Led
Een led (van het Engels: light emitting diode) is een elektronische component, een diode die licht uitzendt als er een stroom in doorlaatrichting (zie diode) doorheen wordt gestuurd. Nick Holonyak heeft in 1962 de eerste werkende led ontwikkeld.
 |
 |
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 is ook de reden dat 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. Omdat 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
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 (2005) doet de blauwe led nauwelijks onder voor de groene.
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.
Infrarode led
Vrijwel alle afstandbedieningen 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 optokoppels (Eng. opto coupler), veiligheidscomponenten waarbij de zendende zijde en de ontvangende zijde elektrisch deugdelijk geïsoleerd zijn.
Energieverbruik en levensduur
Monochromatische leds hebben meestal een aanzienlijke energie-efficiëntie en slijten niet door gebruik. Er bestaan diverse gangbare formaten, varierend van 3 mm tot 12 mm, waarvan 3 en 5 mm de gangbaarste zijn. Ze kunnen door pootjes of aansluitcontacten op een printplaat worden vastgesoldeerd of met behulp van SMD-techniek direct op de printplaat gemonteerd.
Optische eigenschappen
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) hebben een zeer smalle openingshoek (minder dan 10 graden). 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 indicator.
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.
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.
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 LED's) wit licht uit te laten stralen is het potentiële toepassingsgebied aanzienlijk toegenomen.
Een serie LED's op rij wordt ook gebruikt voor derde remlicht; gemonteerd achter de achterruit van een auto. De laatste tijd zien we ook veel LED's verschijnen in tuinverlichting, die via een zonnecel energie opslaat in een batterij, om dit 's avonds bij het invallen van de duisternis, in opdracht van een lichtgevoelige sensor, weer af te geven aan het LEDje. Zodoende is geen ondergrondse bekabeling meer nodig.
Met een bijzondere 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 LED's hebben wel een beperkte levensduur. Bij gebruik van enkele uren per dag, zal zo'n LED ruwweg 8 jaar meegaan.
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.
Ook bestaan er tweekleurenleds. Dit zijn normale led-behuizingen waarin echter twee leds zijn geïntegreerd die een verschillende kleur, veelal rood en groen, hebben. Tweekleurenled's 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.
Elektrische eigenschappen
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 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 led's tot wel 3,5 V bij witte en blauwe led's (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.
- R = ( (Us - Ul) / I)
Het invullen van de waarden voor een rode led: 20 mA, 1,6 V werkspanning en 5 V voedingsspanning levert op:
Dan hebben we nog de Low-current-LED's die aan 2-4 mA genoeg hebben.
De lichtsterkte wordt uitgedrukt in "mcd" en varieert van 1,6 tot 25.000 mcd.
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, kennelijk met de gedachte dat de kleine batterijtjes (knoopcellen) een voldoende grote inwendige weerstand hebben.
