LED norsk

Har laget en side med litt informasjon om LED og lysdioder + litt ekstra om lommelykter. Utviklingen har rast videre på dette området så du finner sikkert litt feil også. Hovedsaken skal være på plass og noe av informasjonen er avansert og noe er litt enkelt. Litt er fra min egen utdanning og litt fra internett. Ulike kilder! Skal oppdatere fremover ja.

Elementært:

Dioder er halvledere og i praksis så leder de ikke strøm i sperreretningen men likevel går der en liten strøm pga minoritetsbærere som lekker i PN overgangen. Strømmen kalles Is (avhengig av temperatur og produksjonsfaktorene)PN overgangen har grunnstoff av silisium eller germanium. En diode har en anode og en katode. P lages med at et halvledergrunnstoff forurenses(diffusjon) med et nabostoff til venstre i den periodiske tabellen. For eksempel Silisium Si forurenses med Bor med mindre valenselektroner og det blir overskudd av hull.  Valenselektroner i ytre skall binder seg med andre.

P kalles for Acceptor pga evnen til å ta opp elektroner i hull. N materialet lages ved at et halvledergrunnstoff forurenses med nabo til høyre i den periodiske tabellen. Silisium med P fosfor med flere valenselektroner f.eks., det blir da overskudd av elektroner. N kalles for donor pga evne til å gi lett fra seg. P og N ved siden av hverandre danner en PN overgang, elektrisk en diode. Is er lekkasjestrømmen og Id er diode strøm. Ud er diode spenning. PN overgangen kalles også for sperresjikt. Rekombinasjon hvor elektroner og hull finner hverandre: når P og N settes sammen vil elektroner og hull trekkes mot hverandre som trenger energi for å komme gjennom. Dioder er halvledere og leder kun ved en gitt spenning 0,7 V(terskelspenning) for Silisium. Elektroner fra N fyller hull i P og når de fylles passer ikke elektronene fra N og overskuddet blir avgitt som fotoner(lys)Valenselektroner har en kjemisk væremåte som du kan lese litt om på nettet. De danner forbund med de ytre lagene.

Fra Parabel.no stod det skrevet litt om hvordan forurensingen skjer under produksjonen av en diode.

Diffusjon er implantasjonen som tilføres overflaten av halvlederen og atomer/molekyler fra donor vil bevege seg inn i halvlederen på grunn av at de vil alltid bevege seg fra området med høy konsentrasjon til der med lav. Donor atomer blir ionisert og går fra å være nøytrale til ladede ved at elektroner fjernes.  Donor atomene kan dermed akselereres i elektrisk felt. En ionekilde sender ut ioner som akselereres til høy kinetisk energi (bevegelsesenergi). En separasjonsmagnet gjør det mulig å skille ut de korrekte ioner med masse og fart, kun de korrekte bøyes 90-grader og treffer spalten. En ny akselerator gir ønsket kinetisk energi som kan bremse eller øke farten på ioner som også kan reguleres med linse/magnetfelt og kan styres i ulike retninger. Dette gjør at man kan lage en stråle som treffer målet som en Si silisium plate. For å forandre strømmen uten at dioden forandrer fargen kan man bruke PWM puls bredde modulasjon. For at menneskets øye skal oppfatte lyset som konstant kan frekvens økes.

Viktig med lommelykter i dag med LED er varmeledningen for en for høy temperatur ødelegger dioden med mer. For å utnytte og få de beste egenskapene av dioden så benyttes en krets. Man har to primær metoder for å skape hvitt lys med høy intensitet:

-          3 primærfarger rød, grønn og blå som mikses for å skape hvitt lys RGB

-          Fosfor fra blå eller UV LED til hvitt

Man kan beregne deler av kretser med informasjon om dioden som den Termiske spenningen kT/q(påvirkes av temperatur) som Is også gjør. K Boltzmanns konstant, temperaturer i kelvin og q elektronlading. Man kan lese diodetabeller osv og for høy spenning som kan medføre at en diode ikke fungerer riktig. Strømmen må beregnes for å hindre varmeutvikling. En kondensator har C kapitans, dioder har også litt av dette som har med frekvens å gjøre.

Litt mer elementært om dioder

Halvledere ofte silisium regnes for verken god leder eller god isolator og derfor halvleder. Andre er Germanium, Ge og galliumarsenid GaAs.

Hvorfor er ikke Si en perfekt isolator? Forklaringen ligger i termiske bevegelser til partiklene med sammenheng til temperatur.

Lysstyrken til en LED øker med økende strøm og det tilføres strøm som pulser vil man med kontinuerlig mating få større lysstyrke. Forutsetningen er at frekvensen er slik at øyet ikke ser den! 100Hz og pulsfrekvens 10 % gis lys puls vært tiende millisekund som burde gi flimmerfritt lys.

Silisium:

Elektronene sitter fast(fulle elektronskall) og selv med spenning vil de ikke bevege seg rundt i krystallet. Se bildet. Så man kan si den ligner en isolator. Men i termiske bevegelser til partikler som henger sammen med temperatur i stoffet. Atomer/elektroner i krystall der bundede atomer har faste plasser. Atomene vibrerer rundt i faste plaser ikke taktfullt men kaotisk. Slik påvirker naboatomene hverandre hele tiden. Elektronene som er minst beveges sterkere. Elektroner som kan få et så sterkt støt pga termiske bevegelser at de løsner fra sin plass og beveger seg fritt (eksidasjon) man får ledig elektron plass, hull! Omgitt av Si og området med et elektron mindre som blir positiv ladning i området. Nabo elektronene kan hoppe i hullene som betyr at hullene beveges i motsatt retning av elektronene. Med ytre spenning på vil elektroner og hull vandre og gi strøm.

Rekombinasjon, elektroner og hull finner hverandre. Området rundt PN overgangen vil dermed bli fri for frie ladninger. Danner sperresjikt. På bildet ser du elan diode i sperreretningen hvor deplesjonslaget er større. Under viser en diode i lede retningen og plusspolen vil dytte hullene mot høyre og minuspolen vil dytte elektronene mot venstre. Utarmingslaget eller deplesjonslaget er mindre som diffunderes fra hver sin side kommer i kontakt og rekombinerer. På samme tid dytter minus stadig nye elektroner inn i N. mens pluss drar ut elektroner av P slik at det stadig dannes nye hull. Ikke stort format på bildene for de har jeg laget for en god stund siden.

Lekasjestrømmen øker ved økt temperatur, kan dobles for hver økt 10 grad når diode spenningen er konstant. Dette kan gi store konsekvenser. For å holde diodestrømmen konstant så må diodespenning minkes. PN deplesjonslag har kondensator virkning og det er grenser for hvor høye frekvenser som dioden takler slik jeg skjønner det. Det oppgis som recovery time fra produsenter hvor raskt dioden henter seg inn etter strøm/spennings puls osv.

Elementært

I dioder av Germanium og GaAs er det lekkasjestrøm men mye mindre enn i Silisium og Emisjonskoeffisienten er mye større.

Strømmen øker sterkt med temperaturen og kan dobles for hver 10 grad. For å holde diode strømmen holdes konstant må diode spenning minkes.

Levetiden på komponenter med stadig høye temperaturer blir kraftig redusert. For å unngå overoppheting må varmen ledes til omgivelsene. Det er sammenheng mellom størrelse og evne til avledning.

historie

De første lysdioder gav infrarødt lys men i 1962 lyktes amerikaneren Nick Holoyak å lage en LED med synlig lys. Han kalles lysdiodens far. I de nærmeste år etter det klarte man å lage grønt og rødt som ble kjempe populære på grunn av størrelsen og liten varme produksjon. Blå kom senere og med den så kunne man lage hvitt lys med å kombinere rødt og grønt.  

 Båndgap

Fant litt dypere informasjon om båndgap og energinivåer fra NTNU Institutt for fysikk av Vardøy, Aas, Rimhaug, Sæbø. Jeg låner litt om den:

Atomer med flere elektroner vil fordele dem på flere energinivåer og i de høyere nivåer er det også flere ulike energi tilstander. Valensbåndet er det høyeste energinivået hvor elektroner eksisterer. Energien i det båndet kalles Fermienenergien. I ledere er det nivået ikke fylt helt opp, slik at elektronene kan bevege seg fra det ene atomets valens til neste atoms valens. I isolatorer og halvledere er derimot valensbandet ved absolutt null grader kelvin fylt opp. For å lede strøm må disse da få elektronene opp i et høyere bånd, dette båndet blir da ledningsbånd og definisjonen av Fermienenergien mister litt av sin verdi, siden vi nå ikke har full kontroll på hvor hvert enkelt atom har sine mest energirike elektroner. Energi avstanden fra ytterste kant av valensbåndet til innerste kant av ledningsbåndet kalles ofte båndgap mellom disse to. Energi tilstanden mellom båndene er forbudt så kan ikke denne energi økningen skje gradvis, derimot må elektroner som skal opp i ledningsbåndet få tilført all energi på en gang, slik at de kan hoppe opp i bandet over. Denne energien kan tilføres med f.eks oppvarming, elektrisk felt eller med å bombardere med fotoner. Forskjellen på isolatorer og halvledere : isolatorer har båndgap for stort til å oppnå dette for et betydelig antall elektroner. Halvledere har mindre båndgap slik a vi lettere kan få elektroner opp i ledningsbåndet og gjøre materialet istand til å lede strøm, elektronene i ledningsbåndet fungerer også som negative ladningsbærere, det vil også bli hull i valensbåndet der disse elektronene var. Hullene kan fungere som positive ladningsbærere som går motsatt vei, fremmer ledningsevnen ytterligere. Termiske egenskaper for halvledere: ledningsevnen vil øke ved ytre temperatur økning, elektronene vil at flere elektroner får nok energi til å komme seg over ledningsbåndet.

Fra samme prosjekt fra NTNU så er det nevnt om rekombinasjon

Elektron rekombinerer eller faller i hull. Elektronet passer ikke helt eller som det nevnes «høyden på fallet» bestemmer energien til fotonet og frekvensen på den utsendte strålingen. Fargen på det synlige lyset blir avgjort av den eksakte avstanden mellom bånda, den avstanden er material bestemt. Aluminium Gallium arsenat gir rødt, Gallium Aluminium fosfat gir grønt, Gallium nitrat gir grønt og blått. Man kan til og med få rosa og lilla med lagdelte. Blå Gallium nitrat med gul fosfor gir hvitt! Det gule stimulerer de røde og grønne mottakerne i våre øyne og blandingen av gult og blått fremstår som hvitt for oss.

The history of LED or light emitting diode is interesting. Victorinox use this technology in some of the products.

The red LED is not so interesting anymore for me because the functionality is not high. The reason is the color itself and the low light. The quality and durability of it is well. It will function to find the key hole and so on. The problem with the use of electronic circuits and LEDs on a pocket-knife is the complication of cleaning, water and so on.

The white LED used on some products is much better and later this was upgraded to a larger and better brightness. This is much better because the white light is much more versatile and useful. The problem with cleaning and so on is still there but it is not a product that needs too much maintenance and it is secured in a pocket.

The use of electronic technology on a 91mm SAK is a bit different and the white LED works very well. The only problem is the cleaning and water. It is a bit important for me that people choose the correct tool depending on what use and so on. The durability of the LED module and circuit is good. The batteries will drain even if not used and this is because the batteries usually behave so but this takes time. It seems the circuit is fully off when not used.

The use of LED technology and storage devices on a pocket-knife usually = a gadget. The impression people get is usually so. The storage devices and evolution follow the development of the modern society and inventions. It is a useful tool in the everyday life and it is made to be used. The problem with such technology is how quickly it goes out of date and then the product is not so versatile anymore. The use of high technology on a Victorinox storage device today is much higher and with more extreme technology. If we look on the usual technology and LED then I would say it is a helpful light but the technology could be better. There is no problem with overheating on these small lights for sure. I like the use of electronic inventions on a SAK and so on but the balance between gadget impressions can be thin.

The positive side of using electronic devices and LEDs is that it can make the knives more versatile and helpful. A little bright white LED can be helpful for all the small things in the everyday life. It can be helpful and nice. I would recommend having a 58mm with a LED on the keying set.

I have seen the LED module used on the Spartan series and even a hard used one. It still works well!

Remember if you drop it in water! Remove the batteries and let it dry for a good time. Replace the batteries with new ones.

My philosophy is to use a separate flashlight always but it can be surprising how helpful the little LED on a Swiss product can be. It is there when you should need it. There is no danger with the light from this LED for the human eyes. There is no hazard for people.

The Buck knife with LED got different modes and it is more secured from the elements. I am very surprised on how long the batteries last and the technology. It is a quality tool! It is some brighter than the Victorinox white type and maybe it can be looked upon as a more versatile light.

On the picture you can see different LED products.

Noen materialer oksiderer i kontakt med luft og der hvor fuktighet skjer så det dannes irr som kan hindre ledingen. Kobber kan belegges for å hindre dette. Led lenser bruker «gold plated» kontakter for gull oksiderer ikke. Materialer som er brukt og som kan oksidere er for eksempel messing, bronse og sink.

Gull er en god leder for elektrisitet, varme og motstandsdyktig mot syrer og vesker.

Termisk motstand: varmesynk materialet kan påvirke Termisk motstand til en LED og derfor må korrekt materiale brukes. Størrelsen på kjøleområdet er også direkte involvert i Termisk motstand. Riktige design og størrelse med ekstra kjølesystem vil minke mostanden og øke levetiden. Lys effektiviteten påvirkes også. Termisk ledende lim i en LED chip kan også påvirkes termisk mostand.

Correct cooling on modern flashlights must be at its best!

Utviklingen med dioder er enorm idag og jeg har fulgt med litt. Jeg var tidlig ute å leste om dendrimer for noen år siden.