LED and LED Lighting Technology Overview

Light emitting diode (LED) based exit signs and traffic signals have fulfilled their promise of an energy-efficient, long-lasting, compact, and low-maintenance light source in real-world commercial and industrial applications by saving millions of kilowatt-hours of electricity and thousands of maintenance hours. While a number of technological and economic challenges have combined to limit the availability of LED consumer products beyond these existing niches, this trend is changing: a number of sources have projected that LED-based lighting will gradually replace 25% to 30% of incandescent lighting applications by 2025.

LEDs represent a lighting technology fundamentally different in design from the incandescent light bulb or fluorescent light. In fact, LED technology has more in common with the microchip than any of the current light sources. LEDs are composed of thin layers of semiconducting materials that emit light when a voltage is applied across the LED layers, forming a light producing “chip.” The LED chip must be encased in epoxy with a heat sink, metallic leads, and a light reflector to form a functional light source – collectively referred to as “the package.” Packages are then incorporated into lighting systems. It is important to have a fully optimized and integrated LED package as well as luminaires specifically designed to fully utilize the light output of LEDs.   

Another difference of LED lighting is that LEDs produce colored light. The use of different semiconducting materials result in different light colors being produced. This makes the LED technologies especially attractive for applications that require colored light. To get white light, variety of color mixing techniques are used to create “white light” LEDs, including packaging colored LED with a phosphor, or with other complementary colored LEDs that overlap to produce white.  

LEDs and Efficiency 

LEDs bring many advantages to the lighting marketplace, one of the most notable being energy efficiency, especially in applications requiring colored light. In these situations, colored filters applied to white light sources reject 80 to 90% of the spectrum, wasting the energy expended to create those wavelengths. By contrast, LEDs make only the 

wavelengths desired, which is the major reason that monochromatic LEDs to date have been more successful and efficient than white ones. In exit signs and in traffic signals, for example, red LED systems demand only 10% to 15% of the input power that an incandescent light source system would require. 

Another admirable quality of the LED technology is that it has a long rated life – up to 100,000 hours. This represents a significant leap when compared to 1000 hours or less for an incandescent, 6,000 to 20,000 hours for fluorescent sources, and about 24,000 hours for a high-pressure sodium lamp. The longer life of a LED system makes LEDs more attractive because it lowers the replacement frequency of the system and increases the time that a customer benefits from the energy savings. Thus, the rated life of LEDs is important to consider when analyzing the overall cost of a LED system as compared to the overall cost of a conventional system. 

Measuring LEDs and reporting LED output for use in place of traditional lighting sources actually represents a significant challenge. The introduction of LEDs into lighting 

applications has created a demand for photometric descriptions of LEDs. This is due the fact that most lighting designers and energy efficiency program managers are accustomed to comparing the relative efficacy of light sources in terms of lumens per watt (lm/w). This metric assumes that the light source being measured emits light in a fairly broad spatial distribution pattern. However, LED packages emit light in a relatively narrow cone of distribution, so it is more difficult to determine lumens per watt for LED-based systems. Thus, a redefinition of efficacy may be needed in order to effectively compare the performance of these different light sources.

LED Drivers and Dimming LED Lights

Ninety nine times out of a hundred, when someone replaces a low voltage halogen with an LED bulb then wonders why it doesn’t work the answer is to be found in the dimmer switch and/or transformer. Personally I long ago decided that choosing between mains and low voltage LED lights is a no brainer – follow the link to find out why.

Low voltage 12v LED lights need a specialist transformer commonly called an LED driver. These are guaranteed to provide a constant voltage (i.e. 12 volts plus or minus a small variation) since LED light bulbs are susceptible to damage due to too high and/or fluctuating voltage.

The problem with using the regular 12v transformers associated with low voltage halogen lights is that these expect quite a heavy load, typically in excess of 30w, and will output rather more than 12 volts if the load is too small.

If you have a large bank of LED spotlights (say 8 or more) then connecting them all to just one of the existing 12v transformers but leaving a single halogen in-situ is a reasonable compromise for many. This simply increases the load on the transformer sufficiently to prevent it increasing it’s voltage output and thereby damaging any LEDs in the circuit. It’s not the best way to go though since you still have an inefficient halogen lamp burning up the electricity bill.

So, if dimming 12v LED lights is not an issue (we’ll get to that next) then either artificially increase the load as described above, or more simply and preferably, install a constant voltage LED driver.

You don’t need one per lamp as is common with regular halogen low voltage transformers – a single driver can run a dozen or more LED spots. You could in principle also share a single driver across different areas if the layout of your house permits – have a single master switch to control power to the driver then feed the driver outputs via individual lighting switches to the lights. In practice LED drivers aren’t all that expensive and it’s much better to buy as many as makes the wiring easier.

Using LED lighting with a dimmer switch can be an issue for the reason that they are so low wattage. Conventional dimmer switches invariably require quite large loads (high wattages) otherwise they buzz, hum and generally don’t work.

Clearly the tiny wattages associated with low energy LED lamps are nowhere near enough to drive these beasts, and so in general people either opt to install energy saving LED lights for applications where dimming is not required or purchase LED dimmer units designed for this purpose.

Good options include this regular looking rotary LED dimmer switch (the one in the photo), or if you want to keep an existing baseplate but replace the interior dimmer module so that it can handle very low load LED lights then this rather cute LED dimmer moduleis a neat solution (note that this is only suitable for upgrading older style rotary dimmer switches). For more specialist applications then you can even get this diminutive LED strip light dimmer which even comes with a remote control.

The approved method for low voltage 12v LED lights is simply to install a dimmable LED driver plus a suitable dimmer switch (these are usually labeled by output voltage (i.e. 1 to 10v) rather than by maximum wattage). Alternatively, if using mains powered GU10 LED spots rather than low voltage MR16, an analog (not electronic) dimmer rated to cope with the very low load will also work.

Where dimmer switches and transformers are concerned, the first issue to understand is “loads”: a straightforward incandescent lamp is a “resistive” load; a traditional wire-wound transformer (as used to step down the voltage for low voltage lamps) is an electromagnetic or “inductive” load; a modern electronic transformer is a “capacitive” load (these last two both being forms of reactance or a “reactive” load).

Many people assume (reasonably enough) that dimming a light will save money since the light bulb uses less electricity. The truth is that it depends on the type of dimmer being used. Old fashioned dimmer switches simply used resistors (also called rheostats) to decrease the voltage passed to the load; this dissipates power as heat from the dimmer unit (rather than the light bulb) so it’s not actually saving anything much at all.

The heat loss in a resistive dimmer is proportional to the voltage across it multiplied by the current passing through it. But since small drops in voltage result in a much more noticeable drop in illumination for an incandescent lamp (the current is also quite low – about 250mA for a 60W bulb), the actual heat generated is not that great. Note also that the dimmer circuitry absorbs some power, even at full brightness, so there is always overhead involved regardless.

Nearly all modern dimmers however (typically TRIAC or Triode for Alternating Current) work by rapidly switching the electricity off and on as the mains alternating current changes polarity which results in reduced power being sent to the load and hence the appearance of reduced brightness. Normal mains electricity uses an alternating current (AC) that cycles (or switches) at the rate of about 50 times per second. A solid state electronic transformer simply chops the number of “on” states and thus less electricity gets sent to the light which causes it to dim. It also saves some money since power is not simply diverted into heat.

But it’s not quite that simple… there are two ways to achieve this switching effect, known as leading edge and trailing edge dimming. Without going into detail the general rule of thumb is that a leading edge dimmer will work with wire-wound or toroidal transformers (i.e. old style) but not electronic ones and a trailing edge dimmer is suitable for modern electronic transformers but not wire-wound ones. Except where otherwise stated. This site has a great section all about transformers if you want to really get into this subject.

Confused? If you can afford it there is always the option of an adaptive dimmer that as the name suggests dynamically adapts to work with resistive, inductive and capacitive loads. Now you know why so many low voltage light fittings with built-in transformers (ones that use G4 halogen bulbs are a prime example) state “non-dimmable”. They’re just covering their backsides – they often can be dimmed, but you need to establish what type of transformer it is using and purchase a type of dimmer suitable for that transformer.

Finally, be aware that whereas dimming an incandescent lamp will cause its color to shift more towards the red/yellow part of the spectrum, dimming an LED will simply reduce the light intensity without altering the color one iota (it has to be said that dimmable CFLs also behave the much same way and stay the same color but reduce in brightness).

LEDs emit light at a particular wavelength according to the energy band gap between the two sides of the diode. A dimmed LED simply emits fewer photons but still at the same wavelength (and hence color). This particular characteristic foxes many people because it’s not what they’re used to. It used to be a particular bug bear of mine but having now got used to lights that stay white but less bright when dimmed I actually prefer this new effect to the old color changing one.

That said… Dutch based manufacturer Ledzworld has products that incorporate a patented dimming system called Color Temperature Adjusted (CTA) Dimming that fades in an orange LED as the white is faded out and replicates the effect we’ve all come to know and really rather like when dimming incandescent lamps. Sometimes the answer is simplicity itself.

But don’t make this mistake! If you want to test a low load dimmable lamp such as an LED to find out how it performs, then if it is the only bulb being attached to the dimmer make certain to use a low load dimmer. And if the switch controls a number of lights do NOT simply replace one of them with the new LED. The dimmer switch will react to the primary load (all the other regular lights in the circuit) and your LED will behave very strangely indeed, possibly leading you to believe that it doesn’t work very well. Either ensure you have a full set of LEDs all attached to the same dimmer or follow the single bulb procedure just mentioned.

Major lighting manufacturer Sharp provide this extremely interesting and informative LED Catalogue that show very clearly how a major lighting manufacturer sees the future panning out. It also explains issues such as why you actually do need a constant voltage LED driver and the differences between wiring in series and parallel.

A Simple Guide To LED Home Lighting

This article aims to clear up some of the confusion that surrounds the various low energy domestic lighting solutions currently available to consumers, looks at what you need to know about low energy lighting and installing low energy light bulbs and provides a simple guide and helpful LED lighting advice for anyone unfamiliar with evaluating and buying LED home lighting.

If you just want to jump in and start installing LED lights though then follow these links to check out some of the best LED spot lights and standard globe shaped LED light bulbsavailable these days.

Some Background About Domestic Lighting Solutions

The lighting systems we are most familiar with in a domestic setting are based on GLS (General Lighting Service ) light bulbs – these are incandescent filaments that burn (quite literally) and in so doing convert their input energy into about 98% heat (as you would expect for something that is burning) with the remainder given off as incidental light.

GLS bulbs have a typical lifespan of about 1000 hours, at which point, having converted your these-days-not-very-cheap electricity into vastly more heat than light, they need to be replaced. Put another way, if you started out in life with a single GLS light bulb that you used for just 4 hours per evening, you would need to re-purchase well over 100 replacements during the course of your life.

At approximately $1 per light bulb say, that’s $100. And if you think that’s a high price to pay for having a little light in your life, the cost of running your GLS bulb far exceeds the replacement costs at somewhere above $1000 in electricity bills.

So… regular GLS incandescent light bulbs are economically a poor choice for you directly. But they are also a very bad way to light the world in general.

Not only are you (and everyone else) generating a huge amount of waste heat (remember: 2% illumination, 98% heat radiation), there is also the energy and heat required by the lighting manufacturers to make all those replacement light bulbs (we’ll ignore the disposal issue, but that’s yet another concern).

Needless to say, governments around the world are alarmed by this and many governments in the developed world (where frankly the problem is worst) have already enacted legislation to phase out the production and use of standard incandescent lamps, with timescales as short as 2 to 3 years.

Yes, you read that correctly – very soon you will not be able to buy GLS light bulbs anymore so it’s time to start getting energy savvy.

So What About Low Energy Light Bulbs?

What indeed about conventional low energy (for which read CFL or Compact Fluorescent Lamp) light bulbs? There are quite a number of problems with CFLs compared to GLS and LED light bulbs, follow the link for further details, but the short answer is that they are bad news on all fronts.

Total cost of ownership of CFLs is poor (the full purchase and running costs taken together); light quality is horrid; they are bulky, ungainly and downright ugly; most are not dimmable; energy efficiency is not all that great; and the cherry on top – CFLs contain toxic mercury vapor and are therefore hazardous waste.

No wonder even the lighting industry itself is keen to get beyond CFLs and into a lighting technology that really can deliver safe, high-quality light that is low-cost, low-energy, low-heat, low-carbon footprint, ultra long life-span.

The lighting industry is at the sharp end of the reality behind global warming and the relentless energy crisis that will accompany oil depletion, and the solution that lighting industry giants such as Philips have put their investment behind is the ultimate in energy saving lighting – LED home lighting.

How And Where To Use LED Lighting Around Your Own Home

The first thing to understand about LED lamps is that the light they emit is directional – focused on a single spot. So they are an excellent choice for any existing lighting applications that have similar characteristics. We’re talking here about:

- spot lights

- accent lighting

- sconce lighting

- tracks and clusters

- recessed down lights

- security lighting

- courtesy lights

- walk-in closets

- desk lamps

- decorative & feature lighting

- garden lighting

Most people’s homes use this type of lighting in kitchens, bathrooms, hallways and basements. Anywhere really that needs bright ambient light.

A safe choice at the moment to replace halogen spotlights are GU10 LED bulbs such as this ledgrossiste 6W GU10 LED.

Less obvious uses of halogen lighting are desk lamps and slim cabinet lights, both of which use G4 halogen capsules. These fiendishly hot little lamps are easily and very cost effectively replaced with G4 LED capsules that simply push into the existing fitting.

Domestic LED lighting is also particularly effective in situations that have no natural light at all and can therefore use only artificial light, since LED lights have a light quality that is unique and in many ways more versatile than traditional lighting. Just think of some of the really great basement ideas you could create for example using a mixture of colored LED mood lights and cool LED spots.

In fact, when planning any new DIY projects, consider how and where you might incorporate LED lighting to add a new dimension, as well as saving you real money long term and helping the environment. Basements, workshops, garages and the like also often have T8 fluorescent tubes fitted and these are prime candidates to replace with LED T8 tubes that cost far less to run, don’t need replacing anywhere near so often, don’t suffer from headache inducing flicker and give off almost no heat so putting less strain on your air conditioning.

LED lights also work brilliantly in strips, so replacing T5 fluorescent tubes under kitchen units and lighting inside cupboards are both ideal applications, not least because LED kitchen lighting gives off almost no heat, plus their super-bright light is required in a relatively small area rather than spread widely. For the same reason, if you’re looking for walk in closet ideas then simple domestic LED lighting is a great solution.

What they are less good at (at the moment) is all round illumination of the sort you get from say a table lamp with a lamp shade. Though even now there are LED candle and LED GLS replacement globe bulbs available that will outperform general domestic incandescent lighting.