LED lempos šiandien yra visur – nuo mūsų telefonų ekranų iki gatvės apšvietimo. Bet kaip iš tikrųjų veikia šie maži puslaidininkių stebuklai, kurie sugeba paversti elektros energiją į šviesą tokiu efektyvumu, kad tradicinės kaitinamosios lempos atrodo kaip dinozaurai? Pabandykime išsiaiškinti, kas vyksta LED kristalo viduje ir kodėl šie šviesos šaltiniai tapo tokia revoliucija.
Kas yra LED ir kaip gimsta šviesa
LED – tai šviesos diodas (Light Emitting Diode), kuris iš esmės yra labai paprastas dalykas. Tai puslaidininko kristaliukas, kuriame elektronai šokinėja tarp energijos lygių ir išspinduliuoja fotonų srautą. Skamba sudėtingai? Iš tikrųjų principas gana paprastas.
Įsivaizduokite puslaidininko kristalą kaip daugiaaukščio namo laiptinę. Elektronai gyvena skirtinguose aukštuose – energijos lygiuose. Kai per LED praeina elektros srovė, elektronai gauna energijos ir “pašoka” į aukštesnį aukštą. Bet ten jie negali likti ilgai – fizikos dėsniai verčia juos grįžti žemyn. Grįždami jie atiduoda gautą energiją kaip šviesos fotonų srautą.
Šviesos spalva priklauso nuo to, koks energijos skirtumas tarp “aukštų”. Didesnė energijos spraga duoda mėlyną ar baltą šviesą, mažesnė – raudoną ar infraraudonąją. Štai kodėl pirmi LED buvo tik raudoni – juos buvo lengviausia pagaminti. Mėlynų LED išradimas 1990-aisiais net pelnė Nobelio premiją, nes be jų nebūtų baltų LED.
Iš ko pagaminti LED kristalai
LED širdis – tai puslaidininko jungtis, dažniausiai pagaminta iš galio arsenido (GaAs), galio fosfido (GaP) ar galio nitrido (GaN) junginių. Skirtingi medžiagų deriniai duoda skirtingas šviesos spalvas.
Raudonam LED naudojamas galio arsenidas su aliuminio priemaišomis. Žaliam – galio fosfidas. Mėlynam ir baltam – galio nitridas. Tai labai gryni kristalai, auginami specialiose laboratorijose kontroliuojamomis sąlygomis. Net mažiausia priemaišų klaida gali sugadinti visą kristalą.
Balti LED iš tikrųjų nėra balti – tai mėlyni LED, padengti specialiu fosforo sluoksniu. Mėlyna šviesa paveiks fosforą, ir jis pradeda švytėti geltona spalva. Mėlynos ir geltonos šviesos mišinys mūsų akims atrodo baltas. Panašiai veikia ir luminescencinės lempos, tik ten naudojama ultravioletinė šviesa.
LED konstrukcijos ypatybės
LED kristaliukas yra mažytis – dažniausiai tik kelių milimetrų dydžio. Bet jis turi būti labai tiksliai sumontuotas. Kristaliukas pritvirtinamas prie metalinio pagrindo, kuris atlieka dvigubą funkciją – ir elektros kontakto, ir šilumos nuvedimo.
Ant kristalo uždedami plonutėliai aukso ar aliuminio laidininkai – tai antrasis kontaktas. Viskas užpilama skaidriu epoksidiniu derva arba uždedamas stiklinis kupolas. Šis kupolas ne tik apsaugo kristalą, bet ir formuoja šviesos pluoštą – gali būti platus arba siauras, priklausomai nuo kupolo formos.
Modernūs LED dažnai gaminami ant keramikos ar metalinio pagrindo – tai geriau nuveda šilumą. Šiluma LED priešas numeris vienas. Perkaitęs LED ne tik švies silpniau, bet ir gali visiškai sugesti. Todėl galingi LED visada turi radiatorius arba ventiliatorius.
Kodėl LED taip efektyvūs
Tradicinė kaitinamoji lempa tik 5% elektros energijos paverčia šviesa – likusius 95% išspinduliuoja kaip šilumą. LED efektyvumas siekia 20-50%, o laboratorijose jau pasiekti ir 80% rodikliai. Tai milžiniškas skirtumas!
Paslaptis slypi energijos pavertimo procese. Kaitinamojoje lempoje metalinis siūlas kaitinamas iki 2500°C temperatūros, ir jis spindulių plačią elektromagnetinių bangų spektrą – nuo infraraudonųjų iki ultravioletinių. Tik maža dalis šių spindulių yra matoma šviesa.
LED kristale energija tiesiogiai verčiama šviesos fotonais, be jokių tarpinių procesų. Nereikia kaitinti jokių siūlų ar dujų. Šiluma vis tiek išsiskiria, bet daug mažiau. Be to, LED šviesa yra beveik monochromatinė – vienos spalvos, todėl energija nešvaistoma nereikalingiems spektro ruožams.
LED maitinimo ypatumai
LED nėra lemputė, kurią tiesiog įsuksi į lizdą. Tai puslaidininko prietaisas, kuriam reikia stabilios nuolatinės srovės. Kintamoji tinklo srovė LED tinka taip pat, kaip benzinas elektromobiliui.
Todėl kiekvienai LED lempai reikalingas maitinimo šaltinis – draiverис. Jis paverčia 220V kintamąją srovę į žemos įtampos nuolatinę srovę. Paprasčiausiose LED lempose draiverис yra integruotas į lempos korpusą. Profesionalaus apšvietimo sistemose naudojami atskiri, galingesni draiverai.
LED srovė turi būti tiksliai kontroliuojama. Per didelė srovė – LED perkaista ir genda. Per maža – šviečia silpnai. Geri draiverai turi apsaugą nuo įtampos šuolių, perkaitimo ir trumpojo jungimo. Pigūs draiverai dažnai ir yra LED lempų gedimų priežastis.
Dar vienas niuansas – LED yra poliarizuotas. Jis praleis srovę tik viena kryptimi. Jei prijungsite atvirkščiai – neveiks. Todėl LED juostose ir moduliuose visada pažymėti “+” ir “-” kontaktai.
LED spalvų pasaulis ir valdymas
Šiuolaikiniai LED gali keisti spalvas ir ryškumą realiu laiku. RGB LED turi tris kristaliukus – raudoną, žalią ir mėlyną. Keičiant kiekvienos spalvos intensyvumą galima gauti bet kokią spalvą.
RGBW LED dar turi ir baltą kristaliuką – tai leidžia gauti tikrą baltą šviesą, o ne mišinį iš trijų spalvų. RGBWW LED turi net du baltus kristaliukus – šiltą ir šaltą baltą šviesą. Taip galima keisti ne tik spalvą, bet ir šviesos “temperatūrą”.
LED valdymui naudojami PWM (impulso pločio moduliacijos) kontroleriai. Jie labai greitai įjungia ir išjungia LED – tūkstančius kartų per sekundę. Mūsų akys to nemato, bet keičiant įjungimo ir išjungimo santykį keičiasi ir LED ryškumas. 100% laiko įjungtas – maksimalus ryškumas, 50% – pusė ryškumo.
Praktinis LED panaudojimas ir patarimai
Renkantis LED lempas namams, atkreipkite dėmesį į šviesos temperatūrą. 2700K-3000K – šilta geltona šviesa, tinkama svetainei ir miegamajam. 4000K-5000K – neutrali balta, gera virtuvei ir darbo zonoms. 6000K ir daugiau – šalta mėlynai balta, tinka garažui ar sandėliui.
Šviesos srautas matuojamas lumenais (lm). 60W kaitinamoji lempa duoda apie 800 lm. LED lempa tokiam pat šviesos kiekiui sunaudoja tik 8-12W. Bet žiūrėkite ne į vatų skaičių, o į lumenus – tai tikrasis šviesos kiekio matas.
LED juostoms reikalingas tinkamas profilis ir difuzorius. Be jų matysite atskirų LED taškus, o ne tolygų šviesos srautą. Aliuminio profilis dar ir šilumą nuveda – LED tarnaus ilgiau.
Dimeriuojamoms LED lempoms reikalingi specialūs dimmeriai. Seni, kaitinamosioms lempoms skirti dimmeriai gali sugadinti LED draiverius. Ieškokite “LED compatible” ar “trailing edge” dimmerių.
Ateities technologijos šviesos srityje
LED technologijos nuolat tobulėja. Jau kuriami micro-LED – dar mažesni ir efektyvesni. Kvantinių taškų (quantum dot) LED gali duoti dar tikslesnę spalvų perdavimą. Organiniai LED (OLED) leidžia kurti lanksčius, net permatomus šviesos šaltinius.
Išmanieji LED gali būti valdomi internetu, keisti spalvas pagal paros laiką, reaguoti į muziką ar net rodyti informaciją. Li-Fi technologija naudoja LED ne tik šviesti, bet ir perduoti duomenis – internetas per šviesos spindulius.
Saulės elementų ir LED derinys leidžia kurti autonomiškus apšvietimo sprendimus. Dieną saulės elementas kaupia energiją, naktį LED šviečia. Jokių laidų, jokių sąskaitų už elektrą.
LED revoliucija tik prasidėjo. Šie maži puslaidininkių kristaliukai keičia ne tik tai, kaip mes apšviečiame pasaulį, bet ir kaip suvokiame šviesą apskritai. Nuo paprasčiausio kambario apšvietimo iki sudėtingiausių meno instaliacijų – LED suteikia galimybių, apie kurias anksčiau galėjome tik svajoti. O geriausia – jie ne tik gražūs ir funkcionalūs, bet ir tausoja mūsų planetą.