Világító dióda
(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]
Tartalomjegyzék
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.
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]
.svg)
1955-ben Rubin Braunstein, a Radio Corporation of America (RCA) mérnöke 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. Ifj. Nick Holonyak (General Electric) 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 szakemberének nevéhez fűződik. 1993-94-ben a kék fénnyel világító LED nagy fényerőnövekedést ért el Akaszaki Iszamunak, Amano Hirosinak és az 1990-es évek vége óta az Egyesült Államokban kutató amerikai állampolgárnak, Nakamura Súdzsinak, a Nichia Corporation alkalmazottainak köszönhetően. Nakamura Súdzsi 2001-ben beperelte volt munkaadóját, a Nichiát, 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.[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.
| 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]
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.
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 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 párhuzamosan. Így az egyik félhullám alatt világít, a másik félhullám a másik diódán keresztül folyik. Ezt az emberi szem nem tudja követni.
- Az izzólámpa fénykibocsátó ellenállás, így egyen- vagy váltóáramú feszültséggenerátorról is üzemeltethető és párhuzamosan is kapcsolható. Névleges feszültségű elemre (4,5 V DC) és világítási hálózatra (230 V 50 Hz) stb. egyaránt közvetlenül ráköthető.
Nagy teljesítményű fehér LED-ek[szerkesztés]
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]
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]
Forgalomirányító lámpa
Elektronikus paneleken állapotjelzőként
LED-es kültéri kijelzők
Jegyzetek[szerkesztés]
- ↑ Nobel Prize Goes to Inventors of Blue LED: Why It Was Revolutionary, news.nationalgeographic.com
- ↑ Blue LEDs – Filling the world with new light, nobelprize.org
- ↑ Három japán kutató kapta a fizikai Nobel-díjat
- ↑ A LED feltalálója miért nem kapott Nobel-díjat?
- ↑ A kék LED felfedezését díjazták a fizikai Nobel-díjjal, nyugatijelen.com
- ↑ ONE CHIP LED FLOOD LIGHT[halott link]
- ↑ Amikor jól jön a fényszennyezés – Origo, 2012. december 10.
További információk[szerkesztés]
- Magyar:
- Angol:
- Photonics Sources Group, Tyndall National Institute GaN and other photonics research at the Tyndall National Institute, Ireland.
- LEDs for Sustainable Development
- Collection For LED
- Solid State Lighting, Michael Shur - Rensselaer Polytechnic
- Applications notes about Discrete LEDs including basic driver circuits
- LED Circuitry Tutorial
- LED Resistor Calculator
- Light emitting diodes.org site
- Dendrimers in the spotlight - an Instant Insight examining the use of dendrimers in organic light-emitting diodes from the Royal Society of Chemistry
Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés]
|
