LED

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Tämä artikkeli käsittelee elektroniikan komponenttia. LED on myös sairaus.
Erilaisia ledejä

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, LED-näytöissä, 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.

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ensimmäisen valoa lähettävän diodin valmisti Marconin laboratorioissa työskennellyt brittiläinen kokeilija H. J. Round vuonna 1907.[3] Hänestä riippumatta venäläinen Oleg Vladimirovich Losev teki saman keksinnön 1920-luvulla. Vaikka siitä kerrottiin venäläisissä, saksalaisissa ja brittiläisissä tieteellisissä aikakauskirjoissa,[4][5] 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.[6] 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[7] 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 Illinois'n yliopistoon.[8] Holonyakia pidetäänkin "valoa emittoivan diodin isänä."[9] Holonyakin oppilaana yliopistossa opiskellut George Craford keksi vuonna 1972 ensimmäisen keltaisen LEDin sekä kymmenen kertaa entistä kirkkaammat punaiset ja punaoranssiset LEDit[10]

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, 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.

Ensimmäiset käyttötarkoitukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Poliisiauto, jonka hälytysvaloissa käytetään LED-teknologiaa.

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 asemasta 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.

Ledien ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ledien käyttö elektroniikassa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ledin symboli

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).

Värit ja materiaalit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 Galliumarseeni (GaAs)
Alumiinigalliumarseeni (AlGaAs)
Punainen 610 < λ < 760 1,63 < ΔV < 2,03 Alumiinigalliumarseeni (AlGaAs)
Galliumarseenifosfaatti (GaAsP)
Alumiinigalliumindiumfosfaatti (AlGaInP)
Gallium(III)fosfaatti (GaP)
Oranssi 590 < λ < 610 2,03 < ΔV < 2,10 Galliumarseenifosfaatti (GaAsP)
Alumiinigalliumindiumfosfaatti (AlGaInP)
Gallium(III)fosfaatti (GaP)
Keltainen 570 < λ < 590 2,10 < ΔV < 2,18 Galliumarseenifosfaatti (GaAsP)
Alumiinigalliumindiumfosfaatti (AlGaInP)
Gallium(III)fosfaatti (GaP)
Vihreä 500 < λ < 570 2,18 < ΔV < 4,0 Indiumgalliumnitridi (InGaN) / Gallium(III)nitridi (GaN)
Gallium(III)fosfaatti (GaP)
Alumiinigalliumindiumfosfaatti (AlGaInP)
Alumiinigalliumfosfaatti (AlGaP)
Sininen 450 < λ < 500 2,48 < ΔV < 3,7 Sinkkiseleeni (ZnSe)
Indiumgalliumnitridi (InGaN)
Piikarbidi (SiC) substraattina
Pii (Si) — (kehitteillä)
Violetti 400 < λ < 450 2,76 < ΔV < 4,0 Indiumgalliumnitridi (InGaN)
Purppura monta eri tyyppiä 2,48 < ΔV < 3,7 Tupla sini/puna -LED,
sininen punaisella fosforipäällysteellä,
valkoinen LED purppuramuovilla
Ultravioletti λ < 400 3,1 < ΔV < 4,4 timantti (C)
Alumiininitridi (AlN)
Alumiinigalliumnitridi (AlGaN)
Alumiinigalliumindiumnitridi (AlGaInN) — (alle 210 nm[11])
Valkoinen laaja spektri ΔV = 3,5 Sini/UV-diodi keltaisella fosforipäällysteellä  

LED sarjavastuksella[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 Ostarinselvennä 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.

Ledien edut[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sininen LED

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 huoltoa tarvitemattomiksi ja niiden vaihtoväli on tyypillisesti yli 10 000 tuntia[1] ja nykyään jopa 100 000 tuntia[1]. 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. Nykyisin LED-valoja on saatavilla lähes kaikilla tyypillisillä valaisinkannoilla. [12]

Ledien huonot puolet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ledinäyttö
Erikokoisia ledejä verrattuna tulitikkuun

Pienteholedien valoteho ei ole kovin suuri, minkä vuoksi niitä käytetäänkin yleensä vain käsivalaisimissa. Saatavilla on kuitenkin jo suuritehoisia ledejä, joissa valoteho yltää jopa yli 1000 luumeniin[1] (27 watin LED). LED-valaisimien valotehokkuus on noin 75 luumenia wattia kohti[13]. Valaistukseen sopivien ledien hinnat ovat laskeneet voimakkaasti viime aikoina.

Ledin spektrikäyrä ei ole tasainen vaan sisältää suuria voimakkuuseroja. 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 – 50 000 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 rikkoutua ESD-purkauksesta. 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 jäähdytyksen.

Led ei hehkulampusta ja loisteputkesta poiketen varastoi käytännössä ollenkaan valoenergiaa, joten laitteissa joissa ledin kirkkaudensäätö toteutetaan pulssitaajuusmodulaatiolla, saattaa nopeasti vilkkuva valo aiheuttaa silmäkipua tai päänsärkyä (esim. LCD-näytöt tai jotkin huonevalaistuksessa käytettävät lamput). Terveysongelmat voidaan yleensä kuitenkin välttää mikäli tehonsäätö tuotetaan korkeataajuuksisella kantoaallolla (esim. 20 kHz) tai käytetään kokonaan muunlaista tehonsäätöratkaisua.

Ledien käyttömahdollisuuksia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ajoneuvovalaistus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Hälytysajoneuvojen uudet vilkkuvalot toteutetaan yhä useammin ledeillä, samoin liikennevalot. Jopa uusien autojen etuajovaloja valmistetaan LED-tekniikalla[14]. Taka- ja sivuvaloissa LED-tekniikkaa on käytetty jo yli kymmenen vuotta. Haittapuolena on, että talvikäytössä LED-valojen kehittämä lämpö ei välttämättä riitä sulattamaan valojen päälle kertynyttä lunta ja voi aiheuttaa vaaratilanteita.

Sisävalaistus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

38 ledin lamppu

Yleisvalaistuksen lisäksi ledejä käytetään mm. merkkivaloissa, valokylteissä, kohdevalaistuksena ja pienissä valaisimissa. Monet julkisten tilojen jättinäytöt on toteutettu LED-tekniikalla.

Ulkovalaistus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 [15] ja Mikkelissä. Myös ulkoilmatapahtumissa käytetyt videoseinät on toteutettu LED-tekniikalla.

Kasvivalaistus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

LED - valaisimen kokonaistehosta 75 % kuluu muuhun, esim. lämmöksi. Loput n. 25 % muuttuu valoksi, jonka kasvi voi käyttää hyväkseen lähes 100 prosenttisesti (fotosynteettisesti aktiivinen säteily, PAR: 400-700 nm).[16][17]

Tiedonsiirto optisesti[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yhden LEDin valo kohdistettuna kapeaksi säteeksi halvalla 13 cm suurennuslasin linssillä muodostaa RONJA-säteen, joka voi lähettää DVD-tasoista (10 megabittiä sekunnissa) videota 1,4 kilometrin päähän.


LED:ien avulla tapahtuvassa optisessa datansiirrossa vapaassa tilassa näkyvän valon tai lähi-infrapunavalon katkomisella voidaan saavuttaa 10 megabitin sekuntinopeus jopa kilometrien päähän, esimerkiksi RONJA tiedonsiirtostandardin avulla. Tämän kaltaiseen käyttöön tarkoitetuilta LEDeiltä halutaan suurta kirkkautta pinta-alaan tai tilavuuteen nähden, hyötysuhteen kustannuksella, jotta valo saadaan lähtemään mahdollisimman läheltä niin sanottua polttopistettä ja polttotasoa, ja säde siten saadaan fokusoitua mahdollisimman kapeaksi eli kulmaläpimitaltaan pieneksi.

Esimerkiksi Siemens on kehitellyt LED-järjestelmiä, jotka toimivat yhtä aikaa valaisimena ja datan lähettimenä 1-50 metrin säteellä eli vastaavassa tehtävässä kuin wlan. Siinä käytetään dataa siirtävää valoa normaalisti valaisemiseen, eikä bittien moduloinnista johtuvaa valon katkonaisuutta huomaa koska välkkyminen tapahtuu miljoonia kertoja sekunnissa. Yksi nimitys tällaiselle järjestelmälle on Li-Fi.

Yleisin optinen tiedonsiirtotapa vapaassa tilassa on IrDA, jossa tiedonsiirtoon käytetään infrapunataajuksisia ledejä.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c d e f g Pauli Reinikainen: Led mullistaa valaistuksen. Energia virtaa, Vantaan Energia Oy:n asiakaslehti 4/2006
  2. The Millennium Technology Prize Millennium-palkintosäätiö. Viitattu 30. huhtikuuta 2007.
  3. H. J. Round (1907). "A Note on Carborundum". Electrical World 19: 309. 
  4. Zheludev, N. (2007). "The life and times of the LED — a 100-year history" (PDF). Nature Photonics 1 (4): 189–192. 
  5. Margolin J: The Road to the Transistor
  6. Braunstein, Rubin (1955). ""Radiative Transitions in Semiconductors"". Physical Review 99: 1892-3. 
  7. The first LEDs were infrared (invisible) The Quartz Watch. The Lemelson Center. Viitattu 2007-08-13.
  8. Nick Holonyak, Jr. 2004 Lemelson-MIT Prize Winner Lemenson-MIT Program. Viitattu 2007-08-13.
  9. Wolinsky, Howard. "U. of I.'s Holonyak out to take some of Edison's luster", Chicago Sun-Times, 5. helmikuuta 2005. Luettu 2007-07-29. 
  10. Brief Biography – Holonyak, Craford, Dupuis (PDF) Technology Administration. Viitattu 2007-05-30.
  11. "LEDs move into the ultraviolet", physicsworld.com, 17.05.2006. Luettu 2007-08-13. 
  12. Sahkobit.fi: Alessi Sahkobit.fi. Viitattu 14.4.2014.
  13. Valonlähteiden vertailua, STEK
  14. Ensimmäiset LED-ajovalot autoihin.
  15. http://www.osram.fi/osram_fi/News/mecca895870.jsp
  16. lumilab,fi LED-teknologia
  17. gis.joensuu.fi, KASVUTEKIJAT_JA_ALLOKAATIO.doc

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta LED.
Verschiedene LEDs.jpg