DOSSIER LED BELYSNING MED EN NY LJUSKÄLLA

Transkript

1 DOSSIER LED BELYSNING MED EN NY LJUSKÄLLA Andra utgåvan, december 2011

2 Inledning Lysdiodernas frammarsch leder till stora förändringar inom belysningsvärlden. Lysdioden har som ny ljuskälla medfört en helt ny utveckling, och nya användningsområden och utmaningar. Dessutom sker utvecklingen på detta område mycket snabbt. Det är därför inte självklart att man följer med och sätter sig in i alla dessa förändringar. ETAP har aktivt arbetat med lysdioder sedan 2003 och har samlat mycket erfarenhet sedan dess. Med denna rapport erbjuder vi dig objektiv och välgrundad teknisk information, så att du får en klarare bild av detta invecklade ämne. Information om lysdiodteknik blir på grund av den snabba utvecklingen väldigt snabbt inaktuell. Detta dokument kommer därför att revideras med jämna mellanrum. De allra senaste uppdateringarna är märkta i marginalen. För det allra senaste på detta område hänvisar vi till vår webbplats, där du alltid hittar den senaste versionen av detta dokument. Andra utgåvan, december , ETAP 2 ETAP Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på.

3 BELYSNING MED EN NY LJUSKÄLLA INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1. Lysdioder som ljuskälla Hur fungerar lysdioder? Typer av lysdioder Fördelarna med lysdioder Tillverkare av lysdioder Lysdiodens framtid Designa LED-armaturer Alternativ och utmaningar Lämplig ljusfördelning Luminans under kontroll Genomtänkt värmedesign Sortering för konstant ljuskvalitet Elektrisk säkerhet Publicering av rätt uppgifter Säkerhetsstandarder Drivdon för LED-armaturer Kvalitetskriterier Ström jämfört med spänningskällor Belysning med LED fotometriska aspekter Försämrat ljusutbyte och bibehållningsfaktor Ljusberäkningar med LED-armaturer Integration av energibesparande system Frågor och svar Terminologi Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på. 3 ETAP

4 Avsnitt 1: Lysdioder som ljuskälla 1. HUR FUNGERAR LYSDIODER? LED står för Light Emitting Diode. En lysdiod (LED) är en halvledare (diod) som avger ljus när strömmen går genom den. Halvledarmaterial som används av lysdioder omvandlar elektrisk energi till synlig elektromagnetisk strålning, med andra ord till ljus. Synligt ljus Stimulus skapas därför av elektrisk ström genom dioden (mer specifikt genom övergången. Dioden genom vilken den elektriska strömmen går är likriktad, som med alla dioder: ljus skapas bara om det flyter likström genom den i rätt riktning, dvs. från anoden (pluspol) till katoden (minuspol). Likströmsflöde Anod (+) Katod (-) Mängden ljus som genereras är nästan proportionell mot hur mycket ström som går genom dioden. Reglerade spänningskällor ( konstant ström ) används alltid till belysning fungerar också (se avsnitt 3). Normaliserat ljusflöde Framström (ma) Strömmens påverkan på ljusflödet Kombinationen av LED (halvledare), hus och primär optik kallas en LED-komponent. Denna LED-komponent täcker och skyddar LED-ljuskällan och ser till att värmen som alstras internt också leds bort. Den innehåller ett primärt optiksystem, dvs. en liten lins som samlar in och släpper ut ljus från LED-ljuskällan i ett definierat mönster. Primär optik Halvledare LED Elledning Substrat En LED-komponents sammansättning 4 ETAP Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på.

5 LED-ljuskällan avger monokromatiskt ljus. Färgen på ljuset beror på vilka material som använts vid tillverkningen, vilket kan vara alla mättade färger från det synliga spektrumet, från violett och blått genom grönt till rött. Vitt ljus kan produceras på följande sätt: UPDATE 1. Biokromatiskt: - Det vanligaste sättet är att förse en blå LED-ljuskälla med ett (ljusavgivande) lysmaterial, som omvandlar en del av det blå ljuset till vitt (eller snarare gult ) ljus. Sammansättningen av nämnda lysmaterial avgör vilken färgtemperatur som skapas (se nedan i det här avsnittet för mer information om färgtemperatur). 2. Trikromatiskt: - Genom att blanda rött, grönt och blått (RGB). - Genom kombinationer av vita LED i enlighet med den första principen med röd- eller bärnstensfärgade LED. I det här fallet är olika färgtemperaturer möjliga för en modul. 2. TYPER AV LYSDIODER LED-ljuskällor kan klassificeras på många sätt. På ETAP skiljer vi på följande typer: TYP 1 LYSDIODER MED PRIMÄR OPTIK I det här fallet köper ljustillverkaren (ETAP) LED-komponenter, skräddarsyr kretskort och kombinerar dem med sekundär optik, vilket ger den bästa designflexibiliteten, eftersom formen på ljusmodulen kan integreras fullt ut i armaturdesignen. SMD-LED-ljuskällor är fastlödda direkt på ytan av ett kretskort och utnyttjar en mycket bättre värmeavledning. Dessa är nyare och är särskilt optimerade för att hantera större belastning och ljusflöde. Deras livslängd och effektivitet har förbättrats avsevärt. När det gäller energi finns ett komplett sortiment, från lågeffektsdioder (från 70 mw till 0,5 W) till power leds (från 1 W till 3 W) och high power leds (upp till 90 W). Lumenpaketet per LED varierar från 4 lm per komponent till lm för den högsta kapaciteten. TYP 2 FÖRMONTERADE KRETSKORT Belysningstillverkaren köper förmonterade kretskort från LED-leverantören, som är kretskort på vilka en eller flera lysdioder monterats. Den nödvändiga operativa elektroniken finns också på kretskorten vilket gör att modulerna lätt kan anslutas till en strömkälla. Sådana förmonterade kretskort finns i olika modeller (runda, linjära eller remsor, flexibla substrat, osv.) och kan utrustas med SMD LED med låg effekt så väl som hög effekt. Exempelvis Osram och Philips linjära LED kretskort. De förmonterade kretskorten har fördelen att de är färdiga ljusmoduler. Å andra sidan är formen på modulerna fast, vilket begränsar designfriheten en aning.. Dessutom kan valet av typen av LEDljuskällor inte optimeras helt vad gäller funktion i avsett användningsområde. TYP 3 LED-MODULER (kompletta ljuskällor) LED-moduler går ett steg längre: det förmonterade kretskortet är integrerat i de erforderliga elektriska och termiska kontaktytorna i dess hus. Sekundär optik kan även integreras. Philips LED-modul Fortimo Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på. 5 ETAP

6 LED-moduler är motsvarigheten till den traditionella glödlampan. Den mekaniskt standardiserade modulen kännetecknas helt och hållet av sitt ljusflöde och nominella effekt, varvid den interna effekten är helt avskärmad. Kommersiella moduler är bland annat: LLM (Linear Light Modules) och DLM (Downlight Light Modules) Fortimo-moduler från Philips (se bilden), som genererar vitt ljus på grundval av blå lysdioder och separat fosforhölje. Tridonic TALEX-modul. Osram PrevaLED (traditionella vita lysdioder). Xicatos spot- och brickmoduler. LED-lysrör (t.ex. Osram, Philips) GÖRA DET BÄSTA VALET ETAP väljer en av tre typer (typ 1, 2 eller 3) beroende på användningsområde. Vid exempelvis nödbelysning och Flare-produkter används typ 1-komponenter, eftersom friheten vid val av LED-ljuskällor och montering (specifikt för typ 1-tekniken) möjliggör optimala prestanda i en minimalistisk design. I andra fall föredrar vi att utnyttja LED-tillverkarens (co-design) expertis optimalt, av hans/hennes logistiska möjligheter (den otroligt snabba utvecklingen av lysdioder innebär att lagret snabbt föråldras) eller utvecklingen av hans/hennes lysdioder. På så sätt kan våra armaturer ändras automatiskt tillsammans med tillverkarens LED-teknik. Det är därför ETAP även använder LED-ljuskällor av typ 2 och typ 3, t.ex. för diffusorarmaturer eller för LED-downlights med en klassisk, sekundär reflektor. Typ 1: K9 Typ 2: UM2 med LED Typ 3: D1 med LED FORTFARANDE I SIN LINDA: OLEDS FÖR BELYSNING OLED (organic light-emitting diode) är en tvådimensionell ljuskälla. OLED består av en mycket tunt syntetlager (runt 100 till 200 nm) mellan två elektroder, dvs. anoden och katoden. Anoden är alltid transparent, katoden kan vara transparent eller speglad, beroende på användningsområde. När ström tillförs skapas ljus i syntetlagret (som i en traditionell LED-ljuskälla) som sedan kommer ut genom en av elektroderna. En fördel med denna ljuskälla är dess tunnhet: om den används på ett glassubstrat är den mindre än två mm tjock. OLED-ljuskällor kan dessutom monteras på flexibla substrat, t.ex. för att tillverka ultratunna flexibla skärmar. Philips OLED-moduler Lumiblade UPDATE Även om OLED-ljuskällor redan används kommersiellt (främst i mindre skärmar) är den här tekniken fortfarande i sin linda vad gäller belysningsändamål. Särskilt ljuseffektiviteten, livslängden, färgstabiliteten och jämnheten på större ytor (>10 cm?) är fortfarande alltför begränsad. Ett exempel (status i mitten av 2011): verkningsgrad för närvarande fortfarande begränsad (+/- 20 lm/w för vita och 40 lm/w för gröna OLED-ljuskällor, för en ljusstyrka på 500 cd/m 2 ). 6 ETAP Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på.

7 3. FÖRDELARNA MED LYSDIODER FÖRDEL 1: LÅNG LIVSLÄNGD Lysdiodens livslängd påverkas i hög grad av särskilda användningsförhållanden, där effekt och inre temperatur (och därför även omgivande temperatur) är de viktigaste faktorerna. Idag kan vi förvänta oss en livslängd på timmar för kvalitetslysdioder. Detta är förstås den tidsrymd inom vilken ljusflödet i genomsnitt sjunker till 70 % av sitt ursprungliga värde (se rutan om MTTF). Denna livslängd gäller under förutsättning att lysdioden används inom antagna temperaturgränser (normalt C). Relativ ljuseffekt (%) Det är viktigt att känna till att lysdiodens livslängd i hög Tid (h x 1000) grad beror på de krav som ställs på användningsområdet. För exempelvis vissa användningsområden inom byggnad eller Minskat ljusflöde över tiden bostäder är en minskning med 30 % eller mer acceptabelt och livslängden kan överstiga timmar. För andra användningsområden inom den professionella belysningssektorn är ett fel på 50 % med en ljusminskning på 30 % inte acceptabelt och den faktiska livslängden blir kortare. UPDATE LED-ljuskällans livslängd En åtskillnad måste göras mellan parametriskt fel (försämring av ljusflödet) och katastrofala fel (LED-lampan avger inget ljus) vid fastställandet av LED-ljuskällans livslängd. När tillverkarna hänvisar till L70 livslängd menar de den tid inom vilken en viss procent av LED-ljuskällorna minskar till 70 % av det ursprungliga ljusflödet. Denna procentandel lysdioder framgår av B, t.ex. B50 visar 50 %. Vid fastställandet av denna livslängd tas dock ingen hänsyn till lysdioder som går sönder, som tas bort från testet. En defekt LED-ljuskälla är ändå viktig för användaren. När livslängden bestäms med inklusionen av trasiga lysdioder hänvisas till livslängden F, som normalt kommer att vara lägre än livslängden B. Till exempel visar L70F10 den tidsrymd inom vilken 10 % sjunker till mindre än 70 % av det ursprungliga ljusflödet eller går sönder av en annan anledning. Internationella standarder och rekommendationer kommer allt mer att främja och även införa definitionen F för lysdiodernas livslängd. Det är även positivt att LED-ljuskällor inte har några sårbara eller rörliga delar såsom glas, glödtråd eller gaser. Välproducerade LED-lösningar är därför mycket robusta och motståndskraftiga mot vibrationer eller andra mekaniska påfrestningar. Även om LED-komponenterna är mekaniskt robusta är de ändå (som alla andra elektroniska komponenter) mycket känsliga mot elektrostatisk påverkan. Att vidröra LED-kretskorten utan ordentlig jordning är därför absolut förbjudet. Man ska även undvika att ansluta lysdioderna direkt till en strömkälla. Strömsprång kan förstöra en lysdiod helt. Halogen Kompaktlysrör Lysdiod LED = 18x = 18x Cree Cree XP-E XP-E Q4 4000K Q4 350 vid ma 350mA B50/L Kompakt HID (CDM-T) Kvicksilverånga med högt tryck (HID) Linjärt lysrör Lysdiod timmar Normala värden för livslängd (förenkling) Driftstid (Ktim) LED kopplingstemperatur Tj ( C) Halvledartemperaturens påverkan på livslängden Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på. 7 ETAP

8 Fördel 2: Hög energieffektivitet Lysdioder med kallt vitt ljus och en färgtemperatur på till K (kelvin) når idag mer än 160 lm/w under referensförhållanden och bör finnas på marknaden senast Lysdioder med en lägre färgtemperatur på till K (används oftast för belysningslösningar i Europa) släpar efter en aning i fråga om effektivitet. Lysdioder med 80 lm/w i dessa färgtemperaturer kom ut i handeln UPDATE Ljusutbyte (lm/w) K 6500 K K9-belysning (första generationen) GUIDE E1 LED led UM2 LED led FLARE K9-belysning (andra generationen) Dessa kurvor är baserade på de högsta värdena av kommersiellt tillgängliga typer av lysdioder med hög effekt (alltså inte medelvärden och inga laboratorieresultat). Kurvorna varierar beroende på halvledartemperaturen se avsnitt 2.4. Utveckling av specifikt ljusflöde i lysdioder vid två färgtemperaturer, med indikation för några ETAP-produkter vid kopplingstemperatur under normal användning (hot lumen). Ljusutbyte: lm/w Här hänvisar vi fortfarande till lm/w (lumen per watt) för lampan (som i vanliga lysrör) under referensförhållanden (25 C halvledartemperatur Tj för lysdioder. Effekten blir ännu lägre under faktiska användarförhållanden. Låt oss ta ett exempel: E1 LED och UM2 LED: LED (mätt vid blixttest vid 25 ºC) 100 lm/w (kallt vitt ljus) LED (mätt vid blixttest vid 25 ºC) 117 lm/w LED (normala användarförhållanden) 87 lm/w LED (normala användarförhållanden) 112 lm/w LED med kommersiell drivenhet 74 lm/w LED med kommersiell drivenhet 98 lm/w Armatur (inklusive optik) (och lins) 70 lm/w (öppen reflektor) Armatur (inklusive optik) (och lins) 87 lm/w lumen/watt E1 LED UM2 LED lumen/watt Som jämförelse: U5 reflektorarmatur med lysrör 1 x 35 W Lysrör Lysrör med don Armatur med lysrör 86,8 lm/w 81,6 lm/w 94,3 lm/w lumen/watt U5 reflektorarmatur 8 ETAP Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på.

9 Lysdioder med hög färgtemperatur och därför kallare ljus har högre ljusutbyte än samma lysdioder med lägre färgtemperaturer. Lysmaterialet som används för att skapa varmt vitt ljus innehåller mer rött. Ljusutbyte för den röda komponenten är lägre än för den gula och därför sjunker den totala verkningsgraden i lysdioden. UPDATE Som en jämförelse: Lysdiod Metallhalogenlampor Lysrör Kvicksilverlampor Lågvolts halogenlampor Glödlampor lm/w Normala värden för ljuskällors effektivitet Fördel 3: Högkvalitativ färgåtergivning, val av färgtemperatur Färgtemperatur Färgtemperaturen i en ljuskälla för vitt ljus definieras som temperaturen i en svart kropp som det utsända ljuset ger samma färgintryck som ljuskällan. Färgtemperatur uttrycks i kelvin (K). Blåaktigt ljus har högre färgtemperatur och upplevs som kallare än ljus med lägre färgtemperatur. Det finns olika underavdelningar och beteckningar, alla med en egen hänvisning till igenkännbara färgtemperaturer: 10,000 9,000 8,000 7,000 North Light (Blue Sky) Overcast Daylight y Blue Led chip Phosphor 6000K Phosphor 3000K 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 Noon Daylight, Direct Sun Electronic Flash Bulbs Household Light Bulbs Early Sunrise Tungsten Light Candlelight T c ( K) x Indikation på färgtemperatur Princip för alstrandet av vitt ljus med lysmaterial UPDATE Alla färgtemperaturer är möjliga för vitt ljus i RGB-lysdioder (där färgerna rött, grönt och blått blandas), men regleringen över tiden är komplicerad eftersom alla tre färgerna har olika färgberoende. Detta används därför inte så ofta för belysningsändamål. I lysdioder med omvandling av lysmaterial bestäms färgtemperaturen av valet av å ena sidan det blå ljuset i lysdioden och å andra sidan lysmaterialet. Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på. 9 ETAP

10 UPDATE Hur är det med nödbelysning? I nödbelysning väljer ETAP bestämt höga färgtemperaturer. Lysdioder med höga färgtemperaturer är effektivare och kräver därför mindre batterikraft. Det mänskliga ögat är dessutom mer känsligt för blått ljus vid låga ljusnivåer. Färgåtergivning Ra eller färgåtergivningsindex för en ljuskälla speglar kvaliteten på färgåtergivningen av föremålen som belyses av ljuskällan. För att nå detta index jämför vi den färgåtergivning av föremål som belyses av ljuskällan med färgåtergivningen av samma föremål som belyses av en svart reflektor reflektor (med samma färgtemperatur). Färgåtergivningen hos lysdioder kan jämföras med lysrör och varierar beroende på färgtemperatur, mellan 60 och 98. För vanliga belysningstillämpningar i varmvitt eller vitt väljer ETAP lysdioder med en färgåtergivning på 80. För batteridrivna nödbelysningssystem är verkningsgraden viktigare än färgåtergivningen (här behövs en färgåtergivning på minst 40). Det är därför vi använder högeffektiva kallvita lysdioder i nödbelysning med en färgåtergivning på ca 60. I vita lysdioder med konvertering av ett lysmaterial bestäms färgåtergivningen även av valet av lysmaterial (t.ex. fosfor). I en färgblandning av RGB blandas de tre mättade grundfärgerna och utmärkta färgåtergivningar är även möjliga, även om regleringen i det här fallet är mer komplex. Som en jämförelse: Lysrör: Ra mellan 60 och 98 Lysdioder: Ra mellan 60 och 98 Glödlampa: Ra på 100 CDM: Ra mellan 80 och 95 Natriumlampa: Ra på 0 Bra att veta... En lysdiod med låg färgtemperatur (därav varmt vitt) har normalt högre (bättre) färgåtergivning än en lysdiod med högre färgtemperatur (kallvit). 10 ETAP Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på.

11 Fördel 4: Omedelbar ljuseffektivitet Lysrör ger inte omedelbart ljusflöde när de tänds. Lysdioder å andra sidan reagerar omedelbart på förändringar i strömförsörjningen. De når omedelbart maximalt ljusflöde när de tänds. De är därför mycket lämpliga för användningsområden där de ofta tänds/ släcks och där ljuset bara är tänt en kort tid. Detta gäller även för lägre omgivnings-temperaturer där de t.o.m. fungerar bättre. Denna fördel uppskattas t.ex. i E1 med LED för frysförhållanden. Lysdioder kan dessutom i motsats till t.ex. CDMlampor tändas igen utan problem när de fortfarande är varma. Att tända och släcka ofta har ingen negativ inverkan på livslängden. Relativt ljustflöde med omgivn. = 20 C (%) 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00 Tid (hh:mm) E1 LED E1 LYSRÖR MED ANPASSADE LAMPOR OCH FÖRKOPPLINGSDON LÄMPLIGA FÖR FRYSFÖRHÅLLANDEN E1 LYSRÖR MED FÖRKOPPLINGSDON LÄMPLIGA FÖR FRYSFÖRHÅLLANDEN Jämförelse av lysdiodens startbeteende jämfört med lysrör vid -30 Fördel 5: Enkla att reglera Lysdioder kan ljusregleras över ett stort område (från nästan 0 % till 100 %) eller styras dynamiskt, vilket är möjligt på grundval av standardiserade ljusregleringsmetoder som t.ex. DALI, DMX eller 1 10 V. Dimmerförluster i lysdioder i de lägre nivåerna är jämförbara med dimmerförluster i lysrör med de senaste förkopplingsdonen för ljusreglering. Vid full dämpning är den resterande energiförbrukningen 10 % av den nominella energiförbrukningen. Ineffekt (W) LED-ström (ma) Effekt av ljusreglering på energiförbrukning Lysdioder är därför mycket lämpliga för integration i programmerade dynamiska miljöer. Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på ETAP

12 Det finns fortfarande en skillnad i dämpningsgraden. Lysdioder kan dimmas mycket, t.ex. till 0,1 %*. Detta är inte möjligt med lysrör där dimbarhetsgränsen i praktiken är 3 % (start- eller stabilitetsproblem förekommer ofta med lysrör under denna gräns). * Detta procenttal beror på vilken drivenhet som används. Fördel 6: Miljövänliga Från en LCA*, livscykelanalys (Life Cycle Analysis, studier där miljöeffekterna av en produkt från produktion till återvinning och bearbetning undersöks) verkar det som att lysdioder, jämfört med andra ljuskällor, kanske sätter det minsta fotavtrycket på miljön i framtiden. De innehåller dessutom inte kvicksilver vilket lysrör gör. * Bedömning av högeffektiva lampor; Navigant Consulting Europe; 5 maj Fördel 7: Ingen IR- eller UV-strålning Lysdioder utvecklar inte ultraviolett (UV) eller infraröd (IR) strålning i ljusstrålen, vilket gör dem mycket lämpliga för miljöer där sådan strålning ska kunna undvikas som i muséer, livsmedelsbutiker eller klädbutiker. Lysdioden alstrar själv ingen värme utan den leds till baksidan, bort från föremålet som ska tändas (vi återkommer till detta senare se avsnitt 2). 4. TILLVERKARE AV LYSDIODER För närvarande är ett begränsat antal stora aktörer med egen produktion av halvledare (för vita lysdioder) aktiva, t.ex. Cree (USA), Philips Lumileds (USA), Osram (DE), Nichia (JP) och Toyoda Gosei (JP). Ett stort antal tillverkare köper dessutom in halvledar- och lysmaterial och gör dem till typ 1 eller typ 2 LED-komponenter. Exempel är Citizen, Bridgelux, Luminus, GE, Edison, Seoul Semiconductor, Samsung, Panasonic, Toshiba och LG. På ETAP har vi ett antal kriterier för att välja tillverkare som vi ska samarbeta med. De viktigaste kriterierna är prestanda, pris, dokumentation (påvisbara uppgifter med hänvisning till gällande standarder), långsiktig tillgänglighet (viktigt för kontinuiteten i vår produktion av armaturer). ETAP arbetar med ett antal av de ovan nämnda leverantörerna, beroende på användningsområde. 12 ETAP Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på.

13 5. LYSDIODENS FRAMTID LED-tekniken utvecklas snabbt. UPDATE Det specifika ljusflödet i lysdioder ökar i snabb takt. Nuförtiden är de långt före halogenlampor och glödlampor när det gäller ljuseffekt. Även jämfört med kompaktlysrör är de för närvarande mycket konkurrenskraftiga. De förväntas snart också kunna konkurrera med de mest effektiva lysrörslösningarna. På ett ungefär kan man säga att priset faller med 10 % varje för samma lumenpaket eller du får 10 % mer specifikt ljusflöde till samma pris. Det förväntas dock finnas en gräns på 180 till 200 lm/w för varma färger. Ny teknik håller fortfarande på att utvecklas för att förbättra effektiviteten och därmed kostnaden på lång sikt. Ytterligare standardiseringsinitiativ finns redan i fråga om moduler, med etablerade lumenpaket och väldefinierade mekaniska gränssnitt (t.ex. Zhaga, ett konsortium för standardisering av utsidan av LED-moduler, dvs. gränssnitten). ETAP är medlem i. Färgkontrollen förbättras hela tiden, vilket ger en närmare färgbinning (ytterligare information om binning finns i avsnitt 2). Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på ETAP

14 Avsnitt 2: Designa LED-armaturer 1. ALTERNATIV OCH UTMANINGAR Lysdioder är mycket små jämfört med mer traditionella ljuskällor, t.ex. lysrör. Den totala ljuskällan för en armatur kan med andra ord delas, vilket gör det möjligt att skapa tunnare armaturer och innovativa former. Men när man utformar LED-armaturer står vi inför mer än en utmaning. Vi måste först välja rätt lysdioder för avsett användningsområde. Effekt, ljusflöde, temperaturbeteende, livslängd, färgtemperatur och kostnad är viktiga parametrar i detta sammanhang. Utformningen och integreringen av optik (linser, diffusorer, reflektorer) ger önskad ljusfördelning. Värmehanteringen av LED-armaturer är också viktigt för prestanda. Vi föredrar att kombinera alla dessa med ett snyggt utseende. Mekanisk design Elektrisk design Optisk design Thermisk design Kosmetisk design Ny 3D-design och productionstekniker 14 ETAP Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på.

15 2. LÄMPLIG LJUSFÖRDELNING De flesta lysdioder har en bred ljusfördelning och avger ljus i en vinkel på 80 till 140 (full vinkel). Med hjälp av sekundär och tertiär optik (linser, diffusorer, reflektorer eller kombinationer därav) kan vi en viss ljusfördelning. En lämplig ljusfördelning är viktigt för att hålla specifik effekt och därmed också energiförbrukningen i varje användningsområde så låg som möjligt. Några exempel: Nakna lysdioder Exempel: Pluto Nakna lysdioder reflekterar normalt ljus likadant i alla riktningar (s.k. lambertiansk reflektans). Dessa används i mindre utsträckning på grund av deras höga toppluminans. Kommersiellt tillgängliga linser Exempel: Flare-spotlights med mycket fokuserad luminans. ETAP-specifieke lenzen Exempel på belysning: D4-downlights med linser patenterade av ETAP för vidvinkelsbelysning. Exempel på nödbelysning: K9 utrymningsväg, extrem vidvinkelsbelysning Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på ETAP

16 Reflektorer Exempel: E1 med LED γ Exempel: D1 med LED Kombination av lins och reflektor Exempel: K9 utrymningsväg UPDATE Ljusledare Exempel: UW Exempel: K7 Diffusorer eller folie, t.ex. MesoOptics TM Exempel: UM2 med LED 16 ETAP Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på.

17 3. LUMINANS UNDER KONTROLL Med ständigt ökande prestanda och maximal effekt hos lysdioder ökar källans luminans också snabbt. Denna luminans kan lätt nå 10 till 100 miljoner cd/m 2. Ju mindre yta från vilken lamporna lyser desto större kan ljuskällans luminans bli. Några exempel på ljuskälleluminanser: Linjärt lysrör - T cd/m²) Linjärt lysrör - T cd/m² cd/m² (HE) och cd/m² (HO) Kompaktlysrör, t.ex. 26 W cd/m²) Naken lysdiod 3 W (100 lm) cd/m²) Solljus cd/m² (=10 gånger lysdioden!) En väl genomtänkt optisk design är därför en absolut nödvändighet för att sprida ljuset av dessa klara punktkällor, och undvika direkt exponering och minska bländning. För att göra detta kan vi använda linser, reflektorer och diffusorer. Några exempel: Flare downlights (UGR<19, luminans <1 000 cd/m 2 vid 65 ): Spridning av ljuskällan över stora ytor för att begränsa luminansen. Användning av linser med vävd yta för spridning av luminans per ljuskälla och undvika bländning vid direkt solljus. UM2 med LED: hela armaturens längd. MesoOpticsTM-diffusorn begränsar luminansen och möjliggör reglerad ljusfördelning. 4. GENOMTÄNKT VÄRMEDESIGN Temperaturhantering (kylning) är utan tvekan den viktigaste punkten för utvecklingen av högkvalitativ LED-belysning. Beroende på lysdiodens prestanda omvandlas % av energin till synligt ljus och % till värme i komponenten (dissipation) % LJUS Som en jämförelse: lysrör avger ca 25 % av konverterad effekt som synligt ljus. Men skillnaden ligger i det faktum att ca 40 % av energin i lysrör också avges i form av infraröd strålning eller värmestrålning. Lysdiodens ljuseffekt sjunker gradvis beroende på ökande halvledartemperatur. Publicerade LED-ljusflöden och effekt gäller vid en halvledartemperatur på 25 C. I praktiken kommer de faktiska värdena alltid att vara lägre i ökande utsträckning Ibland publiceras varma lumen, vilket är ljusflödet i halvledartemperaturen på t.ex. 85 ºC. Ljuseffekten ökar vid lägre temperaturer: Lysdioder fungerar alltid bättre när deras driftstemperatur sjunker. Armaturens uteffekt (lm) 70-75% VÄRME LED = 18x Cree XP-E Q4 350 ma LED kopplingstemperatur ( C) Halvledartemperaturens inverkan på ljusflödet Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på ETAP

18 Temperaturen påverkar inte bara ljusflödet. Den funktionella livslängden påverkas även när en kritisk temperatur överskrids. Relativt ljusflöde Driftstid (tim) Försämring av ljusflödet med tiden för olika halvledartemperaturer. Det är därför viktigt med bra temperaturhantering. Värmeavledning från lysdioden till omgivningen sker i successiva steg (genom olika värmemotstånd): Värmen som alstras av lysdioderna leds genom chipet till lödningspunkten (1, inuti lysdioden). Värmen sprids därifrån över LED-kretskortet (2). Genom termiskt gränssnitt för värmeöverföring mellan kretskort och kylare sprids värmen över substratet (3). Genom konvektion och strålning förs värmen över till omgivningen (4). Fritt luftflöde runt armaturen är nödvändig för korrekt värmeavgivning, varför det termiska beteendet hos en LED-armatur är olika för utanpåliggande än för infällda armaturer, och för infällda armaturer måste tillräckligt med utrymme runt armaturen ges (ingen isolering alltså!). Termisk design för D1 och D4 18 ETAP Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på.

19 5. SORTERING FÖR KONSTANT LJUSKVALITET Under produktionen visar lysdioder i samma parti eller serie olika egenskaper, t.ex. vad gäller ljusstyrka och färg. Om olika ljusdioder skulle blandas i samma armatur skulle det därför oundvikligen leda till olika ljusstyrkenivåer och olika ljusa färger, och därför använder vi oss av binning (sortering). UPDATE UPDATE Lysdioderna sorteras enligt särskilda kriterier som t.ex.: Colour binning: sortering enligt färgkoordinater (x, y) centrerade runt enskilda färgtemperaturer. Voltage binning: sortering enligt framspänning, mätt i volt (V). Flux binning: sortering enligt ljusflöde, mätt i lumen (lm). Konstant ljuskvalitet garanteras när man väljer en särskild colour binning. Lysdioder i samma sortering har därför samma utseende. Skillnader i färgsorteringar märks tydligt när en vägg är jämnt belyst. I studien om färgseende används den s.k. McAdam-ellipsen (se figuren), vilket är ett område i ett CIE-diagram som innehåller alla färger som det genomsnittliga mänskliga ögat kan uppfatta av färgen i mitten av ellipsen. LED-tillverkare använder SDCM (Standard Deviation Colour Matching), där 1 SDCM är lika med 1 McAdam. Hur använder ETAP sortering? Vi använder alltid lysdioder med en variation mindre än 2 SDM i varje armatur. Vi markerar de olika monterade kretskorten i enlighet med den färgsortering som används, vilket gör att vi alltid vet från vilken färgsortering lysdioderna kommer från. Inom samma delleverans levererar vi alltid armaturer med samma färgsorteringskod. För delleveranser som sprids ut över tiden kan inte detta garanteras. Färgavvikningen kan sen vara så hög som 7 SDCM. y Principen för sortering SORTERING BIN 3 3 SORTERING BIN 1 1 SORTERING BIN Visualisering av McAdam-ellipser (Källa: Wikipedia) Colour bin Flux bin x Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på ETAP

20 25 V RMS < V < 60 V RMS < 60 V DC < V < 120 V DC Illustration av sorteringar (binnings) för olika färgtemperaturer (grön 2 SDCM; röd 7 SDCM) UPDATE 6. ELEKTRISK SÄKERHET LED-ljuskällor fungerar vid låg spänning (normalt ca 3 V) och därför anser man inte att man behöver bekymra sig om den elektriska säkerheten. Belysningslösningar med LED-ljuskällor kan för närvaramde drivas med spänning på 100 V eller mer. Som en följd måste vi vidta ytterligare åtgärder för att göra det säkert att vidröra anslutningarna. LED-ljuskällor i serie ökar spänningen LED-ljuskällor i belyningsarmaturer kopplas med fördel i serie där det går. Det logiska resultatet är dock att spänningen ökar. En av fördelarna med LED-ljuskällorna är att de drivs med låg spänning med en skillnad i spänning på ca 3 V per LED-ljuskälla. Men om 30 LEDljuskällor kopplas i serie i en armatur har du redan 90 V. Det finns till och med LED-drivenheter som kan generera en utspänning över 200 V. Dessa kräver ytterligare elektriskt skydd. Ytterligare isolering krävs från 24 V Enligt internationella standarder (IEC 61347) måste extra åtgärder vidtas för förhållanden över 24 V* för att göra armaturerna säkra. LEDljuskällorna och andra strömförande delar ska inte kunna nås från utsidan. Lösningen måste hittas så att LED-ljuskällan bara kan vidröras med specialverktyg när de öppnats. Det måste dessutom finnas bra basisolering mellan alla ledande delar som kan vidröras i armaturen och alla strömförande delar. I praktiken tillhandahåller ETAP tillräckligt luft- och underhållsutrymme och använder elektriskt isolerat material utan att påverka värmehanteringen. AC DC V< 25 V RMS (I RMS < 0,7 ma) < 60 V DC (I DC < 2 ma) 60 V RMS < V < 120 V RMS Enligt internationella standarder IEC är det ingen risk att vidröra (grön) upp till 24 V (AC) eller 60 V (DC). För LED-armaturer med högre utspänning (röd) ska ytterligare säkerhetsåtgärder vidtas. *Drivenhetens isoleringsgrad bestämmer om ytterligare säkerhetsåtgärder krävs.. 20 ETAP Andra utgåvan, december Senaste versionen finns på.