aj pre aplikácie vo výučbe na gymnáziu (a SŠ všeobecne) je možné

2 Potrebné informácie získajte od energetikov alebo z meračov spotreby elektrickej energie.

Obr. 10: Jednoduché elektrické obvody s LED na demonštráciu pre ZŠ a) s predradným rezistorom (zdroj napätia 4,5 V), b) bez predradného rezistora (zdroj napätia 3 V) c) s možnosťou pripevnenie na magnet (c) podľa [http 2]


‐ 140 ‐

vychádzať z odporúčaní uvedených pre žiakov ZŠ, podľa toho, do akej miery to bude považovať vyučujúci za vhodné.

Základné úvodné informácie o LED: Odporúčame výber tém z kapitoly 4.1, napr. infračervený ovládač a overenie jeho činnosti pomocou obrazovky fotoaparátu, kamery. Ďalej pripojenie rôznych LED ku zdroju elektrického napätia, výpočet hodnoty odporu predradeného rezistora3. V‐ A charakteristika LED: K meraniu sú potrebné okrem LED a zdroja elektrického napätia aj ampérmeter (A), voltmeter (V) a spojovacie vodiče. Zapojenie obvodu podľa schémy na Obr. 11: predradený (ochranný) rezistor s odporom Rp, potenciometer, resp. reostat, na reguláciu anódového napätia diódy (alebo iný zdroj napätia 0 – 5 V). Podľa schémy možno zapojiť aj jednoduchú LED. Jednotlivé časti úlohy: a) Zápis meraných hodnôt U a I do tabuľky MS EXCEL v nežiarivej i žiarivej oblasti. Graf charakteristiky. b) Určenie prahového napätia Up. Ďalšie doplňujúce úlohy: c) Určenie Planckovej konštanty hi

a odchýlky merania Planckovej konštanty

1 100%,

kde h = 6,6251034 Js je Planckova konštanta, e = 1,6021019 C elementárny náboj,

c = 3,00108 ms1 rýchlosť šírenia svetla vo vákuu. d) Vlnové dĺžky zodpovedajúce maximám svetelnej emisie pre jednotlivé farby: R ≈ 690 nm,

G ≈ 530 nm a B ≈ 440 nm. V prípade RGD LED možno h určiť aj z jednotlivých P – N prechodov a diskutovať o zdrojoch odchýlok.

3 Redakcia OMFI poskytne informáciu o výhodnej cenovej ponuke zostavy základných LED pre demonštráciu vo výučbe, príp. rozšírenú ponuku o LED pásoch so zdrojom a ovládačom, dodávateľa a spôsob objednania LED.

Obr. 11: Schéma zapojenia pre meranie V‐A charakteristík LED

Rp


‐ 141 ‐

e) Určiť zodpovedajúci tok fotónov dn/dt (počet vyžarovaných fotónov za jednotku času), ak

predpokladáme že účinnosť svetelnej konverzie prechodu P ‐ N = 80 %.

.

Demonštrácia interferencie (skladanie farieb) pomocou RGB LED: K demonštrácii potrebujeme RGB LED. Ak pripravíme elektrický obvod podľa schémy na Obr. 11, skladaním základných farieb vyžarovaných jednotlivými P – N prechodmi, dostaneme celú škálu sfarbenia výsledného svetla. V prípade dvojdrôtikovej RGB LED, postupným zvyšovaním anódového napätia LED prechádza vyžarované svetlo spektrom od červenej, cez zelenú, modrú až po biele svetlo. Zaujímavá je V – A charakteristika tejto LED. Pre meranie v tomto, ale aj ostatných prípadoch, odporúčame použiť MathLab program. LED pásiky so zdrojom a diaľkovým ovládačom: Umožňujú predovšetkým demonštrovať zvyšovanie svetelného výkonu spájaním LED dielov, z ktorých každý obsahuje rovnaký počet paralelne spojených LED, napr. štyri. Pre zamýšľaný svetelný obvod je potrebné vychádzať z očakávaného svetelného výkonu a k tomu zakúpiť aj zdroj elektrického napätia. V tomto prípade žiaci získavajú aj technické zručnosti a poznajú zložitejšie obvody s LED, ktoré pozorujú v reklamách, automobiloch, ale aj účelných a dekoračných osvetleniach v domácnostiach. Fyzikálne princípy LED: Sú stručne uvedené (naznačené) v 2. a 3. časti tohto článku. Je potrebné rozšíriť a prehĺbiť si poznatky o teórii P – N prechodu a LED z literatúry, napr. Dekker, (1966), pritom vychádzame z poznatkov, s ktorými sa žiaci stretli vo vyučovaní fyziky4. Ide o fyzikálne interpretácie, ktoré sú založené na princípoch kvantovej fyziky. Bez poznania kvantových princípov v P – N prechodoch nevieme vysvetliť ich vyžarovanie. Technické, ekonomické a ekologické výhody a nevýhody LED svietidiel: Ide o vhodnú tému pre žiakov na individuálne spracovanie, pričom spájajú svoje poznanie s informáciami z literatúry a iných zdrojov. Záver Pokrok v oblasti svetelnej techniky na báze LED, najmä po objave GaN kryštálu, založený na fyzikálnom výskume, dosiahol v ostatných rokoch vysokú úroveň a patrí medzi najvýznamnejšie výsledky v ľudskom poznaní. Napriek tomu, že curriculum poznania žiakov na školách a vzdelávacie programy (ISCED) majú istú zotrvačnosť a stabilitu, je nevyhnutné, aby žiaci na ZŠ a SŠ neboli ochudobnení o tieto a podobné nepopierateľne prelomové výsledky vedy a techniky. Autori predložili základné informácie a námety, ktorými tento cieľ v oblasti novej svetelnej techniky možno plniť vo vzdelávaní žiakov na ZŠ a SŠ. Navyše, táto téma je stále otvorená a necháva priestor pre tvorivú prácu nielen učiteľov, ale i žiakov. Literatúra Anan, Tokushima, Japan. In E.F. Schubert Light Emitting Diodes (Cambridge Univ. Press). www.

LightEmittingDiodes.org. BRAUNSTEIN, RUBIN (1955). “Radiative Transitions in Semiconductors”. Physical Review 99 (6):

1892. Bibcode:1955PhRv...99.1892B. doi:10.1103/PhysRev.99.1892. DEKKER, A. J.: Fyzika pevných látek, Academia ČSAV, 1966. HOLONYAK, N., BEVACQUA, S. F. (December 1962). “Coherent (Visible) Light Emission from

Ga(As₁₋ₓPₓ) Junctions”. Applied Physics Letters 1 (4): 82. Bibcode:1962ApPhL...1...82H. doi:10.1063/1.1753706.

4 Kompletný text i riešenie experimentálnej úlohy Fyzikálne vlastnosti RGB LED, ako bola použitá na celoštátnom kole 56. ročníka Fyzikálnej olympiády v Nitre (13.‐15. marec 2015) nájdete na adrese http3.


‐ 142 ‐

LEHOVEC, K., ACCARDO, C. A., JAMGOCHIAN, E., (1951). “Injected Light Emission of Silicon Carbide Crystals” (free‐download HTML). The Physical Review 83 (3):603–607. doi:10.1103/PhysRev.83.603.

LEHOVEC, K., ACCARDO, C. A., JAMGOCHIAN, E., (1953).“Injected Light Emission of Silicon Carbide Crystals”.The Physical Review 89: 20. doi:10.1103/PhysRev.89.20.

LUBY, Š.: Poznatky a rady na cestu za Nobelovými cenami. In: OMFI 2/2015, roč. 44, s. 59. ISSN 1335‐4981.

MACULAY, D., ARDLEY, N.. 2001. Nová mamutia kniha techniky. 2. rozšírené vyd. Bratislava. Slovart. ISBN 80‐7145‐546‐6.

ROUND, H. J. (1907). “A Note on Carborundum”. Electrical World 19: 309., Shubert,Light emitting diodes, Cambridge, 2006.

Success in research: First gallium‐nitride LED chips on silicon in pilot stage at the Wayback Machine (archived September 15, 2012).

www.osram.de, January 12, 2012, Colin J. Humphreys’ cheap LED production method. Rsc.org (January 30, 2009). Retrieved on March 16, 2012.)

[1] https://prezi.com/v9rxm5h0idwx/zaujimave‐a‐atraktivne‐zdroje‐na‐vyucovani‐fyzika‐na/ [2] http://www.stevespanglerscience.com/lab/experiments/led‐throwies [3] http://www.iuventa.sk/sk/Olympiady/Olympiady‐a‐sutaze/FO/56‐rocnik‐FO‐2014‐

2015/3Sutazne‐ulohy‐a‐riesenia.alej Adresy autorov Katedra fyziky FPV UKF Tr. Andreja Hlinku 949 74 Nitra prof. RNDr. Ing. Daniel Kluvanec, CSc. E‐mail: [email protected] Mgr. Boris Lacsný, PhD. E‐mail: [email protected] Mgr. Monika Hanáková E‐mail: [email protected] Bc. Omar Al‐Shantir E‐mail: [email protected]

led zaujÍmavÉ a atraktÍvne svetelnÉ zdroje … · každá luminiscencia má najmenej dve ......

Documents