דיודה פולטת אור

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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 וואלי רהינס מאוניברסיטת סטנפורד, פיתחו את הדיודה הראשונה שפולטת אור בצבע כחול מסוג גאליום ניתריד[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 נאקאמורה, 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 ניצולת אנרגיה 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], ועוצמת התאורה שלהן חלשה מזו המוצהרת על ידי היצרן.

למרות ששוג'י נאקאמורה, 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[10]. 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[11], שאיפשרה את פיתוח הנורה הפלואורסצנטית ונורות פריקה אחרות, ניק הולונייק ואולג לוסב, ממציאי נורת ה-LED הראשונה שפלטה אור בתחום האור הנראה[12], וכן הרברט פאול מארושקה וואלי רהינס, ממציאי 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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

רמזור מופעל בתאורת LED
פנסי LED של מכונית אאודי A4
  • נוריות בקרה
  • נוריות בשלט רחוק
  • הדפסה (חלק מהמדפסות הקרויות "לייזר" משתמשות למעשה ב-LED)

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • 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)[13].
  • נצילות אורית של 20-100 לומן לוואט.
  • התחממות גבוהה ביחס לגודלו אך אינה משמעותית במגע.
  • 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.
  • כיוון שהספקטרום שלו צר סרט, ה-LED נוח בשימושים צבאיים מכיוון שהוא לא נראה באמצעים מגבירי אור כוכבים.

חסרונות של השימוש ב-LED[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • 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, ויכול לגרום לצרכן להתבלבל ולחשוב שהמנורה עצמה חלשה מדי ולהחליף אותה למנורה בעל הספק גבוה יותר ובכך להגדיל את צריכה האנרגיה.
  • תפוקת אור נמוכה בהשוואה לנורות פריקה (בולט במיוחד בתאורת כבישים ורחובות, וכן תאורת הצפה).
  • סינוור רב בהשוואה למקורות אור מלאכותיים אחרים בשל היות אורו של ה-LED מרוכז מנקודה אחת קטנה (בשימושי תאורה כללית).
  • רגישות גבוהה לתנאי חום גבוהים (למשל בתאורת פנים של תנורי אפייה), המתבטאת בירידה דרמטית בנצילות האורית וקיצור אורך חיי ה-LED.
  • חוסר עמידות בתנאי לחות קיצוניים.
  • ריבוי חומרים ומתכות רעילות שאין בנורות מסוגים אחרים כמו עופרת, גאליום, אבץ ועוד, לייצור נורת ה-LED והמעגל הדרוש להפעלתה, דבר שמגביר את הזיהום בשעת ייצור נורות ה-LED ובמיחזורן כמו גם בהשלכתן, על פני סוגים אחרים של נורות[14]
  • 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[15].
  • מחקרים חושדים כי ריכוז האור הכחול שבספקטרום ה-LED הלבן, יכול להביא לניוון מקולרי של העיניים[16][17].
  • ריכוז האור הכחול שבספקטרום ה-LED הלבן, עלול לגרום לזיהום אור הרבה יותר גדול בתאורת חוץ, בהשוואה למקורות תאורה אחרים.
  • חוסר מודולריות בגופים עם דיודות LED שיכול לקצר את אורך החיים שלהם: 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.

מיחזור[עריכת קוד מקור | עריכה]

נורת ה-LED מכילה בתוכה רכיבים אלקטרוניים רבים לשם פעולתה התקינה, שכוללים מתכות רעילות מאוד (כמו גאליום, אבץ, עופרת, ארסן, ועוד), שחדירתן לקרקע ולמי התהום יכולה לגרום יותר נזק לסביבה וזיהום קרקע ומים מאשר הכספית בנורות פלאורוסצנטיות. כמו כן, המוליכים למחצה שנעשה בהם שימוש לייצור ה-LED עצמו, הם גם כן רעילים ומזיקים לסביבה בעת השלכת הנורות. לכן אין להשליך את הנורות יחד עם שאר האשפה, אלא לפנות אותן למיחזור אלקטרוניקה.[18]

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא דיודה פולטת אור בוויקישיתוף

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ "Nobel Prize: Inventor of red LED criticises committee for overlooking". The Independent (באנגלית)‎. 8 באוקטובר 2014. בדיקה אחרונה ב-11 באוקטובר 2016. 
  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. בדיקה אחרונה ב-11 בינואר 2017. 
  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. ^ http://www.dailymail.co.uk/news/article-2546363/The-great-LED-lightbulb-rip-One-four-expensive-long-life-bulbs-doesnt-like-long-makers-claim.html
  8. ^ http://gizmodo.com/5151865/led-bulb-life-spans-are-not-what-they-seem
  9. ^ http://conversation.which.co.uk/energy-home/led-light-bulbs-ikea-tcp-life-span/
  10. ^ עידו אפרתי, הוכרזו הזוכים בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2014 - מפתחי טכנולוגיית ה-LED, באתר הארץ, 7 באוקטובר 2014
  11. ^ The electric arc, archive.org
  12. ^ "Nobel Prize: Inventor of red LED criticises committee for overlooking". The Independent (באנגלית)‎. 8 באוקטובר 2014. בדיקה אחרונה ב-11 באוקטובר 2016. 
  13. ^ One in four 'long-life' bulbs doesn't last as long as makers claim
  14. ^ http://www.electronicstakeback.com/2013/01/16/new-research-shows-cfls-and-led-lightbulbs-have-higher-toxicity-and-resource-depletion-than-incandescent/
  15. ^ Light Impacts: Science News Online, May 27, 2006, ‏2007-05-01
  16. ^ Tim Lougheed, EHP – Hidden Blue Hazard? LED Lighting and Retinal Damage in Rats, ehp.niehs.nih.gov, ‏מרץ 2014
  17. ^ Texyt, Blue LEDs: A health hazard? | Texyt, texyt.com, ‏יום שני, 18:13, 15/1/2007
  18. ^ Recycling LEDs Becomes a Pressing Issue - LEDinside, www.ledinside.com (בenglish)