Πρόσφατα μάθαμε από την ιστοσελίδα www.voria.gr, ότι θα επεκταθεί η αντικατάσταση των συμβατικών λαμπτήρων στα φανάρια της Θεσσαλονίκης από φωτοδιόδους, LED. Με αυτόν τον τρόπο θα εξοικονομηθούν χρήματα,ενώ θα βελτιωθεί η ποιότητα της λειτουργίας των φωτεινών σηματοδοτών στους δρόμους της συμπρωτεύουσας. Αξίζει να αναφέρουμε ότι η αντικατάσταση ήδη ξεκίνησε πριν δύο χρόνια και τα οικονομικά οφέλη εκτιμώνται μέχρι τώρα έως 55.000 ευρώ ετησίως.
Τι είναι όμως οι LED;
Οι LED (light emitting diodes) ή στα ελληνικά φωτοδίοδοι, όπως προκύπτει και από το όνομά τους είναι δίοδοι που εκπέμπουν φως. Οι διόδοι αποτελούν βασικές ηλεκτρονικές διατάξεις,η λειτουργία των οποίων είναι όμοια με αυτήν των βαλβίδων. Ειδικότερα, σε ένα κύκλωμα, η δίοδος επιτρέπει τη διέλευση του ρεύματος μόνο προς τη μια κατεύθυνση και βρίσκεται σε λειτουργία εάν η τάση (δυναμικό) έχει μεγαλύτερη τιμή στα άκρα της από μια συγκεκριμένη τιμή. Η ελάχιστη τάση που απαιτείται για τη λειτουργία μιας διόδου καθορίζεται από το υλικά κατασκευής της. Συνήθως τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διόδων είναι οι ημιαγωγοί.
Οι φωτοδίοδοι αποτελούνται κυρίως από ημιαγωγικά υλικά. Ειδικότερα στην απλούστερη περίπτωση μια φωτοδίοδος αποτελεί μια διάταξη ενός p και n τύπου ημιαγωγού σε επαφή. Τι είναι όμως οι p,n τύπου ημιαγωγοί; Οι ημιαγωγοί αυτοί στην απλούστερη περίπτωση αποτελούνται από ένα μητρικό υλικό (ορισμένη χημική σύσταση) στο οποίο εισάγονται προσμίξεις,δηλαδή άτομα διαφορετικής χημικής σύστασης. Εάν τα άτομα της πρόσμιξης δημιουργούν λιγότερους δεσμούς από όσους απαιτούνται από το μητρικό υλικό,τότε έχουμε περίσσεια ηλεκτρονίων. Στην αντίθετη περίπτωση, έχουμε έλλειψη ηλεκτρονίων ή όπως λέμε περίσσεια οπών. Πρακτικά το ηλεκτρόνιο μπορούμε να το φανταστούμε ως ένα αρνητικό φορτίο και την οπή ως ένα θετικό φορτίο. Οι p τύπου ημιαγωγοί αποτελούν υλικά στα οποία υπάρχει περίσσεια οπών,ενώ οι n είναι ημιαγωγοί που έχουν περίσσεια ηλεκτρόνιων.
Ο μηχανισμός λειτουργίας μιας φωτοδιόδου LED
Όταν ένας p τύπου και ένας n τύπου ημιαγωγός έρθουν σε επαφή και στα άκρα τους εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο,τότε έχουμε κίνηση των ηλεκτρονίων και των οπών, που διέπεται από την εφαρμογή του πεδίου και την έλξη/άπωση ετερώνυμων/ομώνυμων φορτίων. Στην περιοχή της επαφής η σύζευξη,δηλαδή η αλληλεπίδραση ενός ηλεκτρονίου με μια οπή (φορείς) οδηγεί στην εκπομπή φωτονίων. Τα φωτόνια είναι τα λεγόμενα κβάντα φωτός. Έτσι κάτω από ορισμένες συνθήκες εκπέμπονται φωτόνια από την επαφή και άρα έχουμε εκπομπή φωτός. Το φαινόμενο της εκπομπής φωτός λόγω της ανασύνδεσης των ηλεκτρονίων και οπών,που προκύπτει από την εφαρμογή του ηλεκτρικού πεδίου,ονομάζεται ηλεκτροφωταύγεια.
Επειδή τα φωτόνια που προκύπτουν από την σύζευξη των φορέων εκπέμπονται προς όλες τις διευθύνσεις, απαιτείται ειδικό περίβλημα. Το περίβλημα εξασφαλίζει την κατευθυντικότητα του εκπεμπόμενου φωτός και επιπλέον σχεδιάζεται έτσι ώστε να περιορίζεται η ανάκλαση στο εσωτερικό του,φαινόμενο που μειώνει την απόδοση της LED.
Εφαρμογή των LED και βραβείο Nobel
Υπάρχει μια πληθώρα εφαρμογών των LED στην καθημερινή μας ζωή. Από τις οθόνες απεικόνισης,τα αυτοκίνητα μέχρι και ορισμένα φωτιστικά χώρου, οι LED βρίσκονται παντού. Σε αρκετές χώρες μάλιστα, οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται και για τη λειτουργία των φωτεινών σηματοδοτών στους δρόμους.
Ο λόγος της ευρείας χρήσης των LED είναι φυσικά η υπεροχή τους έναντι των συμβατικών λαμπτήρων,σε χρόνο ζωής και ποιότητα φωτός. Φυσικά οι LED είναι πιο ακριβές από τις συνηθισμένες λάμπες,όμως εξοικονομούν περισσότερη ενέργεια και άρα χρήματα σε βάθος χρόνου. Από τη δεκαετία του 80 είχαν εφευρεθεί LED κόκκινου και πράσινου φωτός. Το Nobel όμως δόθηκε το 2014, για την εφεύρεση LED που εκπέμπει μπλε φως στους ερευνητές Isamu Akasaki, Hiroshi Amano και Shuji Nakamura. Κι αυτό διότι ο συνδυασμός μπλε,κόκκινου και πράσινου φωτός μας δίνει το λευκό. Η χρήση λαμπτήρων συνδυασμού LED για την εκπομπή λευκού φωτός θα μειώσει δραματικά το κόστος των συμβατικών λαμπτήρων,κάτι που έχει άμεσες κοινωνικές και οικονομικές επιπτώσεις.
