De LED of lichtemitterende diode

Werkingsprincipe

Een lichtemitterende diode of LED bestaat uit twee materialen (halfgeleiders) die tussen twee elektroden zijn aangebracht. 
Het ene materiaal (links op de tekening) is positief geladen en bevat dus positieve ionen. Omdat een positieve ion eigenlijk niets meer is dan een atoom met plaats voor een elektron, spreekt men ook van ‘gaten’.  Het andere materiaal (rechts op de tekening) is negatief geladen. In de grenszone tussen de twee materialen krijg je daardoor een soort isolerende mantel (‘dode zone’).

Als je op een dergelijke diode een spanning aanlegt met de positieve kant aan de rechterzijde, dan zal er geen elektrische stroom vloeien: tegengestelde polariteiten trekken elkaar aan, dus de elektronen worden naar de rechtse elektrode getrokken, en de gaten naar de linkse. 
De dode zone wordt groter en de diode werkt als een soort isolator.

Als echter de spanning in een andere richting wordt aangelegd, dan vloeit er wel een elektrische stroom. Gelijke polariteiten stoten elkaar af, dus de elektronen worden naar links geduwd, terwijl de ‘gaten’ naar rechts worden geduwd. Wanneer de spanning hoog genoeg is, wordt de dode zone overbrugd en kan een elektron terechtkomen in een ‘gat’, waarbij het zijn energie verliest (men noemt dit recombinatie). Dat verlies van energie wordt uitgestraald (men spreekt van een foton).

Deze straling is monochroom. Het bestaat enkel uit stralen met dezelfde golflengte en heeft dus maar één kleur. De golflengte is afhankelijk van de materialen die worden gebruikt en afhankelijk hiervan, zijn de LED’s bijvoorbeeld rood, oranje, geel, groen of blauw. Er bestaan ook LED’s die UV-licht (onzichtbaar) uitstralen.

Wit wordt verkregen door de kleuren te mengen (drie LED’s: rood, groen en blauw) of door lichtgevende poeders aan te brengen die de straling van de LED omzetten in zichtbaar wit licht.  Zo worden bijvoorbeeld blauwe LED’s voorzien van een laagje geel fosfor.  De voeding en de thermische huishouding (de LED warmt bij dit proces ook op) gebeuren door middel van de sokkel waarop de materialen zijn gemonteerd. De plastieken lens beschermt de chip tegen omgevingsinvloeden en dient tegelijk als optische lens die de openingshoek van de lichtstraal bepaalt.

Beschikbare vermogens en lichtstroom

De laatste jaren zijn LED’s in voortdurende ontwikkeling. Ze hebben meestal een laag vermogen, van 0,5 tot 8 W per LED of LED-groep. Hun absolute lichtstromen zijn beperkt (tot 400 lm) door de vereiste relatieve oppervlakte voor afkoeling. Tegenwoordig vinden ze hun toepassing in oriëntatieverlichting, signalisatie of architecturale verlichting, maar ze zijn nog niet zonder meer bruikbaar voor functionele verlichting.

Lichtrendement en energieklasse

LED’s bieden een heel goed lichtrendement gaande van 2 tot 60 lm/W naar gelang van het type uitgezonden licht en hun vermogen. Drie aspecten zorgen ervoor dat ze meestal niet onderhevig zijn aan classificatie:

• het lage vermogen (de classificatie is niet van toepassing voor bronnen lager dan 4 W);
• het feit dat ze in principe een voorkeurrichting hebben waarin wordt uitgestraald;
• het feit dat er geen meetmethode bestaat om de karakteristieken van LED’s te bepalen.

Kleurtemperatuur en kleurweergave-index

De kleurtemperatuur (CCT) van een LED ligt tussen 2700 K en 10.000 K:

• bij 2.700 K is het licht eerder gelig, we spreken van warm wit. Dat is ongeveer de kleurtemperatuur van het licht dat een gloeilamp produceert;
• bij 5.000 K is het licht zoals het zonlicht, we spreken dan van neutraal wit;
• bij 10.000 K is het licht eerder blauwachtig, we spreken van koud wit.

De kleurweergave-index van de warm witte LED’s is beter dan die van de koud witte LED’s. Hieruit volgt dat in principe enkel de warm witte LED’s gebruikt kunnen worden voor functionele verlichting. In de praktijk is het ook vaak zo dat men met kleurafwijkingen zit tussen 2 LED's die naar productreferentie identiek zijn maar die niet uit dezelfde partij komen.

Levensduur

LED’s hebben een lange levensduur. Deze bedraagt tot 100.000 uur (tot 45.000 voor de binnenverlichtingstoepassingen), waardoor ze een aantrekkelijke oplossing vormen vooral voor wegensignalisatie of noodverlichting. Bovendien zijn LED's heel schokbestendig (schokken, trillingen, … ). De levensduur van een LED en zijn lichtstroom zijn eveneens afhankelijk van de temperatuur die wordt bereikt tijdens zijn werking. Hoe langer de lamp moet werken, hoe hoger zijn temperatuur en hoe korter zijn levensduur.

Recyclageketen

Het Recupel-systeem heeft geen betrekking op LED’s en deze kunnen dus normaalgezien als klassiek huishoudelijk afval verwerkt worden. De armaturen waarin ze zitten, moeten echter wel een specifieke recyclageketen volgen. Omdat de LED moeilijk van zijn houder (optiek en transformator) kan worden gescheiden, wordt het aangeraden de armatuur met LED’s naar het specifieke inzamelpunt voor elektrische apparaten in het containerpark te brengen. Door toepassing van het Recupel-systeem voor armaturen, zijn handelaars verplicht tot de terugname van gebruikte armaturen bij elke verkoop van nieuwe armaturen.

Voor- en nadelen

De grootste voordelen van LED's zijn hun voortreffelijke mechanische weerstand, hun laag elektrisch verbruik en hun lange levensduur. Daarnaast zijn het compacte bronnen en is de voedingsspanning laag (veiligheid). Tot slot lenen ze zich uitstekend voor dynamische effecten (onmiddellijke opstart) en zijn ze gemakkelijk dimbaar.

Ze hebben echter verschillende nadelen, zoals een zwakke absolute lichtstroom, een slechte kleurweergave-index voor bepaalde kleurtemperaturen, gevoeligheid aan hoge temperaturen en een hoge prijs.