Led verlichting, het licht van de toekomst!

Led verlichting bestaat reeds geruime tijd in verschillende maten en kleuren (rode, oranje, gele, groene, blauwe). Ze worden voornamelijk gebruikt als indicatorlampjes en zijn terug te vinden in electronische apparatuur zoals HiFI, DVD, PC. De grote uitdaging was, een led te maken met een hoger vermogen en eentje die ook wit licht uitstraald. Deze miniscule lichtbron ondergaat een zeer snelle technologische ontwikkeling maar is deze technoligie klaar om geintroduceerd te worden in de huiskamer?

Geschiedenis van de LED

Het was eigelijk "Oleg Vladimirovich Losev" die de led heeft uitgevonden in 1923. "Nick Holonyak" was diegene die voor het eerst in 1962 een commerciële led uitbracht. Deze leds waren enkel in rode kleur verkrijgbaar. Later zijn er de gele en groene leds bijgekomen. Bij de ontwikkeling van de blauwe leds in 2000, was de volledige RGB kleurmenging mogelijk.

Werking LED

Een led is eigelijk een lichtuitstralende diode of "light Emitting Diode" in het center, omgeven door reflectorkap. Een diode of gelijkrichter, bestaat uit halfgeleidend materiaal, dat electrische stroom in één richting gemakkelijk doorlaat maar niet in de andere richting. Bij een led zal de doorgang van deze electrische stroom doorheen 2 verschillende materialen, electromagnetische golven genereren van 1 kleur of golven in het zichtbaar deel van het lichtsprecturm. Deze beperkte hoeveelheid licht, wordt gebundeld door een epoxylens (bolvorm van de led), die zorgt voor een gerichte lichtstraal (zie Figuur 1).

De kleur van het opgewekte licht, is afhankelijk van het gebruikte halfgeleidermateriaal. In onderstaande tabel, vindt je een overzicht terug van de meest gebruikte materialen en kleuren (zie tabel 1, bron; Wikepedia).

Tabel 1
Gallium-aluminiumarsenide (AlGaAs)	rood infrarood
Galliumarseenfosfide (GaAsP	rood oranje geel
Galliumnitride (GaN	groen
Galliumfosfide (GaP)	groen
Zinkselenide (ZnSe)	blauw
Siliciumcarbide (SiC)	blauw
Indiumgalliumnitride (InGaN)	blauw of ultraviolet
Diamant (C)	ultraviolet

UV (onder 380nm) en IR (boven 780nm) liggen in het onzichtbaar gedeelte van het lichtspectrum.

Voor de "witte leds" licht dit iets anders. Witte leds kunnen samengesteld worden door:

• Door het aanbrengen van gele fosfor op de chip van een blauwe LED (wordt meest courant gebruikt).
• Door het aanbrengen van rode fosfor, blauwe fosfor en groen zinksulfide op de chip van een ultraviolette LED.
• Door het combineren van een rode, een blauwe en een groene LED in 1 omhulsel. Hierdoor bestaat de mogelijkheid om het wit licht in een bepaalde temperatuurcategorie te sturen (warm of koud licht, zie Figuur 2).

Nieuwe ontwikkelingen zijn:

• Witte LED's op basis van zink selenide waarbij de led chip zelf geel licht geeft bovenop het blauwe licht van de P-N junctie.
• Witte LED's door toepassing van quantum dots op een blauwe LED. Deze is nog in experimentele fase.

Bruikbaarheid

Leds kunnen enkel werken onder lage gelijkspanning (tussen 2 V en 10 V) en lage stroom (10-30 mA) en kunnen dus niet rechtstreeks aangesloten worden op het electriciteitsnet. We hebben hiervoor een voedingsunit nodig die de lage spanning combineert met gelijkstroom. Deze wordt ook wel eens de "voorschakelaar" genoemd. Men verondersteld dat leds (witte) veel energiezuiniger zouden zijn maar voorlopig is dat nog niet helemaal waar. Ze verbruiken ongeveer evenveel als een spaarlamp maar een led zal blijven branden tot de batterijen helemaal leeg zijn, terwijl een gewone lamp het al lang zou opgegeven hebben. Dit komt omdat leds slecht geringe stroom nodig hebben om te branden, ze gaan dus wel langer mee. De meeste efficiente verlichting op deze moment, zijn nog altijd de fluoriscentielampen. Dimbare leds zijn voorlopig nog niet commercieel maar wel in ontwikkelingsfase, eveneens leds die wel rechtreeks op het net kunnen worden aangesloten. Een led geeft slechts een zeer kleine lichtbundel. Clustering op een plaat is een mogelijkheid maar de lichtopbrengst is nog steeds gering in vergelijking met andere lampen (gloeilampen, halogeenlampen, TL lampen). Ze zijn bijzonder geschikt voor sfeerverlichting, oriëntatieverlichting in de tuin, schemerlichten aan gebouwen, decoratie, vitrineverlichting, zaklampjes, fietsverlichting, signalisatieverlichting, straatverlichting, voertuigen (koplampen), afstandsbediening....

De verwachte levensduur van een led, bedraagt over het algemeen 100.000 tot 200.000 uur of meer bepaald tussen de 10 en de 20 jaar. Voor witte leds heeft men een verwachte levensduur van om en bij de 30.000 tot 50.000 uur. Deze hebben voorlopig ook een iets lager rendement dan de andere. De levensduur van een led is ook zeer temperatuursafhankelijk en zal bij oververhitting, sterk afnemen. De betere leds, hebben een rendement van ca. 20% ofwel ca. 25 lumen per Watt.

De voor- en nadelen

De voordelen

• zeer lange levensduur en dus weinig onderhoudskosten
• geringe afmetingen en combineerbaar op een unit, superleds in ontwikkeling
• geringe warmte-ontwikkeling en dus meer lichtontwikkeling en veiliger
• Snelle responstijd - geen ontsteking en opwarming nodig
• laag vermogen en energiebesparend (1 tot 5 Watt) - kan aangesloten worden op batterijen of op array van zonnecellen
• tril-, schok- en waterbestendig
• natuurlijke kleurencombinaties mogelijk
• klein en compact waardoor grote variatie in armaturen mogelijk
• ze stralen geen UV of IR (standaard led) licht uit en dus uitermate geschikt in de textielindustrie of musea
• toepassing in signalisering betere zichtbaarheid door gebundeld/gericht licht

De nadelen

De moeilijkheid ligt voornamelijk in de ontwikkeling van witte leds:

• witte leds zijn nog steeds moeilijk te maken en hebben een kortere levensduur als de andere leds
• Laag lumen/Watt
• beperkte stralingshoek
• de omgevingstemperatuur beinvloedt drastisch de levensduur van de led
• witte leds zijn kostbaar
• de hoeveelheid licht is niet lineair met de stroom waardoor tussen dezelfde leds, kleine kleurverschillen kunnen optreden
• kleurtemperatuur is onstabiel en stralen een onaangenaam wit licht uit

Toekomstverwachtingen

De ontwikkeling van betaalbare en bruikbare witte leds, is nog vollop aan de gang. Op deze moment is het nog raadzaam om op plaatsen zoals de keuken en living (waar veel licht nodig is), degelijke spaarlampen te gebuiken. Op plaatsen waar je sfeer wil creëren, kan je reeds gebruik maken van ledverlichting. Door nieuwe technieken en ontwikkelingen worden zowel constantheid van kleuren alsook de levensduur en energie-efficiëntie nog voortdurend verbeterd. Voorlopig dienen we hier nog enkele jaren op te wachten vooraleer alle verlichting in de huiskamer te vervangen door ledverlichting.

Nogtans, Philips beweert de led te hebben gemaakt waarop iedereen zit te wachten: de "Luxeon Power LED". Meer informatie hieromtrent, vind je terug op http://www.luxeon.com/technology/whitelighting.cfm.

Wat maakt de Luxeon zo anders?

Traditionele LED's worden ingegoten in een hard epoxyomhulsel. Dit materiaal is een goede thermische isolator. Hierdoor neemt de levensduur van de led sterk af. Een ander gevolg hiervan is dat het ontwikkelen van grote vermogens onmogelijk wordt. Anderzijds is epoxy niet bestand tegen hoge temperaturen waardoor het omhulsel geelachtig of bruin wordt. De lichtopbrengst wordt hierdoor tot een minimum teruggedraaid. Lumileds ontwikkelde een nieuw proces waarbij de chip op een warmtegeleidende laag wordt geplaatst en de chip zelf ingegoten wordt in een zachte silicone mantel welke zeer goed bestand is tegen hoge temperaturen. Het geheel werd afgewerkt met een harde epoxy lens welke niet in contact komt met de warme chip. Verder heeft de chip zelf grotere afmetingen gekregen, werd deze voorzien van een reflecterende onderlaag en de vorm van een kubus naar een omgekeerde piramide gebracht om de lichtopbrengst spectaculair te verhogen. De kleurstabiliteit werd aangepast door een nauwkeurig afzettingsproces te ontwerpen dat de fosfor (in het geval van witte LED's) zeer gelijk over het hele oppervlak van de chip aanbrengt (zie figuur 3).

Osram Golden Dragon?
Uiteraard is Philips niet de enige. Osram, een dochteronderneming van Siemens, heeft ook een nieuw gamma LED's op de markt gebracht die sterk aanleunen bij de Luxeon leds. Het nadeel is dat deze minder tril en schokbestendig zijn door het ontbreken van een geïntegreerde harde lens. Ze hebben eveneens een kortere levensduur.

CreeX lamp?
De lichtopbrengst zou vergelijkbaar zijn met de Luxeon's. Cree geeft een verwachtte levensduur op van 50.000 uur met behoud van 70% van de lichtintensiteit. Door toepassing van een reflector en een lens bundelen ze de opbrengst van een "surface mount" type vermogen LED, het voordeel hiervan is dat de koelplaatjes elektrisch neutraal zijn en dat ze ook bestand zijn tegen hogere temperaturen bij het solderen.

Veel gebruikte termen

• ampère (A): is een SI eenheid van elektrische stroom.
• lumen: is de SI eenheid van lichtstroom en is een maat voor de totale hoeveelheid licht in een lichtbundel. 1 lumen is de lichtstroom van een puntlichtbron van 1 candela door een ruimtehoek van 1 steradiaal. Een gloeilamp van 100 watt geeft een lichtstroom van 1200 lumen.
• candela (cd): is de SI-eenheid van lichtsterkte. De lichtsterkte geeft aan hoeveel licht zich bevindt in een ieder stukje van een lichtbundel.
• lux (lx) is de SI-eenheid van verlichtingssterkte: 1 lux is de lichtsterkte voortgebracht door 1 candela op een oppervlak
• loodrecht op de lichtstralen op een afstand van 1 meter van de bron. De lux wordt uitgedrukt in lumen/m².
• Flux: is de som van alle lumen uitgestraald door een lichtbron (lm)
• P-N junctie: dit is de plaats op de led chip waar de positieve en de negatieve geladen delen elkaar ontmoeten (zie figuur). Wanneer er electronen doorheen deze P-N junctie gestuurd worden, onstaat er een elektrische stroom waarbij energie vrijkomt. Deze energie resulteert in het uitstralen van fotonen of electromagnetische golven (in het zichtbaar of onzichtbaar deel van het lichtspectrum).
• Volt (V): is de SI-eenheid voor elektrische potentiaal. Deze wordt iotgedrukt in Watt/Ampère
• Watt (W): is de SI-eenheid van vermogen. Deze wordt uitgedrukt in Joule/sec
• Warm licht: richting gele kleur (golflengtes tussen 565 en 590 nanometer). Deze heeft een kleurtemperatuur van 3000K tot 3500K.
• Koud licht: richting blauwe kleur (golflengte van ongeveer 470 nanometer). Deze heeft een kleurtemperatuur van 5000K tot 7500K.
• Epoxy (polyepoxide) is een epoxide-polymeer. Het is een thermohardende kunststof, die gebruikt wordt in composietmaterialen. Deze zijn zeer weer- en waterbestendig, druk- en trekvast.

© 2008 Raphaella, gepubliceerd in Diversen (Huis en Tuin) op 15-04-2008, laatst gewijzigd op 02-05-2008. Het auteursrecht van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van Raphaella is vermenigvuldiging van dit artikel verboden. Meer...

Verwante artikelen

• LED, mooie verlichting voor binnen en buiten: LED verlichting is er al weer even en is steeds meer “gewoon” in het assortiment van verlichting voor binnen en buiten. Wat is LED en wat maakt LED anders.
• LED, sfeervolle en zuinige tuinverlichting: Als de dagen korten, verliest de tuin een stuk van zijn aantrekkingskracht. Maar dat is niet nodig. Waarom je tuin niet verfraaien met een trendy LED-verlichting?…
• Ledlicht in huis, goedkoop en bijzonder!: LED-lichtjes ken je allemaal nog wel van de technieklessen. Wat de meeste mensen echter niet weten, is dat LED heel mooi geintegreerd kan worden in je huis.
• Nieuwe ideeen badkamer: De badkamer biedt steeds meer mogelijkheden. Het bad is tegenwoordig een bubbelbad met pulserende waterstroom en ingebouwd licht en de douche wordt een ultra moderne stoomcabine met m…
• Regels scooter en bromfietsverlichting: Een scooter of brommer moet voldoen aan diverse regels voor verlichting welke is bevestigd aan de scooter of brommer. Tevens diend de brommer een reflector te hebben.…