Chciałoby się powiedzieć, że prąd, jaki jest, każdy widzi, bo mamy go na co dzień, na wyciągnięcie ręki. Ale sprawa nie jest prosta – jak zawsze, gdy mamy do czynienia z czymś, czego nie można zobaczyć. Może ktoś poczuje się pewniej, gdy usłyszy, że prąd to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Może. Choć jednocześnie mamy prąd stały, w którym elektrony płyną zawsze z jednej strony w drugą, i prąd przemienny, w którym ładunki pędzą raz w jedną, raz w drugą. Niby prąd ten sam, a jednak inny.

Reklama

– W domowych gniazdkach mamy prąd przemienny – tłumaczy mgr inż. Mikołaj Żak z Laboratorium Epitaksji z Wiązek Molekularnych Instytutu Wysokich Ciśnień PAN. – Jego napięcie zmienia się sinusoidalnie: od wartości zerowej rośnie do maksymalnej, po czym spada poniżej zera, zmieniając przy tym kierunek dryfu elektronów, na minusie osiąga swoje minimum i znów rośnie, a przechodząc przez zero, ponownie zmienia się kierunek przepływu ładunków. Natomiast większość urządzeń elektronicznych, którymi się posługujemy, wymaga stałej wartości napięcia, czyli ruchu elektronów w jednym kierunku. Dlatego potrzebujemy konwerterów, zwanych potocznie zasilaczami, które zamienią prąd przemienny w stały.

Prostsze urządzenia, np. grzałka, prądu stałego nie wymagają. Podobnie jak żarówka z drucikiem wolframowym. Grzałce i drucikowi wszystko jedno, w którą stronę poruszają się elektrony, choć w przypadku żarówki uzyskiwanie światła w ten sposób jest wyjątkowo nieefektywną metodą. Na świecenie wykorzystuje bowiem jedynie kilka procent dostarczanej energii, reszta zamienia się w ciepło. Krótko mówiąc, tradycyjna żarówka bardziej grzeje niż oświetla. Co innego diody elektroluminescencyjne (LED) wykorzystujące azotek galu, które zrewolucjonizowały rynek, będąc ponad 10-krotnie wydajniejszym źródłem światła niż zwykłe żarówki. Nic dziwnego, że wolframowy żarnik został zdetronizowany przez półprzewodniki.

W uproszczeniu budowa diody wygląda tak: z jednej strony obszaru aktywnego odpowiedzialnego za świecenie znajduje się półprzewodnik typu n, który dostarcza elektrony o ładunku ujemnym. Z drugiej strony jest półprzewodnik typu p, w którym nośnikami prądu są dodatnio naładowane dziury. Taka budowa sprawia, że prąd może przepływać przez diodę tylko w jednym kierunku: od p do n. A to z kolei wymaga przekształcenia prądu zmiennego z sieci energetycznej na stały. W tym celu wykorzystuje się zasilacze AC/DC, których sprawność rzędu 80–90 proc. oznacza, że w procesie przetwarzania prądu tracimy nawet do 20 proc. energii elektrycznej. Nieporównywalnie mniej niż w żarówce tradycyjnej, ale straty nadal są.

Najlepszym rozwiązaniem byłaby dioda wydajna jak LED i działająca jak żarówka na prąd przemienny, co pozwoliłoby wyeliminować konwertery. Na pomysł takiej diody wpadł mgr inż. Żak. – W naszej dwukierunkowej diodzie elektroluminescencyjnej (BD LED) światło jest emitowane niezależnie od kierunku przepływu prądu dzięki innowacyjnej strukturze wewnętrznej diody, zawierającej dwa złącza tunelowe otaczające obszar aktywny – tłumaczy. – Dzięki szczególnym właściwościom złącz tunelowych struktura taka umożliwia efektywne dostarczenie do obszaru aktywnego zarówno elektronów, jak i dziur z obydwu stron, niezależnie od znaku przyłożonego napięcia do diody BD LED. W tej sytuacji kierunek ruchu elektronów przestaje mieć znaczenie.

Co więcej, te diody można łączyć w stosy, by zwielokrotnić moc optyczną uzyskiwaną z pojedynczego chipu. Stos 10 BD LED daje 10-krotnie więcej mocy przy wykorzystaniu tej samej powierzchni na chipie – dodaje mgr inż. Mikołaj Żak.

Istota innowacyjnego rozwiązania jest w trakcie procesu uzyskiwania ochrony patentowej. I choć BD LED autorstwa badaczy z IWC PAN nie są jeszcze tak wydajne jak standardowe LED na prąd stały, to szczegółowe plany na ich udoskonalenie są już gotowe. Obawiano się np., że BD LED zasilane bezpośrednio prądem przemiennym będą wyraźnie migać, bo kiedy napięcie dociera do zera i prąd przez moment nie płynie, dioda również nie świeci. Jednak częstotliwość naszej sieci energetycznej wynosi 50 Hz – co oznacza, że BD LED zapala się i gaśnie 100 razy w ciągu sekundy (dwa razy na jeden cykl), a nasze oko i mózg już przy częstotliwości ok. 30 Hz uznają ruch za płynny. – Dla oka efekt migotania jest więc nieuchwytny, a emitowane przez diodę BD LED światło odbierane jest jako ciągłe – zapewnia mgr inż. Mikołaj Żak. ©Ⓟ