Bildet viser en LED-pære. (Bilde: Jörgen Skjelsbæk)

HVORDAN VIRKER: HALVLEDERE

Slik fungerer lyspærene alle vil få i stua si

Glødelampen er død. I det minste den vi brukte til å lyse opp husene våre. Lovverket i EU og California har forbudt den gamle vakuumomhyllede motstandstråden. Og godt er det, selv om det ennå er lov å selge spesialvarianter og halogenpærer.

I dag går et sted mellom 20 og 25 prosent av verdens strømproduksjon til belysning. I Norge brukes mye LED-belysning, men på verdensbasis var bare tre prosent av all belysning i fjor LED-basert. Det er mye strøm igjen å spare. Av de rundt 1,2 millioner veilysene her i landet er omtrent 50.000 LED-basert.

Det første sverdslaget mot glødelampen kom da man klarte å krympe lysstoffrøret nok til å få de inn i vanlige sokler. Til og med minjongpærer ble utstyrt med denne teknologien, som reduserte strømforbruket til 20–25 prosent av en glødelampe.

Men de såkalte sparepærene, som de ble kalt, var ikke uten problemer. De inneholdt litt kvikksølv, og det tok tid før de oppnådde full lysstyrke. Dessuten var lyskvaliteten ikke god nok. Dette var ikke fremtiden.

Les også: Dette var verdens første elektriske boremaskin

Lysdioden

Fremtiden er halvlederteknologien, i form av en litt spesiell diode. I motsetning til vanlige dioder, som er en slags enveisventiler for strøm, har lysdioden den egenskapen at den også sender ut lys. Egentlig produserer alle dioder fotoner, men de kommer ikke ut av dioden fordi materialene er lystette. De må være transparente for at det skal bli lys.

En halvlederdiode er ganske enkelt to sjikt med halvledermaterialer som ligger tett inntil hverandre. Halvledere inneholder i motsetning til ledere få frie elektroner.

Men ved å dope de to halvlederne med ulike forurensninger, økes antallet frie elektroner i den ene, mens den andre får et elektronunderskudd, som kalles «hull». Et hull er et atom med et manglende valenselektron, og slike tiltrekker seg elektroner for å få fylt opp det ytre valensbåndet. Altså en halvleder med overskudd av positive ladningsbærere.

Når det går strøm gjennom dioden, går elektronene til hullene. Når de tar plass i valensbåndet, frigjøres ørlite energi i form av et foton. Fotonstrømmen som slipper ut fra de gjennomsiktige halvlederne, kalles elektroluminescens.

Din guide i begrepsjungelen: Dette er forskjellen på lumen, lux og candela

Blått lys

En lysdiode er i utgangspunktet monokrom. Hvitt lys inneholder alle farger. Det som gjør at man kan lage hvite lysdioder er at man legger et fosforbelegg på en blå lysdiode. Belegget har den egenskapen at det absorberer en del av det blå lyset i 400 nm spekteret og sender ut lys med større bølgelengde.

Utviklingen av fosfor (som inneholder svært mye annet enn fosfor) trengs for å lage lys med best mulig gjengivelse av hele det synlige spekteret.

Lysdioder er strømdrevet. Vanligvis går det en strøm på opptil 1 A gjennom dioden med en spenning på 3 volt. Strømmen må være likestrøm, men den kommer stort sett fra nettet og pulserer. Frekvensen bør være mer enn 300 Hz, men de aller billigste med enkle drivere bruker nettfrekvensen, og da ser man en tydelig flimring.

Jo mer strøm det går gjennom dioden, jo høyere effektivitet får den. I dag ligger strømtettheten på rundt 10 A/cm2. Når man går over til fiolette dioder, kan den fem til tidobles, og når man tar i bruk laserdioder, snakker vi om 300 til 1000 A/cm2.

Les også: Elbilen er langt mindre effektiv enn mange tror

Levetid

Levetiden er en av lysdiodenes sterke sider. Gode LED-pærer og andre lyskilder oppgis til 35.000 timer, eller mer. Takarmaturer kommer opp i 50 til 75.000 timer, mens utendørsbelysning kan komme over 150.000 timer. Det betyr ikke at de dør, men at de synker til mindre enn 70 prosent av lysutbyttet.

Det er varme som påvirker levetiden mest. Om varmeavledningen er for dårlig reduserer det levetiden, men det kan også gi et fargeskift fra hvitt til grønnaktig fordi fosforbelegget endres.

Les også: Bli med inn i denne helt unike Tesla-en

Lysutbytte

Det er spesielt to ting man ønsker seg av lysdiodene. Man vil ha mest mulig lysstyrke per watt og samtidig et mest mulig jevnt spekter.

De lysdiodene som er på markedet i dag gir opptil 150 lumen per watt, men det er i selve dioden. Det totale lysutbyttet påvirkes av tap i elektronikk og optikk, så i praksis ligger lyskilden på rundt 115 lumen/watt, eller mindre. Da de såkalte 60 watts erstatterne kom på markedet for noen år siden, var de på 12 watt. I dag er de på mellom 8 og 10 watt, og dette tallet vil nok bli lavere i årene fremover.

Verdensrekorden i lysutbytte innehas av Cree som har klart å komme oppi 303 lumen per watt i selve dioden. I praksis betyr det at vi kan vente oss en fordobling av lysutbytte om 4 til 5 år.

Med dagens teknologi regner man med at det er teoretisk mulig å nærme seg 450 lumen per watt, men teknologi som GaN on GaN kan øke dette ytterligere.

Økt lysutbytte har en dobbel effekt på LED-økonomien. I tillegg til mer lumen per watt vil kravet til kjøling per lumen også falle. Termisk kontroll er svært viktig for funksjonen og levetiden til lysdioden og for prisen til hele systemet.

Japanerne skriker etter ren energi: Japanerne skriker etter ren energi - nå vil de hente den fra Finnmark

Lyskvaliteten

Da lysdiodene kom, var ikke lyskvaliteten den man ønsket seg. De var ikke særlig mye bedre enn lysstoffrør, og på langt nær så gode som glødelamper. Selv i dag har mange lysdioder et spekter som ikke er optimalt, selv om de er svært mye bedre enn før. Spesielt i det røde området har mange dioder et kraftig fall i energi.

Da diodeprodusenten Cree for flere år siden jobbet med Coca-Cola ble det klart at den røde logofargen deres ble altfor grå. Løsningen ble at de monterte en rød diode i tillegg til den hvite som kompenserte for energifallet.

Vanligvis har ikke et dårligere spekter stor betydning når man benytter lysdioder, men der gjengivelse av korrekte farger er betydningsfullt, er et mest mulig kontinuerlig spekter svært viktig. Biffen og tomaten på restauranten kan lett bli for triste i fargen.

Les også: Norsk laserbasert multimåler gir bedre innsyn i strømmende gasser  

GaN på GaN

Forskningen på lysdioder handler veldig mye om materialteknologi. Det som nå seiler opp som fremtidens lysdiode er baser på GaN – galliumnitrid, både i den p- og n-dopede delen av dioden.

Mange tror lysdioder basert på GaN-on-GaN-teknologien vil komme på markedet om tre til fem år. I tillegg til å gi potensielt bedre lysutbytte vil denne teknologien være basert på en fiolett LED som gir et bedre spekter, også i det vanskelig røde området.

Vanlige lysdioder er svært små. Et par mm i kvadrat. Men noen ganger kan de se veldig mye større ut. Da er det såkalte COB–Chip On Board, i form av en masse seriekoblede lysdioder du ser. Det kan være så mange lysdioder at de kan drives med likerettet og frekvensutjevnet 230 volt. Da kan man unngå å bygge store kondensatorer i driverne til lyskilden, og det er en fordel både for pris og levetid.

Akkurat som vanlige lyskilder kan LED dimmes. For å gjøre det på en best mulig måte benyttes PVM–PulsViddeModulasjon med høy frekvens. Denne teknologien varierer bredden på likestrømspulsene og derigjennom den tilførte effekten. For lyskilder som benyttes til tv-opptak brukes analog dimming.

Les også: Denne skal gjøre at elbussen tar over i byene