LED na prąd przemienny. Polacy opracowali technologię, która może zrewolucjonizować oświetlenie

LED, czyli diody elektroluminescencyjne, to niezwykle popularny sposób na oświetlenie ulic, zakładów pracy oraz domów. Wyparły one już nieekologiczne żarówki oraz problematyczne świetlówki, stając się podstawowym wyborem każdego, kto chce rozwiać ciemności. Mają one jednak pewną wadę: działają wyłącznie na prąd stały. Jednak naukowcy z Instytutu Wysokich Ciśnień PAN opracowali LED na prąd przemienny.

LED na prąd przemienny: komu to potrzebne?

Zanim przejdziemy do samego odkrycia i opiszemy, czym jest LED na prąd przemienny, należy wytłumaczyć kilka kwestii. Otóż wiele osób może się zastanawiać, dlaczego twierdzę, że tak zwane żarówki LED (to błędna nazwa, ponieważ nie mają żarnika), są na prąd stały, skoro podłącza się je do instalacji prądu przemiennego. Otóż wynika to z faktu, że każda taka żarówka zawiera prostownik, który konwertuje prąd przemienny na prąd stały.

To jednak generuje konieczność zastosowania całkiem sporej ilości elektroniki, co prowadzi do powstawania większej ilości elektrośmieci. Kolejnym problemem są straty energii podczas konwersji, które sięgają do 20%. To tak, jakbyśmy mieli zapalone 4 żarówki, a płacili rachunki za 5. Do tego dochodzi jeszcze efektywność samych LED-ów i mamy kolejne straty. Te niweluje LED na prąd przemienny.

Największą zaletą naszego rozwiązania, jest właśnie samo zaprezentowanie nowej architektury dwukierunkowej diody LED, która emituje światło w obu kierunkach przewodzenia. Naturalnie pierwszym pomysłem do zastosowań tej diody jest wykorzystanie w oświetleniu, które mogłoby pracować bezpośrednio pod prądem przemiennym z pominięciem zasilacza AC/DC. Dzięki temu można by zaoszczędzić do 20% energii elektrycznej (sprawność zasilaczy wynosi właśnie około 80-90%).

Jest tylko jeden bardzo istotny warunek – uzyskanie w diodach dwukierunkowych dla obu kierunków przepływu prądu porównywalnych parametrów (charakterystyk prądowo-napięciowych oraz mocy optycznej) jak w komercyjnie dostępnych diodach LED. Natomiast to, co z naszego punktu widzenia jest zdecydowanie bardziej istotne, to mamy nadzieję, że nasz wynalazek przyczyni się do innych innowacji w elektronice opartej o azotek galu (ten sam materiał stosowany w szybkich ładowarkach — przyp. autora).

Opracowanie struktury umożliwiającej przepływ prądu w obu kierunkach, czyli elektronów i dziur wewnątrz struktury diody BD LED, pozwoli na lepsze zrozumienie procesów transportu i rekombinacji nośników. To z kolei umożliwi projektowanie wydajniejszych diod LED nawet o tradycyjnej konstrukcji.

Mikołaj Żak, Instytut Wysokich Ciśnień PAN dla Android.com.pl

Oczywiście efektywność energetyczna LED i tak jest znacznie wyższa, niż zwykłych żarówek. Jednak naukowcy chcą wyeliminować, jak by się do tej pory zdawało, niezbędnego pośrednika, który traci na znaczeniu w przypadku LED na prąd przemienny. I tu jest kolejna kwestia wymagająca wyjaśnienia: dlaczego LED działają tylko z prądem stałym?

Otóż mamy tu do czynienia z diodą półprzewodnikową. Ta w bardzo dużym uproszczeniu przepuszcza elektrony w tylko jedną stronę, przy polaryzacji w kierunku przewodzenia. Drugi kierunek to tak zwany kierunek zaporowy, w którym elektrony nie mogą już popłynąć – a przynajmniej nie bez zniszczenia diody. Prąd przemienny natomiast ciągle zmienia kierunek przepływu prądu. W przypadku polskiej sieci energetycznej w ciągu jednej sekundy aż 100 razy, gdyż po 50 razy płynie w prawo i w lewo (50 Hz). Dla LED na prąd przemienny to nie problem.

LED na prąd przemienny, który przepuszcza elektrony w obie strony

I tu rodzi się pytanie: w jaki sposób element, którego celem jest przepuszczanie elektronów w tylko jedną stronę – taka jest skrócona i uproszczona definicja diody – może działać z prądem przemiennym, nie będąc elementem prostownika? Tak naprawdę w świecie elektroniki od wielu lat istnieje już taki gagatek. Jest to dioda Zenera. Ta po przekroczeniu pewnej wartości napięcia zaczyna przepuszczać prąd w obydwie strony, nie ulegając przy tym uszkodzeniu. 

Wszystko to dzięki zjawisku tunelowania kwantowego. Aby je zrozumieć, należy na chwilę odłożyć zdrowy rozsądek na bok. Otóż tunelowanie kwantowe, to tak, jakbyśmy biegli w stronę drzwi, których nie możemy otworzyć, ani wyważyć i nagle stanęli po ich drugiej stronie, nie zostawiając na nich żadnego uszczerbku.

No cóż, w świecie makro to czysty absurd, ale w przypadku diody Zenera wyjaśnia to, co się dzieje z elektronami. Działa to dlatego, że w skali kwantowej elektrony nie mają konkretnego położenia, natomiast istnieje pewien rozkład prawdopodobieństwa, w którym mogą się znaleźć. Jest on opisywany za pomocą funkcji falowej. I tak się akurat składa, że przy odpowiednim napięciu, czyli poziomie energii elektronu, jego funkcja falowa przenika na drugą stronę diody. Na skutek tego płynie prąd.

W przypadku LED na prąd przemienny mamy do czynienia z taką diodą Zenera, tyle że świecącą. Brzmi prosto, prawda? Spokojnie, to tylko dlatego, że bazujemy tu na gigantycznym uproszczeniu. W sposób całkowicie naukowy wytłumaczył w rozmowie z nami współautor badania:

Ta dwukierunkowość naszych diod, wynika z zastosowania złączy tunelowych po obu stronach obszaru aktywnego, które są specjalnymi silnie domieszkowanymi złączami pn. W nich dzięki tzw. efektowi tunelowemu elektrony mogą być transportowane z pasma walencyjnego półprzewodnika typu p przez wąską barierę potencjału elektrycznego do pasma przewodnictwa półprzewodnika typu n, kiedy złącza są polaryzowane w kierunku zaporowym.

Natomiast przy polaryzacji złącza tunelowego w kierunku przewodzenia, dioda otwiera się i przewodzi prąd zupełnie standardowo jak w typowym złączu pn. A więc, będąc zupełnie precyzyjnym, przy polaryzacji diody dwukierunkowej w dowolnym kierunku (niezależnie czy napięciem ujemnym, czy dodatnim) zawsze jedno ze złączy tunelowych pracuje w kierunku „przewodzenia” i dostarcza elektrony do obszaru aktywnego, natomiast drugie złącze tunelowe pracuje w kierunku „zaporowym” i dzięki efektowi tunelowemu dziury są również dostarczane do obszaru aktywnego, a tunelujące elektrony zamykają obwód elektryczny.

Nie cała dioda dwukierunkowa jest diodą Zenera, tylko właśnie znajdujące się w niej złącza tunelowe spolaryzowane zaporowo przewodzą prąd na tej samej zasadzie co dioda Zenera.

Mikołaj Żak, Instytut Wysokich Ciśnień PAN dla Android.com.pl

LED na prąd przemienny ma jeszcze swoje problemy

Sama technologia LED na prąd przemienny wciąż ma jednak pewne wady. Przede wszystkim kiedy dioda świeci przy napięciu dodatnim, to jej jasność spada. Teoretycznie można więc zauważyć migotanie diody z częstotliwością 50 Hz. Jednak, jak podkreśla współautor badania, problem nie jest wcale aż tak duży, jak mogłoby się wydawać.

Różnica w jasności zależna od kierunku zasilania, jest ściśle związana z właściwościami azotku galu. Nie wchodząc w szczegóły, z uwagi na wewnętrzne pola elektryczne występujące wzdłuż kierunku wzrostu diody BD LED, z perspektywy przepływających elektronów i dziur struktura diody jest różna kiedy prąd zasilania płynie w prawo, bądź w lewo. I to mimo że struktura z punktu widzenia ułożenia kolejnych warstw oraz domieszkowania jest w pełni symetryczna.

Mamy natomiast pomysł jak zmodyfikować obecną strukturę diody, aby wyrównać moc optyczną emitowaną w obu kierunkach. Jeśli chodzi o migotanie i efekt stroboskopowy to, już teraz przy zasilaniu prądem o częstotliwości 50 Hz nie obserwujemy tych efektów. Jeśli w następnych generacjach uda się wyrównać moc optyczną, to efektywnie częstotliwość zmiany intensywności światła będzie równa 100 Hz (dwukrotność częstotliwości sieci), więc efekty stroboskopowe i migotania będą zupełnie niezauważalne.

Mikołaj Żak, Instytut Wysokich Ciśnień PAN dla Android.com.pl

Nad LED na prąd przemienny prace wciąż trwają. Minie jeszcze sporo czasu, nim rozwiązanie to trafi do sklepów. Jednak kiedy to już się stanie, to będziemy mogli liczyć na jeszcze oszczędniejsze diody świecące, które przy okazji będą o wiele bardziej przyjazne dla środowiska, ponieważ wymagają znacznie mniejszej ilości podzespołów. Może nawet z czasem technologia znajdzie zastosowanie w ekranach micro LED, jak te zaprezentowane podczas CES 2024. Te z LED na prąd przemienny byłyby bardziej energooszczędne.

Źródło: naukawpolsce, nature communications, własne. Fot. otwierające: Mikołaj Żak, Instytut Wysokich Ciśnień PAN

Część odnośników to linki afiliacyjne lub linki do ofert naszych partnerów. Po kliknięciu możesz zapoznać się z ceną i dostępnością wybranego przez nas produktu – nie ponosisz żadnych kosztów, a jednocześnie wspierasz niezależność zespołu redakcyjnego.