Lysdiode

En lysdiode, egentlig lysemitterende diode (LED), er en diode som utstråler lys under tilførsel av elektrisk strøm.

Strålingen fra en lysdiode er inkoherent smalbåndet og resulterer i et énfarvet lys, såkalt elektroluminescens. Den synlige eller usynlige farven er avhengig av halvledermaterialet i dioden og kan strekke seg fra infrarødt over rødt, orange, gult, grønt eller blått til ultrafiolett.

Den store fordelen med LED er at den er veldig energieffektiv i forhold til andre lyskilder, og den har veldig lang levetid.

Lysdioder brukes enkeltvis i elektriske kretser som statuslys og til mange andre formål. De brukes også til å lage lyspærer. Da setter man sammen mange lysdioder i en pære med en sokkel, slik at man har en LED-pære.

LED-pærer er veldig effektive sammenlignet med for eksempel glødepærer, som har vært veldig mye brukt i Norge. En glødepære avgir mye mer varme enn lys, hele 95 % av tilført energi blir til varme, mens bare 5 % blir til synlig lys. Til sammenligning kan en LED-pære gjøre om rundt 80 % av energien til lys. Resultatet er en lyskilde som kan bruke 10 til 15 ganger mindre strøm på å produsere samme mengde lys. Dette gjør den helt ideell til bærbare enheter som har begrenset med strømtilførsel, som mobiltelefoner, datamaskiner, lommelykter o.l. Dette gir også et stort potensial til å spare mye strøm i boliger og andre bygninger. En typisk LED-pære på 7 W kan fort tilsvare en tradisjonell glødepære på 60 W i lysstyrke, selv om dette også vil variere litt fra produsent til produsent. Siden LED-pærer er så effektive, slipper de også ut veldig lite varme, noe som gjør dem mindre brannfarlige.

Levetiden på en lysdiode er veldig mye lengre enn tradisjonelle lyskilder. Hvor lenge en lysdiode varer, kommer an på kvalitet og type, men typisk levetid er 15 000 til 30 000 timer, og noen kan til og med lyse så lenge som opp mot 100 000 timer eller mer. En vanlig glødepære lyser tilsvarende bare i ca. 1000 timer, og en halogenpære fra 2000 til 5000 timer. Det som skjer når en LED-pære nærmer seg enden av sin satte levealder er som oftest ikke at den dør og ikke lyser lenger, men heller at den vil lyse svakere. Så en LED kan leve langt over sin satte levetid, men med redusert lysstyrke. En annen fordel med LED er også at de er ganske robuste mot rystelser og tåler godt ytre påkjenninger, siden de ikke har noen glødetråder som kan bli ødelagt. Dette gjør dem også ideelle for bruk i for eksempel bil.

LED har lenge hatt et problem med fargegjengivelsen for å skape et behaglig lys og riktige farger. Dette problemet er i dag nesten forsvunnet, da teknologien i LED har blitt veldig bra, men det er fortsatt en liten utfordring å skape helt korrekte fargegjengivelser. Typisk for LED er at de lyser veldig skarpt hvitt, noe som gjør at de passer veldig bra til å lyse opp butikker og andre ting som skal lyses veldig godt opp. Når det gjelder å bruke LED i hjem så har det på grunn av lysfargen vært litt motvilje mot å investere i LED fordi vi er vant med glødepærer som lyser varm hvit og litt gulaktig lys som gir en mer koselig stemning. Nyere LED-pærer kan dimmes trinnfritt og kan leveres med et varmere lys.

Lysdioden fungerer typisk fra 1.8 V til 3.5 V. Hvor høy spenning den skal ha bestemmes ut ifra hvilken farge den har som er oppgitt i databladet. Hvis man setter på en for stor strøm så vil lysdioden brenne ut og bli ødelagt, for å forhindre dette bruker man en strømbegrensende motstand som setter strømmen igjennom lysdioden til ønsket verdi og passer på at spenningen er riktig.

For å få de riktige verdiene må vi først se på databladet til lysdioden for å se hva spesifikasjonene er for så å regne ut hvor stor motstand vi trenger. Denne motstanden blir satt i serie med lysdioden.

Formelen vi bruker for å regne ut strømbegrensende motstand:

${\displaystyle R=(Vs-Vd)/Id}$

• Vs er tilført spenning.
• Vd er lysdiodens spenningsfall, dette finner man ved å se på databladet til lysdioden. For en rød lysdiode vil denne være omtrent 2V.
• Id er ønsket strøm igjennom lysdioden, og må være mindre enn lysdioden tåler før den blir utbrent (typisk Id < 30 mA).

Vi ser her på hvordan vi ville regnet ut motstanden for en enkel lysdiode koblet i serie. En blå lysdiode trenger 3.5 V for å lyse optimalt og tåler 25 mA med en spenningsforsyning på 5V, finn motstanden.

${\displaystyle R=(5V-3.5V)/0.020A=1.5V/0.020A=75ohm}$

Her velger vi en litt mindre strøm enn det lysdioden tåler slik at vi har en liten margin og får 75 Ω. Det er ikke vanlig med 75 Ω motstander så da velger man det nærmeste man kommer og gjerne en større motstandsverdi for å få enda en liten margin så vi ikke brenner ut lysdioden. I dette tilfellet ville en 80 Ω motstand vært helt perfekt og hvis man ønsker et svakere lys kan man øke motstanden.

Når man skal regne ut en krets hvor vi har flere lysdioder koblet i serie er det ganske lik fremgangsmåte. Den eneste forskjellen vi får er at vi må ta spenningsforsyningen minus alle lysdiodenes spenningsfall. Hvis vi antar tre lysdioder vil vi få formelen:

${\displaystyle R=(Vs-Vd1-Vd2-Vd3)/Id}$

Vi tar for oss tre blå lysdioder koblet i serie som trenger 3.5 V for å lyse optimalt og tåler maks 25 mA med en spenningsforsyning på 12 V. Vi regner da ut hvor stor motstand vi trenger ved å sette inn disse verdiene i formelen.

${\displaystyle R=(12V-3.5V-3.5V-3.5V)/0.020A=1.5V/0.020A=75ohm}$

Her får vi 75 Ω og velger nærmeste motstand oppover for å være på den sikre siden som er 80 Ω. Legg også merke til at vi brukte en spenningsforsyning på 12V istedenfor 5 V, grunnen til dette er at 5 V vil bli for lite for å forsyne tre lysdioder det de trenger for å lyse optimalt. Det ville fortsatt fungert med 5 V, men det ville lyst en god del svakere.

Det går an å koble lysdioder i parallell, men det skaper en del problemer så man kobler oftest i serie. Når en lysdiode blir produsert så dopes den med et halvledermateriale i en P-N kobling. Den ene siden er mer dopet enn den andre som gjør at den leder bare den ene veien og sperrer den andre. Når man doper disse diodene med halvledermateriale klarer man ikke å dope de helt nøyaktig like fordi dette er veldig mikroskopisk.

Dette fører til at man vil aldri få to helt eksakt like lysdioder og når man da kobler dem i parallell vil de heller ikke lede like mye strøm fordi noen av dem vil lede før de andre. Når en av lysdiodene fører mer strøm enn de andre vil den mest sannsynlig bli ødelagt og vi vil også få forskjell i lysstyrke. Dette er grunnen til at man prøver å unngå en parallell kobling og i hvert fall med kun en motstand.

Hvis man uansett må koble i parallell så minsker man denne faren ved å sette en strømbegrensende motstand på hver lysdiode eller lysdioderekke i parallellkoblingen. Så som i eksempelet med flere lysdioder i serie kunne vi hatt flere slike rekker i parallell med hver sin motstand per rekke. I bildet til høyre ser vi et eksempel på tre lysdioder koblet i parallell med hver sin strømbegrensende motstand.

Det er noen ulemper med å bruke LED og spesielt når man skal lage lyspærer så er det litt utfordrende å lage en lyspære som er pen å se på. Siden en LED pære er laget av mange små lysdioder vil disse diodene synes hvis man har en pære med klart glass. En løsning er å lage pærer med ugjennomsiktig glass, men dette hindrer igjen litt av lyset så man får en redusert lysstyrke. Derfor er LED ofte penest som en indirekte belysning der man ikke ser direkte på pæra.

En annen ting med LED-pærer er det at lysdioden går på typiske 1.8 V - 3.5 V likespenning, mens vi i stikkontakten har 230 V vekselspenning. Dette gjør at vi er nødt til å ha en LED driver eller en transformator og likeretter inne i lyspæra som fører til at den fort kan bli litt stor.

• Glødelampe, glødelampe lyser ved at strøm sendes gjennom en tynn leder.
• Halogenlampe, halogenlampe er en glødelampe hvor kapselen er fylt med en halogengass.
• Lysrør, Lysrør lyser ved å ionisere gass i lysrøret slik at den blir elektrisk ledende.
• Ra-indeks

• (en) Light-emitting diodes – kategori av bilder, video eller lyd på Commons
• (en) LED – galleri av bilder, video eller lyd på Commons
• Teknisk ukeblad: Viktig ved valg av LED
• Ledhouse.no: Dette er miljøbesparelsene ved å bytte til LED Arkivert 17. mars 2015 hos Wayback Machine.
• Deiside.no: Sparer tusenvis i året på å bytte til LED Arkivert 6. september 2014 hos Wayback Machine.
• (en) Wheelstips.com: Generelt om LED lysning i garasjer