Mistä hehkulamput on tehty? Materiaalit ja teknologia

Oletko koskaan miettinyt, miten hehkulamppu toimii? Tässä artikkelissa tutkimme, miten ne toimivat ja mistä ne koostuvat.

Kuka keksi hehkulampun?

Valaistuksen kehitys Hehkulampusta LEDiin

Hehkulamppu on useiden tutkijoiden ja keksijöiden tutkimustyön tulos, joka saavutti huippunsa 21. lokakuuta 1879, kun Thomas Alva Edison esitteli ensimmäisen hehkulampun laboratoriossaan Menlo Parkissa (New Jersey, USA). Tuo lamppu toimi yhtäjaksoisesti kahden päivän ajan. Edison onnistui tekemään valmistusprosessista yksinkertaisemman ja halvemman, jotta sen myynti yleisölle olisi kannattavaa ja lopulta mahdollista. 27. tammikuuta 1880 Edison patentoi hehkulampun sellaisena kuin me sen tunnemme, ja muutti syvästi yhteiskuntaa sekä tapaamme elää.

On kuitenkin syytä mainita ne, jotka osallistuivat hehkulampun keksimiseen:

Humphry Davy, joka vuonna 1809 asetti kapean hiililiuskan akun kahden navan väliin tuottaakseen valoa.
Warren de la Rue, joka vuonna 1840 sai platinalangan hehkumaan tyhjiöputken sisällä.
Henry Woodward ja Matthew Evans, jotka vuonna 1875 patentoivat virallisesti ensimmäisen hehkulampun.
Joseph Wilson Swan, joka vuonna 1879 esitteli suunnitelmansa tyhjiöidystä lasikuvusta, jossa oli platinalangat ja hiilletty lanka.
Irving Langmuir, joka vuonna 1913 loi neonvalot lisäämällä kaasuja lamppuun.
Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ja Shuji Nakamura, jotka vuonna 1997 keksivät LED-lampun (Light Emitting Diode).

Mistä ne on tehty?

Puhumme LED-lampuista:

Osat

LED-lampun ulkopuolelta löydät:

Diffuusorin: tämä antaa valolle hajautuskulman. Ne valmistetaan yleensä muovista. Joissakin malleissa diffuusori korvataan linssillä, joka ohjaa sirusta tulevan valon.
Jäähdyttimen: tämä on osa, joka pitää LED-lampun sirun paikallaan. Ne valmistetaan yleensä keramiikasta tai alumiinista, ja niiden tehtävänä on johtaa lämpöä pois lampun käyttöiän pidentämiseksi.
Kannan: tämä sisältää ohjaimen. Kantoja on erilaisia, jotta ne voidaan kiertää valaisimeen.

LED-lampun sisältä löydät seuraavat osat:

Sirut: ne säätelevät, miten LED-lamppu muuntaa sähkön valoksi. Siruja on kahta tyyppiä: SMD ja COB.
Ohjaimet: nämä toimivat lampun virtalähteenä.

Miten lamput valmistetaan?

LED-lamppujen valmistukseen on olemassa erikoiskoneita. Selitämme prosessin lyhyesti:

LED-lampun valmistus alkaa alustasta. Käytetyt materiaalit vaihtelevat safiirista (valkoisille ja kylmille sävyille) galliumarsenidiin (lämpimille sävyille).

Lämpimissä sävyissä käytetään AlInGaP-teknologiaa. Sen nimi tulee valmistuksessa käytetyistä materiaaleista: alumiini, indium, gallium ja fosfori. Kylmissä väreissä, mukaan lukien valkoinen, käytetään InGaN-teknologiaa: indium, gallium ja typpi. Alusta päällystetään erilaisilla materiaaleilla, jotta siitä tulee kestävä ja pitkäikäinen. Näin luodaan kaksi LED-puolijohdetta. Tehokkuus ja laatu riippuvat tästä prosessista.

Tämä alusta sijoitetaan kiekkoon, joka päällystetään materiaalilla. Tämän jälkeen sirut ja niitä vastaavat LEDit sijoitetaan paikoilleen. Sen jälkeen yksittäisten LEDien lämpötila ja kirkkaus tarkistetaan.

LED tarvitsee tämän jälkeen kannan, jäähdyttimen ja diffuusorin, ja sirut päällystetään silikonilla niiden suojaamiseksi.

Lopuksi LED-lamput luokitellaan niiden ominaisuuksien mukaan.

Miten ne toimivat?

LED-lamppu on puolijohdelaite, jossa on kaksi elementtiä:

P-tyypin puolijohde: tämä tarkoittaa, että se sisältää positiivisia varauksenkuljettajia.
N-tyypin puolijohde: sisältää negatiivisesti varautuneita elektroneja.

Tämä yhdistelmä muodostaa diodin, joka sähkövirran kulkiessa saa positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet hiukkaset liikkumaan vastakkaisiin suuntiin. Kun hiukkaset törmäävät, ne vapauttavat energiaa fotonien muodossa. Vapautuneiden fotonien määrä määrittää valon taajuuden (tai värin). Tästä syystä käytetään kahta eri teknologiaa, joissa puolijohteissa käytetään erilaisia materiaaleja (AlInGaP ja InGaN) valon värin määrittämiseksi.

Kun materiaalit on käsitelty sirussa, se sijoitetaan niin, että sillä on pääsy sähkövirtaan sekä tila tuottaa valoa haluttuun suuntaan.

Lue myös:

Miten hehkulamput ovat muuttuneet niiden keksimisen jälkeen?

Edisonin patentista nykypäivään hehkulamppu on käynyt läpi lukuisia muutoksia. Klassinen hehkulamppu koostui yksinkertaisesta lasikuvusta, jonka sisällä oli tyhjiössä (tai inertissä kaasussa) volframilanka. Vuodesta 2021 lähtien Euroopan unioni (EU) on kieltänyt niiden valmistuksen ja tuonnin antaakseen etusijan kestävämmille vaihtoehdoille.

1800-luvun lopulla tehtiin kokeita loistevalaistuksella. Vuonna 1926 saksalainen keksijä Edmund Germer ja hänen tiiminsä toteuttivat parannettuja tekniikoita, jotka tekivät loistelampuista tehokkaita ja helposti valmistettavia. Pohjoisamerikkalainen yritys General Electric hankki patentin ja alkoi markkinoida loistelamppuja vuonna 1938. EU suunnittelee niiden valmistuksen ja tuonnin kieltämistä vuodesta 2023 alkaen.

Halogeenilamput ovat klassisen hehkulampun kehitysversio. 1950-luvulla amerikkalaiset insinöörit etsivät ratkaisuja lentokoneiden valaistukseen. Myöhemmin niitä käytettiin laajalti. EU:ssa niiden valmistus ja tuonti on kielletty vuodesta 2018 lähtien.

LEDien osalta on syytä mainita Henry Joseph Roundin vuonna 1907 ja Oleg Lósevin vuonna 1927 tekemä tutkimustyö ennen ensimmäisen kaupallisen prototyypin kehittämistä, jonka General Electric toteutti vuonna 1962. Tämä ensimmäinen LED tuotti infrapunavaloa. Kymmenen vuotta myöhemmin Jacques Pankove tutki LED-teknologiaa matalajännitteisen sinisen valon tuottamiseksi. 1980-luvun alussa Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ja Shuji Nakamura kehittivät ensimmäisen täysin sinisen LEDin ja viimeistelivät sen nykyiseen muotoonsa. Sen jälkeen teknologia on kehittynyt tuottamaan tehokkaampia, energiatehokkaampia ja värintoistoltaan parempia LEDejä. Nykyään se on EU:ssa eniten käytetty valaistusratkaisu ominaisuuksiensa ansiosta, samalla kun muut lampputyypit ovat vähitellen poistumassa käytöstä.