Een led (van het Engelse light-emitting diode) is een elektronische component, een diode die licht uitzendt als er een stroom in doorlaatrichting (zie diode) doorheen wordt gestuurd.
Hoewel 'led' een afkorting is, wordt het in het Nederlands als woord beschouwd en met één lettergreep uitgesproken. In het Engels schrijft men met LED, met hoofdletters, wat als el-ee-dee' wordt uitgesproken.
 Inhoud.1 Geschiedenis
2 Kleuren
2.1 Blauwe led
2.2 Witte led
2.3 Infrarode led
2.4 Twee en drie kleuren
3 Energieverbruik
3.1 Optische eigenschappen
3.2 Hogehelderheidsled
3.3 Rendement
4 Nieuwe claims
5 Toepassingen
6 Led met geïntegreerde elektronica
7 Elektrische eigenschappen
1 Geschiedenis.
Oleg Vladimirovich Losev ontdekte reeds halverwege de jaren '20 dat diodes licht uitstraalden als er stroom doorheen werd gestuurd. In 1927 publiceerde hij in een Russisch tijdschrift details over de eerste led en vroeg een patent aan. Helaas bleef Losevs werk onopgemerkt. Daardoor duurde het tot 1962 voordat de led echt doorbrak. In dat jaar ontwikkelde Nick Holonyak een werkende led.
2 Kleuren.
De kleur van het opgewekte licht is afhankelijk van de aard van de materialen waaruit de led is opgebouwd, meer specifiek de breedte van de verboden zone tussen de valentieband en de geleidingsband. Dit verklaart ook waardoor een led met een lange golflengte een lagere doorlaatspanning heeft dan een met een korte golflengte, bijvoorbeeld rood 1,5 V en blauw 3,6 V. Doordat de spanning over de led ook een beetje stijgt bij een grotere stroom zal de kleur iets naar een kortere golflengte opschuiven, een blauwe led zal bij lage stroom meer groenig schijnen en een rode led wordt (heel even) geel bij zoveel stroom dat hij stuk gaat.
Gallium-aluminiumarsenide (AlGaAs) - rood infrarood
Galliumarseenfosfide (GaAsP) - rood oranje geel (amber)
Galliumnitride (GaN) - groen
Galliumfosfide (GaP) - groen
Zinkselenide (ZnSe) - blauw
Siliciumcarbide (SiC) - blauw
Indiumgalliumnitride (InGaN) - blauw of ultraviolet
Diamant (C) - ultraviolet
2.1 Blauwe led.
De ontwikkeling van de blauwe led heeft lang op zich laten wachten. Blauwe (en witte) leds gebaseerd op halfgeleidende galliumnitride zijn uitgevonden door Shuji Nakamura. Pas in de jaren '90 zijn er betaalbare uitvoeringen met een redelijke helderheid op de markt. Inmiddels (2006) doet de blauwe led nauwelijks onder voor de groene. Met het beschikbaar komen van de blauwe led is volledige RGB-kleurmenging mogelijk geworden.
2.2 Witte led.
Witte leds werden oorspronkelijk gemaakt door met behulp van een UV-led een fluorescerende laag ('fosfor') te belichten. Inmiddels zijn er ook varianten die direct wit licht uitstralen. Maar ook driekleurenleds of RGB-leds kunnen wit licht uitzenden.
2.3 Infrarode led.
Vrijwel alle afstandsbedieningen voor elektronische apparatuur zenden hun commando over met behulp van IR-leds. Deze kunnen een relatief hoog vermogen verwerken. Infraroodleds worden ook veel toegepast als geïntegreerde zender in optokoppelaars (Eng. optocoupler), veiligheidscomponenten waarbij de zendende zijde en de ontvangende zijde optisch vast verbonden zijn maar elektrisch onderling deugdelijk geïsoleerd zijn. IR-leds kunnen ook toegepast worden als hulpverlichting voor analoge en digitale video-camera's met "nachtopname" aangezien de CCD-sensor ook gevoelig is voor de golflengte van een IR-led.
Tip: deze eigenschap kan ook gebruikt worden om te controleren of een afstandsbediening nog werkt, bij kijken door een elektronische zoeker van video- of fotocamera moet het licht te zien zijn.
Tip: een IR-led kan ook IR-licht van een tweede brandende IR-led ontvangen. Men kan het signaal meten met een oscilloscoop.
2.4 Twee en drie kleuren.
Ook bestaan er tweekleurenleds. Dit zijn normale led-behuizingen waarin echter twee leds zijn geïntegreerd die een verschillende kleur, veelal rood en groen, hebben. Tweekleurenleds kunnen twee of drie pootjes hebben, in het eerste geval dient de polariteit van de spanning omgedraaid te worden om de kleur licht die de led uitstraalt te veranderen. Met drie pootjes kan elke mengkleur van rood en groen gemaakt worden door de stroom door de twee leds apart te regelen (sturen). Verder zijn er leds met meer dan twee kleuren op de markt, waaronder de full-colour RGB-led. Door de rode, groene en (meestal) twee blauwe leds kan het volledige kleurenspectrum bestreken worden. Ze worden onder andere toegepast in grote lichtkranten en beeldschermen en in bepaalde designmeubelen.
3 Energieverbruik.
Monochromatische leds hebben meestal een aanzienlijke energie-efficiëntie en slijten niet door gebruik. Er bestaan diverse gangbare formaten, variërend van 1,8 mm tot 20 mm, waarvan 3 en 5 mm de gangbaarste zijn. Ze kunnen door pootjes of aansluitcontacten op een printplaat worden vastgesoldeerd of met behulp van Surface Mounted Device-techniek (SMD) direct op de printplaat gemonteerd.
3.1 Optische eigenschappen.
Verschillende openingshoeken
Door de halfgeleiderconstructie van een led wordt het uitgezonden licht al enigszins gebundeld. Deze bundeling wordt doelbewust vergroot door het kristal in een reflector te monteren om met een kleinere openingshoek een grotere lichtintensiteit te bereiken. De allerfelste leds (anno 2005: meer dan 20 cd ofwel 20.000 mcd) hebben een zeer smalle openingshoek (minder dan 20 graden). Een rekenvoorbeeld: een led van 25.000 mcd met openingshoek van 20 graden straalt een hoeveelheid licht uit van 25.000 × 4 × ð × 20/360 = 17.000 millilumen = 17 lumen. Ter vergelijking: een 100 W gloeilamp haalt ca. 1200 lumen. Afhankelijk van de toepassing kan de behuizing mat, gekleurd transparant of helder transparant worden gekozen. Een matte led licht door een grote openingshoek als geheel vrij gelijkmatig op en is daarmee geschikt als indicatorlampje.
3.2 Hogehelderheidsled.
Leds hebben in eerste instantie schaalverlichtingslampjes en controlelampjes vervangen. Door een ontwikkeling die rond het jaar 2000 plaatsvond, kunnen nu ook leds worden geproduceerd met een zeer hoge helderheid, zogenaamde hogehelderheidsleds. Hierdoor zijn deze halfgeleiders nu gestaag in opmars om gloeilampen, b.v. in verkeerslichten en waarschuwingslichten bij overwegen, te vervangen. Door hun veel langere levensduur, grote (mechanische) schokbestendigheid, veel geringere energiebehoefte en daardoor veel minder warmte-ontwikkeling zijn zij een goedkoop en milieuvriendelijk alternatief. Nieuwere typen zijn in opmars ter vervanging van halogeenlampen. Ze verbruiken in verhouding minder energie, maar zijn (nog) wel duurder.
3.3 Rendement.
Er is een belangrijk verschil in het rendement voor gekleurde, monochromatische leds aan de ene kant, en witte leds aan de andere kant. Een monochromatische led, vooral een rode, kan bijzonder efficiënt zijn (tot wel 50% van de elektrische energie wordt omgezet in licht). Het loont heel duidelijk om zulke leds te gebruiken om gloeilampen in rode verkeerslichten te vervangen: de gloeilamp heeft een totaal rendement van wit licht van zo'n 5 procent, en zelfs daarvan wordt maar een klein deel gebruikt (het grootste deel wordt tegengehouden door het rode glasfilter). Ook de beperkte openingshoek van een led komt hier van pas. Het rendement van een witte led is veel kleiner dan dat van een rode led: een witte led is opgebouwd uit een blauwe led (rendement daarvan is al lager dan voor een rode) waarvan een gedeelte van het licht wordt opgevangen door een fosfor die het, met een belangrijk energieverlies, omzet in geel licht. Het geel in combinatie met blauw geeft een witte indruk. Witte leds zijn door dit principe niet of nauwelijks efficiënter dan grote gloeilampen (van zo'n 100 watt). Echter, omdat kleine gloeilampen zoals in zaklampen een nog lager rendement kennen, en omdat het licht van de felle leds sterk gebundeld is, zijn er nog wel toepassingen waar vervanging nuttig kan zijn. De meest efficiënte witte verlichting wordt overigens gevormd door fluorescentielampen.
Een felle, witte led
Lichtstroom vergeleken
De ouderwetse gloeilamp: 17 lumen per watt
De halogeenspot: ca. 20 lumen per watt
De modernste (2006) superfelle witte leds (5 mm): 51 lumen per watt.
Een moderne spaarlamp (15 W): 55-60 lumen per watt
TL-buizen: ca. 70 lumen per watt
Natriumlampen (straatverlichting): 120-200 lumen per watt.
Een moderne spaarlamp is dus efficiënter dan de modernste led. Een led verslaat wel de ouderwetse gloeilamp en ook de halogeenspot, maar niet de moderne spaarlampen. De prijs van een moderne led is ongeveer 15 eurocent per Lumen; dat is ca. 15x zoveel als de prijs van een gewone spaarlamp, die minder dan 1 eurocent per Lumen kost (prijspeil 2006). Ook in prijs is een led dus (nog) absoluut niet concurrerend. In levensduur wel; een led gaat gemakkelijk 50.000 uur mee, en zelfs de modernste TL buizen en natrium- of kwiklampen halen nooit meer dan 18.000 uur. Uitzondering hierop zijn de zogenaamde "long life" TL-buizen. deze kunnen, afhankelijk van het toegepaste voorschakelapparaat wel tot ca 50.000 uur meegaan. uitgaande van een lichtterugval van maximaal 15%. Het is daarbij wel zo dat van de meeste leds met hoog vermogen de lichtopbrengst gedurende de levensduur langzaam afneemt. Bovendien neemt de levensduur (en lichtopbrengst) snel af als de LED (te) heet wordt. Een goede koeling is nodig, en dat maakt hem weer minder compact en zwaarder.
4 Nieuwe claims.
december 2006: Nichia komt in met een bericht dat zij een witte led hebben ontwikkeld die 150 lumen per watt levert. Hiermee zou de witte led bijna net zo efficiënt zijn als de beste lagedruk natriumlamp.
april 2007: Philips claimt een led te hebben met 70 lumen per watt die gedurende de hele levensduur wel constant blijft.
5 Toepassingen.
Leds worden tegenwoordig alom toegepast in consumentenelektronica als infraroodzender in afstandsbedieningen en spannings- of signaalindicator, maar ook steeds vaker in lichtkranten en platte beeldschermen. Vooral door de vrij recent ontwikkelde mogelijkheid om leds blauw of (door combinaties van leds) wit licht uit te laten stralen is het potentiële toepassingsgebied aanzienlijk toegenomen.
Een serie leds op rij wordt ook gebruikt voor derde remlicht; gemonteerd achter de achterruit van een auto. De laatste tijd zien we ook veel leds verschijnen in tuinverlichting met ingebouwde zonnecel die uit zonlicht elektrische energie genereert, welke wordt opgeslagen in een oplaadbare batterij. Een lichtgevoelige sensor zal 's avonds bij het invallen van de duisternis het signaal geven om de ingebouwde led(s) te laten oplichten. Het voordeel hiervan is dat er geen (ondergrondse) bekabeling meer nodig is.
Met een bijzondere optische constructie kan van de led een halfgeleiderlaser gemaakt worden. Zo'n led geeft sterk gebundeld coherent licht af met een zeer specifieke golflengte, waardoor hij geschikt is om te worden toegepast in cd- en dvd-opname- en afspeelapparatuur. Deze leds hebben wel een beperkte levensduur. Bij gebruik van enkele uren per dag, zal zo'n led ruwweg 8 jaar meegaan.
Er worden ook leds gebruikt in nieuwe verkeerslichten. Voordelen daarvan zijn, dat ze lang meegaan en minder energie verbruiken, dus zijn ze milieuvriendelijk. Bovendien gaan ze veel minder snel stuk.
Voor straatverlichting zijn Leds nog in een prototypestadium [1]. Op termijn worden Leds gezien als een goed alternatief voor andere soorten verlichting waarbij een langere levensduur en een lager energieverbruik bereikt wordt.
6 Led met geïntegreerde elektronica.
Wat doorgaans een knipperled wordt genoemd, is in feite een led waarin een kleine elektronische schakeling is geïntegreerd die de led afwisselend aan en uit doet gaan. De voedingsspanning voor het geheel is vaak 5 tot 12 V.
Daarnaast zijn er leds die gaan branden als de spanning onder een bepaalde waarde zakt, om aan te geven dat de batterijspanning te laag is.
In allerlei speelgoed worden RGB-leds toegepast die voorzien zijn van elektronica die de uitgezonden kleuren doorlopend laat veranderen. Dit wordt ook wel faden genoemd.
7 Elektrische eigenschappen.
Typische karakteristieken van diverse leds
In elektronisch opzicht zijn leds en andere halfgeleiderdiodes interessante componenten omdat er een nagenoeg constante spanningsval over de aansluitingen optreedt, anders dan bij ohmse weerstanden. Een IR-led gedraagt zich bijvoorbeeld als een superieure zenerdiode van ± 1,1 V.
Een led mag daarom nooit zonder meer op een spanningsbron worden aangesloten. Er dient altijd een stroombegrenzer aanwezig te zijn, zoals een transistor of een eenvoudige weerstand, omdat een led in feite een diode is. Over de led zal een spanning vallen, afhankelijk van het type led zo'n 1,1 V voor infrarode leds tot wel 3,5 V bij witte en blauwe leds (zie grafiek hieronder).
De standaardstroom door een led is 20 mA continu, maar de meeste leds kunnen 10-30 mA verwerken. Het is overigens heel goed mogelijk om pulsvormige stromen tot wel 1 A te gebruiken als de gemiddelde stroom maar binnen de veilige grenzen blijft. In het geval van constante gelijkstroom laat de grootte van de stroombegrenzende weerstand zich als volgt berekenen:
I: stroomsterkte, Us: voedingsspanning, Ul: werkspannings van de led, R: voorschakelweerstand.
Het invullen van de waarden voor een rode led: 20 mA, 1,6 V werkspanning en 5 V voedingsspanning levert op:
 (kies 180 Ù uit de E12-reeks)
Voor de Low-current-leds, die een standaardstroom van 3 mA vragen, geldt een soortgelijke berekening.
Zonder voorschakelweerstand kan een led aangestuurd worden door gebruik te maken van stroomsturing met een stroombron, zoals bv. een Widlar-stroomspiegel. Deze levert een stabiele stroom die door de led zal vloeien. De serieregelaar (transistor of fet) in de stroombron vervangt de voorschakelweerstand en dissipeert (verbruikt een "nutteloos" vermogen) het serievermogen.
In bovenstaand voorbeeld gaat er 64 mW verloren aan 'warmte' in de weerstand en slechts 29 mW zal worden uitgestraald door de led. (Verliezen binnenin de led buiten beschouwing gelaten). Er gaat dus slechts ongeveer 33% van het door de voeding geleverde vermogen naar de led. Bij hogere voedingsspanningen zal deze verhouding schever komen te liggen tot het conventionele gebruik van de led niet meer economisch is. Bij netspanningstoepassingen kan men beter een seriecondensator gebruiken. Een kleine serieweerstand wordt dan toegevoegd om grote inschakel- of stoorpieken te dempen.
Om de led te kunnen dimmen wordt gebruik gemaakt van PWM-stroomsturing (pulsbreedtemodulatie). Deze sturing maakt dankbaar gebruik van het feit dat een led hoge piekstromen kan verduren als de effectieve stroom maar de normale waarde heeft. Pulsbreedtesturing kan efficiënter zijn als een groter gedeelte van het effectieve vermogen naar de led gaat. Tijdens de aan-tijd loopt er door de led een hogere stroom dan tijdens normaal bedrijf. De led-spanning zal hierdoor iets hoger zijn. De serieweerstand (of geleidingsweerstand van de serietransistor) is lager en het vermogen hierin, dat kwadratisch toeneemt met de stroom, zal hoger zijn. Middeling tussen aan- en uit-tijd kan een lager verlies opleveren.
De lichtsterkte wordt uitgedrukt in "mcd" (millicandela) en varieert van 1,6 tot meer dan 25.000 mcd.
|
