Referaat Valgusdioodid (0)

Sisekaitseakadeemia
Päästekolledž
…………….
………..
VALGUSDIOODID
Referaat
Õppejõud:
…………………
Tallinn 2014

SISUKORD

SISUKORD 1
SISSEJUHATUS 3
1MIS ON VALGUSDIOOD ? 4
2VALGUSDIOODIGA VALGUSTITE EHITUS 4
3VALGET VÄRVI VALGUSE LOOMINE VALGUSDIOODIDE ABIL 6
3.1Luminofoortehnoloogiad 6
3.2RGB meetod 7
4VALGUSDIOODIDE LIIGID 8
4.1Indikaatorvalgusdioodid 8
4.2Ülieredad valgusdioodid 8
4.3Võimsad valgusdioodid 10
4.4Valgusvõimsate valgusdioodidega valgustite eelised 10
KOKKUVÕTE 12
KASUTATUD ALLIKATE LOETELU 13
JOONISTE LOETELU 14

SISSEJUHATUS

Viimase kümnendi jooksul on üsna tõsiselt muutunud valgustite tüübid. Tavalist hõõglampi peetakse juba eilseks päevaks, kuna see jääb nüüdisaegsetele lampidele kõiges alla ja on lisaks sellele ka kõige tuleohtlikum. Kõigepealt vahetas selle välja kompaktne luminestsentslamp, seejärel valgusdioodlamp ja viimaks loodi orgaanilised valgusdioodid.
Huvi valgusdioodide vastu kasvab kiiremini kui nende kasutusala valgustehnikas. Tootjad ja tarbijad, müüjad ja ostjad , kõik on otsekui tardunud stardiasendisse, kartes teistest maha jääda. Üksnes disainerid kasutavad juba kõikjal valgusdioodide unikaalseid võimalusi. Ammu on möödas aeg, mil valgusdioodid huvitasid vaid teadlasi. Praegu on valgusdioodidest kuulnud juba kõik. Selliste lampide suhteliselt kõrge hind on veel takistanud nende kasutamist olmes, kuid räägitakse, et lähem tulevik on nende päralt. Võib aga ka juhtuda, et ootused on liialdatud. Antud töö eesmärk on seda uurida.

MIS ON VALGUSDIOOD?

Valgusdiood on pooljuhtseade , mis kiirgab mittekoherentset valgust, kui temast elektrivool läbi lastakse (joonis 1). Valgusdioodi tähistamiseks kasutatakse ka lühivormi LED (inglise keelest Light -Emitting Diode 'valgust kiirgav diood').
Joonis 1. Valgusdiood
Valgusdioodi töö aluseks on füüsikaline nähtus, mis kujutab endast valguskiirguse teket, kui elektrivool juhitakse läbi p-n-siirde. Valguse värvus (kiirgusspektri maksimumi lainepikkus) määratakse kasutatavate pooljuhtmaterjalide tüübiga, mis moodustavad p-n-siirde. Kiirguv valgus kuulub spektri kitsasse diapasooni, selle värvuskarakteristikud sõltuvad kasutatud pooljuhi keemilisest koostisest. Valgusdioodide peamised parameetrid on võimsus (1-100W), värvusomadused (ülieredad valgusdioodid võivad olla rohelist, sinist või muud värvi), valgustusnurk, kuumus, kaal ja energiatarbimine.

VALGUSDIOODIGA VALGUSTITE EHITUS

Valgustamiseks kasutatavad valgusdioodid peavad olema ühendatud süsteemi, kuhu kuluvad optika , draiverid, toiteallikad ja soojuse ärajuhtijad. Kõik nimetatud komponendid kuuluvad valgusseadmesse (joonis 2).
Valgusdioodisüsteemiga valgustuse projekteerijatel ja installeerijatel ei tule tõenäoliselt kunagi avada valgusseadmete korpust , just niisamuti nagu personaalarvuti kasutajal pole vajadust avada süsteemiplokki ega selle sisemusest aru saada. Mõnedes valgusseadmetes, mis on mõeldud lavavalgustuseks teatris, on ette nähtud komponentide vahetus ja remont paigalduskohal, kuid enamasti ei soovitata valgusdioodseadmeid lahti võtta: tootjad ei kiida seda heaks, see võib viia garantiiaja tühistamiseni. Õnneks lähevad valgusdioodidega valgusseadmed ja nende komponendid väga harva ribist välja. Reeglina remondivad või asendavad tootjad ise rivist välja läinud valgusdioodidega valgustusarmatuuri vastavalt garantiitingimustele või muude kokkulepete alusel.
Siiski on väga kasulik teada, mis on «musta kasti» sees. Valgusdioodidega valgusseadme peamised komponendid on:

• valgusdioodid ja elektroonika , mis tagab nende töö;
  
• mikroprotsessorjuhtimisega toiteallikas , pingemuundurid ja juhtimisskeemid;
  
• seadmed soojuse ärajuhtimiseks (ventilatsiooniavad ja radiaatorid);
  
• läätsed ja seadmed valguse suunamiseks, segamiseks ja hajutamiseks;
  
• nähtava valguse mitmesuguste värvitoonide saamine.
  

Joonis 2. Valgusdioodseade
Valgusdioodid, mis on valmistatud mitmesugustest pooljuhtmaterjalidest, kiirgavad mitmesuguse värvusega valgust. Eri materjalid vabastavad eri lainepikkusega footoneid, mis on vastavalt nähtav valguse eri värvustega (joonis 3).
Joonis 3. Valge ja musta värvuse loomine
Esimestes valgusdioodides kasutati niisuguseid pooljuhtmaterjale nagu galliumfosfiid (GaP), AIGaAs kolmikühend ja GaAsP kolmikühend. Need andsid kiirgust punasest kuni kollakasrohelise värvuseni. Praegu kasutatakse GaP, AIGaAs ja GaAsP ainult indikaatorvalgusdioodide valmistamiseks, kuna tugev vool, mis on vajalik kiirguse saamiseks, ja suur soojus , mis nendes materjalidest valmistatud valgusdioodide töötamise ajal eraldub, lühendab oluliselt nende kasutusaega.
Valgustuseks mõeldud valgusdioodide tootmiseks kasutatakse uusi materjale, mis suudavad vastu pidada vajalikule voolutugevusele, kõrgele kuumusele ja suurele niiskusele. Suure eredusega punastes ja merevaiguvärvi valgusdioodides kasutatakse alumiinium -indium- gallium pooljuhte (AllnGaP), sinistes ja rohelistes indium-galliumnitriid-pooljuhte (InGaN).
Üks meetod « keeruliste » värvuste saamiseks on ühes valgustusseadmes üheskoos mitut tüüpi valgusdioodide kasutamine (joonis 4).
Joonis 4. Värvuste saamise pooljuhtmaterjalid valgusdioodides
AllnGaP ja InGaN katavad peaaegu kogu kõrge intensiivsusega valgusdioodide nähtava kiirguse spektri, välja arvatud kollakasroheline ja kollane selles spektri osas, mille lainepikkus on 550–585 nanomeetrit (nm). Värvused, mis sellele lainepikkuse vahemikule vastavad, võib saada, kui kasutada üheskoos rohelisi ja punaseid valgusdioode.

VALGET VÄRVI VALGUSE LOOMINE VALGUSDIOODIDE ABIL

Valge valguse loomiseks valgusdioodide abil on olemas kaks moodust.

Luminofoortehnoloogiad

Luminofoortehnoloogiad valge valguse saamiseks eeldavad ühe lühilainekiirguse, näiteks sinise või ultravioletse valgusdioodi kasutamist, kombinatsioonis kollase luminofoorkattega. Valgusdioodi genereeritud sinise või ultravioletse kiirguse footonid kas läbivad luminofoorkihi ilma muutusteta või muutuvad selles kollast värvi footoniteks.
Joonis 5. Valge valguse saamine Joonis 6. Valge valguse loomine
Sinist ja kollast värvi footonite kombinatsioon loob valge valguse (joonis 5, 6).

RGB meetod

RGB meetod annab võimaluse luua täpse varjundiga valge valgus, millel on omadus rõhutada valgustatavaid värvusi. RGB meetodi kasutamisel saadakse valge valgus punase, rohelise ja sinise valgusdioodi kiirguse liitmisel. Valge värvuse loomiseks vajab RGB aga oluliselt keerulisemat seadet , kuna ühes allikas tuleb kasutada kolme valgusdioodi. Seejuures annab saadud valgus ebaloomulikult edasi pastelltoone, see on RGB meetodiga saadud valge valguse värviedasiandmise madala indeksi peamine tagajärg.
Valged luminofoorvalgusdioodid tagavad parema värvuse edasiandmise kui valged RGB-valgusdioodid, enamjaolt luminestsentsvalgusallikatega võrreldava. Valgetest RGB-valgusallikatest erinevad nad ka kõrge energiatõhususe poolest. Just kõrge energiatõhusus ja hea värvuse edasiandmine muudavad luminofoortehnoloogiad eelismeetodiks valge valguse saamisel.
Valgete valgusdioodide tootmisprotsessis kantakse valgusdioodi kristallile luminofoori kiht. Valgusdioodist kiirguva valge värvuse varjund või värvustemperatuuri määrab valguslaine pikkus, mida väljastab sinine valgusdiood läbi luminofoori.
Valgusdioodi kiirguse värvustemperatuur sõltub luminofoorkihi paksusest. Tootjad püüavad minimiseerida värvusvarjundeid, kontrollides rangelt luminofoorikihi paksust ja koostist.

VALGUSDIOODIDE LIIGID

Indikaatorvalgusdioodid

Indikaatorvalgusdioodid on kõige kompaktsemad ja üsna suure valgusjõuga (suhteliselt) ― kuni sada mcd. Voolu töövahemik on umbes 20 mA. Need valgusdioodid on standardkorpuses, varustatud väljaviikudega, mille aluse diameeter on kolm või viis millimeetrit. Kõige sagedamini kasutatakse optilistes indikaatorites.
Indikaatorvalgusdioode (joonis 7) kasutatakse pinnamontaažil laialdaselt kuvarites peamise kiirgava elemendina vedelkristallmatriitside valgustamiseks jne. Nende peamised arengusuunad on valgustõhususe ja töökindluse suurendamine .
Joonis 7. Indikaatorvalgusdiood
Niisuguse konstruktsiooniga valgusdioodide eripära on võimalus automatiseerida nii dioodide kui nende aluste komplekteerimist.

Ülieredad valgusdioodid

Ülieredad valgusdioodid (joonis 8) koosnevad väikeste ja keskmiste mõõtmetega pooljuhtkristallidest (kuni 500 mikromeetrit).
Joonis 8. Ülieredad valgusdioodid
Nende valgusomadused on üsna head – kuni kümme mcd, valgusvoog (valget värvi) kuni 30 lm ja isegi rohkem. Voolu töövahemik võib olla kuni 100 mA. Ülieredate valgusdioodide peamised kasutusalad:

• mobiilseadmed;
  
• tähe- või numbritablood ja -displeid;
  
• valgusreklaam;
  
• transpordivahendid ;
  
• aktiivsed liiklusmärgid ja tänavasildid;
  
• valgusfoorid ja signaalmärgid;
  
• maastiku- ja interjöörivalgustus;
  
• erivalgusallikad.
  

Valgusreklaamides on ülieredad valgusdioodid laialt levinud tänu nende kompaktsusele koos kõrge eredustaseme ja madala energiatarbimisega. Vähetähtis pole sealjuures seegi, et ülivõimsa valgusdioodi kasutusaeg on kuni 100000 tundi. See võimaldab vähendada kulutusi reklaamstendi teenindamiseks viia miinimumini purunemisrisk.
Transpordivahendites on ülieredad valgusdioodid teised valgusallikad täiesti välja tõrjunud. Autos kasutatakse ülieredaid valgusdioode salongi ja armatuurlaua valgustamiseks, stopptuledes ja sageli ka suunatuledes. Aktiivsete tänavasiltide ja liiklusmärkidega on ülieredatel valgusdioodidel seotud eraldi lugu. Alustanud oma teed selles valdkonnas valgusfoorides, muutusid ülieredad valgusdioodid peagi aktiivselt kasutatavateks mitmesugustes teetähistes ja liiklusmärkides. Olulist rolli mängis siin asjaolu, et ereda päikesevalguse korral ei anna ülieredad valgusdioodid peaaegu üldse helke ja jäävad näha.
Interjöörivalgustus pole samuti kõrvale jäänud. Valgusdioodvalgusteid, mis on toodetud ülimoodsate valgustdioodide alusel, kasutatakse kõikjal, sealjuures mitte üksnes kodudes, vaid ka kaubanduskeskustes.
Kõik ülaltoodu annab aluse eeldada, et lähimal ajal ülieredate valgusdioodide asend üksnes tugevneb ja nende kasutusala laieneb .

Võimsad valgusdioodid

Võimsad valgusdioodid (joonis 9) on suuremate mõõtmetega, nende valgustootlikkus on üle 50 lm/W (valge valgus). Võimsus on võrdne ühe vatiga (350 mA voolu juures). Võimsate valgusdioodide kasutusala on viimasel ajal oluliselt laienenud . Praegu kasutatakse võimsaid valgusdioode juba edukalt transpordis , autotööstuses, kus valgusdioodid juurutati gabariittuledesse, stopptuledesse ja muudesse nüüdisautode lampidesse. Võimsate valgusdioodide tootmistehnoloogia kiire areng võimaldas LED-seadmetel jõuda valgustusseadmetesse valgustustehnika alal, enam pole kahtlustki, et võimsad valgusdioodid suruvad varsti lõplikult välja vananenud valgusallikad, sealhulgas ka säästulambid.
Joonis 9. Võimas valgusdiood

Valgusvõimsate valgusdioodidega valgustite eelised

Valgusdioodsüsteemid suudavad juba praegu tagada rea eeliseid traditsiooniliste valgustussüsteemide ees:

Valgusdioodide energiatõhusus võib olla viis korda kõrgem kui hõõg- ja halogeenlampidel, see on võrreldav luminestsentslampide omaga .

Valgusdioodvalgusallikad on suunatud ja kiirgavad valgust ainult vajalikus suunas.

Valgete valgusdioodide valguse kvaliteet on võrreldav kõrgrõhugaaslahenduslampide ja luminestsentslampide valguskvaliteediga.

Oluliselt on kasvanud valgusdioodide kasulik kasutusaeg traditsiooniliste valgusallikatega võrreldes. Selle tulemusena vähenevad vahetus- ja teeninduskulud. Näiteks halogeenlampe tuleb vahetada 12–20 korda sagedamini kui valgusdioodlampe.

Erinevalt traditsioonilistest valgusallikatest võib valgusdioode kasutada isegi pärast valgusvoo olulist vähenemist. Seejuures lähevad nad väga harva täielikult rivist välja.

Valgusdioodid ei tekita infrapunakiirgust, neid võib paigaldada termotundlikesse piirkondadesse, inimeste ja materjalide lähedusse, samuti sinna, kuhu traditsiooniliste valgusallikate paigaldamine võib olla ohtlik.

Erinevalt luminestsentslampidest ei kiirga valgusdioodid kahjulikku ultraviolettkiirgust, mis lõhub materjale ja kaotab värvused, see muudab valgusdioodid ideaalseks valguslahenduseks kaupluste vitriinides, muuseumides ja kunstigaleriides.

Valgusdioodvalgustusseadmed genereerivad soojust, kuid nende poolt väljastatavad valguskimbud jäävad külmaks. Hästi konstrueeritud soojuse ärajuhtijaga valgusdioodvalgustusseadmed kaitsevad kasutajaid üleliigse ja kahjuliku soojuse eest.

Valgusdioodvalgusallikad võivad töötada madala temperatuuri juures ja taluda vibratsiooni, see võimaldab kasutada neid karmides tingimustes, kuhu pole võimalik paigaldada ja kus pole võimalik teenindada traditsioonilisi lampe . Valgusdioodides pole liikuvaid osi ega hõõgniite, mis võivad kergesti puruneda ja rivist välja minna.

LRGB-valgustid ja seadmed häälestatava valge valgusega võivad hõlpsasti toota miljoneid värvusi ja saavutada erinevaid värvustemperatuure värvusfiltreid kasutamata.

Valgustuseks mõeldud valgusdioodsüsteemide töö juhtimine võib toimuda digikontrollerite abil, mis tagavad maksimaalse tõhususe ja suure paindlikkuse.

Valgusdioodvalgustusseadmed ei vaja aega soojenemiseks ega väljalülitumiseks, puudub toite tsüklilisuse ja dimmimise kahjulik mõju.

Kvaliteetselt välja töötatud valgustamiseks mõeldud valgusdioodsüsteemid tagavad paigaldamise lihtsuse ja paindlikkuse, ei nõua täiendavaid toiteallikaid – piisab tavalisest elektrijuhtmestikust.

Erinevalt luminestsentslampidest, mis sisaldavad elavhõbedat ning nõuavad spetsiaalset käitlemist ja utiliseerimist, ei sisalda valgusdioodid elavhõbedat ja on keskkonna jaoks ohutud .

KOKKUVÕTE

Kõigest ülaltoodust järeldub, et antud hetkel pole midagi paremat valgusdioodvalgustusest. Mis siis takistab selle laialdast levikut? Inimeste võrdlemisi madal teadlikkus selle tehnoloogia osas, samuti hind! Praegu on valgusdioodi väljastatava ühe luumeni hind kümme korda kõrgem kui halogeenlambil, kuid spetsialistid kinnitavad, et lähema 2-3 aasta jooksul see näitaja langeb. Tuleb ära märkida, et nii või teisiti liigutakse maailmas paljudes riikides hõõglampide tootmise ja müügi keelamise suunas, mis loob eeldused uute tehnoloogiate kasutamiseks sh valgusdioodvalgustuses.

KASUTATUD ALLIKATE LOETELU

Джонатан В., Сполдинг Ч. Справочник. Светодиодное освещение. Принципы работы, преимущества и области применения. Спецэлектросервис kodulehelt http://specelec.ru/reference-book.html välja otsitud 04.12.2013
http://www.svetservice.com.ua/stati/funkcionalnost-svetodiodnix-svetilnikov välja otsitud 04.12.2013

JOONISTE LOETELU

Joonis 1. Valgusdiood
Joonis 2. Valgusdioodseade
Joonis 3. Valge ja musta värvuse loomine
Joonis 4. Värvuste saamise pooljuhtmaterjalid valgusdioodides
Joonis 5. Valge valguse saamine
Joonis 6. Valge valguse loomine
Joonis 7. Indikaatorvalgusdiood
Joonis 8. Ülieredad valgusdioodid
Joonis 9. Võimas valgusdiood