LED

נורת לד (LED)
(הופנה מהדף לד)

LEDאנגלית: Light-Emitting Diode - דיודה פולטת אור או בשמה העממי "לד") היא דיודה הפולטת אור בספקטרום צר בעת מעבר זרם חשמלי. דיודות מסוג זה הן הרכיב העיקרי בנוריות חיווי ובנורות LED, והן נמצאות גם בטלפונים סלולריים ובצגי טלוויזיה ומחשב.

דיודות אור בשלושת הצבעים הבסיסיים

היסטוריהעריכה

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

ב-1957 דיווח רובין בראונסטין (אנ'), 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 (אנ') ואולג לוסב (אנ') 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. עם ההתפתחות הטכנולוגית ניתן לייצר דיודות שיפלטו אור בצבעי הספקטרום הנראה, בתחום התת-אדום ובתחום העל-סגול. כדי לייצר אור לבן, נדרש היה פיתוח של LED לאור כחול[2]. ב-1972, הרברט פאול מארושקה וואלי רהינס מאוניברסיטת סטנפורד, פיתחו את הדיודה הראשונה שפולטת אור בצבע כחול מסוג גליום ניטריד[3][4]. בשנת 1989, חברת Cree (אנ') 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 (אנ'), 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 LED 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].

למרות ששוג'י נקמורה, הירושי אמאנו, ואיסאמו אקסאקי אינם אלו שהמציאו את נורת ה-LED הכחולה, אלא תרמו להפיכתה למוצר מסחרי, 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 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 (אנ').

עקרון הפעולהעריכה

 
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 ממתח קדמי מצד ה-p לצד ה-n, אך לא יזרום בכיוון ההפוך כאשר הדיודה במתח אחורי. נושאי מטען (אלקטרונים וחורים) יסחפו אל תוך הצומת כתוצאה מהמתח 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־LEDעריכה

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

 
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.

ה-LED איננו מסיים את חייו בדרך כלל באופן פתאומי כמו נורת להט, אלא מספק פחות ופחות אור לאורך זמן.

יתרונות של השימוש ב-LEDעריכה

  • בהשוואה לנורות ליבון, הלוגן נורות פלואורסצנטיות קומפקטיות, נורות LED הן הנורות החשמליות היעילות ביותר מבחינת כמות האור ליחידת הספק[15][16][17][18].
  • נורות ה-LED הן היעילות ביותר מבחינת ניתוח מחזור חיים (Life Cycle Assessment). כולל ייצור, שינוע, שימוש, והשפעות סוף השימוש הכוללות טיפול בחומרים המזהמים[19][20][21].
  • 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 השני של המאה ה-21)[22][23].
  • 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-LEDעריכה

 
ספקטרום ה-LED הלבן.
 
ספקטרום ה-LED הלבן
  • רבים מגופי התאורה המבוססים על LED, מתחילים להבהב או לרצד בתדר אקראי בסיום חייהם[24].
  • תפוקת לומן נמוכה בהשוואה לנורות פריקה כמו נורות נתרן או נורות מתכת הליד.
  • 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[25][26].
  • ריצוד חזק ובולט הרבה יותר בהשוואה לנורות פלאורוסצנטיות רגילות וקומפקטיות וכן נורות פריקה אחרות המופעלות בתדר הרשת[27][28].
  • 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).
  • שימוש בחומרים ומתכות רעילות שאין ברוב סוגי הנורות (למעט נורות פלואורסצנטיות קומפקטיות) כמו עופרת, גאליום, אבץ ועוד, לייצור נורת ה-LED והמעגל הדרוש להפעלתה, הדבר גורם לזיהום בעת ייצורן ובעת מיחזורן, כמו גם בהשלכתן, על פני סוגים אחרים של נורות[29][30].
  • 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[31].
  • מחקרים חושדים כי ריכוז האור הכחול שבספקטרום ה-LED הלבן, יכול להביא לניוון מקולרי של העיניים ולהזדקנות מוקדמת של הרשתית[32][33][34].
  • ריכוז האור הכחול שבספקטרום ה-LED הלבן, עלול לגרום לזיהום אור הרבה יותר גדול בתאורת חוץ, בהשוואה למקורות תאורה אחרים[35][36][37].
  • 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, ומגדיל כתוצאה מכך את תדירות החלפתם של גופי התאורה.

מיחזורעריכה

כמו בכל מוצר אלקטרוני, נורות וגופי תאורה של LED מכילות רכיבים אלקטרונים רבים שייצורם מזהם מאוד את הסביבה והן מהוות פסולת אלקטרונית בעת השלכתן, עקב כך יש לפנות אותן למיחזור אלקטרוניקה[38][39][40][30].

ראו גםעריכה

קישורים חיצונייםעריכה

  מדיה וקבצים בנושא LED בוויקישיתוף

הערות שולייםעריכה

  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. ^ "One in four 'long-life' bulbs doesn't last as long as makers claim". Mail Online. בדיקה אחרונה ב-5 באוקטובר 2017. 
  8. ^ Fallon, Sean. "LED Bulb Life Spans Are Not What They Seem". Gizmodo (באנגלית). בדיקה אחרונה ב-5 באוקטובר 2017. 
  9. ^ "Are your LED light bulbs burning out too soon? - Which? Conversation". Which? Conversation (באנגלית). 20 בינואר 2014. בדיקה אחרונה ב-5 באוקטובר 2017. 
  10. ^ The big lie about LED lighting, eeNews Europe, ‏2014-12-31 (באנגלית)
  11. ^ עידו אפרתיהוכרזו 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). 8 באוקטובר 2014. בדיקה אחרונה ב-11 באוקטובר 2016. 
  14. ^ יובל מן, להתראות למקרן: מסך ה-LED מגיע לקולנוע, באתר ynet, 1 באפריל 2019
  15. ^ Philips breaks 200 lumens per watt barrier
  16. ^ LED Efficacy: What America Stands to Gain
  17. ^ Charles Koekemoer, Here are some lumen per watt (LPW) targets for common LEDs, insights.regencylighting.com (באנגלית)
  18. ^ Lindsay Jones, Lighting Insights – Efficiency, Efficacy, and Magic Number 683, Carbon Lighthouse, ‏2017-02-15 (באנגלית)
  19. ^ Life-Cycle Assessment of Energy and Environmental Impacts of LED Lighting Products
  20. ^ Updating the LED Life Cycle Assessment
  21. ^ A comparative life cycle assessment of luminaires for general lighting for the office – compact fluorescent (CFL) vs Light Emitting Diode (LED) – a case study
  22. ^ One in four 'long-life' bulbs doesn't last as long as makers claim
  23. ^ The big lie about LED lighting lifetime | (באנגלית)
  24. ^ Andreas Spiess (17 באפריל 2016), #55 LABREP #1: Flickering 100 Watt LED Lamp/Floodlight Repair, בדיקה אחרונה ב-16 ביוני 2019 
  25. ^ "Super-efficient street lights are taking over the world — and they could be terrible for us". Business Insider. בדיקה אחרונה ב-11 במאי 2018. 
  26. ^ 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
  27. ^ 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). בדיקה אחרונה ב-19 במאי 2018. 
  28. ^ Wilkins, Arnold J. "The scientific reason you don’t like LED bulbs — and the simple way to fix them". The Conversation (באנגלית). בדיקה אחרונה ב-19 במאי 2018. 
  29. ^ New research shows CFLs and LED light bulbs have higher toxicity and resource depletion than incandescent bulbs – Electronics TakeBack Coalition, www.electronicstakeback.com
  30. ^ 1 2 Are waste LEDs hazardous? - European Commission
  31. ^ Light Impacts: Science News Online, May 27, 2006, ‏2007-05-01
  32. ^ Tim Lougheed, EHP – Hidden Blue Hazard? LED Lighting and Retinal Damage in Rats, ehp.niehs.nih.gov, ‏מרץ 2014
  33. ^ Texyt, Blue LEDs: A health hazard? | Texyt, texyt.com, ‏יום שני, 18:13, 15/1/2007
  34. ^ LED light can damage eyes, health authority warns, medicalxpress.com (באנגלית)
  35. ^ "These Energy-Saving Bulbs Are Making One Pollutant Much Worse". 22 בנובמבר 2017. בדיקה אחרונה ב-25 באפריל 2018. 
  36. ^ "The unfortunate side effect of LED lighting". The Verge. בדיקה אחרונה ב-25 באפריל 2018. 
  37. ^ Jan Hattenbach, The Lost LED Revolution: Light Pollution Is Increasing, Sky & Telescope, ‏2017-11-22 (באנגלית)
  38. ^ Are Light Emitting Diodes (LED) e-waste? – | be Waste Wise (באנגלית)
  39. ^ theresa.luger, LED Lamps Recycling Technology for a Circular Economy — LED professional - LED Lighting Technology, Application Magazine, www.led-professional.com (באנגלית)
  40. ^ Recycling LEDs Becomes a Pressing Issue - LEDinside, www.ledinside.com (באנגלית)