Kas ir LED (gaismu izstarojoša diode): definīcija, darbība un pielietojums

Gaismu izstarojoša diode (LED) ir pusvadītāju ierīce, kas no elektrības ražo gaismu. LED kalpo ilgu laiku un viegli nebojājas (salīdzinājumā ar kvēlspuldzēm). Tās var radīt dažādas krāsas. Tās ir efektīvas - lielākā daļa enerģijas pārvēršas gaismā, nevis siltumā. Mūsdienu LED spuldzes ir kļuvušas parastajām kvēlspuldzēm un halogēniem par būtisku alternatīvu, jo tām ir augstāka energoefektivitāte (mērīta kā lūmeni uz vatu), ilgāks mūžs un zemāki ekspluatācijas izdevumi.

LED ir diodes veids, kas rada vienas krāsas gaismu, ja caur to tiek raidīta elektrība paredzētajā virzienā (elektriski novirzīta uz priekšu). Šis efekts ir sava veida elektroluminiscence. Darbības pamatā ir p–n pāreja un pusvadītāju materiālu enerģijas joslu (band gap) atšķirības: elektronam, pārlecot pāri pārejai un rekombinējoties ar lūmi (bedru), atbrīvotā enerģija izdalās fotona veidā — tas nosaka izstarotā fotona viļņa garumu (tātad krāsu).

Krāsu veidošanās un balta gaisma

Gaismas krāsa ir atkarīga no izmantotā pusvadītāju materiāla ķīmiskā sastāva, un tā var būt tuvu ultravioletā, redzamā vai infrasarkanā. Krāsa ietekmē to, cik daudz elektroenerģijas izmanto LED. Baltās gaismas diodes iekšpusē ir divas vai trīs dažādu krāsu gaismas diodes. Dažu balto LED iekšpusē ir viena vienkrāsaina LED (parasti zila) apvienojumā ar luminoforu, kas šo vienu krāsu pārvērš baltā krāsā.

Iedzīvinašanās baltas gaismas radīšanā notiek galvenokārt divos veidos:

• Fosfora pārvēršana (phosphor-converted) — zila LED izgaismo fosforu, kas atstaro vai pārvērš daļu gaismas uz siltākām spektra daļām, radot baltu gaismu. Tas ir visizplatītākais risinājums mājas un biroju apgaismojumā.
• Krāsu maisīšana (RGB) — baltā gaisma tiek iegūta, kombinējot sarkanu, zaļu un zilu LED. To izmanto displejos un dažos regulējamos apgaismojumos, kur nepieciešama plaša krāsu kontrole.

Pielietojumi

LED tiek izmantoti daudzviet. Tās ir daudzu elektronisko ierīču krāsainās indikatoru lampiņas, tās var izmantot spilgtu reklāmas zīmju izgatavošanā, bremžu lukturīšos dažos jaunākos automobiļos, televizoros un pavisam nesen arī spuldzītēs mājsaimniecībām. Baltas LED spuldzes, kas ir pietiekami spilgtas, lai apgaismotu telpas, parasti ir dārgākas nekā parastās spuldzes, taču tās kalpo ilgāk un patērē mazāk elektroenerģijas.

Papildus minētajam, LED tehnoloģija tiek plaši izmantota:

• Rūpnieciskā un ielu apgaismojumā (energoefektīvi ielu laternu risinājumi).
• Displejos (LED paneļi, video sienas, OLED un LED-backlit LCD tehnoloģijas).
• Automobiļu apgaismojumā (dienas gaitas gaismas, priekšējie un aizmugurējie lukturi).
• Horticulture (augu audzēšana ar speciālām spektrālām diodēm), medicīnā (terapijas un diagnostikas ierīces), datu komunikācijā (Li-Fi) un sensortehnoloģijās.
• Infrasarkanās un ultravioletās LED izmantošana attālinātajā vadībā, industriālajā cietēšanā un dezinfekcijā (UV-C), kur tas ir piemērots un drošs.

Atšķirība no LCD un citiem paneļiem

LED diodes, kas pašas rada gaismu, nevajadzētu jaukt ar LCD displejiem, kas bloķē gaismu. Tomēr dažos displejos abas tehnoloģijas ir sajauktas, izmantojot LED, lai izgaismotu LCD. Ir arī citi tieši gaismu izstarojoši paneļi (piem., OLED), kuri atšķiras pēc kontrasta, skatīšanās leņķa un krāsu atveides.

Fiziskie ierīču veidi un iesaiņojums

Mūsdienās dažas LED ir virsmas montāžas ierīces (SMD), tāpēc tās var būt ļoti mazas. Papildus SMD pastāv arī:

• Caurejošās (through-hole) diodes mazākajiem indikatoriem.
• Augstas jaudas (high-power) LED moduļi ar vajadzīgu siltuma izkliedi priekš apgaismojuma luminiscentiem ķermeņiem.
• COB (chip-on-board) risinājumi, kur vairākas diodes ir montētas tieši uz kopēja pamatnes, nodrošinot vienmērīgāku apgaismojumu un labāku siltuma pārnesi.
• Optiskie elementi (lenses, reflectors) un termiskie risinājumi (siltuma radiatori), kas būtiski ietekmē gaismas izlasi, ilgmūžību un jaudas izmantošanas drošību.

Tehniskie rādītāji un ekspluatācija

Izvērtējot LED izstrādājumu, pievērs uzmanību sekojošiem parametriem:

• Lumen (lm) — gaismas plūsma (cik spoža ir spuldze).
• Efektivitāte (lm/W) — cik daudz gaismas tiek iegūts no viena vata patērētas jaudas.
• CCT (K) — krāsas temperatūra (silta, neitrāla vai auksta gaisma).
• CRI — krāstu atdarināšanas indekss (augstāks CRI nozīmē labāku krāsu atveidi).
• Forward voltage (V) un strāva (A) — LED darbībai nepieciešamie elektriskie parametri; LED parasti darbojas ar konstantas strāvas barošanas avotu (draiveri).
• Temperatūra — LED efektivitāte un mūžs lielā mērā atkarīgs no darba temperatūras un siltuma aizvades; nepieciešams apdomāts siltuma vadības risinājums.
• Mūžs — parasti tiek norādīts kā stundas līdz noteiktam lumen saglabājumam (piem., L70 — laiks, līdz gaismas plūsma krīt līdz 70% no sākotnējās).
• Mirgošana un dimēšana — kvalitātes atšķirības draiveros ietekmē, vai LED var vienmērīgi tikt dimēta bez traucējošas mirgošanas; tiek izmantotas PWM vai analogās dimēšanas metodes.

Priekšrocības un trūkumi

• Priekšrocības: augsta energoefektivitāte, ilgs darbības laiks, ātra ieslēgšanās, liela krāsu izvēle, izturība pret triecieniem, mazāks siltuma zudums, bieži bez kaitīgas vielas (piem., dzīvsudraba) salīdzinājumā ar dažām citām lampām.
• Trūkumi: sākotnējās izmaksas var būt augstākas, zemas kvalitātes LED var rādīt sliktu CRI vai krāsu novirzes, nepieciešama uzmanīga termiskā vadība un piemērots draiveris; arī zema kvalitāte var radīt traucējošu mirgošanu vai elektromagnētisku traucējumu.

Drošība un vide

LED nav tik jutīgas pret biežu ieslēgšanu/izslēgšanu kā kvēlspuldzes. Tomēr ir vērts zināt:

• Spēcīga zilās gaismas sastāvdaļa var ietekmēt miegu un acu veselību, tāpēc ilgstošai tiešai ekspozīcijai pie acu līmeņa ir jāizvēlas atbilstošs krāsas temperatūras un spilgtuma līmenis.
• Dažas speciālās UV un IR LED lietojumprogrammas prasa piesardzību (aizsargbrilles, drošības pasākumi).
• LED parasti ir videi draudzīgākas nekā kvēlspuldzes vai daļēji salīdzināmas ar fluorescējošām spuldzēm (daudzas fluorescējošās satur dzīvsudrabu), taču katrai ierīcei nepieciešama pareiza utilizācija un atkritumu apsaimniekošana.

Kā izvēlēties un lietot LED

• Pērkot apgaismojumu, izvērtē lūmenus nevis tikai vatus — lūmeni norāda patieso gaismas daudzumu.
• Pārbaudi CRI un CCT, ja svarīga krāsu atveide (piem., mākslas darbiem, tirdzniecībai, darba telpām).
• Izvēlies LED ar kvalitatīvu draiveri, kas atbilst dimēšanas prasībām un darba spriegumam.
• Nodrošini labu siltuma izkliedi — it īpaši augstas jaudas lampām un iebūvējamām luminārijām.
• Seko ražotāja tehniskajiem datiem par mūžu (L70 u.c.) un garantijas nosacījumiem.

LED tehnoloģija turpina attīstīties — tiek uzlabota efektivitāte, spektrālā regulējamība (t.s. tunable white), un samazinātas ražošanas izmaksas. Tas padara LED par elastīgu risinājumu gan ikdienas apgaismojumam, gan specializētām rūpnieciskām un medicīniskām lietotnēm.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir gaismas diode (LED)?

J: Cik ilgi darbojas gaismas diodes?

J: Kādas krāsas var radīt gaismas diodes?

J: Kā LED diodes krāsa ietekmē tās enerģijas patēriņu?

J: Kā darbojas baltās LED gaismas diodes?

J: Kur tiek izmantotas gaismas diodes?

Meklēt pēc burta