Hoe werken leds?

Een LED (van het Engels: light emitting diode) is een elektronische component, een diode die licht uitzendt indien er een stroom in doorlaatrichting doorheen wordt gestuurd. Nick Holonyak heeft in 1962 de eerste werkende LED ontwikkeld.

Afbeelding

De LED bestaat uit een semi-conductor chip . Deze bestaat uit twee gedeelten, N en P gebied, die gescheiden worden door een isolator. Het N gebied is negatief geladen ofwel het gebied heft een overschot aan elektronen. Het P gebied is positief geladen en heeft een te kort aan elektronen. De isolator zorgt ervoor dat de elektronen het materiaal niet neutraliseert.

AfbeeldingDe elektronen in het N gebied bevinden zich in de hoogste energie baan. Op het moment dat er stroom op de halfgeleider wordt gezet, ofwel de N kant wordt aangesloten op de – van een energiebron en het P gebied wordt aangesloten op de + van een energiebron, worden er meer elektronen aangevoerd in het N gebied, hierdoor zullen de elektronen over de isolator springen in het P gebied. De elektronen vallen hierbij van hun hoogste energie baan naar de laagste. Hierbij komt energie vrij in de vorm van fotonen (Licht)

Hoe hoger de toegevoerde stroom des te hoger de lichtopbrengst, de efficiency neemt wel af naarmate de stroom hoger wordt.

 

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 1,5V en blauw 3,6V.

Een led straalt monochromatisch licht uit. Dit betekend dat een led licht uitstraalt van één enkele golflengte.

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

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.

Afbeelding

Witte LED's worden gemaakt door met behulp van een blauwe-led een fluorescerende laag ('fosfor') te belichten. Het fosfor zorgt ervoor dat een gedeelte van het blauwe licht wordt omgezet in geel licht. Geel en blauwe maakt samen wit licht. De samenstelling en hoeveelheid van het fosfor bepaalt de samenstelling van het witte licht.


Wit licht wordt ook wel gemaakt door de primaire kleuren Rood, Groen en Blauw (RGB) te mixen.

De uiteindelijke LED bestaat uit een combinatie van de halfgeleider, de behuizing en de primaire 

optiek, dit geheel wordt ook wel ledcomponent genoemd. Dit ledcomponent omvat en beschermt de halfgeleider, zorgt ervoor dat de intern gegenereerde warmte verspreid wordt, en bevat een primair optisch systeem om het gegenereerde licht van de led te verzamelen en uit te stralen in een gecontroleerd patroon (bundel).

 

2. Soorten leds

Er zijn verschillende manieren om ledlichtbronnen in te delen. Over het algemeen wordt de volgende indeling toegepast:

LEVEL 1 - LED Package of LED Component. Dit is een component bestaande uit een of meerdere ledchips, mogelijk met optiek en thermische, mechanische of elektrische interfaces. 

Afbeelding

LEVEL 2 - Een ledlichtbron die bestaat uit meerdere ledcomponenten, gemonteerd op een PCB (printplaat), al dan niet met geïntegreerde elektronica. 

 

LEVEL 3 - Ledlamp. Dit is hetzelfde als een ledmodule, maar dan met lampvoet (“lamp cap”). Dit worden ook wel "retrofit lampen" genoemd. Ze lijken qua uiterlijk op de conventionele lichtbronnen.

 Afbeelding

LEVEL 4 - Led light engine. Ledmodule of –lamp met driver, geschikt voor directe aansluiting op de netspanning.

 

Om een ledarmatuur te ontwerpen, kiest een verlichtingsfabrikant een van de vier integratieniveau’s om mee te werken. Vertrek je van niveau 1, heb je de grootste vrijheid om eigen accenten te leggen, zowel op het gebied van design als dat van performantie en lichttechniek. Werk je met niveau’s 3. of 4. heb je andere voordelen, zoals de logistieke mogelijkheden van de leverancier en een mogelijk geringere kostprijs. 

 

 

Voordelen van leds

1. LANGE LEVENSDUUR.

De nuttige levensduur van leds wordt sterk beinvloed door de specifieke gebruiksomstandigheden, waarbij stroom, interne en externe temperatuur de belangrijkste factoren zijn. Standaard gaat men uit van een levensduur van 50.000 uren. In principe zegt dit niet zo veel zonder erbij te vermelden hoeveel licht de lichtbron nog geeft na deze periode. De meeste fabrikanten claimen dat de lichtstroom gemiddeld 30% is afgenomen ten op zichte van zijn initiële waarde. Deze levensduur is van toepassing op voorwaarde dat de led binnen vooropgestelde temperatuurslimieten wordt gebruikt (typisch 80-85ºC). Indien men werkt met de juiste leds en een goed ontwerp, kunnen deze waarden beduidiend hoger liggen.

Nuttige levensduur van leds

Bij de bepaling van de levensduur van leds dient men onderscheid te maken tussen parametrisch falen (terugvallen van de licht- stroom) en catastrofaal falen (het werkelijk defect gaan van de led). Wanneer een fabrikant spreekt van een L70 levensduur bedoelt hij de tijd waarbinnen een bepaald percentage van de leds terugvalt op 70% van de orginele lichtstroom. Dit percentage van de leds wordt gegeven door B – bv. B50 duidt op 50%.

Bij het bepalen van deze levensduur wordt echter geen rekening gehouden met mogelijk defect gaande leds – deze worden uit de test verwijderd. Voor de gebruiker is echter ook een defecte led relevant. Wanneer de levensduur wordt bepaald mèt inbegrip van defect gaande leds spreekt men van de F-levensduur. Deze zal normaliter dus lager liggen dan de B-levensduur.
Zo staat bv. L70F10 voor de tijdsspanne waarbinnen 10% terugvalt tot minder dan 70% van de originele lichtstroom òf om een andere reden defect gaat. Internationale normen en aanbevelingen zullen de F-definitie van de levensduur van leds meer en meer gaan promoten en zelfs verplichten. 

Leds hebben een lange nuttige levensduur, maar zijn gevoelig aan cyclisch thermische spanningen en aan chemische en elektrostatische invloeden. Het aanraken van ledprintplaten zonder goede aarding is daarom uit den boze. Ook het direct aansluiten van leds aan een voeding die al onder spanning staat is te vermijden. De optredende stroompieken kunnen een led volledig vernietigen. 

Afbeelding

2. HOGE ENERGIE-EFFICIENTIE

Koudwitte leds met een kleurtemperatuur van 5.000 K (kelvin) halen vandaag in referentieomstandigheden al meer dan 160 lm/W. Leds met een lagere kleurtemperatuur van 2.700 tot 4.000 K (het meest gebruikt voor verlichtingstoepassingen in Europa) hebben doorgaans een lagere efficiëntie. In deze kleurtemperaturen zijn medio 2013 rendementen van 120 lm/W en meer commercieel beschikbaar. 

Specifieke lichtstroom (lm/W)

We spreken hier steeds over lm/W van de “lamp” (zoals bij fluo) onder referentieomstandigheden (25°C junctietemperatuur Tj voor leds). In reële gebruiksomstandigheden zullen de waarden lager liggen. De door de armatuur gerealiseerde efficiëntie ligt nog lager. Ter illustratie een voorbeeld van een led armatuur van een vooraanstaande led fabrikant:

Afbeelding

Ter vergelijking: een efficiënte reflectorarmatuur met fluorescentielamp 1 x 32W:

Afbeelding

Leds met een hoge kleurtemperatuur en dus kouder licht hebben een grotere efficiëntie dan dezelfde leds met een lagere kleurtemperatuur. Het luminescent materiaal dat wordt gebruikt om warm wit te creëren, bevat namelijk meer rood en de efficiëntie van deze rode component is lager dan die van de gele. Waardoor het globale rendement van de led daalt. Dit verschijnsel stopt bij 5000K. Bij hogere kleurtemperaturen stellen we geen toename meer vast. 5000K is dus momenteel de meest efficiënte kleurtemperatuur. 

Afbeelding

 3. GOEDE KLEURWEERGAVE EN KEUZE IN KLEURTEMPERATUUR.

Kleurtemperatuur

De kleurtemperatuur van een lichtbron voor wit licht is gedefinieerd als “de temperatuur van een zwart lichaam waarvan het uitgestraalde licht dezelfde kleurindruk geeft als de lichtbron”. De kleurtemperatuur wordt uitgedrukt in kelvin (K). Blauwig licht heeft een hogere kleurtemperatuur en wordt als ‘kouder’ ervaren dan licht met een lagere kleurtemperatuur.

Er bestaan verschillende onderverdelingen en benamingen, elk met hun referentie naar herkenbare kleurtemperaturen: 

Afbeelding

 Kleurweergave

De kleurweergave-index (CRI - Color Rendering Index in het Engels) van een lichtbron geeft de kwaliteit weer van de kleurweergave van door die lichtbron belichte objecten. Om tot die index te komen, vergelijken we de kleurweergave van objecten verlicht door de lichtbron met de kleurweergave van dezelfde objecten belicht door een zwarte straler (met dezelfde kleurtemperatuur).

De kleurweergave van leds is vergelijkbaar met die van fluorescentielampen en varieert – afhankelijk van de kleurtemperatuur – tussen 60 en 98. 

  • Voor gewone verlichtingstoepassingen in warmwit of neutraalwit gebruikt ETAP leds met een kleurweergave van 80 (volgens de norm NEN-EN 12464-1).

  • Voor batterijgevoede noodverlichtingssystemen is het rendement belangrijker dan de kleurweergave (een minimum kleurweergave van 40 is hier vereist). Vandaar dat we in noodverlichting gebruik maken van hoogefficiënte koudwitte leds met een kleurweergave van ongeveer 60. 

Bij witte leds met conversie door een luminescent materiaal wordt de kleurweergave ook bepaald door de keuze van het luminescent materiaal (fosfor). Bij RGB-kleurmenging worden de drie gesatureerde basiskleuren gemengd en zijn ook uitstekende kleurweergaves mogelijk. Al zijn de sturing en controle in dat geval complexer. 

LET OP! De kleurtemperatuur van led's verloopt gedurende de levensduur! Vaak worden eisen gesteld aan de afname in lichtintensiteit gedurende de levensduur, maar de kleurweergave is minimaal van het hetzelfde belang.

Ter vergelijk:

Fluo: Ra van  60  tot   98
Leds: Ra van 60  tot  98
Gloeilamp: Ra van 100     
CDM: Ra van 80  tot  95
Natriumlamp:  Ra van 0    
 

4. STABIELE OUTPUT OVER GROOT TEMPERATUURBEREIK.

In tegenstelling tot fluorescentielampen, zijn leds minder gevoelig voor de omgevingstemperatuur. Terwijl de relatieve lichtstroom bij fluorescentielampen drastisch afneemt bij omgevings- temperaturen hoger of lager dan 25°, vertonen leds alleen maar een geleidelijke daling bij hogere omgevingstemperaturen. Dit is een belangrijk voordeel in omgevingen met ongewone temperaturen (< of > 25°) of die onderhevig zijn aan temperatuurschommelingen (vb. industrie). Dit neemt niet weg dat het thermisch ontwerp van groot belang is: een doordachte temperatuurhuishouding is cruciaal om een maximale levensduur en lichtopbrengst te bereiken.

5. ONMIDDELIJK MAXIMALE OUTPUT BIJ OPSTARTEN.

Fluorescentielampen geven niet onmiddellijk na het opstarten de volledige lichtstroom. Leds daarentegen reageren direct op wijzigingen in de voeding. Na het aanschakelen bereiken ze onmiddellijk de maximale lichtstroom; zij zijn dan ook zeer geschikt voor toepassingen waar veelvuldig geschakeld wordt en het licht vaak maar een korte periode brandt. 

Dit blijft ook zo bij lagere omgevingstemperaturen, waarin ze zelfd beter werken. Van dit voordeel wordt bijvoorbeeld dankbaar gebruik gemaakt bij koel en diepvries toepassingen.

Bovendien kunnen leds, in tegenstelling tot bijvoorbeeld CDM-lampen, ook zonder problemen opnieuw aangeschakeld worden als ze nog warm zijn en heeft veelvuldig schakelen in de meeste gevallen geen negatieve invloed op de levensduur.

6. GOED DIMBAAR OVER EEN BREED BEREIK.

Leds kunnen op efficiënte wijze over een breed bereik worden gedimd (van quasi 0% tot 100%) of dynamisch aangestuurd. Dit kan op basis van gestandaardiseerde dim-methodes zoals DALI, 1-10 V of TouchDim.

De dimverliezen bij leds in de lagere dimbereiken zijn vergelijkbaar met de dimverliezen bij fluorescentielampen met de modernste dimballasten. Bij volledig dimmen bedraagt het residuele opgenomen vermogen nog 10% van het nominaal opgenomen vermogen. 

7. MILIEUVRIENDELIJK.

Uit LCA-studies* (Life Cycle Analysis studies – die de ecologische impact van een product van productie tot recyclage en verwerking bekijken) blijkt dat leds in vergelijking tot andere lichtbronnen het potentieel hebben om in de toekomst de kleinste ecologische voetafdruk te hebben. Bovendien bevatten ze geen kwik, wat bij fluorescentielampen wel het geval is.

* Assessment of Ultra-Efficient Lamps; Navigant Consulting Europe; 5 mei 2009. 

8. GEEN IR- OF UV-STRALING.

Leds ontwikkelen geen ultraviolet (uv-) of infrarood (ir-) straling in de lichtbundel*. Dit maakt hen uitermate geschikt voor omgevingen waarin zulke straling vermeden dient te worden, zoals in musea, winkels met levensmiddelen of modewinkels.

De led zelf genereert wel warmte, maar die wordt naar achter geleid, weg van het te verlichten object. Ook de uitgestraalde lichtbundel vertegenwoordigt energie die bij absorbtie wordt omgezet in warmte.

* De behuizing daarentegen genereert wel IR-straling (door warmte). 

 

Ledfabrikanten

Momenteel zijn er een beperkt aantal fabrikanten met eigen halfgeleiderproductie (voor witte leds) actief, enkele voorbeelden: Cree (US), Philips Lumileds (US), Osram (DE), Nichia (JP) en Toyoda Gosei (JP).

Daarnaast zijn er een groot aantal fabrikanten die halfgeleidermateriaal en luminescentie materialen aankopen en ze zelf tot level-1 of level-2 ledcomponenten assembleren. De bekendste voorbeelden zijn: Citizen, Bridgelux, Xicato, Luminus, GE, Edison, Seoul Semiconductor, Samsung, Panasonic, Toshiba en LG.

Wij hanteren een aantal criteria om de fabrikanten te selecteren waarmee we al dan niet mee samenwerken. De voornaamste criteria zijn: performance, prijs, documentatie (aantoonbare gegevens met referentie naar de gangbare normen), langetermijnbeschikbaarheid (belangrijk voor de continuïteit). 

De toekomst van leds

De ledtechnologie ontwikkeld zich razendsnel.

  • De specifieke lichtstroom van leds neemt steeds verder toe. Vandaag laten ze qua lichtopbrengst halogeen-, gloei- en compacte fluorescentielampen ver achter zich. Qua efficiëntie en/of specifiek vermogen streven sommige ledarmaturen de meest efficiënte fluorescentie-oplossingen nu zelfs voorbij. Grofweg kan men stellen dat er zich de voorbije jaren voor hetzelfde lumenpakket een prijsdaling van 25% heeft voorgedaan of dat je voor dezelfde prijs 10% meer lichtoutput kreeg. Algemeen verwacht men de komende 5 jaar de limiet te bereiken bij 180 - 200 lm/W voor warme kleuren en 240 - 250 lm/W bij de koudere kleuren.

  • Nieuwe technologieën worden nog steeds ontwikkeld om de efficiëntie en de kosten op langere termijn te verbeteren.

  • Er is een steeds betere controle van kleur en dus zijn er nauwere kleurenbinnings, waardoor sommige fabrikanten nog maar één bin aanbieden (3 SDCM).