Valgusdioodi omadused ja ajalugu

LED valgustite tutvustus | 26. märts 2020

Valgusdiood ehk LED (inglise k. Light-Emitting Diode) on pooljuhtvalgusallikas. Valgusdioodi põhiosaks on legeeritud pooljuhtmaterjal. Valgus eraldub p-n siirdega pooljuhist pärivoolu läbi lastes, kui elektronide ja aukude rekombineerumisel eralduvad valguseosakesed ehk footonid. Seda nähtust nimetatakse elektroluminestsentsiks. Alalispinge abil genereeritakse aktiivsel kihil kindla spektriga valgus, mille värvsus oleneb kasutatavast materjalist ja mida edastatakse kas otse või peegeldununa. Põhiliselt kasutatakse eri pingetel saamaks kõiki värvitoone kuni valge valguseni välja.

Valgusdioodi ajalugu

Elektroluminestsentsi avastas juba 1907 aastal inglise eksperimentaator H.J. Round, 1927 aastal avaldas venelane Oleg Lossev vene, inglise ja saksa teadusajakirjades teate valgusdioodi loomisest, kuid selle praktilise kasutamiseni ta ei jõudnud. Esimese praktiliselt kasutatava punase kiirgusega valgusdioodi töötas 1962 aastal välja tollal General Electric Company alluvuses töötanud Nick Holonyak, keada peetaksegi ka „valgusdioodi isaks“.

Esialgu kasutati valgusdioode vaid indikaatorlampidena ja elektroonikaseadmete arvkuvaritel. Esimestel (värvilistel) valgusdioodidel puudus praktiliselt värviesitusvõime ja ka nende valgusviljakus oli liiga madal. Kui esimesed piisavalt eredad punased valgusdioodid ilmusid, hakati neid kasutama valgusfoorides ja autode stopptuledes. Sellele järgnes nende kasutamine väljapääsuvalgustites. Intensiivse rohelise valgusdioodi tulekul hakati ka neid kohe kasutama valgusfoorides. Efektiivse rohelise, sinise ja valge valgusdioodi turuletulek andis valgusdioodtehnika kasutamisele uue suuna.

Kuni 1968 aastani ei leidnud valgudioodid oma kõrge hinna (umbes 200 USA dollarit tükk) tõttu laialdast kasutamist, kuid juba 1970-ndatel langes nende hind masstootmise alates alla 5 USA sendi tükist. Esimesi tööstuslikke valgusdioode kasutati peamiselt indikaatorvalgustitena hõõg- ja neoonlampide asemel. Nende heledus oli piisav indikaatoritena kasutamiseks, kuid valgustamiseks nad veel ei kõlvanud. Esimese suure heledusega sinise dioodi (värvitemperatuuriga 4000 K kuni 11000 K) töötas välja Shuji Nakamura Nichia Corporation’ist. Tema valgusviljakus oli üle 100 korra kõrgem kui varajasematel sinisel ja rohelisel. Sinise valgusdioodi leiutamine viis varsti ka valge valgusdioodi loomiseni 1990-ndatel aastatel.

Valgusdioodi värvus

Valgusdioodi kiiratud värvus sõltub kasutatud pooljuhtmaterjalist. Nii näiteks kiirgab alumiinium-galliumarseniidist diood punast valgust, alumiinium-galliumfosfiidist diood rohelist ja indium- galliumnitriidist diood sinist valgust. Valge valguse saamiseks on kasutusel peamiselt kaks erinevat meetodit.

Esimesel meetodil saadakse valge valgus segades omavahel kolme eraldi valgusdioodi – punase, rohelise ja sinise valguse. Sellist meetodit nimetatakse RGB-süsteemiks. Selle süsteemi eeliseks on parem värviedastus ja võimalus muuta valguse värvust, puuduseks aga kallim hind ning kiirgusvõime järsk langus ning värvistabiilsuse kadumine kõrgematel temperatuuridel.

Teine, rohkem kasutatav meetod põhineb ühte värvi (enamasti sinise) valgusdioodi katmisel luminofooriga, milles osa valgust muutub lühema lainepikkusega valguseks, moodustades nähtavas alas enam-vähem pideva (tõsi küll, mitte väga ühtlase) spektriga kiirguse. Meetodi eeliseks on tootmise lihtsus ja odavus, puuduseks valgusdioodi madalam efektiivsus (vähem valgust tarbitud energia kohta) ja sinise osa üleküllus spektris. Samas saab erinevate luminofooride kasutamisega saavutada erineva värvustemperatuuriga (külm või soe valgus) valgusdioode.

Valgusdioodi eluiga

Valgusdioodid on tuntud oma pikaealisuse poolest. Suur hulk 1970-ndatel ja 80-ndatel toodetud valgusdioode töötavad tänapäevani. Valgusdioodide tööiga ulatub 50 000 kuni isegi 100 000 tunnini. Samas pole valgusdioodi tööiga nii üheselt määratud, kui näiteks hõõglambil. Kui hõõglambi tööiga lõppeb läbipõlemisega järsult, siis valgusdioodi äkiline läbipõlemine on suhteliselt harv juhus. Nimelt väheneb valgusdioodi kiirgusvõime aja möödudes tasapisi ja on kokkuleppe küsimus, millisest hetkest lugeda tema tööiga lõppenuks.

Peamiselt on kasutusel kaks kriteeriumi – L75, ehk aeg, mille möödumisel valgusdioodi kiirgusvõimest on säilinud 75% ja L50 (inglise k. „half-life“, eesti keeles tihti kasutatud kui „keskmine tööiga“) , ehk aeg, mille möödumisel valgusdiood on kaotanud pool oma kiirgusvõimest. Valgusdioodi tööiga sõltub tugevalt tema kasutamise tingimustest, nagu töövool ja keskkonna temperatuur ning võib kordades väheneda kui kasutada kõrgetemperatuurilistes keskkondades (näiteks saunas).