Surface mount-LED’s (SMD-LED’s) werken door een elektrische stroom door een halfgeleiderchip te leiden, die licht uitzendt door elektroluminescentie. Deze compacte LED’s worden rechtstreeks op printplaten gesoldeerd, met typische bedrijfsspanningen variërend van 2V tot 3.5V en stromen rond de 20mA. De chip is ingekapseld in een plastic behuizing met een fosforcoating (voor witte LED’s) en reflecteert licht efficiënt, met een helderheid tot 100 lumen per watt. Hun kleine formaat (bijv. 3.5mm x 2.8mm voor een 5050 SMD) en lage warmteafgifte maken ze ideaal voor moderne elektronica.
Basis LED-structuur
Een typische SMD-LED meet tussen 1.6mm x 0.8mm (0603-grootte) en 5.0mm x 5.0mm (5050-grootte), met een helderheid variërend van 3 tot 150 lumen, afhankelijk van het model. Binnenin zet een halfgeleiderchip (meestal gemaakt van galliumnitride of vergelijkbare materialen) elektriciteit om in licht met een efficiëntie van 80 tot 200 lumen per watt, veel beter dan oude gloeilampen.
De kern van een SMD-LED bestaat uit drie hoofddelen:
De ‘die’ is het daadwerkelijke lichtuitstralende onderdeel, typisch 0.2mm tot 1.0mm breed, gemonteerd op een reflecterende keramische of metalen basis. Wanneer er elektriciteit doorheen stroomt, springen elektronen over een opening en geven ze energie vrij als licht—een proces dat elektroluminescentie wordt genoemd. Voor witte LED’s zet een gele fosforlaag een deel van het blauwe licht om in warmere tinten, waardoor een kleurtemperatuur wordt bereikt tussen 2700K (warm wit) en 6500K (koel wit).
Sommige SMD-LED’s hebben een kijkhoek van 120 graden, waardoor ze geschikt zijn voor brede verlichting, terwijl andere licht in een strakkere 30-graden straal richten voor spotverlichting. Warmteafvoer is cruciaal—slecht thermisch beheer kan de levensduur van 50.000 uur van een LED halveren. Daarom gebruiken krachtige SMD-LED’s vaak koperen of aluminium substraten om warmte van de ‘die’ weg te leiden.
Een belangrijk voordeel van SMD-LED’s is hun lage bedrijfsspanning—de meeste werken tussen 2.8V en 3.4V bij stromen van 20mA tot 350mA. Dit maakt ze energiezuinig en verbruikt 60-80% minder stroom dan oudere verlichtingstechnologieën. Hun kleine formaat maakt ook lay-outs met een hoge dichtheid mogelijk; een enkele printplaat kan honderden LED’s per vierkante centimeter bevatten, wat ultradunne schermen en heldere, uniforme achtergrondverlichting mogelijk maakt.
| Component | Materiaal/Grootte | Hoofdfunctie |
|---|---|---|
| Halfgeleider Die | Galliumnitride (0.2-1.0mm) | Zet elektriciteit om in licht |
| Fosforcoating | YAG:Ce (voor witte LED’s) | Past kleurtemperatuur aan |
| Inkapseling | Epoxy/siliconen | Beschermt die, regelt lichtverspreiding |
| Substraat | Keramiek/aluminium | Voert warmte af, verbetert de levensduur |
In tegenstelling tot oudere LED’s, zijn SMD-versies niet afhankelijk van omvangrijke plastic koepels. In plaats daarvan maakt hun platte ontwerp direct solderen op PCB’s mogelijk, wat de assemblagekosten met 15-30% verlaagt in vergelijking met through-hole LED’s. Sommige geavanceerde modellen integreren zelfs meerdere ‘dies’ (RGB of wit) in één enkel pakket, waardoor full-color schermen mogelijk zijn zonder extra bedrading.
Hoe stroom licht creëert
In tegenstelling tot ouderwetse gloeilampen die 90% van hun energie als warmte verspillen, zetten LED’s tot 50% van de elektrische energie om in zichtbaar licht, waardoor ze veel efficiënter zijn. Dit gebeurt in een kleine halfgeleiderchip, meestal gemaakt van materialen zoals galliumnitride (GaN) of indiumgalliumnitride (InGaN), waar elektronen en ‘gaten’ (ontbrekende elektronen) botsen om fotonen vrij te geven—de basisdeeltjes van licht.
Wanneer u een spanning tussen 2V en 3.5V op een LED toepast, springen elektronen van de negatieve kant (n-type halfgeleider) naar de positieve kant (p-type halfgeleider). De energie-opening tussen deze lagen bepaalt de kleur van het licht. Een spanningsval van 2.1V produceert bijvoorbeeld typisch rood licht, terwijl 3.2V blauw oplevert. Witte LED’s ‘bedriegen’ een beetje—ze beginnen met blauw licht (ongeveer 450nm golflengte) en laten dit door een gele fosforcoating gaan, waarbij de twee worden gemengd om wit te creëren. De exacte samenstelling van de fosfor past de kleurtemperatuur aan, variërend van 2700K (warm wit) tot 6500K (daglicht).
Premium GaN-gebaseerde LED’s kunnen 200 lumen per watt bereiken, terwijl goedkopere slechts 80 lm/W kunnen halen. Warmte is hier de vijand—voor elke stijging van 10°C in junctietemperatuur daalt de helderheid van de LED met 2-5% en krimpt de levensduur met 15-20%. Daarom gebruiken krachtige LED’s materialen zoals saffier- of siliciumcarbide-substraten, die warmte 3x beter geleiden dan standaard epoxy.
Stroomregeling is cruciaal. Te weinig (onder 10mA) en de LED blijft gedimd; te veel (meer dan 350mA voor kleine SMD’s) en hij brandt snel door. De meeste LED’s werken optimaal bij 20-150mA, waarbij de voorwaartse spanning varieert per kleur:
- Rood/Oranje/Geel: 1.8–2.2V
- Groen/Blauw/Wit: 2.8–3.4V
Door de stroom duizenden keren per seconde aan/uit te schakelen (bijv. 1kHz frequentie), lijkt de LED gedimd bij een duty cycle van 30%, maar behoudt hij dezelfde tint. Dit voorkomt de kleurverschuiving veroorzaakt door analoog dimmen, waarbij het verminderen van de stroom blauwe LED’s licht paars kan maken.
Interessant is dat niet alle fotonen uit de LED ontsnappen. Door interne reflecties raakt 20-30% van het licht opgesloten in de chip. Hoogwaardige LED’s bestrijden dit met micro-lens-arrays of gestructureerde oppervlakken die de lichtextractie met 15-40% verhogen. Andere gebruiken ‘flip-chip’-ontwerpen waarbij de lichtuitstralende laag dichter bij het substraat zit, waardoor verliezen door draadverbindingen worden verminderd.
Het resultaat? Een technologie die een revolutie teweeg heeft gebracht in de verlichting. Een enkele 3W SMD-LED kan een 40W gloeilamp vervangen, gaat 25x langer mee (50.000 versus 2.000 uur) en verbruikt 85% minder energie. Vervolgens zullen we SMD-LED’s vergelijken met hun omvangrijkere voorgangers—en waarom de platte kleine vierkantjes wonnen.
SMD versus traditionele LED’s
Heldereid & Efficiëntie
- Traditionele LED’s (bijv. 5 mm rond):
- Output: 2-5 lumen bij 20mA
- Kijkhoek: 30-60°
- Efficiëntie: 80-100 lm/W
- SMD-LED’s (bijv. 5050-grootte):
- Output: 15-20 lumen bij 20mA (3-4x helderder)
- Kijkhoek: 120° (bredere dekking)
- Efficiëntie: Tot 200 lm/W (2x efficiënter)
Grootte & Ontwerpflexibiliteit
- Traditionele LED’s:
- Omvangrijk (5 mm diameter × 8 mm hoogte)
- Vereist ≥10 mm afstand op PCB’s
- Voorbeeld: Een smartphone-achtergrondverlichting had 30 through-hole LED’s nodig
- SMD-LED’s:
- Compact (bijv. 3.5mm × 2.8mm)
- 60-80% kleinere PCB-voetafdruk
- Dezelfde smartphone-achtergrondverlichting gebruikt nu slechts 10 SMD’s
Thermische prestaties & Levensduur
- Traditionele LED’s:
- Epoxyomhulsels houden warmte vast → 100°C bij 50mA
- Levensduur halveert met 50% bij praktisch gebruik
- Beoordeeld op 50.000 uur (maar vaak 25.000 uur in de praktijk)
- SMD-LED’s:
- Directe die-naar-metaal-verbinding → 20-30°C koeler
- Krachtige varianten verwerken 700mA continu
- Behoudt 50.000+ uur zelfs bij hoge stromen
Kosten & Productie
- Eenheidskosten:
- Traditioneel: $0.02–$0.05
- SMD: $0.03–$0.08 (iets hoger)
- Assemblagebesparingen:
- Traditioneel: Handmatig/golfsolderen ($0.10–$0.15 per LED)
- SMD: Geautomatiseerde pick-and-place ($0.01–$0.03 per LED)
- Bespaart $800–$1.200 per 10.000 eenheden
- Breukpercentages:
- Traditioneel: 15-20% (schade aan leidingen tijdens hantering)
- SMD: Bijna 0% (plat, geen fragiele leidingen)
Kleurconsistentie & Betrouwbaarheid
- Traditionele LED’s:
- 20-30 nm golflengtevariatie (zichtbare kleurverschillen)
- Slechte kleurafstemming (voldoet zelden aan medische/CRI >95 behoeften)
- SMD-LED’s:
- 5-10 nm tolerantie (geautomatiseerde fosforcoating)
- 90% binnen 3-staps MacAdam-ellips (precieze kleureenheid)
Duurzaamheid (thermische & trillingsbestendigheid)
- Traditionele LED’s:
- 12-15% uitvalpercentage na 1.000 thermische cycli (-40°C tot +85°C)
- Faalt bij 20G trilling (vermoeidheid van de leidingen)
- SMD-LED’s:
- <3% uitvalpercentage in dezelfde omstandigheden
- Bestand tegen 50G trilling gedurende 100+ uur
Praktische besparingen
- Straatverlichtingsvoorbeeld:
- SMD’s besparen 500 kWh/jaar per armatuur (t.o.v. traditioneel)
- 20-30% hogere initiële kosten worden terugverdiend in <18 maanden
- Indicatorgebruik:
- SMD-levensduur: 3-5 jaar
- Traditionele levensduur: 1-2 jaar (bij 50mA continu)
Waarom SMD domineert (90% van de moderne verlichting)
✔ Kleiner, helderder, efficiënter
✔ Langere levensduur & beter warmtebeheer
✔ Lagere assemblagekosten & hogere betrouwbaarheid
✔ Superieure kleurconsistentie
✔ Bewezen ROI bij commercieel/industrieel gebruik
Veelvoorkomende maten en specificaties
De naamgevingsconventie is eenvoudig:
- 2835 LED = 2.8mm × 3.5mm
- 5050 LED = 5.0mm × 5.0mm
Maar afmetingen alleen bepalen de prestaties niet.
Kleine LED’s (indicatoren & achtergrondverlichting)
- 0402 LED’s (0.4mm × 0.2mm)
- Stroom: 10-15mA
- Output: 2-3 lumen
- Gebruik: Statusindicatoren van smartphones (ruimte < 1mm²)
- 1608 LED’s (1.6mm × 0.8mm)
- Stroom: 20mA
- Output: 5-8 lumen
- Gebruik: Achtergrondverlichting van smartwatches
Middenklasse LED’s (algemene verlichting)
- 2835 & 5050 LED’s
- Output: 20-50 lumen
- Stroom: 60-150mA
- Kijkhoek: 120°
- Krachtige varianten: 300-700mA (vereist koeling)
Kleur- & spanningsvariaties
- Warm wit (2700-3000K): 5-10% lagere output dan koel wit (5000-6500K) als gevolg van fosforverliezen.
- RGB 5050 LED’s:
- Bevat 3 ‘dies’ (Rood: 620-625nm, Groen: 520-525nm, Blauw: 465-470nm)
- Individuele output: 7-10 lumen per kleur
- Gecombineerd wit licht: 500-800mcd
- Verschillen in voorwaartse spanning:
- 2835 warm wit: 2.8-3.2V
- 3528 blauw: 3.0-3.4V
- Serie versus parallelle overwegingen:
- 10 × 3V LED’s in serie → 30V driver nodig
- Parallelle opstellingen → Nauwkeurige stroomregeling vereist
Thermische & efficiëntiefactoren
- 5630 pakket (5.6mm × 3.0mm)
- Werkt 15-20°C koeler dan 3528 bij 150mA
- 10-15% langere levensduur door betere warmteafvoer
- Helderheidsbakken (bins) zijn belangrijk:
- Top-bin 3014 LED (3.0mm × 1.4mm): 12 lumen bij 30mA
- Standaard bak: 9 lumen bij 30mA (25% verschil)
- Beïnvloedt hoeveel LED’s een armatuur nodig heeft
Levensduur & praktische prestaties
- Beoordeeld op 50.000 uur (bij 25°C met de juiste stroomregeling)
- Praktisch (85°C omgeving): ~30.000 uur
- 7030 pakket (7.0mm × 3.0mm) – Keramische substraten behouden 90% output na 60.000 uur, zelfs bij 105°C
Micro-LED’s (volgende generatie schermen)
- Grootte: <0.1mm²
- Stroom: 1-5mA
- Helderheid: 5.000-10.000 nits (buiten leesbaar)
- Dichtheid: 500+ LED’s/cm² (maakt 4K op smartphoneschermen mogelijk)
- Kosten: 30-50% hoger dan standaard SMD-assemblage
Belangrijkste punten
- Grootte beïnvloedt thermische prestaties & helderheid
- Spanning- & stroomvereisten variëren per kleur & pakket
- Krachtige LED’s hebben koeling nodig
- Bakgradaties beïnvloeden de werkelijke lichtopbrengst
- De levensduur daalt in omgevingen met hoge temperaturen
- Micro-LED’s maken ultragrote schermen mogelijk, maar kosten meer
Typische circuitverbindingen
Het verschil tussen juist en onjuist aansturen kan 50.000 uur versus 5.000 uur operationele levensduur betekenen.
Voor een 3V witte LED bij 20mA op een 5V voeding heeft u een (5V – 3V) / 0.02A = 100 ohm weerstand nodig, die 0.04W dissipeert. Dit werkt voor indicatoren met lage stroom, maar wordt inefficiënt bij hoger vermogen—een 150mA LED verspilt 0.45W als warmte, waardoor de efficiëntie onder de 70% daalt. Daarom vervangen constantstroomdrivers weerstanden boven 100mA belastingen.
Schakelregelaars lossen efficiëntieproblemen op. Een buck-omzetter die tien 3V LED’s in serie aanstuurt vanaf 24V bereikt 90-95% efficiëntie door alleen de benodigde 30V te leveren. Deze handhaven 1-3% stroomvariantie ondanks ingangsfluctuaties (20V tot 30V), cruciaal voor automotive of batterijgevoede toepassingen. De Mean Well LDD-serie (350mA drivers, $1.50–$2.00) verdient zichzelf terug in 6-12 maanden via energiebesparingen versus weerstandscircuits.
Zelfs LED’s uit dezelfde batch vertonen 5-10% variatie in voorwaartse spanning. Het aansluiten van vijf 3V LED’s parallel op 3.3V zonder weerstanden veroorzaakt stroomkaping—één LED kan 120mA trekken terwijl andere 80mA krijgen, wat leidt tot ongelijke helderheid en versnelde degradatie. Oplossingen:
- Individuele weerstanden (bijv. 22 ohm voor 20mA LED’s)
- Meerkanaals drivers (bijv. TI TLC5916) die elke tak onafhankelijk regelen.
Het pulseren van een 500mA LED op 1kHz (30% duty cycle) bereikt een gemiddelde stroom van 150mA zonder kleurverschuiving. Hoogwaardige drivers zoals de AL8805 ondersteunen 25kHz PWM, waardoor flikkeren wordt geëlimineerd terwijl 0-100% dimmen mogelijk is. De afweging? PWM-circuits voegen $0.30–$0.50 toe aan de stuklijst, maar maken functies zoals vloeiende zonsopgangeffecten in slimme verlichting mogelijk.
Een 3W LED (700mA bij 3.4V) genereert 2.4W aan warmte, wat 6,5 cm² koper van 60 gram per watt vereist voor passieve koeling. Als dit onvoldoende is, stijgt de junctietemperatuur van 25°C naar 85°C, waardoor de voorwaartse spanning met 0.1V daalt—wat de stroom met 15-20% verhoogt en weerstandsberekeningen verstoort. Thermische ‘foldback’-circuits verminderen dit door de stroom te verminderen wanneer de koeling faalt.
Een 5 meter 12V strip met 50 LED’s lijdt aan spanningsval—de eerste LED krijgt 12.0V, de laatste 10.4V, wat een helderheidsgradiënt van 20% creëert. Oplossingen:
- Hogere spanning (24V of 48V)
- Stroominjectie om de 5 meter (18AWG-kabels) om de spanningsval onder 5% te houden.
