LED

מתוך המכלול, האנציקלופדיה היהודית
גרסה מ־18:38, 9 בדצמבר 2019 מאת שלמה המלך (שיחה | תרומות) (עידכון מויקיפדיה גירסה 26679612)
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש
דיודות אור בשלושת הצבעים הבסיסיים

דיודה פולטת אור (LED - Light-Emitting Diode) היא דיודה אשר בעת מעבר זרם חשמלי דרכה פולטת אור בספקטרום צר. דיודות מסוג זה הן הרכיב העיקרי בנוריות חיווי וכן בנורות לד, והן נמצאות גם בטלפונים סלולריים, בצגי טלוויזיה וצגי מחשב מסוימים, ובמכשירים אחרים.

היסטוריה

תצוגת נורות לד במחשבון משנת 1978. הספרות הוגדלו משמעותית על ידי שימוש בעדשות בגלל העוצמה הנמוכה של האור

ב-1957 דיווח רובין בראונסטין (Rubin Braunstein), עובד RCA, על גילוי פליטת אור אינפרא אדום ממוליך למחצה מסוג גליום ארסניד.

ב-1962 רשמו שני חוקרים מחברת טקסס אינסטרומנטס פטנט על פיתוח דיודה פולטת אור אינפרא-אדום, שהתבססה על התרכובת. דיודות פולטות אור בספקטרום אינפרא אדום משמשות עד היום בהתקני שלט-רחוק. באותה שנה פיתחו ניק הולונייק ואולג לוסב את הדיודה הראשונה שפולטת אור בתחום האור הנראה. הדיודה פלטה אור אדום[1]. ב-1972 פותחה דיודה הפולטת אור צהוב. הייצור שלהן החל בשנות השישים, בתחילה בצבע אדום, ובמחיר גבוה יחסית. דיודות אלו פלטו אור חלש יחסית, שהתאים בעיקר לשימוש כנורות בקרה וחיווי למכשור חשמלי, שעונים ומכשירים אחרים, אך לא לתאורה. בהמשך פותחו גם דיודות אור בצבעים אחרים, ומחירן הוזל מאוד.

עד שנות השבעים ניתן היה לייצר דיודות אור בצבעים ירוק, אדום, תת אדום, כתום וצהוב. כיום, עם ההתפתחות הטכנולוגית, ניתן לייצר דיודות שיפלטו אור בצבעי התחום הנראה, בתחום התת-אדום ובתחום העל-סגול. כדי לייצר אור לבן, נדרש היה פיתוח של לד לאור כחול[2]. ב-1972, הרברט פאול מארושקה מה-RCA, פיתח את הדיודה הראשונה שפולטת אור בצבע כחול מסוג גליום ניטריד[3][4]. בשנת 1989, חברת Cree פיתחה דיודות אור כחולות מסוג צורן קרביד שאפשרו לייצר דיודות RGB[5][6] ואף אור לבן משילוב שלושת הצבעים. אולם רק עם פיתוח דיודות פולטת אור כחולות בבהירות גבוהה ביפן בתחילת שנות התשעים על ידי שוג'י נקמורה, הירושי אמאנו, ואיסאמו אקסאקי, התאפשר לקראת סוף העשור פיתוחן של דיודות פולטות-אור לבנות, המורכבות מדיודה כחולה וציפוי זרחני צהוב שיוצרים ביחד אור לבן, בעוצמה מספקת כדי לשמש לתאורה, ולייצור של נורות לד שיחליפו את נורות הליבון הוותיקות. למרות היתרונות העיקריים עליהם מצהירים יצרני התאורה ביחס לנורות אלה, הכוללים נצילות אורית גבוהה ואורך חיים משוער שיכול להגיע ל-60,000 שעות פעולה, בפועל מסיימות רבות מנורות ה-LED את חייהן כבר לאחר מספר שנים בודדות[7][8][9][10], ועוצמת התאורה שלהן חלשה מזו המוצהרת על ידי היצרן.

למרות ששוג'י נקמורה, הירושי אמאנו, ואיסאמו אקסאקי אינם אלו שהמציאו את נורת ה-LED הכחולה, אלא תרמו להפיכתה למוצר מסחרי (כשם שתומאס אדיסון לא המציא את הנורה החשמלית), הם זכו בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2014 על הישג זה[11]. זהו הפיתוח הראשון בהיסטוריה בתחום התאורה שזוכה להכרה על ידי פרס נובל. מדענים אחרים, שעסקו בפיתוחים לא פחות חשובים (ואולי אף חשובים יותר מהמצאת ה-LED הכחול) בתחום התאורה (כדוגמת תומאס אדיסון, שהפך את התאורה החשמלית לנחלת הכלל, האמפרי דייווי, שהיה הראשון שגילה את הקשת החשמלית[12], שאיפשרה את פיתוח הנורה הפלואורסצנטית ונורות פריקה אחרות, ניק הולונייק ואולג לוסב, ממציאי נורת ה-LED הראשונה שפלטה אור בתחום האור הנראה[13], וכן הרברט פאול מארושקה, ממציא נורת ה-LED הכחולה בפועל[3][4]), מעולם לא זכו בפרס נובל. בנוסף, זהו גם אחד מההישגים הטכנולוגיים הבודדים בהיסטוריה שזכה להכרה על ידי פרס נובל, שאיננו כולל פרס בתחום הטכנולוגיה (הפרס המקביל לנובל בתחום הטכנולוגיה הוא פרס טכנולוגיית המילניום [באנגלית: Millenium Technology Prize]).

עקרון הפעולה

דיודות פולטות אור מסוגים שונים

נורת ה-LED היא דיודה בעלת תכונות ייחודיות. בדומה לדיודה רגילה, הדיודה פולטת האור כוללת מוליך למחצה, שייחודו בפליטת אור לא קוהרנטי. ספקטרום האור נקבע בהתאם לתרכובת המוליך למחצה. המוליך למחצה שבדיודה עבר זיהום על מנת ליצור בו צומת p-n. בדומה לדיודה סטנדרטית, הזרם החשמלי ב-LED יזרום בממתח קדמי מצד ה-p לצד ה-n, אך לא יזרום בכיוון ההפוך כאשר הדיודה בממתח אחורי. נושאי מטען (אלקטרונים וחורים) יסחפו אל תוך הצומת כתוצאה מהממתח הקדמי שמופעל על הדיודה. ברגע שאלקטרון יפגוש חור, הוא יאבד מהאנרגיה שלו וייפול למצב אנרגטי נמוך יותר.

המיוחד ב־LED לעומת דיודה סטנדרטית, הוא שישנו פער אנרגטי ישיר בין נקודת השיא האנרגטית בפס הערכיות לבין השפל האנרגטי בפס ההולכה של המוליך למחצה. משמעות הפער האנרגטי הישיר היא שהאלקטרון יכול ליפול מפס ההולכה לפס הערכיות תוך כדי שימור התנע שלו ופליטת פוטון בעל אנרגיה המתאימה לפער אנרגיה זה - כלומר הדיודה תפלוט אור כשהיא נמצאת בממתח קדמי.

שימושים ב־LED

דיודות פולטות אור הן הרכיב העיקרי בנוריות חיווי ובקרה וכן בנורות לד.

רמזור מופעל בתאורת LED
פנסי LED של מכונית

פעולה תקינה של ה-LED תלויה מאוד בטמפרטורה שבה היא נמצאת, דבר שמהווה את אחד מחסרונותיה.

בטמפרטורה גבוהה מדי, אורך חיי ה-LED מתקצר והבהירות יורדת. עם זאת בטמפרטורה נמוכה מאוד, עוצמת הבהירות של ה-LED עולה ואורך החיים גדל. ניתן לנצל יתרון זה להתקנת תאורת LED במקררים ובמקפיאים. כיוון שהנורה הופכת אנרגיה חשמלית לאור ומסוגלת לעשות את התהליך ההפוך, ניתן להשתמש בה עם רב מודד כדי לבדוק את עוצמת האור.

יתרונות של השימוש ב-LED

  • ספקטרום האור הנפלט על ידי ה־LED הוא צר, ולכן אין צורך במסננים נוספים על מנת לקבל ספקטרום ספציפי. יתרון זה משמעותי במיוחד בשימוש כמו ברמזורים, אורות במה ופנסי בלימה ואיתות ברכב.
  • עמידות מכנית למכות, זעזועים, בניגוד לנורות רגילות.
  • אורך חיים - בשימושים של מתח נמוך כמו פנסי כיס ועוצמה נמוכה כמו נוריות חיווי, אורך חיי ה-LED יכול להגיע ל-25,000-100,000 שעות עבודה. בשימושי תאורה כללית, אין עדיין הוכחות לאריכות חייו של ה-LED, בשל צעירות הטכנולוגיה בתחום זה (הטכנולוגיה נכנסה לשימוש מסחרי רק בתחילת העשור הנוכחי)[15][16].
  • נצילות אורית של בין פחות מ-1 לומן/וואט לדיודות 5 מ"מ ועד 100 לומן/וואט לדגמים מסוימים של דיודות רבות עוצמה. הנצילות הממוצעת של ה-LED בתאורה, היא 45-65 לומן לואט, זהה לזו של נורות פלואורסצנטית קומפקטית, זאת משום שהיצרנים מתעלמים מהפסדי ספק הכוח שלהן וכן של האופטיקה של גוף התאורה ואף משקרים בערכי הלומן והואט של הנורות במקרים קיצוניים[17][18].
  • הזמן הדרוש להביא את ה־LED להארה יכול להגיע למיקרו שניות. לשם השוואה, לנורת להט דרוש זמן של עשירית שנייה, ולנורה פלאורוסנטית דרוש זמן של חצי שנייה. דבר המהווה יתרון בסטרובוסקופיה, ובצגים (הן בצגי LED, והן בצגי LCD עם תאורת LED אחורית בעלת יכולת עמעום מקומי).
  • כיוון שהספקטרום שלו צר סרט, ה-LED נוח בשימושים צבאיים מכיוון שהוא לא נראה באמצעים מגבירי אור כוכבים.

חסרונות של השימוש ב-LED

ספקטרום ה-LED הלבן.
ספקטרום ה-LED הלבן
  • אין כל הוכחה מחקרית לטווח הארוך שתאורת LED חסכונית יותר באנרגיה מתאורה המבוססת על נורות פלואורסצנטיות, נורות נתרן ונורות מתכת הליד, בהתחשב בשוני שבין האופטיקה של גוף תאורה של LED לעומת האופטיקה של נורות פלואורסצנטיות ונורות פריקה אחרות וכן בהפסדים של ספק הכוח שמפעיל את הדיודות שמהם היצרנים מתעלמים. יצרנים רבים אף מדביקים נתוני לומן וואט מומצאים.[19][20][21]
  • בתאורה כללית, אורך חיים קצר בהרבה מנורות שאינן נורות להט.[22][23][24][25].
  • ה-LED אינו חדל מלפעול באופן חד ופתאומי כמו נורת להט, אלא מספק פחות ופחות אור לאורך זמן, דבר המקשה בשימושי תאורה כללית לזהות נורות שרופות. מאפיין זה יכול לגרום לצרכן להתבלבל ולחשוב שהמנורה עצמה חלשה מדי ולהחליף אותה למנורה בעלת הספק גבוה יותר, ובכך להגדיל את צריכת האנרגיה.
  • רבים מגופי התאורה המבוססים על LED, מתחילים להבהב או לרצד בתדר אקראי בסיום חייהם[26].
  • תפוקת אור נמוכה בהשוואה לנורות פריקה בהספק מקביל.
  • סינוור רב בהשוואה למקורות אור מלאכותיים אחרים בשל ריכוז אור רב באורכי הגל הכחולים שבספקטרום ה-LED הלבן וכן היות אורו של ה-LED מרוכז מנקודה אחת קטנה[27][28].
  • ריצוד חזק ובולט הרבה יותר בהשוואה לנורות פלאורוסצנטיות רגילות וקומפקטיות וכן נורות פריקה אחרות המופעלות בתדר הרשת[29][30].
  • רגישות גבוהה לתנאי חום גבוהים (למשל בתאורת פנים של תנורי אפייה וכן בסאונות), המתבטאת בירידה דרמטית בנצילות האורית וקיצור אורך חיי ה-LED.
  • חוסר עמידות בתנאי לחות קיצוניים (למשל בסאונות).
  • צורך בקירור (Heat sink לרוב) בדומה לרכיבים אלקטרוניים אחרים כדי לקרר את הדיודות בניגוד לסוגים אחרים של נורות.
  • ריבוי חומרים ומתכות רעילות שאין בנורות מסוגים אחרים כמו עופרת, גאליום, אבץ ועוד, לייצור נורת ה-LED והמעגל הדרוש להפעלתה, דבר שמגביר את הזיהום והנזקים הסביבתיים הנגרמים בעת ייצור נורות ה-LED ובמיחזורן כמו גם בהשלכתן, על פני סוגים אחרים של נורות[31][32]
  • סכנת התחשמלות גדולה יותר מגופי תאורה שאינם של LED.[33][34]
  • ספקטרום האור של ה-LED הלבן, מרוכז מאוד ועשיר מאוד בכחול ביחס למקורות תאורה מלאכותיים אחרים, עקב שימוש בדיודה כחולה וזרחן צהוב או כתום ליצירת האור הלבן, דבר שיכול למנוע את ייצור המלטונין, וכתוצאה מכך להפרעות שינה[35].
  • מחקרים חושדים כי ריכוז האור הכחול שבספקטרום ה-LED הלבן, יכול להביא לניוון מקולרי של העיניים[36][37].
  • ריכוז האור הכחול שבספקטרום ה-LED הלבן, עלול לגרום לזיהום אור הרבה יותר גדול בתאורת חוץ, בהשוואה למקורות תאורה אחרים[38][39][40].
  • אין אפשרות להחליף נורות: מכיוון שה-LED הוא רכיב במעגל מודפס, בניגוד לנורה חשמלית, שהיא רכיב במעגל חשמלי, אין אפשרות להחליף דיודות בגוף תאורה עם LED (שמהווה חלק מהגוף עצמו ואיננו בר החלפה) לעומת עם נורה חשמלית (שמהווה מקור אור בר החלפה). משמעות הדבר הוא שגוף תאורה שמבוסס על LED יחזיק עד שהדיודות שבו יסיימו חיים ואז יושלך, לעומת גוף תאורה שמבוסס על נורות חשמל, שיכול להמשיך להחזיק לאורך זמן, גם לאחר שהנורה שלו סיימה את חייה, על ידי החלפתה לנורה חדשה, דבר שהופך את גוף התאורה עצמו למוצר חד פעמי.

מיחזור

כמו בכל מוצר אלקטרוני, נורות וגופי תאורה של LED מכילות רכיבים אלקטרונים רבים שייצורם מזהם מאוד את הסביבה והן מהוות פסולת אלקטרונית בעת השלכתן.[41][42] כמו כן, רוב נורות ה-LED עשויות מפלסטיק שייצורו דורש נפט (בניגוד לזכוכית וקוורץ שאינם דורשים שימוש בחומרים מזהמים בעת הייצור), ואשר מהווה אף הוא סכנה לסביבה. לכן אין להשליך את הנורות יחד עם שאר האשפה, אלא לפנות אותן למיחזור אלקטרוניקה.[43][32]

ראו גם

קישורים חיצוניים

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא LED בוויקישיתוף

הערות שוליים

  1. ^ "Nobel Prize: Inventor of red LED criticises committee for overlooking". The Independent (באנגלית). 2014-10-08. נבדק ב-2016-10-11.
  2. ^ דר. משה נחמני, ‏תרומת זוכי הנובל: לדים כחולים ממלאים את העולם באור חדש, באתר "הידען", 8 באוקטובר 2014
  3. ^ Nobel Shocker: RCA Had the First Blue LED in 1972, IEEE Spectrum: Technology, Engineering, and Science News
  4. ^ "Oregon tech CEO says Nobel Prize in Physics overlooks the actual inventors". OregonLive.com. נבדק ב-2017-01-11.
  5. ^ LEDs - Gallium Indium Nitride UV, violet, purple, blue, aqua, turquoise, green, white. Also Gallium Arsenide and others. New LED MUSEUM! GaN, InGaN, SiC, GaAs, GaP, GaAlP, ZnSe, flashlight, flashlights., www.ledmuseum.net
  6. ^ Cree History & Milestones, www.cree.com
  7. ^ "One in four 'long-life' bulbs doesn't last as long as makers claim". Mail Online. נבדק ב-2017-10-05.
  8. ^ Fallon, Sean. "LED Bulb Life Spans Are Not What They Seem". Gizmodo (באנגלית אמריקאית). נבדק ב-2017-10-05.
  9. ^ "Are your LED light bulbs burning out too soon? - Which? Conversation". Which? Conversation (באנגלית בריטית). 2014-01-20. נבדק ב-2017-10-05.
  10. ^ The big lie about LED lighting, eeNews Europe, ‏2014-12-31 (באנגלית)
  11. ^ אתר למנויים בלבד עידו אפרתי, הוכרזו הזוכים בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2014 - מפתחי טכנולוגיית ה-LED, באתר הארץ, 7 באוקטובר 2014
  12. ^ The electric arc, archive.org
  13. ^ "Nobel Prize: Inventor of red LED criticises committee for overlooking". The Independent (באנגלית). 2014-10-08. נבדק ב-2016-10-11.
  14. ^ יובל מן, להתראות למקרן: מסך ה-LED מגיע לקולנוע, באתר ynet, 1 באפריל 2019
  15. ^ One in four 'long-life' bulbs doesn't last as long as makers claim
  16. ^ The big lie about LED lighting lifetime | (ב־American English)
  17. ^ Neslen, Arthur (2015-12-17). "Big brands 'cheating' consumers with false lightbulb efficiency claims". The Guardian (באנגלית בריטית). ISSN 0261-3077. נבדק ב-2018-12-05.
  18. ^ How can LED bulb manufacturers claim to be 'equivalent' to incandescent bulbs when the light output is so much lower? A recently purchased 60-watt “equivalent” LED puts out 500 lumen, whereas a real 60-watt incandescent puts out 800 lumen. - Quora, www.quora.com
  19. ^ Neslen, Arthur (2015-12-17). "Big brands 'cheating' consumers with false lightbulb efficiency claims". The Guardian (באנגלית בריטית). ISSN 0261-3077. נבדק ב-2018-12-05.
  20. ^ How can LED bulb manufacturers claim to be 'equivalent' to incandescent bulbs when the light output is so much lower? A recently purchased 60-watt “equivalent” LED puts out 500 lumen, whereas a real 60-watt incandescent puts out 800 lumen. - Quora, www.quora.com
  21. ^ Lights of America Refunds, Federal Trade Commission, ‏2018-08-16 (באנגלית)
  22. ^ The big lie about LED lighting, eeNews Europe, ‏2014-12-31 (באנגלית)
  23. ^ One in four 'long-life' bulbs doesn't last as long as makers claim, Mail Online, ‏2014-01-26
  24. ^ Sean Fallon, LED Bulb Life Spans Are Not What They Seem, Gizmodo (ב־American English)
  25. ^ Detroit’s LED streetlights going dark after a few years, Detroit News (באנגלית)
  26. ^ Andreas Spiess (2016-04-17), #55 LABREP #1: Flickering 100 Watt LED Lamp/Floodlight Repair, נבדק ב-2019-06-16
  27. ^ "Super-efficient street lights are taking over the world — and they could be terrible for us". Business Insider. נבדק ב-2018-05-11.
  28. ^ Ching-Cherng Sun, Chong-Jhih Jiang, Yi-Chun Chen, Tsung-Hsun Yang, Glare effect for three types of street lamps based on White LEDs, Optical Review 21, 2014-05-01, עמ' 215–219 doi: 10.1007/s10043-014-0031-z
  29. ^ US, Arnold J Wilkins,The Conversation. "The Scientific Reason You Don't Like LED Bulbs–and the Simple Way to Fix Them". Scientific American (באנגלית). נבדק ב-2018-05-19.
  30. ^ Wilkins, Arnold J. "The scientific reason you don't like LED bulbs — and the simple way to fix them". The Conversation (באנגלית). נבדק ב-2018-05-19.
  31. ^ New research shows CFLs and LED light bulbs have higher toxicity and resource depletion than incandescent bulbs – Electronics TakeBack Coalition, www.electronicstakeback.com
  32. ^ 32.0 32.1 Are waste LEDs hazardous? - European Commission
  33. ^ Mark Halper, LED bulbs banned, recalled for shock hazards, ZDNet (באנגלית)
  34. ^ LED Troubleshooting - Wire and Wiring Issues, www.ecolocityled.com
  35. ^ Light Impacts: Science News Online, May 27, 2006, ‏2007-05-01
  36. ^ Tim Lougheed, EHP – Hidden Blue Hazard? LED Lighting and Retinal Damage in Rats, ehp.niehs.nih.gov, ‏מרץ 2014
  37. ^ Texyt, Blue LEDs: A health hazard? | Texyt, texyt.com, ‏יום שני, 18:13, 15/1/2007
  38. ^ "These Energy-Saving Bulbs Are Making One Pollutant Much Worse". 2017-11-22. נבדק ב-2018-04-25.
  39. ^ "The unfortunate side effect of LED lighting". The Verge. נבדק ב-2018-04-25.
  40. ^ Jan Hattenbach, The Lost LED Revolution: Light Pollution Is Increasing, Sky & Telescope, ‏2017-11-22 (ב־American English)
  41. ^ Are Light Emitting Diodes (LED) e-waste? – | be Waste Wise (ב־American English)
  42. ^ theresa.luger, LED Lamps Recycling Technology for a Circular Economy — LED professional - LED Lighting Technology, Application Magazine, www.led-professional.com (באנגלית)
  43. ^ Recycling LEDs Becomes a Pressing Issue - LEDinside, www.ledinside.com (באנגלית)


חשמל
מושגי יסוד מטען • שדה חשמלי • אנרגיה פוטנציאלית חשמלית • פוטנציאל • מתח • כא"מ • זרם • התנגדות ומוליכות • עכבה • הספק • השראות • זרם ישר • זרם חילופין • מעגל חשמלי • תהודה • עכבה אופיינית Singingteslacoil.jpg
רכיבים בסיסים מקור מתח • מקור זרם • נגד • קבל • משרן • ממריסטור • שנאי • מפסק • מבדד
מכשירי מדידה מד מתח • מד זרם • מד התנגדות • אלקטרוסקופ • גלוונומטר • מד קיבול • מד השראות • רב מודד • אוסצילוסקופ • מחולל אותות
אלקטרוניקה מוליך למחצה • דיודה • טרנזיסטור • מיתוג • שפופרת ריק • טריודה • דיודה פולטת אור (לד) • מגבר שרת • מסנן תדרים • מעגל משולב • מעגל מודפס • VLSI • מיקרואלקטרוניקה
זרם חזק גנרטור חשמלי • מנוע חשמלי • תחנת כוח • מתקן חשמל דירתי • מערכת חלוקה • רשת חשמל • מערכת תלת-פאזית
בטיחות בחשמל התחשמלות • לוח חשמל • קצר חשמלי • נתיך • הארקה • ממסר פחת • מפסק אוטומטי
חוקים פיזיקליים חוק קולון • חוק גאוס • חוק אוהם • חוקי קירכהוף • חוק שימור המטען החשמלי • חוק פאראדיי
Logo hamichlol 3.png
הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

אוחזר מתוך "https://www.hamichlol.org.il/w/index.php?title=LED&oldid=910322"