Led

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie

(download/info)

Een led is een elektronische component, een halfgeleider die licht uitzendt als er een elektrische stroom in doorlaatrichting doorheen wordt gestuurd.

[bewerken] Naam

Het woord led was oorspronkelijk een afkorting van light emitting diode, in het Nederlands: lichtemitterende diode. Heden ten dage is het woord zo ingeburgerd dat het niet meer als een afkorting gevoeld wordt. De Nederlandse Taalunie heeft om die reden besloten dat het woord zonder hoofdletters geschreven moet worden (vergelijkbaar met radar). In het Engels schrijft men LED, wat wordt uitgesproken als el-ie-die.

In vertalingen, onder andere uit het Duits, leest men vaak lichtdiode.

[bewerken] Geschiedenis

De Russische wetenschapper Oleg 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. Losevs werk bleef echter onopgemerkt. Daardoor duurde het tot 1962 voordat de led echt doorbrak. In dat jaar ontwikkelde Nick Holonyak een werkende led.

[bewerken] 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     
• Aluminiumindiumgalliumfosfide (AlInGaP2) - diep rood , rood , rood oranje en amber          
• Galliumarseenfosfide (GaAsP) - rood oranje geel (amber)               
• Galliumnitride (GaN) - groen     
• Galliumfosfide (GaP) - groen     
• Zinkselenide (ZnSe) - blauw     
• Siliciumcarbide (SiC) - blauw     
• Indiumgalliumnitride (InGaN) - groen, blauw of ultraviolet          
• Diamant (C) - ultraviolet

[bewerken] 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. Sedert 2006 doet de blauwe led nauwelijks onder voor de groene. Met het beschikbaar komen van de blauwe led is volledige RGB-kleurmenging mogelijk geworden.

led die wit licht uitzendt. De kleur van de cap is niet bepalend voor de kleur die een LED uitstraalt. Een transparante cap kan immers ook rood, blauw, groen, amber of enig ander monochromatische kleur uitstralen

[bewerken] Witte led

Witte leds werden oorspronkelijk gemaakt door met behulp van een diep blauwe led ( golflengte 440nm) een fluorescerende laag ('fosfor') te belichten. Maar ook driekleurenleds of RGB-leds kunnen wit licht uitzenden.

[bewerken] 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.

[bewerken] Meer kleuren

Ook bestaan er tweekleurenleds. Dit zijn normale ledbehuizingen waarin echter twee leds zijn geïntegreerd die een verschillende kleur, veelal rood en groen, hebben. Door beide kleuren te laten oplichten ontstaat geel. Tweekleurenleds kunnen twee of drie pootjes hebben.

Een tweekleurenled met twee pootjes wordt wel heen-en-weerled genoemd, de kleur verandert door de polariteit van de stroom om te keren. Door de led op wisselstroom aan te sluiten ontstaat een mengkleur.

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, die een rode, een groene en (meestal twee) blauwe leds bevat waarmee het volledige kleurenspectrum bestreken kan worden. Ze worden onder andere toegepast in grote lichtkranten en beeldschermen en in bepaalde designmeubelen.

[bewerken] 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.

[bewerken] 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: cd × sr(steradiaal) → 25 000 × 2π(1-cos(20π/360)) = 2 386 millilumen = 2.4 lumen. Ter vergelijking: een 100 W gloeilamp haalt ca. 1200 lumen. dus om een 100W gloeilamp te vervangen zijn 1200/2.4 = 500 leds nodig 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.

[bewerken] 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.

[bewerken] 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, als men het aantal lumen per Watt beschouwt.

Een felle, witte led

Lichtstroom vergeleken

• De ouderwetse gloeilamp: 12 tot 15 lumen per watt (afhankelijk van het vermogen van de lamp).
• De halogeenspot: ca. 20 lumen per watt
• De modernste (2008) superfelle witte leds (type superflux): commercieel verkrijgbaar 40..60 lumen/W
• Een moderne spaarlamp (15 W): 55-60 lumen per watt
• TL-buizen: ca. 100 lumen per watt, met een Colour Rendering Index van 95 (Philips)
• 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 84.000 uur meegaan. Deze levensduur is gebaseerd op een technische uitval van maximaal 10% en een maximale lichtterugval van 10% . 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 groter en zwaarder. Harde schriftelijke garanties over levensduur en lichtopbrengst geeft echter bijna geen enkel bedrijf.

Leds met een hoog vermogen zijn minder efficiënt qua lichtopbrengst per watt (bijvoorbeeld, Luxeon K2 van Philips: 24 lumen per watt [2008]) in vergelijking met kleinere leds (bijvoorbeeld, superflux 4-chip-keds: 44 lumen per watt [2008]). Een kleinere led is wel heel efficiënt in lichtopbrengst per watt, maar geeft maar weinig licht (3 à 5 lumen) doordat de maximale elektrische stroom door de led niet groot mag zijn.

[bewerken] Halfwaardetijd

De halfwaardetijd is het aantal uren dat een led kan branden totdat hij nog maar de helft van het licht uitstraalt. Bij eenvoudige gekleurde leds is deze tijd zeer lang, maar bij leds die fel wit licht uitstralen kan die tijd tussen 5000 en 50 000 uur liggen. Dat betekent dat wanneer een goedkope witte led als achtergrondverlichting constant aan staat, deze na een aantal maanden nog maar half zo fel is. De halfwaardetijd hangt af van de gekozen materialen en constructie van de led. De halfwaardetijd wordt overigens zelden opgegeven door fabrikanten van witte leds. Een led kan bewust op een lagere stroom gezet worden, om de halfwaardetijd te verlengen.

[bewerken] 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.

[bewerken] Toepassingen

Een beeldscherm met afzonderlijke rode, groene en blauwe leds.

Leds in de achterlichten van een Audi A6.

Leds worden tegenwoordig alom toegepast in consumentenelektronica als infraroodzender in afstandsbedieningen en spannings- of signaalindicators, 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. Audi was één van de eerste autoproducenten die leds grootschalig toepaste in haar productiemodellen. Zo is de Audi R8 de eerste auto waarbij de koplampen volledig uit leds bestaan. 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 dan gloeilampen of gasontladingslampen.

Ook voor straatverlichting worden leds op beperkte schaal gebruikt, zoals in Amsterdam. Op termijn worden leds gezien als een goed alternatief voor andere soorten verlichting waarbij een langere levensduur en een lager energieverbruik bereikt wordt dan met andere lichtbronnen.

[bewerken] 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.

De laatste tijd is er ook een grote opmars van ledverlichting in de evenementenbranche. Door het aanzienlijk lagere stroomverbruik is dit een uitermate geschikte oplossing. Veelal wordt deze toepassing gebruikt bij videowalls, grote ledbakken waar beeld over loopt.

[bewerken] 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 grafieken hiernaast).

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, U_s: voedingsspanning, U_l: 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 Ω uit de E12-reeks)

Voor de zwakstroomleds, 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 (dus geen spanningsbron). 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 ledspanning 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.

[bewerken] Trivia

• Net als bij andere halfgeleiderdiodes kan een led licht in stroom omzetten. Het principe is hetzelfde als bij een fotodiode. De led is echter niet geoptimaliseerd voor deze eigenschap.
• In veel goedkope ledzaklampjes wordt de voorschakelweerstand uit kostenoverwegingen weggelaten, omdat knoopcellen een vaste uitgansspanning hebben die nooit hoger komt dan de maximale spanning die een led kan verdragen. Dit heeft te maken met de stroom die exponentieel toeneemt als de spanning stijgt (Shockley's diode vergelijking). Een kleine variatie in de spanning kan een enorme toename in stroom betekenen en de led permanent beschadigen.
• Meestal is de langste aansluitpoot van een led (ìn de led de kleinste elektrode met de bonddraad) de positieve aansluiting.
• Meestal is dan het platte kantje aan de ronde kunststof rand van de led de negatieve aansluiting
• De honderd meter hoge koeltoren van Electrabel in Drogenbos, nabij Brussel wordt sinds begin december 2005 verlicht met bijna 100 000 leds. Deze zijn verspreid over 57 lichtlijnen van lampjes in rode, groene en blauwe kleuren.

[bewerken] Zie ook

• Charlieplexing
• Ledlamp

Meer afbeeldingen die bij dit onderwerp horen, zijn te vinden op de pagina LED op Wikimedia Commons.

Door op de afspeelknop te klikken kunt u dit artikel beluisteren. Na het opnemen kan het artikel gewijzigd zijn, waardoor de tekst van de opname wellicht verouderd is. Zie verder info over deze opname of download de opname direct (meer info over gesproken Wikipedia)

Lampen
Argandse lamp · Booglamp · CCFL · Davylamp · EEFL · Elektrodeloze lamp · Fluorescentielamp · Gaslicht · Gasontladingslamp · Gloeilamp · Halogeenlamp · Hogehelderheidsled · Jablochkoff-kaars · Kaars · Kalklicht · Knijpkat · Kwiklamp · Lantaarn · Ledlamp · Metaalhalidelamp · Natriumlamp · Neonlamp · Nernstlamp · Olielamp · Petroleumlamp · Spaarlamp · TL-buis · Xenonlamp · Zaklantaarn