Led

thumb|Leds in verschillende kleuren thumb|HP-35 wetenschappelijke zakrekenmachine, met ledscherm thumb|Elektrisch symbool van een led, met links de anode (+) en rechts de kathode (-) thumb|Opbouw van een led 1. epoxyharslens (behuizing) 2. draadverbinding 3. reflector 4. halfgeleiderkristal 5. aambeeld 6. ondersteuning 7. frame 8. afgeplatte zijde A. anode B. kathode Een led (van het Engelse light-emitting diode) is een elektronische halfgeleidercomponent opgebouwd als een diode die bij stroomdoorgang in de doorlaatrichting licht uitstraalt. Dit kan zichtbaar licht in diverse kleuren zijn, maar ook infraroodstraling of ultraviolette straling. Na de uitvinding ervan in 1962 werden leds aanvankelijk alleen gebruikt als indicatorlampje en voor signaaloverdracht. Vervolgens werden ze ook gebruikt voor (zak)rekenmachines, zoals de HP-35, met cijfers opgebouwd uit rode streepjes (zevensegmentendisplay). Als gevolg van technologische verbeteringen is de lichtopbrengst toegenomen en aan het eind van de jaren 1990 konden leds geproduceerd worden die geschikt waren als lichtbron voor het gewone dagelijkse gebruik. Meestal is een led ingebouwd in een kleine doorzichtige behuizing van een paar millimeter groot, die tevens als lens fungeert.

Naam Het woord led is een afkorting van light-emitting diode, in het Nederlands: 'licht-emitterende diode' of 'lichtuitstralende diode'. Vandaag de dag is het woord in het Nederlands zo ingeburgerd dat het niet meer als een acroniem (letterwoord) gevoeld wordt. De Nederlandse Taalunie heeft om die reden besloten dat het woord zonder hoofdletters geschreven moet worden en zonder apostrof in het meervoud (vergelijkbaar met radar en laser). In het Engels, daarentegen, schrijft men LED, wat wordt uitgesproken als "el-ie-die".

In vertalingen, onder andere uit het Duits, leest men vaak 'lichtdiode'.

Behalve de eigenlijke diode wordt ook het geheel van de halfgeleider met reflector, contactpunten en behuizing/lens (zie de tekening) led genoemd. Worden verscheidene van zulke leds gecombineerd in een grotere behuizing, dan spreekt men van een ledlamp.

Geschiedenis In 1907 ontdekte de Britse radiopioneer Henry Joseph Round dat het contactpunt van een kristaldetector licht kan geven, ook merkte hij dat verschillende materialen en spanningen verschillende kleuren kunnen leveren.Dr. Thomas Scherer, Elektor, januari 2016 In 1927 publiceerde de Russische wetenschapper Oleg Losev in een Russisch tijdschrift details over wat men zou kunnen beschouwen als de eerste led en vroeg een octrooi aan.Tom Simonite, The LED - older than we thought, New Scientist blog, 11 april 2007. Gearchiveerd op 1 december 2017.Nikolay Zheludev, The life and times of the LED — a 100-year history, Nature Photonics 1, 189 - 192 (2007) Losevs werk bleef echter onopgemerkt en hij kwam in 1942 tijdens het Beleg van Leningrad om. Daarbij waren de materialen die hij gebruikte, niet bijzonder geschikt voor een goede lichtopbrengst en zo duurde het tot 1962 voordat de led echt doorbrak. In dat jaar ontwikkelde Nick Holonyak een werkende led. Het duurde echter tot in de jaren negentig dat er licht in alle kleuren kon worden geproduceerd.

Werking Het halfgeleidermateriaal van een led bestaat uit een pn-overgang waarin een uitputtingszone ontstaat. Deze zone geleidt geen elektriciteit. Als de led in doorlaatrichting wordt aangesloten, d.w.z. de minpool van een spanningsbron wordt aangesloten op het n-type materiaal en de pluspool aan het p-type materiaal, gaat er een stroom lopen. De uitputtingszone in het midden wordt kleiner en verdwijnt. Zodra een negatief elektron recombineert met een positief deeltje, een zogenoemd gat, verliest het elektron energie in de vorm van een foton. Deze fotonen vormen de lichtstraal.

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 1,7 à 1,9 V en blauw 2,8 à 4,6 V. Dit heeft ook consequenties voor de aansluitspanning en voor het eventueel toevoegen van weerstanden om de stroom door een led-circuit te stabiliseren. De kleur van de behuizing is niet bepalend voor de kleur die een led uitstraalt. Een kleurloze behuizing kan ook een kleur doorlaten.

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 bij te veel stroom heel even geel maar gaat dan stuk.

{| class="wikitable" ! materiaal !! kleur |- | Galliumaluminiumarsenide AlGaAs || en infrarood |- | Aluminiumindiumgalliumfosfide AlInGaP2 || donkerrood rood oranje en |- | Galliumarseenfosfide GaAsP || |- | Galliumfosfide GaP || |- | Galliumnitride GaN || |- | Zinkselenide ZnSe || |- | Siliciumcarbide SiC || |- | Indiumgalliumnitride InGaN || 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 door Shuji Nakamura uitgevonden. Er zijn pas in de jaren 90 betaalbare uitvoeringen met een redelijke helderheid op de markt. De blauwe led doet sinds 2006 nauwelijks onder voor de groene led. Met het beschikbaar komen van de blauwe led is volledige RGB-kleurmenging mogelijk geworden.

thumb|Led die wit licht uitzendt

Witte led Een witte led is een blauwe led met een fluorescerende laag, soms verkeerd fosfor genoemd. De fluorescerende laag zet een deel van het blauwe licht in geel licht om. Het mengsel van blauw en geel licht wordt ervaren als wit licht.

Driekleurenleds of RGB-leds kunnen ook wit licht uitzenden.

Infraroodled Vrijwel alle afstandsbedieningen voor elektronische apparatuur zenden hun signalen met behulp van IR-leds over. Deze kunnen een relatief hoog vermogen verwerken. Infraroodleds worden ook veel toegepast als geïntegreerde zender in optocouplers, veiligheidscomponenten waarbij de zendende zijde en de ontvangende zijde optisch zijn verbonden maar elektrisch onderling zijn geïsoleerd. IR-leds kunnen ook als hulpverlichting worden toegepast voor analoge en digitale video-camera's met nachtopname aangezien de CCD-sensor ook gevoelig is voor de golflengte van een IR-led. Deze eigenschap kan ook worden gebruikt om te controleren of een afstandsbediening nog werkt, bij kijken door een elektronische zoeker van video- of fotocamera moet het licht te zien zijn.

Meerkleuren

Er bestaan ook tweekleurenleds. Dit zijn normale ledbehuizingen waarin twee leds zijn geïntegreerd die een verschillende kleur, meestal 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, te sturen.

Verder zijn er leds met meer dan twee kleuren op de markt, waaronder de full-colour RGB-led, een ledbehuizing die een rode, een groene en meestal twee blauwe leds bevat. Met deze primaire kleuren van het additieve kleurensysteem kunnen alle kleuren van het spectrum worden samengesteld. Zulke leds worden onder andere toegepast in grote lichtkranten, beeldschermen en in bepaalde designmeubelen. Door het monochromatische karakter van de individuele leds is de kleurweergave van tot wit licht gemengde RGB-leds nogal slecht, vooral gele pigmenten zien er door het ontbreken van golflengtes in het gele gebied onnatuurlijk uit. Om dit te ondervangen zijn er ook RGBA-leds waarbij nog een gele led, in amber, is toegevoegd.

Energieverbruik Monochromatische leds hebben meestal een aanzienlijke energie-efficiëntie en slijten nauwelijks 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 gesoldeerd of met behulp van de surface-mounted device-techniek (SMD) direct op de printplaat gemonteerd.

Optische eigenschappen thumb|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:

Ter vergelijking: een 100W-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, bijvoorbeeld in verkeerslichten, waarschuwingslichten bij overwegen en in straatlantaarns te vervangen.De gemeente Huizen was in 2016 de eerste gemeente in Nederland, die alle openbare verlichting door ledverlichting heeft 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 kleiner dan dat van een rode led. Dat komt doordat een witte led is opgebouwd uit een blauwe led waarvan een gedeelte van het licht door een fosfor wordt omgezet in geel licht en warmte. Het geel in combinatie met blauw geeft een witte indruk. Aanvankelijk waren witte leds door dit principe niet of nauwelijks efficiënter dan grote gloeilampen. Maar inmiddels is het door technische ontwikkelingen gelukt om ook het rendement van witte leds aanzienlijk te verhogen. In april 2012 werd een record bereikt van 254 lumen per watt.Nieuw led-rendementsrecord: 231 lumen per watt

thumb|250px|Een felle, witte led

Lichtstroom vergeleken {| class="wikitable" ! Type !! Opbrengst (lumen/watt) !! Opmerkingen |- | Gloeilamp || 12–15 || afhankelijk van het vermogen van de lamp |- | Halogeenspot || 20 || |- | Spaarlamp (16 W) || 55–60 || |- | Tl-buis || 100 || met een Colour Rendering Index van 95 (Philips) |- | Led || 24–254 || De modernste (2012) koelwitte leds (bv Creetype XPEHEW) |- | Natriumlamp || 120–200 || straatverlichting