Theorie bij de LED
De LED heeft te maken met twee werkgebieden n.l. de elektriciteitsleer - en de lichttheorie. Om de werking van de LED’s goed te kunnen begrijpen en zelf leuke dingen  te kunnen doen is het van belang enige basiskennis van beide gebieden te hebben. Dit verhaal verklaart een aantal zaken die bij het werken met LED’s belangrijk zijn.

Algemene elektriciteitsleer
In dit deel worden de basisonderwerpen, die bij de LED’s van toepassing zijn (mogelijk ten overvloede)  besproken.
De volgende begrippen komen voor:

Voltage Dit is de spanning die op een voedingsbron staat of over b.v. een weerstand gemeten kan worden. De spanning wordt uitgedrukt in Volt en wordt weergegeven met de eenheid U;
Ampère De hoeveelheid stroom I die door een circuit loopt en wordt uitgedrukt in Ampère (= de eenheid) met de letter A; Bij LED’s wordt vaak milliampère gebruikt en wordt in dat geval weergegeven met mA.
Vermogen Het vermogen is een maat voor de hoeveelheid geproduceerde of opgenomen energie en wordt uitgedrukt in Watt.
Weerstand Iedere geleider heeft een bepaalde weerstand tegen het transporteren van stroom. De weerstand wordt uitgedrukt in Ohm, aangegeven met de letter R (de R komt van het Engelse woord Resistance)en heeft als eenheid het Griekse symbool Ω (Omega).

Voor veel mensen is de elektriciteitsleer een onbegrepen bladzijde in het natuurkundeboek en vraagt dus om enige toelichting. Als we een lamp laten branden loopt er door de aanvoerdraden en de lamp zelf een stroom. Deze situatie is volledig vergelijkbaar met een tuinslang. We sluiten de slang aan op de kraan (accu) en gaan de tuin sproeien. De druk in de slang (voltage van de accu) doet de slang een beetje opzwellen (zeker als deze in de zon gelegen heeft). De hoeveelheid water die uit de slang (ampèrage door de draden en lamp) komt is afhankelijk van de waterdruk (accuspanning). Als er, op een warme zomerse dag, veel mensen aan het sproeien zijn is de waterdruk laag en komt er relatief weinig water uit de slang. Je bent aan de auto aan het wassen en wilt de slang verleggen. Als we aan het einde van de slang de kraan snel volledig open zetten zal het water er hard uitspuiten om daarna snel te minderen naar een stabiele situatie. Als er geen water wordt afgenomen is de waterdruk bij de sproeikop gelijk aan de druk in de waterleiding (Als we een spanning meten zonder dat er stroom wordt afgenomen meten we de accuspanning). Door de kraan open te zetten en het water gaat stromen ondervindt het water een weerstand in de slang en komt er minder water uit (identiek aan de weerstand in de stroomdraad). Hoe langer de tuinslang, hoe minder water. Plots komt er bijna geen water meer uit de slang. Klopt, één van je kinderen wil je foppen door een voet op de slang te plaatsen (de weerstand in de stroomdraad is erg hoog en er loopt bijna geen stroom). De druk in de slang vóór de voet loopt op en de druk na de voet zal bijna nul zijn. Er is dus een drukverschil tussen de plaatsen vóór en na de voet. Deze situatie is weer volledig vergelijkbaar met de situatie rondom de weerstand in een stroomkring. Vóór de weerstand is de spanning hoger dan na de weerstand. Er is dus een spanningsverschil over deze weerstand!

Deze begrippen zijn via formules met elkaar verbonden via de “Wet van Ohm”.

Toegepaste formules
Opmerking: deze formules zijn geldig voor gelijkstroom, zoals dit ook in een auto het geval

is. De algemene wet van Ohm kennen we veelal als:

1. U = I x R

Voorbeeld
Als we een onderstaande schakeling hebben waarin op een stroombron van 12 volt een weerstand R van 100Ω wordt aangesloten dan zal door de draden een stroom I lopen van:
12 = I x 100  dus I = 12 / 100 = 0,12 A.

Let op: we moeten wel steeds het Ampèrage invullen en niet de milliampère! Als we bij deze berekening steeds twee van de drie waarden kennen is altijd de derde waarde uit te rekenen.

2. P = U x I
Belangrijk voor een stroomkring is het vermogen dat daarbij wordt opgenomen. Als er door de weerstand een stroom loopt zal deze warm worden. Hoe groter de stroom, des te warmer de weerstand. Zo ook: hoe hoger het voltage over de weerstand, des te groter het (opgenomen) vermogen.

Er is nog een belangrijke consequentie.
Voor het vermogen geldt de formule P = U x I
Ook geldt U = I x R
Vullen we dit in dan krijgen we :

P = (I x R) x I  =  I2 x R
We zien hierin dat het vermogen en daarmee ook de warmteontwikkeling in b.v. een weerstand kwadratisch afhangt van de stroom I. Het is dus van belang de stroom in schakeling zo laag mogelijk te houden.

In bovenstaand voorbeeld is het opgenomen vermogen van de weerstand:
P = 12 x 0,12 = 1,44 Watt

Bij het toepassen van een weerstand moet je dus goed letten op het maximale vermogen dat deze weerstand kan verdragen. Als dit vermogen wordt overschreden brandt de weerstand door.

Elektriciteitsleer bij LED’s

Wat is een LED?
Het begrip LED is een afkorting van de woorden Light Emitting Diode (Vertaald:een licht uitzendende diode) . Het is een bijzondere uitvoering van de diode.
Een diode is een elektronisch component, net els een transistor opgebouwd uit halfgeleidermaterialen als silicium en/of germanium waaraan nog andere hulpstoffen zijn toegevoegd (o.a antimoon en indium). De opbouw van de materialen (in laagjes) is zodanig dat in één richting de stroom wordt doorgelaten en in de andere richting de stroom (tot een bepaalde spanning) nagenoeg volledig wordt gesperd. De diode wordt in veel elektronische schakelingen toegepast. Een belangrijke toepassing is o.a. de gelijkrichter. De normale diode is gemaakt van een materiaal dat geen licht doorlaat. Je ziet er dan ook verder niets aan.
Er zijn verschillende varianten van de diode ontwikkeld. Zo is er de “variode”. Bij dit type diode is de stroomdoorgang spanningsafhankelijk. Daarnaast is er nog de “zenerdiode”. De zenerdiode laat in de sperrichting, evenals een gewone diode, geen stroom door. Dit echter tot een bepaald spanningsverschil tussen anode en kathode. Als de drempelwaarde wordt overschreden laat deze diode ook een stroom door. Een derde variant is de fotodiode. Dit type diode levert een spanning en stroompje op het moment dat er licht op valt.
In dit verhaal gaat het over de LED, een diode die bij stroomdoorgang licht uitzendt.

Een voorbeeld van de uitvoeringsvormen en de symbolen die daarbij horen zijn in de onderstaande  figuur weergegeven.

Door slimme toepassing van halfgeleider materialen wordt bij het doorlaten van de stroom in de diode een zichtbaar licht ontwikkeld. Door nu de diode uit te voeren van een doorzichtig materiaal kunnen we dit licht zien en is de LED geboren.
Tot enkele jaren geleden was de lichtopbrengst van de LED beperkt zodat deze alleen toepassing had als signaallampje. De toepassing in verlichting was toen nog buiten bereik. Een enorme ontwikkeling heeft ertoe geleid dat het rendement van een LED in de zin van lichtopbrengst zodanig is geworden dat toepassingen voor verlichting mogelijk worden. Wellicht wordt de LED, door zijn lage stroomgebruik, de verlichting van de toekomst.

In grote lijnen zijn de LED’s in te delen in drie groepen:

Signaal LED’s; deze hebben dan alleen de functie om aan te geven of iets bv “aan” of “uit” staat;

• LED’s voor verlichting; één LED heeft in dit geval te weinig lichtopbrengst en volume. Door gebruikt te maken van meerdere LED’s, in een bepaal de rangschikking en op een bepaalde wijze elektrisch geschakeld kan een speciale verlichting worden verkregen; Een bekend voorbeeld hierin zijn de achterlichten van de fietsen. Hierin zitten meestal drie LED’s en geven een zeer goede lichtopbrengst op slechts één of twee penlight batterijen.
• Power LED’s; Dit zijn LED’s met een zeer hoge lichtopbrengst en voornamelijk worden toegepast in algemene verlichting (in huis). De power-LED’s produceren vrij veel warmte en moeten daardoor gekoeld worden door plaatsing op een speciaal koellichaam.

Voorbeelden van de LED’s in de verschillende groepen zijn:

Signaal-LED

LED, o.a. voor het maken van verlichtingsunits

Power-LED (met koelplaat)

De eigenschappen van een LED
Zoals beschreven is een LED een elektronisch component die in één stroomrichting geleidend is. Als we van deze situatie een grafiekje maken dan ziet dit er als volgt uit:

Voltage

Iedere soort diode heeft een eigen drempelspanning.

Bij de LED is dus ook een drempelspanning nodig om te gaan geleiden. Beneden deze spanning werkt de LED niet. Komen we boven deze spanning dan laat de LED onbeperkt stroom door en als we deze niet zouden begrenzen dan brandt de LED binnen korte tijd door. Dit betekent dat we een LED moeten beschermen tegen doorbranden. Bij de signaal-LED’s en de LED’s voor verlichtingsunits wordt de stroombegrenzing uitgevoerd door het toepassen van een voorschakelweerstand. Bij de power-LED’s is iets meer nodig. Deze LED’s functioneren pas goed als de stroom constant is en begrensd wordt. In deze gevallen wordt dan ook gewerkt met een speciale voedingsbron die in het stroomcircuit wordt geplaatst.

Deze voeding zorgt ervoor dat bij een power-LED van 1 Watt de stroom begrensd wordt op 350 mA. Dus: In alle gevallen is het van belang zeker te weten dat de stroom die door de LED gaat niet hoger is dan de maximale opgegeven/toegelaten stroom De schakeling waarbij de LED wordt beschermd door een weerstand ziet er in de eenvoudigste vorm als volgt uit:

De spanning van de stroombron wordt opgesplitst in de spanning over de weerstand en de LED. Door het circuit loopt een stroom die voornamelijk bepaald wordt door de weerstand R. De lichtsterkte van een LED kan tot het maximum van de toegelaten stroom beïnvloed worden door de voorschakelweerstand. Er is geen lineair verband aanwezig. Het meer of minder fel branden van de LED is volledig afhankelijk van de eigenschappen van de desbetreffende LED.

Het beste is om dit via een proefopstelling vast te stellen.
Als meer lichtsterkte nodig is moet gewerkt worden met meerdere LED’s. Hierbij zijn er in principe twee mogelijkheden:

• LED’s in serie schakelen; hiervoor moet het voltage van de spanningsbron voldoende hoog zijn. Bij een autoaccu van 12,6V kunnen maximaal 3 LED’s in serie worden geplaatst;
• LED’s parallel.

Een combinatie van de twee mogelijkheden is uiteraard ook mogelijk.
In het schema kunnen de weerstanden ook weer op twee manieren worden aangebracht: bij iedere serieschakeling één weerstand of een weerstand gecombineerd over de parallel geschakelde LED’s.

In schemavorm zien de mogelijkheden er als volgt uit:

Schema A

Schema B

In beide schema’s zijn drie parallel geschakelde reeksen van drie LED’s aanwezig. In schema A heeft iedere parallelle reeks een eigen voorschakelweerstand. In het tweede schema loopt alle stroom door één weerstand.
De manier van aansluiten heeft invloed op het vereiste vermogen van de weerstanden.

Voorbeeld:
Een accu heeft een nominale spanning van ong 12,6 V.  Als iedere LED een spanning nodig heeft van 3,8 V dan is bij drie LED’s in serie is een spanningsval van 3 x 3,8 V = 11,4 V te verwachten. De spanning over de weerstand is dan 13,8 – 11,4 = 2,4 Volt. Bij een stroom van 50 mA (= 0,05A) moet de weerstand zijn: R = 2,4 / 0,05 = 48Ω.
Het vermogen van de weerstand moet dan 2,4 x 0,05 = 0,12 Watt bedragen.

Bij schema B loopt er 3 x 0,05 A = 0,15 A door de weerstand. De weerstand is dan R = 2,4 / 0,15 = 16Ω
Het vermogen is dan drie keer zo hoog nl: 2,4 x 0,15 = 0,36 Watt.

Bij schema A kan volstaan worden met een weerstand van 0,25Watt, bij schema B is een weerstand van 0,5 Watt noodzakelijk.

Lichttheorie bij LED’s

Lichtsterkte
De lichtsterkte is een maat voor de hoeveelheid licht die door een puntbron in een bepaalde richting wordt uitgezonden. De LED is niet erg groot en kan dus worden opgevat als een puntbron.
De lichtsterkte wordt uitgedrukt in Candela (cd).
Een gloeilamp is ook een puntbron. Het grote verschil met de LED is dat de gloeilamp naar alle richtingen (bolvormig) min of meer dezelfde hoeveelheid licht uitzendt, de LED doet dit slechts naar één (en dan nog beperkte) helft van de bol. Dit heeft invloed op de lichtsterkte.

Stralingsrichting bij normale gloeilamp  Stralingsrichting bij LED

De LED is zodanig opgebouwd dat zo veel mogelijk licht ontstaat in de richting waar dat ook waargenomen kan worden.In de onderstaande figuren zijn enkele voorbeelden van de stralingskarakteristiek m.b.t. de openingsboek weergegeven.

Een led met een stralingshoek van resp120 en 60  graden

De lichttechnische kenmerken van een LED

De lichtsterkte van een gloeilamp wordt meestal niet opgegeven. Het opgenomen vermogen (Watt) is een maat voor de hoeveelheid licht die deze lamp afgeeft. Het grootste deel van het vermogen (> 95%) wordt omgezet in warmte en slechts een zeer klein deel resulteert in licht.
Dit is ook één van de grote verschillen met de LED. Een LED produceert naar verhouding zeer veel licht bij en kleine hoeveelheid opgenomen vermogen of geproduceerde warmte. Hierin ligt een grote belofte m.b.t. het energieprobleem!

Verlichtingssterkte
Als een lichtbron een oppervlak aanstraalt resulteert dit in een bepaalde hoeveelheid licht (door reflectie) op dat oppervlak. Om goed te kunnen zien is, afhankelijk van de aard van de activiteit,  een bepaalde hoeveelheid licht nodig. De verlichtingssterkte kan eenvoudig worden gemeten door op het oppervlak een meter te plaatsen en de verlichtingssterkte af te lezen. De verlichtingssterkte wordt uitgedrukt in Lux.

Benodigd is:

Lichtstroom
De lichtstroom is een maat voor de hoeveelheid zichtbare energie die een lichtbron in alle richtingen uitzendt. De lichtstroom wordt uitgedrukt in lumen.

Een LED zendt niet in alle richtingen licht uit. Maar heeft een bepaalde stralingshoek. Door deze stralingshoek om te rekenen naar een “ruimtehoek” (wordt uitgedrukt als sr = sterradiaal) is de lichtstroom om te rekenen naar de lichtsterkte. Door de lichtstroom te delen door de sr-waarde krijg je de lichtsterkte in candela. Om de omrekening eenvoudiger te maken is onderstaande tabel opgesteld waarin je de sr-waarde bij de verschillende stralingshoeken kan worden afgelezen (of bij tussenwaarden afgeschat).

Stralingshoek     hoek        sr
[graden]             [rad]        [-]
0              0,00               0,00
5              0,09               0,01
10            0,17               0,02
15            0,26               0,05
20            0,35               0,10
25            0,44               0,15
30            0,52               0,21
35            0,61               0,29
40            0,70               0,38
45            0,79               0,48
50            0,87               0,59
55            0,96               0,71
60           1,05                0,84
65            1,13               0,98
70            1,22               1,14
75            1,31               1,30
80            1,40               1,47
85            1,48               1,65
90            1,57               1,84
95            1,66               2,04
100          1,75               2,24
105          1,83               2,46
110          1,92               2,68
115          2,01               2,91
120          2,09               3,14
125          2,18               3,38
130          2,27               3,63
135          2,36               3,88
140          2,44               4,13
145          2,53               4,39
150          2,62               4,66
155          2,71               4,92
160          2,79               5,19
165          2,88               5,46
170          2,97               5,74
175          3,05               6,01
180          3,14               6,28