LED

Wikipedia

LED (engl. Light-Emitting Diode) eli hohtodiodi tai ledi on puolijohdekomponentti, joka säteilee valoa, kun sen läpi johdetaan sähkövirta. Lediä kutsutaan arkikielessä myös valodiodiksi, vaikka historiallisesti valodiodi eli fotodiodi tarkoittaa valolle herkkää diodia. Ledien valmistusmateriaali (monesti gallium-yhdisteitä) määrää komponentin lähettämän valon värin, jota voidaan edelleen muokata ledin pintaan lisätyillä kalvoilla ja pinnoitteilla.^[1] Kaukosäätimissä käytetään yleensä ledejä, jotka säteilevät infrapunasäteilyä. Yksittäisen Ledin emittoiman valon spektri on yleensä varsin kapea eli säteily on lähes monokromaattista, mutta useita ledejä voidaan pakata samaan koteloon yhdistelmävärien saamiseksi.

LEDejä käytettiin pitkään lähes yksinomaan elektronisten laitteiden merkkivaloina ja näyttötauluissa, mutta viime aikoina ne ovat alkaneet yleistyä myös valaistuksessa. Tämän ovat tehneet mahdolliseksi entistä valovoimaisempien ledien kehittyminen ja etenkin valkoisen LED:in keksiminen. Valkoisen ledin kehittäjälle Shuji Nakamuralle myönnettiin Millennium-teknologiapalkinto vuonna 2006.^[2] Valkoinen ledi perustuu siniseen lediin, joka on päällystetty fluoresoivalla loisteaineella, joka muuntaa osan säteilystä kellertäväksi niin, että silmän aistima valon väri on valkoinen.

Sisällysluettelo 1 Ledien käyttömahdollisuuksia 1.1 Ajoneuvovalaistus 1.2 Sisävalaistus 1.3 Ulkovalaistus 2 Ledien käyttö elektroniikassa 3 Värit ja materiaalit 4 LED sarjavastuksella 5 Ledien edut 6 Ledien huonot puolet 7 Historia 7.1 Ensimmäiset käyttötarkoitukset 8 Lähteet 9 Katso myös 10 Aiheesta muualla

[muokkaa] Ledien käyttömahdollisuuksia

[muokkaa] Ajoneuvovalaistus

Hälytysajoneuvojen uudet vilkkuvalot toteutetaan osittain ledeillä, samoin liikennevalot. Jopa uusien autojen etuajovaloja valmistetaan LED-tekniikalla^[3]. Taka- ja sivuvaloissa LED-tekniikkaa on käytetty jo yli kymmenen vuotta.

[muokkaa] Sisävalaistus

Ledejä käytetään yleensä merkkivaloissa, valokylteissä, pienissä valaisimissa, ja kaukosäätimissä (infrapuna LED). Myös ulkoilmatapahtumissa käytetyt videoseinät (LED-Screen) on toteutettu LED-tekniikalla.

[muokkaa] Ulkovalaistus

Suuritehoisilla ledeillä voi toteuttaa isojakin valaisimia, käyttökohteena vaikkapa siltojen ja rakennusten julkisivujen yksityiskohtien korostus. Suomessa LED-valaistuksella on valaistu lyhyitä kadunpätkiä, esimerkiksi Tampereella, Paraisilla, Kittilässä Levin matkailukeskuksessa ^[4] ja Mikkelissä.

Ledin yleisin kynnysjännite on noin kolme volttia.^lähde? Superkirkkaissa ledeissä kynnysjännite yltää noin viiden voltin tuntumaan.^lähde?

[muokkaa] Ledien käyttö elektroniikassa

Ledejä voidaan käyttää joko suoraan tasajännitteellä virtaa rajoittavan etuvastuksen kanssa tai tasajännitepulsseja antavalla ohjaimella. Etuvastus kuluttaa osan tehosta, jolloin ledistä ei saada maksimaalista hyötyä valotehossa. Ledi toimii vain oikein päin kytkettynä ja tasajännitteellä, eli anodille + (pidempi jalka) ja katodille – (lyhyempi jalka/lovi 5 mm ledissä/usein täplä pintaliitosledissä).

[muokkaa] Värit ja materiaalit

Perinteiset LEDit on tehty epäorgaanisista puolijohdekomponenteista. Seuraava taulukko esittää värit, aallonpituuden, jännitealeneman ja materiaalin:

	Väri	Aallonpituus [nm]	Jännite [V]	Puolijohdemateriaali
	Infrapuna	λ > 760	ΔV < 1.9	Gallium arseeni (GaAs) Alumiini gallium arseeni (AlGaAs)
	Punainen	610 < λ < 760	1.63 < ΔV < 2.03	Alumiini gallium arseeni (AlGaAs) Gallium arseeni fosfaatti (GaAsP) Alumiini gallium indium fosfaatti (AlGaInP) Gallium(III) fosfaatti (GaP)
	Oranssi	590 < λ < 610	2.03 < ΔV < 2.10	Gallium arseeni fosfaatti (GaAsP) Alumiini gallium indium fosfaatti (AlGaInP) Gallium(III) fosfaatti (GaP)
	Keltainen	570 < λ < 590	2.10 < ΔV < 2.18	Gallium arseeni fosfaatti (GaAsP) Alumiini gallium indium fosfaatti (AlGaInP) Gallium(III) fosfaatti (GaP)
	Vihreä	500 < λ < 570	2.18 < ΔV < 4.0	Indium gallium nitridi (InGaN) / Gallium(III) nitridi (GaN) Gallium(III) fosfaatti (GaP) Alumiini gallium indium fosfaatti (AlGaInP) Alumiini gallium fosfaatti (AlGaP)
	Sininen	450 < λ < 500	2.48 < ΔV < 3.7	Sinkki seleeni (ZnSe) Indium gallium nitridi (InGaN) Pii karbidi (SiC) substraattina Pii (Si) — (kehitteillä)
	Violetti	400 < λ < 450	2.76 < ΔV < 4.0	Indium gallium nitridi (InGaN)
	Purppura	monta eri tyyppiä	2.48 < ΔV < 3.7	Tupla sini/puna LED, sininen punaisella fosforipäällysteellä, valkoinen LED purppura muovilla
	Ultravioletti	λ < 400	3.1 < ΔV < 4.4	timantti (C) Alumiini nitridi (AlN) Alumiini gallium nitridi (AlGaN) Alumiini gallium indium nitridi (AlGaInN) — (down to 210 nm[5])
	Valkoinen	laaja spektrumi	ΔV = 3.5	Sini/UV diodi keltaisella fosforipäällysteellä

[muokkaa] LED sarjavastuksella

Tavallisen halkaisijaltaan 5 millimetrin ledin nimellisvirta on tyypillisesti 20 mA ja sen kynnysjännite on n. 1,7–3,7 V riippuen ledin väristä. Valaistuskäyttöön tarkoitetuissa ledeissä on yleensä useita LED-siruja sarjaan- ja rinnankytkettynä. Esimerkiksi alla olevan Ostarin kynnysjännite on 22,5 V. Tämä kynnysjännitteen vaihtelu eri värien kohdalla johtuu ledin sisällä olevien puolijohteiden eroista. Sarjavastusta laskettaessa tarvitaan tieto käytettävästä käyttöjännitteestä. Ensiksi lasketaan jännite, joka on jäätävä vastuksen yli, vähentämällä ledin kynnysjännite käyttöjännitteestä. Sopiva vastus saadaan Ohmin lain avulla kaavasta: R = U/I, jossa R = vastus ohmeissa, U = edellä laskettu jännite volteissa, ja I = virta ampeereissa. Käytettäessä lediä täydellä teholla virta on yleensä 20 mA. Lediä voidaan himmentää kasvattamalla vastusta. Käytettäessä korkeita jännitteitä tulee varmistaa myös vastuksen tehonkesto ja sähköturvallisuus.

[muokkaa] Ledien edut

Ledit ovat valonlähteinä hehkulamppuun verrattuna erittäin pienikokoisia ja mekaanisesti kestäviä: niissä ei ole helposti rikki menevää lasikuorta eikä hehkulankaa. Ledit ovat myös oikein asennettuna pitkäikäisiä. Valkoisilla ledeillä sininen valo muutetaan loisteaineen avulla osittain valkoisemmaksi. Ledien suhteellisen hyvä suuntaavuus tekee niistä myös sisustuksellisesti houkuttelevia valonlähteitä.

Pienet LED-merkkivalot tarvitsevat vain vähän virtaa, tyypillisesti alle 20 mA.^lähde? Suuria niin kutsuttuja teholedejä voidaan ajaa jopa 2,5 A virralla.^lähde? Parhaimpien valkoisten, kirkkaiden ledien hyötysuhde on loisteputkien luokkaa ja hehkulamppuihin verrattuna moninkertainen.^[1] Ledit luokitellaan huoltovapaiksi: vaihtoväli on tyypillisesti yli 10 000 tuntia^[1] ja nykyään jopa 100 000 tuntia^lähde?. Kestoikä määritellään tyypillisesti ajaksi, jonka kuluttua valoteho on pudonnut 70 prosenttiin alkuperäisestä tasosta. LED:n rikkoontuminen siten, että siitä ei tule valoa, on erittäin harvinaista, ja silloinkin se on yleensä vioittunut jonkin ulkopuolisen voiman vaikutuksesta.

Ledien syttymis- ja sammumisajat ovat kymmenien nanosekuntien pituisia, joten niillä voidaan helposti lähettää tietoa moduloimalla valoa. Näin tehdään esimerkiksi infrapunakaukosäätimissä. Pienitehoisten ledien valmistaminen on halpaa, koska raaka-aineena on lähinnä muovia ja puolijohteita.^[1]

Ledit soveltuvat hyvin akkukäyttöisiin sovelluksiin.

[muokkaa] Ledien huonot puolet

Tämä artikkeli on tuotu vieraskielisestä lähteestä ja käännös on keskeneräinen. Voit auttaa Wikipediaa tekemällä käännöksen loppuun. Tarkennus: viitemallineet

Pienteholedien valoteho ei ole kovin suuri, minkä vuoksi niitä käytetäänkin yleensä vain käsivalaisimissa. Saatavilla on kuitenkin jo suuritehoisia ledejä, joissa valoteho yltää jopa yli 600 lumeniin^[1] (27 watin LED). Valaistukseen sopivien ledien hinnat ovat laskeneet voimakkaasti viime aikoina. Loppuasiakastuotteet ovat toistaiseksi kuitenkin hintavia, koska LED-valaisimia pidetään niin sanotusti high-end-tuotteina, jolloin voidaan pyytää korkeampaa hintaa.^lähde?

Ledin spektrikäyrä ei ole tasainen, vaan sisältää suuria voimakkuus eroja. Tästä syystä valkoisen ledin valo saattaa suuresti vääristää yksittäisiä värejä, huolimatta kohtalaisen korkeasta värintoistoindeksistä.

Eri ledien luotettavuudessa ja eliniässä on valtavia eroja, jotka saattavat johtaa kuluttajia harhaan. Esimerkiksi valkoisen 5 mm ledin käyttöikä (valotehosta 70 prosenttia jäljellä) vaihtelee tyypillisesti välillä 1 000 – 10 000 tuntia ja teholedeillä välillä 10 000 – 100 000 tuntia.^lähde?

Pienet ledit eivät yleensä kestä korkeita lämpötiloja (yli 80 °C) eivätkä kosteutta. Perinteiset pienet ledit eivät siis kestä esimerkiksi saunassa korkean lämpötilan takia, ellei niitä ole suunniteltu huolellisesti.^[1] Siksi useita led-valoja ei suositella yli 45 °C:n lämpötiloihin, mikä merkitsee tavanomaisessa saunassa alle metrin korkeutta.

Nykyiset teholedit kestävät jo yli 85 °C:n lämpötiloja.^lähde? Ledien muihin valonlähteisiin verrattuna huono lämmönkesto on haaste valaistuskäytössä, ja huono valaisinsuunnittelu johtaa helposti lyhentyneeseen käyttöikään.

Ledit vaativat yleensä pieniä lisätoimenpiteitä asennettaessa, ainakin hehkulamppuun verrattuna. Käyttöjännite on laskettava sopivaksi ja ledille menevä virta rajoitettava esimerkiksi sarjavastuksella. Led vaatii tasajännitettä toimiakseen. Parhaan hyötysuhteen valaisimet tarvitsevat ohjauselektroniikkaa, kuten hakkurityyppisen vakiovirtalähteen.

Ledit voivat myös hajota ESD-purkauksesta (engl. Electro static discharge). Nykyisin teholedeissä on sisään rakennettu ESD-suojaus, joka kestää 8 kV johtuvan ja 15 kV ilma ESD-pulssin (saman kuin esimerkiksi matkapuhelin laitteena kestää).^lähde? Suuritehoiset ledit tarvitsevat melko tehokkaan jäähdytyksen.

[muokkaa] Historia

Ensimmäisen valoa lähettävän diodin valmisti Marconin laboratorioissa työskennellyt brittiläinen kokeilija H. J. Round vuonna 1907.^[6] Hänestä riippumatta venäläinen Oleg Vladimirovich Losev teki saman keksinnön 1920-luvulla. Vaikka siitä kerrottiin venäläisissä, saksalaisissa ja brittiläisissä tieteellisissä aikakausikirjoissa,^[7][8] keksintö ei vielä tullut kovin tunnetuksi eikä sitä vuosikymmeniin käytetty hyväksi mihinkään tarkoitukseen. Vuonna 1955 Radio Corporation of Americassa työskennellyt Rubin Braunstein havaitsi, että eräät puolijohdeaineet lähettävät infrapunasäteilyä.^[9] Sitä lähettivät hänen tutkimustulostensa mukaan galliumarsenidista (GaAs) galliumantimonidista (GaSb), indiumfosfodista tai piin ja germaniumin seoksesta valmistetut puolijohdekomponentit, jotkin niistä huoneenlämmössäkin, toiset alhaisissa lämpötiloissa (77 K). Saman havainnon tekivät galliumarsenidin osalta vuonna 1961 Texas Instruments'issa työskennelleet kokeilijat Bob Biard ja Gary Pittman^[10] Vaikka Braunstein oli tehnyt keksinnön aikaisemmin, Briard ja Pittman voittivat prioriteettikiistan ja patentti keksinnöstä myönnettiin heille.

Ensimmäisen käyttökelpoisen näkyvää valoa lähettävän, punaisen LEDin kehitti vuonna 1962 General Electricissä työskennellyt Nick Holonyak, joka myöhemmin siirtyi Illinoisin yliopistoon.^[11] Holonyakia pidetäänkin "valoa emittoivan diodin isänä."^[12] Holonyakin oppilaana yliopistossa opiskellut George Craford keksi vuonna 1972 ensimmäisen keltaisen LEDin sekä kymmenen kertaa entistä kirkkaammat punaiset ja punaoranssiset LEDit^[13]

Shuji Nakamura japanilaisessa Nichia Corporationissa valmisti ensimmäisen entisiä huomattavasti kirkkaamman sinisen LEDin. Sen materiaalina oli indium-galliumnitridi (InGaN). Jo sitä ennen oli galliumnitridista (GaN) valmistettu kirkkaita LEDejä. Vuonna 1995 Alberto Barbieri Cardiffin yliopiston laboratioriossa (GB) tutki kirkkaiden LEDien tehokkuus- ja luotettavuusominaisuuksia ja osoitti, että erityisen hyvä tulos saadaan, jos indium-tinaoksidi (InSnO) kytketään yhteen galliumarsenidin kanssa. Kun siniset ja erityisen tehokkaat LEDit oli keksitty, Nakamura sai pian kehitetyksi myös ensimmäisen valkoisen LEDin keksimiseen, johon käytettiin yttrium-alumiinioksidin ja ceriumin seosta Y₃Al₅O₁₂:Ce, "YAG". Fosforipitoisella päällysteellä saatiin sinisen valon väri muuttumaan niin, että se näyttää valkoiselta. Tästä Nakamuralle myönnettiin vuonna 2006 Millennium-teknologiapalkinto.

LEDien tehokkuus ja valovoima on 1960-luvulta saakka kasvanut likipitäen eksponentiaalisesti ja kaksinkertaistunut aina noin 36 kuukaudessa. Tämä muistuttaa tietotekniikan alalla havaittua Mooren lakia ja kehityksestä onkin käytetty nimitystä Haitzin laki, tohtori Roland Haitzin mukaan. LEDien kehitys johtuu suurelta osaltaan puolijohteiden muiden sovellusten sekä optiikan ja materiaalitieteiden kehityksestä.

[muokkaa] Ensimmäiset käyttötarkoitukset

LEDien ensimmäisiä kaupallisia käyttötarkoituksia olivat erilaisten laitteiden merkkivalot. Ensin niitä käytettiin kalliissa laboratoriolaitteissa ja elektronisissa tutkimusvälineissä kuten oskilloskoopeissa, mutta jo 1970-luvulla myös televisioissa, radioissa, puhelimissa, laskimissa ja sittemmin kelloissakin. Esimerkiksi laskinten näyttötauluissa numerot on usein muodostettu ledeistä, joskin niiden asemesta alettiin myöhemmin käyttää myös nestekidenäyttöä. Tällaisissa sovelluksissa käytettiin yleensä punaisia LEDejä, joiden valovoima riitti vain merkkivaloihin, mutta ei huoneen valaistukseen. Myöhemmin näissä laitteissa alettiin yleisesti käyttää myös muunvärisiä LEDejä. Vasta 1990-luvulla uusien LEDien valovoima oli kehittynyt niin kirkkaaksi, että niitä voitiin käyttää myös valaisimina.

[muokkaa] Lähteet

[muokkaa] Katso myös

• OLED

[muokkaa] Aiheesta muualla

Tätä artikkelia tai sen osaa on pyydetty parannettavaksi, koska se ei täytä laatuvaatimuksia. Voit auttaa Wikipediaa parantamalla artikkelia. Lisää tietoa saattaa olla keskustelusivulla. Tarkennus: mainokset pois

• Limic Oy: tekniikkaa ja FAQ
• Lumileds: edut (englanniksi)
• Helsingin kaupunki: käyttö liikennevaloissa
• Proled: Ledien edut
• Savled OY: Suomalaista LED valaistusta ja LED sovellutuksia
• Candeo Effect: Uniikkeja design LED valaisimia sisä- ja ulkovalaistukseen
• Pukinkontti: LED-valaisimien maahantuonti