מהן נוריות LED וכיצד הן עובדות?

נוריות LED, או דיודות פולטות אור, שינו את הדרך בה אנו חושבים על תאורה מכיוון שהם חוסכים אנרגיה, נמשכים זמן רב יותר וניתן להשתמש בהם בדרכים רבות ושונות.בניגוד לנורות מיושנות אשר הופכות אור על ידי חימום חוט, נוריות LED יוצרות אור על ידי הזזת זרם חשמלי דרך חומר מיוחד הנקרא מוליך למחצה.דרך זו של ייצור אור משתמשת הרבה פחות באנרגיה ולא מתחממת.בגלל היתרונות הללו, נוריות LED משמשות לכל דבר, החל באורות זעירים בגאדג'טים ועד מערכות תאורה גדולות בבניינים.הם מגיעים בסוגים וצבעים שונים, כל אחד מתאים לשימושים שונים.למידה כיצד נוריות LED עובדות ומדוע הן טובות יותר מאורות מסורתיים עוזרת לנו לראות מדוע הם הופכים כל כך פופולריים כיום.

קָטָלוֹג

איור 1: נוריות LED או דיודות פולטות אור

הגדרה ופעולה בסיסית

נוריות LED, או דיודות פולטות אור, הן מכשירים הפולטים אור כאשר זרם חשמלי עובר דרכם.כל נורית LED מורכבת משני חומרים: סוג P עם חורים רבים (נשאי מטען חיובי) וסוג N עם אלקטרונים רבים (נשאי מטען שלילי).כאשר מופעל מתח קדימה, אלקטרונים מאזור מסוג N זוכים לאנרגיה ונעלם לעבר אזור ה- P.בצומת P-N, אלקטרונים ממלאים את החורים ומשחררים אנרגיה כאור.

בניגוד למקורות אור מסורתיים, כמו נורות ליבון הממירים אנרגיה חשמלית לחום ואז אור, נוריות LED ממיירות אנרגיה חשמלית ישירות לאור.תהליך זה יעיל הרבה יותר, ומייצר פחות חום ומשתמש בפחות אנרגיה.כתוצאה מכך, נוריות LED מועדפות על יעילות האנרגיה שלהם ותוחלת החיים הארוכה, הדורשים תחליפים פחות תכופים ומציעים ביצועים יציבים יותר.

סוגי נוריות LED

נוריות LED מסוג מנורה (מובילות)

איור 2: נוריות LED מסוג מנורה (מובילות)

נוריות LED מסוג מנורה (LEAD) הן סוג בסיסי של דיודות פולטות אור (נוריות LED) עם רגלי מתכת, המכונות גם LEADS, המחברות את ה- LED למעגל חשמלי.נוריות LED אלה מכוסות בדרך כלל על ידי נורת פלסטיק קטנה וצבעונית.לנורה זו יש כמה פונקציות.זה מפיץ את האור בצורה שווה יותר, כך שהוא לא זורח לכיוון אחד בלבד.זה גם מגן על החלקים הזעירים שבתוך נורית LED מפני נזק ושומר על אבק ולחות.

נוריות LED בעלות עיצוב פשוט, מה שהופך אותם לשימושיים מאוד וקלים לשימוש בפרויקטים אלקטרוניים רבים.בגלל העיצוב הפשוט הזה, הם משמשים לעתים קרובות כאורות מחוון כדי להראות אם מכשיר מופעל או כבוי.אתה יכול גם למצוא אותם בתצוגות דיגיטליות, כמו אלה שבמחשבים ושעונים, שם הם עוזרים להציג מספרים ומידע אחר.

לתאורה דקורטיבית, נוריות LED עופרות הן מועדפות מכיוון שהם קלים להתקנה וניתן להשתמש בהם ליצירת דפוסי תאורה רבים ושונים.רגלי המתכת מקפידות לחבר אותן ללוחות מעגלים או לחבר אותם באמצעות לוחות לחם לבדיקה.זה הופך אותם לפופולריים בקרב חובבים וגם מהנדסים מקצועיים.הם מגיעים בצבעים וגדלים רבים, ומוסיפים לתועלת שלהם במגדרות תאורה יצירתיות ומעשיות.

נוריות נוריות מסוג שבב (הר השטח)

איור 3: נוריות נוריות מסוג שבב (הר השטח)

נוריות LED מסוג שבב (הר השטח) הן שיפור מודרני בטכנולוגיית ה- LED, המיועדת ישירות על לוחות מעגלים מודפסים (PCB).הם קטנים בהרבה ויעילים יותר מאשר נוריות LED מסורתיות מסוג מנורה, מה שהופך אותם למושלמים למכשירים אלקטרוניים קטנים כמו סמארטפונים, טאבלטים וטלוויזיות LED.

היתרון העיקרי של נוריות מסוג ChIP הוא גודלם ויעילותם הקטנים.מכיוון שהם קומפקטיים, ניתן למקם אותם קרוב זה לזה ב- PCBs.זה מאפשר ליצור עיצובים אלקטרוניים מורכבים שעושים דברים רבים ושונים.מיקום קרוב זה מועיל מאוד למכשירים מודרניים שצריכים לעבוד היטב בתוך מרחב קטן.נוריות LED מסוג שבב משתמשות גם באנרגיה טובה יותר.הם הופכים יותר חשמל לאור עם פחות חום, מה שגורם להם להימשך זמן רב יותר ומשתמשים בפחות כוח.זה שימושי במיוחד במכשירים הפועלים על סוללות, שבהם חיסכון באנרגיה חשוב מאוד.

טכנולוגיית Surface Mount (SMT) המשמשת לנוריות LED מסוג שבב מאפשרת למכונות למקם אותן במהירות ובמדויק על לוחות מעגלים.זה מזרז את תהליך הייצור ומוריד את עלויות הייצור.כמו כן, שיטה זו מבטיחה כי נוריות LED ממוקמות בעקביות ואמינות, וזה חשוב שהמכשירים יעבדו כראוי ונמשכים זמן רב.

שני סוגי נוריות LED פועלים באותו עיקרון בסיסי: ייצור אור כאשר זרם חשמלי עובר בתוכם חומר מיוחד.הבחירה בין סוג המנורה לבין נוריות LED מסוג שבב תלויה בדרישות הפרויקט כמו גודל, יעילות וקלות אינטגרציה.

אורך גל וצבע

צבע LED נקבע על ידי החומרים המשמשים לייצורו, הפולטים צבעי אור שונים כאשר החשמל זורם דרכם.שני גורמים עיקריים משפיעים על צבע LED:

אורך גל שיא (λp)

איור 4: גרף המציג את אורך הגל השיא (λp) של LED

אורך גל שיא (λp) הוא אורך הגל בו LED פולט הכי הרבה אור.לדוגמה, LED אדום זורח בדרך כלל בהיר ביותר בסביבות 630 ננומטרים.המשמעות היא שה- LED מייצר את האור האדום החזק ביותר שלו באורך גל זה. לדעת אורך הגל השיא שימושי מאוד ליישומים שונים.זה קובע את הצבע והבהירות של אור LED.כדי למצוא את אורך הגל השיא, אנו מודדים את ספקטרום האור של LED ומאתרים את הנקודה בה האור הוא האינטנסיבי ביותר.לדוגמה, בטכנולוגיית המסך, אורך הגל השיא המדויק עוזר לייצר את הצבעים הנכונים.באורות הצמח, אורך הגל השיא אמור להתאים לאורכי הגל שהצמחים סופגים בצורה הטובה ביותר כדי לעזור להם לצמוח טוב יותר.

אורך הגל השיא משפיע גם על אופן ביצוע נוריות ה- LED.מהנדסים יכולים לשנות את החומרים ולעיצוב ה- LED כדי להשיג את אורך הגל השיא הרצוי, מה שהופך את ה- LED לעבוד טוב יותר לשימושים ספציפיים.זה כרוך בבחירת חומרי המוליכים למחצה הנכונים מכיוון שחומרים אלה קובעים את האנרגיה ואת אורך הגל של האור הנפלט.

אורך גל דומיננטי (λd)

איור 5: תרשים המציג את אורך הגל הדומיננטי (λD) של LED

אורך גל דומיננטי (λD) הוא רעיון בסיסי במחקר הצבע, במיוחד כאשר הבינו כיצד עיניים אנושיות רואות אור מנדס LED ומקורות אור אחרים.אורך הגל הדומיננטי הוא הצבע שאנשים רואים בצורה הברורה ביותר כאשר הם מסתכלים על מקור אור, גם אם האור הזה מורכב מכמה צבעים שונים.מדידה זו חשובה מכיוון שהראייה האנושית משלבת צבעים מרובים אלה לצבע עיקרי אחד שאנו תופסים.כאשר LED פולט אור, הוא בדרך כלל עושה זאת על פני מגוון צבעים.הצבעים האישיים הללו מתערבבים זה בזה, ואורך הגל הדומיננטי הוא הצבע הבולט ביותר לעין האנושית.מציאת צבע זה לא תמיד קלה מכיוון שהיא תלויה בתמהיל ובחוזק הספציפי של הצבעים השונים.תהליך זה כולל חישובים מפורטים השוקלים עד כמה עיני אנוש רגישות הן לחלקים שונים של ספקטרום האור.

כדי למצוא את אורך הגל הדומיננטי, משמש מכשיר שנקרא ספקטרומטר לחקר האור מה- LED.הנתונים שנאספו מראים עד כמה האור חזק בכל צבע.לאחר מכן מתכנן מידע זה בתרשים כרומטיות, שהוא תרשים המייצג צבעים המבוססים על ראייה אנושית.אורך הגל הדומיננטי נמצא על ידי ציור קו מנקודה לבנה מרכזית בתרשים דרך הקואורדינטות של מקור האור והרחבתו לקצה התרשים.הנקודה בה קו זה פוגש את הקצה הוא אורך הגל הדומיננטי.

הכרת אורך הגל הדומיננטי שימושי מאוד בשדות שבהם יש צורך בצבע מדויק, כמו בטכנולוגיית תצוגה, עיצוב תאורה וכל תחום בו יש צורך בהתאמת צבע מדויקת.על ידי שליטה באורך הגל הדומיננטי, היצרנים יכולים ליצור נוריות LED הפולטות צבעים ספציפיים המותאמים למטרות שונות, כמו לעזור לצמחים לצמוח טוב יותר עם צבעי אור מסוימים או לייצר צבעים בהירים ומציאותיים על מסכים.

יצירת אור לבן עם נוריות LED

איור 6: שתי שיטות ליצירת אור לבן עם נוריות LED

יצירת אור לבן עם נוריות LED כוללת שתי שיטות עיקריות, שלכל אחת מהן יתרונות ושימושים משלו.

שיטה אחת כוללת שילוב נוריות אדומות, ירוקות וכחולות (RGB).על ידי התאמת זהירות של עוצמתם של שלושת צבעי היסוד הללו, ניתן לערבב אותם ליצירת אור לבן.טכניקה זו משמשת בדרך כלל במכשירים הזקוקים לבקרת צבע מדויקת וייצוג צבעוני מדויק, כגון תצוגות LED בצבע מלא ותאורה דקורטיבית.למרות ששיטה זו מציעה שליטה מצוינת על תפוקת הצבעים, היא מורכבת ויקרה יותר בהשוואה לגישת ה- LED הכחולה עם זרחן צהוב.זה דורש מעגלי בקרה מתקדמים וכיול כדי להבטיח שהצבעים יתערבבו נכון כדי לייצר אור לבן.

השיטה האחרת משתמשת ב- LED כחול בשילוב עם ציפוי זרחן צהוב.כאשר נורית ה- LED הכחולה מופעלת, היא מרגשת את הזרחן הצהוב, מה שגורם לו לפלוט אור צהוב.השילוב של האור הכחול שנותר והאור הצהוב הנפלט מייצר אור לבן.שיטה זו פופולרית מכיוון שהיא פשוטה וחסכונית, מה שהופך אותה למתאימה למגוון רחב של יישומי תאורה.עם זאת, לפעמים זה יכול לגרום לאור לבן עם גוון כחול קל או מגניב, שאולי לא יהיה אידיאלי לכל סיטואציה.

כל שיטה נבחרה על סמך האיזון הרצוי בין עלות, מורכבות ואיכות צבע.שיטת ה- LED של RGB נבחרה ליישומים הדורשים כוונון צבע מדויק ותפוקת אור באיכות גבוהה, ואילו LED הכחול עם שיטת זרחן צהוב עדיף לרוב על הפשטות והמחיר הזמינות שלה.

יעילות תאורת LED

נוריות LED משתמשות בהרבה פחות אנרגיה מאשר נורות ליבון מסורתיות, וחוסכות עד 90% מהאנרגיה.הם מייצרים אור על ידי העברת זרם חשמלי דרך שבב קטן, ומדלקים מקורות אור זעירים הנקראים נוריות LED.שלא כמו נורות ליבון, המייצרות אור על ידי חימום נימה עד שהוא זוהר, נוריות LED מייצרות אור עם הרבה פחות אנרגיה.

נוריות LED יש חלקים הנקראים כיורי חום המסייעים להתמודד עם החום שהם מייצרים.כיורי חום אלה נמשכים ומורחים את החום כדי לשמור על נוריות LED לעבוד טוב.ניהול חום טוב גורם נוריות LED להימשך זמן רב יותר ושומר על בהירות.אם החום אינו מטופל היטב, נוריות LED יכולות להתגורר במהירות רבה יותר ולהפוך לעומק.כמה זמן נוריות LED נמשכות וכמה טוב הן עובדות תלויות כמה הן טובות וכמה טוב כיורי החום שלהם עובדים.

תוחלת חיים והשפלה

תוחלת החיים והתמוטטות הם נקודות עיקריות בהבנת ביצועי LED (דיודה פולטת אור).בניגוד לנורות רגילות, שבדרך כלל נשרפות לפתע, נוריות LED לאט לאט מתעמקות עם הזמן.תהליך העמעום האיטי הזה נקרא פחת לומן.

פחת לומן מתרחש מכיוון שהחומרים שבתוך ה- LED נשחקים, וגורמים לו לייצר פחות אור.בדרך כלל אנו מודדים את חיי LED לפי הנקודה בה בהירותו צנחה ל -70% מהרמה המקורית שלה.לדוגמה, אם LED מתחיל ב 1000 לומן, חייו השימושיים נחשבים לדרך כאשר בהירותו נופלת ל -700 לומן.

מספר דברים יכולים לגרום לפחת לומן בנוריות LED, כמו טמפרטורה, לחץ חשמלי ואיכות החומרים המשמשים לייצורם.טמפרטורות גבוהות יכולות להאיץ את הלהיבשות מחלקי LED, מה שהופך אותם לעומום מהר יותר.באופן דומה, לחץ חשמלי, כמו יותר מדי זרם או מתח, יכול לקצר את חיי LED על ידי גרימת נזק נוסף לחלקים הפנימיים שלו.

איכות החומרים המשמשים לייצור נוריות LED משפיעה מאוד על כמה זמן הם נמשכים.נוריות LED המיוצרות עם חומרים טובים יותר ושיטות בנייה נוטות להימשך זמן רב יותר ומעומעים לאט יותר.מצד שני, נוריות LED באיכות נמוכה יותר עשויות להתעמעם במהירות רבה יותר ולחיים חיים שימושיים קצרים יותר.

פחת לומן מתרחש כאשר נוריות LED מאבדות בהירות לאורך זמן.זה יכול להיגרם מכמה גורמים עיקריים:

• חום מוגזם יכול לפגוע בחלקים הפנימיים של ה- LED.כיורי חום עוזרים בניהול חום זה, אך אם הם לא עובדים טוב, חלקי ה- LED יכולים להיפגע.

• זרמים חשמליים גבוהים ומתחים יכולים ללבוש את הרכיבים בתוך LED.בלאי זה יכול להפוך את ה- LED פחות מואר.

• החומרים המשמשים נוריות LED, במיוחד לבנים, יכולים להשפיל לאורך זמן.פירוט חומרי זה מוביל גם לאובדן בהירות.

• תנאים סביבתיים כמו לחות ואבק יכולים להשפיע על נוריות LED.לחות עלולה לגרום לחלקים חלודה או קציר מעגל, ואבק יכול לחסום אור או להפריע לפעולת ה- LED.

יישומים של נוריות LED

נוריות LED, או דיודות פולטות אור, שינו הרבה את ענף התאורה מכיוון שהם מגוונים ויעילים.ניתן להשתמש בהם במובנים רבים, החל נורות רגילות ועד אביזרים מובנים.אחד היתרונות העיקריים של נוריות LED הוא גודלם הקטן, המאפשר עיצובי תאורה יצירתיים וחדשניים.זה הופך את נוריות ה- LED למושלמות הן להחלפת נורות מסורתיות והן למובנות בגופי מותאמים אישית, ומספקים פתרונות תאורה לאורך זמן וחיסכון באנרגיה.

בפתרונות תאורה היברידיים, נוריות LED משולבות עם עיצובי תאורה מסורתיים.למערכות אלה יש לרוב חלקי LED הניתנים להחלפה בתוך אביזרי גופי מעוצבים במיוחד, מה שמקל על התחזוקה והשדרוג שלהם.שילוב זה לוקח את החלקים הטובים ביותר של טכנולוגיות תאורה ישנות וחדשות, ומשפר את חווית המשתמש הכוללת.

ניתן להשתמש ב- LED במקומות רבים ושונים, החל מבתים ועד מסגרות תעשייתיות.היעילות האנרגטית שלהם היא יתרון גדול מכיוון שנוריות LED משתמשות בפחות כוח בהשוואה לאורות מסורתיים.המשמעות היא שטרות אנרגיה נמוכים יותר והשפעה קטנה יותר על הסביבה.כמו כן, נוריות LED נמשכות זמן רב יותר, כך שלא צריך להחליף אותן בתדירות גבוהה, ולחסוך זמן וכסף.

ניהול תרמי ב- LED

איור 7: ניהול תרמי ב- LED

ניהול חום נכון מועיל מאוד לאופן בו LED עובדות וכמה זמן הם נמשכים.כאשר משתמשים ב- LED הם מייצרים חום.אם החום הזה לא מנוהל היטב, הוא יכול לפגוע במהירות בנוריות LED, מה שהופך אותם ליעילים פחות ולקצר את חייהם.

חלק מרכזי בניהול חום LED הוא גוף הקירור.כיורי חום עוזרים על ידי השריית ופיזור החום מהחיבור של שבב הלד עם לוח המעגלים, מה שהופך אותו לקירור יותר.כמה טוב כיור חום עובד תלוי הרבה ממה שהוא עשוי ובעיצובו.

חומרים כמו אלומיניום ונחושת משמשים לרוב לכיורי חום מכיוון שהם יכולים להרחיק את החום ביעילות.כמו כן, עיצוב כיורי חום כולל בדרך כלל תכונות כמו סנפירים, המגדילים את שטח הפנים שיכול לשחרר חום.שטח פנים גדול יותר זה מסייע לכיור החום לפרוס את החום מה- LED, לשמור על קריר LED ולוודא שהוא עובד טוב במשך זמן רב.

הבדלים בין LED לתאורה מסורתית

נוריות LED מציעות מספר יתרונות על תאורת ליבון מסורתי ו- CFL (מנורת פלורסנט קומפקטית), במיוחד בכיוון אור וטווח צבע:

• תאורה כיוונית: נוריות LED פולטות אור בכיוון ספציפי, אידיאלי לצרכי תאורה ממוקדים כמו קריאה מנורות או זרקורים.לעומת זאת, נורות ליבון ו- CFL פולטות אור וחום לכל הכיוונים, ולעתים קרובות דורשות מחזירי אור או גוונים למקד את האור, וכתוצאה מכך בזבוז אנרגיה.

• אפשרויות צבע: נוריות LED מספקות מגוון רחב של צבעים, כולל ענבר, אדום, ירוק וכחול.ניתן ליצור אור לבן על ידי ערבוב נוריות LED צבעוניות שונות (למשל, אדום, ירוק וכחול) או באמצעות נוריות LED מצופות זרחן הפולטות אור לבן כאשר אור כחול או אולטרה סגול עובר דרך הזרחן.מגוון צבעים רחב זה מאפשר לנוריות LED לענות על צרכי תאורה שונים, מתאורה חמה ונעימה ועד תאורה בהירה, דמוית אור.

איך נוריות LED עובדות?

איור 8: מבנה LED

נוריות LED (דיודות פולטות אור) פועלות כמו דיודות ומפטרות אור כאשר הן מוטות קדימה.במערך זה הצד השלילי (הקתודה) מחובר למסוף השלילי של מקור כוח, והצד החיובי (אנודה) מחובר למסוף החיובי.סידור זה מאפשר לאלקטרונים מהאזור N להשיג אנרגיה ולהתקדם לעבר אזור ה- P.כאשר האלקטרונים הללו חוצים את הצומת ופוגשים חורים באזור P, הם משחררים אנרגיה כאור.

צבע האור ש- LED פולט תלוי בחומרים המוליכים למחצה המשמשים.לדוגמה, גליום ארסניד מייצר אור אינפרא אדום, ואילו גליום פוספייד יכול לייצר אור ירוק או אדום.הבדלי צבע אלה מגיעים מרמות האנרגיה השונות של החומרים, המחליטים את אורך הגל של האור המפורסם.

LED בנוי עם מסגרת עופרת, המכונה לעתים קרובות סדן, המחובר למסוף הקתודה.מסגרת זו מחזיקה את חומר המוליכים למחצה.אזור ה- P של המוליך למחצה ממוקם בסמוך לפני השטח כדי לוודא שיותר אור יוצא מה- LED במקום להילכד בפנים.תכנון זה עוזר להגביר את הבהירות והיעילות של ה- LED.

מַסְקָנָה

ל- LED יש יתרונות רבים על פני אורות מסורתיים.הם משתמשים בפחות אנרגיה, נמשכים זמן רב יותר ומספקים איכות אור טובה יותר.נוריות LED פועלות על ידי העברת אלקטרונים דרך מוליכים למחצה, והופכים ישירות אנרגיה חשמלית לאור עם מעט מאוד חום.הם יכולים לייצר צבעים שונים המבוססים על החומרים המשמשים, והעיצובים השונים של סוג המנורה ונוריות LED מסוג שבב הופכות אותם לשימושיים עוד יותר.ככל שהטכנולוגיה משתפרת, נוריות LED ממשיכות להשתפר, מציעות יותר יתרונות ולהשתמש בהם בדרכים רבות יותר.על ידי הבנת האופן בו LED פועלים והיתרונות שלהם, ברור מדוע הם הופכים לבחירה המועדפת על תאורה בבתים, במשרדינו ומעבר לה.

שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]

1. כיצד פועלת תצוגת ה- LED?

תצוגת LED פועלת באמצעות אורות קטנים רבים הנקראים דיודות פולטות אור (נוריות LED).אורות זעירים אלה זוהרים בצבעים שונים ליצירת תמונות וטקסט.מעגלים אלקטרוניים שולטים באורות אלה, ומדליקים אותם וכיבוי במהירות כדי להציג את התמונות והדפוסים הרצויים.

2. מהם שני הדברים העיקריים משמשים?

נוריות LED משמשות בעיקר לתאורה ותצוגות.לצורך תאורה הם מציעים אור בהיר וחיסכון באנרגיה לבתים, רחובות ורכבים.לצורך תצוגות הם משמשים במסכים לטלוויזיות, מחשבים ושלטי חוצות.

3. מה העיקרון של LED ועבודתו?

העיקרון של LED מבוסס על תהליך הנקרא אלקטרולומינסקנציה.כאשר זרם חשמלי זורם דרך חומר LED, הוא מפטיר אור.זה קורה מכיוון שהאנרגיה החשמלית גורמת לאלקטרונים לשלב עם חלקיקים אחרים, ומשחררת אנרגיה כאור.

4. מדוע נוריות LED חשובות?

נוריות LED חשובות מכיוון שהן חוסכות אנרגיה, נמשכות זמן רב, וטובות לסביבה.הם משתמשים בפחות חשמל מאשר אורות מסורתיים ויש להם חיים ארוכים בהרבה, כך שהם לא צריכים להחליף אותם בתדירות גבוהה.

5. מהם היתרונות של נוריות LED?

היתרונות של נוריות LED כוללות שימוש בפחות אנרגיה, אורך חיים ארוך יותר, להיות עמיד יותר, להיות קטן יותר בגודלו, ומפעל ומכבה מהר יותר.הם גם מייצרים פחות חום ומגיעים בצבעים רבים, מה שהופך אותם לשימושיים למטרות שונות.