Allmän information om LED

Lysdiod (Light Emitting Diode, LED) är en diod som utstrålar inkoherent monokromatiskt ljus vid en elektriskt framåtriktad spänning. Lysdioden uppfanns av ryssen Oleg Vladimirovitj Losev i mitten av 1920-talet. Den första lysdioden med synligt ljusspektrum utvecklades 1962. Idag finns lysdioder i många olika färger, från infrarött över de synliga färgerna till ultraviolett, samt numera även kallvitt och varmvitt.

Innehållsförteckning

1 Lysdiodteknologi
1.1 Storlek och uppbyggnad
1.2 Konventionella lysdioder
1.3 Vita lysdioder
1.4 Ultraviolett och blått ljus
1.5 Högpresterande lysdioder
1.6 Inkoppling av lysdioder
1.7 Konventionella lysdiodpaneler och SMD
2 Användningsområden för lysdioder
3 Lysdioder i jämförelse med andra ljuskällor
4 Fördelar och nackdelar med lysdioder
4.1 Fördelar

Lysdiodteknologi

Den elektriska schemasymbolen för en lysdiod, anoden (+) är till vänster och katoden (-) till höger.
Lysdioden är en speciell typ av halvledardiod. Ljuseffekten är en form av elektroluminiscens. Färgen beror på halvledarmaterialen som används, och kan vara inom såväl det ultravioletta som det synliga eller infraröda spektrumet.
Likt en normal diod, består den av ett stycke halvledarmaterial dopat med orenheter för att skapa en struktur kallad PN-övergång. Laddningsbärare (elektroner och hål) som rekombinerar vid PN-övergången frigör energi i form av fotoner. Ljusets våglängd och därmed ljusets färg beror på storleken av halvledarmaterialets bandgap. En normal diod, i allmänhet gjord av kisel eller germanium, utstrålar inget ljus, eftersom dessa material har indirekta bandgap. Material som används för lysdioder måste ha direkt bandgap, med en storlek som korresponderar med fotonenergier för nära-infrarött, synligt eller nära-ultraviolett ljus.
Till skillnad från glödlampor, som kan använda likström eller växelström så kräver lysdioder likström med rätt polaritet. När spänningen genom PN-övergången är i rätt riktning, flyter en betydande ström genom dioden. Strömmen säges då vara framåtriktad. Spänningen över lysdioden är i detta tillfälle stabil för en given lysdiod och proportionell mot energin av de utstrålade fotonerna. Om spänningen har fel polaritet så är den bakåtriktad, mycket lite ström flyter, och inget ljus avges.

Storlek och Uppbyggnad

Den vanligaste typen av lysdiod har varit en hålmonterad med fem millimeter i diameter. De numera vanligaste är ytmonterade i mängder av kapslingar. Eftersom lysdioder är känsliga för överhettning har mycket arbete lagts ned för att få fram kapslingar med god kylning. Verkningsgraden för lysdioder är som bäst ca 25% på blått och 16-17% på vitt, vilket är i klass med urladdningslampor eller i vissa fall t.o.m. bättre.

Konventionella lysdioder
Konventionella lysdioder är gjort av oorganiska mineral som ger följande ljus:
Aluminium galliumarsenid (AlGaAs) - Rött och infrarött
Galliumarsenidfosfid (GaAsP) - Rött, orange och gult
Galliumnitrid (GaN) - Grönt
Zinkselenid (ZnSe) - Blått
Indiumgalliumnitrit (InGaN) - Blått
Kiselkarbid (SiC) - Blått
Diamant (C) - UltraviolettVita lysdioder
Vitt ljus åstadkoms genom additiv färgblandning. En metod är att montera lysdioder som ger olika färger, till exempel blått, grönt och rött, på samma eller separata chips så nära varandra att ljuset uppfattas som vitt. Ett annat sätt är att bygga in UV-strålande dioder i en blandning av fluorescerande ämnen (lysämnen) som ger ljus i olika delar av det synliga spektret.
Det mest effektiva är dock att använda sig av ett blåstrålande chip med lysämne inlagt i kislet kring dioden. Ett skikt av cerium-dopat yttrium-aluminium-granat-pulver ger ett gult fluorescensljus som i blandning med det blå diodljuset ger ett jämnt vitt ljus. Verkningsgraden för en sådan vit lysdiod är mycket hög eftersom redan den blå lysdioden har en mycket hög verkningsgrad (dubbelt så stor som ultraviolettstrålande lysdioder) och eftersom en del av det blå ljuset utnyttjas direkt utan omvandling. Blå lysdioder avger också en del av sin strålning i den osynliga ultravioletta delen av spektret, och även den delen omvandlas i stor utsträckning till gult synligt ljus. Det sistnämnda förhållandet innebär att man får ut ca 4-5 gånger så mycket synligt ljus från en vit som från en blå lysdiod.
Vita lysdioder använder sig vanligtvis av InGaN/SiC-chip. Tekniken är kringgärdad av en mängd patent, varför det endast finns fem eller sex producenter som kan leverera vita lysdioder utan patentintrång.

Ultraviolett och blått ljus
Den senaste innovationen i lysdiodteknologin är en enhet som kan avge ultraviolett ljus. När ultraviolett ljus belyser vissa material, kommer dessa material avge synligt ljus. Ultravioletta och blå lysdioder är relativt dyra jämfört med vanliga röda, gröna, gula och infraröda, och används därför mindre i kommersiella tillämpningar.

Högpresterande lysdioder

Power-LED är högpresterande lysdioder för största möjliga ljusutbyte. Under en lång period har det pratats om Power-LED:er som hanterar större strömmar. Dessa ska kunna ersätta både halogen- och liknande lampor. Anledningen är de har större inbyggda chip anpassade för 0,35 A (1 W) som standard men finns ända upp till 100 W.
Genom sin struktur och uppbyggnad kommer dessa lysdioder att kunna ersätta olika former av LED-kluster, bakgrundsbelysningar och halogenlampor. Typiska tillämpningar är LED- och LCD-displayer, LCD-TV (platt TV), inredningsbelysning i fordon, kontors- och köksarmaturer eller annan tuff miljö. Ett utmärkt exempel är alla blinkljus, backljus och bromsljus på en bil. Bilägaren kommer aldrig att behöva byta ut lampor under bilens livslängd.
Inkoppling av lysdioder [redigera]
Det är strömmen genom lysdioden som bestämmer dess ljusstyrka, inte spänningen. Framspänningen (Uf) över en lysdiod varierar mellan ca 1,9 V (röda) till ca 3,6 V (blåa), och brukar vanligen definieras vid 20 mA ström i framriktningen (If). Om den maximala strömmen i framriktningen (If max) överskrids förstörs dioden. Därför skall man i princip i alla tillämpningar ha ett strömbegränsningsmotstånd kopplat i serie med lysdioden.
Ett enkelt exempel på hur man beräknar resistansen på ett seriemotstånd:
En vit lysdiod med Uf på 3,3 V och If på 20 mA skall kopplas till ett 9 V-batteri.
Strömmen måste begränsas med ett seriemotstånd. Spänningen över hela kretsen är 9 V minus framspänningsfallet över dioden ger att man skall ha ett spänningsfall över motståndet på 5,7 V. Strömmen skall begränsas till 20 mA och enligt ohms lag tar vi R = U/I = 5,7/0,02 = 285 Ω.
Strömmen får inte överstiga 20 mA så man väljer ett motstånd med standardvärdet 330 Ω.
Strömmen kommer så att bli I = U/R = 5,7/330 = drygt 17 mA. Effekten över motståndet blir ca 98 mW.
Ett vanligt sätt att reglera effekten för lysdioder är pulsbreddsmodulering (PWM) av dessa med en så hög frekvens att det mänskliga ögat inte hinner uppfatta blinkningarna/flimret. Exempel, om en lysdiod pulsbreddsmoduleras med 70 % över tiden kommer medelströmmen att sjunka till 70 % av den maximala, resultatet blir en sänknning av medeleffekten med 30 % vilket kan ha en stor påverkan om man t.ex. har problem med värmeutveckling. Ett vanligt missförstånd är att lysdioderna ser ut att lysa starkare vid samma genomsnittliga ström om de pulsas.[källa behövs] I själva verket är de upplevda ljusstyrkorna identiska. Flimret från pulsbreddsmodulerade lysdioder kan antas ha en negativ inverkan på hälsan såsom huvudvärk, ögonansträngning och minskad läshastighet om PWM-frekvensen är så låg som t.ex 100 Hz, då 100 Hz-flimmer från lysrör har bevisats ha dessa effekter. Högre frekvensers hälsopåverkan är okänd. [1][2]

Konventionella lysdiodpaneler och SMD

Det finns två typer av lysdiodpaneler: konventionella som använder enskilda lysdioder och SMD (Surface Mount Device) -paneler. De vanligaste utomhusskärmarna och några inomhusskärmar är byggda av lysdioder på ett sätt som är känt som individuellt monterade lysdioder. Ett kluster av röda, gröna och blå dioder formar en full-färgpixel, vanligen av fyrkantig form. Dessa pixlar placeras med jämna avstånd och mäts från center till center för en absolut pixel-upplösning.
Flertalet inomhusskärmar på marknaden är byggda med SMD-teknologin - en trend som nu utvidgas till utomhusmarknaden. En SMD-pixel består av röda, gröna och blå dioder monterat på ett kretskort som i sig är monterat på ett datorkort. Lysdioderna är mindre än ett stift och är placerade väldigt nära varandra. Skillnaden är att det minimala synavstånd har minskat med 25 % från konventionella lysdiodskärmar med samma upplösning.
Inomhusbruk kräver normalt en skärm baserad på SMD-teknologi och har som minimum en ljusstyrka på 600 nit (candela per kvadratmeter - en standardenhet för luminans). Detta är vanligtvis mer än tillräckligt för produkter för företag och detaljhandel, men för bruk vid hög ljusstyrka krävs mer kraft. Mode- och bilutställningar är två exempel på områden som kräver högre ljusstyrkor för lysdioder. Omvänt, när skärmen används i en teveshow, behöver man ofta lägre ljusstyrka och sänkt färgtemperatur.
För utomhusbruk behövs minst 2 000 nit för flertalet situationer, men högre ljusstyrka upp till 5 000 nit klarar situationer med direkt solljus på skärmen. Fram till idag har bara diskreta diodskärmar uppnått den nivån på ljusstyrkan.
För speciella projekt behöver man beakta faktorer som siktlinjer, myndighetsplanering (om installationen skall vara halv-permanenta), bruk av fordon (transportvagnar för skärmar, vagnmonterade skärmar eller lyftkranar), kablar för kraft och video (räkna med avstånd för hälsa och säkerhet), lämplighet för monteringsplatser av skärmen (kolla att det inte finns några rör, svaga avlopp, hålor eller tunnlar som inte klarar tung last), och lufthinder.
Världens största fullfärgs lysdiodsdisplay finns vid Third Ring Road i Pekings Chaoyang District i Kina. Det är en 758 m² stor display.

Användningsområden för LED

Lysdioder har länge använts som indikatorlampor för olika elektriska apparater och på displayer, men i och med utvecklingen av nya, ljusstarkare sorter kan de även fungera som belysning. På senare tid så har det skapats lysdioder som kan ersätta glödlampor, så kallade powerled. Det viktiga är att förstå att lysdiod är ett samlingsnamn för ett likartat sätt att framkalla ljus där lysdioden i sig används för att indikera eller synas direkt av betraktarens ögon medan en powerled levererar ett ljus som ska återreflekteras av det belysta objektet till betraktarens ögon.
Avancerade optiska kommunikationsutrustningar, elektronik och vitvaror är vanliga användningsområden. Andra tillämpningar är:
Tunna, lätta meddelandetavlor (informationsskyltar)
Statusindikatorer (av/på ljus)
Trafiksignaler
Cykellampor, pannlampor
Belysning (blixtljus, bakljus för LCD-bildskärm)
Signal/nödbelysning
Infraröd fjärrkontroll
Sensorer (mekaniska och optiska datamöss)
LED-skrivare
VMS-skyltar (väginformatikskyltar)
kamerablixt till mobiltelefoner
fordonslampor som bakljus (rött, gult) snart även för strålkastare (vitt)
Effektbelysning för scen och diskotek
Glödlampor i trafiksignaler och övergångar för fotgängare byts gradvis ut mot kluster av lysdioder. Stockholm är den första stad i världen som har infört lysdiodstekniken i alla trafiksignaler och fotgängarsignaler samt vita lysdioder i kollektivtrafiksignalerna. Den första staden i USA som bytt ut glödlamporna i samtliga gatlyktor till energisnåla lysdioder är Ann Arbor, Michigan. Staden deltar i Led City, en satsning för att spara energi med hjälp av lysdioder. Med i projektet är även staden Raleigh i North Carolina och Toronto i Kanada[3].
Lysdioder i jämförelse med andra ljuskällor

Ljussystem som använder glödlampor är billiga att köpa men ineffektiva och ger från omkring 8-10 lumen per watt för en vanlig glödlampa med volframtråd och upp till 22 lumen per watt för en halogenlampa. Fluorescerande lysrör är mer effektiva, från 50-100 lumen per watt för hushållslysrör. Lysrören ger också bra värmeekonomi, men nackdelarna är att de är sköra, tar mycket plats och kräver startkretsar. Lysdioder är i jämförelse mer robusta, de ger medelbra effektivitet, upp till 100 lumen per watt, men är fortfarande ganska dyra.

Fördelar

Storlek: Lysdioder är små och finns i en mängd olika förpackningar, allt ifrån 0,4 mm tjocka till standardstorlekarna med en diameter på 3,5 eller 10 mm. De används t ex i trafikljus, instrumentbrädan på bilar, nödutgångsskyltar, displayer på mobiltelefoner och fickdatorer.
Energieffektivitet: Lysdioder ger mer ljus per watt än vanliga glödlampor; vilket är särskilt användbart i batteridrivna produkter som ficklampor.[4]
Färg: Lysdioder ger specifika färger utan att filter behöver användas, vilket blir billigare och enklare.
Tändtid: Lysdioder tänds direkt. En typisk röd signallampa når full ljusstyrka på några mikrosekunder.[5]
Dimbarhet: Lysdioder kan lätt dimmas, antingen med pulsbreddsmodulering eller genom att sänka den framåtgående strömmen.
Värmeutveckling: Till skillnad mot andra ljuskällor avger lysdioder väldigt lite värme (infraröd strålning) som kan skada textilier och andra föremål. Överskottsenergi avges som värme genom nedre delen av lysdioden.
Mekanisk tålighet: Då lysdioder består av komponenter i fast form och saknar glödtråd tål de stötar och vibrationer bättre än glödlampor och lysrör.
Livslängd: Lysdioder kan ha en relativt lång livslängd; 35 000 - 100 000 användbara timmar jämfört med en glödlampa c:a 1 000 timmar, en halogenlampa 2 000 - 4 000 och en bra lågenergilampa upp till 15 000 timmar (under optimala förhållanden och med gradvis ljusnedgång).
Ljusspridning: Liksom de små lågvoltshalogenlamporna kan lysdioder utformas så att de fokuserar ljuset till en stråle med viss spridningsvinkel, till skillnad mot glödlampor och lysrör som måste ha en extern reflektor för att samla upp och fokusera ljuset.
Tungmetaller: Lysdioder innehåller inget kvicksilver, till skillnad mot lysrör och lågenergilampor.