Een led is een elektronische component, een halfgeleider die licht
uitzendt als er een elektrische stroom in doorlaatrichting doorheen wordt
gestuurd.
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.
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. 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.
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 behuizing is
niet bepalend voor de kleur die een led uitstraalt. Een
transparante behuizing kan immers ook rood, blauw, groen,
geel of enig ander monochromatische kleur uitstralen.
Witte led
Witte leds werden oorspronkelijk gemaakt door met behulp van
een diepblauwe led ( golflengte 440nm) een fluorescerende
laag ('fosfor') te belichten. Ook driekleurenleds of RGB-leds
kunnen wit licht uitzenden.
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.
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.
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.
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.
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, en zijn niet veel
duurder.
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.
Levensduur
Branduren
Een led kan veel meer uren lichtgeven dan een spaarlamp
voordat hij defect gaat. Vaak komen we op verpakkingen van
ledverlichting tegen dat deze zeker 30 000-50 000 uur zou
moeten meegaan. Van cruciaal belang bij een ledlamp is dat
de warmte goed afgevoerd wordt. Gebeurt dat niet, dan gaat
de levensduur van de led aanzienlijk achteruit. Ook de
kwaliteit van de elektronica is van belang.
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.
L70 en L50
Het document "LED Life for General Lighting: Definition of
Life"[1] wil een definitie voorstellen van nuttige
levensduur voor een led en definieert o.a. L70 en L50. L70
is een terugval van 30 % licht t.o.v. het licht na een
bepaald aantal branduren, waarbij het document aangeeft dat
de led aan het einde van zijn levensduur is. Voor
gelijkstroom LEDs ligt de L70 waarde voor LEDs van
vooraanstaande fabrikanten op 50.000 uur. De L50 waarde ligt
als gevolg nog hoger. Dit omdat men in dat geval accepteerd
dat de LED 50% degradeerd voor wat betreft de output. Voor
kwalitatief hoogwaardige toepassingen wordt doorgaans de L70
waarde gehanteerd.
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 lagedruknatriumlamp.
* april 2007: Philips claimt een led te hebben met 70 lumen
per watt die gedurende de hele levensduur wel constant
blijft.
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.
Een andere toepassing van leds in consumentenelektronica is
het gebruik van leds als backlight in televisies en
computermonitoren. Traditionele beeldschermen gebruiken
ccfl's als backlight om de verscheidene pixels te verlichten.
Een verschijnsel dat vaak optreedt bij deze methode van
verlichten is "backlight bleeding." Omdat elke ccfl
afzonderlijk een groot gebied verlicht komt het vaak voor
dat de ccfl gebieden belicht die niet zouden moeten worden
verlicht. Dit is vooral zichtbaar bij een volledig zwarte
afbeelding. Aan de randen van het scherm is de kleur dan
lichter dan op de rest van het scherm. Dit kan als storend
worden ervaren. Door het gebruik van leds als backlight
wordt dit verschijnsel minder en mits goed geplaatst
verbannen. Door elke led een klein doelgebied te geven en de
optie te installeren om elke afzonderlijke led wel of niet
te laten branden lekt er minder licht weg aan de zijkanten
en kunnen zwarte afbeeldingen beter worden weergegeven.
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, Us: voedingsspanning, Ul: werkspannings
van de led, R: voorschakelweerstand.
frac{U_{s}-U_{i}}{I} = R
Het invullen van de waarden voor een rode led: 20 mA, 1,6 V
werkspanning en 5 V voedingsspanning levert op:
frac{5,0-1,6}{0,02} = 170 Omega (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 uitgangsspanning 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.
