Wanneer we een spanning op een LED leggen, produceert deze licht. Dit alles komt van een klein stukje halfgeleidermateriaal in de LED, dat energie uitzendt als fotonen. Interessant genoeg, als we een licht op de LED schijnen, schieten we fotonen terug in de LED, waardoor het proces wordt omgekeerd en een kleine spanning ontstaat. LED's zijn verkrijgbaar in verschillende vormen, kleuren en maten voor diverse toepassingen. LED staat voor Light Emitting Diode.

LED-symbool en basisprincipes

In technische tekeningen gebruiken we een specifiek symbool voor LED's. Let op dat het erg lijkt op een diodesymbool, maar met pijlen die aangeven dat er licht wordt uitgezonden. Zowel LED's als diodes werken volgens hetzelfde principe: een halfgeleidermateriaal wordt tussen elektrische connectoren ingeklemd. Hoewel beide fotonen uitzenden, zenden alleen LED's fotonen uit in het bereik dat voor mensen zichtbaar is, specifiek golflengten rond 400 tot 700 nanometer. Afhankelijk van de golflengte nemen we verschillende kleuren waar.

Bijvoorbeeld:

• FM-radiosignalen zijn fotongolven van ongeveer 3 meter.
• Wi-Fi-signalen zijn kleiner, ongeveer zes centimeter.
• Medische röntgenstralen zijn klein, ongeveer 0,01 nanometer.

Dit alles valt buiten ons zichtbare spectrum. Je hebt misschien een LED in je tv-afstandsbediening gezien die infraroodlicht uitstraalt, meestal rond de 940 nanometer—onwaarneembaar voor mensen, maar zichtbaar op een telefooncamera.

Hoe LED's verschillen van standaarddiodes

Binnenin de LED combineren elektronen met gaten, waardoor fotonen vrijkomen. Standaarddiodes gebruiken verschillende materialen in hun halfgeleiderlagen, waardoor fotonen in het nabij-infrarood bereik worden geproduceerd. Deze fotonen worden door de behuizing geabsorbeerd en omgezet in warmte, waardoor diodes heet worden. Daarentegen produceren LED's zeer weinig warmte, waardoor ze veel energiezuiniger zijn vergeleken met traditionele gloeilampen, die aanzienlijke warmte genereren door een gloeidraad te verhitten om zichtbaar licht te produceren.

De meeste LED's die je herkent zijn van het vijf-millimeter door-gat-type, die vaak één kant met een vlakke rand hebben. Deze platte rand geeft de kathodezijde aan, waardoor het makkelijker is de juiste polariteit te bepalen. Door-gat-LEDs zijn perfect om elektronica te leren, goedkoop in bulk verkrijgbaar en geschikt voor invoeging in testplaten of solderen op printplaten. Er zijn ook kleinere 3-millimeter versies en grotere 10-millimeter versies, meestal koepelvormig, evenals vierkante varianten.

Surface Mount Devices (SMD) en hoogvermogen LED's

SMD-LED's, of Surface Mount Devices, worden direct op printplaten gesoldeerd voor compacte ontwerpen. Deze versies zijn veel kleiner en vereisen soms een microscoop om te solderen. SMD-LED's worden vaak gebruikt in gloeilampen. Een blauwe LED met een laag gele fosfor combineert bijvoorbeeld geel en blauw licht om wit licht te creëren. Krachtige LED's, die in wezen uit veel LED's zijn die dicht op elkaar zijn gepropt, worden vaak gebruikt voor fakkels en floodlights vanwege hun helderheid en zichtbaarheid van grote afstand.

LED-polariteit en bescherming

LED's lichten alleen op wanneer de anodekabel op de positieve is aangesloten en de kathode op de negatieve. De langste leiding van de LED is meestal de anode, waardoor polariteitsidentificatie eenvoudig is. Als de leidingen zijn afgeknipt, geeft de vlakke rand van de LED-behuizing de kathodezijde aan. Daarnaast hebben LED's twee metalen platen aan de binnenkant—de grotere plaat is de kathode. Sommige LED's hebben een klein stipje om polariteit aan te geven, maar het is essentieel om het datasheet van de fabrikant te controleren of het zelf te testen.

Het direct aansluiten van een LED op een hogere spanningsbron, zoals een negenvoltbatterij, kan deze vernietigen. Om dit te voorkomen wordt een weerstand gebruikt om de stroom van elektronen te verminderen, waardoor de LED beschermd wordt door overtollige elektrische energie als warmte te verwijderen. Bijvoorbeeld, bij een 9-volt batterij kan een weerstand ongeveer 7 volt verwijderen, waardoor de LED veilig op de resterende 2 volt kan werken. De weerstand stelt de stroom in voor het circuit, die kan worden aangepast om de helderheid van de LED te regelen.

LED-drivers en circuits

LED-drivers worden gebruikt in lampen en speciale units die stripverlichting van stroom voorzien om de juiste spanning en stroom te leveren. Een lamp die op 230 volt draait, gebruikt bijvoorbeeld een gelijkrichter om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom, een condensator om deze te verzachten, en een chip om een constante stroom aan de LED's te leveren, waardoor flikkering wordt voorkomen.

USB-lichtstrips zijn eenvoudige schakelingen waarbij de USB-poort een 5-volt rail en een aardrail biedt, met een weerstand en een LED parallel verbonden. Dit ontwerp biedt flexibiliteit in lengte, omdat het doorsnijden van de strip de stroom beïnvloedt op basis van het aantal LED's.

Binnenin de LED

Binnenin de LED-behuizing hebben zowel de anode- als de kathodekabels metalen platen die door een kleine opening gescheiden zijn. De grotere plaat geeft de kathodezijde aan. De halfgeleider van de LED bestaat uit een n-type laag met vrije elektronen en een p-type laag met gaten. Wanneer ze worden aangedreven, stromen elektronen van de n-type naar de p-type laag, waarbij fotonen vrijkomen bij de PN-overgang. De golflengte van deze fotonen bepaalt de kleur van het licht, wat afhangt van het gebruikte halfgeleidermateriaal.

Halfgeleidermaterialen en lichtkleur

Verschillende halfgeleidermaterialen produceren verschillende lichtgolflengtes. Bijvoorbeeld:

• Siliciumdiodes zenden nabij-infrarood licht uit, dat mensen niet kunnen zien.
• Galliumarseen in combinatie met galliumfosfide maakt een scala aan kleuren mogelijk door de bandspleet van het halfgeleidermateriaal aan te passen.

Door verschillende materialen te mengen, kunnen wetenschappers elke kleur tussen rood en groen bereiken, waardoor verschillende kleuren en wit licht kunnen worden geproduceerd door rode, groene en blauwe LED's te combineren.

Conclusie

LED's zijn veelzijdige, energiezuinige lichtbronnen die in een breed scala aan toepassingen worden gebruikt, van eenvoudige indicatoren tot complexe verlichtingssystemen. Begrijpen hoe LED's werken vereist kennis van halfgeleiderfysica, schakelingontwerp en materiaalkunde, wat allemaal bijdraagt aan de levendige en efficiënte verlichtingsoplossingen waarop we vandaag de dag vertrouwen.

Veelgestelde vragen (FAQ's)

1. Waar staat LED voor?

LED staat voor Light Emitting Diode. Het is een halfgeleiderapparaat dat licht uitzendt wanneer er een elektrische stroom doorheen gaat.

2. Waarom produceren LED's verschillende kleuren?

De kleur van het licht dat door een LED wordt geproduceerd, hangt af van de golflengte van de uitgezonden fotonen, die wordt bepaald door het halfgeleidermateriaal dat in de constructie van de LED wordt gebruikt. Verschillende materialen hebben verschillende bandgaps, wat resulteert in verschillende golflengten en kleuren van licht.

3. Hoe kan ik een LED beschermen tegen vernietiging door hoge spanning?

Om een LED te beschermen tegen hoge spanning, gebruik je een weerstand in het circuit om de stroom die door de LED stroomt te beperken. De weerstand verlaagt de spanning tot een veilig niveau, waardoor overmatige stroom voorkomt die de LED kan beschadigen.