דיון קצר על נוריות בהירות גבוהה במיוחד והיישומים שלהן

נוריות ה-GaP וה-GaAsP ההומוצ'נקיות המוקדמות ביותר באדום, צהוב וירוק עם יעילות זוהר נמוכה בשנות ה-70 יושמו על נורות חיווי, תצוגות דיגיטליות וטקסט. מכאן ואילך, LED החלה להיכנס לתחומי יישומים שונים, לרבות תעופה וחלל, מטוסים, רכב, יישומים תעשייתיים, תקשורת, מוצרי צריכה וכו', המכסים מגזרים שונים בכלכלה הלאומית ואלפי משקי בית. עד 1996, מכירות LED ברחבי העולם הגיעו למיליארדי דולרים. למרות שנורות LED הוגבלו על ידי צבע ויעילות זוהרת במשך שנים רבות, נורות GaP ו- GaAsLED היו מועדפות על ידי המשתמשים בשל תוחלת החיים הארוכה שלהן, האמינות הגבוהה, זרם ההפעלה הנמוך, התאימות למעגלים דיגיטליים TTL ו-CMOS ויתרונות רבים אחרים.
בעשור האחרון, בהירות גבוהה וצבע מלא היו נושאים חדשניים במחקר של חומרי LED וטכנולוגיית מכשירים. בהירות גבוהה במיוחד (UHB) מתייחסת ל-LED עם עוצמת אור של 100mcd או יותר, המכונה גם LED ברמת Candela (cd). התקדמות הפיתוח של בהירות גבוהה A1GaInP ו-InGaNFED היא מהירה מאוד, וכעת הגיעה לרמת ביצועים שחמרים קונבנציונליים GaA1As, GaAsP ו-GaP אינם יכולים להשיג. בשנת 1991, טושיבה מיפן ו-HP מארה"ב פיתחו את InGaA1P620nm LED בהירות כתומה אולטרה-גבוהה, ובשנת 1992, InGaA1P590nm LED בהירות גבוהה במיוחד הוכנסה לשימוש מעשי. באותה שנה פיתחה טושיבה את InGaA1P573nm צהוב ירוק LED בהירות גבוהה במיוחד עם עוצמת אור רגילה של 2cd. בשנת 1994, תאגיד Nichia היפני פיתח InGaN450nm כחול (ירוק) LED בהירות גבוהה במיוחד. בשלב זה, שלושת צבעי היסוד הנדרשים לתצוגה צבעונית, אדום, ירוק, כחול, וכן נוריות LED כתומות וצהובות, הגיעו כולם לעוצמת האור ברמת קנדלה, משיגים בהירות גבוהה במיוחד ותצוגה בצבע מלא, מה שהופך את החיצוני למלא- תצוגת צבע של צינורות פולטי אור מציאות. התפתחות ה-LED בארצנו החלה בשנות ה-70, והתעשייה צמחה בשנות ה-80. ישנם יותר מ-100 ארגונים בפריסה ארצית, כאשר 95% מהיצרנים עוסקים בייצור לאחר אריזה, וכמעט כל השבבים הנדרשים מיובאים מחו"ל. באמצעות מספר "תוכניות חמש שנים" לטרנספורמציה טכנולוגית, פריצות דרך טכנולוגיות, הצגת ציוד זר מתקדם וכמה טכנולוגיות מפתח, טכנולוגיית ייצור ה-LED של סין עשתה צעד קדימה.

1、 ביצועים של LED בהירות גבוהה במיוחד:
בהשוואה ל-GaAsP GaPLED, ל-A1GaAsLED האדום בבהירות גבוהה במיוחד יש יעילות אור גבוהה יותר, ויעילות האור של A1GaAsLED שקוף (TS) A1GaAsLED (640nm) קרובה ל-10lm/w, שהוא פי 10 יותר מזה של GaAsP GaPLED אדום. הבהירות הגבוהה במיוחד InGaAlPLED מספקת את אותם צבעים כמו GaAsP GaPLED, כולל: ירוק צהוב (560nm), צהוב ירוק בהיר (570nm), צהוב (585nm), צהוב בהיר (590nm), כתום (605nm), ואדום בהיר (625nm) , אדום עמוק (640 ננומטר)). השוואת יעילות האור של מצע שקוף A1GaInPLED עם מבני LED אחרים ומקורות אור להט, יעילות האור של מצע סופג InGaAlPLED (AS) היא 101m/w, ויעילות האור של מצע שקוף (TS) היא 201m/w, שהם 10 גבוה פי 20 מזה של GaAsP GaPLED בטווח אורכי גל של 590-626 ננומטר; בטווח אורך הגל של 560-570, הוא גבוה פי 2-4 מ- GaAsP GaPLED. הבהירות הגבוהה במיוחד InGaNFED מספקת אור כחול וירוק, עם טווח אורך גל של 450-480 ננומטר לכחול, 500 ננומטר לכחול-ירוק ו-520 ננומטר לירוק; יעילות האור שלו היא 3-151m/w. יעילות האור הנוכחית של נורות לד בהירות גבוהה עלתה על זו של מנורות ליבון עם מסננים, ויכולה להחליף מנורות ליבון בעוצמה של פחות מ-1 וואט. יתרה מכך, מערכי LED יכולים להחליף מנורות ליבון בהספק של פחות מ-150 וואט. עבור יישומים רבים, נורות ליבון משתמשות במסננים כדי להשיג צבעים אדומים, כתומים, ירוקים וכחולים, בעוד ששימוש בנורות LED בהירות גבוהה במיוחד יכול להשיג את אותו הצבע. בשנים האחרונות, נוריות LED בהירות גבוהה במיוחד העשויות מחומרי AlGaInP ו-InGaN שילבו יחד מספר שבבי LED בהירות גבוהה במיוחד (אדום, כחול, ירוק), המאפשרים צבעים שונים ללא צורך בפילטרים. כולל אדום, כתום, צהוב, ירוק וכחול, יעילות האור שלהם עלתה על זו של מנורות ליבון וקרובה לזו של מנורות פלורסנט קדימה. הבהירות הזוהרת עלתה על 1000mcd, מה שיכול לענות על הצרכים של תצוגה חיצונית בכל מזג אוויר וצבע מלא. המסך הגדול בצבע LED יכול לייצג את השמים והאוקיינוס, ולהשיג אנימציה תלת מימדית. הדור החדש של נורות LED בעלות בהירות גבוהה במיוחד באדום, ירוק וכחול הגיע להישגים חסרי תקדים

2、 יישום של LED בהירות גבוהה במיוחד:
חיווי אות לרכב: נורות חיווי המכונית בחלק החיצוני של המכונית הן בעיקר פנסי כיוון, פנסים אחוריים ופנסי בלם; פנים המכונית משמש בעיקר כתאורה ותצוגה עבור מכשירים שונים. לד בהירות גבוהה במיוחד יש יתרונות רבים בהשוואה למנורות ליבון מסורתיות עבור נורות חיווי רכב, ויש לה שוק רחב בתעשיית הרכב. נוריות LED יכולות לעמוד בפני זעזועים ורעידות מכניות חזקות. חיי העבודה הממוצעים MTBF של נורות בלם LED גבוהים בכמה סדרי גודל מזה של נורות ליבון, וחורג בהרבה מחיי העבודה של המכונית עצמה. לכן, ניתן לארוז נורות בלם LED כמכלול מבלי להתחשב בתחזוקה. למצע השקוף Al GaAs ו-AlInGaPLED יש יעילות זוהרת משמעותית יותר בהשוואה לנורות ליבון עם מסננים, מה שמאפשר לנורות בלם LED ומאותתות לפעול בזרמי נסיעה נמוכים יותר, בדרך כלל רק 1/4 מנורות הליבון, ובכך להפחית את המרחק שמכוניות יכולות לנסוע. הספק חשמלי נמוך יותר יכול גם להפחית את הנפח והמשקל של מערכת החיווט הפנימית של המכונית, תוך הפחתת עליית הטמפרטורה הפנימית של נורות אות LED משולבות, מה שמאפשר שימוש בפלסטיק עם התנגדות לטמפרטורה נמוכה יותר עבור עדשות וביתים. זמן התגובה של נורות בלם LED הוא 100ns, וזה קצר יותר מזה של נורות ליבון, מה שמשאיר זמן תגובה רב יותר לנהגים ומשפר את בטיחות הנהיגה. התאורה והצבע של נורות החיווי החיצוניות של המכונית מוגדרות בבירור. למרות שתצוגת התאורה הפנימית של מכוניות אינה נשלטת על ידי משרדי ממשלה רלוונטיים כמו נורות איתות חיצוניות, ליצרני רכב יש דרישות לצבע ולהארה של נוריות LED. GaPLED כבר מזמן בשימוש במכוניות, ובהירות גבוהה במיוחד AlGaInP ו-InGaNFED יחליפו יותר נורות ליבון במכוניות בשל יכולתן לעמוד בדרישות היצרנים מבחינת צבע ותאורה. מבחינת מחיר, למרות שנורות לד עדיין יקרות יחסית לנורות ליבון, אין הבדל משמעותי במחיר בין שתי המערכות בכללותן. עם הפיתוח המעשי של נוריות TSAlGaAs ו-AlGaInP בהירות גבוהה במיוחד, המחירים יורדים ללא הרף בשנים האחרונות, ועוצמת הירידה תהיה גדולה עוד יותר בעתיד.

חיווי איתות תנועה: שימוש בנורות לד בהירות גבוהה במיוחד במקום מנורות ליבון עבור רמזורים, נורות אזהרה ואורות שלטים התפשט כעת בכל העולם, עם שוק רחב וביקוש הולך וגדל במהירות. על פי נתונים סטטיסטיים של משרד התחבורה האמריקאי בשנת 1994, היו 260,000 צמתים בארצות הברית שבהם הותקנו אותות תנועה, ובכל צומת חייבים להיות לפחות 12 אותות תנועה אדומים, צהובים וכחול-ירוק. בצמתים רבים יש גם שלטי מעבר נוספים ואורות אזהרה של מעבר הולכי רגל לחציית הכביש. כך יכולים להיות 20 רמזורים בכל צומת, והם חייבים להידלק בו זמנית. ניתן להסיק כי ישנם כ-135 מיליון רמזורים בארצות הברית. נכון לעכשיו, השימוש בנורות LED בהירות גבוהה במיוחד להחלפת מנורות ליבון מסורתיות השיג תוצאות משמעותיות בהפחתת אובדן החשמל. יפן צורכת כמיליון קילוואט חשמל בשנה ברמזורים, ולאחר החלפת נורות ליבון בנוריות LED בהירות גבוהה במיוחד, צריכת החשמל שלה היא רק 12% מהמקור.
הרשויות המוסמכות של כל מדינה חייבות לקבוע תקנות מתאימות עבור רמזורים, תוך ציון צבע האות, עוצמת תאורה מינימלית, דפוס הפצה מרחבי של האלומה ודרישות לסביבת ההתקנה. למרות שדרישות אלה מבוססות על נורות ליבון, הן חלות בדרך כלל על פנסי איתות LED בבהירות גבוהה במיוחד בשימוש. בהשוואה למנורות ליבון, לפנסי LED יש חיי עבודה ארוכים יותר, בדרך כלל עד 10 שנים. בהתחשב בהשפעה של סביבות חיצוניות קשות, יש להפחית את אורך החיים הצפוי ל-5-6 שנים. נכון לעכשיו, נורות LED אדומות, כתומות וצהובות בעלות בהירות גבוהה במיוחד של AlGaInP תועשו והן זולות יחסית. אם נעשה שימוש במודולים המורכבים מנורות LED אדומות בבהירות גבוהה במיוחד כדי להחליף את ראשי אותות התנועה האדומים המסורתיים, ניתן למזער את ההשפעה על הבטיחות הנגרמת כתוצאה מכשל פתאומי של מנורות ליבון אדומות. מודול אות תעבורה LED טיפוסי מורכב ממספר קבוצות של נורות LED מחוברות. אם ניקח לדוגמה מודול אות תעבורה LED אדום בגודל 12 אינץ', ב-3-9 סטים של נורות LED מחוברות, מספר נורות LED המחוברות בכל סט הוא 70-75 (סה"כ 210-675 נורות LED). כאשר נורית LED אחת נכשלת, זה ישפיע רק על סט אחד של אותות, והקבוצות הנותרות יופחתו ל-2/3 (67%) או 8/9 (89%) מהמקור, מבלי לגרום לכל ראש האות להיכשל. כמו מנורות ליבון.
הבעיה העיקרית עם מודולי אות תעבורה LED היא שעלות הייצור עדיין גבוהה יחסית. אם ניקח לדוגמה את מודול איתות התנועה האדום TS AlGaAs TS AlGaAs, הוא הוחל לראשונה בשנת 1994 בעלות של 350 דולר. עד 1996, מודול אות תעבורה LED בגודל 12 אינץ' AlGaInP עם ביצועים טובים יותר היה בעל עלות של 200 דולר.

צפוי כי בעתיד הקרוב, המחיר של מודולי איתות תעבורה LED כחול-ירוק של InGaN יהיה דומה ל-AlGaInP. למרות שעלותם של ראשי איתות תנועה בליבון נמוכה, הם צורכים הרבה חשמל. צריכת החשמל של ראש איתות תנועה לוהט בקוטר 12 אינץ' היא 150W, וצריכת החשמל של נורת אזהרה חוצה את הכביש והמדרכה היא 67W. לפי חישובים, צריכת החשמל השנתית של נורות אות ליבון בכל צומת היא 18133KWh, שווה ערך לחשבון חשמל שנתי של 1450$; עם זאת, מודולי אות תעבורה LED חסכוניים מאוד באנרגיה, כאשר כל מודול אות תעבורה LED אדום בגודל 8-12 אינץ' צורך 15W ו-20W של חשמל בהתאמה. את שלטי הלד בצמתים ניתן להציג באמצעות מתגי חצים, בצריכת חשמל של 9W בלבד. לפי חישובים, כל צומת יכול לחסוך 9916KWh של חשמל בשנה, שווה ערך לחיסכון של 793$ בחשבונות החשמל בשנה. בהתבסס על עלות ממוצעת של 200$ לכל מודול אות תעבורה LED, מודול איתות ה-LED האדום יכול לשחזר את העלות הראשונית שלו לאחר 3 שנים תוך שימוש רק בחשמל שנחסך, ולהתחיל לקבל החזר כלכלי מתמשך. לכן, כיום השימוש במודולי מידע תעבורה של AlGaInLED, למרות שהעלות עשויה להיראות גבוהה, עדיין חסכוני בטווח הארוך.

 


זמן פרסום: 25 באוקטובר 2024