Lysdiod

Från Rilpedia

Hoppa till: navigering, sök
Wikipedia_letter_w.pngTexten från svenska WikipediaWikipedialogo_12pt.gif
rpsv.header.diskuteraikon2.gif
icon_anmal.gif
rp-wp-sv.gif
Stop hand orange.svg
 Den här artikeln anses undermålig och kan behöva skrivas om helt för att leva upp till Wikipedias artikelstandard. Diskutera frågan på diskussionssidan och förbättra gärna artikeln. Var uppmärksam på artikelns innehåll.


Ambox grammar.svg
 Den här artikeln behöver språkvård.
Hjälp till genom att förbättra texten. Se Rilpedia:Korrekturläsning för mer information, och Kategori:Rilpedia:Språkvård för fler artiklar i behov av språkvård.
Lysdioder

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. Lysdioden uppfanns av ryssen Oleg Vladimirovitj Losev i mitten av 1920-talet. Den första lysdioden med synligt ljusspektrum utvecklades 1962.

Lysdioder finns i många olika färger; från infrarött över de synliga färgerna till ultraviolett, samt numera även kallvitt och varmvitt (där tekniken dock fortfarande behöver förbättras för att ge ett naturligt ljus med bra färgåtergivning).

Innehåll

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 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.

Lysdioder

Konventionella lysdioder är gjort av oorganiska mineral som ger följande ljus:

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.

Vita lysdioder

Se även separat artikel om RGB-lysdioder
Dessa är egentligen ett stycke för sig där två företag gör gällande att det var de 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 kislet runt omkring dioden. Ur en sådan lysdiod kommer det jämnaste vita ljuset. Genom att fosforen konverterar det osynliga ljuset utanför ögats synspektrum till synligt 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. De kan göras tillräckligt små för att användas i grafiska färgskärmar.

Hur gör man vita lysdioder?

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.

Användningsområden för lysdioder

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)

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 (nästan) alla trafiksignaler och fotgängarsignaler samt vita lysdioder 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 100 lumen per watt, men är fortfarande ganska dyra. Teknologin för lysdiodproduktionen utvecklas snabbt.

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.

Världens största fullfärgs lysdiodsdisplay finns vid Third Ring Road in Beijing’s Chaoyang District i Kina. Det är en 758 kvadratmeter stor display.

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.

Inkoppling av lysdioder

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 (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 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 vi 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 ohm. Strömmen får inte överstiga 20 mA så vi väljer ett motstånd med standardvärdet 330 ohm. Strömmen kommer så att bli (Ohms lag) I = U/R = 5,7/330 = drygt 17 mA. Effekten över motståndet blir ca 10 mW.

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 lysdioder lyser starkare vid denna inkoppling.

Fördelar med lysdioder

  • Storlek: Lysdioder är små och finns i en mängd olika förpackningar, allt ifrån 0,4mm 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 särksilt användbart i batteridrivna produkter som ficklampor. [1]
  • Färg: Lysdioder ger specifika färger utan att filter behöver används, vilket blir billigare och enklare.
  • Tändtid: Lysdioder tänds direkt. En typisk röd signallampa når full ljusstyrka på några mikrosekunder.[2]
  • Dimbarhet: Lysdioder kan lätt dimmas, antingen med pulsbreddsmodultion 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 - 50 000 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.

Nackdelar med lysdioder

  • Kostnad: Lysdioder kostar för närvarande mer per lumen i inköp än de flesta andra ljuskällor. Om man räknar in hela driftskostnaden är de dock billigare än glödlampor och man räknar med att den kommer kunna konkurrera med lysrör och lågenergilampor.
  • Temperaturkänslighet: Lysdioderna är känsliga för omgivande temperatur och särskilt för värme. Ljusstyrkan (d v s verkningsgraden) varierar med diodens temperatur och de kan lätt överhettas om de inte kyls ordentligt. Lysdiodernas värmeutveckling är en av deras nackdelar, men genom att kontrollera och följa deras 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. Att överanvända lysdioden i höga omgivningstemperaturer kan överhetta den och förkorta dess livslängd. Adekvat temperaturreglering krävs för lång hållbarhet. Detta är extra viktigt när det gäller användning i bilar, medicinsk apparatur och militär användning där dioderna behöver fungera tillförlitligt i stora temperaturskillnader utan att gå sönder.
  • Spänningskänslighet: Lysdioder kräver hög strömstyrka och låg spänning. Därför kan det behövas en serie resistorer eller reglerad strömtillförsel.[3]
  • Ljuskvalitet: De flesta kallvita lysdioder har ett spektrum som skiljer sig markant från svartkroppsstrålare såsom solen, glödlampor och halogenlampor som är naturliga fullspektrumljuskällor (Ra 100). Då chipet i lysdioden är monokromatiskt återger den en väldigt snäv del av färgspektrum. Detta kräver en bra fosforteknologi ovanpå chipet som i samband med vitt ljus håller ca 450-460 nm innan fosforkonverteringen, inte helt olik den som används i lysrör och lågenergilampor. Lysdioden har dock toppar runt 460 nm och dalar runt 500 nm, vilket kan få färgen på föremål att uppfattas helt annorlunda i kallvitt ljus, pga metameri.[4] Röda ytor återges extra dåligt i vanligt fosforbaserat kallvit lysdiodsljus. Dock är färgåtergivningen (som mäts i Ra, eng CRI) hos de bästa vita lysdiodslamporna ofta bättre än i vanliga lågenergilampor (som vanligen har Ra 82). Det finns vita lysdioder med upp till Ra 95 från specialister, men dessa brukar vara dyra och är inte lika ljusstarka som lysdioder av sämre kvalitet. De lesta vita lysdiodslampor på marknaden har ganska dålig färgåtergivning. Alla tekniska värden gällande lm/W etc är irrelevanta om inte hänsyn tas till Ra-värdet.
  • Ljusbeständighet: Ljusstyrkan hos en lysdiod avtar med tiden och kan minska med så mycket som 30-50%.
  • Blåljusrisk: Det en växande oro för att ljuset från blå och kallvita (blåvita) lysdioder nu ska överstiga gränsvärdena för skador på näthinnan. [5][6]
  • Ljusförorening: Då kallvita lysdioder med hög färgtemperatur avger mycket mer blått ljus än konventionell utomhusbelysning såsom högtrycksnatriumlampor, och Rayleigh-spridning är beroende av specifika våglängder, innebär det att kallvita lysdiodslampor kan orsaka mer ljusförorening än andra ljuskällor. Det är därför väldigt viktigt att att kallvita lysdiodslampor är korrekt avskärmade när de används utomhus. Jämfört med lågtrycksnatriumlampor, som ger ljus av våglängden 589.3 nm, sprids den kallvita lysdiodens topp vid 460 nm c:a 2,7 gånger mer av jordens atmosfär. Kallvita lysdiodslampor bör därför inte användas nära observatorier.

Källor

  1. ↑ ”Solid-State Lighting: Comparing LEDs to Traditional Light Sources”. http://www.netl.doe.gov/ssl/usingLeds/general_illumination_efficiency_comparison.htm. 
  2. ↑ Philips Lumileds technical datasheet DS23 for the Luxeon Star states "less than 100ns".
  3. ↑ The Led Museum
  4. ↑ James A. Worthey. ”How White Light Works”. LRO Lighting Research Symposium, Light and Color. http://www.jimworthey.com/jimtalk2006feb.html. Läst 2007-10-06. 
  5. ↑ ”Blue LEDs: A health hazard?”. texyt.com. January 15, 2007. http://texyt.com/bright+blue+leds+annoyance+health+risks. Läst 2007-09-03. 
  6. ↑ ”Light Impacts: Science News Online, May 27, 2006”. http://www.sciencenews.org/articles/20060527/bob9.asp.  071214 sciencenews.org
Hämtad från "https://sv.rilpedia.org/wiki/Lysdiod"
Personliga verktyg