Mis on valgusdiood (LED) — tööpõhimõte, omadused ja kasutusalad

Uuri, mis on valgusdiood (LED): kuidas see töötab, millised on omadused, energiatõhusus ja peamised kasutusalad kodus, autos ja elektroonikas.

Valgusdiood (LED) on pooljuhtseade, mis toodab elektrist valgust. LED-lambid kestavad kaua ja ei purune kergesti (võrreldes hõõglampidega). Nad võivad toota palju erinevaid värve. Nad on tõhusad - suurem osa energiast muundub valguseks, mitte soojuseks.

LED on teatud tüüpi diood, mis tekitab ühevärvilist valgust, kui elektrit suunatakse läbi selle oodatud suunas (elektriliselt ettepoole suunatud). See efekt on omamoodi elektroluminestsents.

Valguse värvus sõltub kasutatava pooljuhtmaterjali keemilisest koostisest ja võib olla lähiultraviolett-, nähtav või infrapunane. Värv mõjutab seda, kui palju elektrit LED kasutab. Valges LED-is on sees kas kaks või kolm eri värvi LED-i. Mõne valge valgusdioodi sees on üks ühevärviline valgusdiood (tavaliselt sinine) koos fosforiga, mis muudab selle ühe värvi valgeks.

LEDe kasutatakse paljudes kohtades. Need on paljude elektroonikaseadmete värvilised märgutuled, neid saab kasutada heledate reklaammärkide valmistamiseks, mõnede uuemate autode pidurituledeks, televiisorites ja viimasel ajal ka koduste lambipirnide valmistamiseks. Valged LED-lambid, mis on piisavalt eredad ruumide valgustamiseks, on tavaliselt kallimad kui tavalised lambid, kuid nad kestavad kauem ja põletavad vähem elektrit.

LED-e, mis tekitavad ise valgust, ei tohi segi ajada LCD-dega, mis blokeerivad valgust. Mõned kuvarid segavad siiski neid kahte tehnoloogiat, kasutades LEDe LCD taustavalgustuseks.

Tänapäeval on mõned valgusdioodid pinnale paigaldatavad seadmed (SMD), nii et need võivad olla väga väikesed.

Tööpõhimõte lühidalt

LED töötab p-n-juhtumi põhimõttel: kui dioodi suunatakse ettepolarisatsiooniga, liiguvad elektroni- ja augukandjad ning nende rekombineerumisel vabaneb energia osana fotonitena (valgus). Valguse lainepikkus ehk värv sõltub pooljuhi materjali energiavahemikust. LEDi puhul on tähtis ette anda õige vool (tavaliselt konstantse voolu allikas või draiver), vastasel juhul võib seade üle kuumeneda ja lühemalt kesta.

Pooljuhtmaterjalid ja värvi tootmine

Erinevad materjalid annavad erinevaid lainepikkusi (värve). Levinumad materjalid on näiteks gaasisegud nagu GaAs, GaP, InGaN ja AlGaInP. Sinised ja valgused LEDid, mis võimaldasid tõhusad valged pirnid, põhinevad sageli InGaN-tehnoloogial.

Valge valguse loomiseks kasutatakse peamiselt kahte lähenemist:

• Fosforikonverteerimine: üks sinine või UV LED + fosforkate (näiteks sinine LED + kollakas fosfor), mis muundab osa valgust teistesse lainepikkustesse ja tekitab valge tooni.
• RGB-segu: kombineeritakse punast, rohelist ja sinist LED-i, et tekitada soovitud valge või muu värv.

Peamised omadused ja mõõtmised

• Tõhusus: LEDid toodavad rohkem valgust (lumenit) ühe vati kohta kui paljud vanemad valgusallikad. Mõõdetakse lumentena (lm) ja lumenti väljendatakse tihti lm/W (lumenit vati kohta).
• Värvitemperatuur: mõõdetakse kelvinites (K). Soojad toonid ≈2700–3000 K, neutraalsed ≈3500–4000 K, külmad toonid üle 5000 K.
• CRI (värviedastuse indeks): näitab, kui loomulikult valgus värve esitleb (0–100, kõrgem parem).
• Eluiga: LED-lampide eluiga on tavaliselt 25 000–100 000 tundi, sõltuvalt käyttö- ja temperatuuritingimustest. Eluiga sõltub suuresti termilisest juhendamisest.
• Temperatuur ja soojus: kuigi LED ei eralda sama palju nähtavat soojust kui hõõglamp, tekib pooljuhis siiski soojust, mille eemaldamiseks on vaja radiaatoreid või head jahutust – see mõjutab tööiga ja valguse säilimist (lumen maintenance).

Draiverid ja juhtimine

LED vajab tavaliselt alalisvoolu ja konstantirohvlist voolu juhtimist. Otse võrku ühendamine ilma sobiva draiverita pole soovitatav. LEDide hämardamiseks kasutatakse kas pulslaine laiusmodulatsiooni (PWM) või analooghämardust — vale juhtimine võib põhjustada vilkumist ja vähendada eluiga.

Kasutusalad

LEDe kasutatakse väga laialdaselt tänu nende paindlikkusele ja efektiivsusele:

• Majapidamis- ja tööstusvalgustus (ruumide, kontorite, tänavavalgustuse lahendused)
• Autotööstus (tulede ja signaalide süsteemid)
• Ekraanid ja reklaamtahvlid (suurte LED-paneelide kuvarid)
• Tehnilised ja meditsiinilised rakendused (näit. kirurgiline valgustus, spektrispetsiifiline valgustus kasvataimedele)
• UV- ja IR-LEDid desinfitseerimiseks, kuivatamiseks ja kaugjuhtimisseadmetes
• LED-taustvalgustus LCD-ekraanides (LED vs OLED — OLED on isevalgustuv ja erinev tehnoloogia)

Eelised ja puudused

• Eelised: kõrge energiatõhusus, pikk eluiga, väike hooldusvajadus, kiire sisselülitumine, värvide paindlikkus, enamasti keskkonnasõbralikum (ei sisalda elavhõbedat nagu mõned luminofoorlambid).
• Puudused: algne maksumus võib olla kõrgem, halb soojusjuhtimine vähendab eluiga, madal kvaliteetne toode võib tekitada silmadele ebameeldivat vilkumist või kehva värviedastust, tugev sinine komponent võib osadel juhtudel põhjustada sinise valguse riski pikaajalise kokkupuute korral.

Nõuanded ostjale

• Võrdle lampe lumeni (lm) mitte vatti — lumen näitab valgustugevust.
• Vali sobiv värvitemperatuur vastavalt ruumi otstarbele (soojem elamispindades, külmem tööpindadel).
• Kontrolli CRI väärtust, kui värviedastus on oluline (näiteks köögis või stuudios CRI>80–90 soovitatav).
• Tagamaks pika eluiga, vali tuntud tootja ja veendu, et lampil on sobiv draiver ja hea soojusjuhtimine.

Keskkond ja ohutus

LED-lampides tavaliselt ei kasutata elavhõbedat, mis teeb neid paljudel juhtudel keskkonnasõbralikumaks kui mõned teised tehnoloogiad nagu CFL. Siiski sisaldavad LED-lambid elektroonikat ja metalli, mille käitlemine ja taaskasutus on vajalik vastutustundlikuks jäätmekäitluseks. Lisaks tuleks arvestada sinise valguse mõjuga öösele unele ja silmadele — liiga eredaid või väga külma tooni lampe ei soovitata kasutada öösel või magamistubades.

Kui soovite sügavamat tehnilist kirjeldust (kontaktivood, tüüpvoolud, konkreetsete materjalide omadused või disaini näited), saan lisada skeeme, tüüpnäiteid ja tabelid LEDide valimise ja rakendamise kohta.

Küsimused ja vastused

Küsimus: Mis on valgusdiood (LED)?

K: Kui kaua kestavad valgusdioodid?

K: Milliseid värve võivad LED-id toota?

K: Kuidas mõjutab valgusdioodi värvus selle energiakasutust?

K: Kuidas töötavad valged valgusdioodid?

K: Kus kasutatakse LEDe?

Otsing