De LED (Light Emitting Diode) is een revolutie in de verlichtingstechniek. Als vervanger van de huidige lichtbronnen heeft de LED veel potentie, echter de LED heeft ook zijn beperkingen. Om wat meer te weten te komen over LED's kunt u zich suf zoeken op internet. U kunt echter ook verder lezen. Hier vindt u wat meer informatie over  de historie, technologie en over het dimmen van LED's. 

[ HISTORY ]  [ TECHNOLOGIE ]  [ DIMMEN ] 

[ HISTORIE ] [ ▲ ]
 
 
Iedereen kent ze wel, de kleine lichtgevende dioden (LED's) die veel toegepast worden in elektrische en elektronische apparaten. Ze dienen als indicator voor aan/uit en gaan eigenlijk "nooit" defect. Maar u kent ze bijvoorbeeld ook van lichtgevende horlogecijfers in de zeventiger jaren en als gloeilampvervangers in verkeerslichten. Momenteel maakt de LED als witlichtbron, een stormachtige ontwikkeling door en brengt op verlichtingsgebied een ware revolutie teweeg. Toch staat de toepassing van LED als witlichtbron nog in de kinderschoenen.  Wist u trouwens dat de LED al meer dan 100 jaar oud is??....leest u maar verder:

Hoewel de LED, of in elk geval het principe erachter, reeds lang bekend was, duurde het nog een hele tijd voordat deze voor een praktische toepassing beschikbaar kwam. In 1962 is door Nick Holonyak Jr. de eerste praktisch toepasbare LED ontwikkeld. Na de ontwikkeling van halfgeleiders, waar de diode en met name lichtdiode deel van uitmaken, is de wereld om ons heen dramatisch veranderd.

       

In eerste instantie zijn de LED's alleen te leveren in de bekende kleuren rood, groen en geel (of amber). Mede door de lage lichtsterkte vinden ze slechts toepassing als signalering indicator. Hogere licht intensiteiten realiseerde men door het licht van de diode te bundelen en daarna te clusteren, zoals dit bij de verkeerslichten wordt gedaan. Maar verlichting anders dan discotheek achtige toepassing waren moeilijk te realiseren.
In 1993 wordt door Shuji Nakamura, in dienst van Nichia, de blauwe LED op basis van galliumnitride (GaN) ontwikkeld. Het is nu mogelijk om in combinatie met rode en groene LED's (RGB) licht met een breed kleurenspectrum creëren. Op deze manier kan men ook witlicht mengen. Er zijn dan wel 3 LED's voor nodig.  

De blauwe LED is in hoog tempo doorontwikkeld tot een product met een hoge lichtoutput. Door een blauwe LED chip met een optimale mix van fosfor en filtermateriaal af te dekken ontstaat er een lichtkleur met een aangename wittint. O.a. deze fosfortechnologie heeft voor een ware doorbraak van de LED in de verlichting techniek gezorgd. Tezamen met de voordelen van laag energie gebruik en lange levensduur (de LED is een Solid State produkt) is de ontwikkeling van de LED als lichtbron in een ware stroomversnelling gekomen. Momenteel zijn bijvoorbeeld kant en klare producten op de markt waarmee door middel van LED's het volledige kleurspectrum van warmwit licht (2700K) tot daglichtwit (6500K), zonder verlies aan kleurweergave (Ra), kan worden doorlopen.
 
De ontwikkeling staat echter niet stil. Toepassing van LED's is een ware trend in de algemene verlichting. Er zijn echter nog een aantal uitdagingen te overwinnen. Hoge temperaturen vormen een bedreiging voor de levensduur van LED's, maar ook aan de kleurweergave van LED's kan nog het nodige gesleuteld en verbeterd worden. Enkele fabrikanten zijn hierbij echter al op de goede weg. Wordt dus vervolgd.

Š  2013 JJA

                                

 

 
[ TECHNOLOGIE ] [ ▲ ]

 
LED's zijn halfgeleider componenten die vanwege de fysieke samenstelling licht uitstralen. De opbouw van een LED is zoals die van een diode. Er wordt voor de halfgeleiderlagen veelal gebruik gemaakt van het in de natuur veel voor voorkomende materiaal silicium. Silicium (Si) heeft een hechte kristalstructuur en is elektrisch neutraal. In de buitenste atoomschil treffen we 4 valentie elektronen aan. In de atoomstructuur combineren deze elektronen zich met naburige (valentie) elektronen van andere silicium atomen zie de figuur. Daardoor ontstaat er een stabiele structuur met in de buitenste schil een combinatie van 8 valentie elektronen. De binding van de valentie elektronen met hun atoomkern is echter niet superhecht. Het kom regelmatig voor dat een of meerdere elektronen uit de structuur losbreekt en gaat zwerven. Het elektron laat een gat achter (positieve lading) wat door een ander elektron (negatieve lading) opgevuld kan worden. Als er een veldsterkte wordt aangelegd, zal er een minimale elektronenbeweging (en natuurlijk de daarmee samenhangende gatenverplaatsing) plaats vinden. Silicium als zuiver materiaal is echter een goede isolator.
 

P en N lagen
Wanneer we het neutrale Si "verontreinigen" met atomen waarvan de buitenste schil 3 of 5 elektronen bevat, dan zal dit voor een tekort of een overschot aan elektronen in de atoomstructuur zorgen Dit "doteren" gebeurt vaak met fosfor of arceen (3 valentie elektronen) of borium of gallium (5 valentie elektronen). Er ontstaat resp. N-halfgeleider materiaal (er is immers een overschot aan negatieve elektronen die zich nergens aan kunnen binden) of P-halfgeleider materiaal (een tekort aan elektronen veroorzaakt een overschot aan positieve gaten in de atoomstructuur). Van cruciaal belang is het om je te realiseren dat, hoewel het materiaal N of P genoemd wordt, het elektrisch neutraal is. P of N geeft uitsluitend de polariteit van de vrije ladingdragers aan.
De uiteindelijke diode ontstaat als we de P en het N siliciumlagen samenvoegen. In het gebied waar Het P en het N materiaal elkaar raken, zal er een sterke elektronen en gatenbeweging plaatsvinden. De elektronen in het N gebied worden sterk aangetrokken door de gaten in het P gebied. Er vindt in deze PN overgang recombinatie van gaten en elektronen plaats. Het N gebied waar elektronen aan onttrokken zijn wordt daardoor positief. Het P gebied wordt negatief van lading. Het middengebied echter zal een barričre voor de elektronen en gaten gaan vormen. In dit gebied bevinden zich immers geen vrije ladingdragers meer. Er zal een evenwicht ontstaan
Geleiden / niet geleiden
Sluiten we een positieve spanning op de N laag van de diode aan dan wordt dit gebied nog meer positief. De negatieve spanning sluiten we aan op de P laag en deze wordt nog negatiever. We geven daardoor de PN overgang (barričre) alle gelegenheid om nog breder te worden en daardoor is geleiding (op een kleine lekstroom na) vrijwel uitgesloten. De diode spert. Het ompolen van de spanningsbron zal een omgekeerde werking hebben en de diode in doorlaatrichting schakelen, er zal daardoor elektrische geleiding optreden. Doordat de elektronen en gaten het spergebied ingeduwd worden zal de barričre dunner worden en daardoor kan er geleiding optreden. Deze geleiding treedt bij een silicium diode op als de spanning hoger wordt dan 0,6V
Licht emitteren
We hebben zojuist gezien dat bij het proces van geleiding een recombinatie van elektronen en gaten plaatsvindt. Tijdens de recombinatie zal een elektron een gat opvullen. Als er recombinatie optreed in een gelijke schil van het atoom zal er geen noemenswaardige energie vrij komen. Als een elektron in een (energetisch) lagere schil terecht komt dan zal er meer energie vrijkomen. De vrijgekomen energie kan, mits de juiste verontreiniging van de P en N lagen is toegepast, voor lichtuitstraling zorgen.
De tabel geeft voorbeeld van enkele combinaties van P en N doteringen met hun bijbehorende kleur. De doorlaatspanning van de LED wordt tevens groter naarmate de golflente van het licht afneemt.    
  • Gallium-aluminiumarsenide (AlGaAs) -Rood
  • Galliumarseenfosfide (GaAsP) -Amber
  • Galliumfosfide (GaP) - Groen
  • Siliciumcarbide (SiC) - Blauw
Witte LED's
Witte LED's bestaan niet. Wit licht is samengesteld uit een breed spectrum van kleuren. Met een LED wordt over het algemeen een monochromatisch (eenkleurig) meestal blauw licht opgewekt. Er zal een kleurconversie moeten plaatsvinden om dit monochromatische licht een breder spectrum mee te geven. Hiervoor worden fluorescerende materialen toegepast en over het algemeen wordt dit materiaal direct op de LED chip (Die) aangebracht. De juiste mix van fluorescerende materialen vult het ontbrekende lichtspectrum aan en zorgt daardoor voor de witte kleur. Tevens kan het nodig zijn om een deel van de oorspronkelijke LED kleur uit te filteren. Bij toepassing van de juiste technieken ontstaat zo een witte LED met de juiste kleurtemperatuur en het juiste spectrum. De keurweergave index Ra geeft hierbij een relatieve afwijking t.o.v. zuiver wit (Ra= 100) aan. Ra waarden vanaf 80 zijn goed en vanaf 90 worden ervaren als zeer natuurlijk.
Veel research en daaruit voortvloeiende patenten liggen aan de witte LED technologie ten grondslag. Er wacht tenslotte een grote "Markt" op deze ontwikkelingen. Een interessante animatie die een goed inzicht geeft in hoe een witte LED werkt, kunt u hier bekijken. 
 
[ DIMMEN ] [ ▲ ]
 
 
Laat u niets wijs maken: LED's zijn uitstekend te dimmen!! Als dimmen toch niet lukt dan wordt dit in de meeste gevallen veroorzaakt door de elektronica, waarop de LED is aangesloten. Helaas is het wel zo dat deze elektronica niet eenvoudig te verwijderen is. Dus wilt u dimmen raadpleeg ons vooraf.
Het dimmen van een LED gaat anders als bij gloeilampen. Een LED kun je dimmen door de gemiddelde stroom te reduceren, wat veel toegepast wordt bij stroomgestuurde (power)LED's. Bij spanningsgestuurde LED's is een veel gebruikte methode om om te dimmen door de LED te laten knipperen. Als het knipperen snel gaat dan wordt dit door de traagheid van het oog niet als zodanig ervaren. De verhouding tussen de aan- en uit- tijd zal voor het oog waargenomen worden als dimmen. Een lange uit-tijd geeft een laag lichtniveau. Een lange aan-tijd ervaren we als een hoog lichtniveau. Deze methode van dimmen noemen we PWM (Puls With Modulation = pulsbreedte regeling) en wordt in de elektronica veelvuldig toegepast. Als u wilt gaan dimmen moet u dus op de hoogte zijn van de werking van de lichtbron en het type van het dimsignaal.

Dimbare LED drivers en controllers zijn er in veel varianten. Een belangrijk aspect is het bedieningscomfort. Met andere woorden, hoe bedienen we de dimmer / driver. De dimactie kan worden geleverd door bijvoorbeeld een pulsdrukker, een draaiknop (potentiometer of 1-10v signaal), maar ook aansturing met een fasedimmer of een bussysteem (Bijvoorbeeld DMX = Digital MultipeXed of DALI = Digital Adressable Lighting interface) behoort tot de mogelijkheden. Veelal wil men bedienen met een afstandsbediening. Hiervoor kun je gebruik maken van IR (infra rood) of RF (radio frequente) signaaloverdracht. Van de meeste technieken is er veel expertise bij LEDtroniXX aanwezig. Schroom niet, laat u adviseren!!