Világító dióda

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Kék fényt kibocsátó dióda, UV-LED
LED-ek különböző tokozásban, színben és méretben
LED-ek különböző méretben, balról jobbra: 8, 5, 3 mm-es fejátmérővel
(balról összehasonlításképpen egy gyufaszál)

A világító dióda félvezető anyagból készült fényforrás. Másik neve, a LED szó az angol Light Emitting Diode (am. fénykibocsátó dióda) kifejezés rövidítéséből származik. A dióda által kibocsátott fény színe a félvezető anyag összetételétől, ötvözőitől függ. A LED inkoherens keskeny spektrumú fényt bocsát ki. A fény spektruma az infravöröstől az ultraibolyáig terjedhet. 1994-ben a kék fényt kibocsátó LED feltalálói, Akaszaki Iszamu, Amano Hirosi és Nakamura Súdzsi, alapjaiban alakította át a világítási technológiát, amiért húsz évvel később, 2014-ben Nobel-díjjal ismerték el a három japán tudós munkáját. A nagy fényerejű, energiatakarékos és környezetbarát kék LED kifejlesztésében végzett tevékenységükért részesültek a kitüntetésben. [1][2]

Működése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A fény úgy keletkezik, hogy a diódára kapcsolt elektromos áram a dióda anyagában levő atomok elektronjait gerjeszti, amitől azok nagyobb energiaszintű elektronpályára lépnek, majd miközben visszatérnek eredeti energiaszintjükre, fotonokat bocsátanak ki (a fényelektromos jelenség fordítottja). Nyitóirányú áram esetén a PN átmeneten az elektronok a N rétegből a P-be, a lyukak a P rétegből az N-be diffundálnak. A diffúziós kisebbségi és többségi töltéshordozók között rekombinációs folyamat indul meg, melynek során a felszabaduló energia fotonok formájában kisugárzódik. Nagyobb feszültség hatására nagyobb a kisugárzott fotonok mennyisége, egészen egy bizonyos nyitóirányú áramértékig, ahonnan már nem számottevő a változás.

A sugárzás csak úgy jöhet létre, ha az elektronok átkerülnek a nagyenergiájú vezetési sávból a kisebb energiájú vegyértéksávba. Az elektron eme állapota nem stabil, hanem egy kis idő elteltével visszaugrik az eredeti elektronpályájára. A többletenergia, amivel előzőleg képes volt feljebb lépni, sugárzás formájában hagyja el az atomot. Ez a sugárzás a hullámhossztól függő (lásd a táblázatot) fény formájában jelentkezik. A rekombinációknak körülbelül az 1%-a jár foton kibocsátással, míg a többi hőtermeléssel. Régen a legnagyobb hatásfokkal az infravörös fénydióda rendelkezett (1-5%), a többinél ez 0,05% alatt volt, ám a mai LED-ek már elérik a 20%-os hatásfokot is.

A LED-ek előnye, hogy a kimeneti fény előállításához alacsony áramerősséget és feszültséget igényelnek, kicsi a fogyasztásuk, kevéssé melegszenek, nagy a kapcsolási sebességük, kis helyen elférnek, ütésállók és nagy az élettartamuk.

Felfedezése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Kék fényt kibocsátó dióda, kék LED [3][4]
A LED-ek tokozása rendkívül sokféle, ugyanakkor a hetvenes évekre már kialakult az 5 mm átmérőjű hengeres műanyag kivitel, ami általánosnak tekinthető

1955-ben Rubin Braunstein az RCA cégtől (Radio Corporation of America) fedezte fel a gallium-arzenid (GaAs), és egyéb félvezető-ötvözetek infravörös emisszióját. A Texas Instruments kutatói, Bob Biard és Gary Pittman 1961-ben fedezte fel a gallium-arzenid fénykibocsátását, amelyet az elektromos áram gerjesztett. Ez a fény a nem látható, infravörös tartományába esett. Biard és Pittman felismerte a munkájuk fontosságát, és szabadalmaztatták a LED-et. Az ifj. Nick Holonyak a General Electric Company-tól fejlesztette ki az első, gyakorlatban használható látható fényű LED-et 1962-ben. 1972-ben nagy áttörést jelentett a kék fényt kibocsátó LED felfedezése, amelynek első verziója Jacques Pankove az RCA Laboratories szakembere nevéhez fűződik. 1993-94-ben a kék fénnel világító LED nagy fényerő növekedést ért el Akaszaki Iszamunak, Amano Hirosinak és az 1990-es évek vége óta az Egyesült Államokban kutató amerikai állampolgár, Nakamura Súdzsinak a Nichia Corporation alkalmazottainak köszönhetően. Nakamura Súdzsi 2001-ben beperelte volt munkaadóját, a Nichiát, mert alig 20 ezer jen prémiumot akartak fizetni neki a kék LED kifejlesztéséért, azonban ő 20 milliárd jent követelt. A kiváló kutató végül megnyerte a pert, és a Nichia 840 millió jent fizetett.[5] 1999-ben a Philips Lumileds cég elsőként gyártott folyamatos üzemű 1 wattos LED-et. Ezek a LED-ek már csak hűtőbordára szerelve voltak használhatóak, és ezzel kezdetét vette a LED izzók világítási célú felhasználása.

LED készítéséhez alkalmazott összetevők
Anyag Szín Hullámhossz
Gallium-arzenid (GaAs) infravörös 940 nm
Gallium-alumínium-arzenid (AlGaAs) vörös és infravörös 890 nm
Gallium-arzenid-foszfid (GaAsP) vörös, narancs és sárga 630 nm
Gallium-foszfid (GaP) zöld 555 nm
Gallium-nitrid (GaN) zöld 525 nm
Cink-szelenid (ZnSe) kék ~500 nm
Szilícium-karbid (SiC) kék 480 nm
Indium-gallium-nitrid (InGaN) kék 450 nm
Gyémánt (C) ultraibolya 400 nm

Használata a világításban[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az első világító diódák viszonylag kicsi (20-60 mW) elektromos teljesítményük mellett igen alacsony erősségű fényt (néhány 10-100 mCd) bocsátottak ki. Mindemellett a monokromatikus fény nem alkalmas megvilágítási célokra. Amint a félvezető-technika fejlődésével a diódák fényerőssége és fényhasznosítása nőtt, valamint alacsonyabb hullámhosszak váltak elérhetővé, úgy nyílt esély a LED-ek világításban való használatára.

1994-ben Japánban bemutatták az első, nagy fényerejű kék színnel világító InGaN (indium-gallium-nitrid) diódát. Ezzel lehetővé vált három monokromatikus fényforrás (vörös/sárga, zöld illetve kék) segítségével fehér fényt előállítani. A gyakorlatban azonban mégsem ezt a megoldást használják. A három különböző LED nyitófeszültsége különbözik, valamint eltérő technológiával készült félvezetőket kell egy egységbe tokozni. Ezért ezt az eljárást (RGB LED-ek) csak olyan helyen alkalmazzák, ahol jelentősége van a színek arányának és azok változtatásának. (Például nagyméretű kivetítőkben.)

A világításra használt fehér színű diódák félvezetője leggyakrabban szintén InGaN, mely kék vagy közeli UV fényt bocsát ki. A félvezetőt azonban különböző fluoreszkáló anyagokkal vonják be, mely a kék fény hatására zöldes-sárga fénnyel világít. Így összetett fénnyel világító eszközt kapunk, melynek színét az emberi szem fehérként érzékeli.

Led reflector.jpg
Witte led close up.jpg
Led lamp.jpg
Az aprócska dióda körül egy kis parabolatükör van, ami egy irányba tereli a fénysugarakat. A diódát és a tükröt a LED gyártása során átlátszó műanyaggal burkolják be, hogy a berendezés jobban ellenálljon a mechanikai behatásoknak. A kész LED-ekből azután lámpatestet állítanak össze.

Világító eszközként való hasznosításuk során tartsuk szem előtt, hogy bár a LED-ek, hasonlóképpen az izzólámpákhoz, pontszerű fényforrások, technológiájukból következően mégsem gömb karakterisztika mentén szórják fényüket. A leggyakoribb kivitelnél optikai úton irányítják a fényt, de az elemi, egyedül álló LED-eknél is legfeljebb 120 fok a szórás. Ebből következik, hogy egyenlő fényteljesítményű izzós spot és LED-es spot fénye között számottevő eltérés van. Ennek oka, hogy az izzós spot a központi fénycsóván kívül is szór fényt, míg az optikai úton létrehozott LED csóván kívülre nem világít!

A LED-es világítóeszközök kivitelüket tekintve lehetnek a hagyományos izzókkal kompatibilisek, azaz ugyanúgy foglalatba tekerhetők, 230 V-osak és lehetnek speciális kivitelű, szigorúan csak a saját tápegységükkel működtethető megoldásúak.

A LED és az izzólámpa alapvetően különböző elektromos alkatrész, ezért a „LED-izzó” kifejezés nem helyes.

  • A LED fénykibocsátó dióda, csak egyenáramú áramgenerátorról üzemeltethető és párhuzamosan nem kapcsolható. Váltóáramú feszültséggenerátoros áramforrás (világítási hálózat) és a LED közé egyenirányító és áramkorlátozó áramkört kell kapcsolni. Szokásos megoldás még, hogy a LED-del egy másik diódát, vagy LED-et kötnek parallel. Így az egyik félhullám alatt világít, a másik félhullám a másik diódán keresztül folyik. Ezt az emberi szem nem tudja követni.

Nagyteljesítményű fehér LED-ek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kereskedelmi forgalomban kapható egyedi diódák teljesítménye ma már eléri a 100 wattos nagyságrendet [6],fényhasznosításuk pedig meghaladja a 100 lm/W értéket. Megfelelő áramgenerátoros táplálás esetén ez az egyik legkedvezőbb érték a világítástechnikában.

Élettani hatása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Bizonyos típusú LED-es lámpák összetett fehér fénye valójában nagyrészt kék színű, ami a szem retinájában lévő melanopszinok működésére hat, amik a melatonin nevű hormon termelését befolyásolják, a hormon pedig az alvás és ébrenlét szabályozását végzi. Speciális alkalmazások esetén hasznos lehet, hogy az ilyen speciális LED-es fényforrásokkal befolyásolni lehet az ember biológiai óráját, az úgynevezett cirkadián ritmust, emiatt megváltozik az anyagcsere, a testtömegindex, az oxigénfelvétel, és a hormontermelés.[7]

Felhasználás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Világító dióda témájú médiaállományokat.