Lysdioder til belysning 2008

Transkript

1 Lysdioder til belysning status for fremtidens lyskilde Status for lysdioder Lysdioder som belysning Lysdioders egenskaber Belysning og energibesparelser

2 Belysning med lysdioder på Museum Zeughaus i Mannheim. Foto: Zumtobel

3 Indhold Indledning Opfundet i 1962 Hvad er en lysdiode? Status for lysdioder Markedsudvikling Effektive hvide lysdioder Effektive armaturer med lysdioder Lysudsendelse Effektive farvede lysdioder Pris pr. lumen 11 myter om lysdioder Lysdioder som belysning Hvad kan lysdioder? Levetid Farvegengivelse Effektivitet Farvetemperatur Fordele og ulemper Udformninger OLED Lysdioders egenskaber Lystekniske egenskaber Termisk design Sikkerhed Farvestabilitet - binnings Belysning og elbesparelser Eksempler Mere information om lysdioder LYSDIODER til belysning 2008 er udarbejdet af Kenneth Munck, Astrid Espenhain og Katrin Barrie Larsen, LYSTEKNISK SELSKAB december 2007 for ELSPAREFONDEN. ELSPAREFONDEN, Amager Fælledvej 56, 2300 København S tlf LYSTEKNISK SELSKAB, Engholmvej 19, 3660 Stenløse tlf fax LAYOUT: HJ-Grafi sk. Pjecen kan DOWNLOADES på Elsparefondens hjemmeside, 3

4 INDLEDNING Kapitel 3 og 4 går i dybden med de tekniske egenskaber og indeholder oplysninger til dem, der skal i gang med at designe belysning med lysdioder. Kapitel 5 gennemgår en række anvendelseseksempler og viser hvor store elbesparelser, der kan opnås ved at anvende lysdioder. Kapitel 6 samler kildehenvisninger og links til yderligere oplysninger. 1Formålet med denne statusrapport er at give et billede af lysdioder til belysning Udviklingen inden for lysdioder går meget stærkt og derfor ændrer specifikationer, egenskaber og anvendelsesmuligheder sig hele tiden. Denne rapport gør status over, hvad lysdioderne kan i dag og hvordan de ventes at udvikle sig i de kommende år. Rapporten udkom første gang i 2006 og er opdateret i december Publikationen er tænkt som et opslagsværk og en grundlæggende indføring i, hvordan lysdioden eller LED (Light Emitting Diode) fungerer, hvilke fordele og ulemper lysdioderne har, og hvilke elbesparelser man kan forvente ved at anvende lysdioder til belysning. Målet er at inspirere arkitekter, ingeniører, installatører, konstruktører, designere, elselskaber, kommuner og belysningsbranchen og andre til at udnytte denne nye lyskilde, der uden enhver tvivl vil få en stor plads i alle former for belysning i løbet af de næste 3-10 år. Kapitel 1 fortæller kort om den historiske udvikling og nogle af de mange myter omkring lysdioderne. Kapitel 2 beskriver forskellige diodetyper, hvordan lysdioder virker og gennemgår de vigtigste lystekniske parametre. Opfundet i 1962 Lysdioden blev opfundet i 1962 af firmaet General Electric, men først i 1968 kunne HP og Monsanto lancere de første røde lysdioder på markedet. Dengang var der ikke nogen, der havde forestillet sig, at man engang kunne få lysdioderne til at give hvidt lys, eller at de kunne anvendes til andet end indikatorer på radioer, fj ernsyn og andre elektriske apparater. Først sidst i 80 erne begyndte de farvede lysdioder at blive Forskellige typer lysdioder med linser og reflektorer. Foto: Lysteknisk Selskab 4 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

5 INDLEDNING så kraftige, at der kom lys ud af dem. Dioderne blev i årene efter så kraftige, at de kunne anvendes til farvet effektbelysning. I 1993 kom gennembruddet for de blå lysdioder, der viste sig at blive en afgørende forudsætning for væksten inden for de hvide lysdioder til belysning, idet de blå lysdioder via et lag fosfor kan konvertere det blå lys til hvidt. En milepæl blev nået i 2006, idet 50 lm/w som dengang var den magisk grænse blev nået. I 2007 blev dioder med 100 lm/w lanceret. I dag har vi så efter en række år, hvor teknologien har modnet sig, fået lysdioder på markedet, der kan anvendes til egentlig belysning både som hvide i forskellige farvetemperaturer og som farvede. Vi har fået en epokegørende lille og robust lyskilde med en meget lang levetid sammenlignet med de øvrige lyskilder, der er på markedet. Med lysdioder er det nu lettere at integrere lys i arkitektur, i veje, i møbler og i produkter på en helt ny måde. Lysdioderne er blevet så gode og effektive, at de står på tærsklen til at kunne udkonkurrere en række af de eksisterende lyskilder. De har for alvor vist deres potentiale og vil udvikle sig ganske hurtigt i årene fremover. Effektiviteten stiger stadig ganske voldsomt, og lysudbyttet er i de senere år fordoblet hvert tredje år. Senest er fordoblingen Lysdioderne er interessante som lyskilder blandt andet fordi: De lyser fremad De har lang levetid De giver øjeblikkeligt fuld styrke De er fuldt dæmpbare uden farveændring Der er ingen infrarød eller ultraviolet (UV) stråling i lyset De har en væsentlig højere effektivitet end glødepærer og halogenpærer. Pt er effektiviteten på højde med sparepærer De er mekanisk robuste De er små De tåler kulde De kan give meget mættede farver De kan dæmpes De indeholder ikke kviksølv som lysstofrør De kan give elbesparelser Lysdiodens udvikling fra GE udvikler den første LED HP og Monsanto markedsfører de første røde LED LED i orange, gul og grøn LED med lysudsendelse på 1-10 lumen LED med 10 lm/w LED med 20 lm/w med ny lysdiode teknologi Gennembrud for den blå LED 75 lm/w for røde LED 30 lm/w for hvide LED 74 lm/w hvide i laboratorium 1000 lm fra én hvid LED i laboratorium 80 lm/w for hvid i laboratoriet 38 lm/w for hvide LED 50 lm/w for hvide LED lm/w for hvide LED i laboratoriet <

6 INDLEDNING Plastik Linse Anode LED Chip Krop Katode Tværsnit af lysdiode Køleplade sket på bare to år. Om denne vækst vil fortsætte i de kommende år er ikke sikkert, men det er sikkert, at lysdioder er kommet for at blive. I takt med at kvaliteten og effektiviteten forbedres, vil lysdioderne i løbet af de næste 3-10 år oversvømme boligen, kontoret og vejene både i den private og offentlige sektor. Årsagen er, at lysdioderne har mange fordele, der er interessante i den traditionelle belysning, samt at de på grund af størrelsen og egenskaberne kan anvendes inden for helt nye områder. Energimæssigt byder lysdioderne også på interessante perspektiver, idet effektiviteten fortsat vil vokse og nu har nået samme effektivitetsniveau som sparepærer og lysstofrør og dermed kan konkurrere energimæssigt med de mest udbredte lyskilder til indendørs brug. Udendørs på veje, parker og stier har levetid, størrelse og robusthed så stor økonomisk betydning, at der også her vil blive integreret mange lysdioder i løbet af de kommende år. Specielt udendørs har man ikke helt så store krav til farvegengivelsen som indendørs, så her vil dioderne uden tvivl boltre sig i årene fremover. Der vil dog stadig gå en del år, inden lysdioderne bliver ligeså effektive og billige som de gule højtryksnatriumslamper, de kølige kviksølvdamplamper og de flotte metalhalogen lyskilder. Men allerede i dag er der stor interesse for også at anvende lysdioder som erstatning for disse lyskilder, da lysdiodernes levetid og robusthed giver meget store fordele i den udendørs belysning. Lysdioderne er derfor fremtidens lyskilde og ventes om få år måske helt at kunne udkonkurrere sparepærer, halogenpærer og glødepærer, både hvad effektivitet og kvalitet angår. Dog vil der, primært på grund af prisparameteren, stadig være områder, hvor det ikke er fornuftigt at anvende dioder, og hvor de traditionelle lyskilder er det bedste valg. Hvad er en lysdiode? Lysdioder er små elektroniske halvlederchip, der i sig selv udsender lys, når der sendes strøm igennem dem. Der er ikke, som i andre lyskilder, glas eller gasser under tryk. De fås både i rød, grøn, blå og en række andre farver samt i hvide. 6 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

7 INDLEDNING Ny belysning med bl.a. lysdioder i området omkring Højbro Plads i hjertet af København. Foto: Philips Lys Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde 7

8 STATUS FOR LYSDIODER 2Anvendelsen af lysdioder er i dag allerede vidt udbredt og har fundet anvendelse mange steder Ser man på, hvor langt lysdioderne og brugen af dem er kommet i dag, så anvendes lysdioderne allerede til mange forskellige belysningsformål. Lysdioderne har således langsomt men sikkert banet sig vej ind på områder, der tidligere var forbeholdt traditionelle lyskilder som lysstofrør, glødepærer og halogenpærer. De første anvendelser af lysdioder til belysningsformål er i skilte på butikker, tankstationer og virksomheder, der ønsker deres navn eller logo oplyst, når det bliver mørkt. Dioderne bruges også som markeringsarmaturer til at vise vej, til at adskille vejbaner, til trafiksignaler og til informationstavler. Diodernes første indtog på belysningsområdet var til belysning i lystbåde, i køkkenskabe, integreret i trapper, hylder og mange andre steder, hvor kravet til lysmængden ikke er så stort. Men nu hvor lysdioderne er blevet mere effektive, kan de anvendes til egentlige belysningsformål i arbejdslamper, til gangbelysning, kontorbelysning, til scenebelysning, facadebelysning og som nedgravningsspots, der skal belyse vægge, beplantning eller andre ting i det offentlige rum. Vi har set lysdiodernes farvespil anvendt til terapeutiske formål f.eks. på hospitaler, og vi har set dioder i kombination med traditionelle lyskilder blandt andet sparepærer med natfunktion, hvor lysdioderne står for lyset om natten på et lavere niveau. Vi har også fået en række lyskilder med lysdioder forsynet med standardfatninger til erstatning af gløde- og halogenpærer. Bilindustrien og digitalkameraindustrien er de områder, der skubber kraftigst til udviklingen af billigere og mere kraftige lysdioder. De fleste moderne biler har i dag lysdioder som stop-, bag- og baklygter. Lysdioder sidder som kabinebelysning og naturligvis også i instrumentpanelet. Flyindustrien er begyndt at tage lysdiodernes lange levetid og vibrationsstærke udformning til sig, ligesom elevatorindustrien også i stigende grad udnytter, at lysdioderne tåler rystelser og har meget lange vedligeholdelsesintervaller. Selv dronningens historiske og bevaringsværdige kjoler i montrerne på Rosenborg Slot er oplyst af lysdioder. Fra udstillingen Dronningens kjoler. Lysdioderne er skjult i montrerne og forsynes med strøm fra batterier. Foto: Lumodan 8 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

9 STATUS FOR LYSDIODER Markedsudvikling Markedet for lysdioder er vokset kraftigt siden 1995, med mobiltelefonindustrien som største aftager. Nedgangen i mobiltelefonindiustrien i de seneste år smitter af på lysdiodemarkedet, som derfor ikke er vokset så kraftigt. Tager man mobiltelfonindustrien ud, er markedet siden 2001 vokset med 22 % om året. Salget af high-power lysdioder i alle farver er ifølge analysevirksomheden Strategies Unlimited vokset fra 2,6 milliarder dollars i 2003 til 4,1 milliarder dollars i Ingen andre lyskilder kan fremvise sådanne kraftige vækstrater. Sandia National Laboratories i USA, der støttes af det amerikanske energiministerium, venter at lysdioderne over de næste 20 år vil erobre mellem 16-47% af det samlede belysningsmarked, afhængigt af hvor kraftigt der investeres i lysdiodeudviklingen. Lm/W er et udtryk for lysudsendelsen pr. Watt. 50 lm/w har i de sidste år været et strategisk mål for lysdiodeproducenterne og for belysningsbranchen, og blev nået i Faktisk er man nået over 150 lm/w for hvide lysdioder i laboratoriet, og det viser, at diodeteknologien kan nå langt og at meget effektive laboratoriemodeller allerede findes. Beregninger viser, at når 100 lm/w bliver almindeligt, vil de mulige elbesparelser alene i USA løbe op i, hvad der svarer til 29 store kraftværker. Det er så store elbesparelser, at udbredelse og udvikling af lysdioderne er kommet på listen over den nationale forsyningssikkerhed i USA, og det er baggrunden for, at den amerikanske regering satser store ressourcer på lysdiodeudvikling. Samtidig ses der naturligvis på, at lysdiodeindustrien vil skabe en lang række arbejdspladser og indtægter. Ser man alene på elbesparelsen ved lysdioder, findes der ingen anden teknologi med et større elspare- og effektivitetspotentiale, hverken inden for køle-, varmeeller maskinområdet, hvilket sætter teknologien i et meget interessant perspektiv. Skilte 13% Bilindustri 13% Andet 9% Belysning 5% Signaler 2% Mobiltelefoner 58% Mobiltelefoner og andre håndholdte enheder dominerer stadig LED markedet, men nye områder vinder større og større indpas. Kilde: Strategies Unlimited (2006) Effektive hvide lysdioder De mest effektive hvide lysdioder i handlen har nået en effektivitet på 100 lm/w, men de giver ikke så meget lys fra sig. De mest effektive high-power dioder giver omkring lm/w. Samtidig er deres farvegengivende egenskaber på niveau eller lidt bedre end lysstofrørene, hvilket vil sige et farvegengivelsesindeks (Ra-værdi) på Der findes endda lysdioder med Ra-værdi over 90. Ra-værdien er en parameter fra 0-100, der viser hvor god en lyskilde er til at gengive en række referencefarver. 100 er den maksimale farvegengivelse og svarer til dagslyset, der indeholder alle Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde 9

10 STATUS FOR LYSDIODER Udvikling inden for lyskilder Im/w Lysstofrør 1990 Farvede lysdioder Grafen viser udviklingen i lyskilders effektivitet. Ved kraftig investering i forskning og udvikling kan lysdioder nå over 200 lm/w. Kilde: US Energy Department regnbuens farver. En glødepære har Ra-værdi 99, og de fleste lysstofrør har Ra-værdi Effektivitetsmæssigt er de kommercielt tilgængelige lysdioder 5 gange så effektive som glødepærer, 3 gange så effektive som halogenpærer, og på niveau med sparepærer, der har en effektivitet på typisk lm/w. I 2005 forudsagde de største lysdiodeproducenter, Osram, Philips Lumileds, Nichia og Cree samt de forskere, som arbejder intenst på dette område, at vi i løbet af 2006 ville se hvide lysdioder i handlen med 50 lm/w og at der i de efterfølgende 3-5 år ville komme hvide lysdioder med op imod 80 lm/w. Dette mål er for længst nået og det er således gået hurtigere end forventet. En ting man skal være opmærksom på er, at hvis man vil have mest muligt lys ud af dioderne, så giver de dog kun omkring lm/w. Forskere fra blandt andet National Sandia Laboratorium i OLED Hvide LED (Lab) Hvide LED (marked) 2030 USA har beregnet en mulig teoretisk grænse på 200 lm/w, hvis der investeres intensivt i udviklingen. 200 lm/w er langt højere end nogen anden lyskilde på markedet og forventes at blive nået i Andre forskere taler om teoretiske grænser på langt over 300 lm/w, endda med en god farvegengivelse. Effektive armaturer med lysdioder Ligesom det er tilfældet for lyskilder, er forskellige armaturer mere eller mindre effektive. Armaturets effektivitet angives ved en armaturvirkningsgrad, der er defineret som forholdet mellem den mængde lys armaturet udsender i rummet, og den mængde lys selve lyskilden i armaturet udsender. En del af lyset fra lyskilden absorberes i armaturet, f.eks. i reflektor og afskærmning. Flere traditionelle lyskilder (f.eks. glødepærer og lysstofrør) udsender lyset i flere retninger, hvilket betyder, at lyset skal ledes ud af armaturet ved hjælp af en reflektor. Det giver anledning til tab og mindsker armaturvirkningsgraden. Men da mange diodelys- Mellow akryl pendel med 400 stk. lysdioder. Design af Jesper Sand. Foto: Jesper Sand 10 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

11 STATUS FOR LYSDIODER kilder sender al lyset fremad, vil behovet for reflektorer blive mindre og derved reduceres tabet i armaturet, som vil føre til en højere virkningsgrad og dermed et lavere elforbrug. Lysudsendelse En af lysdiodernes klare fordele er deres små dimensioner. Til gengæld er den samlede lysudsendelse (lumenpakken) ikke så stor. Den svinger fra 0,1 lumen til ca. 240 lumen for de kraftigste dioder. Op mod 240 lumen er i dag tilstrækkeligt til spotlamper, arbejdsbelysning og effektbelysning. Skal man anvende dioder til belysning på kontorer og på veje, skal der samles mange lysdioder for, at lysniveauet kan nå op på de almindelige lyskildetyper. Men forskerne arbejder også på at øge den samlede lysudsendelse. De kraftigste enkelt chip lysdioder på markedet giver i dag 240 lumen, hvilket stadig er en del fra et standard 36 W lysstofrør, der giver 3350 lumen, og også mindre end for 60 W glødepæren, som giver 720 lumen. Sætter man mange dioder sammen, kan man nå lysniveauer, som er tilstrækkelige til kontorer, butikker, veje og stier. I 2005 var rekorden 1000 lumen fra en enkelt diode i et forskningslaboratorium. Det er en udvikling, som kun lige er begyndt og vi kan derfor forvente os langt bedre og billige dioder i fremtiden. Effektive farvede lysdioder En af årsagerne til lysdiodernes store fremgang har fra start været de mange farvemuligheder. De farvede dioder anvendes i stor udstrækning til skilte, farveeffekter i butikker, barer, hoteller samt til trafiklyssignaler. Lysdioder findes i dag i mange forskellige farver, hvor hver enkelt diode kun udsender lys i én bestemt farve. Der findes dioder i rød, grøn, gul, amber, orange, blå, cyan og varianter af disse farver. Ved at blande lyset fra de farvede dioder rød, grøn og blå opnås mulighed for at blande stort set alle tænkelige farver inkl. hvid (RGB-metoden). Pris pr. lumen Prisen på en lyskilde sammenholdt med levetiden og lysmængden er afgørende for, hvilke anvendelser der er relevante. Prisen på lysdioder svinger meget fra få kroner pr. styk til flere hundrede kr. pr. styk, afhængig af farvekvalitet, effektivitet og lysmængde. For at kunne sammenligne lyskilder, sammenligner man ofte prisen pr lumen. En standard 60 W glødepære til 12 kr. giver 720 lumen og koster således 17 kr. pr lumen. Tilsvarende koster hvide lysdioder typisk kr. pr lumen. Tommelfingerreglen er, at lysdioder er ca gange dyrere Philips eventbelysning med LED, Kulturnatten Foto: Philips Lys 11

12 STATUS FOR LYSDIODER pr lumen end tilsvarende traditionelle lyskilder. Prisen pr. styk eller pr lumen er imidlertid ikke den eneste økonomiske parameter, der indgår i prisen for et samlet belysningsanlæg. Levetiden og udskiftningsomkostningerne indgår også, når det samlede regnskab skal gøres op, og her lever dioderne væsentligt længere end andre lyskilder og skal typisk slet ikke udskiftes, før hele installationen med tiden skal ændres. Hvis omkostninger til lyskildeudskiftning i belysningsanlæggets levetid medregnes, vil regnskabet se mere positivt ud for lysdioder, da de har levetider, der er op til gange længere end for glødepærer, gange længere end halogenpærer og op til 5 gange længere end for lysstofrør. Derudover er priserne på lysdioder faldende. I de sidste 2-3 år er prisen pr. lysdiode faldet med ca. 20 % pr. år, og det vil uden tvivl fortsætte samtidig med, at dioderne bliver mere effektive og kan udsende mere lys. Hvis man skal købe dioder i større styktal, er priserne lavere, men skal man have dem inden for ensartede farvesorteringer (bins), bliver priserne højere, da de skal sorteres. 11 myter om lysdioder (LED) 1. Lysdioder afgiver ikke varme 2. Lysdioder lever i timer 3. Lysdioder giver ikke tilstrækkeligt lys til belysningsformål 4. Lysdioder har ikke tilstrækkelig farvegengivelse til belysningsformål 5. Højeffektive lysdioder er dyre 6. Lysdioder er mere effektive end nogen anden lyskilde 7. Lysdioder bruger næsten ingen energi 8. Lysdioder giver blåligt lys 9. Lysdioder kan anvendes til alle belysningsformål 10. Det er kompliceret at anvende lysdioder 11. Øjnene tager skade af at kigge ind i lysdioderne Myterne passer ikke Lyskilder Lysmængde Stykpris Pris Effektivitet Levetid Effektforbrug Størrelse mm (lm) pr lm lm/ Golden Dragon , ,2 Ø20mm inkl. køleplade Ostar Ø20mm Luxeon K *) ,5 10x11,5mm Lysstofrør 36 W x26mm *) Pris ved ordrer på stk. 12 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

13 STATUS FOR LYSDIODER Myterne passer ikke: 1. En af de mest forkerte antagelser er, at lysdioderne ikke afgiver varme. Faktisk er varmen en af de vigtigste parametre at have styr på, når man designer armaturer til lysdioder. Lysdiodernes levetid reduceres væsentligt, hvis de ikke kan komme af med varmen. Diodernes lys indeholder derimod ikke varmestråling, som glødepærer og halogenpærer. 2. Levetiden er en af lysdiodernes afgørende styrker. Der er ingen tvivl om, at lysdioder godt kan leve i timer, men spørgsmålet er hvor meget lys, der kommer ud af dem til den tid. Der findes nu standardmetoder (L70 og L50) til at specificere levetiden for lysdioder, men det er ikke alle som følger disse standarder, når levetiden opgives. 6. Dioderne nærmer sig med hastige skridt de mest effektive lyskilder. Der findes dog mere energieffektive lyskilder som lysstofrør, metalhalogenlamper og kviksølvlamper. Målt i lysmængde pr. tilført effekt (lm/w) er de bedste lysdioder mere effektive end glødepærer og halogenpærer og på niveau med sparepærer. 7. Lysdioderne bruger naturligvis energi, men kan man nøjes med lidt lys, og er der små afstande til det, der skal belyses, kan man allerede i dag finde eksempler, hvor lysdiodeløsninger kan give elbesparelser i forhold til traditionelle lyskilder. Dioder bruger enkeltvis fra 0,1-7 watt, men der skal som nævnt fl ere til for at opnå samme lysmængde som med lysstofrør, metalhalogen og andre kraftige lyskilder. 3. Lysdioder kan i en række tilfælde give tilstrækkeligt lys til egentlige belysningsformål. Diodernes styrke ligger i dag i områder, hvor afstanden mellem lyskilde og objekt er relativt lille, og hvor der ikke er behov for høj belysningsstyrke eller god farvegengivelse, eller hvor andre lyskilder ikke kan anvendes. 4. Farvegengivelsen (Ra-værdi) for dioder svinger meget fra 60 til omkring 91. Det betyder, at man kan få kvalitetsdioder, som er på højde med lysstofrør, og som er i nærheden af gløde- og halogenpærer. Til en række formål spiller farvegengivelsen dog ikke nogen afgørende rolle, men til almene belysningsformål skal den være over I en række tilfælde giver den lange levetid og de reducerede udskiftningsomkostninger en bedre økonomi end med traditionelle lyskilder. Ser man alene på stykprisen eller på kroner/lumen, er lysdioderne i dag væsentligt dyrere end traditionelle lyskilder, men prisen falder løbende. 8. Lysdioder fås i dag med mange forskellige farvetemperaturer både kolde og varme. Typisk er de blålige og kolde, men de fås i varmhvide med samme varme farvetemperatur som glødepærer. 9. Lysdioder kan ikke anvendes til alle belysningsformål. Deres fysiske størrelse, de relativt små lysmængder og prisen gør, at lysdioder ikke er velegnet til alle formål. 10. En række armaturproducenter har udviklet armaturer, som gør det enkelt at anvende lysdioder på samme måde som traditionelle lyskilder. Skal man selv udvikle armaturer, er der en række nye områder, man skal tage hensyn til, blandt andet varme, driver, montering og indkapsling. 11. Selv om lysdioderne er meget skarpe og har en høj luminans, så får man ikke øjenskader ved at kigge ind i lysdioderne. Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde 13

14 LYSDIODER SOM BELYSNING 3Over det meste af verden forventes det, at lysdioder til belysning vil vinde kraftigt ind på markedet Anvendelsesmulighederne for lysdioder til belysning er mange. Allerede i dag har lysdioderne vist, at de kan anvendes til belysningsformål, og selv om lysdioderne stadig er i en tidlig udviklingsfase, er der ingen tvivl om, at lysdioderne hurtigt vil vokse sig store. Over det meste af verden forventes det, at lysdioder til belysning vil vinde kraftigt ind på markedet i løbet af de næste 5-10 år. Alene i USA ventes lysdioderne i 2025 at dække over 40 % af det samlede marked for belysning. Forudsætningen er, at lysdioderne udvikler sig i samme hastighed, som vi har set i de sidste 5-6 år. Med de lovende resultater, der er fremvist i laboratorierne, er kursen for kraftigere lysdioder stukket ud. Både 100, 120 og 135 lm/w for de hvide lysdioder er demonstreret i forskellige udviklingslaboratorier, og det er med til at understrege det store potentiale og de mange muligheder, der er i lysdiodebelysning. 50 lm/w har gennem flere år været en magisk grænse, men den er for længst nået. 100 lm/w er i dag muligt, og den næste magiske grænse er 150 lm/w. Et andet mål er at opnå en høj effektivitet ved farvetemperaturer på 2700 K, som vi kender fra glødepæren og med en farvegengivelse over 80. Når disse mål nås og dioderne bliver billigere, vil lysdioderne blive et naturligt valgt i rigtigt mange typer belysningsløsninger. Den største anvendelse af både hvide og farvede lysdioder i dag er til markering, skilte og signaler. Belysning af gange, trapper, biografer, montrer og kølerum er også områder, som vokser med stor hast ligesom anvendelserne i bil og flyindustrien. Første trin i lysdiodernes indtog har været de områder, hvor der ikke er behov for kraftige belysningsstyrker, eller hvor de farvede lysdioder har givet nye muligheder for farvet lys. Andet trin har været områder, som ikke tidligere har kunnet belyses med traditionelle lyskilder, eller hvor monteringsforholdene er vanskelige eller utilgængelige. Det er eksempelvis områder med mange rystelser som biler, elevatorer, fly og bærbare elektronikprodukter. Det er områder, hvor størrelsen af Zumtobelspots med dioder på Museum Zeughaus i Mannheim. Foto: Zumtobel 14 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

15 LYSDIODER SOM BELYSNING lysdioderne gør, at der nu kan integreres lys i produkterne. Brobelysning, markering af trapper, trin og kanter er også blandt de første anvendelseseksempler, hvor lysdioderne kan placeres integreret i gelændere og rækværk eller nedgravet i jorden. Dioderne gør det nemlig muligt at designe meget små og flade armaturer. Hertil kommer områder, hvor det er dyrt at udskifte lyskilderne. Det er typisk højt placerede steder, steder hvor det kræver lift eller er besværligt og tidskrævende at komme til. Tredje udviklingstrin for lysdioderne er spot- og effektbelysning i boliger, hoteller, butikker, bygninger, trapper, gange, museer og så videre. Fjerde trin bliver anvendelse af lysdioder til kontorbelysning og vejbelysning, som vi kun lige har set de allerførste eksempler på. I kontorer kræves normalt et farvegengivelsesindeks over 80 og farvetemperaturer omkring 3000 K og det har en del lysdioder stadig svært ved at klare, så man skal vælge dioder med omhu. I takt med at lysdioderne bliver kraftigere og billigere, vil hele området for udendørsbelysning blive interessant, idet den lange levetid og tiden mellem serviceintervallerne gør lysdioderne særdeles interessante til udendørsbelysning. Hertil kommer de mange arkitektoniske muligheder på facader, pladser og stier, hvor lysdioderne kan indbygges og nedgraves og samtidig sikres mod hærværk og fugt. Udviklingsvejen for anvendelser 1. Markering og skilte 2. Mobiltelefoner og biler 3. Effektbelysning med farver 4. Montrer og elevatorer 5. Gange og kølerum 6. Butiksbelysning 7. Kontorbelysning og arbejdslamper 8. Vejbelysning 9. Almenbelysning i kontorer, gange og skoler LED belysningen i Operaen i København kan dæmpes og tilpasses stemningen i salen Foto: Lysteknisk Selskab Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde 15

16 LYSDIODER SOM BELYSNING Hvad kan lysdioder? Lyskilder har alle en lang række spændende egenskaber og en række ulemper. Det vigtigste er at vurdere, hvad lyskilden kan tilføre en løsning. Man bør ikke vælge lysdioder uden at have overvejet, hvilke krav man har til lyskilden og belysningen ud fra en række lystekniske krav og kvalitetsegenskaber, som beskrives i det følgende. Effektiviteten målt i lm/w er som beskrevet tidligere en af de vigtige parametre, der altid bør overvejes ved valg af lyskilder. En anden parameter er lysets farvekvalitet. Her er de bedste lysdioder næsten på niveau med halogen- og glødepærer, og de er i en række tilfælde mindst lige så gode som lysstofrør og sparepærer, hvad angår farvegengivelsen. Diodeproducenterne har i dag store problemer med at producere lysdioderne ensartet med hensyn til farvetemperatur, lysintensitet og effektivitet. Det betyder, at der selv inden for den samme diodeproduktion er meget store produktionstolerancer. Det skal man være opmærksom på, når man arbejder med lysdioder, så man ikke risikerer, at hvide dioder, der skal sidde på en række, ser forskellige ud. Selv små nuanceforskelle i den hvide lysfarve kan opfattes af øjet og ødelægge oplevelsen af belysningen på en hvid væg. Produktionstolerancerne betyder, at producenterne må sor- tere lysdioderne i forskellige farvekvaliteter (bins), som kan bestilles hos de mest seriøse lysdiodeproducenter, dog mod merpris. Denne sortering betyder, at man får mere ensartede lysdioder, hvor farveforskellen er inden for visse tolerancer. Levetid Der er i dag stor forskel på lysdioders levetid og kvalitet fra producent til producent. Selv om der specificeres meget lange levetider, afhænger levetiden af mange ting. Man skal være opmærksom på de betingelser, der skal opretholdes, hvis de lange levetider skal opnås. Levetiden opgives i dag forskelligt fra de forskellige lysdiodeproducenter. Men sammenslutningen ASSIST, som består af de største diodeproducenter, har udarbejdet retningslinjer, der anbefaler, at der både specificeres L70, L50 og B50 og B10 levetidsværdier. L70 og L50 er betegnelser for levetider indtil henholdvis 70 % og 50 % af lysmængden er tilbage. B10 og B50 er tiden indtil henholdsvis 10 % og 50 % af dioderne fejler. Formålet med alle fire levetider er at give det fulde billede af levetidens sammenhæng med temperatur og strømbelastning. Ved at se på alle disse forskellige levetider, får man et langt mere detaljeret billede af holdbarheden af produkterne. Det A B C nm nm nm A: Spektralfordeling for et 1-pulver lysstofrør på 2700 K Kilde: Elektriske Lyskilder, Lysteknisk Selskab B: Spektralfordeling for et 3-pulver lysstofrør på 4000 K C: Spektralfordeling for en hvid lysdiode 16 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

17 LYSDIODER SOM BELYSNING som er vigtigt at vide er, at der er en række parametre, som har indflydelse på levetiden og som hænger tæt sammen med omgivelsestemperaturen og hvor godt lysdioderne er kølet. Den primære parameter er således temperaturen. Har man designet køleforholdene for dårligt, så temperaturen når over det anbefalede maksimum, vil levetiden forkortes. Her siger tommelfingerreglen, at hvis man forøger chiptemperaturen (junktiontemperaturen) med 10 grader, vil levetiden halveres. Men også strømstyrken har indflydelse på levetiden; jo større strøm man sender gennem dioderne, jo højere bliver temperaturen inde i dioden. Lysdioderne skal jo også drives af en driver, og den skal, hvis det skal give mening at anvende dioder, have samme levetid. Både Osram og Philips Lumileds har som standard timers levetid for deres drivere, men der findes som nævnt mange forskellige produkter og kvaliteter på markedet. Det er ikke ualmindeligt med levetider på timer for en driver til lysdioder, så her skal man være opmærksom, hvis man ønsker lang levetid. Farvegengivelse Lyskilders evne til at gengive farver hænger sammen med det farvespektrum, som lyskilden selv udsender. Udsendes intet lys i en del af farvespektret, kan lyskilden ikke gengive de pågældende farver. Giver lyskilden kun lidt lys i et farveområde, vil ikke alle nuancer kunne gengives. Hvis lyskilden giver meget rødt og varmt lys som glødepæren, vil den fremhæve de røde farver. Glødepæren indeholder alle farver, men udsender mindre lys i det blålige område, derfor ses der normalt stor forskel på farver i glødepærelys og i dagslys (selv om de begge kan gengive alle farver). Evnen til at gengive farver anvendes kun for hvide lyskilder og angives med et farvegengivelsesindeks en Ra-værdi mellem 0 og 100, hvor 100 er bedst. Værdien angiver, hvor god lyskilden er til at gengive 8 referencefarver. Dagslys har den bedste farvegengivelse på 100, gløde- og halogenpærer her en farvegengivelse på 99 og sparepærer og almindelige lysstofrør har en farvegengivelse på lidt over 80. Lysstofrør produceres dog med Ra-værdier fra og fås derfor i udgaver med speciel god farvegengivelse, der næsten er på højde med glødepærer. Til sammenligning har de bedste hvide lysdioder en Raværdi over 90, hvilket er tæt på glødepærer og de bedste lysstofrør. Mange lysdioder ligger dog i området 70-80, hvilket ifølge DS 700 ikke er tilstrækkeligt til indendørs arbejdsbelysning. Lysstofrør kan normalt gengive de fleste farver, men har huller eller dybe dale i farvespektret, som betyder at deres evne til at gengive farver i disse områder er dårlig. Lysdioder har normalt ingen huller i farvespektret, men har spidser og dale afhængig af typen og den metode der benyttes til at skabe det hvide lys. Effektivitet Når man vil sammenligne lyskilders effektivitet, anvendes primært to parametre; hvor meget lys lyskilden udsender (lumenpakken) og den forbrugte energi (Watt). Effektiviteten angives i lumen/watt (lm/w) og værdien udtrykker direkte, hvor effektivt lyskilden omformer energien til synligt lys. De mest effektive hvide lysdioder på markedet har en effektivitet på 100 lm/w. Også lyskildens samlede lysudsendelse, der måles i lumen (lm), er en væsentlig parameter. De kraftigste dioder på markedet kan give op til 1000 lumen (f.eks. Osram Ostar) for en 18 W enhed med flere lysdioder indbygget, som er på størrelse med en 2 krone. I laboratoriet har Seoul Semiconductor vist, at deres standard P4 enkelt chip diode kan give op til 420 lumen ved 600 ma. Til sammenligning giver en standard 60 W glødepære 720 lumen og et 36 W lysstofrør omkring 3350 lumen. Hverken lumen eller lm/w siger noget om, hvor i det synlige spektrum lyset udsendes. Et godt eksempel på en meget effektiv lyskilde er højtryksnatriumlampen, der primært anvendes til vejbelysning og har en effektivitet på ca. 120 lm/w. Den udsender primært lyset Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde 17

18 LYSDIODER SOM BELYSNING i den gule del af farvespektret (hvor øjet er mest følsomt) og har derfor et lavt farvegengivelsesindeks mellem Når man taler effektivitet, skal man være opmærksom på, at en række lyskilder kræver en forkobling, som også bruger strøm. Elforbruget i forkoblingen skal således være med i det samlede elforbrug, når effektiviteten beregnes. Typisk er elforbruget i moderne forkoblinger og drivere % af lyskildens effektforbrug. Der er stor fokus på lysdiodernes effektivitet, men man skal være opmærksom på, at det ikke alene er lyskildens effektivitet, der bestemmer, hvor meget lys der rammer en given flade. Afstanden til lyskilden og tab i reflektor og afskærmning har stor betydning for den samlede mængde lys, der rammer fladen. Den mængde lys, der rammer en flade, kaldes belysningsstyrken og angives i lux. Da lysdioderne er små, kan de normalt placeres tættere på den flade, der skal belyses. Og da de, i modsætning til de rundstrålende glødepærer og lysstofrør, kun lyser i én retning, kan der være situationer, hvor lysdioderne er bedre egnet og mere effektive end de traditionelle lyskilder. Det gælder især, hvor der er tale om farvet lys, idet de farvede lysdioder fra starten er født til kun at give en bestemt farve. Farvet lys fra traditionelle lyskilder skabes altid via filtrering gennem farvefiltre, hvilket reducerer effektiviteten med op til 80 %. Trafiksignaler er et godt eksempel, hvor de farvede lysdioder giver en række fordele. Her giver lysdioderne direkte den røde, grønne eller gule farve i stedet for at filtrere det hvide lys fra en glødepære. Herved kan opnås ganske store elbesparelser. Og da lysdioderne lyser fremad, er det derfor ikke nødvendigt med en reflektor (med tab) til at sende det bagudrettede lys ud af trafiksignalet. Farvetemperatur En lyskildes farvetemperatur er et mål for, om lyset fra en hvid lyskilde er koldt eller varmt. Akkurat som en solnedgang, der opleves varm og som en vinterdag med klar himmel, der opleves kold. Farvetemperaturen angives i Kelvin (K). Arbejdslampen Leaf Light med lysdioder. Design: Herman Miller og Yves Béhar. Foto: Interstudio En glødepære udsender et varmt lys med en farvetemperatur omkring 2700 K. Halogenpæren er lidt koldere og ligger omkring K. På en vinterdag med blå himmel har dagslyset en farvetemperatur på over K. Jo højere farvetemperatur, jo koldere og jo mere blåligt bliver lyset. Den præcise målemetode bygger på lyskildens frekvensspektrum og en beregning, men svarer til, at man sammenligner lyset fra lyskilden (kun hvidt lys) med et såkaldt sort legeme, der opvarmes. Når lyskilden har samme lysfarve eller farvetemperatur som det sorte legeme, måles temperaturen på legemet, og det angives som farvetemperaturen. Man sammenligner ofte farvetemperaturen med et glødende stykke jern. Når det langsomt opvarmes, er det først rødglødende 18 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

19 LYSDIODER SOM BELYSNING med lav temperatur. Efterhånden som det varmes op, bliver det først mere orange, så mere hvidt, for senere at blive hvidglødende og nærmest blålig hvidt, når temperaturen er meget høj. Lysdioder er ofte meget blålige og kølige i lysfarven og har derfor normalt en høj farvetemperatur på K. Men for at kunne matche glødepærer er der også udviklet varmhvide lysdioder med farvetemperaturer på K. Fordele og ulemper Lysdioder er en fantastisk nyskabelse inden for lyskilder. De fylder mindre end et fingerbøl, hvilket betyder, at de kan indbygges steder, hvor det tidligere ikke var muligt. De lyser kun i én retning med spredningsvinkler fra Traditionelle lyskilder sender lyset ud i alle retninger 360 og må derfor normalt have en reflektor (med tab) eller en skærm til at rette lyset derhen, hvor det ønskes. Lysdioderne har meget lang levetid timer, opgiver de fleste leverandører. Sandheden er, at de fleste lysdioder godt kan holde i timer, da de sjældent går i stykker (hvis de behandles efter forskrifterne). I mange tilfælde vil der dog ikke komme ret meget lys ud efter timer, da de materialer, lysdioderne er opbygget af, ældes med tiden. Levetiden afhænger i høj grad af, hvordan lysdioderne behandles. For høj temperatur, fugt, sollys og kraftige strømbelastninger kan hurtigt tage livet af en lysdiode, der på mange måder ligner en almindelig elektronikkomponent. En af diodernes helt store fordele er, at der ingen mekaniske komponenter er i en lysdiode. Der er således hverken glas, gasser under tryk eller glødetråde, der kan brænde over eller ryste løs. Derfor tåler lysdioderne kraftige vibrationer. Lysdioderne fungerer også rigtig godt ved lave omgivelsestemperaturer, fordi den lave temperatur bidrager til afkølingen af dem. Faktisk udsender de mere lys, når lysdiodetemperaturen falder. Det er helt modsat med de øvrige lyskilder som lysstofrør og damplamper, der ofte har svært ved at tænde og bliver mindre effektive, når temperaturen falder. Dioder kræver en elektronisk forkobling eller en driver. Det betyder samtidig, at de uden problemer kan dæmpes, og reguleres uden at lysfarven ændres væsentligt. Man skal dog være opmærksom på, at de færdige lysdiode-pærer, der i dag er på markedet, ikke er beregnet til at kunne dæmpes, med mindre det fremgår direkte af emballagen. Dæmpning kræver at lyskilden indeholder den nødvendige elektronik. Dioderne tænder meget hurtigt, hvilket faktisk udnyttes i bilernes bremselys. Selv om de kun er ca. 50 millisekunder hurtigere end glødepærer om at tænde, så betyder den længere reaktionstid, at bremselængden bliver ca. 2 meter kortere, hvilket i en bil kan give en dramatisk forskel mellem liv og død. Blanding af rød-grøn-blå: Fosfor-konvertering: Kombi fosfor og farvet: Fordele: Fordele: Fordele: Højere effektivitet Lys fra én kompakt enhed Bedre farvegengivelse God farvegengivelse Meget små dimensioner Lavere farvetemperatur Mange muligheder for farveskift Ulemper: Ulemper: Ulemper: Svært at blande lyset 100 % Lavere effektivitet Forskellige typer dioder kan udvikle sig Randeffekter af farvet lys kan opstå Kompliceret produktionsproces forskelligt over tid Svært at styre farvestabiliteten over Begrænset antal farver Kan have uens levetid og uens lysfarve levetiden Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde 19

20 LYSDIODER SOM BELYSNING 1. AccentLED med GU5.3-sokkel fra Philips En anden fordel ved lysdioder er, at de hverken udsender ultraviolet lys eller infrarødt lys (varmestråling). Varme fra halogen- og glødepærer er et stort og energikrævende problem i butikker, der ofte må køle kraftigt for at komme af med varmen. Desuden falmer stoffer og andre materialer, når de udsættes for varmestråling og ultraviolet stråling. Da lysdioderne forsynes med 1,5-24 volt og ikke trækker de store strømme, kan batteriforsyning også anvendes, hvilket specielt ses i mobiltelefoner og lignende. Fremkomsten af billige mobiltelefoner med kamera med flash skyldes i høj grad lysdioder. 2. DecoLED med GU10-sokkel fra Philips Farveskift og farvet lys hører også til lysdiodernes indbyggede fortrin. Farveskift kan opnås ved at anvende lysdioder, der har indbygget tre farvede diodechip i henholdsvis rød, grøn og blå. Ved at blande de tre farver kan der opnås hvidt lys, og samtidig kan man blande sig frem til utallige farver ved at styre hver enkelt farve hver for sig. Til ulemperne hører, at de fleste lysdioder endnu ikke udsender ret meget lys sammenlignet med de traditionelle lyskilder. Typisk udsender dioder omkring lumen eller 1/7-del af lysmængden fra en glødepære og kun ca. 1/30 af lysmængden fra et lysstofrør. Men diodeproducenterne er begyndt at pakke flere dioder sammen, så man kan få enheder på størrelse med en to-krone, der kan udsende 1000 lumen. Dioder leveres i dag i et utal af varianter og former, som er mere eller mindre færdige halv- og helfabrikata. Nogle findes med sokkel til direkte udskiftning af eksisterende gløde- eller halogenpærer, mens andre findes som bånd, stænger eller monteret på et printkort med diverse køleribber. Fælles for alle hvide lysdioder er, at de anvender en af to principielt forskellige måder til fremstilling af hvidt lys. Den ene metode er at benytte de tre grundfarver rød, grøn og blå (RGB-metoden) og blande disse til hvidt lys. Da de farvede lysdiodechip fås meget små, kan de tre farver placeres sammen i et lille hus, der blander lyset, så det opfattes som hvidt, når det kommer ud af lysdioden. Den anden metode anvender en UV eller blå lysdiode, hvor lyset bliver konverteret til hvidt lys med fosforbelægning inde i lysdioden. Begge typer findes på markedet i mange forskellige udformninger. Kombimetoden ses også, hvor de to teknologier blandes. Ved at benytte hvide fosforbaserede dioder og en farvet diode, typisk rød eller gul, kan man opnå bedre farvegengivelse og lavere farvetemperatur. Kombimetoden anvendes både på chipniveau, hvor forskellige chip samles og lyset blandes inde i dioden og på armaturniveau, hvor man blander hvide og farvede dioder ved siden 20 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

21 LYSDIODER SOM BELYSNING af hinanden, så man direkte kan se de forskellige typer, når man ser op i armaturet. Udformninger De fleste diodeproducenter leverer i dag ikke færdige lyskilder, der bare kan monteres i et eksisterende armatur. Derimod produceres lysdiode-halvfabrikata i mange forskellige udformninger til specielle formål. Dioder fås monterede på print i lange fleksible bånd med tape på bagsiden, på stive print, på ringformede, med skruehuller i fleksible fugtisolerede enheder og som byggeklodser i forskellig indpakning. Desuden findes de naturligvis rå som 5 mm lysdioder med to ledningsben, som rå chip, med præmonteret optik klar til lodning på print for at nævne nogle af de mange typer der findes. Alle typerne fås normalt både i forskellige varianter af hvid og som farvede. Dioderne leveres også med meget forskellige lysfordelinger, som er optimeret til forskellige anvendelser. Nogle er sidelysende, andre er smalstrålet og beregnet til skiltebelysning, Andre er bredstrålet eller har udstrålingskarakteristik, der er optimeret til anvendelse med reflektor eller optiske linser. En række virksomheder leverer efterhånden diodelyskilder, der direkte er konstrueret med indbygget sokkel og driver, så de kan erstatte glødepærer og halogenpærer i eksisterende lamper og armaturer, og som allerede fås i forskellige byggemarkeder og lysbutikker. De fås i mange forskellige udformninger. Der, hvor de umiddelbart passer bedst, er som erstatning for reflektorhalogen, da lysfordelingen og udstrålingsvinklen for dioderne er sammenlignelig med lysdiodernes. Det er ikke altid tilfældet når en glødepære erstattes med en tilsvarende diodelyskilde. OLED En anden og ny type lysdioder er OLED (Organic Light Emitting Diode). Udviklingen af OLED tager udgangspunkt i en ny displayteknologi og kan bruges til at lave flade LEDlyskilder. Udviklingen af OLED er startet i Tyskland, men i dag arbejder flere store europæiske virksomheder og universiteter på et fælles forskning- og udviklingsprojekt, OLLAprojektet (Organic LED Lighting Applications). Projektets mål er at stå klar med et færdigudviklet OLED-belysningsprodukt med tilfredsstillende lyskvalitet, levetid og energiforbrug i Konkret vil det sige en 30x30 cm flad lyskilde med hvidt lys, som har en effektivitet på 50 lm/w og en levetid på minimum timer. 3. PAR30 med E27-sokkel fra DanLED 4. AccentLED med GU10-sokkel fra Philips Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde 21

22 LYSDIODERS EGENSKABER 4Lysdioder til belysning er et relativt nyt fænomen. Man skal derfor være opmærksom på, hvilke lysdioder man køber Lysdioder har i løbet af de sidste 4-5 år udviklet sig betydeligt, når der ses på dioder til belysning. Der udvikles utroligt meget i forskellige teknologier og der kommer hver dag nye armaturløsninger på markedet. Det er således stadig en lyskilde under udvikling. Det betyder, at der ikke er de samme standarder og erfaringer som med de traditionelle lyskilder. Der sker dog en række fremskridt både for hvordan de etablerede fabrikanter opgiver lysdata og på området for standarter. Men mange nye lysdiodeleverandører kommer til. Derfor skal man være opmærksom på, hvad man køber og hvilken leverandør man vælger. Skal lysdioderne anvendes til seriøse formål, må man kræve en fornuftig dokumentation på specifikationerne og levetiden, inden man investerer store beløb i lysdioder. Der er eksempler på, at lysdioderne kan undergå endog meget store ændringer i både lysstyrke og farve i løbet af levetiden, men de største producenter, der har været på markedet i mange år, garanterer lange levetider og ydelser, når lysdiodernes driftsparametre overholdes. Når lysdioder skal anvendes til belysning, kræves væsentlig mere lys, end når lysdioderne anvendes som indikatorlampe, der blot skal lyse sig selv op. Med dagens lysdioder stiller det store krav til armaturernes effektivitet, placering og udformning. De første armaturer, der kom frem med lysdioder, var blot traditionelle armaturer med lysdioder i stedet. Efterhånden som designere og producenter er blevet mere fortrolige med lysdiodernes muligheder, ses nu løsninger, hvor lysdiodernes specielle fysiske og lysmæssige egenskaber udnyttes fuldt ud. Spørger man lysdiodespecialister, siger de, at lysdioder skal eller bør anvendes der, hvor de tilfører noget nyt til produktet og ikke bare erstatter en tilsvarende anden lyskilde. I modsætning til traditionelle lyskilder, der normalt af økonomiske grunde placeres med større afstand for at dække et stort område, betyder lysdiodernes mindre lysudsendelse, at de må sidde tættere, hvilket normalt er med til at give en jævnere belysning på fladen, der skal belyses. Lystekniske egenskaber Lysdiodernes lystekniske egenskaber spiller en større og større rolle i takt med, at lysdioderne bevæger sig længere og længere ind på belysningsområdet. Til billygter, markeringslys og lommelygter spiller farvekvalitet og farvetemperaturen ikke så stor rolle. Det gør derimod effektiviteten. Højere effektivitet giver flere og flere anvendelsesmuligheder inden for belysning. Til almene belysningsformål er farvegengivelsesindekset og farvetemperaturen vigtig. I Danmark har vi tradition for at foretrække varmt lys med farvetemperaturer omkring 2700 K i boliger og på mindre kontorer. Lidt koldere farvetemperaturer anvendes normalt i storrumskontorer og i industrien. I Sydeuropa anvendes normalt endnu koldere lysfarver, end der foretrækkes i Danmark og Norden. På grund af lysdiodernes meget lille udstrækning er linsesystemer meget velegnet til at sprede eller styre lyset. Plastlinser 22 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

23 LYSDIODERS EGENSKABER LED Modul system og lysdiode Fotos: Philips. kan i dag fremstilles effektivt og relativt billigt, og mange lysdiodeproducenter har lysdioder med linseløsninger i deres program. Derudover findes en række linseproducenter, som kan udvikle specifikke linser eller som fører linser, der passer til de mest udbredte lysdioder. Lysfordelingen, altså hvordan lyset udsendes fra lyskilden, er afgørende for, hvordan en lampe eller et armatur fungerer. Armaturerne designes til konkrete lyskilder, og for at kunne styre lyset derhen hvor der er behov for det, udvikles reflektorer og linsesystemer. Derfor findes en række forskellige lysdiodeudformninger, der giver forskellige lysfordelinger, som er tilpasset specielle anvendelser. Et andet forhold i relation til design af armaturer og lamper med lysdioder er den ekstremt punktformige lyskilde. Det giver helt nye designmuligheder og bedre muligheder for at styre lyset derhen, hvor der er behov for det. Jo mere punktformet en lyskilde er, jo lettere er det at konstruere en effektiv og præcis reflektor eller linse. På grund af lysdiodernes meget lille størrelse er lysintensiteten eller luminansen (candela/m 2 ) meget høj. Det betyder, at lysdioder nemt blænder, hvis man kigger ind i lyskilden eller i reflekterende flader. Men da øjet fanges af høje luminanser og spil i overflader, giver lysdioderne naturligt en ny opmærksomhedsværdi. Lyset spiller nemmere med i blanke overflader, hvilket guldsmedeforretninger allerede har fundet ud af. Det er således altid en balance mellem at blænde og udnytte den høje luminans. Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde 23

24 LYSDIODERS EGENSKABER Termisk design En ny disciplin for designere, konstruktører og armaturproducenter, der vælger at arbejde med lysdioderne, er det termiske design - altså varmeforholdene i armaturet. Selv om en af myterne omkring lysdioder siger, at lysdioderne ikke bliver varme, så kan det ikke være mere forkert. En af de allervigtigste parametre at have styr på er temperaturen i lysdioden. Bliver den for høj og over den specificerede grænse, som producenten angiver, så nedsættes levetiden dramatisk. I takt med at lysdioderne bliver mere og mere kraftige stiger varmeproblemet. Meget varme på et lille område skal ledes væk gennem armaturet via køleribber, metalplader eller ved hjælp af ventilation. Der er en direkte sammenhæng mellem temperaturen inde i lysdioden og levetiden og som med al anden elektronik, gælder reglen, at hvis temperaturen øges med 10 grader ud over det specificerede område, så halveres levetiden. Slutbrugeren skal ikke umiddelbart bekymre sig om temperaturen, men det betyder alligevel noget for levetiden, om et armatur sidder lukket inde i et varmt rum, eller om det sidder i et koldt velventileret lokale. I Turning Torso i Malmø findes en af Europas største lysdiode installationer. Alle gangene i den krumme bygning er forsynet med lysdiodepaneler. Foto: Louis Poulsen Lighting 24 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

25 LYSDIODERS EGENSKABER En række lysdiodeproducenter opgiver referencepunkter på de printplader, som lysdioderne monteres på, hvor temperaturen kan måles og kontrolleres. Og ved hjælp af normale termiske beregninger kan man beregne, hvor stor køleflade et givent armaturdesign skal have for at bortlede varmen. Monteringsretning, fastgørelse og materialevalg hænger tæt sammen med, hvor godt eller skidt et termisk design, man får opbygget. Gode varmeledere er metaller og dårlige er plast, men ventilation og placering af fastgørelsespunkter er vigtige elementer at overveje undervejs i konstruktionsprocessen. Sikkerhed Lysdioder hører i dag sikkerhedsmæssigt sammen med lasere. I EU kræves, at produkter der skal CE mærkes, overholder standarden EN Safety of laserproducts. Det betyder, at man skal være opmærksom på risikoen for øjenskader. Undersøgelser fra blandt andet Agilent har dog vist, at dagens lysdioder ikke giver nogen risiko for øjenskader, men i takt med at lysdioderne bliver kraftigere, skal man være opmærksom på dette. Anvendes lysdioder i udstyr med optik og linser kan der være risiko for øjenskader, så man bør derfor ikke se direkte ind i lysdioderne på kort afstand. Farvestabilitet binnings Som det også kan være tilfældet med lysstofrør, kan der være forskel i udseende af lysdioder, der opsættes lige ved siden af hinanden. Anvendes lysdioder som spots på en hvid væg, skal man sikre sig, at de har den samme hvide farve. Produktionstolerancerne er i dag så store, at de seriøse producenter sorterer de hvide lysdioder i såkaldte binnings eller grupper, der har samme farve. Øjet har en meget høj følsomhed over for små variationer i den hvide farve, og er desuden ret følsomt over for variationer i lysintensiteten eller lysmængden, som også kan variere kraftigt fra lysdiode til lysdiode. Der er således en række stabilitetsforhold, der skal tages hensyn til. Lysdioder er her anvendt til at markere broens længde Kastrup Søbad. Foto: ERCO Lighting Arbejdslampen Diva fås både med lysstofrør og lysdioder som lyskilde. Producent: Waldmann Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde 25

26 BELYSNING OG ELBESPARELSER MED LYSDIODER 5Der kan være store elbesparelser ved at skifte til lysdioder Efter en årrække, hvor lysdiodeteknologien har modnet sig, findes der efterhånden flere eksempler på anvendelse af lysdioder til egentlig belysning, både med hvide dioder i forskellige farvetemperaturer og med farvede. Vi har stadig kun set begyndelsen af elbesparelserne med lysdioder. Besparelserne kan være store og i løbet af de kommende år vil brug af lysdioder til belysning blive mere almindeligt både ude og inde, og i private og offentlige virksomheder. I det følgende beskrives en række konkrete eksempler fra både Danmark og udlandet, hvor lysdioderne anvendes, og giver anledning til store elbesparelser. Rytterstatuen i København Den nye belysning i området omkring Højbro Plads i hjertet af København er et godt eksempel på, hvordan lysdioder med fordel kan anvendes til belysning i udendørs bymiljøer. Belysningen er skabt i et samarbejde mellem lysdesigneren Jesper Kongshaug og Philips Lys. Fokuspunkterne i lyssætningen er Rytterstatuen og træernes langstrakte markering af Højbro Plads. Under de to rækker af træer, der strækker sig fra Rytterstatuen ved kanalen til Amagertorv er placeret 44 stk. LED Uplight nedgravningsarmaturer, som belyser træerne nedefra og derved skaber en ramme om Højbro Plads. De 44 armaturer er hver bestykket med 6 stk. K2 lysdioder og har et samlet effektoptag på 792 W (880 W inkl. tab i drivere). Rytterstatuen belyses dels af 60 meter LEDstring fastgjort på statuens sokkel, dels af 4 stk. Beamer LED spots, placeret på de omkringliggende bygninger. Det samlede effektoptag for de 60 meter LEDstring er 200 W (220 W inkl. tab i drivere), mens de 4 spots har et effektoptag på 12 W (16 W inkl. tab i drivere). Lysdioderne i LEDstring er en blanding af kolde hvide dioder med en farvetemperatur på 6300 K samt et antal dioder i farven amber (gul-brun). Denne kombination af kolde hvide og amber dioder giver mulighed for at variere farvetemperaturen mellem K. Levetiden på det anvendte diodebelysning er timer for både diode og drivere, ved en nedgang af lysudbyttet på 30 %. Ved at anvende lysdiode belysning i stedet for traditionelle lyskilder, som f.eks. metalhalogen, reduceres effektoptaget ifølge Philips Lys med %. På pladsen findes desuden standerarmaturer udformet med udgangspunkt i den oprindelige belysning, men bestykket reflektor og lyskilder der effektivt sender lyset derhen, hvor det skal. 26 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

27 ELBESPARELSER MED LYSDIODER Rytterstatuen på Højbro Plads belyst med LED-string og LED-spots. Foto: Philips Lys Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde 27

28 BELYSNING OG ENERGIBESPARELSER MED LYSDIODER Løbeløjpen i Mølleparken, Ålborg er belyst med LOA LED pullert, et specialdesignet armatur, der oplyser stien og ikke omgivelserne Fotos: Gunver Hansen Foto: Philips Lys 28 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

29 BELYSNING OG ENERGIBESPARELSER MED LYSDIODER Lysløjpe med lysdioder Den primære grund til at lysdioder er velegnede til udendørs belysning, er at de fungerer optimalt ved lave omgivelsestemperaturer, uanset hvor koldt det bliver. Da Eskild Hansen og Gunver Hansen fik til opgave at designe et lysløjpearmatur, lå det derfor lige for at anvende lysdioder som lyskilde. Resultatet blev en pullert, som er udviklet i samarbejde med Philips og hedder LOA LED pullert. Den er fleksibel og kan indstilles til at lyse i 2, 3 eller 4 retninger. Derfor egner pullerten sig godt til stibelysning, både hvor stien går ligeud og hvor den deler sig i flere retninger. LOA LED pullerten er første gang brugt til belysning af en ny lysløjpe i Mølleparken i Ålborg. Pullerten er bestykket med 5 stk. Lysdiode af typen Philips LMS 3 W og en Xitanium LED driver. Pullerten har et samlet effektoptag inkl. driver på 17 W. Lysløjpen er 2,5 km lang og belyses af i alt 101 pullerter. Da belysningsanlægget var udført, blev alle lysdiodemoduler i de 101 pullerter individuelt finjusteret for at opnå den rigtige lysfordeling på stien. Til sammenligning bruger tilsvarende pullerter med kompaktlysstofrør eller metalhalogen typisk mellem 22 og 42 W inkl. forkobling. Vedbæksvænget i Horsens I november 2007 blev Danmarks første gadebelysning med lysdioder indviet. I alt er opsat 16 stk. 65 W lysdiodearmaturer på Vedbæksvænget i Horsens. Sammenligner man med traditionel gadebelysning med metalhalogen, giver den ny belysning ifølge LedTraffic, en besparelse på ca. 20 %. Armaturerne, der er udviklet af LedTraffic i samarbejde med Energi Horsens, er bestykket med low power dioder med en farvetemperatur på K og en levetid på timer, baseret på en lysstrømsnedgang på %. LedTraffic planlægger en række prøveopsætninger af gadearmaturet i flere europæiske storbyer. Inden udgangen af 2007 bliver der færdiggjort yderligere tre strækninger med de nye gadelamper i Norge, Sverige og London. Mens lysdioderne i de første udgaver af gadearmaturet havde en effektivitet på 70 lm/w og en Ra-værdi på 65, har de nye udgaver en effektivitet på 90 lm/w og en Ra-værdi på 85. På øverste billede ses de gamle gadelygter (med lys i). Nederste billede viser den nye belysning, som består af gadelygter med lysdioder. Udskiftningen er sket samtidig med nedgravning af kabler. Foto: Energi Horsens Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde 29

30 BELYSNING OG ENERGIBESPARELSER MED LYSDIODER Torontoblink Det er oplagt at anvende dioder til de typer belysning, hvor man udnytter diodernes fremadrettede lysudsendelse og deres medfødte evne til at give farvet lys. Derfor har lysdioder til erstatning af de traditionelle lyskilder i trafiklys i flere år været en realitet. Alene på elforbruget er der store besparelser at hente. De fleste fodgængerfelter med blink, de såkaldte Torontoblink, var tidligere forsynet med en 100 W glødepære. I løbet af 2006 har Dong Energy udskiftet glødepærerne i 100 Torontoblink i Nordsjælland og København med 13 W diodeblink fra Dansk Trafik Teknik. Derved er opnået en årlig elbesparelse på kwh svarende Udskiftning af glødepærer til lysdioder i såkaldte Torontoanlæg har vist sig at give lysmæssige forbedringer og meget store besparelser Foto: Lysteknisk selskab til 87 %. Dertil kommer besparelser på vedligeholdelse. Levetiden på de gule diodeblink er typisk drifttimer, hvilket betyder at de kun skal skiftes hvert 10. år. De tidligere anvendte glødepærer skulle skiftes ca. 4 gange årligt. Samlet set giver el- og driftbesparelserne en tilbagebetalingstid på 6 år, hvis man regner med en elpris på 65 øre/kwh. Århus Musikhus tilbygning Belysningen i foyer, gange og trapper i Århus Musikhus nye tilbygning er udført udelukkende med lysdioder. Tilbygningen blev indviet i november 2007 og foyeren er lyssat med store diodelysekroner designet af kunstneren Ingvar Cronhammer. Der er i alt opsat 17 lysekroner med en diameter på 1,2 meter. Hvert armatur indeholder 217 hvide powerdioder og har et samlet effektoptag på 280 W. Det har været vigtigt at opnå en belysning med en forholdsvis varm tone. Derfor er der anvendt varm-hvide lysdioder fra 3 forskellige bins til at opnå en farvetemperatur på 2900 K, hvilket er tæt på den lysfarve, vi kender fra glødepæren. Armaturet har en Ra værdi på ca. 83 og et lysudbytte på 42 lm/w hvilket er bedre end halogen. Armaturerne er dæmpbare (0-10 V) med et reguleringsområde på % uden ændring i farvetemperaturen. Foruden lampens nedadrettede hvide lys er der på oversiden af hver lampe placeret en række røde dioder rundt i kanten. De røde dioder skaber dekorerende røde refleksioner i de blanke lofter. På gangarealer og trapper er opsat i alt 65 væglamper fra Thorn, ligeledes med dioder. Væglamperne er et eksisterende design, der har fået installeret 18 stk. powerdioder med en samlet effekt på 23 W pr. armatur. Som for lysekronerne er farvetemperaturen 2900 K og Ra værdien 83. Både lysekroner og væglamper er udført af Pablo Diversity ApS, som fortæller at de termiske forhold er gode i begge armaturer. Især lysekronerne har et vellykket termisk design, diodernes junctiontemperatur ligger på ca. 50 o C ved max. lysstyrke. I væglampens termiske design har man udnyttet, at armaturet er fremstillet af aluminium, her er junctiontemperaturen ca. 70 o C ved max. lystyrke. 30 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

31 ENERGIBESPARELSER MED LYSDIODER Ingvar Cronhammers diodelysekroner samt væglamper fra Thorn belyser foyeren i Århus Musikhus. Foto:Lars Hjorth, Pablo Diversity ApS Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde 31

32 BELYSNING OG ENERGIBESPARELSER MED LYSDIODER Kølerum med lysdiodebelysning hos Chr. Hansen Foto: Chr. Hansen / Lumodan 32 Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

33 BELYSNING OG ENERGIBESPARELSER MED LYSDIODER Lysdioder i fryserum Da lysdioderne som tidligere nævnt fungerer optimalt ved lave temperaturer og desuden tænder med det samme, er de en oplagt lyskilde til belysning af fryserum og andre kølige rum. Den første og største installation i Danmark, hvor denne belysningsform fra Lumodan har været anvendt, er hos ingrediensfirmaet Chr. Hansen i Avedøre. Her er installeret diodebelysning i et kvadratmeter stort kølerum, der køles ned til -55 o C. Tidligere var der installeret glødepærer med en samlet installeret effekt på 20 kw. Glødepærerne var den eneste belysning, der kunne fungere ved de meget lave temperaturer. Med diodebelysningen er den samlede installerede effekt 5,5 kw, hvilket giver en elbesparelse på 72 %. Derudover spares der store mængder energi til køling, da dioderne ikke afgiver den samme mængde varme som glødepærerne. De anvendte dioder har en farvetemperatur på 6500 K og giver belysningstyrker på lux, hvor der før var lux. Novo Nordisk har i november 2007 fået installeret diodebelysning i et nyt 300 kvadratmeter stort fryserum i Bagsværd. Her har firmaet LedTech leveret 17 loftarmaturer, hver med 1150 lysdioder og et effektoptag på 60 W pr. armatur. Farvetemperaturen er 4500 K, hvilket er opnået ved at blande dioder med henholdsvis 6000 og 3000 Kelvin i forholdet 75 % til 25 %. Diodernes levetid er og deres Ra-værdi 85. Også hos Novo Nordisk er der opnået store elbesparelser. I kølerum med lysstofrør lader man ofte lysrørene stå tændt, fordi gentændingstiden ved lave temperaturer er for lang. Med diodelyset tænder lyset med det samme og man kan tænde og slukke efter behov. Hvis man tager dette forhold med i beregningerne og forudsætter at den nye diodebelysning kun er tændt i 2 timer pr. døgn, vil man, ifølge Led- Tech, kunne opnå tilbagebetalingstider på under 1 år. Novo Nordisk er i gang med at installere diodelys i yderligere 1200 kvadratmeter bestående af kølerum og gangarealer. Lysdioder i kølemontrer I den amerikanske supermarkedskæde Wal-Mart har man arbejdet intenst på at identificere områder, der kan give kæden de største energibesparelser. Et af områderne er belysning i kølemontrer. Før bestod belysningen af integrerede lysrør, som brændte 24 timer i døgnet. Lysdioderne kan tåle at blive tændt og slukket ofte og giver fuld lysstyrke, når de tændes. Derfor var det nærliggende at anvende lysdioder til et forsøg med ny belysning i kædens kølemontrer. I samarbejde med Watt Stopper udviklede Wal- Marts ingeniører en diodebelysning med bevægelsesmelder, som i første omgang blev afprøvet i to af kædens butikker. I begge butikker blev anlægget koblet til en datalogger, som registrerede data over en periode på 6 uger. For at opnå så store elbesparelser som muligt, blev bevægelsesmelderen indstillet til en forsinkelse på 30 sek. Det viste sig at lysdioderne i de 2 butikkers kølemøbler var slukket hhv. 44 og 47 % af døgnet. Hvis man regner med at lyset i kølemøblerne er slukket i 40 % af butikkernes åbningstid og desuden medtager besparelser som følge af nedsat kølebehov, har Wal-Mart regnet sig frem til en samlet besparelse på 92 %. Butikskæden installerer nu diodebelysningen i samtlige 450 butikker og har beregnet en tilbagebetalingstid på ca. 2 år. Wal-Mart i USA har forsynet kølemontrerne med diodebelysning som en del af en større energibesparelsesvision Foto: GE Lighting Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde 33

34 MERE INFORMATION OM LYSDIODER 6 Cree Nichia Seoul Semiconductor LEDMagazine Risø Strageties Unlimited (analysevirksomhed) Solid State Lighting Website CIE Lighting Research Center Philips Lumileds ZVEI Lysteknisk Selskab Elsparefonden Osram Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde

35 LITTERATURLISTE På Flintholm Station i København oplyses bjælkerne på tagkonstruktionen af lysdioder. Foto: Osram Lysdioder til belysning - status for fremtidens lyskilde 35

36 Stemningsskabende diodebelysning i baren hos fodboldklubben PSV i Eindhoven. Foto: Lysteknisk Selskab Denne publikation er en statusrapport og er tænkt som et opslagsværk og en grundlæggende indføring i, hvordan lysdioder eller LED fungerer. Lysdioder har en række helt nye egenskaber og har på sigt et meget stort elsparepotentiale. Rapporten gør status over de lystekniske egenskaber og anvendelsesmuligheder netop nu og tegner nogle af de mange fremtidige muligheder for lysdioder til belysning. Målet er at inspirere arkitekter, ingeniører, installatører, konstruktører, designere, el-selskaber, kommuner, belysningsbranchen og andre til at udnytte denne nye lyskilde på en energieffektiv måde.