LED är ficklampans kärna

Utvecklingen för LED-tekniken har varit förbluffande de allra senaste åren. De tidigare ljussvagare lysdioderna har utvecklats och idag är de rejält mycket ljusstarkare än traditionella lampor med glödtråd. Men för många är LED fortfarande förknippat med mystik och okunskap. Här finns fakta om LED för den som vill fördjupa sig.

Vad är LED?

Lysdiod (Light Emitting Diode, LED) är en diod som utstrålar inkoherent monokromatiskt ljus vid tillräckligt framåtriktad ström. Den första lysdioden med synligt ljusspektrum utvecklades 1962. 1970 kom nya lysdiod-färger till, man hade nu en grön färg och en röd färg. Därmed kunde man också skapa gult lysdiod-ljus.

Forskarna var klara över att det var nödvändingt att fokusera på den blå färgen, då man med den och de övriga färgerna skulle kunna frambringa ett vitt lysdiod-ljus. Ljusstyrkan var vid tidpunkten fortfarande svag och först på 1980-talet kunde man frambringa ett lysdiod-ljus som var kraftigt nog att kunna användas utomhus. Idag finns lysdioder i många olika färger, från infrarött över de synliga färgerna till ultraviolett. Vitt ljus finns från kallvitt till varmvitt.

Effektivitet

Tekniken inom belysning har utvecklats och förbättrats avsevärt de senaste åren. De tidigare ljussvagare lysdioderna har utvecklats och idag är de rejält mycket ljusstarkare än traditionella lampor med glödtråd. En LED kärna levererar massa mer ljus jämfört mot gammal glödteknik. Den gamla glödlampan gör en stor energiförlust där en större del av energin från batteriet omvandlas till värmeenergi. LED alstrar mer energi som rent ljus och mindre värme.

Lysdiodteknologi

Lysdioden är en speciell typ av halvledardiod. Ljuseffekten är en form av elektroluminiscens. Vilket typ av ljus som alstras, beror på vilket halvledarmaterial som används. Det kan vara ultraviolett, "vanligt synligt" eller inom det infraröda spektrumet.

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, vanligtvis 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 drivas på 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 och strömmen är då 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. Vid förhöjd spänning sker genombrott och dioden kan då förstöras.

Storlek och uppbyggnad

Tidigare har den vanligaste typen av lysdiod varit hålmonterad med fem millimeter i diameter. De numera vanligaste är ytmonterade i mängder av kapslingar. Eftersom lysdioder är känsliga för överhettning, har mycket forskning skett 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 gjorda av oorganiska mineraler som ger följande ljus:

• Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) - Rött och infrarött
• Galliumarsenidfosfid (GaAsP) - Rött, orange och gult
• Galliumnitrid (GaN) - Grönt
• Zinkselenid (ZnSe) - Blått
• Indiumgalliumnitrit (InGaN) - Blått
• Kiselkarbid (SiC) - Blått
• Diamant (C) - Ultraviolett

Vita lysdioder

Vitt ljus fås 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.

Blåa lysdioder alstrar 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 finns så få tillverkare av effektiva vita lysdioder på marknaden.

Högpresterande lysdioder (Power-LED)

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.

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 användningsområde är exempelvis alla blinkers, 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 framförallt påverkar ljuseffekten, 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 en längre tid tar dioden skada. Därför skall man i princip i alla tillämpningar ha ett strömbegränsningsmotstånd kopplat i serie med lysdioden.