Led

LED (ljusemitterande diod)
Blå, gula, gröna och röda lysdioder i ett 5 mm diffusionspaket
Kille	Halvledare
Funktionsprincip	elektroluminescens
Uppfinning	H. J. Round (1907) Oleg Losev (1927) James R. Biard (1961) Nick Holonyak (1962) Shuji Nakamura (1994) ]
första produktionen	oktober 1962
elektronisk symbol
terminaler	anod och katod

En lysdiod eller lysdiod (även känd under förkortningen LED , från engelska light -emitting diode ) är en ljuskälla som består av ett halvledarmaterial med två terminaler . Detta är en pn-övergångsdiod som avger ljus när den aktiveras. Om en lämplig spänning appliceras på terminalerna, rekombinerar elektronerna med hålen i enhetens pn-övergångsområde och frigör energi i form av fotoner . Denna effekt kallas elektroluminescens , och färgen på ljuset som genereras (beroende på energin hos de emitterade fotonerna ) bestäms av bredden på halvledarbandsgapet . Lysdioder är normalt små (mindre än 1 mm²) och vissa optiska komponenter är associerade med dem för att skapa ett strålningsmönster. ]

De första lysdioderna tillverkades som elektroniska komponenter för praktisk användning 1962 och de avgav lågintensivt infrarött ljus. Dessa infraröda lysdioder fortsätter att användas som sändande element i fjärrkontrollkretsar, såsom fjärrkontroller som används inom en mängd olika konsumentelektronikprodukter. De första lysdioderna för synligt ljus hade också låg intensitet och begränsade till det röda spektrumet. Moderna lysdioder kan spänna över våglängder inom de synliga , ultravioletta och infraröda spektra och nå mycket höga ljusstyrkor.

De första lysdioderna användes i elektronisk utrustning som indikatorlampor för att ersätta glödlampor. De associerades snart för numeriska displayer i form av sju-segments alfanumeriska indikatorer , samtidigt som de inkorporerades i digitala klockor. Den senaste utvecklingen tillåter redan att lysdioder kan användas för omgivande belysning i sina olika applikationer. Lysdioder har möjliggjort utvecklingen av nya skärmar och sensorer, och deras höga växlingshastigheter gör att de också kan användas för avancerad kommunikationsteknik.

Idag erbjuder lysdioder många fördelar jämfört med konventionella glödlampor eller fluorescerande ljuskällor, särskilt lägre strömförbrukning, längre livslängd, förbättrad fysisk robusthet, mindre storlek och möjligheten att tillverka dem på en mängd olika sätt. färger i det synliga spektrumet på ett mycket mer definierat och kontrollerat sätt; i fallet med flerfärgade lysdioder, med en snabb växlingsfrekvens.

Dessa dioder används nu i så olika tillämpningar att de täcker alla aktuella tekniska områden, från bioteknik , medicin och hälsa , genom nanoteknik och kvantberäkningar , elektroniska enheter eller belysning inom gruvteknik ; bland de mest populära är bakgrundsbelysningen av TV- och datorskärmar, såväl som mobila enheter ​ navigationsljuset för flygplan , strålkastarna på fordon , reklam, belysning i allmänhet , trafikljus , blinkande lampor och ljus tapeter. Sedan början av 2017 har LED-lampor för hembelysning varit lika billiga eller billigare än kompaktlysrör med liknande beteende som LED. De är också mer energieffektiva och bortskaffande av dem som avfall kan orsaka färre miljöproblem. ]

Delar av en konventionell led. De plana ytorna på städet och stolpen i epoxiingjutningen fungerar som ankare för att förhindra ledare från att förskjutas under mekanisk påfrestning eller vibration.

Förstorad bild av en ytmonterad led

Historik

Upptäckt och tidiga enheter

Fenomenet elektroluminescens upptäcktes 1907 av den brittiske experimentatorn Henry Joseph Round , från Marconi Laboratories , med hjälp av en kiselkarbidkristall och en detektor med morrhår . Den sovjetiske uppfinnaren Oleg Losev rapporterade konstruktionen av den första lysdioden 1927. Hans forskning dök upp i sovjetiska, tyska och brittiska vetenskapliga tidskrifter, men upptäckten omsattes inte i praktiken förrän flera decennier senare. Kurt Lehovec, Carl Accardo och Edward Jamgochian tolkade mekanismen för dessa första LED-dioder 1951, med hjälp av en enhet som använde kiselkarbidkristaller, med en pulsgenerator och en strömförsörjning, och 1953 med en variant kristallen.

RCA :s Rubin Braunstein rapporterade 1955 om infraröd emission från galliumarsenid (GaAs) och andra halvledarlegeringar. Braunstein observerade att denna emission genererades i dioder konstruerade av galliumantimonid (GaSb), galliumarsenid (GaAs), indiumfosfid (InP) och kisel-germanium (SiGe) legeringar vid rumstemperatur och 77 kelvin.

1957 visade Braunstein också att dessa rudimentära enheter kunde användas för kortdistanskommunikation utan radio. Som Kroemer påpekar, etablerade Braunstein en mycket enkel linje av optisk kommunikation: han tog musiken från en skivspelare och bearbetade den genom lämplig elektronik för att modulera likströmmen som produceras av en GaAs Gallium Arsenide diode . Ljuset som sänds ut av GaAS -dioden kunde sensibilisera en PbS -blysulfiddiod belägen på ett visst avstånd. Signalen som sålunda genererades av PbS-dioden matades in till en ljudförstärkare och sändes genom en högtalare. När ljusstrålen fångades upp mellan de två lysdioderna stannade musiken. Denna sammansättning förebådade redan användningen av lysdioder för optisk kommunikation.

Grön elektroluminescens från en kontaktpunkt på en SiC- kristall återger det ursprungliga experimentet som Round utförde 1907.

I september 1961 upptäckte James R. Biard och Gary Pittman, som arbetade på Texas Instruments (TI) i Dallas , Texas , infraröd strålning (900 nm) som kom från en tunnlingsdiod som de hade konstruerat med ett kolarsenidsubstrat, gallium (GaAs). I oktober 1961 demonstrerade de förekomsten av effektiv ljusemission och signalkoppling mellan den ljusemitterande galliumarsenid pn-övergången och en elektriskt isolerad fotodetektor gjord av ett halvledarmaterial. Baserat på deras upptäckter, den 8 augusti 1962, producerade Biard och Pittman ett patent med titeln "Semiconductor Radiant Diode" som beskrev hur en zinklegering diffunderade under tillväxten av kristallen som bildar substratet för en pn-junction LED med en katodkontakt tillräckligt separerad, möjliggjorde emission av infrarött ljus effektivt i framåtförspänning.

Med tanke på vikten av hans forskning, som den förekom i hans tekniska anteckningsböcker och till och med innan han kommunicerade hans resultat från laboratorierna hos General Electric , Radio Corporation of America , IBM , Bell Laboratories eller de från Lincoln Laboratory vid Massachusetts Institute of Massachusetts. Teknik , de beviljades ett patent av USA:s patent- och varumärkesmyndighet för uppfinningen av galliumarsenid infraröda lysdioder (US patent US3293513A), som anses vara de första lysdioderna i praktisk användning. Direkt efter att patentet lämnats in startade TI ett projekt för att tillverka de infraröda dioderna. I oktober 1962 utvecklade Texas Instruments den första kommersiella lysdioden (SNX-100), som använde en ren galliumarsenidkristall för att avge 890nm ljus. I oktober 1963 lanserade TI den första kommersiella halvsfäriska lysdioden, SNX-110. ]

Den första lysdioden med emission i det synliga spektrumet (röd) utvecklades 1962 av Nick Holonyak , Jr. när han arbetade på General Electric . Holonyak rapporterade i tidskriften Applied Physics Letters den 1 december 1962. År 1972 uppfann M. George Craford , en doktorand från Holonyak, den första gula lysdioden och förbättrade ljusstyrkan hos lysdioder, röda och röd-orange lysdioder. med en faktor tio. 1976 byggde TP Pearsall de första högljus- och högeffektiva lysdioderna för telekommunikation över fiberoptik. För att göra detta upptäckte han nya halvledarmaterial som uttryckligen var anpassade till våglängderna för den tidigare nämnda optiska fiberöverföringen. ]

Inledande kommersiell utveckling

De första kommersiella lysdioderna användes i allmänhet för att ersätta glödlampor och neonindikatorlampor samt i displayer med sju segment . Först i dyr utrustning som elektronisk utrustning och laboratorietestutrustning, och senare i andra elektriska apparater som tv-apparater, radioapparater, telefoner, miniräknare, samt armbandsur. Fram till 1968 var synliga och infraröda lysdioder extremt dyra, i storleksordningen $ 200 per enhet, och hade därför liten praktisk användning. Monsanto Company var först med att massproducera synliga lysdioder, med galliumarsenidfosfid (GaAsP) 1968 för att producera röda lysdioder för indikatorer. ]

Hewlett-Packard (HP) introducerade lysdioder 1968, först med GaAsP från Monsanto. Dessa röda lysdioder var tillräckligt ljusa för att användas som indikatorer, eftersom ljuset som sänds ut inte var tillräckligt för att belysa ett område. Avläsningarna på räknarna var så svaga att plastlinser placerades över varje siffra för att göra dem läsbara. Senare dök andra färger upp och användes flitigt i prylar och utrustning. På 1970-talet tillverkade Fairchild Optoelectronics kommersiellt framgångsrikt LED-enheter för mindre än fem cent vardera. Dessa enheter använde sammansatta halvledarchips tillverkade med den plana processen som uppfanns av Jean Hoerni från Fairchild Semiconductor . Planar bearbetning för chiptillverkning kombinerat med innovativa förpackningsmetoder gjorde det möjligt för teamet ledd av optoelektronikpionjären Thomas Brandt att uppnå de nödvändiga kostnadsminskningarna på Fairchild. Dessa metoder används fortfarande av LED-tillverkare. ]

LED-display av en vetenskaplig miniräknare TI-30 (ca 1978) som använder plastlinser för att öka den synliga storleken på siffrorna

De flesta lysdioder tillverkades i de typiska 5 mm T1¾ och 3 mm T1-paketen, men med ökningen av effekt har det blivit alltmer nödvändigt att ta bort överskottsvärme för att bibehålla tillförlitligheten. Det har därför varit nödvändigt att utforma mer komplexa förpackningar utformade för att uppnå effektiv värmeavledning. De förpackningar som för närvarande används för högeffekts LED-lampor påminner inte mycket om tidiga LED-lampor.

Blå LED

Blå lysdioder utvecklades först av RCA:s Henry Paul Maruska 1972 med hjälp av Gallium Nitride (GaN) på ett safirsubstrat. SiC (tillverkat av kiselkarbid) började marknadsföras av Cree, Inc., USA 1989. Men ingen av dessa blå lysdioder var särskilt ljusa, glittrande.

Den första blå lysdioden med hög ljusstyrka introducerades av Shuji Nakamura från Nichia Corp. 1994 från Indium Gallium Nitride ( InGaN ) material. ​ Isamu Akasaki och Hiroshi Amano i Nagoya arbetade parallellt med den kristallina kärnbildningen av galliumnitrid på safirsubstrat, och erhöll på så sätt p-typ dopning med nämnda material. Som en konsekvens av deras undersökningar tilldelades Nakamura, Akasaki och Amano Nobelpriset i fysik . ​ År 1995 undersökte Alberto Barbieri från Cardiff University (UK) laboratoriet effektiviteten och tillförlitligheten hos lysdioder med hög ljusstyrka och som ett resultat av sin forskning fick han en lysdiod med en transparent kontaktelektrod med indiumtennoxid (ITO) på aluminium-gallium-indiumfosfid och galliumarsenid.

Under 2001 och 2002 genomfördes processer för att odla lysdioder av galliumnitrid på kisel. Som ett resultat av denna forskning lanserade Osram i januari 2012 högeffekts indiumgalliumnitrid-lysdioder odlade på kiselsubstrat. ]

Vit led och evolution

Illustration av Haitzs lag som visar förbättring över tid, med hjälp av en logaritmisk skala på den vertikala axeln.

Uppnåendet av hög effektivitet i blå lysdioder följdes snabbt av utvecklingen av den första vita lysdioden. I en sådan anordning absorberar en beläggning "fosfor" (fluorescerande material) Y3Al5O12 : _{Ce ( känd} som YAG eller yttriumaluminiumgranat) en del av den blåa emissionen och genererar gult ljus genom fluorescens . På liknande sätt är det möjligt att introducera andra "fosforer" som genererar grönt eller rött ljus genom fluorescens . Den resulterande blandningen av rött, grönt och blått uppfattas av det mänskliga ögat som vitt; å andra sidan skulle det inte vara möjligt att se röda eller gröna föremål genom att belysa dem med YAG-fosforen eftersom den bara genererar gult ljus tillsammans med en rest av blått ljus.

De första vita lysdioderna var dyra och ineffektiva. Emellertid har intensiteten av ljus som produceras av lysdioder ökat exponentiellt, med en fördubblingstid som inträffat ungefär var 36:e månad sedan 1960-talet (enligt Moores lag ). Denna trend tillskrivs i allmänhet en parallell utveckling av andra halvledarteknologier och framsteg inom optik och materialvetenskap, och har kallats Haitz lag efter Roland Haitz. ]

Ljuseffekten och effektiviteten för blå och nästan ultravioletta lysdioder ökade medan kostnaden för belysningsarmaturer tillverkade av dem sjönk, vilket ledde till användningen av vitt ljus-LED för belysning. Faktum är att de ersätter glöd- och lysrörsbelysning. ]

Vita lysdioder kan producera 300 lumen per elektrisk watt samtidigt som de håller i upp till 100 000 timmar. Jämfört med glödlampor innebär detta inte bara en enorm ökning av eleffektiviteten utan också en liknande eller lägre kostnad per glödlampa. ]

Funktionsprincip

En PN-övergång kan ge en elektrisk ström när den är upplyst. På liknande sätt kan en PN-övergång som flyter genom en likström avge ljusfotoner. Det finns två sätt att överväga fenomenet elektroluminescens . I det andra fallet kan detta definieras som emission av ljus från en halvledare när den utsätts för ett elektriskt fält . Laddningsbärare rekombinerar vid en PN-övergång anordnad i framåtförspänning . Specifikt passerar elektroner i N-regionen potentialbarriären och rekombinerar med hål i P-regionen. Fria elektroner finns i ledningsbandet medan hål är i valensbandet . På så sätt är hålens energinivå lägre än elektronernas. När elektroner och hål rekombineras, avges en bråkdel av energin som värme och en annan bråkdel som ljus.

Forward bias av PN-övergången i en LED-diod. Produktion av fotoner som en konsekvens av rekombinationen mellan elektroner och hål (övre delen). Fenomenet rekombination observerat i ett energibanddiagram (nederst).

Det fysiska fenomen som äger rum i en PN-övergång när strömmen passerar i framåtförspänning består därför av en följd av elektron-hålsrekombinationer . Fenomenet rekombination åtföljs av utsläpp av energi. I vanliga Germanium- eller Silicon-dioder produceras fononer eller vibrationer av halvledarens kristallstruktur, som helt enkelt bidrar till dess uppvärmning. När det gäller LED-dioder skiljer sig halvledarmaterialen från de tidigare, till exempel olika typ III-V-legeringar som galliumarsenid (AsGa), galliumfosfid (PGa) eller fosforarsenid av gallium. gallium (PAsGa). .

I dessa halvledare tar de rekombinationer som sker vid PN-övergångarna bort överskottsenergi genom att sända ut ljusfotoner. Färgen på det emitterade ljuset beror direkt på dess våglängd och är karakteristisk för varje specifik legering. För närvarande tillverkas legeringar som producerar ljusfotoner med våglängder inom ett brett spektrum av det elektromagnetiska spektrumet inom det synliga, nära infraröda och nära ultravioletta. Vad som uppnås med dessa material är att modifiera bredden i energierna för det förbjudna bandet, och på så sätt modifiera våglängden för den emitterade fotonen. Om LED-dioden är omvänd förspänd, kommer inte rekombinationsfenomenet att inträffa, så den kommer inte att avge ljus. Omvänd förspänning kan skada dioden.

Det elektriska beteendet hos led-dioden i framåtförspänning är som följer. Om polarisationsspänningen ökas, från ett visst värde (som beror på typen av halvledarmaterial), börjar lysdioden avge fotoner, tändspänningen har uppnåtts. Elektroner kan flyttas över korsningen genom att applicera olika spänningar på elektroderna; Sålunda börjar emissionen av fotoner och när polarisationsspänningen ökar, ökar intensiteten hos det emitterade ljuset. Denna ökning av ljusintensiteten är kopplad till ökningen av strömintensiteten och kan reduceras genom Auger-rekombination. Under rekombinationsprocessen hoppar elektronen från ledningsbandet till valensbandet, sänder ut en foton och får tillgång till en lägre energinivå under materialets Fermi-nivå genom att bevara energi och momentum. Emissionsprocessen kallas strålningsrekombination, vilket motsvarar fenomenet spontan emission . Sålunda emitteras i varje strålningsrekombination av elektronhål en energifoton som är lika med bredden i energierna för det förbjudna bandet :

Schema för LED-kretsen som drivs med DC-spänning ökade gradvis tills LED-lampan börjar lysa.

$E_{g}=hf={\frac {hc}{\lambda }}\qquad$

där c är ljusets hastighet och f och λ är frekvensen respektive våglängden för ljuset det avger. Denna beskrivning av grunden för emissionen av elektromagnetisk strålning från LED-dioden kan ses i figuren där en schematisk representation av PN-övergången för halvledarmaterialet görs tillsammans med energidiagrammet, involverat i processen för rekombination och emission av ljus. , längst ner på ritningen. Våglängden på det emitterade ljuset, och därför dess färg, beror på bredden på energigapet. De viktigaste substraten som finns tillgängliga för ljusemissionstillämpningar är GaAs och InP. LED-dioder kan minska sin effektivitet om deras spektrala absorption och emissionstoppar beroende på deras våglängd är mycket nära, vilket är fallet med GaAs:Zn (zink-dopade galliumarsenid) lysdioder, eftersom en del av ljuset som de sänder ut absorberar det internt.

Materialen som används för lysdioder har ett framåtriktat bandgap vars bredd i energier sträcker sig från infrarött, synligt eller till och med nära ultraviolett ljus. Utvecklingen av lysdioder började med galliumarsenidröda och infraröda enheter. Framsteg inom materialvetenskapen har gjort det möjligt att tillverka enheter med allt kortare våglängder, som avger ljus i ett brett spektrum av färger. Lysdioder tillverkas i allmänhet på ett substrat av N-typ, med en elektrod ansluten till skiktet av P-typ avsatt på dess yta. Substrat av P-typ, även om de är mindre vanliga, tillverkas också.

Teknik

Fysisk grund

En lysdiod börjar lysa när en spänning på 2-3 volt appliceras på den. Vid omvänd förspänning används en annan vertikal axel än vid förspänning framåt för att visa att den absorberade strömmen är praktiskt taget konstant med spänningen tills genombrott inträffar.

Lysdioden är en diod som består av ett halvledarchip dopat med föroreningar som skapar en PN-övergång . Som i andra dioder flyter ström lätt från p- eller anodsidan till n- eller katodsidan , men inte i motsatt riktning. Laddningsbärare ( elektroner och hål ) flödar in i korsningen från två elektroder inställda på olika spänningar . När en elektron rekombinerar med ett hål, sjunker dess energinivå, och överskottsenergin avges i form av en foton . Våglängden på det emitterade ljuset, och därför färgen på lysdioden, beror på energibredden på det förbjudna bandet som motsvarar materialen som utgör pn-övergången.

I kisel- eller germaniumdioder rekombinerar elektroner och hål och genererar en icke-strålningsövergång , som inte producerar någon ljusemission eftersom de är halvledarmaterial med ett indirekt bandgap . Materialen som används i lysdioderna uppvisar ett direkt förbjudet band med en energibredd som motsvarar ljusspektrumet för det nära-infraröda (800 nm - 2500 nm), det synliga och det nära-ultravioletta (200-400 nm). Utvecklingen av lysdioder började med röda och infraröda ljusenheter gjorda av galliumarsenid (GaAs) . Framsteg inom materialvetenskapen har gjort det möjligt att bygga enheter med allt mindre våglängder, som avger ljus inom ett brett spektrum av färger.

Lysdioder är vanligtvis gjorda av ett substrat av n-typ, med en av elektroderna bunden till skiktet av p-typ avsatt på dess yta. substrat av p-typ används också, även om de är mindre vanliga. Många kommersiella lysdioder, särskilt GaN/InGaN lysdioder, använder också safir (aluminiumoxid) som substrat.

De flesta halvledarmaterial som används vid tillverkning av lysdioder har ett mycket högt brytningsindex . Detta innebär att det mesta av ljuset som emitteras inuti halvledaren reflekteras när det når den yttre ytan som är i kontakt med luften genom ett fenomen med total intern reflektion . Extraktion av ljus utgör därför en mycket viktig aspekt och i ständig forskning och utveckling att ta hänsyn till vid produktion av lysdioder.

Brytningsindex

Idealiserat exempel på ljuskoner producerade i ett stycke halvledarmaterial för emission från en enda punkt. Ljuset som sänds ut utanför dessa koner kan inte gå utanför pjäsen. Illustrationen till vänster representerar en del som består av två helt genomskinliga lager, medan den till höger visar de "halvkoner" som bildas när det översta lagret är genomskinligt och det undre lagret är helt ogenomskinligt. I själva verket emitteras ljus lika i alla riktningar i rymden från källan, så mellanrummen mellan konerna visar att mycket av ljusenergin som emitteras av källan fångas i provet och går förlorad i provets värmeform.

De flesta halvledarmaterial som används vid tillverkning av lysdioder har ett mycket högt brytningsindex med avseende på luft. Detta innebär att det mesta av ljuset som emitteras inuti halvledaren kommer att reflekteras när det når den yttre ytan som är i kontakt med luften på grund av ett fenomen med total intern reflektion .

Detta fenomen påverkar både ljusemissionseffektiviteten hos lysdioder och ljusabsorptionseffektiviteten hos fotovoltaiska celler . Brytningsindexet för kisel är 3,96 (vid 590 nm), medan det för luft är 1,0002926. Utvinningen av ljus utgör därför en mycket viktig aspekt och i ständig forskning och utveckling som ska beaktas vid produktion av lysdioder.

I allmänhet kommer ett obestruket LED-halvledarchip med platt yta att avge ljus endast i riktningen vinkelrät mot halvledarytan och i mycket nära riktningar, vilket bildar en kon som kallas ljuskonen eller avgaskonen. Den maximala infallsvinkeln som tillåter fotoner att fly från halvledaren är känd som den kritiska vinkeln . När denna vinkel överskrids slipper fotonerna inte längre från halvledaren utan reflekteras istället inuti halvledarkristallen som om det fanns en spegel på den yttre ytan. ]

På grund av intern reflektion kan ljus som har reflekterats internt från en yta strömma ut genom andra kristallytor om infallsvinkeln nu blir tillräckligt låg och kristallen är tillräckligt transparent för att inte reflektera tillbaka fotonemissionen inuti. Men i en enkel kubisk lysdiod med yttre ytor i 90 grader fungerar alla ytor som lika vinklade speglar. I det här fallet kan det mesta av ljuset inte komma ut och går förlorat som värme i halvledarkristallen. ]

Ett chip som har vinklade facetter på sin yta som liknar de på en skuren juvel eller en Fresnel-lins kan öka ljuseffekten genom att låta den sändas ut i orienteringar som är vinkelräta mot chipets yttre facetter, vanligtvis fler än de sex. unikt för ett kubikprov. ]

Den idealiska formen av en halvledare för att erhålla den maximala ljuseffekten skulle vara den för en mikrosfär med emissionen av fotoner placerad exakt i mitten av den, och utrustad med elektroder som penetrerar till mitten för att ansluta till emissionspunkten. Alla ljusstrålar från mitten skulle vara vinkelräta mot sfärens yta, vilket resulterar i inga inre reflektioner. En halvsfärisk halvledare skulle också fungera bra eftersom den platta delen skulle fungera som en spegel för att reflektera fotoner så att allt ljus kunde sändas ut helt genom halvklotet. ]

Övergångsbeläggningar

De flesta material som används i produktionen av lysdioder har mycket höga brytningsindex . Detta innebär att mycket av det emitterade ljuset reflekteras inåt på den yttre ytan av materialet i kontakt med luften. Därför är aspekten av att extrahera ljus från lysdioder föremål för ett stort engagemang när det gäller forskning och utveckling. Ljusemissionskonerna för faktiska LED-prover är betydligt mer komplexa än de som produceras från en enda punktkälla. Ljusemissionszonen är normalt ett tvådimensionellt plan som definieras mellan de två halvledarskikten. Varje atom som finns i detta plan presenterar en uppsättning emissionskoner analoga med de i föregående figur. Figuren är ett förenklat schema som visar den kombinerade effekten av vissa utsläppskoner. De stora laterala konerna har skurits bort för att visa funktionerna inuti och minska komplexiteten i bilden; egentligen bör dessa koner sträcka sig till motsatta kanter inom det tvådimensionella emissionsplanet.

Efter att ha byggt en skiva av halvledarmaterial skärs den i små bitar. Varje fragment kallas ett chip och blir den lilla aktiva delen av en LED-ljusemitterande diod.

Många LED-halvledarchips är inkapslade eller inneslutna i gjutna plasthöljen. Plasthöljet är avsett att uppnå tre syften:

1. Underlätta monteringen av halvledarchippet i belysningsenheter.
2. Skydda de ömtåliga elektriska ledningar som är förknippade med dioden från fysisk skada.
3. Fungera som ett mellanliggande element för effekten av brytning mellan halvledarens höga index och luftens.

Den tredje egenskapen bidrar till att öka ljusemissionen från halvledaren genom att fungera som en spridande lins, som tillåter ljus att sändas utåt med en infallsvinkel på ytterväggen som är mycket större än den för den smala ljuskäglan som kommer från det obelagda chipet.

Effektivitet och driftsparametrar

Lysdioder är designade för att fungera med en elektrisk effekt på högst 30-60 milliwatt (mW) . Runt 1999 introducerade Philips Lumileds mer kraftfulla lysdioder som kan arbeta kontinuerligt med en effekt på en watt . Dessa lysdioder använde mycket större formhalvledare för att acceptera högre strömförsörjning. Dessutom var de monterade på metallstänger för att underlätta borttagningen av värme.

En av de främsta fördelarna med LED-baserade ljuskällor är deras höga ljuseffektivitet . Vita lysdioder matchade snabbt och överträffade till och med effektiviteten hos vanliga glödljussystem. 2002 tillverkade Lumileds fem-watts lysdioder, med en ljuseffektivitet på 18-22 lumen per watt (lm/W). Som jämförelse avger en konventionell glödlampa på 60-100 watt cirka 15 lm/W, och standardlysrör avger upp till 100 lm/W.

Från och med 2012 hade Future Lighting Solutions uppnått följande effektivitet för vissa färger. ​ Verkningsgradsvärden visar ljuseffekten för varje watt elektrisk effekt. Ljuseffektivitetsvärdena inkluderar det mänskliga ögats egenskaper och har härletts från ljusstyrkafunktionen .

	Färg	våglängd (nm)	Effektivitetskoefficient	Ljuseffektivitet η ( Lm / W )
	Röd	620 < λ < 645	0,39	72
	Orange röd	610 < λ < 620	0,29	98
	Grön	520 < λ < 550	0,15	93
	cyan	490 < λ < 520	0,26	75
	Blå	460 < λ < 490	0,35	37

I september 2003 tillverkade Cree Inc. en ny typ av blå LED som förbrukade 24  milliwatt (mW) vid 20  milliampere (mA) . Detta möjliggjorde en ny inkapsling av vitt ljus som producerade 65 lm/W vid 20 milliampere, vilket gör den till den ljusaste vita lysdioden kommersiellt tillgänglig; den visade sig också vara mer än fyra gånger effektivare än vanliga glödlampor. 2006 presenterade de en vit LED-prototyp med en rekordljuseffektivitet på 131 lm/W för en ström på 20 milliampere. Nichia Corporation har utvecklat en vit LED med en ljuseffektivitet på 150 lm/W och en likström på 20 mA. Lysdioder från Cree Inc. kallade xlamp xm-L, kom ut på marknaden 2011 och producerade 100 lm/W vid en maximal effekt på 10 W och upp till 160 lm/W med en ingående elektrisk effekt på cirka 2 W 2012 introducerade Cree Inc. en vit LED som kan producera 254 lm/W, och 303 lm/W i mars 2014. Allmänna belysningsbehov kräver i praktiken lysdioder med hög effekt, en watt eller mer. De arbetar med strömmar större än 350 milliampere.

Dessa verkningsgrader hänvisar till ljuset som sänds ut av dioden som hålls vid en låg temperatur i laboratoriet. Eftersom lysdioder, när de väl installerats, fungerar vid höga temperaturer och med ledningsförluster , är effektiviteten faktiskt mycket lägre. United States Department of Energy (DOE) har genomfört tester för att ersätta glödlampor eller CFL med LED-lampor, vilket visar att den genomsnittliga verkningsgraden som uppnåddes är cirka 46 lm/W under 2009 (beteendet under testerna förblev konstant). på 17 lm/W till 79 lm/W). ]

Effektivitetsförlust

När den elektriska strömmen som tillförs en lysdiod överstiger några tiotals milliampere, minskar ljuseffektiviteten på grund av en effekt som kallas effektivitetsförlust.

Till en början sökte man en förklaring genom att hänföra det till höga temperaturer. Men forskarna kunde visa motsatsen, att även om LED-livslängden kan förkortas, är minskningen i effektivitet mindre allvarlig vid förhöjda temperaturer. År 2007 tillskrevs minskningen av effektiviteten till Auger-rekombination som ger upphov till en blandad reaktion. Slutligen bekräftade en studie från 2013 definitivt denna teori för att motivera förlusten av effektivitet. ]

Förutom att minska effektiviteten genererar lysdioder som arbetar med högre elektriska strömmar mer värme, vilket äventyrar lysdiodens livslängd. På grund av denna ökade värme vid höga strömmar har lysdioder med hög ljusstyrka ett industristandardvärde på bara 350mA, en ström för vilken det finns en avvägning mellan ljusstyrka, effektivitet och hållbarhet. ]

Möjliga lösningar

Med tanke på behovet av att öka ljusstyrkan på lysdioderna, uppnås detta inte genom att öka strömnivåerna utan genom att använda flera lysdioder i en enda lampa. Att lösa problemet med förlusten av effektivitet hos inhemska LED-lampor består därför av att använda minsta möjliga antal lysdioder i varje lampa, vilket bidrar till att avsevärt minska kostnaderna.

Medlemmar av United States Naval Research Laboratory har hittat ett sätt att bromsa nedgången i effektivitet. De fann att detta fall kommer från den icke-strålande Auger-rekombinationen som produceras med de injicerade bärarna. För att lösa detta skapade de kvantbrunnar med en mjuk inneslutningspotential för att dämpa icke-strålande Auger-processer. ]

Forskare från National Taiwan Central University och Epistar Corp utvecklar en metod för att minska effektivitetsförlusten genom att använda keramiska substrat av aluminiumnitrid , som uppvisar högre värmeledningsförmåga än kommersiellt använd safir. Värmeeffekterna minskar på grund av den höga värmeledningsförmågan hos de nya substraten. ]

Halveringstid och felanalys

Solid-state-enheter som lysdioder uppvisar mycket begränsad inkurans om de används vid låga strömmar och låga temperaturer. Livstiderna är 25 000 till 100 000 timmar, men inverkan av värme och ström kan öka eller minska denna tid avsevärt. ]

Det vanligaste felet hos lysdioder (och laserdioder ) är den gradvisa minskningen av ljuseffekten och förlusten av effektivitet. De första röda lysdioderna stack ut för sin korta livslängd. Med utvecklingen av högeffekts LED-lampor utsätts armaturer för högre kopplingstemperaturer och högre strömtätheter än traditionella armaturer. Detta orsakar stress i materialet och kan orsaka tidig försämring av ljuseffekten. För att kvantitativt klassificera livslängden på ett standardiserat sätt har det föreslagits att använda parametrarna L70 eller L50, som representerar livslängden (uttryckt i tusentals timmar) under vilka en given lysdiod når 70 % och 50 % av det initiala ljuset utsläpp, respektive. ]

Precis som i de flesta av de tidigare ljuskällorna (glödlampor, urladdningslampor och de som förbränner ett bränsle, till exempel ljus och oljelampor) genererades ljuset genom en termisk process, lysdioderna fungerar bara korrekt om de håller sig tillräckligt svala. Tillverkaren anger vanligtvis en maximal korsningstemperatur mellan 125 och 150 °C, och lägre temperaturer rekommenderas för att uppnå lång livslängd för lysdioderna. Vid dessa temperaturer förloras relativt lite värme genom strålning, vilket gör att ljusstrålen som genereras av en LED anses vara cool.

Spillvärme i en högeffekts-LED (som från 2015 kan anses vara mindre än hälften av den elektriska ström den förbrukar) transporteras genom ledning genom substratet och inkapsling till en kylfläns , som tar bort värmen i miljön genom konvektion . Det är därför viktigt att utföra en noggrann termisk design, med hänsyn till LED-paketets termiska motstånd , kylflänsen och gränssnittet mellan dem. Medium effekt LED är vanligtvis utformade för att lödas direkt till ett kretskort som har ett termiskt ledande metallskikt. Högeffektslysdioder är inkapslade i keramiska förpackningar med stor yta som är utformade för att anslutas till ett kylfläns av metall, där gränssnittet är ett material med hög värmeledningsförmåga (termisk pasta , fasförändringsmaterial , ledande termisk dyna eller smältlim). ).

Om en LED- lampa installeras i en oventilerad armatur, eller om miljön saknar frisk luftcirkulation, kommer lysdioderna sannolikt att överhettas, vilket minskar deras livslängd eller till och med leder till tidig försämring av armaturen. Den termiska designen beräknas vanligtvis för en omgivningstemperatur på 25°C (77°F). Lysdioder som används i utomhusapplikationer, såsom trafiksignaler eller markeringsljus, och i klimat där temperaturen inuti belysningsarmaturen är mycket hög, kan uppleva allt från minskad ljuseffekt till fullständigt fel. ]

Eftersom effektiviteten hos lysdioder är högre vid låga temperaturer är denna teknik idealisk för att tända stormarknadsfrysar . ​ Eftersom lysdioder producerar mindre spillvärme än glödlampor, ​ kan deras användning i frysar också spara kylkostnader. De kan dock vara mer känsliga för frost och frostuppbyggnad än glödlampor, varför vissa LED-belysningssystem har försetts med en värmekrets. Dessutom har kylflänstekniker utvecklats på ett sådant sätt att de kan överföra värmen som produceras i fogen till de delar av belysningsutrustningen som kan vara av intresse. ]

Färger och material

Konventionella lysdioder är gjorda av en mängd olika oorganiska halvledarmaterial. Följande tabell visar de tillgängliga färgerna med deras våglängdsintervall, skillnader i arbetspotential och använda material.

	Färg	Våglängd [nm]	Potentiell skillnad [ΔV]	halvledarmaterial
	infraröd strålning	λ > 760	AV < 1,63	Galliumarsenid (GaAs) Aluminium Galliumarsenid (AlGaAs)
	Röd	610 < λ < 760	1,63 < AV < 2,03	Aluminium Gallium Arsenid (AlGaAs) Gallium Arsenik Fosfid (GaAsP) Aluminium Gallium Indium Fosfid (AlGaInP) Gallium Fosfat (GaP)
	Orange	590 < λ < 610	2,03 < AV < 2,10	Galliumarsenikfosfid (GaAsP) Aluminium Galliumindiumfosfid (AlGaInP) Galliumfosfat (GaP)
	Gul	570 < λ < 590	2,10 < ΔV < 2,18	Galliumarsenikfosfid (GaAsP) Aluminium Galliumindiumfosfid (AlGaInP) Galliumfosfat (GaP)
	Grön	500 < λ < 570	1,9 ​ < ΔV < 4,0	Klassisk grön: Galliumfosfat (GaP) Aluminium Galliumindiumfosfid (AlGaInP) Galliumaluminiumfosfid (AlGaP) Rent grön: Galliumindiumnitrid (InGaN) / Galliumnitrid (GaN)
	Blå	450 < λ < 500	2,48 < AV < 3,7	Zinkselenid (ZnSe) Indiumgalliumnitrid (InGaN) Kiselkarbid (SiC) som substrat Kisel (Si) som substrat (under utveckling) ]
	Violett	400 < λ < 450	2,76 < AV < 4,0	Indium galliumnitrid (InGaN)
	Lila	Kombination av olika typer	2,48 < AV < 3,7	Dubbel blå/röd, blå med röd fosfor eller vit med lila plast-LED.
	Ultraviolett	λ < 400	3 < AV < 4.1	Indiumgalliumnitrid (InGaN) (385-400 nm) Diamant (C) (235 nm) ​Boronitrid (BN) (215 nm) ​Aluminiumnitrid (AlN) (210 nm) ​Galliumaluminiumnitrid (AlGaN) Aluminium galliumindiumnitrid (AlGaInN) upp till 210 nm ]
	Rosa	Kombination av olika typer	ΔV ~ 3,3 ]	Blått med ett eller två lager fosfor, gult med rött, orange eller rosa fosfor, vitt med rosa plast eller vitt fosfor med rosa nyans ovanpå. ]
	Vit	brett spektrum	2,8 < AV < 4,2	Ren vit: Blå eller UV LED med gul fosfor Varmvit: Blå LED med orange fosfor.

Blått och ultraviolett

Den första blåvioletta lysdioden använde klor dopat med magnesium och utvecklades av Herb Maruska och Wally Rhines vid Stanford University 1972, doktorander i materialvetenskap och teknik. Vid den tiden arbetade Maruska på RCA-laboratorierna , där hon samarbetade med Jacques Pankove. 1971, ett år efter att Maruska lämnade Stanford, demonstrerade hans RCA-kollegor Pankove och Ed Miller den första blå elektroluminescensen från zink dopad med galliumnitrid; men enheten som Pankove och Miller byggde, den första riktiga lysdioden av galliumnitrid, avgav grönt ljus. 1974 beviljade US Patent Office Maruska, Rhines och Stanford professor David Stevenson ett patent (US patent US3819974 A) för deras 1972 arbete med nitriddopning av gallium med magnesium som idag fortfarande är grunden för allt kommersiellt blått Lysdioder och laserdioder. Dessa enheter byggda på 1970-talet hade inte tillräckligt med ljus för praktisk användning, så forskningen om galliumnitriddioder saktade ner. I augusti 1989 introducerade Cree den första kommersiella blå lysdioden med en indirekt övergång genom bandgapet i en halvledare av kiselkarbid (SiC). ​ SiC LED har en mycket låg ljuseffektivitet, inte högre än 0,03 %, men de avger i det synliga blå området.

I slutet av 1980-talet inledde stora framsteg inom epitaxiell tillväxt och dopning av p-typ i GaN den moderna eran av GaN optoelektroniska enheter. Baserat på ovanstående patenterade Theodore Moustakas en metod för att producera blå lysdioder vid Boston University med en ny tvåstegsprocess. Två år senare, 1993, togs högintensiva blå lysdioder upp av Shuji Nakamura från Nichia Corporation med hjälp av GaN-syntesprocesser liknande den för Moustakas. Moustakas och Nakamura tilldelades separata patent, vilket skapade juridiska konflikter mellan Nichia och Boston University (särskilt för att även om Moustakas uppfann sin process först, registrerade Nakamura sin första). Denna nya utveckling revolutionerade LED-belysning, vilket gjorde blåljuskällor med hög effekt lönsamma att tillverka, vilket ledde till utvecklingen av teknologier som Blu-ray och möjliggjorde de ljusa, högupplösta skärmarna på surfplattor och smartphones moderna telefoner.

Nakamura hedrades med Millennium Technology Prize för sitt bidrag till högeffekts LED-teknik och hög prestanda. Han tilldelades också, tillsammans med Hiroshi Amano och Isamu Akasaki , Nobelpriset i fysik 2014 för hans avgörande bidrag till högpresterande lysdioder och blå lysdioder. ​ År 2015 beslutade en amerikansk domstol att tre företag (det vill säga samma kärande företag som inte tidigare hade löst sina tvister) och att de hade Nakamuras patent för produktionen i USA, hade gjort intrång i Moustakas tidigare patent och beordrat dem att betala 13 miljoner dollar i licensavgifter. ]

Redan i slutet av 90-talet fanns blå lysdioder tillgängliga. Dessa har en aktiv region som består av en eller flera InGaN-kvantbrunnar inklämda mellan tjockare GaN-skivor, så kallad beklädnad. Genom att variera In/Ga-fraktionen i InGaN- kvantbrunnarna kan ljusemissionen teoretiskt skiftas från violett till bärnsten. Aluminiumgalliumnitrid AlGaN med ett varierande innehåll av Al/Ga-fraktionen kan användas för att tillverka beklädnad och ark av kvantbrunnar för ultravioletta dioder, men dessa enheter har ännu inte nått nivån av effektivitet och teknisk mognad av InGaN/GaN blå/ gröna enheter. Om GaN används odopat, för att bilda kvantbrunnarnas aktiva skikt, avger enheten nästan ultraviolett ljus med en topp centrerad vid en våglängd runt 365 nm. Gröna lysdioder gjorda i InGaN/GaN-modaliteten är mycket effektivare och ljusare än lysdioder gjorda med icke-nitridsystem, men dessa enheter har fortfarande för låg effektivitet för applikationer med hög ljusstyrka.

Genom att använda aluminiumnitrider, såsom AlGaN och AlGaInN, uppnås ännu kortare våglängder. En rad UV-lysdioder för olika våglängder håller på att bli kommersiellt tillgängliga. Nära UV-emitterande lysdioder med våglängder runt 375-395nm är redan tillräckligt billiga och lättillgängliga, till exempel för att ersätta svartljuslampor vid inspektion av UV-vattenstämplar mot förfalskning på vissa dokument och papperspengar. Kortare våglängdsdioder (upp till 240 nm), finns för närvarande på marknaden, även om de är särskilt dyrare.

Eftersom ljuskänsligheten hos mikroorganismer ungefär sammanfaller med absorptionsspektrumet för DNA (med en topp runt 260 nm), förväntas UV-lysdioder med emission i området 250-270 nm användas i desinfektions- och steriliseringsutrustning. Ny forskning har visat att kommersiellt tillgängliga UV-lysdioder (365nm) är effektiva i desinfektions- och steriliseringsanordningar. UV-C-våglängder erhölls i laboratorier med användning av aluminiumnitrid (210 nm), bornitrid (215 nm) och diamant (235 nm).

RGB

RGB-SMD-LED. Ytmonterad RGB-led (ytmonterad enhet). Den här enheten visar de tre komplementfärgerna röd, grön och blå. Det finns andra typer av enheter som COB Led (plattmonterad) eller microled som, på grund av sin geometri och fördelning på monteringsplattan, är mer energieffektiva.

RGB- lysdioder består av en röd, en blå och en grön lysdiod. Genom att oberoende justera var och en av dem kan RGB-lysdioder producera ett brett spektrum av färger . Till skillnad från dedikerade enfärgade lysdioder, producerar inte RGB-lysdioder rena våglängder. Dessutom är kommersiellt tillgängliga moduler ofta inte optimerade för jämn färgblandning.

RGB-system

RGB-system

Spektrum som härrör från kombinationen av blå, gulgröna och röda halvledarlysdioder med hög ljusstyrka. Den spektrala bandbredden är cirka 24-27nm för alla tre färgerna.

RGB LED för att generera vitt ljus

Det finns två grundläggande sätt att producera vitt ljus. En är att använda individuella lysdioder som avger alla tre primärfärgerna (röd, grön och blå) och sedan blanda färgerna för att bilda vitt ljus. Det andra sättet är att använda en fosfor för att omvandla monokromatiskt ljus från en blå eller UV LED till ett brett spektrum av vitt ljus. Det är viktigt att notera att vitheten hos det producerade ljuset i huvudsak är utformat för att tillfredsställa det mänskliga ögat och beroende på varje enskilt fall kanske det inte alltid är lämpligt att tänka på det som strikt vitt ljus. Tjäna som en referenspunkt den stora variationen av vitt som uppnås med lysrör.

Det finns tre huvudsakliga metoder för att producera vitt ljus med lysdioder.

• Blå LED + Grön LED + Röd LED (färgblandning; även om den kan användas som bakgrundsbelysning för skärmar) för belysning är de mycket dåliga på grund av de tomma intervallen i frekvensspektrumet).

• Nära UV LED eller UV + RGB-fosfor (ett LED-ljus som genererar en våglängd kortare än blått används för att excitera en RGB-fosfor).

• Blå LED + gul fosfor (två komplementfärger kombineras för att producera vitt ljus; det är mer effektivt än de två första metoderna och används därför mer i praktiken).

På grund av metamerism är det möjligt att ha olika spektra som ser vita ut. Utseendet på föremål som är upplysta av det ljuset kan dock förändras när spektrumet varierar. Detta optiska fenomen är känt som färgutförande, det skiljer sig från färgtemperaturen och det gör att ett verkligt orange eller cyanobjekt verkar ha en annan färg och mycket mörkare eftersom den tillhörande lysdioden eller fosforn inte avger dessa våglängder. . Den bästa färgåtergivningen med lågenergilampor och lysdioder uppnås genom att använda en blandning av fosfor, vilket ger lägre effektivitet men bättre ljuskvalitet. Även om halogenen med den högsta färgtemperaturen är orange, är det fortfarande den bästa artificiella ljuskällan som finns när det gäller färgutförande.

Vitt ljus kan produceras genom att lägga till ljus i olika färger; den vanligaste metoden är att använda rött, grönt och blått ( RGB ). Därför kallas metoden vita flerfärgade lysdioder (ibland kända som RGB-lysdioder). Eftersom de kräver elektroniska kretsar för att styra blandningen och spridningen av de olika färgerna, och eftersom individuella färg-LED:er uppvisar något olika emissionsmönster (vilket leder till färgvariationer beroende på visningsriktning), även om de är gjorda i en enda enhet, är de sällan används för att producera vitt ljus. Denna metod har dock många tillämpningar på grund av den flexibilitet som den ger för att producera färgblandning och, i princip, eftersom den erbjuder en högre kvanteffektivitet vid produktion av vitt ljus.

Det finns flera typer av vita flerfärgade lysdioder: di-, tri- och tetrakromatiska vita lysdioder . Flera nyckelfaktorer påverkar dessa olika realiseringar, såsom färgstabilitet, naturligt färgåtergivningsindex och ljuseffektivitet. Högre ljuseffektivitet kommer ofta att innebära mindre naturlighet i färg, vilket skapar en avvägning mellan ljuseffektivitet och naturlighet i färger. Till exempel har dikromatiska vita lysdioder den bästa ljuseffektiviteten (120 lm/W), men den lägsta färgåtergivningsförmågan. Å andra sidan erbjuder tetrakromatiska vita lysdioder utmärkta färgåtergivningsmöjligheter men åtföljs ofta av dålig ljuseffektivitet. Trikromatiska vita lysdioder är i ett mellanläge, de har en bra ljuseffektivitet (>70 lm / W) och en rimlig kapacitet för färgåtergivning.

En av de väntande utmaningarna som ska lösas är utvecklingen av mer effektiva gröna lysdioder. Det teoretiska maxvärdet för gröna lysdioder är 683 lumen per watt, men från och med 2010 översteg endast ett fåtal gröna lysdioder 100 lumen per watt. De blå och röda lysdioderna närmar sig dock sina teoretiska gränser.

Flerfärgade lysdioder erbjuder möjligheten att inte bara producera vitt ljus utan också att generera ljus i olika färger. De flesta av de märkbara färgerna kan bildas genom att blanda olika proportioner av de tre primärfärgerna. Detta möjliggör exakt dynamisk färgkontroll. När mer forskningsansträngning ägnas åt multi-color LED-metoden, blir den allt mer inflytelserik som den grundläggande metoden som används för att producera och kontrollera ljusets färg.

Även om denna typ av lysdioder kan spela en bra roll på marknaden, måste vissa tekniska problem lösas i förväg. Till exempel minskar emissionseffekten för dessa lysdioder exponentiellt med ökande temperatur, vilket ger en väsentlig förändring i färgstabilitet. Dessa problem kan hindra din anställning i branschen. Av denna anledning har många nya inkapslingsdesigner gjorts och deras resultat studeras för närvarande av forskare. Det är klart att flerfärgade lysdioder utan fosfor aldrig kan ge bra belysning eftersom varje lysdiod avger ett mycket smalt färgband. Precis som lysdioder utan fosfor är en mycket dålig lösning för belysning, erbjuder de den bästa lösningen för bakgrundsbelysta skärmar för LCD-skärmar eller direktbelysning med LED-pixlar.

Inom LED-tekniken är minskningen av den korrelerade färgtemperaturen (CCT) en realitet som är svår att undvika eftersom den verkliga färgen, tillsammans med livslängden och effekterna av variationen i LED-lampornas temperatur, hamnar i att modifieras. definitiv av dem. För att korrigera detta används återkopplingssystem, försedda med till exempel färgsensorer och på så sätt övervakar, styr och bibehåller färgen som uppstår genom överlagring av enfärgade lysdioder. ]

Fosforbaserade lysdioder

Spektrum av en vit lysdiod som visar ljuset som emitteras av GaN-led (ungefär 465 nm) överlagrat på bandbredden för ljuset som emitteras av Ce^3+-fosforen.

Denna metod involverar beläggning av lysdioder i en färg (huvudsakligen blå InGaN lysdioder) med fosfor i olika färger för att producera vitt ljus; de resulterande lysdioderna från kombinationen kallas fosforbaserade vita lysdioder eller vita lysdioder med en fosforomvandlare (PCLED). En bråkdel av blått ljus genomgår ett Stokes-skifte som omvandlar kortare våglängder till längre våglängder. Beroende på färgen på den ursprungliga lysdioden kan olika färgade fosforer användas. Användning av flera lager av olika färgade fosforer breddar emissionsspektrumet, vilket effektivt ökar färgåtergivningsindexet (CRI) för en given lysdiod.

Effektivitetsförlusterna för fosforbaserade lysdioder (med fluorescerande ämnen) beror på värmeförlusterna som genereras av Stokes-skiftet och även på andra nedbrytningsproblem relaterade till dessa fluorescerande ämnen. Jämfört med normala lysdioder beror deras ljuseffektivitet på den spektrala fördelningen av den resulterande ljuseffekten och den ursprungliga våglängden för själva lysdioden. Till exempel är ljuseffektiviteten för en typisk gul YAG-fosfor av en vit lysdiod 3 till 5 gånger ljuseffektiviteten för den ursprungliga blå lysdioden, på grund av det mänskliga ögats högre känslighet för gult än för blått (beroende på modell) . av luminositetsfunktionen ). På grund av enkelheten i tillverkningen förblir fosformetoden (fluorescerande material) den mest populära för att uppnå vita lysdioder med hög intensitet. Utformningen och produktionen av en ljuskälla eller lampa som använder en monokrom emitter med fluorescerande fosforomvandling är enklare och billigare än ett komplext RGB-system, och de flesta av de högintensiva vita lysdioderna på marknaden idag tillverkas med omvandling av ljus genom fluorescens.

Bland utmaningarna som uppstår för att förbättra effektiviteten hos LED-baserade vita ljuskällor är utvecklingen av effektivare fluorescerande ämnen (fosfor). Från och med 2010 fortsätter den mest effektiva gula fosforn att vara YAG-fosforen, som uppvisar mindre än 10 % Stokes-skiftförlust. Interna optiska förluster på grund av reabsorption i själva LED-chippet och i LED-inkapslingen utgör 10 % till 30 % av effektivitetsförlusten. För närvarande, inom området utveckling med fosfor, ägnas en stor ansträngning åt att optimera den för att uppnå större ljusproduktion och högre driftstemperaturer. Till exempel kan effektiviteten ökas genom bättre förpackningsdesign eller genom att använda en mer lämplig typ av fosfor. Passningsbeläggningsprocessen används ofta för att kunna reglera den varierande tjockleken på fosforn.

Vissa vita fosfordopade lysdioder består av blå InGaN lysdioder inkapslade i en epoxiharts belagd med en fosfor. Ett annat alternativ är att associera lysdioden med en separat fosfor, en prefabricerad bit av förformad polykarbonat belagd med fosformaterialet. Separata fosforer ger ett mer diffust ljus, vilket är fördelaktigt för många applikationer. Design med separata fosforer är också mer toleranta mot variationer i lysdiodens emissionsspektrum. Ett mycket vanligt gult fosformaterial är ceriumdopad aluminiumyttriumgranat (Ce 3+ :YAG).

Vita lysdioder kan också tillverkas med nära-ultravioletta (NUV) lysdioder belagda med en blandning av högeffektiva europiumfosforer som avger rött och blått, plus koppar-aluminiumdopad zinksulfid (ZnS:Cu, Al) som avger grönt. Denna procedur är analog med driften av lysrör. Proceduren är mindre effektiv än den för de blå lysdioderna med YAG:Ce-fosforer, eftersom Stokes-skiftet är viktigare, så att en större del av energin omvandlas till värme, trots att ett ljus med bättre spektrala egenskaper och därför, med bättre färgåtergivning.

Eftersom UV-lysdioder har en högre strålningseffekt än blå lysdioder, erbjuder båda metoderna i slutändan en liknande ljusstyrka. En nackdel med det senare är att ett eventuellt läckage av UV-ljus från en felaktig ljuskälla kan orsaka skada på mänskliga ögon eller hud.

Andra vita lysdioder

En annan metod som används för att producera experimentella LED-lampor med vitt ljus utan användning av fosfor är baserad på tillväxtepitaxin av zinkselenid ( ZnSe) på ett ZnSe-substrat som samtidigt avger blått ljus från dess aktiva region och gult ljus från dess aktiva region av substratet. .

Ett nytt sätt att producera vita lysdioder är att använda galliumnitrid på kiselkompositskivor från 200 mm kiselskivor. Detta undviker den kostsamma tillverkningen av safirsubstrat från relativt små waferstorlekar, dvs 100 eller 150 mm. Safirapparaten måste fästas på en spegelliknande uppsamlare för att reflektera ljus, som annars skulle gå förlorat. Det förutspås att år 2020 kommer 40 % av alla GaN-lysdioder att vara gjorda på kisel. Att tillverka stor safir är svårt, medan stora kiselmaterial är billigt och rikligare. Å andra sidan måste LED-tillverkare som byter från safir till kisel göra en minimal investering.

Organiska lysdioder (OLED)

I en organisk ljusemitterande diod (OLED) är det elektroluminiscerande materialet som utgör det emitterande skiktet av dioden en organisk förening . Det organiska materialet är ledande på grund av elektronisk delokalisering av pi-bindningarna orsakade av det konjugerade systemet i hela eller delar av molekylen; Följaktligen fungerar materialet som en organisk halvledare . Organiska material kan vara små organiska molekyler i den kristallina fasen eller polymerer .

En av fördelarna med OLED är tunna, billiga skärmar med låg matningsspänning, bred betraktningsvinkel, hög kontrast och brett färgomfång. Polymer LED har den extra fördelen att de gör flexibla, utskrivbara displayer möjliga. OLED:er har använts för att göra visuella skärmar för bärbara elektroniska enheter som mobiltelefoner, digitalkameror och MP3-spelare, med potentiella framtida användningsområden som också förväntas inkludera belysning och tv.

Quantum dot LEDs

I början av 1960-talet började ett decennium av teknisk revolution med Internets födelse och upptäckten av lysdioder i det synliga spektrumet. År 1959, Nobelpristagaren i fysik Richard P. Feynman, i sin berömda föreläsning som hölls vid årsmötet för Physical Association of the United States med titeln: "Det finns mycket utrymme i bakgrunden: en inbjudan att gå in på ett nytt område av fysik ", förutsåg redan den tekniska revolutionen och de viktiga upptäckterna som kunde leda till manipulation av material tills de reducerades till atomära eller molekylära storlekar eller skalor. Men det är inte förrän det följande decenniet av 1970 som kunskapen om många tillämpningar av kvantmekaniken (cirka 70 år efter dess uppfinning) tillsammans med framstegen för teknikerna för tillväxt och syntes av material, kommer att anta en viktig förändring inom flera gruppers forskning. ]

Redan under detta decennium kombinerades förmågan att designa strukturer med nya optiska och elektroniska egenskaper med sökandet efter nya tekniska tillämpningar för material som redan finns i naturen. Faktum är att 1969, L. Esaki et al. föreslog implementering av heterostrukturer som bildas av mycket tunna lager av olika material, vilket ger upphov till vad som kallas ingenjörskonst och design av energiband i halvledarmaterial. Den mest grundläggande smådimensionella heterostrukturen är Quantum Well (QW). Den består av ett tunt lager av en viss halvledare, i storleksordningen 100 Å, inneslutet mellan två lager av ett annat halvledarmaterial som kännetecknas av en större bredd av det förbjudna energibandet (bandgap, BG). På grund av de små dimensionerna av potentialbrunnen som är associerad med denna struktur, är bärarna begränsade i sin rörelse till ett plan vinkelrätt mot tillväxtriktningen. Laserdioder med QWs i den aktiva zonen hade stora fördelar, såsom möjligheten att välja emissionsvåglängd baserat på brunnens bredd eller minskningen av tröskelström, det senare relaterat till den resulterande tätheten av tillstånden ]

Alla dessa framsteg efterträddes naturligtvis av andra såsom studiet av system med inneslutning i tre dimensioner, det vill säga kvantprickar (QDs). Således kan QD definieras som artificiella system av mycket liten storlek, från några tiotals nanometer till några mikron där bärarna är begränsade i tre riktningar av tredimensionellt rymden (det är därför det kallas nolldimensionellt) , i ett område av rymden som är mindre än dess de Broglie-våglängd .

När storleken på halvledarmaterialet som utgör kvantpunkten är inom den nanometriska skalan , uppvisar detta material ett beteende som skiljer sig från det som observerats för det på en makroskopisk skala eller för de enskilda atomerna som utgör det. Elektronerna i nanomaterialet är begränsade till att röra sig i ett mycket litet område av rymden och sägs vara instängda. När denna region är så liten att den är jämförbar med den våglängd som är associerad med elektronen (de Broglie-längden), börjar det som kallas kvantbeteende att observeras. I dessa system förklaras deras fysikaliska egenskaper inte av klassiska begrepp utan förklaras av begreppen kvantmekanik. Till exempel är den minimala potentiella energin för en elektron som är innesluten i en nanopartikel högre än förväntat i klassisk fysik och energinivåerna för dess olika elektroniska tillstånd är diskreta. På grund av kvantinneslutning har storleken på partikeln en fundamental effekt på densiteten av elektroniska tillstånd och därmed på dess optiska respons. Kvantinneslutning inträffar när storleken på partiklarna har reducerats för att närma sig radien för Bohr-excitonen (som genererar ett elektron-hål-par eller exciton i halvledarmaterialet) som förblir instängt i ett mycket litet utrymme. Som en konsekvens ändras strukturen av energinivåerna och materialets optiska och elektriska egenskaper avsevärt. Energinivåerna blir diskreta och ändliga och beror starkt på storleken på nanopartikeln. ]

De är vanligtvis gjorda av halvledarmaterial och kan hålla allt från ingen till flera tusen elektroner. Elektroner inuti kvantpunkten stöter bort varandra, det kostar energi att introducera ytterligare elektroner, och de följer Pauli-uteslutningsprincipen, som förbjuder två elektroner från att uppta samma kvanttillstånd samtidigt. Följaktligen bildar elektronerna i en kvantprick banor på ett sätt som liknar atomer och kallas i vissa fall konstgjorda atomer . De uppvisar också elektroniskt och optiskt beteende liknande atomer. Dess tillämpning kan vara mycket varierande, förutom optoelektronik och optik, inom kvantberäkningar , inom informationslagring för traditionella datorer, inom biologi och medicin .

De optiska och kvantbegränsningsegenskaperna hos kvantpunkten gör att dess emissionsfärg kan ställas in från synligt till infrarött. ​ Quantum dot LEDs kan producera nästan alla färger på CIE -diagrammet . Dessutom ger de fler färgalternativ och bättre färgåtergivning än de vita lysdioderna som diskuterades i föregående avsnitt, eftersom emissionsspektrumet är mycket smalare, vilket är karakteristiskt för begränsade kvanttillstånd.

Det finns två procedurer för QD-excitation. Man använder fotoexcitation med en primär LED-ljuskälla (blå eller UV-LED används vanligtvis för detta). Den andra proceduren använder den direkta elektriska exciteringen som först demonstrerades av Alivisatos et al. ]

Ett exempel på fotoexcitationsproceduren är den som utvecklats av Michael Bowers, vid Vanderbilt University i Nashville, och gjorde en prototyp som bestod av att belägga en blå lysdiod med kvantprickar som avgav vitt ljus som svar på den blå lysdioden. Den modifierade lysdioden avgav ett varmt, gulvitt ljus som liknar glödlampor . Forskning om lysdioder som använder QD i applikationer till TV-apparater med flytande kristaller (LCD) började 2009. ]

I februari 2011 kunde forskare vid PlasmaChem GmbH syntetisera kvantprickar för LED-applikationer genom att göra en ljusomvandlare som effektivt kunde omvandla blått ljus till ljus av vilken annan färg som helst under många hundra timmar. Dessa kvantprickar kan också användas för att avge synligt eller nära-infrarött ljus genom att excitera dem med ljus med kortare våglängd.

Strukturen hos quantum dot LEDs (QD-LEDs) som används för den elektriska exciteringen av materialet, har en grundläggande design som liknar den för OLED. Ett lager av kvantprickar ligger mellan två lager av ett material som kan transportera elektroner och hål. Genom att applicera ett elektriskt fält rör sig elektroner och hål in i kvantpunktskalet och rekombinerar bildar excitoner ; varje exciton producerar ett elektron-hål-par, som avger ljus. Detta schema är det som vanligtvis övervägs för kvantpunktsvisningar . Den stora skillnaden med OLED ligger i deras mycket lilla storlek och som en konsekvens genererar de effekterna och optiska egenskaperna hos kvantinneslutning.

QDs är också mycket användbara som excitationskällor för fluorescensavbildning på grund av det smala våglängdsintervallet som emitteras av QD, vilket manifesterar sig i den smala bandbredden för toppen i emissionsspektrumet (egenskap på grund av kvantinneslutning). Av denna anledning har användningen av kvantpunktslysdioder (QD-LED) i tekniken för närfältsoptisk mikroskopi visat sig vara effektiv . ]

När det gäller energieffektivitet uppnåddes i februari 2008 en varm ljusemission med en ljuseffektivitet på 300 lumen av synligt ljus per watt strålning (inte per elektrisk watt) genom att använda nanokristaller . ]

Typer

Lysdioder tillverkas i en mängd olika former och storlekar. Färgen på plastlinsen sammanfaller vanligtvis med den på ljuset som sänds ut av lysdioden, även om detta inte alltid är fallet. Till exempel används lila plast för infraröda lysdioder, och de flesta blå lysdioder har färglösa förpackningar. Moderna högeffektslysdioder som de som används för direkt belysning eller bakgrundsbelysning förekommer vanligtvis i ytmonteringsteknik (SMT).

Miniatyrbild

Foto av ett ytfäste med de vanligaste storlekarna på lysdioder. De kan vara ganska lite mindre än den typiska 5 mm lampled som visas i det övre vänstra hörnet.

Miniatyruppsättning av röda, gröna och blå lysdioder i en liten ytmontering (1,6x1,6x0,35 mm) med guldloddetaljer.

Miniatyrlysdioder används ofta som indikatorer. Inom genomhålsteknik och ytmontering varierar deras storlek från 2 mm till 8 mm. De har normalt inte en separat kylfläns. ​ Den maximala strömmen är mellan 1mA och 20mA. Dess ringa storlek utgör en begränsning när det gäller strömförbrukningen på grund av dess höga effekttäthet och frånvaron av kylfläns. De är ofta kedjade för att bilda led-ljusremsor.

De mest typiska plastformerna är runda, platta, triangulära och fyrkantiga med en platt topp. Inkapslingen kan också vara transparent eller färgad för att förbättra kontrast och betraktningsvinklar. ]

Forskare vid University of Washington har uppfunnit den tunnaste lysdioden. Den är gjord av tvådimensionella (2D) material. Dess bredd är 3 atomer, vilket är mellan 10 och 20 gånger tunnare än tredimensionella (3-D) lysdioder och 10 000 gånger tunnare än ett människohår. Dessa 2D-lysdioder kommer att möjliggöra mindre, mer energieffektiva nanolasrar och optisk kommunikation . ]

Det finns tre huvudkategorier av enfärgade miniatyrlysdioder:

Låg strömintensitet

Förberedd för en ström på 2mA med ca 2V (förbrukning på mer eller mindre 4 mW).

Mellan eller gemensamt intervall

20mA lysdioder (mellan 40mW och 90mW) runt:

• 1,9 -2,1 V för röd, gul orange och den traditionella gröna.
• 3,0-3,4 V för rent grönt och blått.
• 2,9-4,2 V för violett, rosa, lila och vitt.

Hög strömintensitet

För en ström på 20mA och med 2 eller 4-5 V, designad för att kunna se i direkt solljus. 5V och 12V lysdioder är standard miniatyrlysdioder som innehåller ett seriemotstånd för direkt anslutning till en 5 eller 12V matning.

Hög effekt

Högeffekts lysdioder anslutna till en stjärnbas för lysdioder ( Lumileds , Luxeon )

Se även: Solid state-belysning , LED-lampa , High Power LEDs eller HP-LED

Högeffekts - LED HP-LED (High-power LED) eller högemissions HO-LED (High-Output LED) kan styras med strömmar från hundratals mA till mer än 1 Ampere, medan andra lysdioder bara når tiotals milliampere. Vissa kan avge mer än tusen lumen. ]

Effekttätheter på upp till 300 W/(cm²) har också uppnåtts . Eftersom överhettning av lysdioderna kan förstöra dem måste de monteras på en kylfläns. Om värmen från en HP-LED inte överfördes till mediet skulle fixturen misslyckas inom några sekunder. En HP-LED kan ersätta en glödlampa i en ficklampa eller flera av dem kan kopplas till en power LED-lampa. Några välkända HP-LED i denna kategori är Nichia 19-serien, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon och Cree X-Lamp. Från och med september 2009 finns det Cree-tillverkade lysdioder som överstiger 105 lm/W. ]

Exempel på Haitzs lag , som förutsäger en exponentiell ökning över tid i ljusemissionen och effektiviteten hos en LED, är de i CREE XP-GE-serien som nådde 105 lm/W 2009 ]

Drivs av växelström

Seoul Semiconductor har utvecklat lysdioder som kan köras på växelström utan behov av en DC-omvandlare. I en halvcykel avger en del av lysdioden ljus och den andra delen är mörk, och detta händer tvärtom under nästa halvcykel. Den normala verkningsgraden för denna typ av HP-LED är 40 lm/W. ​ Ett stort antal LED-element i serie kan arbeta direkt med nätspänning. 2009 lanserade Seoul Semiconductor en högspännings-LED, kallad 'Acrich MJT', som kan drivas av AC genom en enkel styrkrets. Den låga effekten som avges av dessa lysdioder ger dem större flexibilitet än andra ursprungliga AC LED-designer. ]

Ansökningar. Varianter

Av intermittenta blixtar

Blinkande lysdioder används som uppmärksamhetsindikatorer utan behov av extern elektronik. Blinkande lysdioder ser ut som vanliga lysdioder, men innehåller en integrerad multivibratorkrets som gör att lysdioderna blinkar med en karakteristisk period på en sekund. På lysdioder utrustade med diffusionslins är denna krets synlig (en liten svart prick). De flesta blinkande lysdioder avger ljus av en enda färg, men mer sofistikerade enheter kan blinka i flera färger och till och med blekna med en sekvens av färger från RGB-färgblandning.

Bicolors

Tvåfärgade lysdioder innehåller två olika lysdioder i en uppsättning. Det finns två typer; den första består av två dynor anslutna till två ledare parallellt med varandra med ström som flyter i motsatta riktningar. Med ström som flyter i en riktning avges en färg, och med ström som flyter i motsatt riktning, avges den andra färgen. I den andra typen, å andra sidan, har de två formarna separata terminaler och det finns en terminal för varje katod eller för varje anod, så att de kan styras oberoende av varandra. Den vanligaste färgkombinationen är traditionell röd/grön, men andra färgkombinationer finns tillgängliga såsom traditionell grön/bärnsten, ren röd/grön, röd/blå eller ren blå/grön.

Tricolors

Trefärgade lysdioder innehåller tre olika emitterande lysdioder i en enda ram. Varje sändare är ansluten till en separat terminal så att den kan styras oberoende av de andra. Ett arrangemang där fyra terminaler förekommer, en gemensam terminal (de tre anoderna eller de tre katoderna sammanfogade) plus en extra terminal för varje färg är mycket karakteristiskt.

RGB

RGB-lysdioder är trefärgade lysdioder med röda, gröna och blå sändare, vanligtvis med en fyrtrådsanslutning och en gemensam terminal (anod eller katod). Denna typ av lysdioder kan presentera som gemensamma både den positiva terminalen och den negativa terminalen. Andra modeller har dock bara två terminaler (positiva och negativa) och en liten inbyggd elektronisk styrenhet .

Dekorativa flerfärger

Denna typ av lysdioder har sändare i olika färger och är utrustade med endast två utgångsterminaler. Färgerna växlas internt genom att variera matningsspänningen.

Alfanumerisk

Alfanumeriska lysdioder är tillgängliga som displayer med sju segment , fjorton segmentdisplayer eller punktmatrisdisplayer . Displayer med sju segment kan visa alla siffror och en begränsad uppsättning bokstäver medan displayer med fjorton segment kan visa alla bokstäver. Punktmatrisskärmar använder vanligtvis 5x7 pixlar per tecken. Användningen av sju-segments lysdioder blev utbredd på 1970- och 1980-talen, men den ökande användningen av LCD-skärmar har minskat populariteten för numeriska och alfanumeriska lysdioder på grund av deras lägre effektbehov och större displayflexibilitet.

Digital RGB

De är RGB-lysdioder som innehåller sin egen "smarta" styrelektronik. Förutom ström och jord har de anslutningar för datainmatning och -utgång, och ibland för klock- eller blixtsignaler. De är anslutna i en seriekedja , med datainmatningen till den första lysdioden som tillhandahålls av en mikroprocessor som kan styra ljusstyrkan och färgen på var och en av dem, oberoende av de andra. De används där det krävs en kombination som ger maximal kontroll och minimal överblick över elektroniken, som julslingor eller LED-arrayer. Vissa har till och med uppdateringsfrekvenser i kHz-intervallet, vilket gör dem lämpliga för grundläggande videoapplikationer.

Filament

En LED-glödtråd består av flera LED-chips kopplade i serie på ett längsgående substrat som bildar en tunn stång som liknar glödtråden hos en traditionell glödlampa. Filament används som ett billigt dekorativt alternativ till traditionella glödlampor som håller på att fasas ut i många länder. Glödtrådarna kräver en ganska hög matningsspänning för att lysa med normal ljusstyrka, för att kunna arbeta effektivt och enkelt vid nätspänningar. En enkel likriktare och kapacitiv strömbegränsare används ofta som en billig ersättning för den traditionella glödlampan utan besväret med att bygga en lågspännings- och högströmsomvandlare som krävs av individuella LED-dioder. De är vanligtvis monterade inuti ett lufttätt hölje som är formad liknande de lampor de ersätter (i form av en glödlampa, till exempel) och fyllda med en inert gas som kväve eller koldioxid. kol för att effektivt avlägsna värme . Huvudtyperna av lysdioder är: miniatyrenheter, högeffektsenheter och vanliga mönster som alfanumeriska eller flerfärgade. ]

Användningsöverväganden

Strömförsörjning

Huvudartikel: Krets med led

Grundkrets för att tända en LED. Den består av en lysdiod, ett strömbegränsande motstånd och en likströmskälla.

Karakteristisk kurva för en led-diod med dess framåt- och bakåtpolariseringszoner

Ström -spänningskurvan för en lysdiod liknar den för andra dioder, genom att strömstyrkan (eller kortvarigt ström) växer exponentiellt med spänningen (se Shockleys ekvation ). Detta innebär att en liten förändring i spänningen kan orsaka en stor förändring i strömmen. ​ Om den pålagda spänningen överskrider lysdiodens framåtriktade tröskelspänningsfall med ett litet belopp, kan strömgränsen som dioden kan motstå kraftigt överskridas, vilket kan skada eller förstöra lysdioden. Lösningen som kan användas för att undvika detta är att använda strömförsörjningar med konstant strömintensitet (kortfattat konstant strömkälla ) som kan hålla strömmen under det maximala värdet av strömmen som kan passera genom lysdioden eller åtminstone, om en konventionell konstant spänningskälla eller batteri används , lägg till ett begränsningsmotstånd i serie med lysdioden till LED-belysningskretsen. Eftersom normala strömkällor (batterier, elnät) vanligtvis är konstantspänningskällor måste de flesta LED-armaturer innehålla en strömomvandlare eller åtminstone ett strömbegränsande motstånd. Den höga resistansen hos tre-volts knappceller i kombination med den höga differentialresistansen hos nitrid-härledda lysdioder gör det dock möjligt att driva sådana lysdioder från en knappcell utan behov av ett externt motstånd.

Elektrisk polaritet

Huvudartikel: Elektrisk polaritet hos lysdioder

Som med alla dioder flyter ström lätt från materialet av p-typ till materialet av n-typ. Men om en liten spänning appliceras i motsatt riktning flyter ingen ström och inget ljus sänds ut. Om backspänningen stiger tillräckligt för att överskrida genomslagsspänningen flyter en hög ström och lysdioden kan skadas. Om den omvända strömmen är tillräckligt begränsad för att förhindra skador, kan den omvänt ledande lysdioden användas som lavindiod .

Hälsa och säkerhet

De allra flesta enheter som innehåller lysdioder är "säkra vid normal användning", och klassificeras därför som "Riskprodukt 1 RG1 (låg risk)" / "LED Klass 1". För närvarande kan endast ett fåtal lysdioder - extremt ljusstarka lysdioder som har en mycket liten synvinkel med en bländare på 8° eller mindre - teoretiskt orsaka tillfällig blindhet och klassificeras därför som "Risk 2 RG2 (måttlig risk)". I yttrandet från den franska byrån för livsmedelssäkerhet, miljö och arbetshälsa och säkerhet (ANSES) när man behandlade hälsofrågor relaterade till lysdioder 2010, föreslog man att förbjuda allmän användning av lampor som finns i grupp 2 eller måttlig risk, särskilt de med en hög blå komponent, på platser som besöks av barn. ]

I allmänhet gäller säkerhetsföreskrifterna för användning av laserljus ​—och Risk 1, Risk 2-enheter, etc.— även för lysdioder. ]

Precis som lysdioder har fördelen framför lysrör att de inte innehåller kvicksilver , kan de dock innehålla andra farliga metaller som bly och arsenik . När det gäller toxiciteten hos lysdioder när de behandlas som avfall, konstaterade en studie publicerad 2011: "Enligt federala bestämmelser är lysdioder inte farliga, förutom för lågintensiva röda lysdioder, eftersom det i början av deras kommersialisering innehöll Pb (bly) i koncentrationer över regulatoriska gränser (186 mg/L; regulatorisk gräns: 5), men enligt Kaliforniens bestämmelser, för höga nivåer av koppar (upp till 3 892 mg/kg; gräns: 2 500 ), bly (upp till 8 103 mg/kg, gräns: 1000), nickel (upp till 4797 mg/kg, gräns: 2000), eller silver (upp till 721 mg/kg, gräns: 500) gör att alla lysdioder utom gula med låg intensitet är farliga." ]

Fördelar

• Effektivitet – LED-lampor avger mer lumen per watt än glödlampor. Effektiviteten hos LED-belysningsarmaturer påverkas inte av deras form och storlek, till skillnad från glödlampor eller lysrör.

• Färg – LED kan avge ljus i vilken färg som helst, utan att använda några färgfilter som de som behövs i traditionella belysningsmetoder. Denna egenskap ger dem större effektivitet och minskar kostnaderna.

• Storlek : Lysdioder kan vara mycket små (mindre än 2 mm² ) och kan därför enkelt fästas på kretskort.

• Uppvärmningstid – LED-lamporna tänds mycket snabbt. En typisk röd LED-indikator når full ljusstyrka på mindre än en mikrosekund . Lysdioder som används i kommunikationsenheter kan uppvisa ännu kortare svarstider.

• Cykling - LED-lampor är idealiska i applikationer som ofta utsätts för av/på-cykling, till skillnad från glödlampor och lysrör som går sönder när de används i detta alternativ, eller som högintensiva urladdningslampor (HID-lampor) som kräver lång väntetid innan tändningen startas om.

• Dimning – Lysdioder kan lätt dämpas genom pulsbreddsmodulering eller genom att minska likströmmen. Pulsbreddsmodulering är anledningen till att LED-lampor, särskilt bilstrålkastare, verkar flimra när de ses genom en kamera eller av vissa personer. Det är ett fall av stroboskopisk effekt .

• Kallt ljus – Till skillnad från de flesta ljuskällor utstrålar lysdioder väldigt lite värme i form av infraröd strålning, vilket kan skada känsliga föremål eller vävnad. Den förlorade energin försvinner som värme vid basen av lysdioden.

• Slow Fade – De flesta lysdioder bleknar långsamt över tiden, till skillnad från glödlampor som försämras abrupt.

• Livslängd – LED kan ha en relativt lång livslängd. En rapport uppskattar mellan 35 000 och 50 000 timmars livslängd, även om tiden som normalt går innan produkten slutar fungera helt är vanligtvis längre. Lysrör har en beräknad livslängd på 10 000 till 15 000 timmar, delvis beroende på användningsförhållandena, och glödlampor 1 000 till 2 000 timmar. Olika DOE- uttalanden har visat att mer än energibesparingar, minskade underhållskostnader under denna förlängda livslängd är den primära faktorn för att bestämma återbetalningstiden för en LED-produkt. ]

• Stöttålighet – LED är solid state-komponenter och är därför svåra att skada från yttre stötar, till skillnad från lysrör och glödlampor, som är ömtåliga.

• Fokus – Ett system av lysdioder kan designas för att kunna fokusera ljus. Glödlampor och fluorescerande källor kräver ofta en extern reflektor för att samla in ljuset och rikta det på lämpligt sätt. I större LED-system används ofta Total Internal Reflection (TIR) ​​linser för att uppnå samma effekt. Men när stora mängder ljus behövs utplaceras ofta många ljuskällor, som är svåra att fokusera eller kollimera till samma plats.

Nackdelar

• Initialt pris – LED är för närvarande lite dyrare (pris per lumen ) än andra belysningstekniker. I mars 2014 hävdade en tillverkare att han redan nått priset på en dollar per kilolumen. Merkostnaden härrör delvis från den relativt låga ljuseffekten, drivkretsar och strömförsörjning som krävs.

• Temperaturberoende : LED-prestanda är starkt beroende av omgivningstemperaturen i omgivningen, eller de procedurer som används för värmehantering. Överbelastning av en lysdiod i en miljö med hög temperatur kan leda till överhettning av alla lysdioder och fel på belysningsenheten. Det är nödvändigt att använda en lämplig kylfläns för att säkerställa en lång livslängd. Detta är särskilt viktigt i fordons-, medicinska och militära tillämpningar där enheter måste fungera inom ett brett temperaturintervall och med låga felfrekvenser. Toshiba har tillverkat lysdioder med ett driftstemperaturområde på -40 till 100°C, vilket är lämpligt för både inomhus- och utomhusbruk och i applikationer som lampor, taklampor, gatubelysning och spotlights.

• Känslighet med spänning : lysdioderna måste matas för att fungera med en spänning högre än dess tröskelspänning och med en ström under dess nominella värde. Både ström och livslängd förändras dramatiskt med en liten förändring i pålagd spänning. Därför kräver de en reglerad matningsström (ett seriemotstånd är vanligtvis tillräckligt för LED-indikatorer). ]

• Färgåtergivning : De flesta coola vita lysdioder har spektra som skiljer sig markant från bestrålningsspektrumet för en svart kropp som solen eller en glödlampa. Toppen vid 460 nm och dalgången vid 500 nm kan göra att färgen på föremål uppfattas annorlunda under kall vit LED-belysning än under solljus eller glödljuskällor, på grund av metamerism . Kallvita fosforbaserade lysdioder återger röda ytor särskilt dåligt.

• Area associerad med ljuskällan – De enskilda lysdioderna approximerar inte en punktljuskälla som ger en sfärisk ljusfördelning, utan snarare en Lambertian- fördelning . Lysdioder är svåra att applicera i fall där sfäriska ljusfält är nödvändiga, men ljusfälten kan manipuleras genom att använda olika optiska procedurer eller "linser". Lysdioder kan inte ge divergens under några grader. Däremot kan lasrar sända ut strålar med divergenser på 0,2 grader eller mindre. ]

• Elektrisk polaritet – Till skillnad från glödlampor , som lyser oavsett elektrisk polaritet , tänds lysdioder endast med rätt elektrisk polaritet. För att automatiskt justera strömförsörjningspolariteten för LED-enheter kan likriktare användas .

• Blue Hazard – Det finns en oro för att blå lysdioder och kallvita lysdioder kan överskrida säkerhetsgränser som fastställts av så kallad blåljusfara enligt definition i ögonsäkerhetsspecifikationer såsom IEC 62471 ]

• Utomhusljusföroreningar – Vita lysdioder, särskilt de med hög färgtemperatur , avger mycket kortare våglängdsljus än konventionella utomhusljuskällor somhögtrycksnatriumånglampor . Å andra sidan måste vi också ta hänsyn till den större känsligheten hos vårt syn för blått och grönt i scotopisk syn och därför förskjuts i det synliga spektrumet mot "kalla" färger, vilket förvränger uppskattningen av färger "varma" (mot orange och röd). Som en följd av detta orsakar de vita lysdioderna som används i utomhusbelysning, i scotopisk syn, mer natthimlen och genererar därmed mer ljusföroreningar. ​ American Medical Association varnade för användningen av vita lysdioder med högt blått innehåll i offentlig belysning, på grund av deras större inverkan på människor hälsa och miljö, jämfört med ljuskällor med lågt blått innehåll (t.ex. högtrycksnatrium, bärnstensfärgade datorlysdioder och lysdioder med låg färgtemperatur. ]

• Minskad effektivitet : Effektiviteten hos lysdioder minskar när den elektriska strömmen ökar . Uppvärmningen ökar också vid högre strömmar, vilket äventyrar livslängden för lysdioderna. Dessa effekter sätter praktiska gränser för LED-strömvärden i högeffektsapplikationer. ]

• Inverkan på insekter – LED-lampor är mycket mer attraktiva för insekter än natriumånglampor, vilket har skapat en oro för att de kan orsaka störningar i deras näringsnät. ]

• Användning under vinterförhållanden : Eftersom lysdioder inte avger mycket värme jämfört med glödlampor, kan LED-lampor som används för trafikkontroll förbli täckta av snö, vilket skymmer dem och kan leda till olyckor. ]

Applikationer

Indikatorer och signallampor

Illustration av ett trafikljus med röda, gula och gröna lysdioder

Den låga strömförbrukningen , det låga behovet av underhåll och den lilla storleken på lysdioder har lett till att de används som status- och displayindikatorer i en mängd olika utrustningar och installationer. Stora LED-skärmar används för att sända spelet på arenor, som dynamiska dekorativa skärmar och som dynamiska meddelandeskyltar på motorvägar. Ljusa och slimmade meddelandedisplayer används på flygplatser och järnvägsstationer och som destinationsinformationstavlor på tåg, bussar, spårvagnar och färjor.

Enfärgsljus är lämpliga för trafikljus , trafiksignaler, utfartsskyltar , fordonsnödbelysning , navigationsljus, strålkastare (standardvärden för kromaticitet och luminans fastställdes i den internationella konventionen för förebyggande av kollisioner till sjöss från 1972 bilaga 1 och av International Commission on Illumination eller CIE) och julbelysning som består av lysdioder. I regioner med kallt klimat kan LED-trafikljus förbli täckta av snö. Röda eller gula lysdioder används i indikatorer och alfanumeriska skärmar, i miljöer där mörkerseende måste upprätthållas: flygplanshytter, ubåts- och fartygsbroar, astronomiska observatorier och i fält, till exempel för observation av djur under natt- och fältmilitär använder.

Med tanke på deras långa livslängd, snabba växlingstider och förmåga att synas i fullt dagsljus på grund av deras höga intensitet och koncentration, har lysdioder använts för bromsljus i bilar, lastbilar och bussar under en tid och vid riktningsbyte; Många fordon använder nu lysdioder i sina bakljusenheter. Användningen i bromsarna förbättrar säkerheten på grund av den stora minskningen av tiden som krävs för en fullständig tändning, det vill säga på grund av att de har en kortare stigtid, upp till 0,5 sekunder snabbare än en glödlampa. Detta ger mer reaktionstid för förare bakom. I en krets med dubbel intensitet (bakljus och bromsljus) om lysdioderna inte drivs tillräckligt snabbt kan de skapa en spökmatris, där spökbilder av lysdioden kommer att visas om ögonen rör sig snabbt över ljusgruppen. . Strålkastare med vita lysdioder börjar användas. Användningen av lysdioder har stylingfördelar eftersom de kan bilda mycket tunnare strålar än glödlampor med paraboliska reflektorer.

Lågeffektlysdioder är relativt billiga och kan användas i kortlivade belysningsobjekt som självhäftande belysning, engångsföremål och Lumalive fotoniskt tyg. Konstnärer använder även lysdioder för så kallad LED-konst. Väder- och nödradiomottagare med kodade områdesmeddelanden (SAME) har tre lysdioder: röd för larm, orange för uppmärksamhet och gul för varningar, indikationer och rapporter.

Belysning

För att uppmuntra bytet till LED-lampor har det amerikanska energidepartementet skapat priset L. Philips Lighting North America LED-lampa vann första pris den 3 augusti 2011 efter att ha framgångsrikt genomfört 18 månaders testning, intensivt fält, laboratorium och produkt. ]

LED används som gatubelysning och i arkitektonisk belysning. Den mekaniska robustheten och långa livslängden används i fordonsbelysning i bilar, motorcyklar och cykelljus. LED-ljusemission kan effektivt kontrolleras genom att använda optiska principer för icke-avbildning .

2007 var den italienska staden Torraca den första platsen att konvertera hela sitt belysningssystem till LED. Lysdioder används också inom flyget, Airbus har använt LED-belysning på sin Airbus A320 sedan 2007, och Boeing använder LED-belysning på 787:an. Lysdioder används nu även i flygplats- och helikopterplansbelysning. LED-flygplatsarmaturer inkluderar för närvarande medelintensiva banljus, banljus, mittlinjeljus, taxibana och kantljus.

Lysdioder används också som en ljuskälla för DLP-projektorer och för att lysa upp LCD -TV-apparater (känd som LED-TV-apparater) och bärbara datorer . RGB-lysdioder ökar färgomfånget med upp till 45 %. Skärmar för TV- och datorskärmar kan göras tunnare genom att använda lysdioder för bakgrundsbelysning. Bristen på infraröd eller termisk strålning gör lysdioder idealiska för scenljus med banker av RGB lysdioder som enkelt kan ändra färg och minska uppvärmningen av belysningen, såväl som medicinsk belysning där IR-strålning kan vara skadlig Inom energisparande är det mindre värmeproduktion vid användning av lysdioder.

De är också små, hållbara och kräver lite ström, vilket är anledningen till att de används i bärbara enheter som ficklampor . LED- blixtar eller kamerablixtar fungerar med en säker, låg spänning, snarare än de 250+ volt som vanligtvis finns i xenonblixtbaserad belysning . Detta är särskilt användbart på mobiltelefonkameror . Lysdioder används för infraröd belysning i mörkerseende applikationer inklusive säkerhetskameror . En ring av lysdioder runt en videokamera riktad framåt mot en retroreflekterande bakgrund möjliggör chroma keying i videoproduktioner .

Lysdioder används i gruvdrift , till exempel locklampor för att ge ljus åt gruvarbetare. Forskning har utförts för att förbättra lysdioder för gruvdrift för att minska bländning och öka belysningen, vilket minskar risken för skador på gruvarbetare. ]

Lysdioder används nu ofta i alla marknadsområden, från kommersiellt till hemmabruk: standardbelysning, teatralisk, arkitektonisk, offentliga installationer och överallt där konstgjord belysning används.

Lysdioder hittar fler och fler användningsområden i medicinska och utbildningsmässiga tillämpningar, till exempel som humörhöjande, och ny teknik som AmBX, som utnyttjar mångsidigheten hos lysdioder. NASA har till och med sponsrat forskning för att använda lysdioder för att främja hälsan för astronauter . ]

optisk kommunikation. Dataöverföring och annan kommunikation

Se även: liphi

Ljus kan användas för att överföra data och analoga signaler . Till exempel kan vita lysdioder användas i system för att hjälpa människor att orientera sig i slutna utrymmen för att lokalisera fixturer eller föremål. ]

Lyssningshjälpmedel på många biografer och liknande platser använder uppsättningar av infraröda lysdioder för att leverera ljud till tittarmottagare. Lysdioder (och även halvledarlasrar) används för att skicka data över många typer av fiberoptiska kablar . Från TOSLINK- kablar för digital ljudöverföring till fiberlänkarna med mycket hög bandbredd som utgör ryggraden i Internet . Under en tid var datorer utrustade med IrDA -gränssnitt , vilket gjorde det möjligt för dem att skicka och ta emot data från närliggande datorer med infraröd strålning .

Eftersom lysdioder kan tändas och släckas miljontals gånger per sekund, kräver de mycket hög bandbredd för dataöverföring. ]

Hållbar belysning

Ljuseffektivitet är nödvändigt för hållbar arkitektur . Under 2009 visade tester utförda med LED-lampor av USA:s energidepartement en genomsnittlig verkningsgrad från 35 lm/W, alltså under effektiviteten för lågenergilampor, till värden så låga som 9 lm/W. , sämre än glödlampor . En typisk 13-watts LED-lampa gav 450 till 650 lumen, vilket motsvarade en vanlig 40-watts glödlampa.

I alla fall, 2011 fanns det LED-lampor med en verkningsgrad på 150 lm/W, och även lågprismodeller översteg 50 lm/W, så en 6-watts LED kunde uppnå samma resultat som en glödlampa. standard 40 watt glödande. De senare har en hållbarhet på 1000 timmar medan en LED kan fortsätta att fungera med lägre verkningsgrad i mer än 50.000 timmar. ]

Jämförelsetabell för led-LFC-glödlampa:

	Led	CFL:er	Glödlampa
Liv	50 000 timmar	10 000 timmar	1 200 timmar
watt per glödlampa	10	14	60
kostnad per glödlampa	2,00 USD	7,00 USD	1,25 USD
kW förbrukad på 50 000 timmar	500	700	3000
Elkostnad (0,10 USD/kW)	50 USD	70 USD	300 USD
Glödlampor behövs för att klara 50 000 timmars ljus	1	5	42
Att spendera på glödlampor för 50 000 timmars ljus	2,00 USD	35,00 USD	52,50 USD
Totalkostnad för 50 000 timmars ljus	52,00 USD	105,00 USD	352,50 USD

Strömförbrukning

Minskningen av elektrisk energiförbrukning som uppnås med LED-baserad belysning är betydande jämfört med glödlampsbelysning . Dessutom visar sig denna minskning också som en märkbar minskning av skadorna på miljön. Varje land uppvisar olika energipanorama och därför, även om inverkan på energiförbrukningen är densamma, kan produktionen av gaser som är skadliga för miljön fluktuera något från en till en annan. Med hänsyn till förbrukningen kan en konventionell 40 - watts glödlampa tas som prov . En likvärdig ljuseffekt kan erhållas med ett 6-watts LED-system. Genom att använda LED-systemet istället för glödlampor kan energiförbrukningen därför minskas med mer än 85 %. När det gäller besparingen i miljöpåverkan är det möjligt att kvantifiera den för vilket land som helst om produktionen av CO ₂ per kW per timme är känd . I det specifika fallet med Spanien är det känt att energimixen i det spanska elnätet har producerat cirka 308 g CO ₂ /kWh under 2016. Det antas för beräkningen att både glödlampan och LED-enheten har fungerat i 10 timmar om dagen under hela året 2016. Energiförbrukningen har varit 146 kW-timmar av glödlampan och 21,6 kW-timmar av LED-enheten. Den elektriska energin som förbrukas kan översättas till kg CO ₂ som produceras per år. I det första fallet har generering av ca 45 kg CO ₂ genomförts, medan i det andra fallet har produktionen av CO ₂ reducerats till 6,75 kg.

Ljuskällor för maskinseendesystem

Industriella visionsystem kräver ofta homogen belysning för att kunna fokusera på intressanta bildegenskaper. Detta är en av de vanligaste användningarna av LED-lampor, och det kommer säkerligen att fortsätta att göra det genom att sänka priserna på system baserade på ljussignalering. Streckkodsläsare är det vanligaste exemplet på visionsystem, många av dessa lågprisprodukter använder lysdioder istället för laser. Optiska datormöss använder också lysdioder för sitt synsystem, eftersom de ger en enhetlig ljuskälla på ytan för miniatyrkameran inuti musen. Faktum är att lysdioder är en nästan idealisk ljuskälla för visionsystem av följande skäl:

• Storleken på det upplysta fältet är vanligtvis relativt litet och maskinseendesystem är ofta ganska dyra, så kostnaden för ljuskällan är vanligtvis mindre oroande. Men det kanske inte är lätt att ersätta en trasig ljuskälla inom komplexa maskiner; i detta fall är den långa livslängden för lysdioderna en fördel.
• LED-komponenter tenderar att vara små och kan placeras med hög densitet på plana eller släta ytsubstrat (PCB, etc.) så att homogena ljuskällor kan utformas som riktar ljus från hårt kontrollerade riktningar mot inspekterade delar. Detta kan ofta uppnås med små, billiga linser och diffusorer, vilket hjälper till att uppnå höga ljusdensiteter med kontroll över belysningsnivåer och homogenitet. LED-källor kan konfigureras på olika sätt (spotlights för reflekterande belysning, ringljus för koaxialbelysning, bakgrundsbelysning för konturbelysning, linjära fästen, platta storformatspaneler, kupolkällor för diffus rundstrålande belysning).
• Lysdioder kan enkelt strobe (i mikrosekundsintervallet och under) och bildsynkroniseras. Högeffektslysdioder finns tillgängliga för att möjliggöra väl upplysta bilder, även med mycket korta ljuspulser. Detta används ofta för att få skarpa, skarpa bilder av snabbt rörliga delar.
• Lysdioder finns i olika färger och våglängder, vilket möjliggör enkel användning av den bästa färgen för varje behov, där olika färger kan ge bättre synlighet av intressanta funktioner. Att ha ett exakt känt spektrum gör att nära matchade filter kan användas för att separera informationsbandbredden eller för att minska störande effekter av omgivande ljus. Lysdioder fungerar vanligtvis vid jämförelsevis låga driftstemperaturer, vilket förenklar värmehantering och avledning. Detta möjliggör användning av plastlinser, filter och diffusorer. Vattentäta enheter kan också enkelt utformas, vilket möjliggör användning i tuffa eller fuktiga miljöer (mat, dryck, oljeindustri).

Medicin och biologi

Hälsa har upprepat fördelarna med lysdioder framför andra typer av belysning och har införlivat dem i sin toppmoderna utrustning. De fördelar som lysdioder erbjuder i deras nuvarande utvecklingsläge har lett till att de snabbt sprids i världen av instrument för diagnos och stöd vid medicinska och kirurgiska ingrepp. Fördelarna som uppskattas av läkare är följande:

• Den lilla storleken på ljuskällorna som i allmänhet kan förknippas med mycket tunna och flexibla ljusledare, vilket gör att de kan röra sig inuti tunna katetrar .
• Frånvaron av åtföljande infraröd strålning, vilket gör att termen " kallt ljus " kan associeras med dem . Värmen som avgavs från andra typer av ljuskällor försvårade eller förhindrade deras användning vid vissa diagnostiska observationer eller kirurgiska ingrepp.
• Den vita tonen som brukar vara favoriten för medicinska observationer. Det måste vara en naturlig vit färg som kan presentera alla färger utan problem med metamerism . Den naturliga färgen på de sålunda upplysta vävnaderna gynnar således den korrekta diagnosen av det observerade fältet.
• Den höga ljusstyrkan som kan uppnås med dessa ljuskällor.

Diagnos och syn

Baserat på ovanstående idéer är nuvarande endoskop utrustade med LED-belysning. Den endoskopiska tekniken omfattar många medicinska specialiteter, till exempel gastroskopi , koloskopi , laryngoskopi , otoskopi eller artroskopi . Alla dessa tekniker tillåter observation av organ och system i människokroppen genom användning av miniatyrvideokameror. De kan också användas i kirurgiska ingrepp eller för diagnostiska ändamål. Utrustningen är också känd som videoskop eller videoendoskop . Det finns stela eller flexibla beroende på behov. Fiberoptik anpassas till varje enskilt fall. Å andra sidan är lamporna på operationssalar och tandläkarmottagningar för närvarande LED. De uppfyller perfekt alla tekniska och sanitära krav för deras användning. Att få en vit, naturlig, stark belysning (mer än etthundrafemtiotusen candela på ett avstånd av en meter från operationsfältet), utan skuggor och utan infraröda eller ultravioletta strålar som kan påverka både patienten och sjukvårdspersonalen, är särskilt uppskattat att delta i interventionen.

Detsamma händer med strålkastare för kirurger och tandläkare utrustade med lysdioder, med lampor för medicinska undersökningar, för undersökningar och oftalmologiska ingrepp eller för mindre operationer , med vilka man kan säga att lysdioder har kommit att täcka alla medicinska specialiteter. Optiska företag som är dedikerade till medicin har införlivat lysdioder i sin observationsutrustning, till exempel i mikroskop , vilket ger många fördelar för studier av bilder med hjälp av olika tekniker ( ljusfält , kontrast , fluorescens), vilket visar sig i reklam- och kommersiella områden. Lysdioder används framgångsrikt som sensorer i pulsmätare eller syrgasmätare för att mäta syremättnad.

Terapi

LED-ljus används i en hudbehandlingsteknik som kallas fototerapi . Låt oss komma ihåg att ljuset som emitteras av de olika halvledarlegeringarna är mycket monokromatiskt. Var och en av färgerna (blå, gul, röd, etc.) tillskrivs prioriterad aktivitet i en viss terapeutisk process, till exempel främjande av läkning (blått ljus), attackera en viss bakteriestam (olika färger), ljusare hudfläckar ( rött ljus) etc. Många biologiska material och system är känsliga eller beroende av ljus. Grow lights använder lysdioder för att öka fotosyntesen i växter. Bakterier och virus kan avlägsnas från vatten och andra ämnen genom UV LED-sterilisering.

Industri

Industrin har anpassat de observationsmodeller som används inom medicinen för sina egna behov och utrustningen kallas industriella endoskop eller även boreskop , flexoskop eller videoendoskop . Med dem kan du se insidan av maskiner, motorer, rör, håligheter eller vapen utan att behöva plocka isär dem.

Andra applikationer

Ljuset från lysdioder kan moduleras mycket snabbt så att de används i stor utsträckning inom fiberoptik och optisk kommunikation med ledigt utrymme . Detta inkluderar fjärrkontroller som används på LED-TV-apparater, videobandspelare och datorer. Optiska isolatorer använder en LED kombinerad med en fotodiod eller fototransistor för att ge en elektriskt isolerad signalväg mellan två kretsar. Detta är särskilt användbart i medicinsk utrustning där signaler från en lågspännings (typiskt batteridriven) sensorkrets i kontakt med en levande organism måste isoleras elektriskt från eventuella elektriska fel i en övervakningsenhet som arbetar med potentiellt farliga spänningar. En optoisolator tillåter också att information överförs mellan kretsar som inte delar en gemensam jordpotential.

Många sensorsystem är beroende av ljus som signalkälla. Lysdioder är ofta idealiska som ljuskälla på grund av sensorernas krav. Lysdioder används som rörelsesensorer , till exempel i optiska datormöss . Sensorbaren på Nintendo Wii använder infraröda lysdioder. Pulsoximetrar använder dem för att mäta syremättnad . Vissa bordsskannrar använder RGB LED-arrayer istället för den typiska kallkatodlysröret som ljuskälla. Genom att ha kontroll över tre upplysta färger oberoende av varandra kan skannern kalibrera sig själv för en mer exakt färgbalans och det finns inget behov av uppvärmning. Dessutom behöver dina sensorer bara vara monokroma, eftersom den skannade sidan vid något tillfälle är upplyst av endast en färg av ljus. Eftersom lysdioder även kan användas som fotodioder kan de även användas för fotoemission eller detektering. Detta kan till exempel användas i en pekskärm som registrerar ljus som reflekteras från ett finger eller en penna . Många biologiska material och system är känsliga för eller beroende av ljus. Grow lights använder lysdioder för att stimulera fotosyntes i växter , och bakterier och virus kan dödas från vatten och andra ämnen med hjälp av UV-lysdioder för sterilisering.

Lysdioder har också använts som kvalitetsspänningsreferens i elektroniska kretsar. Istället för en zenerdiod i lågspänningsregulatorer kan framspänningsfallet användas (t.ex. ca 1,7V för en vanlig röd lysdiod). Röda lysdioder har den plattaste I/V-kurvan. Även om led framåtspänningen är mycket mer beroende av ström än en zenerdiod, är zenerdioder med genomslagsspänningar under 3 V inte allmänt tillgängliga.

Den progressiva miniatyriseringen av lågvoltsbelysningsteknik, såsom LED och OLED , lämpliga för inkorporering i tunna material, har uppmuntrat experiment med att kombinera ljuskällor och invändiga väggbeläggningsytor. De nya möjligheter som denna utveckling erbjuder har lett till att vissa designers och företag, såsom Meystyle , Ingo Maurer , Lomox och Philips har forskat och utvecklat egenutvecklade teknologier för ledtapeter, varav några för närvarande är tillgängliga för kommersiellt köp. Andra lösningar finns i första hand som prototyper eller håller på att förfinas.

Se även

• OLED
• AMOLED
• CrystalLED
• laserdiod
• laserskärm
• fotodiod
• Henry Joseph Runda
• Led-rör

Externa länkar

• Wikimedia Commons är värd för en mediakategori om lysdioder .
• Wikimedia Commons är värd för en multimediakategori om led (SMD) .
• Wiktionary har definitioner och annan information om lysdioder .
• Lysdioden - Hur fungerar lysdioder? på YouTube . (på engelska)