Mis on LED ?

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.

Pisut ajaloost.

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 jr. Teda peetaksegi „valgusdioodi isaks“.
Kuni 1968 aastani ei leidnud valgusdioodid 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 töötas välja Shuji Nakamura Nichia Corporation’ist. 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. Samal meetodil põhineb aga ka nn. COB-LED’i ehitus, kus ühel alusplaadil on suhteliselt lähestikku paigutatud kümneid või isegi sadu LED-kristalle. See tagab parema soojuse ärajuhtimise, mistõttu on võimalik toota suurema valgusviljakuse ja efektiivsusega valgusallikaid.

Valgusdioodi eluiga.

Valgusdioodid on tuntud oma pikaealisuse poolest. Suur hulk 1970ndatel ja 80ndatel 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. Muidugi tuleb nüüd kõigil meelde juhus, kus poest koju toodud LED lamp peagi “läbi põles”. Siin aga pole enamasti tegemist valgusdioodi läbipõlemisega, vaid hoopis lambi soklisse mahutatud miniatuurse toiteploki ülesütlemisega. Ka võimsamate LED’ide korral, mida kasutatakse professionaalses valgustehnikas, tuleks jälgida seda, et LED’e vooluga varustav toiteplokk poleks see koht, kus tootja on otsustanud kokku hoida. Tihti reklaamib tootja, et valgustisse on paigaldatud tuntud firma (näiteks Cree, Osram) kvaliteetsed ja pikaealised LED’id, samal ajal on aga toiteallikas kasutatud kõige odavamaid komponente ning on selge, et esimesena ütleb üles just viimane, põletades halvimal juhul läbi ka LED’id.
Õigesti projekteeritud seadmes väheneb valgusdioodi kiirgusvõime tegelikult aja möödudes tasapisi ja on kokkuleppe küsimus, millisest hetkest lugeda tema tööiga lõppenuks. Peamiselt on kasutusel kaks kriteeriumi – L70, ehk aeg, mille möödumisel valgusdioodi kiirgusvõimest on säilinud 70% ja L50 (inglise k. „half-life“, eesti keeles tihti tõlgitud ka 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 ja võib väheneda halvasti konstrueeritud toiteallika või jahutusradiaatori korral ja/või kõrgetemperatuurilistes keskkondades kasutamisel kordades

Eksiarvamused LED kohta.

Mõned valgusdioodide kohta levinud väärarvamused:

Esiteks: LED’id on kõige suurema võimsusühiku kohta tekkiva valgushulgaga seadmed. Tegelikult on tavaline nn “säästulamp”, mis küll LED lampide odavnemise ja ka keskkonnakaalutlustel on suuresti tavakasutusest taandunud, selles osas LED lambiga täiesti võrreldav, tänavavalgustuses kasutatavad gaaslahenduslambid aga isegi ületavad enamikku tavakasutuses LED’e. Muidugi on LED’id tunginud ka tänavavalgustusse, sest neil on muid eeliseid ja võimalusi kokkuhoiuks, näiteks süttivad nad kiiresti ja neid saab lihtsalt “dimmida”, mis lubab luua liikumisanduritega valgustussüsteeme. LED valgusallikaga seade ei koosne mitte ainult valgusdioodist endast, vaid sisaldab ka toiteplokki, mis muundab võrgupinge LED’ile sobivaks. Kehvemate toiteplokkide kasutegur võib olla isegi vaid 85% (parimatel ja kallimatel kuni 99%), mille tõttu toiteplokk võib vähendada kogu seadme kasutegurit kuni 15%. Tuleb ka silmas pidada, et vastupidiselt hõõglampidele ei saa LED lampide valgusviljakust täpselt hinnata nende võimsuse järgi, mistõttu on ka kodukasutuseks mõeldud lampidel tänapäeval tähtsaimaks parameetriks mitte võimsus vattides, vaid valgusvoog luumenites. Põhjuseks on see, et pooljuhtide tootmisprotsess pole nii stabiilne kui hõõglampide tootmisel ja samalt tootmisliinilt tuleb erineva valgusviljakusega LED’e. Tootmisprotsessi käigus neid testitakse, ja jagatakse kvaliteediklassidesse. Need LED’id, mis vastavad standardile, lähevad müüki tootjafirma enda nime alt ja neil on garanteeritud vastavus väljalubatud parameetritele. Need LED’id aga, mis mingile parameetrile ei vasta, müüakse odavalt edasi kolmandatele tootjatele, kes neist odavama klassi valgusteid valmistavad. Nii on isegi sama tehase toodetud sama võimsusega LED’id erineva valgusviljakusega, rääkimata erinevates tehastes toodetutest. Sealjuures tekib tuntud tootja väljapraagitud LED’e kasutavatel tootjatel muidugi kiusatus reklaamida, et ka tema tootes on kasutatud tuntud firma LED’e, kuigi tegelikkuses jääb seadme valgusviljakus väiksemaks. Lisaks tasub valgusseadme ostmisel ka jälgida, mis ühikutes seda iseloomustatakse, kas valgusvooga luumenites või valgustugevusega kandelates. Nimelt, kui seadme poolt kiiratava valguse ruuminurk jääb alla ühe steradiaani (mis vastab umbes 65 kraadisele tasapinnalisele nurgale), on valgustugevus kandelates suurem number kui valgusvoog luumenites (mida väiksem nurk, seda rohkem) ja loomulikult soovib iga tootja näha oma reklaamlehel suuremaid numbreid.

Teiseks: LED’id praktiliselt ei kuumene, nende elektriline kasutegur on ligi 100%. Tegelikult ei ületa LED’i elektriline kasutegur (toiteallikast tarbitud energia ja kiiratud valgusenergia suhe) 50-60% , sedagi uusimate (ja kalleimate) LED’ide korral ehk siis vähemalt pool tarbitud energiast läheb soojuseks. Hõõglambil muidugi eraldub soojust veelgi rohkem, kuid hõõglamp talub kordades suuremaid temperatuure, kui LED. Kodukasutuses olevate alla 10W LED’ide korral pole toatemperatuuril see väga suur probleem, kuid suuremate võimsuste korral tuleb tekkinud soojuse ärajuhtimiseks kasutada suuri radiaatoreid (ehitusprožektoritel näiteks terve korpus) või professionaalse valgustehnika puhul sundventilatsiooni (ventilaator).

Siit jõuame kohe kolmanda eksiarvamuseni: LED valgustid on väga sobilikud sauna valgustuseks. Tegelikult üle 70 kraadises keskkonnas ei tohiks LED’e kasutada – eluiga väheneb drastiliselt. Ehk siis – kui saunas, siis põranda lähedal või pole mõtet oodata pooltki lubatud elueast. Sauna sobib paremini kiudoptika, mille tarbeks on küll samuti saadaval LED’idega valgusallikaid, mille saab aga paigutada jahedamasse kohta.

Neljandaks: LED’ide tööiga on 100 000 tundi ja rohkemgi. Tegelikult lubatakse võimsate LED’ide (1W ja võimsamad) keskmiseks elueaks enamasti kuni 50 000 tundi. Keskmine eluiga on aga aeg, mille möödudes LED’id on kaotanud 30% – 50% oma kiirgusvõimest. Praktikas muidugi enamasti ei õnnestu sellist tööiga saavutada isegi parimate tootjate lampidel/seadmetel, sest reaalsed kasutustingimused erinevad märgatavalt testtingimustest tehases. Ka on LED’i tööiga tihti väiksem tundmatute tootjate LED’idel, ning eriti juhtumitel, kus LED valgusallikaga seadme projekteerimisel pole pööratud piisavalt tähelepanu LED’ide jahutusele ja toiteploki stabiilsusele ning pikaealisusele, mis võib, nagu ka eespool mainitud, vähendada kordades ka tuntud tootja LED’ide eluiga.

LED’i juhtimine

LED 10mm

LED COB