Lysdiod (Light Emitting Diode, LED) är en diod som utstrålar inkoherent monokromatiskt ljus vid en elektriskt framåtriktad spänning. Lysdioden uppfanns av ryssen Oleg Vladimirovitj Losev i mitten av 1920-talet. Den första lysdioden med synligt ljusspektrum utvecklades 1962. Idag finns lysdioder i många olika färger, från infrarött över de synliga färgerna till ultraviolett, samt numera även kallvitt och varmvitt.
Lysdioden är en speciell typ av halvledardiod. Ljuseffekten är en form av elektroluminiscens. Färgen beror på halvledarmaterialen som används, och kan vara inom såväl det ultravioletta som det synliga eller infraröda spektrumet.
Likt en normal diod, består den av ett stycke halvledarmaterial dopat med orenheter för att skapa en struktur kallad PN-övergång. Laddningsbärare (elektroner och hål) som rekombinerar vid PN-övergången frigör energi i form av fotoner. Ljusets våglängd och därmed ljusets färg beror på storleken av halvledarmaterialets bandgap. En normal diod, i allmänhet gjord av kisel eller germanium, utstrålar inget ljus, eftersom dessa material har indirekta bandgap. Material som används för lysdioder måste ha direkt bandgap, med en storlek som korresponderar med fotonenergier för nära-infrarött, synligt eller nära-ultraviolett ljus.
Till skillnad från glödlampor, som kan använda likström eller växelström så kräver lysdioder likström med rätt polaritet. När spänningen genom PN-övergången är i rätt riktning, flyter en betydande ström genom dioden. Strömmen säges då vara framåtriktad. Spänningen över lysdioden är i detta tillfälle stabil för en given lysdiod och proportionell mot energin av de utstrålade fotonerna. Om spänningen har fel polaritet så är den bakåtriktad, mycket lite ström flyter, och inget ljus avges.
Den vanligaste typen av lysdiod har varit en hålmonterad med fem millimeter i diameter. De numera vanligaste är ytmonterade i mängder av kapslingar. Eftersom lysdioder är känsliga för överhettning har mycket arbete lagts ned för att få fram kapslingar med god kylning. Verkningsgraden för lysdioder är som bäst ca 25% på blått och 16-17% på vitt, vilket är i klass med urladdningslampor eller i vissa fall t.o.m. bättre.
Konventionella lysdioder är gjort av oorganiska mineral som ger följande ljus:
Vita lysdioder kan åstadkommas genom att bygga in UV-strålande dioder i fluorescerande material. Ett annat sätt är att blanda blått, grönt och rött ljus. Det mest effektiva är dock att använda sig av ett blått chip och sedan lägga in fosforoxid i kislet runt omkring dioden. Ur en sådan lysdiod kommer det jämnaste vita ljuset. Genom att fosforen konverterar det osynliga ljuset utanför ögats synspektrum till synligt ljus får man ut ca 4-5 gånger så mycket ljus som från en blå lysdiod. Vita lysdioder använder sig vanligtvis av InGaN/SiC chip. Runt omkring det vita ljuset finns dock det en mängd patent vilket gör att det endast finns en 5-6 st producenter som kan leverera utan patentintrång.
Den senaste innovationen i lysdiodteknologin är en enhet som kan avge ultraviolett ljus. När ultraviolett ljus belyser vissa material, kommer dessa material avge synligt ljus. Ultravioletta och blå lysdioder är relativt dyra jämfört med vanliga röda, gröna, gula och infraröda, och används därför mindre i kommersiella tillämpningar.
Power-LED är högpresterande lysdioder för största möjliga ljusutbyte. Under en lång period har det pratats om Power-LED:er som hanterar större strömmar. Dessa ska kunna ersätta både halogen- och liknande lampor. Anledningen är de har större inbyggda chip anpassade för 0,35 A (1 W) som standard men finns ända upp till 100 W.
Genom sin struktur och uppbyggnad kommer dessa lysdioder att kunna ersätta olika former av LED-kluster, bakgrundsbelysningar och halogenlampor. Typiska tillämpningar är LED- och LCD-displayer, LCD-TV (platt TV), inredningsbelysning i fordon, kontors- och köksarmaturer eller annan tuff miljö. Ett utmärkt exempel är alla blinkljus, backljus och bromsljus på en bil. Bilägaren kommer aldrig att behöva byta ut lampor under bilens livslängd.
Det är strömmen genom lysdioden som bestämmer dess ljusstyrka, inte spänningen. Framspänningen (Uf) över en lysdiod varierar mellan ca 1,9 V (röda) till ca 3,6 V (blåa), och brukar vanligen definieras vid 20 mA ström i framriktningen (If). Om den maximala strömmen i framriktningen (If max) överskrids förstörs dioden. Därför skall man i princip i alla tillämpningar ha ett strömbegränsningsmotstånd kopplat i serie med lysdioden.
Ett enkelt exempel på hur man beräknar resistansen på ett seriemotstånd:
Ett vanligt sätt att spara energi för lysdioder är att pulsbreddsmodulera (PWM) dessa med en så hög frekvens att det mänskliga ögat inte kan uppfatta blinkningarna/flimret. Ett exempel, om en lysdiod pulsbreddsmoduleras med 70 % över tiden kommer medelströmmen att sjunka till 70 % av den normala, vilket ger en 30 % sänkning i effekt vilket kan ha en stor påverkan om man har t.ex. problem med värmeutveckling. En positiv sidoeffekt av detta är att många lysdioder lyser starkare vid denna inkoppling.
Det finns två typer av lysdiodpaneler: konventionella som använder enskilda lysdioder och SMD (Surface Mount Device) -paneler. De vanligaste utomhusskärmarna och några inomhusskärmar är byggda av lysdioder på ett sätt som är känt som individuellt monterade lysdioder. Ett kluster av röda, gröna och blå dioder formar en full-färgpixel, vanligen av fyrkantig form. Dessa pixlar placeras med jämna avstånd och mäts från center till center för en absolut pixel-upplösning.
Flertalet inomhusskärmar på marknaden är byggda med SMD-teknologin – en trend som nu utvidgas till utomhusmarknaden. En SMD-pixel består av röda, gröna och blå dioder monterat på ett kretskort som i sig är monterat på ett datorkort. Lysdioderna är mindre än ett stift och är placerade väldigt nära varandra. Skillnaden är att det minimala synavstånd har minskat med 25 % från konventionella lysdiodskärmar med samma upplösning.
Inomhusbruk kräver normalt en skärm baserad på SMD-teknologi och har som minimum en ljusstyrka på 600 nits (en standardenhet för luminans – candela per kvadratmeter). Detta är vanligtvis mer än tillräckligt för produkter för företag och detaljhandel, men för bruk vid hög ljusstyrka krävs mer kraft. Mode- och bilutställningar är två exempel på områden som kräver högre ljusstyrkor för lysdioder. Omvänt, när skärmen används i en teveshow, behöver man ofta lägre ljusstyrka och sänkt färgtemperatur.
För utomhusbruk behövs minst 2 000 nits för flertalet situationer, men högre ljusstyrka upp till 5 000 nits klarar situationer med direkt solljus på skärmen. Fram till idag har bara diskreta diodskärmar uppnått den nivån på ljusstyrkan.
För speciella projekt behöver man beakta faktorer som siktlinjer, myndighetsplanering (om installationen skall vara halv-permanenta), bruk av fordon (transportvagnar för skärmar, vagnmonterade skärmar eller lyftkranar), kablar för kraft och video (räkna med avstånd för hälsa och säkerhet), lämplighet för monteringsplatser av skärmen (kolla att det inte finns några rör, svaga avlopp, hålor eller tunnlar som inte klarar tung last), och lufthinder.
Världens största fullfärgs lysdiodsdisplay finns vid Third Ring Road in Beijing’s Chaoyang District i Kina. Det är en 758 kvadratmeter stor display.
Avancerade optiska kommunikationsutrustningar, elektronik och vitvaror är vanliga användningsområden. Andra tillämpningar är:
Glödlampor i trafiksignaler och övergångar för fotgängare byts gradvis ut mot kluster av lysdioder. Stockholm är den första stad i världen som har infört lysdiodstekniken i (nästan) alla trafiksignaler och fotgängarsignaler samt vita lysdioder i kollektivtrafiksignalerna. Den första staden i USA som bytt ut glödlamporna i samtliga gatlyktor till energisnåla lysdioder är Ann Arbor, Michigan. Staden deltar i Led City, en satsning för att spara energi med hjälp av lysdioder. Med i projektet är även staden Raleigh i North Carolina och Toronto i Kanada.
Ljussystem som använder glödlampor är billiga att köpa men ineffektiva och ger från omkring 8-10 lumen per watt för en vanlig glödlampa med volframtråd och upp till 22 lumen per watt för en halogenlampa. Fluorescerande lysrör är mer effektiva, från 50-100 lumen per watt för hushållslysrör. Lysrören ger också bra värmeekonomi, men nackdelarna är att de är sköra, tar mycket plats och kräver startkretsar. Lysdioder är i jämförelse mer robusta, de ger medelbra effektivitet, upp till 100 lumen per watt, men är fortfarande ganska dyra.