Light-Emitting Diodes (LED's) zijn efficiënte halfgeleiders die licht genereren via een proces dat bekend staat als elektroluminescentie. Ze zijn kleiner, gaan langer mee en zijn betrouwbaarder dan gloeilampen of fluorescentielampen. Met toepassingen in verlichting, displays en gespecialiseerde velden bieden LED's hoge prestaties en energiebesparingen. Dit artikel geeft informatie over de werking van LED's, hun kenmerken, levensduur en geavanceerde typen.
LED-overzicht
Een Light-Emitting Diode (LED) is een halfgeleiderapparaat dat licht genereert wanneer er stroom doorheen stroomt in voorwaartse richting. In tegenstelling tot gloeilampen, die gloeien door een gloeidraad te verhitten, of fluorescentielampen die afhankelijk zijn van gasexcitatie, functioneren LED's door middel van elektroluminescentie, de directe emissie van fotonen als elektronen recombineren met gaten in de halfgeleider. Dit proces maakt ze veel efficiënter en betrouwbaarder dan oudere technologieën. LED's onderscheiden zich door hun compacte ontwerp, lange levensduur, duurzaamheid tegen schokken en trillingen en minimaal stroomverbruik.
Lichtemissie in halfgeleiders
Deze afbeelding legt het proces van lichtemissie in halfgeleiders uit, wat het werkingsprincipe is achter LED's. Wanneer een halfgeleider wordt geëxciteerd door elektrische stroom of optische injectie, verplaatsen elektronen zich van de valentieband naar de geleidingsband, waardoor een scheiding ontstaat tussen elektronen en gaten. Dit energieverschil wordt de band gap (Eg) genoemd.
Eenmaal opgewonden, recombineert het elektron in de geleidingsband uiteindelijk met een gat in de valentieband. Tijdens dit recombinatieproces komt de verloren energie vrij in de vorm van een foton. De energie van het uitgezonden foton komt precies overeen met de bandkloof van het materiaal, wat betekent dat de golflengte (of kleur) van het licht afhangt van de bandkloof van de halfgeleider.
LED elektrische kenmerken
| LED-kleur | Voorwaartse spanning (Vf) | Voorwaartse stroom (mA) | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Rood | 1,6 – 2,0 V | 5 – 20 mA | Laagste Vf, zeer efficiënt |
| Groen | 2,0 – 2,4 V | 5 – 20 mA | Iets hogere Vf |
| Blauw | 2,8 – 3,3 V | 5 – 20 mA | Vereist meer spanning |
| Wit | 2,8 – 3,5 V | 10 – 30 mA | Gemaakt met blauwe LED + fosforcoating |
LED-lichtopbrengst en efficiëntie
| Lichtbron | Werkzaamheid (lumen per watt) | Opmerkingen |
|---|---|---|
| Gloeilamp | \~10–15 lm/W | De meeste energie gaat verloren in de vorm van warmte |
| Halogeenlamp | \~15–25 lm/W | Iets beter dan gloeilamp |
| TL-buis | \~50–100 lm/W | Vereist ballast, bevat kwik |
| Compact fluorescerend (CFL) | \~60–90 lm/W | Kleine vormfactor, wordt uitgefaseerd |
| Moderne LED | 120–200 lm/W | Verkrijgbaar in consumentenverlichting |
| Hoogwaardige LED-prototypes | 250–300+ lm/W | In het laboratorium getest, met toekomstpotentieel |
LED-kleur- en weergavekwaliteit
Gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT)
• Warm wit (2700K-3500K): Produceert een gelige gloed, het beste voor woonkamers, restaurants en gezellige binnenomgevingen.
• Neutraal wit (4000K-4500K): Evenwichtig en comfortabel, vaak gebruikt in kantoren, klaslokalen en winkelruimtes.
• Koel wit (5000K-6500K): helder, blauwachtig daglichtachtig licht, uitstekend geschikt voor buitenverlichting, werkplaatsen en omgevingen met veel taken.
Kleurweergave-index (CRI)
• CRI ≥ 80: Geschikt voor huishoudelijke en commerciële verlichting.
• CRI ≥ 90: Vereist in gebieden die een nauwkeurige kleurbeoordeling vereisen, zoals kunststudio's, medische faciliteiten en high-end winkels.
Levensduur van de LED en lumenbehoud
De L70-standaard
De levensduur van de LED wordt gemeten aan de hand van de L70-norm. Deze waarde geeft het aantal branduren weer totdat de lichtopbrengst van de LED daalt tot 70% van de oorspronkelijke helderheid. Op dit moment is de LED nog steeds functioneel, maar biedt hij niet meer de beoogde verlichtingskwaliteit. L70 zorgt voor een consistente manier om LED-prestaties van verschillende fabrikanten te vergelijken.
LED-levensduur
• LED's voor consumenten: 25.000 – 50.000 uur gebruik.
• Industriële LED's: 50.000 – 100.000+ uur, ontworpen voor zwaardere omstandigheden en hogere inschakelduurcycli.
LED-thermisch beheer
Junctie temperatuur (Tj)
De junctietemperatuur is de interne temperatuur op het punt waar licht wordt gegenereerd in de LED-chip. Fabrikanten geven een veilig werkbereik onder 125 °C aan. Als deze waarde wordt overschreden, worden de helderheid, efficiëntie en levensduur van de LED verminderd. Door Tj laag te houden, zorgt u ervoor dat de LED zijn nominale prestaties kan halen.
Junctie-naar-omringend thermisch pad
De warmte die in de LED wordt geproduceerd, moet van de overgang naar de omringende lucht gaan. Dit pad wordt het junction-to-ambient pad genoemd. Ontwerpers meten de effectiviteit ervan aan de hand van de thermische weerstand (RθJA), uitgedrukt in °C/W. Een lagere thermische weerstand betekent dat de warmte efficiënter wordt overgedragen, waardoor de LED koeler en stabieler blijft.
Koelmethoden
• Koellichamen - Aluminium vinnen absorberen en verspreiden warmte weg van de LED.
• Thermische via's - Kleine geplateerde gaten in de printplaat geleiden warmte van de LED-pad naar de koperlagen.
• PCB's met metalen kern (MCPCB's) - Deze borden worden gebruikt in krachtige LED's en hebben een metalen basis die warmte efficiënt overdraagt.
• Actieve koeling - Ventilatoren of vloeistofkoelsystemen worden gebruikt in veeleisende omgevingen zoals projectoren, stadionverlichting of industriële armaturen.
LED-rijmethoden
Constante stroomdrivers
Een driver met constante stroom houdt de LED-stroom stabiel, zelfs als de voedingsspanning fluctueert. Dit is de meest betrouwbare manier om LED's van stroom te voorzien, omdat het thermische runaway voorkomt en een consistente lichtopbrengst behoudt. Hoogwaardige drivers bevatten vaak beveiligingen tegen kortsluiting, pieken en oververhitting.
PWM dimmen
Pulse Width Modulation (PWM) regelt de helderheid door de LED met zeer hoge snelheden aan en uit te zetten. Door de inschakelduur (de verhouding tussen aan-tijd en uit-tijd) aan te passen, verandert de waargenomen helderheid soepel. Omdat de schakelfrequentie boven het detectiebereik van het menselijk oog ligt, lijkt het licht constant. Slecht ontworpen systemen met laagfrequente PWM kunnen zichtbare flikkering veroorzaken, wat leidt tot vermoeide ogen of camera-artefacten.
Analoog dimmen
Bij analoog dimmen wordt de helderheid aangepast door de amplitude van de stroom die door de LED loopt te veranderen. Deze methode voorkomt flikkerproblemen, maar kan de kleur van de LED enigszins verschuiven, vooral bij zeer lage helderheidsniveaus. Analoog dimmen wordt vaak gecombineerd met PWM in geavanceerde systemen om zowel een soepele kleurregeling als een nauwkeurige helderheidsregeling te bereiken.
LED-verpakking en optica
LED's voor opbouwapparaten (SMD)
SMD-LED's zijn het meest gebruikte type in moderne verlichting. Ze worden direct op de printplaat gemonteerd en zijn verkrijgbaar in standaardmaten zoals 2835 en 5050. SMD-LED's bieden een goede efficiëntie en flexibiliteit, waardoor ze het beste zijn voor LED-strips, huishoudelijke lampen en paneelverlichting. Hun compacte formaat maakt eenvoudige integratie in dunne en lichtgewicht armaturen mogelijk.
Chip-on-Board (COB) LED's
COB-pakketten monteren meerdere LED-matrijzen direct op een enkel substraat, waardoor een dichte lichtbron ontstaat. Dit ontwerp biedt een hogere helderheid, een vloeiendere lichtopbrengst en minder verblinding in vergelijking met individuele SMD's. COB-LED's zijn te vinden in spots, downlights en high-power lampen, waar een sterke gerichte verlichting vereist is.
LED's voor chipschaalpakket (CSP)
CSP-technologie elimineert omvangrijke verpakkingen, waardoor de LED bijna even groot is als de halfgeleidermatrijs zelf. Dit zorgt voor kleinere, efficiëntere en thermisch stabiele ontwerpen. CSP-LED's worden veel gebruikt in koplampen van auto's, achtergrondverlichting van smartphones en displaypanelen, waar compactheid en duurzaamheid vereist zijn.
Optica en straalregeling
Het ruwe licht uit een LED pakket is niet altijd geschikt voor direct gebruik. Om licht vorm te geven en te richten, gebruiken ontwerpers optische elementen zoals lenzen voor het focussen of verspreiden van licht. Reflectoren om stralingshoeken om te buigen en te regelen. Diffusors voor een zachte, gelijkmatige verlichting.
Gespecialiseerde LED-typen
UV-LED's
Straal ultraviolet licht uit voor sterilisatie, uitharding van lijm en detectie van vervalsingen. Veilig, compact alternatief voor kwik UV-lampen.
IR-LED's
Produceer onzichtbaar infrarood licht voor afstandsbedieningen, nachtzicht en biometrische systemen. Efficiënt en veel gebruikt in elektronica en beveiliging.
OLED's
Dunne, flexibele organische LED's worden gebruikt in smartphones, tv's en wearables. Lever levendige kleuren en contrast, maar heb een kortere levensduur.
Micro-LED's
Next-gen schermen die helderdere, efficiëntere en duurzamere prestaties bieden dan OLED's. Het beste voor AR/VR, tv's en smartwatches.
Laser diodes
Halfgeleiderapparaten die coherente bundels met hoge intensiteit creëren. Gebruikt in glasvezel, scanners, medische hulpmiddelen en laserpointers.
Conclusie
LED's hebben zich ontwikkeld tot veelzijdige componenten die worden gebruikt in verlichting, displays en geavanceerde technologieën. Hun efficiëntie, duurzaamheid en controleerbaarheid onderscheiden ze van oudere lichtbronnen. Gespecialiseerde vormen zoals UV, IR, OLED's en micro-LED's breiden hun rol nog verder uit. Met voortdurende verbeteringen blijven LED's centraal staan in de toekomst van duurzame en krachtige verlichtingssystemen.
Veelgestelde vragen [FAQ]
1e vraag. Van welke materialen zijn LED's gemaakt?
LED's zijn gemaakt van halfgeleiders zoals galliumarsenide (GaAs), galliumfosfide (GaP) en galliumnitride (GaN).
Vraag 2. Waarom hebben LED's weerstanden nodig?
Weerstanden beperken de stroom en beschermen LED's tegen doorbranden.
Vraag 3. Hoe worden witte LED's gemaakt?
Witte LED's gebruiken een blauwe LED-chip met een gele fosforcoating om wit licht te creëren.
4e kwartaal. Waarom veranderen LED's in de loop van de tijd van kleur?
LED's verschuiven van kleur als gevolg van hitte en materiaaldegradatie, evenals fosfordegradatie.
Vraag 5. Kunnen LED's werken in extreme omgevingen?
Ja. Met het juiste ontwerp kunnen LED's werken in zeer koude, warme, vochtige of stoffige omstandigheden.
Vraag 6. Hoe wordt de levensduur van LED's getest?
LED's worden getest met thermische, vochtigheids- en elektrische belasting om de levensduur te schatten.