Világító dióda

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Ugrás a navigációhoz Ugrás a kereséshez
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 (=fényt kibocsátó 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 alakították 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]

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 az 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 nagy energiájú vezetési sávból a kisebb energiájú vegyértéksávba. Az elektron ezen állapota nem stabil, 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 fotonkibocsátással, 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.[3]

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]

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

A félvezetők elektrolumineszcenciáját már 1907-ben felfedezte a Marconi laboratóriumban dolgozó Henry Joseph Round.[6] A jelenséget Oleg Vladimirovich Losev orosz tudós vizsgálta mélyrehatóan, és az eredményeit 1927-ben publikálta. 1939-ben Bay Zoltán és Szigeti György magyar kutatók is végeztek kísérleteket ezzel a még kezdetleges SiC alapú fényforrással.[7] A napjainkban ismert LED-ek története azonban inkább 1955-ben kezdődött. Amikor Rubin Braunstein, a Radio Corporation of America (RCA) mérnöke felfedezte a gallium-arzenid (GaAs) és egyéb vegyületfélvezetők infravörös emisszióját. Viszont az első fénykibocsátó dióda megalkotása a Texas Instruments kutatóihoz, James R. Biardhoz és Gary Pittmanhez köthető, akik 1961-ben – bár lézer dióda kifejlesztésén dolgoztak – felfedezték, hogy valójában infravörös tartományban működő fénykibocsátó diódát alkottak.[8]. Tulajdonképpen ez volt az első áttörés, amely a mai modern LED-ek megszületése felé haladt, azaz a szilíciumot felváltották a vegyületfélvezetők – jelen esetben a gallium-arzenid –, illetve kidolgozásra került a dióda struktúra. A két feltaláló a Texas Instruments égiszén belül szabadalmaztatta a találmányát (U.S. Patent 3293513 ).

Annak ellenére, hogy ennek a LED-nek a működése nem esett a látható tartományába, a jelenség fizikája ismert volt. Az emittált fény hullámhossza a kiürített tiltott sáv szélességén, illetve az adalékolással beépített energiacsapdák szintjétől függ. Azaz innentől kezdve a látható tartományban működő, különféle színű LED-ek megjelenése csak „finomhangolás” kérdése volt. Ahogy ez várható volt, alig egy évre rá, 1962-ben Ifj. Nick Holonyak (General Electric) ki is fejlesztette az első, gyakorlatban is használható, látható fényű LED-et (vörös). Nem sokkal ezután a sárga és a zöld LED is megjelent.

Azonban ezek még csak laboratóriumi kísérleti eszközöknek, vagy éppen kuriózumnak számítottak. A tömeges elterjedésüknek gátat vetett a rendkívül magas előállítási költségük, egészen addig, míg az 1970-es években a Fairchild Semiconductors ki nem dolgozta a tömeggyártási technológiájukat.

Volt vörös LED, volt zöld LED, már csak a kék LED hiányzott, hogy lefedhető legyen a teljes spektrum. Azonban a GaAs tiltott sávja kicsi ahhoz, hogy olyan nagy energiájú fotont legyen képes emittálni, mint a kék fényé. Így egyértelmű volt, hogy új vegyületfélvezetőt kellett keresni. Különféle trükkökkel sikerült kisebb sikereket elérni, mint az 1972-ben Jacques Pankove, az RCA Laboratories szakembere által elsőként megalkotott kék fényt kibocsátó LED-je. Azonban ezek a kísérleti példányok a gyakorlat számára nem voltak használhatóak. Az igazi áttörést az 1994-ben Akaszaki Iszamu, Amano Hirosi és az 1990-es évek vége óta az Egyesült Államokban kutató amerikai állampolgár, Nakamura Súdzsi által feltalált gallium-nitrid alapú kék fénnyel világító LED-je hozta meg. Azonban az igazi áttörést nem a kék fény jelentette, bár az is egy nagyszerű dolog volt, hanem egy nem várt „mellékhatás” is jelentkezett. Az új LED sokkal nagyobb hatásfokkal működött, mint a korábbi társai. Ez a fényerő növekedés képezte az alapot a LED-ek világítási célú alkalmazásának. Így érthető, hogy Nakamura Súdzsi 2001-ben beperelte volt munkaadóját, a Nichia Corporationt, mert az alig 20 ezer jen prémiumot akart 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.[9]

Most, hogy már elérhető mind a vörös, mind a zöld, mind pedig a kék LED, amivel kikeverhető a fehér fény, egy minőség-mennyiség háború vette kezdetét. Mivel a LED-ek egy nagyon szűk hullámhossz tartományban sugároznak, ezért a minőségi fehér fény kikeveréséhez sok különböző hullámhosszon sugárzó LED fényére van szükség. A sok LED sok áramot fogyaszt, így ennek a megoldásnak nem jó a hatásfoka (bár ezt a megoldást alkalmazzák ott, ahol minőségi megvilágításra van szükség – pl. színház). Viszont itt is alkalmazható egy trükk. Ha veszünk egy kék LED-et, és kombináljuk sárga fényporral, ami a kék fény egy részét sárga fénnyé alakítja, akkor az elektromos fogyasztás kisebb, mert csak egy LED-et táplálunk, azaz a hatásfok magasabb, és a kék és a sárga fény papíron fehér fényt kever ki. Ezek után már csak a csipek teljesítményét kellett olyan szintre növelni, hogy értelmes fényáram kibocsátására legyen alkalmas. 1999-ben a Philips Lumileds cég meg is jelent a piacon az első folyamatos üzemű 1 wattos LED-el. Ezek a LED-ek már csak hűtőbordára szerelve voltak használhatóak, és ezzel kezdetét vette a LED fényforrások 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)[forrás?] kék ~500 nm
Szilícium-karbid (SiC)[forrás?] kék 480 nm
Indium-gallium-nitrid (InGaN) kék 450 nm
Gallium-indium-nitrid (GaInN) fehér[forrás?] 450 nm
Gyémánt (C) ultraibolya 400 nm

Használata a világításban[szerkesztés]

Az első világító diódák viszonylag kicsi (20–60 mW) elektromos teljesítményük mellett igen kis erősségű fényt (néhány 10–100 mCd) bocsátottak ki. Mindemellett a monokromatikus fény nem alkalmas világítási 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 kék közeli UV-fényt bocsát ki. A félvezetőt azonban különböző fluoreszkáló anyagokkal vonják be, amely a kék fény hatására zöldessárga 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 fontos, 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 sugárzási szög. 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 párhuzamosan. Így az egyik félhullám alatt világít, a másik félhullám a másik diódán keresztül folyik. Ezt az emberi szem nem tudja követni.

Nagy teljesítményű fehér LED-ek[szerkesztés]

A kereskedelmi forgalomban kapható egyedi diódák teljesítménye ma már eléri a 100 wattos nagyságrendet,[10] fényhasznosításuk pedig meghaladja a 100 lm/W értéket. Megfelelő áramgenerátoros táplálás esetén ez az egyik legkedvezőbb érték a világítástechnikában.

Élettani hatása[szerkesztés]

A fehér LED fényének spektruma. Az élesen kimagasló csúcs a kék LED fénye (tipikusan 465 nm), míg az 500-700 nm-es sávban a fénypor által kibocsátott fény látható.

Az emberi szem a napfényhez igazodva fejlődött, melynek spektruma – mint az abszolút fekete sugárzóké általában – folytonos. Viszont LED színképe úgynevezett sávos, ami azt jelenti, hogy nem tartalmazza a fehér fény összes komponensét, hanem csak egyes összetevőket, amivel a fehér fény látszatát kelti. Ez nem új dolog – az izzólámpán kívül nehéz még egy folytonos spektrumú mesterséges fényforrást találni. – A problémát az okozza, hogy a spektrumban egy nagyon szűk sávú kék fény dominál, ami aránytalanul terheli a szem receptorait. Mivel a fehér fény többi összetevői hiányoznak, vagy csak kis mértékben vannak jelen, az összfényerő kevés ahhoz, hogy a pupilla összehúzódjon, ezzel védve a szemet. A nagy energiájú kék fotonokkal bombázott retinában káros fotokémiai folyamatok játszódhatnak le. Megzavarja a retinában lévő melanopszinok működését, amik a melatonin nevű hormon termelését befolyásolják. Ez a hormon pedig az alvás és ébrenlét szabályozását végzi, így befolyásolja az ember biológiai óráját, az úgynevezett cirkadián ritmust, és felborul az anyagcsere, a testtömegindex, az oxigénfelvétel és a hormontermelés.[11]

A biológiai óra megzavarásán kívül, a tartós kék foton expozíció retina károsodást is képes előidézni.[12] Ezért is fontos, hogy milyen más összetevők, illetve ezek milyen intenzitással vannak jelen a fényben. 2600-2700 K színhőmérsékletű LED-ek fényében már kisebb a kék fény intenzitása, mint a sárga fény összetevőinek. Így kevésbé terheli a szemet, viszont rosszabb a hatásfoka. Ismét minőség vagy mennyiség kérdés.

A különböző fényforrások fotobiológia veszélyessége szerinti vizsgálatával az IEC 62471 szabvány foglalkozik.[13]

IEC 62471[szerkesztés]

A szabvány a fényforrásokat veszélyességük szerint 4 csoportba sorolja.

Veszélyességi csoportok a retinakárosodás szempontjából
Veszélyességi
csoport
Veszélyességi
szint
Hatás Fotokémiai sokk Termikus sokk (infravörös)
Max. expozíció Emissziós korlát Max. expozíció Emissziós korlát
Térsugárzó Kis méretű
forrás
Exempt Veszélytelen Nem jelent fotobiológiai veszélyt 10 000 s 100 +Wm²sr 1 +W 10 s 28 000αWm²sr
Group 1 Minimális
kockázat
Normál használat során nem idéz elő fotobiológiai veszélyt 100 s 10 000 +Wm²sr 1 +W 10 s 28 000αWm²sr
Group 2 Veszélyes Az éles fénnyel és a hősugárzással szembeni reflexek védelmet biztosíthatnak a veszéllyel szemben 0,25 s 4 · 106 +Wm²sr 400 +W 0,25 s 71 000αWm²sr
Group 3 Nagyon
veszélyes
A legkisebb expozíció is veszéllyel jár Azonnal Azonnal

A szabvány külön foglalkozik az úgynevezett kis méretű forrásokkal, melyek közé a LED-ek is tartoznak. Ennek azért van jelentősége, mert az ilyen fényforrások retinán leképezett képe egy nagyon apró, nagyon fényes pont. Hatása, mint a nagyítóval egy pontban összegyűjtött napsugaraknak.

A táblázatból kiderül, hogy az elvakítás által kiváltott reflex képes megvédeni a szemet, ameddig a sugárzási teljesítmény kisebb, mint 400 +W. Ezek szerint, ha adott egy 1 cm2 világító felületű fényforrás, akkor ez a védelmi mechanizmus csak akkor elegendő, ha a sugárzási teljesítmény kisebb, mint 0,04 W. Nos, a világítástechnikai LED-ek 1 cm2-en nagyon sok watt sugárzására képesek, így automatikusan a nagyon veszélyes kategóriába esnek. Ez csak annyit jelent, hogy alkalmazástechnikai megoldással kell gondoskodni arról, hogy senki se tudjon még véletlenül sem közvetlenül belenézni egy világítástechnikai LED-be. Ennek az egyik legáltalánosabb módja az indirekt világítás alkalmazása, amikor egy nagy méretű szóró felületet világítanak meg a kis méretű fényforrással, ezzel csökkentve le a felületi fénysűrűséget biztonságos szintre. Természetesen ez is vesztességgel jár – a már jól ismert kérdés: mennyiség vagy minőség.

Nem csak a fény intenzitása okozhat problémát, hanem a különböző hullámhosszú fények is különböző hatásokat váltanak ki.[14]

A különböző hullámhosszú fényhullámok károsító hatásai
Veszélyforrás Hullámhossz (nm) Hatás
Fotoaktív UV 200–400
(súlyozott)
Hóvakság
Kötőhártya-gyulladás
Szürkehályog
UVA 315–400 Szürkehályog
Káros kék fény 300–700
(súlyozott)
Retina károsodás
Nagy energiájú fonon (hő) 380–1400
(súlyozott)
A retina égési sérülése
Infravörös 780–3000 A szaruhártya égési sérülése
Szürkehályog

A súlyozottság azt jelenti, hogy a különböző hullámhosszú fényhullámok különböző mértékben hatnak az emberi szervezettre. Így amelyik károsabb, azt nagyobb súllyal kell számításba venni, mint amelyik kevésbé káros.

UV veszélyességi súlyfüggvény
Hullámhossz (nm) SUV(λ) Hullámhossz (nm) SUV(λ) Hullámhossz (nm) SUV(λ)
200 0,03 285 0,77 325 0,0005
205 0,051 290 0,64 328 0,00044
210 0,075 295 0,54 330 0,00041
215 0,095 297* 0,46 333* 0,00037
220 0,12 300 0,3 335 0,00034
225 0,15 303 0,12 340 0,00028
230 0,19 305 0,06 345 0,00024
235 0,24 308 0,026 350 0,0002
240 0,3 310 0,015 355 0,00016
245 0,36 313* 0,006 360 0,00013
250 0,43 315 0,003 365* 0,00011
254* 0,5 316 0,0024 370 0,000093
255 0,52 317 0,002 375 0,000077
260 0,65 318 0,0016 380 0,000064
265 0,81 319 0,0012 385 0,000053
270 1 320 0,001 390 0,000044
275 0,96 322 0,00067 395 0,000036
280* 0,88 323 0,00054 400 0,00003

Az UV ugyanazon súlyfüggvény alapján fejti ki hatását, mind a szemre, mind pedig a bőrre. A *-al jelölt hullámhosszok a higany kisülő lámpa (higany lámpa, fénycső) emissziós vonalai.

A kék fény és az égési veszélyességi súlyfüggvények
Hullámhossz
(nm)
Kék fény veszélyességi függvény
B(λ)
Égési veszélyességi függvény
R(λ)
Hullámhossz
(nm)
Kék fény veszélyességi függvény
B(λ)
Égési veszélyességi függvény
R(λ)
300 0,01 415 0,8 8
305 0,01 420 0,9 9
310 0,01 425 0,95 9,5
315 0,01 430 0,98 9,8
320 0,01 435 1 10
325 0,01 440 1 10
330 0,01 445 0,97 9,7
335 0,01 450 0,94 9,4
340 0,01 455 0,9 9
345 0,01 460 0,8 8
350 0,01 465 0,7 7
355 0,01 470 0,62 6,2
360 0,01 475 0,55 5,5
365 0,01 480 0,45 4,5
370 0,01 485 0,4 4
375 0,01 490 0,22 2,2
380 0,01 0,1 495 0,16 1,6
385 0,013 0,13 500-600 10(450-λ)50 1
390 0,025 0,25 600-700 0,001 1
395 0,05 0,5 700-1050 10(700-λ)500
400 0,1 1 1050-1150 0,2
405 0,2 2 1150-1200 0,2·100,002(1150-λ)
410 0,4 4 1200-1400 0,02


Felhasználás[szerkesztés]

Jegyzetek[szerkesztés]

  1. Nobel Prize Goes to Inventors of Blue LED: Why It Was Revolutionary, news.nationalgeographic.com
  2. Blue LEDs – Filling the world with new light, nobelprize.org
  3. Tietze, Ulrich, Schenk, Christoph. 6.5. Fénydiódák, Analóg és digitális áramkörök (Keménytáblás), Második kiadás (magyar nyelven), Budapest: Műszaki Könyvkiadó, 121. o. (1993). ISBN 9631004384. Hozzáférés ideje: 1994. 
  4. Három japán kutató kapta a fizikai Nobel-díjat
  5. A LED feltalálója miért nem kapott Nobel-díjat?. [2014. október 9-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2014. október 8.)
  6. History of LEDs - Light Emitting Diodes (angol nyelven). History of Lighting. (Hozzáférés: 2020. január 4.)
  7. ALL THAT YOU WANT TO KNOW ABOUT THE LIGHT EMITTING DIODES OR LEDS (angol nyelven). [2019. április 2-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2020. január 4.)
  8. Bellis, Mary: LED - Light Emitting Diode (angol nyelven). ThoughtCo., 2019. június 26. (Hozzáférés: 2020. január 4.)
  9. A kék LED felfedezését díjazták a fizikai Nobel-díjjal (magyar nyelven). Nyugati Jelen, 2014. október 7. (Hozzáférés: 2020. január 4.)
  10. ONE CHIP LED FLOOD LIGHT[halott link]
  11. Hiver't-Klokner, Zsuzsanna: Amikor jól jön a fényszennyezés (magyar nyelven). Origo, 2012. december 10. (Hozzáférés: 2020. január 5.)
  12. Hanna, Bartling; Hilmes, Tobias: Details on photobiological safety of LED light sources (angol nyelven). Osram, 2018. szeptember 12. (Hozzáférés: 2020. január 5.)
  13. MSZ EN 62471:2009 – Lámpák és lámparendszerek fotobiológiai biztonsága (magyar/angol nyelven). Magyar Szabványügyi Testület, 2009. július 1. (Hozzáférés: 2020. január 5.)
  14. IEC/EN 62471 for LED Lighting Products (angol nyelven). Smart Vision Lights. (Hozzáférés: 2020. január 5.)

További információk[szerkesztés]

Commons:Category:Light-emitting diodes
A Wikimédia Commons tartalmaz Világító dióda témájú médiaállományokat.

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés]