Lysdiod
Wikipedia
Lysdiod (Light Emitting Diode, LED) är en diod som utstrålar inkoherent monokromatiskt ljus vid en elektriskt framåtriktad spänning. Effekten är en form av elektroluminiscens. Färgen beror på halvledarmaterialen som används, och kan vara inom såväl det ultravioletta som det synliga eller infraröda spektrumet. Den första lysdioden med synligt ljusspektrum utvecklades 1962.
Innehåll |
[redigera] Jämförelse med andra ljuskällor
[redigera] Fördelar
Jämfört med en glödlampa förbrukar lysdioden mindre elektrisk effekt och håller längre, lysdioden har en brinntid på över 100 000 timmar medan en glödlampa har cirka 1000 timmar och en lågenergilampa cirka 10 000 timmar. De senaste modellerna är okänsliga för temperaturvariationer, stötar och vibrationer (glödtråd saknas). Olika färger finns, inklusive infrarött och numera även vitt dagsljus och blått. Lysdioden är liten; dimensioner på några millimeter.
Glödlampan skulle kunna vara ett minne blott om priserna på lysdioderna sjunker något ytterligare. En LED är inte mycket större än ett knappnålshuvud i många fall men ändå ger de mer ljus än en lysmask. Det verkar som om lysdioderna har bestämt sig för att lysa upp vår framtid.
Man hittar redan idag dessa komponenter i många vardagsapplikationer, exempelvis på instrumentbrädan i bilen eller i tv:ns stand-by-knapp, i nödutgångsskyltar, i displayer på din mobiltelefon eller på din fickdator. Och listan växer.
MR16 LED-lampa I framtiden, men även till allt större del redan idag, kommer lysdioderna att bli en allvarlig konkurrent till vanliga glödlampor, halogenlampor och lysrör. I jämförelse med lysdioden är glödlampan en riktig dinosaurie. Den är snarare en värmeapparat än en ljuskälla. Endast 5 procent av effekten som pumpas in i lampan kommer ut som ljus.
Lysdioder, å andra sidan, är robusta och stöttåliga. De är dessutom fyra gånger så effektiva och kräver 80 procent mindre energi. Med en livslängd på ungefär 100.000 timmar (ca 11 år) räcker de 50 gånger längre och tål temperaturer från minus 40 till plus 100 grader.
[redigera] Nackdelar
Lysdioderna är känsliga för värme, ljusstyrkan varierar med diodens temperatur och de kan lätt överhettas om de inte kyls ordentligt. Lysdiodernas värmeutveckling är en av dess nackdelar men genom att kontrollera och följa dess specifikation så kommer de inte bli överhettade om de inte drivs utanför specifikationen. De lysdioder som kräver kylning kommer att överhettas om det inte används någon kylning.
Lysdioderna kan ersätta glödlampor men är inte så effektiva som ofta påstås; de är helt underlägsna lysrör och lågenergilampor. Detta påstående är helt och hållet rätt och helt fel då en lysdiod faktiskt har ungefär densamma lm/W, verkningsgrad som ett lysrör och kanske till och med bättre i vissa fall. Idag ligger de mest extrema lysdioderna av vitt ljus på ca 120 lm/W men är då oftast en 20mA variant. Läs mer om detta under Power LED
[redigera] Miljö
Lysdioden innehåller inte några miljöfarliga ämnen såsom bly eller kvicksilver och är därför ett bättre val ur miljösynpunkt.
[redigera] Lysdiodteknologi
Lysdioden är en speciell typ av halvledardioder. 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 mängden energi i materialet som formar PN-övergången. En normal diod, i allmänhet gjord av kisel eller germanium, utstrålar osynligt infrarött ljus, medan material som används for lysdioder har energimängder som korresponderar mot nära-infrarött, synligt och 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.
Konventionella lysdioder är gjort av oorganiska mineral som ger följande ljus:
- aluminium gallium arsenid (AlGaAs) - rött och infrarött
- gallium arsenid fosfid (GaAsP) - rött, orange och gult
- gallium nitrid (GaN) - grönt
- zink selenid (ZnSe) - blått
- indium galliumnitrit (InGaN) - blått
- kiselkarbid (SiC) - blått
- diamant (C) - ultraviolett
Lysdioder började utvecklas med infrarött och röda anordningar, och tekniska framsteg gjorde det möjligt att producera enheter även med kortare våglängder.
Blåa lysdioder blev tillgängliga i slutet av 1990-talet. De kan läggas till existerande röda och gröna lysdioder för att producera vitt ljus. Zinkselenid (ZnSe) lysdioder kan producera vitt ljus vid strålning av blått ljus från PN-övergången som därefter blandas med rött-till-grönt ljus skapad av fotoluminiscensen i ZnSe-materialet.
[redigera] Vita lysdioder
Se även separat artikel om RGB-lysdioder
Dessa är egentligen ett stycke för sig där två företag gör gällande att det var dom som uppfann den. Dock det finns ett par olika sätt att få fram det men flera som anger sig att kunna detta levererar relativt dåliga lösningar utan kvalitet på ljuset. RGB är ett sätt men det mest effektiva är att använda sig av ett blått chip och sedan lägga in fosforoxid i silconet runt omkring dioden. Ut ur en sådan lysdiod kommer det jämnaste vita ljuset. Genom att fosforen konverterar det osynliga ljuset utanför ögats synspektra till synlig ljus får man ut ca 4-5 gånger så mycket ljus som från en blå lysdiod. Vita lysdioder använder sig vanligtvis av InGaN/SiC chip. Runt omkring det vita ljuset finns det en mängd patent vilket gör att det endast finns en 5-6 st producenter som kan leverera utan patentintrång.
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. Vita lysdioder har producerats genom att bygga in UV-strålande dioder i fluorescerande material.
Ultravioletta och blåa lysdioder är relativt dyra jämfört med vanliga röda, gröna, gula och infraröda, och används mindre i kommersiella tillämpningar.
Halvledarmaterialet är inneslutet i solida plastlinser som är mycket hårdare än glaset som omsluter en traditionell glödlampa eller lysrör. Plasten kan färgas, men det görs bara av kosmetiska skäl och påverkar inte färgen på det utstrålande ljuset.
Den typiska lysdioden är konstruerad att användas vid inte mindre än 30-60 milliwatt.
De senaste åren (fram till år 2003) har man forskat mycket i organiska lysdioder (OLED) som är gjord av halvledande organiska polymerer. Den bästa effekten av en organisk lysdiod är så långt omkring 10 %. Dessa enheter förväntas bli mycket billigare att producera än oorganiska lysdioder. Man räknar till och med att kunna tillverka dem så små att de kan ingå i grafiska färgskärmar.
[redigera] 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 15%, vilket är i klass med urladdningslampor eller i vissa fall t o m bättre.
[redigera] Användningsområden för lysdioder
Lysdioder har redan i årtionden använts som indikatorlampor för olika elektriska apparater och på displayer, men i och med utvecklingen av nya, ljusstarka 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 betrakarens ögon.
Avancerade optiska kommunikationsutrustningar, enkel hemelektronik och i mikrovågsugnar är vanliga användningsområden. Andra bruksområden 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)
- Mysbelysning
- Kamerablixt till mobiltelefoner
Lysdioder har fördelar beträffande underhåll och säkerhet. Typisk livstid för en enhet är över tio år, något som är mycket längre än andra ljuskällor. Lysdioder avger mycket mindre värme än glödlampor och tål mera än fluorescerande lampor. Eftersom en enkel lysdiod är mindre än en centimeter lång så byggs lysdiodbaserade ljuskällor för belysning och utomhussignaler av kluster av tiotals enheter.
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 dioder i kollektivtrafiksignalerna.
Ljussystem som använder glödlampor är billiga att köpa men ineffektiva och ger från omkring 8-10 lumen per watt för en vanlig glödlampa med wolframtråd, till 22 lm/W för en halogenlampa. Fluorescerande lysrör är mer effektiva, från 50-100 lm/W för hushållslysrör, och ger bra värmeekonomi, men är sköra, tar mycket plats och kräver startkretsar. Lysdioder är robusta, ger medelbra effektivitet, upp till 48 lumen per watt, men är fortfarande ganska dyra. Teknologin för lysdiodproduktionen utvecklas snabbt.
[redigera] 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-tekonologi och har som minimum en ljusstyrka på 600 nits (en standardenhet för luminans - candela per kvadratmeter). 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 behöver man minst 2 000 nits för flertalet situationer, men högre ljusstyrka upp till 5 000 nits 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.
Två av de största lysdiodskyltarna i världen finns i USA. Den ena är en 1500 fot lång skylt i taket på Fremont Street Experience i Las Vegas. Den andra är en 36 m hög skylt vid Times Square, i New York.
[redigera] Högpresterande lysdioder
Huvudartikel: Power-LED
powerled 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 chipp anpassade för 0,35 A (1W) som standard men finns ända upp till 1,4 A (5W).
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.
[redigera] Inkoppling av lysdioder
Det är strömmen genom lysdioden som bestämmer dess ljusstyrka, inte spänningen. Framspänningen (Uf) över en lysdiod varierar mellan va 1.9V (röda) till ca 3.6V (blåa), och brukar vanligen definieras vid 20mA ström i framriktningen (If). Om den maximala strömmen i framriktningen (Ifmax) 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 ett seriemotstånd: En st vit lysdiod med Uf på 3.3V och If på 20mA skall kopplas till ett 9V-batteri.
Strömmen måste begränsas med ett seriemotstånd. Spänningen över hela kretsen är 9V minus framspänningsfallet över dioden ger att vi skall ha ett spänningsfall över motståndet på 5.7V. Strömmen skall begränsas till 20mA och enligt Ohms lag tar vi R = U/I = 5.7/0.02 = 285 ohm. Strömmen får inte överstiga 20 mA så vi väljer ett motstånd med standardvärdet 330ohm. Strömmen kommer så att bli (Ohms lag) I=U/R = 5.7/330 = drygt 17mA. Effekten över motståndet blir ca 10mW.
Ett vanligt sätt att spara energi för lysdioder är att pulsbredsmodulera (PWM) dessa med en så hög frekvens att det mänskliga ögat inte kan uppfatta blinkningarna/flimmret. Ett exempel, om en lysdiod pulsbreddsmoduleras med 70% över tiden kommer medelströmmen att sjunka till 70% av den normala, vilket ger en 30% sänkning i effekt vilket kan ha en stor påverkan om man har t.ex. problem med värmeutveckling. En positiv sidoeffekt av detta är att många lydsioder lyser starkare vid denna inkoppling.
