Hoe werkt een LED diode?

De lichtdiode word in het Engels een Light-Emitting-Diode genoemd, vandaar de afkorting LED. De LED diodes word tegenwoordig heel veel toegepast, zo vind je het in de verlichting voor de kerstboom, en word het toegepast in tv’s en LED lampen.
Maar een lichtdiode is geen gloeilamp, het licht wat wij van de LED diode waarnemen ontstaat doordat een kristal elektromagnetische golven uitstraalt. In dit artikel gaan we kijken hoe een LED diode is opgebouwd en hoe de toegepaste elektrotechniek precies werkt.

 Afbeelding 1 – symbool LED diode, hierbij geven de twee pijltjes het uitstralen van licht aan

OPBOUW

Afbeelding 2 – doorsnede LED-diode

Een LED-diode bestaat uit de volgende onderdelen:

1.    Aansluitpunten: de anode (A) en de kathode (K)

Dit zijn de pootjes aan de onderzijde van de lichtdiode. De LED diode kan maar in één richting stroom doorlaten, het lange pootje van de LED diode moet aan de + geschakeld worden.

Wist je dat…

Je aan de lengte van de pootjes kunt zien welke pootje de anode en welke de kathode is?
De pootjes zijn te klein om erop aan te geven welke pootje wat is. De anode is de lange pootje (aansluiten op +) en de kathode is de korte pootje (aansluiten op -).

2.    Kunststof behuizing, gemaakt van epoxyhars
3.    Vlakke zijde
De vlakke zijde heeft als functie dat het aangeeft welke pootje de kathode is.

4.    Ondersteuning
De ondersteuning is de deel van de kathode draad wat zich in de kunststof behuizing bevind. heeft als functie om de draadverbinding te dragen, daarnaast is deze zo gevormd dat jet het niet uit de kunststof behuizing kunt trekken.

5.    Aambeeld
De draden van de anode en de kathode in de kunststof behuizing zijn zo gevormd dat je het er niet uit kunt trekken.

6.    Draadverbinding

7.    Reflector
8.    Kristal (halfgeleider)

Wist je dat…

Je de kristal in de LED diode kunt zien als je de LED diode tegen een lichtbron (lamp of zonlicht) houd?

De kleur die de LED diode uitstraalt word niet bepaalt door de kleur van de behuizing, maar juist door de toegepaste kristal.

Hiervan zijn er verschillende materialen die allemaal een eigen kleur licht kunnen uitstralen:

-       AlGaAs (Galliumaluminiumarsenide)                       Rood of infrarood
-       AlInGaP (Aluminiumindiumgalliumfosfide)               Rood, oranje en geel (amber)
-       GaAsP (Galliumarseenfosfide)                                 Rood, oranje en geel (amber)
-       GaP (Galliumfosfide)                                                Groen
-       GaN (Galliumnitride)                                                 Blauw of wit
-       SiC (Siliciumcarbide)                                                Blauw
-       ZnSe (Zinkselenide)                                                 Blauw
-       InGaN (Indiumgalliumnitride)                                   Groen, blauw of ultraviolet

Er bestaan ook LED diodes met meerdere kleuren, bijvoorbeeld de RGB-LED diode, hierbij staat RGB voor: Red Green Blue.

LED diodes met meerdere kleuren hebben dan ook meerdere aansluitpunten.

Afbeelding 3 – RGB LED-diode

WERKING

Het licht wat wij waarnemen van de LED diode heeft te maken met de werking van de kristal als halfgeleider wanneer er elektrische stroom doorheen gaat.

Materialen functioneren verschillend als geleider van elektrische stroom, er word onderscheid gemaakt in de categorieën: geleider, isolator en halfgeleider.

Voor het energieverschil in het materiaal word er onderscheid gemaakt in de valentieband (+) en de geleidingsband (-). Hierbij verplaatst de elektron zich van de geleidingsband naar de valentieband.

Bij geleiders loopt de valentieband over naar de geleidingsband, het kost dus weinig energie om elektrische geleiding mogelijk te maken. Metalen zijn bijvoorbeeld goede geleiders.

Bij isolatoren is er een kloof tussen de valentieband en de geleidingsband, dit word ook wel de verboden zone genoemd. Deze verboden zone is zo breed dat er geen tot weinig elektronen verplaatsen van de valentieband naar de geleidingsband.

Halfgeleiders hebben een kloof die niet al te breed is, hierdoor kan een elektron over de verboden zone heen springen/vallen. Hierbij komt energie vrij in de vorm van een foton, dat is een elektromagnetisch golfverschijnsel. Afhankelijk van de frequentie kunnen wij het met onze ogen waarnemen.

Bij halfgeleiders word vanwege dit effect onderscheid gemaakt in N-type materiaal en P-type materiaal (n van negatief en de p van positief).

Hierbij worden de vrije elektronen in de N-type materiaal aangetrokken naar de + aansluiting, terwijl de gaten in de P-type materiaal naar de -  aansluiting bewegen.

Afbeelding 4 – Geleiding bij isolatoren, geleiders en halfgeleiders

Werking van de LED diode is dus…

Doordat de LED diode is aangesloten middels de aansluitpunten (de anode en kathode) kan er stroom lopen door de kristal. Hierbij komen fotonen vrij door het vallen van elektronen uit de N-type materiaal naar de gaten in de P-type materiaal. Afhankelijk van de frequentie van de elektromagnetische golven van de fotonen nemen wij dit waar als zichtbaar licht.

Afbeelding 5 – Schematische weergave ‘springende elektron’

Hoe werkt een LED-lamp?

De toepassing van LED lampen in het huishouden groeit enorm, hoewel dit niet altijd zo is geweest, de lampen waren simpelweg te duur. Maar door het verbod op de gloeilamp en door de energiebesparende werking is de interesse naar de LED lamp enorm toegenomen. De technologie ervoor bestaat echter al een langere tijd.
In dit artikel gaan we kijken hoe een LED lamp is opgebouwd en hoe de toegepaste elektrotechniek precies werkt.
 

OPBOUW

Afbeelding 2 – doorsnede LED lamp

Een LED lamp bestaat uit de volgende onderdelen (zie afbeelding):

1.    Metalen schroefdraad
Hiervan heeft het voetje (a) de - aansluiting en de schroefdraad (b) de + aansluiting.

2.    Koellichaam

De levensduur van een LED lamp is niet alleen afhankelijk van de LED-diodes maar ook van de transformator. De levensduur van de transformator word beïnvloed door de temperatuur waarin de transformator functioneert.

Dit is de reden waarom de koellichaam ook een belangrijke onderdeel is van de LED lamp.

De koellichaam is vaak een metalen bevestiging waardoor de warmte sneller afgevoerd kan worden.
Goedkopere LED lampen hebben een kunststof koellichaam en dit heeft een ongunstige invloed op de levensduur van de LED lamp.
De regel is dat hogere temperaturen de levensduur van de transformator verkort en lagere temperaturen verlengen haar levensduur.

3.    Printplaat welke functioneert als transformator (ook wel driver genoemd)

Om de LED lamp te laten werken moet de 230V wisselspanning van onze elektriciteitsnetwerk omgezet worden naar 12V gelijkspanning. Hiervoor bevat de lamp een printplaat welke functioneert als transformator.

 

Zonder de juiste transformator kunnen verschillende gevolgen optreden, een lamp kan een zoemend geluid geven, het gaat kapot door de te grote stroom, of het werkt gewoon niet.

 

Wist je dat…

Wanneer een LED lamp kapot is dit vaak te maken heeft met een kapotte transformator?  
Meestal werken de LED-diodes nog prima. Dit is de reden waarom duurdere lampen voorzien zijn van een printplaten met een condensator welke de spanning omzet. Goedkopere LED lampen bevatten vaak zware transistoren in plaats van een condensator.

De regel is dat duurdere LED lampen langer leven en daardoor uiteindelijk goedkoper zijn dan de LED lampen welke goedkoop aan te schaffen zijn.

4.    Printplaat met platte LED-diodes (5)

6.    Kap

Uiteraard zijn er verschillende varianten in de lamp vorm en/of toepassing. Echter de basis componenten zoals hierboven omschreven blijven van toepassing.

 

WERKING

De LED lamp maakt contact met het elektrisch netwerk door het metalen schroefdraad en het metalen puntje aan het begin (voet).

Dit is de reden waarom de lamp niet meteen begint te branden als je het in de fitting draait, maar pas wanneer de voet contact maakt met de betreffende aansluiting.

Vanaf het metalen schroefdraad en het metalen voet lopen twee koperdraden de lamp in. Deze zijn verbonden met de printplaat van de transformator. De transformator veranderd de 230V wisselspanning van het netwerk naar 12V gelijkspanning. De transformator is middels koperdraad verbonden met de printplaat van met de platte LED diodes. De 12V gelijkspanning zorgt ervoor dat de LED diodes beginnen te branden waardoor zichtbaar licht vrijkomt.

Afbeelding 3 – Een opengemaakte LED lamp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hoe werken rotjes (vuurwerk)?

De rotje is een simpele maar ook een oude vorm van knal vuurwerk. Dit vuurwerk is ook wel bekend onder merknamen, zoals astronauten of kanonslagen. Ook word het nog wel eens samengesteld als een matje. Bij ontbranding produceert het rotje een knal. In dit artikel gaan we kijken hoe een rotje is opgebouwd en hoe de toegepaste pyrotechniek precies werkt.

WAARSCHUWING!

Dit artikel is om lezers te helpen informatie te verkrijgen over de werking van vuurwerk. Het is geen gids voor het bouwen van eigen vuurwerk, probeer nooit vuurwerk uit elkaar te halen. Vuurwerk is complex en moet met veel zorg gemaakt en gebruikt worden, met name om potentieel fatale ongelukken te voorkomen.
Dit is de reden waarom dit artikel geen specifieke chemische formules bevat.
 

OPBOUW

De opbouw van een rotje is als volgt:
1.    Lont
2.    Papieren behuizing
3.    Kleiachtig substantie
4.    Buskruit

Afbeelding 1 – doorsnede van een rotje

Waaruit bestaat het buskruit voor de rotjes?

Buskruit is een pyrotechnische mengel wat bestaat uit twee basis componenten:
-       Brandstof (reductor): zwavel en houtskool
-       Oxidator: kaliumnitraat, ook wel bekend als salpeter.

De meest effectieve samenstelling is: 75% kaliumnitraat (salpeter), 15% houtskool en 10% zwavel.

De oxidator heeft een belangrijke functie:

1. Het produceert zuurstof voor de brandstof
2.    Tijdens de reductie van de oxidator ontstaat gas

Wist je dat…

Er ook een variant van een rotje is wat werkt op flitspoeder?
Flitspoeder is een pyrotechnisch mengsel van aluminium of magnesium met een sterke oxidator kaliumperchloraat. Dit mengsel staat bekend als iets wat ‘explosief verbrand’ en een felle lichtflits veroorzaakt, vandaar ‘flitspoeder’.

Sinds 1980 is vuurwerk met flitspoeder in Nederland verboden.

Voorbeelden van dit soort knalvuurwerk zijn: nitraten, strijkers, lawinepijlen, etc.
 

WERKING

De aangestoken lont zorgt ervoor dat het buskruit op een veilige manier word ontstoken.
Wanneer het vuur van de lont de buskruit bereikt ontstaan, in korte tijd, twee chemische reacties:
-       Verbranding
-       Redoxreactie

Deze twee reacties produceren in een korte tijd een grote hoeveelheid heet gas. De druk van de gas word zo groot dat het middels een knal uit de papieren huls ontsnapt.

 Afbeelding 2 – ontploffing van een rotje

 
Wist je dat…
Een redoxreactie een reactie is tussen atomen, moleculen en/of ionen waarbij elektronen worden uitgewisseld?
Hierbij neemt de oxidator elektronen op en staat de reductor elektronen af.
Kenmerkend voor dit reactie is dat hierbij O2 (zuurstof) ontstaat.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hoe zwaar weegt een wolk?

Een wolk bestaat uit een massa van kleine waterdruppels of ijskristallen. Deze wolken komen in allerlei verschillende vormen en maten voor. Maar hoe zwaar weegt een wolk eigenlijk?

 

Afbeelding 1 – stratocumulus wolken boven een maisveld

 

GEWICHT VAN EEN WOLK

Het gewicht van een wolk heeft te maken met de dichtheid, bij wolken ook wel vloeibaar-waterinhoud genoemd, die een type wolk heeft.

Wolken worden in verschillende categorieën geplaatst:

-       Nimbostratus
-       Stratocumulus
-       Stratus
-       Altocumulus
-       Altostratus
-       Cirrus
-       Cirrocumulus
-       Cirrostratus
-       Cumulonimbus
-       Cumulus

Wist je dat…

De benaming van de type wolk Latijns is en een letterlijke betekenis heeft van de vorm van de wolk?
Zo betekend ‘Cumulus’ ophoping, en ‘Cirrus’ betekend vederwolk. Cumulonimbus heeft zo ook een mooie betekenis: ‘een torenhoge wolk’.

 

Afbeelding 2 – overzicht van verschillende wolktypes.

Iedere wolk heeft een andere dichtheid waterdruppels en bevat daarmee dus meer of minder water.

Zo word de cumulonimbus gerelateerd met onweersbuien, de vloeibaar-waterinhoud van deze type wolk is veel hoger dan andere type wolken, namelijk 1 tot 3 gram per m3.

Terwijl de cirrus (de vederwolk) slechts een vloeibaar-waterinhoud heeft van 0,03 gram per m3!

Vloeibaar-waterinhoud per type wolk:

Type wolk	vloeibaar-waterinhoud ( gram per m3)
Hoge wolken (Cirro)	0,03
Mist (hoort bij lage wolken, strato)	0,01 t/m 0,05
Lage wolken (Strato)	0,25 t/m 0,30
Cumulus	0,25 t/m 0,30
Stratocumulus	0,45
Cumulonimbus	1,0 t/m 3,0

 

METEN VAN HET GEWICHT

Er zijn verschillende organisaties, vaak van overheden, die verschillende meetinstrumenten gebruiken om de vloeibaar-waterinhoud te kunnen bepalen. Een voorbeeld hiervan is de ‘king hot wire liquid water probe’.

 

Afbeelding 3 – king hot wire liquid water probe

Dit is een sonde welke zich buiten een vliegtuig bevind, en het bevat een staaldraad welke elektrisch verwarmd word. Terwijl het door de lucht beweegt beïnvloeden de waterdruppels de temperatuur van de staaldraad. De stroom wat nodig is om de staaldraad op temperatuur te houden word gebruikt om de vloeibaar-waterinhoud van de betreffende wolk te meten.

 

 

 

 

 

 

 

Hoe werken sterretjes (vuurwerk)

Naast knalerwten is er ook een ander soort vuurwerk wat de het hele jaar door gebruikt mag worden: sterretjes. Dit vuurwerk geeft bij verbranding prachtige sterreneffecten. In dit artikel gaan we kijken wat voor pyrotechniek bij sterretjes word toegepast.

 

WAARSCHUWING!

Dit artikel is om lezers te helpen informatie te verkrijgen over de werking van vuurwerk. Het is geen gids voor het bouwen van eigen vuurwerk, probeer nooit vuurwerk uit elkaar te halen. Vuurwerk is complex en moet met veel zorg gemaakt en gebruikt worden, met name om potentieel fatale ongelukken te voorkomen.
Dit is de reden waarom dit artikel geen specifieke chemische formules bevat.

 

OPBOUW

1.    Staaldraad

Dit vormt de basis van de sterretje.

2.    Sterretjes coating

Dit is een pyrotechnisch mengsel.

 

Afbeelding 1 – doorsnede sterretje

De werking van de sterretjes heeft te maken met het pyrotechnisch mengsel.

Waaruit bestaat het pyrotechnisch mengsel voor sterretjes?

Het pyrotechnische mengel bestaat uit hoofdzakelijk uit vier componenten:

Brandstof

Basis van het brandstof zijn metaalpoeders, hiervoor kunnen verschillende soorten toegepast worden afhankelijk van de gewenste soort ‘sterretjes’.

-       Witte sterretjes: aluminium, magnesium, magnalium.

-       Oranje sterretjes: ijzer.

-       Helder witte sterretjes: Titanium.

-       Geel/gouden sterretjes: Ferrotitanium.

Ook worden er andere soorten brandstoffen toegevoegd om de brandsnelheid te beïnvloeden. Dit betreft zwavel en houtskool.

Oxidator (oxyderensmiddel)
De oxidator heeft een belangrijke functie bij sterretjes.

1.    Het produceert zuurstof voor de brandstof

2.    Tijdens de reductie van de oxidator ontstaat gas, deze reactie zorgt ervoor dat stukjes brandend metaalpoeder word weggeschoten uit het pyrotechnisch mengsel.

De oxidator veroorzaakt dus het sterretjes effect.

De meest toegepaste oxidator is kaliumnitraat.

Hiervoor zijn meerdere redenen:

-       Het is een stabiele stof wat niet reageert met andere chemicaliën.
-       Het is instaat om bij reductie veel zuurstof te produceren.
-       Daarnaast is kaliumnitraat vergeleken met andere nitraten niet erg giftig of schadelijk.
Andere toegepaste oxidatoren zijn o.a. bariumnitraat en strontiumnitraat.

Toevoegingen

Om de kleur van de sterretjes te beïnvloeden kan men gebruik maken van toevoegingen zoals chlorides, nitraten of metaalpoeders, voorbeelden hiervan zijn o.a. barium, strontium of koper.

Bindmiddel

Voor de pyrotechnische mengsel van sterretjes word gebruik gemaakt van bindmiddel. Bindmiddel zorgt ervoor dat het pyrotechnisch mengsel een vast geheel word.
Meest toegepaste bindmiddel is ‘witte dextrine’, dit is een groep van koolhydraten wat middels pyrolyse uit zetmeel gewonnen word.

 

Hoe worden de sterretjes gemaakt?
Van deze vier omschreven componenten word met behulp van water een pasta gemaakt.
De staaldraden worden in de pasta gedoopt, hierna moet het pasta drogen zodat het een vaste substantie word.  

 

Afbeelding 2 – het staaldraad kan in verschillende vormen gebogen worden.

Wist je dat…

Er ook handgemaakte sterretjes te koop zijn?

De ‘Hanahana sterretjes’ uit Japan worden met de hand gemaakt en is geheel van natuurlijke materialen.

Zo word de buskruit geproduceerd met stoffen uit de wortel van een volwassen Miyazaki Denneboom.
Doordat het handgemaakt word is er zelfs een wachtlijst voor de mensen die de hanahana sterretjes willen aanschaffen.
Dit en het gebruik van puur natuurlijke producten zorgt ervoor dat dat ze alles behalve goedkoop zijn, elke doos kost ongeveer $100 en bevat 40 sterretjes.

Afbeelding 3 – doos hanahana sterretjes

 

WERKING
 

Bij het aansteken van de sterretje vinden twee reacties plaats:

1.    Verbranding van de metaalpoeder en overige brandstoffen (zwavel en/of houtskool)

2.    Reductie van de oxidant

Hierbij komen gassen vrij, waaronder zuurstof wat de verbranding van de brandstof bevordert. Bij deze reactie worden de brandende metaalpoeders weggeschoten en krijgt men het sterretjes effect.

 

Afbeelding 4 – Het ontbranden van een sterretje

 Wist je dat…
De snelheid waarmee de sterretjes verbranden ongeveer 5 millimeter per seconde is?
Als je sterretjes hebt van 30 centimeter dan heb je 60 seconden plezier!
 

Wist je dat…

Er ook kunstwerken worden gemaakt met behulp van sterretjes en andere soorten vuurwerk?
Tobias Kipp en Timo Pitkämö zijn de artiesten die hiervoor bekend staan, zij noemen deze stijl ‘pyrografie’.

Sterretjes word soms onterecht koud vuur genoemd, maar bij de brandpunt kan de sterretje gemakkelijk een temperatuur bereiken tussen de 1000 en 1600 °C.

Ook met dit vuurwerk moet men dus zorgvuldig omgaan.