Törmäämme lähes päivittäin sanaan LED. Mikä on LED? Englanniksi LED on lyhenne sanoista Light Emitting Diode, joka voidaan kääntää ”valoa tuottava diodi”. LED on yksi diodin muoto, joka on kehitetty tuottamaan valoa.
Useimmiten näet nämä kolme kirjainta, kun olet ostamassa televisiota tai uutta puhelinta. Nykyään kaikki näyttöpäätteet on varustettu LED taustavalolla ja led valot valaisevat kotimme.
Ledien periaate syntyi jo vuonna 1907. Olemme kirjottaneet aiheesta artikkelin:
”Elektroluminesenssin, LEDien taustalla olevan periaatteen, löysi ensimmäisen kerran Henry Joseph Round vuonna 1907. Mutta vasta vuonna 1962 insinööri Nick Holonyak käytti tiedettä luodakseen näkyvää valoa tuottavia LEDejä sellaisina kuin me ne tunnemme.. ” – Ledien historia, lyhyt oppimäärä
Miten LED valo toimii?
LED toimii kuten PN-diodi. P=Positive (+) ja N=Negative (-). Se toimii samalla periaatteella, eli se kuljettaa virtaa vain yhteen suuntaan ja eikä virta pääse toiseen suuntaan. Miksi tätä tarvitaan? Jos elektronit liikkuvat yhteen suuntaan, ne muodostavat virran, josta tulee valon lähde reaktiossa.
Jotta LED toimisi, siihen syötetään virtaa. Eli P-napaan syötetään jännite. Kun P puolen reiät kohtaavat N puolen elektronit diodin risteyksessä, vapautuu energiaa ja nämä fotonit tuottavat valoa.
Miten LED eroaa perinteisestä diodista?
Nyt lisää LEDistä, eli mikä LED on, ja miten se eroaa PN-Diodista? Ei hirveästi. Sisällä on seostettu puolijohde. Emissiospektri (valon väri) riippuu seostusasteesta ja materiaalista, josta puolijohde on valmistettu.
Suurin ero on tietysti juuri suunnittelussa. Joten perinteisessä LEDissä on erityinen puolipallomainen suoja (koskee kaikki a led tyyppejä), joka suojaa sitä iskuilta ja muilta ulkopuolelta tulevilta mekaanisilta vaikutuksilta. On tutkimuksissa havaittu, että juuri P puoli on se, josta vapautuu valoa, joten led piireissä P puoli on niin pinnalla kuin mahdollista ja niin ohut kuin mahdollista, jotta valo olisi mahdollisimman näkyvä.
Tästä syystä LED piirin päällä oleva runko on valmistettu usein epoksihartsista tai muusta läpinäkyvästä materiaalista, jonka avulla voidaan ohjata fotoneja haluttuun suuntaan.
Miksi LED tarvitsee etuvastuksen?
Jotta LED palaa sopivalla jännitteellä täytyy sille asentaa useimmiten etuvastus. LEDin tarvitsema nimellisvirta voi olla mitä vain 20 mA-5 A, riippuen LEDin tehosta.
Sopiva etuvastus lasketaan seuraavasti: jännite – LEDin tarvitsema jännite = etuvastuksen jännite
Etuvastuksen arvo (OHMI) taas saadaan jakamalla saatu jännite (V) LEDin vaatimalla virralla (mA).
Esimerkiksi jos käytössä on 24V jännite ja halutaan asentaa 19V kynnysjännitteen COB LED jonka virran tarve on 350 mA, suoritetaan seuraavanlainen lasku:
Jäännösjännite = 24 V – 19 V = 5 V
Etuvastus = 5 V / 350 mA = 5 V / 0,014 A = 357 Ohmia
Tarvitaan 357 Ohmin etuvastus
Mitkä ovat LED-valon edut?
Yksi LEDien tärkeimmistä ominaisuuksista on niiden korkea hyötysuhde. Tosiasia on, että perinteinen hehkulamppu lähettää paljon lämpöä käytön aikana, mutta LED päinvastoin pysyy suhteellisen viileänä. Kaikki tämä johtuu siitä, että se tuottaa suurimman osan valosta ihmisille näkyvässä spektrissä eikä tuhlaa energiaa tarpeettomiin aallonpituuksiin. Hehkulampun hyötysuhde on vain 5 %, kun led lampun hyötysuhde voi olla 90 %. Lisäksi LED piirit ovat kooltaan paljon pienempiä, joten ne voidaan sijoittaa lähes minne tahansa.
Mitä värejä LED voi tuottaa?
Valon värin säätämiseksi ja sen voimakkuuden säätämiseksi on valittava sopiva puolijohdemateriaali. Puolijohde, jota käytetään sekoitteessa on ratkaiseva tekijä, sillä sen reaktio elektrodien kanssa vaikuttaa valon väriin. LEDit eivät kuitenkaan välttämättä lähetä kaikkia värejä, ja on mahdollista saavuttaa tarkka spektri.
Yleisimmät värit ovat punainen, keltainen, vihreä ja oranssi. Tämä johtuu siitä, että niitä on helpompi valmistaa, ja vastaavasti ne ovat monta kertaa halvempia kuin 1990 luvulla ilmestyneet sinivalkoiset ledit.
Alla olevasta taulukosta näet puolijohdemateriaalit, joita käytetään tietyn valon värin saavuttamiseksi:
| Aallonpituus (NM) | Väri | VF @ 20MA | Materiaali |
| < 400 | Ultravioletti | 3.1 – 4.4 | Aluminium nitride (AlN) |
| Aluminium gallium nitride (AlGaN) | |||
| Aluminium gallium indium nitride (AlGaInN) | |||
| 400 – 450 | Violetti | 2.8 – 4.0 | Indium gallium nitride (InGaN) |
| 450 – 500 | Sininen | 2.5 – 3.7 | Indium gallium nitride (InGaN) |
| Silicon carbide (SiC) | |||
| 500 – 570 | Vihreä | 1.9 – 4.0 | Gallium phosphide (GaP) |
| Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) | |||
| Aluminium gallium phosphide (AlGaP) | |||
| 570 – 590 | Keltainen | 2.1 – 2.2 | Gallium arsenide phosphide (GaAsP) |
| Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) | |||
| Gallium phosphide (GaP) | |||
| 590 – 610 | Oranssi | 2.0 – 2.1 | Gallium arsenide phosphide (GaAsP) |
| Aluminium gallium indium phosphide (AlGaUInP) | |||
| Gallium phosphide (GaP) | |||
| 610 – 760 | Punainen | 1.6 – 2.0 | Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) |
| Gallium arsenide phosphide (GaAsP) | |||
| Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) | |||
| Gallium phosphide (GaP) | |||
| > 760 | Infrapuna | < 1.9 | Gallium arsenide (GaAs) |
| Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) |
Taulukosta näemme, että sama puolijohdemateriaali käy usealle eri värille ja valmistaja päättää mitä materiaalia kulloinkin käytetään. Ratkaiseva tekijä on saatavuus ja hinta, jotka vaihtelevat.
Miten LED on rakennettu?
Nyt kun tiedämme, miten LED toimii, puhutaanpa hieman enemmän sen toiminnasta osissa. Jokainen LED koostuu seuraavista osista:
- katodi
- anodi
- puolijohdepiiri
- heijastin
- diffuusori
Jokainen näistä osista on tärkeä LED valon toiminnan kannalta. Tärkeimmät osat LEDin sisällä ovat katodi ja anodi. Mitä nämä osat tekevät LEDissä?
Elektronit menevät katodilta(-) anodille(+), kun laitteeseen syötetään jännite. Tämän seurauksena elektronit kohtaavat PN-liitoksessa ja vievät siellä vapaita paikkoja (reikiä). Tämän seurauksena elektronit siirtyvät uudelle energiatasolle ja fotoneja vapautuu. Kuten aiemmin totesin, fotonit suunnataan ylöspäin heijastimen ja diffuusorin avulla (esimerkiksi epoksihartsi).
Miten eri LED tekniikat eroavat toisistaan?
Jos puhumme LED-valojen päätyypeistä, ne ovat tietysti yleisvalaistuksen LED valot ja merkinanto led valot, joita käytetään yleensä elektroniikkalaitteissa.
LEDit voidaan erotella myös eri tekniikoihin valmistustavan mukaan:
DIP-LED
Ensimmäinen kaupallinen LED tyyppi. Nämä ovat melko yksinkertaisia ja ei kovin tehokkaita merkkivaloja. Mutta ne ovat melko halpoja. Niissä on sylinterimäinen linssi, koko on yleensä melko suuri verrattuna itse LED piiriin.
SMD LED
SMD-LEDit keksittiin DIP LEDien jälkeen. Perinteiset led valojen ledit asennetaan pintaan ja siihen SMD tarjosi ratkaisun. Ne ovat paljon litteämpiä ja niitä käytetään vain pinta-asennukseen. Asennus tapahtuu aina lämpöä johtavaa materiaalia vasten. SMD on yleisin valaistuksessa käytettävä LED muoto (v. 2023) eikä SMD kehitys ole vielä lähelläkään loppua.
COB LED
Nyt uusimmat led valot sisältävät LED piirin COB (Chip On Board) tekniikalla. Nimi kertoo suoraan, että LED, tai pikemminkin useita ledejä, on kiinnitetty suoraan pohjalevyyn. Ne ovat erittäin pieniä. Pienten mittojen lisäksi etuna on, että ne valaisevat erittäin tasaisesti ja ovat hyvin suojattuja hapettumiselta fosfori kerroksella.
Näiden etujen ansiosta niitä alettiin käyttää mm. autoteollisuudessa ajovalojen luomiseen. Sittemmin ne ovat yleistyneet led alasvaloissa sekä led valonauhoissa.
FILAMENT LED
Toinen uusi tapa valmistaa led piirejä on filament (lanka). Kyseisellä LED piirillä valo saadaan leviämään joka suuntaan. Sen tärkein etu on ulkonäkö, sillä se näyttää hehkulangalta, kuten hehkulampuissa. Siksi filament LEDiä näkeekin lähinnä hehkulamppua korvaavissa LED polttimoissa.
Tässä vastasimme usein esitettyyn kysymykseen ”Mikä on LED?”
*1 Lähde: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d7/PnJunction-LED-E.svg/640px-PnJunction-LED-E.svg.png
*2 Lähde: https://www.electronics-notes.com/articles/electronic_components/diode/light-emitting-diode-led-technology-how-does-led-work.php
*3 Lähde: https://en.wikipedia.org/wiki/LED_circuit
Tässä myös muuta luettavaa blogistamme:
Lue myös meidän tuoteaiheiset Usein Kysytyt Kysymykset täältä: https://ledstore.fi/faq
LED tekniikasta led valoissa: Miksi LED valot ovat paras ratkaisu kodin valaistukseen
Lue väittämistä, jossa käsittelemme ledien vaarallisuutta: Mihin perustuu Ledien vaarallisuus
Lue lisää yleisiä kysymyksiä: Yleisimpiä kysymyksiä LEDistä
Olemme kirjoittaneet myös valon laadusta: Mitä värintoisto tarkoittaa?
