Mikä on LED?


LED, eli Light Emitting Diode, on valoa lähettävä puolijohdekomponentti, diodi. Puolijohteena LED toimii täysin samoilla periaatteilla, kuin mikä tahansa muu puolijohde, kuten diodi, transistori ja mikropiirit. LED puolijohde (seostettu) lähettää valoa, kun sen läpi johdetaan virtaa.


Mikä on LED:in historia?


Alunperin LED on kehitetty 1960- luvulla merkkivaloksi. Siitä saatiin valoa vain noin 0,001..0,010 candelaa (1…10 mcd) 10 mA virralla. Ensimäinen väri oli punainen (aallonpituus 655 nm). Tämän jälkeen kehitettii keltainen ja vihreä LED, sekä tietenkin IR eli infrapuna, jota käytetään mm. TV:n kauko-ohjaimissa. Kesti pitkään, ennen kuin sininen väri saatiin kehitettyä 1980-luvulla. Valkoinen väri sai odottaa pitkään, kunnes sitten 1990-luvun puolen välin jälkeen saatiin vihdoin valkoisiakin LED:ejä markkinoille.

Vuonna 2006 LED:in keksiminen palkittiin kansainvälisellä Millenium -palkinnolla.

Mitkä ovat LED:ien edut?


Uuden teknologian LED:it ovat tavalliseen hehkulamppuun verrattuna energiatehokkaita, erittäin pienikokoisia, mekaanisesti kestäviä (niissä ei ole helposti rikki menevää lasikuorta tai hehkulankaa), kirkkaita ja todella pitkäikäisiä. Kun valitaan valaistusjärjestelmiä ahtaisiin tiloihin, joissa valon lämpötilat eivät saa kasvaa ja lampulle on vähän tilaa asentaa, tulee uuden LED-tekniikan edut esiin. Kohdevalaistus sovellutuksissa helppo valonhallinta ja hyvä hyötysuhde, ovat lisäksi LED-valoilla käytettävissä. Innovatiivinen tuotekehityksemme hyödyntää viimeisintä LED-teknologiaa.


Miksi valokeiloilla on erilaisia kulmia?


Valon keilan avautumsikulmia valolähteestä on erillaisia, koska käyttötarpeet vaihtelevat. Yleisvalaistukseen pitää valita mahdollisimman laaja kulma, spottiin hyvinkin kapea. Limic Oy:n LED-valoja saa erillaisilla valokeiloilla, joten valokeilan muoto ja avautumiskulma voidaan valita kohteen mukaan optimiksi.


Mihin punaista ja vihreää valoa käytetään?

Punaista valoa on perinteisesti käytetty kohteissa, joissa on haluttu ylläpitää hämärä- tai pimeänäkö. Mm. veneen sisällä voidaan pitää punaista valoa, kun navigoidaan pimeässä. Oikein sijoitetut punaiset valot eivät vie pimeänäköä, vaan ne sallivat kartan luvun sekä merimerkkien etsimisen samaan aikaan. Punaisen valon sijaan joissain sovelluksissa käytetään vihreää valoa, jolla on samat ominaisuudet. Eri värien välinen valinta pitääkin tehdä lähinnä oman mieltymyksen mukaan.

Voinko asentaa LED-valot saunaan?


Et, paitsi jos… Kysymys on LED:in sisäisestä lämpötilasta. Yleisesti LED:in puolijohteen liitosrajapinta ei saa nousta paljoakaan yli 120 asteen. Yleensä LED:iellä tämä puolijohteen liitosrajapinta lämpenee LED:in toimiessa noin 30-50 astetta korkeammaksi kuin LED:in ympärillä oleva lämpötila. Jos saunan katossa on esim. 100 astetta, niin LED:in sisäinen liitosrajapinnan lämpötila nousee liikaa ja se romahduttaa LED:in luotetavuuden ja eliniän. Käytänössä mitä kuumempi LED on, sen vähemmän se tuottaa valoa ja sen lyhyempi on sen elinikä. Monilla LED komponenteilla niiden valontuotto laskee noin 60% ja elinikä romahtaa joihinkin tuhansiin tunteihin, kun liitosrajapinnan lämpötila saavuttaa n. 80 astetta.

Millään ulkoisella suojalla, jonka tarkoitus on estää säteilylämpö, ei voida laskea LED:in ulkopuolella olevaa lämpötilaa. Jos LED -saunasarjaan myydään ”suojaa”, niin se on huijausta. Suoja lämpenee luonollisesti samaan lämpötilaan, mikä on sen ulkopuolella, jolloin tämä suoja alkaa luonollisesti lämmittämänä myös LED-komponenttia.

Jos haluat asentaa LED-valot saunaan, niin se onnistuu kuituvaloilla. Näissä LED-komponetti asennetaan huoneen lämpöön, ja valo johdetaan saunaan kuitua pitkin.

Mitä kylmempi LED on, sen enemmän se tuottaa valoa ja sitä pidempi on sen käyttö-ikä.


Mitä ongelmia on etuvastukseen perustuvassa LED:in käytössä?


Yleisempi vastaus:

Suurimmat ongelmat liittyvät energiatehokkuuteen (hyötysuhteeseen) ja LED:in elinikään. Koska vastus on passiivinen komponentti, se ei osaa mukautua jatkuvasti vaihteleviin olosuhteisiin, jolloin LED:iä ohjataan välillä väärin, jopa niin paljon että sen odotettu elinikä voi romahtaa 100.000 tunnista muutamiin satoihin tunteihin. Energiatehokkuuden kannalta ei ole mitään järkeä siinä, että jopa suuri osa käytetystä energiasta (akun kapasiteetista) käytetään LED:in käytön sijaan etuvastuksessa, ympäröivän ilman lämmittämiseen. Tällöin tunnin valaistuksella voidaan akusta ottaa jopa 3-4 tunnin valastuksen viemä energiamäärä. Tämä ylimääräinen 2-3 tuntia hukataan vastuksessa lämpönä.

Teknisempi vastaus:

Etuvastus kytketään LED:in kanssa sarjaan, jolloin kytkennässä kulkeva virta aiheuttaa jännitehväviön vastuksessa. Tällä esim. 12 V akkujännite (joka vaihtelee välillä 12,3…13,7 V) tiputetaan LED:in vaatimaksi jännitteeksi. Yksittäisellä LED:illä se voi LED:in väristä riippuen vaihdella välillä 2,0…3,5 V. Tällöin vastuksessa pitää ”hukata” pahimmillaan 11,7 V verran jännitettä. Jos 3 W LED:in käyttövirta on esimerkiksi 700 mA, niin tällöin vastuksessa pitää hukata 8,2 W tehon verran energiaa. Eli 3 W LED:in polttamiseen käytetään noin 11 W tehoa. Tässähän ei ole energiatehokkuuden kannalta mitään järkeä.

Pelkästään vastukseen perustuvassa ohjauksessa osa käytetystä energiasta siis ”hävitetään” vastuksessa. Riippuen kytkennästä ja LED:in väristä, tämä hukattavan tehon osuus voi olla jopa kolminkertainen suhteessa saatavaan valomäärään. Tällöin yksittäisen 3 W LED-valon käytössä hukattaisiin tehoa yli 8 W edestä. Tämä hukkateho käytetään ainoastaan ympäröivän ilman lämmitykseen. Teoreettisissa laskennallisissa ihanneolosuhteissakin (tälläisiähän ei käytänössä ole koskaan) hukattavan energian määrä on yli 10%, eli 9 W LED-valo kuluttaisi etuvastuksen takia yli 10W tehon. Tämäkin 1 W häviää vastuksessa lämpönä ilmaan.

LED:in läpi kulkeva virta ja LED:in sisäinen lämpötila ovat tärkeät parametrit LED:in ohjauksen kannalta, koska ne vaikuttavat LED:in elinikään, kirkkauteen ja värisävyyn . Kumpikin parametri vaikuttaa toisiinsa. Kun LED sytytetään, se alkaa lämpenemään. Tämä muuttuva lämpö sitten muuttaa virtaa. Mitä enemmän LED:in lämpötila kasvaa, sen suuremmaksi virta nousee. Ja mitä suuremmaksi virta nousee, sen enemmän lämpötila kasvaa, koska LED on ns. puolijohde. Puolijohteille tyypilliseen tapaan sen virta vaihtelee mm. sen sisäisen lämpötilan (ns. liitoslämpötila, junction temperatre) mukaan. Lisäksi kytkentään syötettävän jännitteen muutos (esim. veneen akun jännite vaihtelee välillä) muuttaa LED:in läpi kulkevan virran voimakkuutta, joka taas muuttaa lämpötilaa ja tämä muuttaa virtaa. Veneen akun akkujännite voi vaihdella tyypilliseti lataustilanteessa esim. välillä12,3 – 13,7 V. usein käytänössä se vaihtelee vielä enemmän. Vaihtelu voi siis olla luokaa 2,0 V. Koska erään LED:in puolijohteen kynnysjännite on 2,0 V, niin tämä vaihtelu on saman verran, ja tämä akkujännitteen vaihtelu vaikuttaa paljon LED:in läpi kulkevan virran voimakkuuteen, joka taas vaikuttaaa…. Koska vastus on passiivinen komponentti, se ei osaa mukautua jatkuvasti vaihteleviin olosuhteisiin, jolloin se pitää mitoittaa hankalimman tilanteen mukaan. Tällöin normaaliolosuhteissa, joissa LED-valoa käytetään suurimman osan aikaa, sen kaikkea valotehoa ei voida ottaa käyttöön. Vastus mitoitetaankin siten, että tyypillisesti LED valosta saadaan noin 20% vähemmän tehoa, mitä siitä saisi aktiivisella ohjauksella.


Miksi LED:in ohjaukseen tarvitaan oma erillinen, aktiivinen LED-ohjain?


Katso ensin vastaus kysymykseen ” Mitä ongelmia on etuvastukseen perustuvassa LED:in käytössä”. Ensinnäkin, aktiivinen LED-ohjain osaa mukautua vallittseviin olosuhteisiin, jolloin LED:ejä ohjataan oikein kaikissa olosuhteissa. Tämä pidentää huomattavasti LED:ien elinikää. Toiseksi, aktiivinen ohjain on energiatehokkaampi, samasta määrästä enrgiaa saadaan tuotettua enemmän valoa. Kolmanneksi, aktiivinen ohjain ohjaa LED:iä siten, että se palaa kokonaisvaltaisesti kirkkaammin, LED:in eliniän tästä kuitenkaan alenematta.




Ostin kaupasta 5mm pyöreän LED:in, jonka tiedoissa lukee 12.000 mcd ja 4 astetta. Mitä nämä luvut oikeen kertovat LED:istä?


Kyseiset tekniset tiedot kertova valovoiman ja LED:in valon keilan avautumiskulman. Valovoiman yksikkö, candela (cd), ilmaisee paljonko LED antaa valoa määräsuuntaan ja 4 astetta kertoo, mikä on sen keilan avautumiskulma. Varsinaisesti luvut eivät suoraan kerro mitään todellista, mutta luvuista voi päätellä, että LED:in valon keilan leveys on pieni (4 astetta on todella pieni avautumiskulma). Se vain tarkoittaa, että LED antaa hyvin pistemäisen keilan, eikä siksi sovi sellaisenaan yleisvalaistukeen. Tuo 12.000 mcd on sama kuin 12 candelaa (cd), joka on vanhan tekniikan LED:iksi kohtalaisen hyvä, mutta ei sillä valaistusta rakenneta. Esimerkiksi yhdelle kapeakeilaiselle(10 astetta) 35 W halogeenipolttimolle annetaan lukuarvo 5400 cd, eli noita vanhan teknologian LED:ejä pitää laittaa hirveä määrä, jotta päästään samaan valovoimaan. Usein LED:ien valon avautumiskulma halutaan hyvin pieneksi, koska silloin siitä saadaan paljon valovoimaa mittauksissa. Avautumiskulmaa säädetään LED:in kärjessä olevalla linssillä, jota voi viilata, jos haluaa enemmän hajavaloa. Usein eri LED.eissä on sama chippi (valolähde, se puolijohde) sisällä. Eri LED versiot poikkeavat sitten toistaan tuon avautumiskulman verran. Mitä suurempi on tämä avautumiskulma, sen vähemmän valovoimaa LED:istä lähtee.




Mikä on valkoinen LED ja miloin se keksittiin?


Aluksi, valkoista väriä ei ole olemassa. Puhdas valkoinen valo on kaikkien värien sekoitus eli se sisältää kaikkia värejä. Ns. RGB-putkilla (televisio, tietokoneen monitori) valkoinen tehdään niin, että kaikkia kuvaputken lähettämiä värejä laitetaan yhtä paljon. RGB = Red, Green, Blue eli kuvaputken elektronitykit ampuvat punaista, vihreää ja sinistä väriä yhtä paljon.

Japanilainen professori Shuji Nakamura kehitti ensimmäisenä kirkkaat sinisen ja vihreän ja lopulta valkoisen LED-valon. Vuonna 1993, julkaisi hän uuden keksintönsä, kirkkaan sinisen GaN-pohjaisen LEDin. Pian sen jälkeen hän esitteli myös vihreän GaN-pohjaisen LED-valon ja lopulta valkoisen LED-valon.

Nykyisin LED-tekniikassa valloilla on kaksi eri pääteknikkaa, jolla valkoinen ”väri” saadaan aikaan. Toisessa käytetään kolmea eri LED:iä, eli punaista vihreää ja sinistä, joiden välisillä suhteilla tehdään valkoinen ”väri”, aivan kuten TV:n ja tietokoneenkin kuvaputkella (ns. RGB-putki). Tämän LED:in ongelmat liittyvät puolijohteen toimintaan eri olosuhteissa (ks. ”Mitä ongelmia on etuvastukseen perustuvassa LED:in käytössä” ja ”Teknisempi vastaus”), valon väri vaihtee kovasti eri olosuhteissa ja sen ohjaus on hankalaa. Lisäksi kolme puolijohdetta yhden LED:in sisällä maksaa paljon. Viime aikoina markkinoita onkin hallinnut toinen tapa, jossa LED:in sisällä on oikealla tavalla ”heijastavaa” (Flueresoivaa) ainetta, joka sopivasti vahvistaa ja suodattaa valon aallonpituuksia sinisestä valosta, tehden siitä ”valkoista”. Valkoinen LED onkin oikeasti sininen LED, jonka väriä manipuloidaan ja siitä saadaan valkoinen.

Kumpikin edellä mainittu tapa on on kallis ja hankala tehdä. Jälkimäisessä tuotannon prosessin laatu näkyykin suoraan LED:in värisävyssä. Jos sanottu valkoinen väri onkin lähes sininen, ei tuotannon prosessi ole täysin hallinnassa ja siihen ei ole panostettu riittävästi. Tässä on yksi syy siihen, miksi jotkut valkoiset LED:it sinertävät? Toinen selitys löytyy myös tuotekehityksestä. Itse LED chippien (se mikä on siellä LED:in sisällä) tuotekehitys ja tuotanto on keskittynyt halvan työvoiman maihin Aasiaan, joissa on totuttu käyttämään ”kylmän” sinertävää valkoista valoa. Mm. suurin osa loisteputkista on kylmän värisiä.

Mitä ovats ns. ”uuden teknologian” LED:it?


Vuoden 2000 aikana LED-tekniikka on kehittynyt voimakkaasti. Viimeisen parin vuoden aikaan alalla on tapahtunut suuri harppaus eteenpäin, jolloin LED:ien valoteho on kasvanut rähädyksen omaisesti. Aikaisemmasta merkkivalotyyppisestä perinteisestä pyöreästä johtoon tai piirilevyyn juotettavasta merkkilampputyylisestä LED:istä on siirrytty pintaliitosmallisiin koteloihin, jolloin LED:in sisällä oleva chippi (disc) on kokenut suuren muutoksen mm. koon suhteen, koska nyt tältä chipiltä voidaan johtaa lämpö tehokkaammin pois. LED:ien tehokkuutta rajoittaa suurelta osin juuri tämä lämmön pois johto. Perinteisillä johtoon juotettavilla halkaisijaltaan 5 mm LED:eillä tätä lämpöä ei voida johtaa minnekkään, niinpä niiden tehotkin jäävät erittäin pieniksi, noin 0,1…0,2 Wattiin. Uuden teknologian LED:ien tehot ovat 1…5 W, joten kasvu on ollut hyvin suurta.