Loading AI tools
halvledare som avger ljus Från Wikipedia, den fria encyklopedin
Lysdiod (eller LED, från engelskans light-emitting diode) är en ljuskälla baserade på halvledarmaterial som utstrålar inkoherent ljus inom ett smalt ljusspektrum då elektrisk ström flyter i framåtriktningen.
Den här artikeln behöver fler eller bättre källhänvisningar för att kunna verifieras. Motivering: noter finns för vissa uppgifter men väldigt mycket saknar källangivelser (2016-05) Åtgärda genom att lägga till pålitliga källor (gärna som fotnoter). Uppgifter utan källhänvisning kan ifrågasättas och tas bort utan att det behöver diskuteras på diskussionssidan. |
Lysdioden uppfanns av ryssen Oleg Vladimirovitj Losev i mitten av 1920-talet. Den första kommersiella lysdioden med synligt (rött) ljusspektrum utvecklades 1962. Snart skapades även gröna dioder, och i början av 1970-talet hade man färger även i den gul-orange färgskalan.
Flera forskare började därefter fokusera på att försöka skapa det mer energirika blåa ljuset, då man med detta skulle kunna åstadkomma vitt ljus. Det kan ske på (åtminstone) två olika sätt, antingen genom direkt additiv färgblandning med rött och grönt och/eller gult (som i en OLED-display), eller genom att låta de energirika fotonerna i det blåa ljuset excitera ett fosforskikt som i sin tur ger det önskade vita ljuset (som i de flesta LED-lampor för hemmabruk). Den blåa lysdioden krävde dock trettio år av utvecklingsarbete för att bli så effektiv och lätt att tillverka att den kunde bli en kommersiell produkt, något som belönades med Nobelpriset i fysik 2014[1].
Lysdiodernas ljusstyrka var länge ganska svag och de användes primärt som indikatorlampor, 7-segmentdisplayer och för optokopplare, infraröda fjärrkontroller och liknande. Först på 1980-talet kunde man frambringa ett lysdiod-ljus som var kraftigt nog att kunna användas utomhus i solljus. Idag finns lysdioder och lampor baserade på lysdioder i många olika färger, från infrarött över de synliga färgerna till ultraviolett, samt olika nyanser av kallt och varmt vitt ljus.
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. Lysdioderna med osynligt ljus används speciellt med fotodioder eller motsvarande mottagare för signalöverföring av någon typ, exempelvis ljusridå eller fjärrkontroll.
Likt en normal diod, består den av ett stycke halvledarmaterial dopat med orenheter, atomer med annat antal valenselektroner, för att skapa en struktur med positiv respektive negativ del, och en 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. För att öka den radiativa rekombinationen används ofta kvantbrunnar av ett lägre bandgap för att koncentrera laddningsbärare i en mindre spatiell volym [2].
Till skillnad från glödlampor, som kan använda likström eller växelström så kräver lysdioder likström med rätt polaritet. När spänningen över dioden är i rätt riktning, flyter en betydande ström genom PN-övergången i 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 liten läckström flyter, och inget ljus avges, men vid förhöjd spänning sker genombrott och dioden kan förstöras.
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 till och med bättre.
Konventionella lysdioder är gjorda av oorganiska material och kan ge följande ljus:
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, det är därför det endast finns fem eller sex producenter som kan leverera vita lysdioder 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. Ultravioletta och blå lysdioder är relativt dyra jämfört med vanliga röda, gröna, gula och infraröda, och används därför mindre i kommersiella tillämpningar.
Högeffektslysdioder är högpresterande lysdioder för största möjliga ljusutbyte. Under en lång period har det pratats om högeffektslysdioder 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 blinkers, backljus och bromsljus på en bil. Bilägaren kommer aldrig att behöva byta ut lampor under bilens livslängd.
En vanlig tillämpning för lysdioder i olika färger är i 7-segmentsdisplayer som kan visa siffror. För en komplett uppsättning bokstäver används 14–16 segment, punktmatris 5×7 eller liknande. För att möjliggöra en skalvisning, exempelvis i en nivåindikator, finns moduler med många lysdioder satta i rad.
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 mer än kortvarigt, förstörs dioden. Därför skall man i princip i alla tillämpningar ha ett strömbegränsningsmotstånd kopplat i serie med lysdioden. Ett ben på lysdioden är kortare och den är - och kallas också katod. Det längre benet är + och kallas anod. Beteckningarna anod och katod följer inte här att det är den yttre strömmens riktning som bestämmer vad som är anod och katod utan de är fix kopplade till komponentens utformning.
Ett enkelt exempel på hur man beräknar resistansen hos ett seriemotstånd:
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 sänkning av medeleffekten med 30 % vilket kan ha en stor påverkan om man till exempel 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 till exempel 100 Hz, då 100 Hz-flimmer från lysrör har bevisats ha dessa effekter. Högre frekvensers hälsopåverkan är okänd.[3]
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 synavståndet 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.
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 högeffektslysdioder. 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 högeffektslysdiod 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:
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[5].
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. Nackdelarna med lysrör är att de är sköra, tar mycket plats och kräver startkretsar. En vanlig glödlampa till exempel har inte mer än 14% effektivitet[6] där resterande 86% av energin strålas bort i form av värme som ej syns, vilket bara kan tillvaratas om uppvärmning behövs, dvs inomhus vid kallare väder. Lysdioder är i jämförelse robusta, ger medelbra effektivitet, upp till 200 lumen per watt, men är fortfarande ganska dyra. Dock är "vita" lysdioder inte lika bra för ögonen då de baseras på olika lysämnesskikt som läcker energirikt blåljus i olika mängd, istället för att ha ett verkligt, balanserat vitt, spektrum.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.