itthon

Appliance Science: A világító fizika a LED-lámpák mögött

Honnan jön a fény a házadban? Valószínűleg különféle típusú fényforrásokból származik, de egyre többen fürödnek a fénykibocsátó diódák (LED) által generált nyugtató fénybalzsamban. Ez az új típusú fényforrás gyorsan felváltja az izzólámpákat és a fluoreszkáló lámpákat, amelyek a sötétség átkának fő módja.

A LED-lámpa térnyerésének fő oka a fogyasztási cikkek szent tulajdonsága: a költség, a hatékonyság és a megbízhatóság. A legújabb fejleményeknek köszönhetően a LED-lámpák ára csökken – az Egyesült Államok egyes részein majdnem olyan alacsonyan, mint a régi izzóké. Emellett olcsóbbak a működtetésük, és sokkal tovább tartanak. Mindez tudósok és mérnökök légióinak munkájának köszönhető, akik egy 100 éves tudományos furcsaságot vettek át, és több milliárd dolláros üzletet csináltak belőle.

Kapcsolódó linkek

  • Az Appliance Science elmagyarázza a hűtőszekrény belső működését
  • Izzóvásárlási útmutatónk a világítási folyosó szövetségese
  • A LEXO megnevezte 2014 legjobb LED izzóit

A LED-eket először a múlt század elején fejlesztették ki, amikor egy kutató észrevette, hogy egy bizonyos típusú kristálydiódára (olyan elektromos alkatrészre, amely csak egy irányba engedi az áramot) áramot kell adni, és halvány fényt bocsát ki. Az anyag nem melegedett fel; egy másik ismeretlen módszerrel bocsátott ki fényt. Ez a jelenség (később elektrolumineszcenciának nevezték) tudományos furcsaság maradt, különösebb gyakorlati haszna nélkül egészen az 1950-es évekig, amikor a vállalatok elkezdték felhasználni LED-lámpák gyártására.

Az elsők az infravörös LED-ek voltak (ill 'félvezető sugárzó diódák', ahogy a feltalálók nevezték őket ), amely egy gallium-arzenid (GaAs) nevű vegyületből készül. Később más kutatók hasonló anyagokat használtak olyan LED-ek létrehozására, amelyek vörös és sárga fényt adtak ki, és ezeket hatékonyabbá tették a nagyobb, fényesebb LED-ek létrehozásához.



Egy nagy probléma azonban volt ezekkel az eszközökkel: csak egy frekvenciájú fényt bocsátanak ki, ami egyetlen színt jelent. Számológép-kijelző esetén ez jó, de a házát megvilágító lámpáknál nem. Ezeknek a fény frekvenciájának egy tartományát kell kibocsátaniuk a látható fény spektrumán, ugyanazt a fehér fényt hozva létre, mint a Napnak. Az izzólámpák ezt teszik, de a LED-ek csak nagyon kicsi, keskeny frekvenciasávot adnak meg az elektrolumineszcens hatás működése miatt.

Egyetlen frekvenciák

A LED izzó belsejében egy kis félvezető chip található, amely a fényt kibocsátó rész. Ez két réteg kristályos anyagból, például GaAs-ból áll, amelyeket különböző anyagokkal szennyeztek (a vegyészek ezt adalékolásnak nevezik). Ez a szennyeződés azt jelenti, hogy az egyik rétegben sok nagy energiájú elektron van, amelyeket el akar adni, míg a másik rétegben olyan elektronok vannak, amelyeket valóban meg akar tölteni alacsonyabb energiaszinten. Az elektronika szaknyelvén az egyik réteg n-típusú (az, amelyik el akarja adni őket), míg a másik p-típusú. A kombináció alkotja az úgynevezett pn-átmenetet.

Az elektron számára ez a csomópont olyan, mint egy vízesés: lökd meg őket egy kicsit, és felborulnak, de nem tudnak visszamenni. Ha feszültséget kapcsolunk úgy, hogy az áramkör negatív vége az n-típusú rétegen legyen, az elektronok könnyen áramlanak a két réteg között. Ha a feszültséget más módon kapcsolja be, az áramlás blokkolva lesz. Ezek a rétegek diódát alkotnak (az ógörögből tól től , két és óda , útnak vagy útnak). Mint egy vízesés, az áramlás az egyik irányba haladhat, de a másik irányba nem.

  cree-led-exposed.jpg

És, mint egy vízesésnél, érdekes dolgok történnek ezen a ponton, ahol az áramlást szabályozzák. Míg a vízesés zajt ad, az elektronok átfolynak a LED-kioldó lámpa pn-csomópontján. Ahogy az elektronok az n-ből a p rétegbe áramlanak, az elektronok energiaszintje leesik, a p-típusú réteg magasabb energiaszintjéről az n-típusú alsóbbra esik. Ez az energia fotonként szabadul fel, amit fényként látunk.

Hogy ez mekkora energia, az a két réteg energiaszintje közötti különbségtől, az úgynevezett sávréstől függ. Hogy ismét használjuk a vízesés-metaforánkat, az energiarés a vízesés egyik oldala és a másik oldala közötti magasság. Tehát a vízesésben lefelé haladó elektron az egyik energiaszintről az alacsonyabbra esik, és az energiakülönbséget fényfotonként szabadítja fel.

Minél nagyobb ez a sávrés, annál több energia szabadul fel, és annál rövidebb a kibocsátott fény hullámhossza. A korai LED-ek kis sávszélességgel rendelkeztek, ami hosszabb hullámhosszú fotonokat jelentett, amelyeket vörös fényként látunk. Ahogy a mérnökök kitalálták a LED-ek készítésének új módjait, megtanulták, hogyan készítsenek nagyobb sávhézagot, ami azt jelenti, hogy a LED-ek által kibocsátott fény hullámhossza csökken, és a fény a spektrumban vörösről narancssárgára, zöldre és végül eltolódik. kék.

  cree-100w-led-bulb-product-photos-2.jpg

Ez azonban bonyolulttá válik, mert nagyon nehéz pn-átmenetet létrehozni nagy sávréssel. Minél nagyobb a sávköz, annál kevésbé akar egymás mellett lenni a két réteg: a kristályok, amelyekből készültek, könnyebben lebomlanak. A legjobb anyag a gallium-nitrid (GaN) elkészítéséhez, de ez az anyag törékeny, és az adalékolás, amely n- vagy p-típusú félvezetővé teszi, zavarja a kristályok termesztését. Minél nagyobbra nőhet a kristály, annál nagyobb lehet a végső LED, és annál több fényt bocsát ki.

Nemrég három tudós kitalált egy új módszert ezeknek a nagy kristályoknak a kék LED-ekhez való elkészítésére. A Nobel-díjat Isamu Akasaki, Hiroshi Amano és Shuji Nakamura kapta. Fizikai Nobel-díj, 2014 ). Nyilván véletlenül jöttek rá erre, miközben egy növekvő kristályt vizsgáltak elektronmikroszkóppal. Ez az elektronsugár megakadályozza, hogy az adalékanyag befolyásolja a kristály szerkezetét a növekedés során, így az nagyobb lehet.

Fehér fény, nincs hő

A kék LED, amelyet az eljárásuk lehetővé tesz, a LED-ek szent grálja, mivel a kék fényt foszforok, vegyi anyagok más színekké alakíthatják, amelyek elnyelik a fényt, majd más, magasabb frekvencián adják ki. Rengeteg fénypor van, amely a kék fényt zöldre és vörösre tudja alakítani, így ha egy kék LED-et egyesít néhány ilyen fényporral, fehér fényt és fehér LED-et kap.

  fehérített.png

Az eredmény egy olyan villanykörte, amely sokkal hatékonyabb, mint a régi izzólámpa. Míg egy izzólámpa 60 watt energiát használ fel egy helyiség megvilágítására, addig egy LED-es izzó 10 wattnál kevesebb energiával képes ugyanannyi fényt előállítani. És mivel nincs szükség felhevített izzószálra vagy szokatlan gázokra, az izzó hosszabb ideig tart. A LED-ek idővel tönkremennek (mivel az adalékanyagok vándorolnak, és a kristályok fokozatosan lebomlanak), de ez sokkal tovább tart, mint egy izzólámpa.

Tehát a LED izzók hatékonyabbak, mint az izzólámpák. És most, hogy a gyártók kidolgozták, hogyan készítsék el ezeket az izzókat gyorsan és olcsón, lecserélhetik ezeket az izzólámpákat az olcsóbb, tisztább és hatékonyabb világítás új korszaka érdekében otthonában.

A LED-lámpák jövője

Amint azt a tesztjeink során láthattuk, A LED-es izzók sokkal hatékonyabbak, mint az izzólámpák vagy a kompakt fénycsövek . Hosszabb ideig tartanak és kevesebb áramot fogyasztanak. De nem tökéletesek. Nem lehet úgy tompítani, mint az izzólámpákat, mert a fénykibocsátás nem változik, ha csökkentjük a feszültséget. Ehelyett a LED-fénynek hamisítania kell, gyorsan be- és kikapcsolva a LED-et, hogy csökkentse a fénykibocsátást, ami néha kellemetlen villogó hatást kelt. Sok modern LED elkerüli ezt azáltal, hogy gondosan szabályozza az izzó belsejében lévő egyes LED-ek be- és kikapcsolását, így nem villogó fényt hoz létre. A legutolsó A Phillips 100 W-os csereizzójának például nem volt látható villogása tesztjeink során .

A mérnökök új módszereket is keresnek annak érdekében, hogy ezekből az izzókból származó fényt vonzóbbá tegyék azáltal, hogy különböző anyagok felhasználásával állítják elő a fehér fényt alkotó különböző frekvenciájú fényeket. A legtöbb LED különböző fényporok keverékét használja a vegyes fehér fény létrehozásához, de a Georgiai Egyetem nemrégiben bemutatta új típusú fénypor, amely a frekvenciák szélesebb keverékét hozza létre , ami megkönnyítheti a LED-ek elkészítését, sőt olcsóbbá teheti.

Tehát a LED-lámpák jövője az olcsóbb, hatékonyabb és kényelmesebb világítás. Azt még látni kell, hány Nobel-díjat kapnak, de valószínűleg a LED-es izzó lesz az, ami még egy ideig otthonra talál a lámpafoglalatban.

Helyesbítés, szerda 10:30 ET : Szerkesztve a frekvencia és a hullámhossz közötti zavarok tisztázása érdekében a 'Minél nagyobb ez a sávszélesség' című bekezdés elején. Köszönjük azoknak a kommentelőknek, akik rámutattak erre a hibára.