ETT KOMPENDIUM FRÅN ANNELL LJUS + FORM AB

Transkript

1 ETT KOMPENDIUM FRÅN ANNELL LJUS + FORM AB

2 INNEHÅLL Största teknikskiftet på 68 år...3 Vad är LED?...5 Vad skiljer LED från andra ljuskällor?...7 En energieffektiv ljuskälla...8 Ljuskvalitet...9 Färgåtergivning Ljusfärg och färgtemperatur Det vita LED-ljuset Termiska egenskaper Ljusflöde Färgväxling...17 Livslängder...17 Projektering och installation Historik...20 Checklistor...20 Copyright: Annell Ljus + Form AB 2009 Annells LED-kompendium januari 2009 Uppdateras regelbundet som pdf-dokument på Återge gärna ur innehållet men ange vårt företag samt ev. namngiven källa

3 STÖRSTA TEKNIKSKIFTET INOM BELYSNING PÅ 68 ÅR De nya lysdioderna LED har rört om i belysningsbranschen och vi befinner oss i ett tidigt skede av ett omfattande teknikskifte som bara kan jämföras med när de första lysrören kom till Sverige Att lysdioden om ett antal år är en helt vanlig ljuskälla i våra vardagliga miljöer, det står helt klart. Redan i dag fungerar lysdioderna utmärkt på flera områden, lågeffektsdioder som dekorativ effektbelysning, i skyltar, i ficklampor som fordonsbelysning och trafiksignaler och allmänt som indikationsljus i t.ex. elektriska apparater. För belysningsändamål används högeffektsdioder i t.ex. små platsarmaturer, som bänkbelysning under skåp och som smala ljusband inbyggda i inredning. Men många väntar nu på standardiserade vita och varmvita lysdioder som ett konkurrenskraftigt alternativ till glödljus, halogenljus och urladdningsljus (där utvecklingen inte heller står stilla). De nytillkomna varmvita dioderna är ännu inte fullt likvärdiga med de vita eller kallvita när det gäller färgstabilitet och ljusutbyte En giganternas prestigefyllda kamp om världsherraväldet över lysdioder pågår bakom kulisserna mellan Europa, Japan och USA. Det tar troligen fem till tio år innan diodarmaturer på bred front slår igenom som vardagsbelysning. Diodljuset är annorlunda till egenskaper och funktion och kräver annorlunda teknik och armaturer. Diodens effektiva ljusutbyte måste flerdubblas och stabiliseras för avsedd driftmiljö (!), den måste bli färgstabilare och få ännu bättre färgåtergivning. Priserna måste mer än halveras från dagens läge. Utvecklingen går fort och är imponerande. Men låt oss inte förföras för tidigt. En så stor förändring inom belysning får vi inte sabotera genom iver och okunnighet. Från Annell publicerar vi regelbundet information med så saklig och balanserad rapportering som möjligt från den snabba, globala diodutvecklingen. LED-UTVECKLINGEN, PROGNOS HÖSTEN 2008 Årtal Ljusbyte lm/w Service Life 70% 20 >20 >100 >100 (1000 timmar) Ljusflöde lm/diod Färgåtergivning >80 >90 Ra-index (CRI) Kan ersätta Dekorativa- Glödlampor Lysrör och Alla ljuskällor kompaktlysrör Angivna värden förutsätter att gällande gränsvärden för termiska förhållanden, ström och spänning respekteras. LED är inom vanliga belysningsområden en ny och annorlunda ljuskälla. På flera sätt avviker LED från de lampor som vi vant oss vid under åren. Vita lysdioder har bara funnits i några år. Inte förrän blå dioder tillkom under 1990-talet kunde man börja experimentera med ett vitaktigt ljus. LED är på väg att bli en accepterad ljuskälla och kommer troligen att snart kunna ersätta de flesta ljuskällor för belysning. I USA är målet för ljusflödet från vita LED för år 2012 satt till 150 lumen per watt till konkurrenskraftigare kostnader än i dag. Januari

4 LED utmanar snart alla de vanliga ljuskällor som vi använder oss av i våra dagliga miljöer. När vi idag vill använda vita lysdioder som belysning måste vi inse att de befinner sig i ett relativt tidigt utvecklingsstadium. Deras goda egenskaper och stora potential måste balanseras med nuvarande svaga punkter. Annars kommer lysdioder att riskera sitt goda rykte på belysningsmarknaden. LED-armaturer testas i laboratoriet hos Lighting Research center, USA Att designa LED-armaturer är mer komplicerat än vi är vana vid. LED är särskilt känsliga för termiska förhållanden.de kräver som många andra ljuskällor stabil driftström och bra driftdon. Det finns en uppenbar bländningsrisk som inte får underskattas när det gäller de små ljusstarka dioderna. Ljusplanerare och armaturfabrikanter har mycket att ta hänsyn till på när de på nuvarande utvecklingsstadium introducerar LED-armaturer som ersättning för halogenljus och lysrörsljus. Fallgroparna är många och det krävs kunskaper och förståelse för hur dioder fungerar i tänkt användning. Gemensamma standarder för mätmetoder, gränsvärden och dokumentation är mycket efterfrågade. De prestanda som publicerats från diodtillverkarnas laboratorier har inte mycket likhet med dioden som ljuskälla i ljusarmaturer. Diodtillverkare är visserligen mycket kompetenta och framställer med framgång avancerade halvledare för elektronikindustrin men inte alla av dem prioriterar kunskaper om ljus och belysning. Ett gemensamt regelverk tar tid men är på väg. I USA har man under hösten 2008 antagit en standard LM-79, Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products. Ett första preliminärt avtal om denna standard har därefter träffats med den europeiska organisationen CIE som skall komma med rekommendationer. Mer information följer i kommande uppdateringar av detta kompendium. Den svenska organisationen Belysningsbranschen rekommenderar tills vidare sina medlemmar följande redovisning av prestanda när det gäller diodmoduler: X% ljusflöde efter Y timmar, givet en omgivningstemperatur på t a och mätpunktstemperatur på t c. Exempel: L70 = 70% av ursprungligt ljusflöde kvarstår efter timmar givet att omgivningstemperaturen t.ex. är 25 grader och temperaturen på modulens mätpunkt är 40 grader. Hur är nu egentligen läget inför 2009? Januari

5 VAD ÄR LED? LED står för Light Emitting Diodes eller ljusemitterande dioder. De vanliga högeffektsdioderna ( High Power LEDs) är millimeterstora, som ett knappnålshuvud ungefär. De mer vanliga, ljussvagare dioderna är ännu mindre och är förmodligen den minsta ljuskälla som finns. Vit LED, XL-lamp från Cree, USA För belysningsändamål kompletteras dioden med en reflektor eller en optisk lins av prismatisk plast med högt brytningsindex. Man kan välja bland olika varianter för anpassning till en önskad ljussituation. Dessa belysningsdioder förekommer allt ifrån mycket smalstrålande till riktigt bredstrålande. Med reflektor eller lins kan ljuset dirigeras i en bestämd riktning, även i asymmetrisk ljusfördelning. LED alstrar sitt luminiscensljus i ett halvledarchip byggt av flera tunna lager av olika halvledarmaterial som med elektrisk ström stimuleras att alstra ljus. I praktisk drift genomströmmas LED av en definierad likström, lågvolt (klenspänning), som alstras i ett nätanslutet driftdon (230V) kallat driver, konverter eller ibland lite slarvigt bara för transformator. Driftdon är ett bra samlingsnamn att använda men även begreppet power supply fungerar bra. Exempel på LED-moduler (Tridonic) I lysdioden utnyttjas en så kallad halvledarövergång för att skapa en kontrollerad elektronemission som alstrar en ström av fotoner, de energistrålande partklar som vi till vardags kallar ljus. Lysdioden konverterar elektrisk energi till synstrålning med små värmeförluster och i noggrant avstämda våglängder. Som mekaniskt skydd, och för att kunna anslutas elektriskt, placeras halvledaren i ett hölje, en gluetop, som ger ljuset en naturlig utstrålningsvinkel på cirka 180. Därmed kan ljuset enklare styras och kontrolleras med olika typer av linser. För att bli användbara måste lysdioderna, eller halvledarna, grupperas och monteras på kretskort som tillåter elektrisk anslutning utifrån och som ger möjlighet för vidare konstruktioner, t ex att leda bort den egenvärme som dioden trots allt alstrar och inte mår bra av. Dessa kallas LED-moduler och de består av att antal dioder, alltså halvledare med hölje, i en eller flera kombinerade ljusfärger som placerats ut på kretskortet. En diodmodul kan ha nästan vilken form som helst. Den exakta grupperingen är anpassad till tänkt användningsområde. På kretskortet integreras ofta optiska och ibland även elektroniska och mekaniska komponenter. På modulens kretskort skall en referenstemperatur finnas angiven (tc) som är viktig för armaturtillverkaren som en kritisk kontrollpunkt för värmeutvecklingen inuti armaturen. Januari

6 En diod är alltså ett chips, som med hjälp av elektricitet skapar ljus. Ljuset är ovanligt monokromatiskt och alstras i ett smalt våglängdsband inom synstrålningens spektrum nanometer (nm). färgdioder är därför lämpliga som signallampor, trafikljus t.ex. Våglängden bestäms av halvledarens material och ger ljuset dess färg, blå, grön, gul, orange eller röd. Röda lysdioder har funnits i 40 år som indikator- och signalljuskälla. Först i början av 1990-talet kom blå dioder. Då kunde man experimentera med färgblandning för att med RGB-tekniken (rött, grönt och blått) skapa hur många färgnyanser som helst. För belysning använder man wden senaste utvecklingen inom vita högeffektsdioder (upp till 5W) till skillnad från lågeffektsdioder ( mw). Vita ljusfärger får man med en diodhybrid, en blå diod som kompletteras med ett fosforiserande lyspulver av samma slag som hos lysrör. Vanligt är att ett chips med blå ljusfärg beläggs med ett gult lyspulver (>5000 K). För varmare ljusfärg blandas det blå chipset med orange eller en blandning av gult och rött lyspulver. Tekniken är mycket funktionssäker. En enstaka diod eller modul slocknar normalt inte och går ytterst sällan sönder. En diod tänder direkt och är enkel att ljusreglera från 0 till 100%. Färgväxling till obegränsat antal färger och nyanser är relativt okomplicerad och utförs enligt alternativa tekniska standardprinciper. Dioder är i högsta grad stöt- och vibrationssäkra. De drivs med lågvolt (klenspänning) vilket kan vara bra ur ett elsäkerhetsperspektiv. Diodens snabba upptändningstid, dimningsbarhet och flimmerfrihet utgör betydelsefulla fördelar. De elektroniska driftdonen (kallas varierande för driver, konverter, transformator, power supply m.m.) omvandlar nätströmmen till vanligtvis 8 och 24 volt (V) likström för lågeffektsdioder och milliampére (ma) för högeffektsdioder (se under Projektering och installation). Funktioner för dimning och färgstabilisering finns att tillgå. För närvarande får man räkna med 15% effektförlust. Priset för LED är fortfarande högt men minskar som för all ny teknik successivt. I USA kalkylerade man 2001 med en kostnad på 200 USD per klm (1000 lm) för vita LED. År 2007 hade kostnaden sjunkit till 30 USD. Januari

7 VAD SKILJER LED FRÅN ANDRA LJUSKÄLLOR Lysdioder är ljuskällor i miniformat vars ljus skiljer sig från andra ljuskällor. Ljuset produceras inte av en upphettad glödtråd i en glaskolv (s.k. temperaturstrålare). Inte heller genom en urladdningsprocess i en glaskropp under lågt eller högt tryck. Diodljuset alstras i en process som kallas elektroluminiscens och den sker i ett halvledarchips inte mer än någon kvadratmillimeter stort. Halvledarens materialsammansättning avgör ljusets färg. Exempel på dioders ljusfördelning. T a = 25 o C Diodljuset har en helt annorlunda karaktär än vad vi är vana vid. Det är monokromatiskt inom ett smalt spektralband ett diskontinuerligt spektrum där den begränsade våglängden avgör ljusets färg, blått, grönt, gult, orange eller rött. Det är därför som dioder är så effektiva som signaljus i trafikljus och utgångsskyltar m.m. I den vita dioden alstras ljuset antingen i en blå diod med tillsats av ett fosforiserande lyspulver, ofta i gul färg, som medför ett något bredare våglängdsområde alternativt med färgväxling mellan röda, blå och gröna dioder (principen kallas RGB). Som jämförelse kan nämnas att det naturliga ljuset, dagsljus och glödljus, alstrar synstrålning inom ett brett område av våglängder som då kallas för ett kontinuerligt spektrum som sträcker sig hela vägen inom synstrålningens område, 380 till 770 nanometer (nm). SAMMANFATTNING: LED är energieffektiva miniatyrljuskällor som möjliggör små och behändiga armaturer. LED-ljuset är monokromatiskt med en annorlunda karaktär än andra ljuskällor. LED har hög verkningsgrad med höga ljusflöden och mycket låg effektförbrukning. Observera att ljusflödet är sektoriserat och därför ofta effektivare än från glödlampor och lysrör där ljuset fördelas mer rundstrålande. LED avger sitt effektiva, riktade ljus inom grader. Spridningsvinkeln kan påverkas av armaturens egen avskärmning och en eventuell reflektor. LED alstrar 15-25% ljus av den tillförda energin. Hos glödljus alstras 8% ljus, hos raka lysrör 21% och hos HIT 27%. Värmen evakueras hos alla ljuskällor utom LED genom strålning, konvektion (luftburen) och konduktivitet (avledning i material). Hos LED förkommer ingen strålning utan 75-85% av tillförd energi avleds mekaniskt i armaturen från chips via kretskort till omgivande armaturdelar. LED tänder omedelbart med fullt ljusflöde, millisekunder snabbare än glödlampor. De påverkas inte negativt av högfrekvent tändning och släckning. De passar utmärkt för ljusreglering men alla dioder är inte kompatibla mot samtliga fabrikat av driftdon för ljusreglering. LED har minimal IR- och UV-strålning utan värmestrålning och blekningseffekter. LED är mycket värmekänsliga och kräver speciell värmeavledning för att uppnå optimala prestanda. I avsaknad av IR-strålning (värmestrålning) krävs annorlunda armaturkonstruktioner än för glödljus och lysrör. All värme som elenergin genererar måste effektivt avledas genom kretskortet till omgivande armaturdelar. LED har mycket längre livslängd än glödlampor och lysrör förutsatt rätt utförd och placerad armatur med lämplig arbetstemperatur, ström och spänning. Optimalt anges service life till timmar (L70 = när 70% av ljusflödet återstår), i speciella fall mer. Var alltid vaksam på vem det är som står för en LED-armaturs utlovade prestanda. LED påverkas inte av skakningar och vibrationer. LED drivs på likström (DC) och lågvolt. De flesta LED-armaturer har driftdon för detta och ansluts till nätspänning 230V. Lysdioder kräver speciella driftdon (driver, konverter eller power supply) som fungerar som strömbegränsare, dimmer, omformare och / eller transformering. Januari

8 EN ENERGIEFFEKTIV LJUSKÄLLA Vita LED är energieffektiva. Ljusutbytet (verkningsgraden) kan redan i år jämföras med de bästa halogenglödlamporna och i vissa fall även med kompaktlysrör. LJUSKÄLLA LJUSUTBYTE lm/w Glödlampor 8-15 Halogenglödlampor 9-25 Kompaktlysrör Raka lysrör Metallhalogen Kallvita LED 47-70* Varmvita LED 25-50* *) Ungefärliga värden under I verkligheten kan siffrorna vara högre eller lägre beroende på armatur och placering. Nya värden publiceras vanligtvis flera gånger per år. Observera att ljusflödet (lm) från LED till skillnad från övriga ljuskällor är riktat i en sektor och alltså är betydligt mer effektivt i sin belysningsfunktion att belysa en yta eller ett föremål. Angivna värden för LED är ungefärliga eftersom diodens driftförhållanden, drifttemperatur och elström, påverkar ljusflödet. På marknaden finns det LED-armaturer där ljusutbytet reducerats till glödljusnivå vilket är under hälften av möjlig verkningsgrad. Armaturen och dess användning och placering är helt avgörande för diodens prestanda. För att beräkna ljusutbytet kan följande formel användas. Om vi t.ex. utgår från en lysdiod med angivet ljusflöde 45 lm som drivs med strömstyrka 350 ma med en driftspänning på 3,42 V så gäller formeln: 45 lm/ (0.35 A x 3,43 V) = 38 lm/w Effektförlusten i driftdonen beräknas vanligen till 15%. Flera fabrikanter rekommenderar att ta med en marginal för negativa värmeffekter genom att i en grov uppskattning reducera lumenvärdet med 10%. I vårt exempel skulle det resultera i ett realistiskt ljusutbyte på 29 lm/w: 45 lm x 0.90 / (0.35 A x 3,43 V) = 29 lm/w Rättvisande värden kan man endast få genom mätning av komplett LED-armatur i drift, rätt placerad i noggrant simulerad omgivning. Positivt för LED är att ljusflödet vid jämförelse med andra ljuskällor är betydligt effektivare och mer användbart i de flesta applikationer eftersom LED ger ett riktat ljus inom spridningsvinkel grader. En rundstrålande ljuskälla, glödlampa eller kompaktlysrör, inuti en armatur är inte lika effektiv som lysdioder i en LED-armatur. Det är inte ovanligt att en armatur med glödlampa eller lysrör endast ger 40-50% av ljuskällans eget ljusflöde. Det blir nu mer vanligt att redovisa armaturlumen istället för enskilda dioder. Januari

9 LJUSKVALITET KORRELERAD FÄRGTEMPERATUR Skalan för färgtemperaturens enhet kelvin beskriver en vit ljuskällas relativa färg från varma ljusfärger till kalla, från rött, gult/guld till blått. Kelvin är enheten för absolut temperatur och beskriver teoretiskt den färg som en svart kropp får vid upphettning till hög temperatur. Ju varmare kroppen blir färgas den först röd sedan i tur och ordning orange, gul, vit och blå. En ljuskällas kelvintal beskriver vid vilken temperatur som den svarta kroppen överensstämmer med ljuskällans färg. Nivån på ljuskvalitet för vita LED får anses hygglig i dagens läge. Den är under stadig, positiv tillväxt och tendenserna är lovande. Viktigaste egenskaper för begreppet ljuskvalitet anser vi vara spektralfördelning (färgåtergivning) ljusfärg (färgtemperatur) optimal ljusmängd (ljusflöde), stabilitet (ljus- och f ärgstabilitet under livslängden tolerans (inbördes likhet mellan enskilda dioder ifråga om ljusnivå och ljusfärg ). Det finns fler egenskaper som hör till ljuskvalitet, bl.a. komfort med ögonblicklig tändning, dimningsbarhet, avsaknad av både IR- och UV-strålning samt allmän miljövänlighet som låg elförbrukning, lång livslängd och frånvaro av kvicksilverinnehåll. En nackdel att tänka på är att oskyddade nya högeffektsdioder ofta är högluminanta och kan upplevas mycket besvärande att se på. Armaturens utförande och placering måste därför väljas med omsorg. Källa: Philips Lumileds Januari

10 FÄRGÅTERGIVNING Färgåtergivning är nog den viktigaste egenskapen hos en ljuskälla. Vår omgivning består av många färgnyanser som är grundläggande för information, upplevelse och kommunikation. Det gamla Ra-systemet (Rendering Average eller CRI, Colour Renderig Index) syftar till att mäta och redovisa hur en ljuskälla återger färger hos ett föremål, ett material eller en människa (hy, hår, klädsel) i jämförelse med en referensljuskälla i en och samma färgtemperatur. Vid jämförelsen används åtta (!) referensfärger, omättade pastellfärger. Detta visar sig inte ge en fullständig redovisning. Det gamla Ra-systemet (CRI) är idag under diskussion. Det tillkom i lysrörens barndom och har egentligen aldrig varit mer än en grov uppskattning av hur ett fåtal färgnyanser upplevs subjektivt. Systemet är huvudsakligen konstruerat för dagsljus och glödljus. En ofta förbisedd förutsättning vid jämförelse av olika ljuskällor är att de måste vara i samma färgtemperatur för att jämförelsen skall gälla. A: Spektralfördelning för enkelfärgslysrör 2700 K B: Spektralfördelning för fullfärgslysrör 4000 K C: Spektralfördelning för vit LED med lyspulver 4200 K Källa: Osram Exempel på spektralfördelning (nanometer, nm): Figur 1: Vit lysdiod med lyspulver ( K, blå övervikt) Figur 2: Vitt ljus från tre färgade dioder Figur 3: Glödljus och varmvitt lysrörsljus Glödljusets spektralfördelning Ra-systemet relateras till det index 100 som gäller för glödljus och dagsljus. En lägsta gräns för miljöer där människor vistas är 80. De vanligaste ljuskällorna idag motsvarar ett Ra-index på De ljuskällor som kan erbjuda Ra-index >90 är inte många men man får hoppas att en ökad efterfrågan ändrar på det. Spektralfördelning för dagsljus och glödljus Januari

11 Ra-index för de flesta vita dioder är numera >80, en ökning från de senaste årens låga värden runt 70. En allmän målsättning borde vara >90 vilket några fabrikat redan redovisar. Flera signaler från marknaden tyder på att Ra-systemet är på väg att omarbetas i grunden. Nya rapporter tyder på att LED:s egenskaper och kapacitet på det här området i verkligheten upplevs betydligt bättre än vad Ra-systemet redovisar. Så här skriver CIE i teknisk rapport 177:2007: CIE:s Tekniska Kommitté drar slutsaten att CIE CRI (Commission Internationale de L eclairage, Colour Rendering Index) inte är allmängiltigt för en rangordning av olika ljuskällor där vita LED ingår. Vår slutsats måste bli att färger tydligen kan upplevas subjektivt positivare i vit LED-belysning än vad det gamla Ra-systemet (CRI) antyder. Vår rekommendation är därför att mer tro på de egna ögonen och om möjligt testa det nya ljuset på de färger och material som skall belysas. När vi ser en färg så är det inte någon egenskap hos det föremål vi tittar på. Färgseendet är en upplevelse i vår hjärna som uppstår genom signaler från den bakre delen av ögats näthinna där flera miljoner små celler, så kallade tappar, sänder signaler om ljus och färger. Tapparna innehåller pigment som stimuleras av de energistrålande fotoner som vi kallar ljus. I hjärnan omvandlas signalerna med ljus och färg till färgbilder. Ögats tappar har tre pigment som är specialiserade på orange, grönt och blått ljus. Januari

12 LJUSFÄRG OCH FÄRGTEMPERATUR Spektrum våglängder, synbart ljus inom nanometer. Färgade lysdioder ger ett monokromatiskt ljus i ett mycket smalt spektrum av blått, grönt, gult, orange eller rött. Vitt LED-ljus kommer från diodhybrider med tillsats av ett lyspulver som är gult eller orange. Kallvita och vita ljusfärger hos dioder lanserades för inte så många år sedan i färgtemperaturer mellan 5400 och 7000 K respektive kelvin (K). Tillgängliga färgtemperaturer idag är inom varmvita ljusfärger K, vita ljusfärger inom K och kallvita ljusfärger inom K. Efter uppnådd livslängd kan det föreligga risk för att vit ljusfärg får en gulaktig infärgning. Den viktiga färgåtergivningen anges med ett Ra-index där 100 är optimalt (glödljus och dagsljus). LED:s index har på senare år ökat från Ra70 till Ra80-85 vilket är acceptabelt. Ännu bättre värden visar de dioder i vita och kallvita ljusfärger som nyligen annonserats vilka i vissa fall uppnår Ra >90 vilket är eftersträvansvärt. De populära varmvita ljusfärgerna, K har tillkommit på senare år. Tyvärr har dessa dioder svårare att nå lika höga ljusflöden och lika högt Ra-index som de vita och kallvita. Generellt gäller för de varmvita dioderna ett ljusutbyte som är 30% lägre vilket även gäller när man väljer diod med Ra-index >90. Utvecklingen är dock lovande och vi kan vänta oss många förbättringar. CIE färgtriangel beskriver olika ljusfärger i fysikalisk mening med hjälp av färgkoordinater, i detta fall x- och y-koordinater. I den del av kurvan där ljuskällor finns visas några exempel på färgtemperaturer i kelvin (K). Med koordinaterna kan en ljuskällas färgtemperatur specificeras mer exakt. Stabiliteten i en lysdiods färgtemperatur är viktig. Det gäller dels under en diods livslängd, dels inbördes mellan enskilda dioder. Diodens och driftdonens kvalitet är en avgörande faktor liksom armaturens driftförhållanden som drifttemperatur, ström- och spänningsförhållanden. Vid sortering och binning hos tillverkaren kan en mer exakt färg och ljusflödesgruppering äga rum med hjälp av ett koordinatsystem i den traditionella färgtriangeln efter den internationella belysningskommissionen CIE:s regler. Genom att betala ett något högre diodpris går det alltså att säkerställa jämnare ljus- och färgbild i aktuell ljusmiljö. Januari

13 DET VITA LED-LJUSET Vit LED Källa: Lighting Research Center, USA Kallvita, vita och varmvita ljusfärger från LED får man antingen med hjälp av en diodhybrid genom att tillsätta ett lyspulver, vanligtvis gult eller orange, till blå lysdioder eller att genom färgväxling RGB skapa en ljusblandning från röda, gröna och blå dioder. Den förstnämnda metoden ger det lägsta inköpspriset medan RGB istället ger så många fler möjligheter inom professionella och offentliga områden där livscykelkostnaden är mer intressant. Vitt ljus från RGB-metoden har dock sämre färgåtergivningsförmåga. För att lättare nå önskad en vit färgtemperatur använder man i dagens läge ofta en kombination, RGBV, där man lägger till en fjärde diodfärg från en diod med lyspulver (V). En fjärde metod är att tillsätta en blandning av olika lyspulver till UV-dioder, en metod som dock kräver mer av fortsatt utveckling men som också kan innebära fler och kontrollerbara färgtemperaturer att välja på samma sätt som gäller för utvecklingen av lysrör. Vit ljusfärg får man alltså genom att blanda olika våglängder (färger) inom synstrålningens spektrum. Glödljus, lysrör och HID-lampor strålar alla i flera våglängder men med olika intensitet. Glödljus och dagsljus återfinns över hela detta spektrum men med olika dominans, blått för dagsljus och rött för glödljus. Med färgväxling RGB alstras ljuset i fyra smala våglängdsband, blått, grön, gulorange och rött. I det vanligaste fallet med lyspulver i en diodhybrid dominerar det blå området hos vita och kallvita dioder medan lyspulvret hos varmvita dioder filtrerar den blå våglängden och släpper fram grön och gulorange färg med röda nyanser som dominerande. Vita dioder i en och samma färgtemperatur kan som här har beskrivits tyvärr uppvisa inbördes skiftande vit nyans. Med hjälp av CIE:s färgtriangel med den svarta kroppens strålningskurva (CIE = Commission Internationale de L eclairage) kan man i fysikalisk mening mer exakt definiera den vita färgen med hjälp av X och Y-kordinaterna, vilket också diodtillverkarna använder sig av när de erbjuder armaturtillverkarna att välja vit nyans i de fall det är särskilt viktigt att reducera nyansskiftningar i det vita ljuset. Bin och binning är två nya fackord inom LED-området. Ordagrant betyder bin sorteringsfack medan man med binning avser sortering eller fackindelning. Ännu så länge förekommer avvikelser i färgnyans inom en tillverkningsserie av dioder. För vita LED räcker det inte med att ange färgtemperaturen i kelvin (K) eftersom även ett och samma kelvintal uppvisar små variationer i vithet. Med hjälp av CIE:s färgtriangel och dess färgkoordinater inordnas lysdioderna i bin och sorteras efter nyans. Vita lysdioder kan med dessa specifikationer väljas bland ett hundratal vita bin och de större diodtillverkarna kan i speciella fall mot ett pristillägg leverera dioder i en och samma vita nyans. Januari

14 XLamp LEDs Typical Electrical - Optical Characteristics Part Color Angle CCT range (K) Wavelength (nm) Max Current (ma) Voltage 350 ma CRI Luminous Flux (lm)* min max XLamp XR-E LED Lamp Cool White 90 5,000 10, Neutral White 90 3,700 5, Warm White 90 2,600 3, Royal Blue mw mw Blue Green XLamp XR-C LED Lamp Cool White 90 5,000 10, Neutral White 90 3,700 5, Warm White 90 2,600 3, Royal Blue mw mw Blue Green Amber Red-Orange Red * = Standard Minimum Flux Order 350 ma Warm White Cool White Neutral White Copyright Cree, Inc. All rights reserved. The information in this Exemplet document redovisar subject to Xlamp change från without Cree, notice. USA. Cree, the Cree LED Light logo and XLamp are registered trademarks of Cree, Inc. 2 Med hjälp av koordinaterna i CIE:s färgtriangel kan man efter den svarta kroppens kurva definiera vit ljusfärg mer exakt än enbart med kelvintalet (här från kallvit ljusfärg K till varmvit 2700K). Headquarters 4600 Silicon Drive Durham, NC Phone: XLampSales@cree.com Cree Asia-Pacific Limited Suite , 3/F, Building 9, Hong Kong Science Park, No. 5 Science Park West Avenue Shatin, Hong Kong Phone: CreeAsia-Pacific@cree.com Januari

15 TERMISKA EGENSKAPER Lysdioder är mycket mer värmekänsliga än andra ljuskällor. Ljusflöde och livslängd påverkas negativt av den värmeutveckling som diodens och diodmodulens elenergi genererar vilket naturligtvis blir särskilt märkbart inuti en diodarmatur. Även ljusfärg och färgstabilitet kan påverkas på ett icke önskvärt sätt. En diod trivs bäst i kyliga miljöer och når sin optimala drifttemperatur omkring eller under nollstrecket ( 0 ). Ett faktum är att lysdioder kommer bäst till sin rätt i frysboxar och kylskåp. X % ljusflöde efter Y timmar, givet en omgivningstemperatur på t a och en mätpunktstemperartur på t c Rekommendation från branschföreningen Belysningsbranschens LED-grupp hur prestanda för LED skall redovisas inom belysningsområdet (maj 2008). Temperaturförhållanden är alltså helt avgörande för funktionen hos LED. Eftersom ingen infraröd strålning (IR) uppstår så måste all elvärme avledas på annat sätt från halvledarchipset till närmast omgivande armaturdelar. Detta utgör en utmaning för varje seriös armaturtillverkare och åstadkommes genom konduktivitet (värmeavledning i material) och konvektion (värmeavledning i luft). Halvledarindustrin uppger idag 25 som referenstemperatur för själva förbindelsepunkten inuti dioden ( junction temperature, tj) för att diodens prestanda skall kunna uppfyllas. Det är där som de fotoner bildas och emitteras som vi i dagligt tal kallar för ljus. En ökning av tj med 10% medför en halvering av diodens livslängd. Man vet idag att junctiontemperaturen i praktiken i en installerad och fungerande armatur vanligtvis ligger på C vilket ligger till grund för de armaturprestanda som seriösa armaturtillverkare publicerar. Armaturfabrikanter, återförsäljare och användare kan inte själva kolla denna temperatur. Man får förlita sig på diodtillverkarens datablad. Armaturfabrikanten kan i sin tur rätta sig efter en av modultillverkaren markerad mätpunkt (tc) på modul eller kretskort (critical temperature, tc) där högsta tillåtna temperatur anges precis som på vanliga elektroniska driftdon. En viktig faktor är också omgivningstemperaturen (ta) där man liksom tidigare utgår från 25 C. Tvärsnitt av lysdiod Plastlins Anod Köldplatta LED-chip Kropp Katod Varje LED-armatur, avsedd för belysning, måste vara konstruerad och utförd för synnerligen effektiv värmeavledning. Ju svalare omgivning till diod och modul desto bättre. Det blir därför nödvändigt att för dessa ljuskällor redovisa armaturens prestanda (armaturlumen, armaturlivslängd etc.) istället för att utgå från de individuella diodernas datablad. Många LED-armaturer är därför försedda med en påbyggnad i form av tämligen skrymmande höljen typ kylflänsar och liknande. Januari

16 LJUSFLÖDE Lysdioder avger precis som reflektorlampor ett riktat ljus inom en sektor, i detta fall Vid jämförelse med allmänstrålande ljuskällor som normalglödlampor eller lysrör ger alltså dioden ett mer effektivt ljusflöde i ljusriktningen än vad lumentalet antyder. I själva verket borde diodernas ljusflöde precis som för reflektorlampor redovisas som ljusstyrka (candela, cd) inom aktuell spridningsvinkel istället för som ljusflöde (lumen, lm) som är att allmänt flöde i alla riktningar. Det skulle ge bättre och rättvisare jämförelser, uppenbarligen till diodernas fördel i många olika applikationer Lysdiodernas ljusflöde varierar mellan några få lumen (lm) för en lågeffektsdiod, effekt 50 till 100 milliwatt (mw), och upp till omkring 120 lumen (lm) för högeffektsdioder på 3 W. Teoretiska laboratorievärden har rapporterats till 240 lm från en diod. De ökade ljusflöden som då och då rapporteras från de stora tillverkarnas laboratorier är vanligen uppmätta under ideala förhållanden i frihängande montage och under en kort tidsrymd om 20 millisekunder. Sådana värden visar på forskningens beundransvärda framsteg men har mycket liten anknytning till dagens verklighet och de produkter vi idag har att arbeta med. Framtidsdioderna lär vi få vänta på flera år. Under tiden bör vi utveckla armaturerna så att de blir så optimala som möjligt. Vi bör verkligen utnyttja tillgängliga dioders potential. Istället för att studera enskilda lysdioders angivna ljusflöde bör vi fokusera på det samlade ljusflödet från en komplett LED-modul och/eller armatur. Modulens ljusflöde påverkas som vi vet starkt av drifttemperaturen inuti en armatur och av dess omgivning och placering. Det viktigaste blir alltså armaturens totala ljusflöde eller ljusstyrka i sin tänkta användning och placering i en simulerad omgivning. Idag är det så att man även för en väldesignad LED-armatur får räkna med minst % lägre ljusflöde ( armaturlumen ) än vad diodernas datablad med uppmätta laboratorievärden utlovar. Ljusnedgången hos en diod under dess livslängd är inte linjär utan accelererar mot slutet av livslängden. Det skiljer en del mellan olika fabrikat och användningsområden så man bör vid planeringen ta reda på fakta och göra en egen bedömning av tänkbar livslängd. Man behöver också beräkna hur ljusutbytet påverkas av faktiska omgivningstemperaturer på platsen och i armaturen. Källa Philips Lumileds Januari

17 FÄRGVÄXLING Ett aktuellt inslag i modern ljussättning är dynamiskt, färgat ljus där man med digital teknik styr ljusnivå och färgblandning hos ett antal färgade ljuskällor, vanligtvis lysdioder eller lysrör. Ljusfärgväxling skapar nya möjligheter att gestalta rum. Det är inte enbart de belysta ytorna och strukturerna som påverkas utan även skuggornas färger och karaktärer. RÖD GRÖN BLÅ Additiv färgväxling RGB Den additiva färgväxlingstekniken kallas RGB. Genom en blanda lika delar av rött, grönt och blått ljus får man vitt ljus som sedan kan tonas till varmare eller kallare nyanser. För att åstadkomma olika färgtemperaturer på det vita ljuset kan man ibland komplettera primärfärgerna RGB till RGBV med en fjärde, vit diod. Man kan också förbättra RGB genom att till gula området tillföra färgen amber (bärnstensfärg). Med inbördes varierande ljusreglering av de ingående färgerna kan man uppnå önskad ljusfärgsblandning. Tekniken bygger på att öka och minska luminansen mellan de färgade ljuskällorna. När man önskar stor mättnad i färgblandningarna har RGB-färgerna en tendens att bli ljusa på grund av ljuskällornas egen luminans vilket ger en kontrastutjämnande effekt med bleka färger. RGB står för grundfärgerna Red, Green, Blue. LIVSLÄNGDER Lysdioder sägs allmänt ha en livslängd på över timmar, alltså drygt 50 gånger mer än glödlampan. I praktiken är dock diodens driftförhållanden avgörande, främst dess termiska förhållanden och därmed armaturens konstruktion, placering och omgivning. På diodernas datablad redovisas laboratoriemätningar av diodernas prestanda. Sådana mätningar sker vanligtvis i frihängande läge, i ideala förhållanden under några millisekunders drift och ger knappast någon värdefull information om hur dioden fungerar i verkligheten, i en armatur, kanske monterad infälld i byggnadsdel. Diodens egen driftemperatur (junction temperature tj) anges av diodtillverkaren normalt till 25 C för att utlovade prestanda skall uppfyllas, ofta jnär det gäller livslängd mer än lystimmar. En ökning med endast 10% för tj medför t.ex. en halvering av angiven livslängd. På marknaden har man påträffat standardarmaturer, bland annat infällda downlights, med timmars dioder men en verklig livslängd på under 2000 timmar. I verkligheten får vi realistiskt räkna med en förbindelsetemperatur tj på drygt 100 C vilket med en omgivningstemperatur på 25 C resulterar i service life (70%) någonstans mellan och timmar beroende på dioder och armaturens utförande och montage, vilket också seriösa armaturtillverkare uppger. Januari

18 LJUSKÄLLA MEDELLIVSLÄNGD (h) LIVSLÄNGD LJUSNIVÅ EFTER NÄR 50% HAR SLOCKNAT SERVICE LIFE % LJUSNEDGÅNG Glödlampor 1000 Halogenglödlampor Kompaktlysrör % Raka lysrör T16 (T5) % LED % Livslängderna avser normal användning i armaturer avsedda för resp. ljuskälla. På kontor räknar man med 2500 timmars årlig drift, i butiker omkring 4000 timmar. Ett problem är det faktum att dioder fortsätter att lysa under lång tid framåt men med allt lägre ljusflöde och slutligen långt under ursprunglig ljusnivå. Ljusnedgången för lysdioder är minst i början men tilltar gradvis under livslängden. Numera betecknas service life för ljuskällor till L90, L80, L70 och L50 vilket informerar om livslängd i timmar fram till att ursprunglig ljusnivå reducerats till 90, 80, 70 eller 50%. Om ingen siffra finns angiven så utgår man från branschpraxis L70, 70%. Standardlivslängd för LED tycks bli L70 eftersom det först är vid 30% lägre ljusnivå som det mänskliga ögat anses reagera för skillnaden i ljusnivå. Observera att man ibland bör välja L80 som livslängd, alltså ett tidigare utbyte när ljusflödet nått 80% av ursprunglig ljusnivå. Exempel på sådana fall är när det ställs större krav på jämnt fördelad ljusbild med stabil ljusnivå och stabil ljusfärg, till exempel vid wallwasher -belysning mot en vit vägg. En betydligt tolerantare inställning har man vid rent dekorativ ljussättning där till och med L50 med 50% kvarvarande ljusnivå kan accepteras innan det är dags för utbyte av LED eller hela armaturen. Realistiskt service life L70 för en LED-armatur i sin tänkta användning är timmar vilket är detsamma som en normalanvändning på 2500 timmar/år för kontor, 8 12 års drift, och drygt 4000 timmar/år för dagligvaruhandel vilket innebär omkring 6 års drift. LED sänker alltså redan idag belysningens underhållskostnader väsentligt jämfört med de ljuskällor som används idag. När service life L70 för LED snart når timmar eller mer även i praktisk användning så blir driftkalkylen verkligen lockande. Vi måste därför lära oss att byta ut LED innan de slocknar vilket kan dröja mycket länge. Senast bör man genomföra ett byte när LED-armaturens sammanlagda ljusflöde understiger 70 eller 80 % av vad den gav från början. Om man från början noterar ursprunglig belysningsstyrka är det ju enkelt att ta stickprov med en luxmeter på belysta ytor i omgivningen, kanske rutinmässigt en gång om året. En liknande successiv nedgång under livstiden finns ju även hos urladdningslampor typ lysrör och HID. Med ökade livslängder hos dioderna så kan nog armaturen komma att falla för åldersstrecket och behöva bytas ut innan dioderna nått så långt. Diodernas driftdon måste naturligtvis vara av sådan kvalitet att de klarar minst de livslängder som vi kräver av själva dioderna. Men det finns många skiftande fabrikat och utföranden på den globala belysningsmarknaden så det kan finnas skäl att kräva armaturleverantören på besked om detta. Annells utvalda leverantörer anger generellt > timmars drifttid förutsatt att normala gränsvärden inte överskrids för armaturen. Januari

19 PROJEKTERING OCH INSTALLATION MONTAGE. Lysdioder alstrar ljus utan värmestrålning (IR), däremot skapar den tillförda elenergin en överskottsvärme som måste reduceras ordentligt liksom hos all elektronik. Kylningsbehovet hos armaturen skiftar beroende på om lysdioderna skall användas för signal/visuelleffekter (lågeffektsdioder, vanligen upp till ca 1W)) eller för belysningsändamål (högeffektsdioder, vanligen över ca 1W). Om kylningen av armaturen inte är tillräcklig kan ljusflödet från dioderna halveras samtidigt som deras livslängd starkt reduceras. Kontrollera kylningsbehov med hjälp av datablad och leverantör. INKOPPLING. LED drivs med likström och alla lysdioder behöver ett driftdon för att fungera. Detta driftdon (kallas även driver, konverter, transformer eller power supply) kan vara inbyggt i armaturen och 230V växelström (AC) ansluts direkt till armaturen. Driftdonet kan även monteras externt och då för drift av en eller flera armaturer. Det finns i dag två typer av likströmsmatning till LED, konstantspänning och konstantström. Dessa kräver olika typer av inkoppling, parallellkoppling eller seriekoppling. U 3 I 3 U 2 I 2 U 1 I 1 U 0 = U 1 = U 2 = U 3 I 0 = I 1 + I 2 + I Konstantspänningsdrift U 1 I 1 U 2 I 2 U 3 I 3 U 0 = U 1 + U 2 + U 3 I 0 = I 1 = I 2 = I Konstantsströmsdrift KONSTANTSPÄNNINGSDRIFT. Denna metod används för låg-/mediumeffekts LED. Dessa armaturer eller LED-moduler parallellkopplas från driftdonet. Vanliga spänningar är 8/10/12/24V likström (DC). Dimensionering av driftdon styrs av effekten i LEDinstallationen. I dessa installationer måste man ta hänsyn till spänningsfallet i kablarna mellan driftdonet och LED modulen/armaturen. Spänningsfallet beräknas på samma sätt som för övrig lågvoltsinstallation (klenspänning). KONSTANTSTRÖMSDRIFT. Denna metod används för högeffekts-led. Dessa LED-moduler/armaturer seriekopplas från driftdonet. Vanliga strömstyrkor är 350mA och 700mA DC. Dimensionering av driftdon styrs av effekten i LED-installationen och spänningsfallet över LED-modulen/armaturen. Båda dessa parametrar måste ligga inom driftdonets kapacitet. I dessa installationer är spänningsfallet i kablarna sällan något problem. LJUSREGLERING. LED går utmärkt att ljusreglera. För att kunna ljusreglera LED krävs att driftdonet är av reglerbar typ på samma sätt som lysrör kräver dimmbara HF-don. De dimmbara driftdonen till LED använder en teknik kallad PWM (pulse width modulation) vilket är en teknik där en fyrkantsvåg med varierande frekvens driver LED. Detta är den enda tekniken att professionellt ljusreglera LED. STYRSIGNALER. De tekniksystem som vanligtvis används för att styra PWM dimmern är DALI, DSI, 1-10V och DMX512. Januari

20 HISTORIK Professor Sjuji Nakamura vid University of California i Santa Barbara, är uppfinnaren av gröna, vita och blå dioder inklusive blå laserdioder. År 1907 började egentligen den första utvecklingen av halvledarkristaller som ljusalstrare, en princip som kom att kallas elektroluminiscens eller enbart luminiscens. Nick Holonyak blev den förste att producera en lysdiod, den röda lysdioden, som kom att serieproduceras av amerikanska General Electric (GE) med huvudsaklig användning som signallampor och indikationslampor. De första lysdioderna var begränsade till relativt långa våglängder, det infraröda och röda området av ljusspektrum. Den nya ljuskällan innebar ett nytt, revolutionerande sätt att alstra ljus på som är både energieffektivt och långlivat. Sedan följde i tur och ordning dioder i färgerna orange, gul och grön. Den blå dioden lät vänta på sig till 1994 då japanska Nichia presenterade resultatet av dr Shuji Nakmuras framgångsrika forskning kom de gröna högeffektsdioderna då också utvecklingen inom vita högeffektsdioder kom igång på allvar, blå dioder med tillsats av gult eller orange lyspulver. CHECKLISTOR VIKTIGT ATT HÅLLA REDA PÅ: Färgåtergivning Ljusfärg och färgtemperatur Ljusflöde Energiförbrukning Ljusutbyte Livslängd Drifttemperatur FÖRDELAR ATT GLÄDJAS ÅT: LED är vår allra minsta ljuskälla för små, lättplacerade armaturer är energieffektiva med hög verkningsgrad ger riktat ljus framåt = effektivare ljus där du vill ha det är mycket långlivade, potential >20 års brinntid är fria från IR- och UV-strålning (ingen märkbar värme- eller UV-strålning) är okänsliga för upprepad tändning /släckning samt stötar och vibrationer tänder omedelbart, lätta att ljusreglera fungerar bäst i temperaturer nära eller under 0 är fria från kvicksilver NÅGRA NACKDELAR ATT TÄNKA PÅ: LED är relativt dyra i inköp* är känsliga för hög omgivningstemperatur i vita ljusfärger kan uppvisa inbördes färgskiftningar, särskilt varmvita nyanser kan upplevas bländande (undvik att titta direkt på oskyddad diod) utvecklas så snabbt att de som planeras i nutid för leverans om ett år kan uppvisa annorlunda egenskaper och prestanda. *) totalkostnaden per 1000 brinntimmar utvecklas successivt i starkt positiv riktning Januari