DOSSIER LED VERLICHTEN MET EEN NIEUWE LICHTBRON

DOSSIER LED

VERLICHTEN MET EEN NIEUWE LICHTBRON uitgave 2, december 2011

Voorwoord De opkomst van leds zorgt voor ingrijpende veranderingen in de verlichtingswereld. De led als nieuwe lichtbron brengt geheel nieuwe ontwikkelingen, toepassingen en uitdagingen met zich mee. Bovendien evolueren leds aan een uiterst hoog tempo. Het is dan ook niet vanzelfsprekend om deze talrijke veranderingen te volgen en te doorgronden. ETAP bracht reeds in 2003 zijn eerste ledarmatuur op de markt en heeft inmiddels al heel wat ervaring opgebouwd. Met dit dossier willen we u objectieve, technisch onderbouwde informatie aanbieden zodat u een heldere kijk krijgt op deze complexe materie. Gezien de snelle ontwikkelingen van de ledtechnologie is de hieraan gerelateerde informatie erg vluchtig en snel gedateerd. Dit document wordt bijgevolg op regelmatige tijdstippen geactualiseerd. De meest recente aanpassingen in het dossier werden in de kantlijn aangeduid. Voor de meest recente stand van zaken, verwijzen wij naar onze website www.etaplighting.com waar u steeds de laatste versie van dit document kunt terugvinden.

2de Uitgave, december 2011 © 2011, ETAP NV

2 | ETAP

2de uitgave, december 2011. Laatste versie via www.etaplighting.com

VERLICHTEN MET EEN NIEUWE LICHTBRON INHOUD 1. De led als lichtbron ..................................................................................................................................................................................................... 4 1. Hoe werken leds? ................................................................................................................................................................................................. 4 2. Soorten leds ........................................................................................................................................................................................................... 5 3. Voordelen van leds .............................................................................................................................................................................................. 7 4. Ledfabrikanten ....................................................................................................................................................................................................12 5. De toekomst van leds ......................................................................................................................................................................................13 2. Armaturen met leds ontwerpen .......................................................................................................................................................................... 14 1. Mogelijkheden en uitdagingen ....................................................................................................................................................................14 2. De gepaste lichtverdeling ..............................................................................................................................................................................15 3. De luminanties onder controle ....................................................................................................................................................................17 4. Doordacht thermisch ontwerp ....................................................................................................................................................................17 5. Binning voor een constante lichtkwaliteit ..............................................................................................................................................19 6. Elektrische veiligheid .......................................................................................................................................................................................20 7. Juiste gegevens publiceren ...........................................................................................................................................................................21 8. Standaarden..........................................................................................................................................................................................................22 3. Voedingen voor ledarmaturen ............................................................................................................................................................................ 23 1. Kwaliteitscriteria voor ledvoedingen ..........................................................................................................................................................23 2. Stroombronnen vs. spanningsbronnen .....................................................................................................................................................24 4. Verlichten met leds - lichttechnische aspecten ....................................................................................................................................... 26 1. Depreciatie en behoudfactor ........................................................................................................................................................................26 2. Verlichtingsstudies met ledarmaturen .....................................................................................................................................................27 3. Integratie van energiebesparende systemen .........................................................................................................................................27 5. Vraag en antwoord ................................................................................................................................................................................................... 28 Terminologie ....................................................................................................................................................................................................................... 29


3 | ETAP

Hoofdstuk 1: De led als lichtbron

1.

HOE WERKEN LEDS?

Led staat voor light emitting diode. Een led is een halfgeleider (diode) die licht uitstraalt wanneer er stroom door vloeit. De halfgeleidermaterialen waar leds gebruik van maken, zetten elektrische energie om in zichtbare elektromagnetische straling, kortom in licht.

Zichtbaar licht

De stimulans is dus de elektrische stroom die door de diode stroomt (meer specifiek door de junctie). De diode waar de elektrische stroom door vloeit is – zoals alle diodes – unidirectioneel: er zal enkel licht ontstaan als er een gelijkstroom in de ‘juiste’ richting door gaat, namelijk van de anode (positieve pool) naar de kathode (negatieve pool).

Gelijkstroom

Anode (+)

2.50 2.25

Genormaliseerde lichtstroom

De hoeveelheid licht die gegenereerd wordt, is nagenoeg evenredig met de hoeveelheid stroom die door de diode gaat. Voor verlichtingsdoeleinden wordt dan ook altijd gewerkt met stroomgeregelde voedingen (‘constant current’), zie hoofdstuk 3.

Kathode (-)

2.00 1.75 1.50 1.25 1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 0

200

400

600

800

1000

1200

Stroom (mA)

Invloed van stroom op lichtstroom De combinatie van de led (de halfgeleider), de behuizing en de primaire optiek noemen we een ledcomponent. Deze ledcomponent omvat en beschermt de led, zorgt ervoor dat de intern gegenereerde warmte ook verspreid wordt, en bevat een primair optisch systeem – een kleine lens zeg maar – om het gegenereerde licht van de led te verzamelen en uit te stralen in een gecontroleerd patroon.

Primaire optiek Led Junctie

Substraat Elektrische aansluiting Opbouw van een ledcomponent

4 | ETAP


De led straalt monochromatisch licht uit. De kleur van het licht hangt af van de materialen die tijdens de productie gebruikt worden. Dit kunnen alle verzadigde kleuren zijn uit het zichtbare spectrum, van violet en blauw over groen tot rood.

UPDATE

Willen we wit licht produceren, dan kan dat als volgt: 1. Bichromatisch: - De meest voorkomende manier is een blauwe led te voorzien van een luminescent (lichtgevend) materiaal dat een deel van het blauwe licht omzet in wit (of eerder ‘geel’) licht. De samenstelling van het luminescente materiaal bepaalt de kleurtemperatuur van het resulterende licht (meer over de kleurtemperatuur verder in dit hoofdstuk). 2. Trichromatisch: - Door de kleuren rood, groen en blauw (RGB) te mixen. - Door combinaties van witte leds volgens het eerste principe met rode of amberkleurige leds. In dit geval zijn met één module verschillende kleurtemperaturen mogelijk.

2.

SOORTEN LEDS

Er zijn veel manieren om ledlichtbronnen in te delen. Bij ETAP onderscheiden we volgende niveaus:

LEVEL 1 - LEDS MET PRIMAIRE OPTIEK In dit geval koopt de verlichtingsfabrikant (ETAP) de ledcomponent in, maakt hij zelf PCB’s (printed circuit boards – printplaat) op maat en combineert hij die met een secundaire optiek. Dit geeft de grootste ontwerpflexibiliteit, omdat je de vorm van de lichtmodule volledig in het armatuurdesign kunt integreren. Momenteel wordt er uitsluitend nog gewerkt met SMD (Surface Mounted Device)-leds. Deze leds worden rechtstreeks op het oppervlak van een printplaat gesoldeerd en hebben een veel betere warmte-afvoer. Deze types zijn specifiek geoptimaliseerd om hogere vermogens en lichtstromen aan te kunnen. Hun levensduur en efficiëntie zijn substantieel verbeterd. Qua vermogen is een volledig gamma beschikbaar, gaande van Low Power leds (van 70 mW tot 0.5 W) tot Power leds (van 1 W tot 3 W) en High Wattage leds (tot 90 W) . De lumenpakketten per led variëren hierbij van 4 lm per component tot 6000 lm voor de hoogste vermogens.

LEVEL 2 – VOORBESTUKTE PCB’S (printed circuit boards of printplaten) De verlichtingsfabrikant koopt bij de ledleverancier voorbestukte PCB’s aan. Dat zijn printplaten waarop al een of meerdere leds gemonteerd zijn. Op de printplaten kan zich ook al de nodige stuurelektronica bevinden waardoor de modules eenvoudig op een spanningsbron kunnen worden aangesloten. Zulke voorbestukte PCB’s bestaan in verschillende uitvoeringsvormen (rond, lineair of strips, flexibele substraten,…) en kunnen zowel uitgerust zijn met laagvermogen (Low Power), als met hoogvermogen SMD-leds. Voorbeelden zijn lineaire led-PCB’s van Osram of Philips. De voorbestukte printplaten bieden enerzijds het voordeel van kant-en-klare lichtmodules. Anderzijds ligt de vorm van de modules vast, wat enigszins de ontwerpvrijheid beperkt. Ook kun je de keuze van de ledsoort niet volledig optimaliseren in functie van de beoogde toepassing.

LEVEL 3 – LEDMODULES (volledige lampen) Ledmodules gaan nog een stap verder: de voorbestukte PCB is in een behuizing geïntegreerd met de nodige elektrische en thermische interfaces. Al dan niet kan ook een secundaire optiek geïntegreerd worden. Philips Fortimo-module


5 | ETAP

Ledmodules zijn het equivalent van de klassieke ‘lamp’. De mechanisch gestandaardiseerde module wordt volledig gekenmerkt door haar lichtstroom en nominale vermogen, waarbij de interne techniek volledig is afgeschermd. Commerciële modules zijn onder meer: s de LLM (Linear Light Module) en DLM (Downlight Light Module) Fortimo-modules van Philips (zie foto), die wit licht genereren op basis van blauwe leds en de zogenaamde remote-fosfor-technologie) s de Tridonic TALEX ledmodule s de Osram PrevaLED (klassieke witte leds) s de spot- en stralermodules van Xicato s ledtubes (vb. Osram, Philips)

DE BESTE KEUZE MAKEN In functie van de toepassing kiest ETAP één van de drie niveaus (level 1, 2 of 3). Zo worden in noodverlichting en de Flare-producten level 1-componenten gebruikt omdat de keuzevrijheid in leds en montage (die eigen zijn aan de level 1-technologie) een optimale performantie toelaat in een strak design. In andere gevallen willen we dan weer optimaal gebruik maken van de expertise van de ledfabrikant (co-design), van diens logistieke mogelijkheden (de razendsnelle evolutie van leds impliceert immers ook een snelle veroudering van stocks) of de evolutie van diens leds: zo kunnen onze armaturen automatisch mee veranderen met de evolutie van de ledtechnologie bij de leverancier. Daarom past ETAP ook level 2- en level 3-leds toe, bijvoorbeeld bij diffusorarmaturen of leddownlights met een klassieke, secundaire reflector.

level 1: K9

level 2: UM2 met led

level 3: D1 met led

NOG IN DE KINDERSCHOENEN: OLEDS VOOR VERLICHTING De organische lichtdiode of oled is een tweedimensionale lichtbron. De oled bestaat uit een uiterst dunne kunststoflaag (van zo’n 100 tot 200 nanometer) die zich tussen twee elektroden, de anode en de kathode, bevindt. De anode is altijd transparant, de kathode kan naargelang de toepassing transparant of spiegelend zijn.

UPDATE

Bij het aanbrengen van stroom wordt in de kunststoflaag licht opgewekt (zoals bij een klassieke led) dat vervolgens door één van de elektroden naar buiten treedt. Een voordeel van deze lichtbron is dat ze ultradun is: aangebracht op een glassubstraat is zij niet eens 2 mm dik. Oleds kun je bovendien op flexibele substraten aanbrengen, bijvoorbeeld om ultradunne flexibele displays te maken.

Philips Lumiblade: oledmodule

Hoewel de oleds commercieel al worden toegepast (voornamelijk in kleine displays), staat deze technologie voor verlichtingsdoeleinden nog in de kinderschoenen. Met name de lichtopbrengst, levensduur, kleurstabiliteit en uniformiteit bij grotere oppervlakken (>10 cm²) zijn nog te beperkt. Een voorbeeld (status midden 2011): efficiëntie voorlopig nog beperkt, +/- 20 lm/W voor witte en 40 lm/W voor groene oleds, bij een helderheid van 500 cd/m2.

6 | ETAP


3.

DE VOORDELEN VAN LEDS 100

VOORDEEL 1: LANGE NUTTIGE LEVENSDUUR De nuttige levensduur van leds wordt sterk beïnvloed door de specifieke gebruiksomstandigheden, waarbij stroom en interne temperatuur (en dus ook omgevingstemperatuur) de belangrijkste factoren zijn. Vandaag kunnen we voor kwaliteitsleds uitgaan van een levensduur van 50.000 uren. Hieronder verstaan we de tijdspanne waarbinnen de lichtstroom gemiddeld terugvalt tot 70% van zijn initiële waarde (zie kaderstukje over MTTF). Deze levensduur is van toepassing op voorwaarde dat de led binnen vooropgestelde temperatuurs-limieten wordt gebruikt (typisch 80-85°C).

Relatieve lichtopbrengst (%)

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

10

50

100

Tijd (h x 1000)

Levensduur van leds Bij de bepaling van de levensduur van leds dient men onderscheid te maken tussen parametrisch falen (terugvallen van de lichtstroom) en catastrofaal falen (het werkelijk defect gaan van de led). Wanneer een fabrikant spreekt van een L70 levensduur bedoelt hij de tijd waarbinnen een bepaald percentage van de leds terugvalt op 70% van de orginele lichtstroom. Dit percentage van de leds wordt gegeven door B – bv. B50 duidt op 50%. Bij het bepalen van deze levensduur wordt echter geen rekening gehouden met mogelijk defect gaande leds – deze worden uit de test verwijderd. Voor de gebruiker is echter ook een defecte led relevant. Wanneer de levensduur wordt bepaald mèt inbegrip van defect gaande leds spreekt men van de F-levensduur. Deze zal normaliter dus lager liggen dan de B-levensduur. Zo staat bv. L70F10 voor de tijdsspanne waarbinnen 10% terugvalt tot minder dan 70% van de originele lichtstroom òf om een andere reden defect gaat. Internationale normen en aanbevelingen zullen de F-definitie van de levensduur van leds meer en meer gaan promoten en zelfs verplichten. Positief is ook dat de ledlichtbron geen kwetsbare of bewegende delen bevat zoals glas, gloeidraad of gassen. Goed geproduceerde ledoplossingen zijn dan ook zeer robuust en goed bestand tegen trillingen of andere mechanische belasting. Hoewel mechanisch robuust, zijn ledcomponenten (zoals alle andere elektronicaonderdelen) weliswaar zeer gevoelig aan elektrostatische invloeden. Het aanraken van ledprintplaten zonder goede aarding is daarom uit den boze. Ook het direct aansluiten van leds aan een voeding die al onder spanning staat is te vermijden. De optredende stroompieken kunnen een led volledig vernietigen.

Halogeen

LED = 18x Cree XP-E Q4 4000K @ 350 mA B50/L70

5000

8000

Compact Fluo

120

Operating Time (khrs)

UPDATE

Belangrijk om weten is dat de nuttige levensduur van leds Depreciatie van de lichtopbrengst in de tijd sterk afhangt van de vereisten die aan hun toepassing worden gesteld. Zo zal voor bepaalde architecturale of residentiële toepassingen een lichtterugval van 30% of meer geaccepteerd worden en zal de levensduur 50.000 uren kunnen overstijgen. Voor andere toepassingen in de professionele verlichtingssector is een uitval van 50% met een lichtterugval van 30% niet acceptabel – en zal de werkelijke levensduur lager liggen.

10000

Compact HID (CDM-T) Hogedruk kwik (HID)

12000

20000

Lineaire Fluo

100 80 60 40 20

LED

50000

0 0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

uur

Typische waarden voor nuttige levensduur (vereenvoudiging)


60

70

80

90

100

110

120

LED Junctietemperatuur Tj (°C)

Invloed van junctietemperatuur op levensduur

7 | ETAP

Voordeel 2: Hoge energie-efficiëntie mogelijk

120 Specifieke lichtstroom (lm/W)

UPDATE

Koudwitte leds met een kleurtemperatuur van 5.000 tot 7.000 K (kelvin) halen vandaag in referentieomstandigheden al meer dan 160 lm/W en zouden in 2013 commercieel beschikbaar moeten zijn. Leds met een lagere kleurtemperatuur van 2.700 tot 4.000 K (het meest gebruikt voor verlichtingstoepassingen in Europa) hinken doorgaans lichtjes achterop qua efficiëntie. In deze kleurtemperaturen zijn in 2011 rendementen tot 80 lm/W commercieel beschikbaar.

100

UM2 led

4000 K 6500 K

80

E1 led FLARE

60 K9 Lighting

Deze curves zijn gebaseerd op de maximale waarden van commercieel beschikbare types High Powerleds (dus géén gemiddelden en géén labo-performanties). Deze curves variëren in functie van de junctietemperatuur – zie hoofdstuk 2.4.

(tweede generatie)

40 K9 Lighting (eerste generatie)

20 GUIDE

0 1998

2000

2002

2004

2006

2008

2010

2012

Evolutie van de specifieke lichtstroom van leds voor 2 kleurtemperaturen, met indicatie van enkele ETAP-producten, bij junctietemperatuur in normaal gebruik (hot lumens)

Specifieke lichtstroom (lm/W) We spreken hier steeds over lm/W van de “lamp” (zoals bij fluo) onder referentieomstandigheden (25°C junctietemperatuur Tj voor leds). In reële gebruiksomstandigheden zullen de waarden lager liggen. De door de armatuur gerealiseerde efficiëntie ligt nog lager. Ter illustratie een voorbeeld van de armaturen E1 led en UM2 led:

Led gemeten in flashtest, bij 25°C

Led gemeten in flashtest, bij 25°C

100 lm/W (koud wit)

Led in reële gebruiksomstandigheden

Led in reële gebruiksomstandigheden

87 lm/W 74 lm/W

Led met commerciële driver Armatuur (inclusief optiek en lens)

20

40

112 lm/W 98 lm/W

Led met commerciële driver Ledarmatuur (inclusief optiek en lens)

70 lm/W (open reflector)

0

117 lm/W

60

80

100 120 lumen/watt

87 lm/W 0

20

E1 led

40

60

80

100

120 140 lumen/watt

UM2 led

Ter vergelijking: U5 reflectorarmatuur met fluorescentielamp 1 x 35W

94,3 lm/W

Fluorescentielamp

86,8 lm/W

Fluorescentielamp met ballast

81,6 lm/W

Armatuur met fluorescentielamp 0

20

40

60

80

100

lumen/watt

U5 reflectorarmatuur

8 | ETAP


UPDATE

Leds met een hoge kleurtemperatuur en dus kouder licht hebben een grotere efficiëntie dan dezelfde leds met een lagere kleurtemperatuur. Het luminescent materiaal dat wordt gebruikt om warm wit te creëren, bevat namelijk meer rood en de efficiëntie van deze rode component is lager dan die van de gele. Waardoor het globale rendement van de led daalt. Ter vergelijking:

2012-2015

Led Metaal halide lamp Fluorescentielampen Kwik hoge druk gasontladingslamp Halogeenlamp Gloeilamp

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220 lm/W

Typische waarden voor efficiëntie van de lichtbron

Voordeel 3: Goede kleurweergave, keuze in kleurtemperatuur Kleurtemperatuur De kleurtemperatuur van een lichtbron voor wit licht is gedefinieerd als “de temperatuur van een zwart lichaam waarvan het uitgestraalde licht dezelfde kleurindruk geeft als de lichtbron”. De kleurtemperatuur wordt uitgedrukt in kelvin (K). Blauwig licht heeft een hogere kleurtemperatuur en wordt als ‘kouder’ ervaren dan licht met een lagere kleurtemperatuur. Er bestaan verschillende onderverdelingen en benamingen, elk met hun referentie naar herkenbare kleurtemperaturen:

Blue Led chip Phosphor 6000K Phosphor 3000K

10,000

Noorderlicht (Blauwe hemel)

y

0.9

9,000

520 0.8

540

8,000 0.7

7,000

Bewolkte dag

500

6,000 5,000

560 0.6

580

0.5

Middaglicht, direct zonlicht

Tc (°K)

5000

3000

0.4

2000 1500

10000

4,000 3,000 2,000 1,000

0.3

Conventionele gloeilamp Vroege zonsopgang Wolfraam licht Kaarslicht

UPDATE

490

600 620 700

0.0

0.2

480

0.1

470 460

0.0 0.0

Indicatie van kleurtemperaturen

0.0

6000

0.1

380

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

x

Creatie van wit licht met luminescent materiaal

Bij wit licht van RGB-leds (waarin de kleuren rood, groen en blauw gemengd worden) zijn alle kleurtemperaturen mogelijk, maar de sturing en de controle over de tijd is complex omdat de drie kleuren een verschillende temperatuurafhankelijkheid hebben. Dit wordt dan ook minder toegepast voor verlichtingsdoelstellingen. Bij leds met conversie door een luminescent materiaal wordt de kleurtemperatuur bepaald door de keuze van enerzijds het blauw van de led en anderzijds het luminescent materiaal.


9 | ETAP

UPDATE

Wat met Noodverlichting? Bij noodverlichting kiest ETAP resoluut voor hoge kleurtemperaturen. Leds met hoge kleurtemperaturen zijn efficiënter, waardoor ze minder batterijvermogen nodig hebben. Bovendien is het menselijk oog bij lage lichtniveau’s gevoeliger voor blauwachtig licht.

Kleurweergave De kleurweergave-index (CRI - Color Rendering Index in het Engels) van een lichtbron geeft de kwaliteit weer van de kleurweergave van door die lichtbron belichte objecten. Om tot die index te komen, vergelijken we de kleurweergave van objecten verlicht door de lichtbron met de kleurweergave van dezelfde objecten belicht door een zwarte straler (met dezelfde kleurtemperatuur). De kleurweergave van leds is vergelijkbaar met die van fluorescentielampen en varieert – afhankelijk van de kleurtemperatuur – tussen 60 en 98. s s

Voor gewone verlichtingstoepassingen in warmwit of neutraalwit opteert ETAP voor leds met een kleurweergave van 80. Voor batterijgevoede noodverlichtingssystemen is het rendement belangrijker dan de kleurweergave (een minimum kleurweergave van 40 is hier vereist). Vandaar dat we in noodverlichting gebruik maken van hoogefficiënte koudwitte leds met een kleurweergave van ongeveer 60.

Bij witte leds met conversie door een luminescent materiaal wordt de kleurweergave ook bepaald door de keuze van het luminescent materiaal (bijvoorbeeld fosfor). Bij RGB-kleurmenging worden de drie gesatureerde basiskleuren gemengd en zijn ook uitstekende kleurweergaves mogelijk. Al zijn de sturing en controle in dat geval complexer. Ter vergelijking : Fluo : Leds : Gloeilamp: CDM: Natriumlamp:

Ra van Ra van Ra van Ra van Ra van

60 60 100 80 0

tot tot

98 98

tot

95

Goed om te weten… Een led met een lagere kleurtemperatuur (dus warm wit) heeft doorgaans een hogere (betere) kleurweergave dan een led met hogere kleurtemperatuur (koud wit).

10 | ETAP


Voordeel 4: Onmiddelijke lichtopbrengst bij opstarten

Dit blijft ook zo bij lagere omgevingstemperaturen, waarin ze zelfs beter werken. Van dit voordeel wordt bijvoorbeeld dankbaar gebruik gemaakt bij de E1 met led voor diepvriestoepassingen.

140,0

Rel. lichtstroom t.o.v. Tamb = 20°C (%)

Fluorescentielampen geven niet onmiddellijk na het opstarten de volledige lichtstroom. Leds daarentegen reageren direct op wijzigingen in de voeding. Na het aanschakelen bereiken ze onmiddellijk de maximale lichtstroom; zij zijn dan ook zeer geschikt voor toepassingen waar veelvuldig geschakeld wordt en het licht vaak maar een korte periode brandt.

120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0:00

0:05

0:10

0:15

0:20

0:25

0:30

0:35

0:40

0:45

0:50

0:55

1:00

Tijd (hh:mm)

Bovendien kunnen leds – in tegenstelling tot bijvoorbeeld CDM-lampen – ook zonder problemen opnieuw aangeschakeld worden als ze nog warm zijn en heeft veelvuldig schakelen geen negatieve invloed op de levensduur.

E1 LED E1 FLUO MET AANGEPASTE LAMPEN EN VOORSCHAKELAPPARAAT VOOR KOELRUIMTEN E1 MET VOORSCHAKELAPPARAAT VOOR KOELRUIMTEN

Vergelijking van het opstartgedrag van led versus fluo bij -30°C

Voordeel 5: Goed dimbaar over een breed bereik Leds kunnen op efficiënte wijze over een breed bereik worden gedimd (van quasi 0% tot 100%) of dynamisch aangestuurd. Dit kan op basis van gestandaardiseerde dim-methodes zoals DALI, DMX of 1–10 V.

Input Power (W)

De dimverliezen bij leds in de lagere dimbereiken zijn vergelijkbaar met de dimverliezen bij fluorescentie-lampen met de modernste dimballasten. Bij volledig dimmen bedraagt het residuele opgenomen vermogen nog 10% van het nominaal opgenomen vermogen.

LED +Current (mA)

Effect van dimming op het opgenomen vermogen

Leds zijn dan ook uitermate geschikt om ze in geprogrammeerde, dynamische omgevingen te integreren.


11 | ETAP

Er blijft wel een verschil in de mate van dimbaarheid. Leds kunnen zeer diep gedimd worden, bijvoorbeeld tot 0,1%*. Bij fluolampen is dat niet mogelijk; daar bedraagt de dimbaarheidsgrens in de praktijk 3% (onder die grens treden bij fluo vaak opstart- of stabiliteitsproblemen op). * Dit percentage is afhankelijk van de gebruikte driver.

Voordeel 6: Milieuvriendelijk Uit LCA-studies* (Life Cycle Analysis studies – die de ecologische impact van een product van productie tot recyclage en verwerking bekijken) blijkt dat leds in vergelijking tot andere lichtbronnen het potentieel hebben om in de toekomst de kleinste ecologische voetafdruk te hebben. Bovendien bevatten ze geen kwik, wat bij fluorescentielampen wel het geval is. * Assessment of Ultra-Efficient Lamps; Navigant Consulting Europe; 5 mei 2009.

Voordeel 7: Geen ir- of uv-straling Leds ontwikkelen geen ultraviolet (uv-) of infrarood (ir-) straling in de lichtbundel. Dit maakt hen uitermate geschikt voor omgevingen waarin zulke straling vermeden dient te worden, zoals in musea, winkels met levensmiddelen of klerenwinkels. De led zelf genereert wel warmte, maar die wordt naar achter geleid, weg van het te verlichten object (we komen hier verder nog op terug – zie hoofdstuk 2).

4.

LEDFABRIKANTEN

Momenteel is een beperkt aantal grote spelers met eigen halfgeleiderproductie (voor witte leds) actief, bijvoorbeeld Cree (US), Philips Lumileds (US), Osram (DE), Nichia (JP) en Toyoda Gosei (JP). Daarnaast zijn er een groot aantal fabrikanten die halfgeleidermateriaal en luminescente materialen aankopen en ze zelf tot level-1 of level-2 ledcomponenten assembleren. Voorbeelden zijn Citizen, Bridgelux, Luminus, GE, Edison, Seoul Semiconductor, Samsung, Panasonic, Toshiba en LG. Bij ETAP hanteren we een aantal criteria om de fabrikanten te selecteren waarmee we al dan niet samenwerken. De voornaamste criteria zijn: performantie, prijs, documentatie (aantoonbare gegevens met referentie naar de gangbare normen), langetermijnbeschikbaarheid (belangrijk voor de continuïteit in onze productie van armaturen). ETAP werkt met verschillende van bovengenoemde leveranciers samen, en dit in functie van de toepassing.

12 | ETAP


5.

DE TOEKOMST VAN LEDS

UPDATE

De ledtechnologie evolueert snel. s

s s

s

De specifieke lichtstroom van leds neemt zienderogen toe. Vandaag laten ze qua lichtopbrengst halogeen- en gloeilampen ver achter zich. Ook in vergelijking met compacte fluorescentielampen zijn ze nu echt competitief. Er wordt verwacht dat ze binnenkort ook kunnen concurreren met de meest efficiënte lineaire fluo-oplossingen. Grofweg kan men stellen dat er elk jaar voor hetzelfde lumenpakket een prijsdaling van 10% optreedt of dat je voor dezelfde prijs 10% meer specifieke lichtstroom krijgt. Algemeen verwacht men evenwel een limiet bij 180 à 200 lm/W voor warme kleuren. Nieuwe technologieën worden nog steeds ontwikkeld om de efficiëntie en de kost op langere termijn te verbeteren. Er lopen initiatieven tot standaardisatie op het gebied van modules, met vastgestelde lumenpakketten en welgedefinieerde mechanische interfaces (bijvoorbeeld Zhaga, een consortium voor de standaardisatie van “de buitenkant” van ledmodules, zeg maar de interfaces). ETAP is lid van Er is een steeds betere controle van kleur en dus zijn er nauwere kleurenbinnings. (Meer info over binning vindt u in hoofdstuk 2.)


13 | ETAP

Hoofdstuk 2: Armaturen met leds ontwerpen

1.

MOGELIJKHEDEN EN UITDAGINGEN

Leds zijn zeer klein in vergelijking met meer klassieke lichtbronnen zoals fluorescentielampen. De totale lichtbron van een armatuur kan met andere woorden opgedeeld worden. Dit geeft de mogelijkheid om slankere armaturen te ontwerpen en om veel creatiever met vormen om te gaan. Maar bij het ontwerpen van ledarmaturen staan we voor meer dan één uitdaging. We moeten allereerst de juiste leds selecteren voor de beoogde toepassing. Vermogen, lichtopbrengst, temperatuurgedrag, levensduur, kleurtemperatuur en kostprijs zijn daarbij belangrijke parameters. Het ontwerp en de integratie van optieken (lenzen, diffusoren, reflectoren) zorgen voor de gewenste lichtdistributie. Ook de warmtehuishouding van ledarmaturen is determinerend voor de performantie. En dat alles combineren we ook nog met een mooie vormgeving.

Optisch ontwerp Mechanisch ontwerp Elektrisch ontwerp

Thermisch ontwerp

Esthetisch ontwerp

14 | ETAP

Nieuwe 3D ontwerp + productiemethoden


2.

DE GEPASTE LICHTVERDELING

De meeste leds hebben een brede lichtverdeling en stralen licht uit in een hoek van 80 tot 140° (volledige hoek). Met behulp van secundaire en tertiaire optieken (lenzen, diffusoren, reflectoren of combinaties hiervan) kunnen we specifieke lichtverdelingen bereiken. Een gepaste lichtverdeling is belangrijk om in elke toepassing het specifiek vermogen, en daarmee ook het energieverbruik, zo laag mogelijk te houden. Enkele voorbeelden:

Naakte leds Voorbeeld: Pluto Naakte leds hebben doorgaans gelijke luminanties in alle richtingen (de zogenaamde Lambertiaanse lichtverdeling). Deze worden steeds minder toegepast omwille van hun hoge piekluminanties.

Commercieel beschikbare lenzen Voorbeeld: Flare spots met een zeer gepiekte lichtuitstraling.

ETAP-specifieke lenzen Voorbeeld van verlichting: D4-downlights met door ETAP gepatenteerde lenzen voor een breedstralende verlichting.

Voorbeeld van noodverlichting: K9 Antipaniek, extreem breedstralend


15 | ETAP

Reflectoren Voorbeeld: E1 met led

γ

Voorbeeld: D1 met led

UPDATE

Combinatie van lens en reflector Voorbeeld: K9 vluchtweg

Lichtgeleiders Voorbeeld: UW

Voorbeeld: K7

Diffusoren of folies zoals MesoOpticsTM Voorbeeld: UM2 met led

16 | ETAP


3.

DE LUMINANTIES ONDER CONTROLE

Met de voortdurende toename in ledperformanties en maximale vermogens, stijgt ook de bronluminantie zeer snel. Deze luminanties kunnen al snel 10 tot 100 miljoen cd/m² bedragen. Want hoe kleiner het oppervlak waaruit het licht komt, hoe groter de luminantie van de lichtbron kan worden. Enkele voorbeelden van bronluminanties: s s s s s

Lineaire fluo - T8 Lineaire fluo - T5 Compact fluo vb. 26 W Naakte led 3 W (100 lm) Zon

14.000 cd/m² 15.000 - 20.000 cd/m² à 17.000 cd/m² (HE) en 20.000 - 33.000 cd/m² (HO) 50.000 cd/m² 100.000.000 cd/m² 1.000.000.000 cd/m² (=10 x led!)

Een doordacht optisch ontwerp is dan ook een absolute noodzaak om het licht van deze felle puntbronnen te spreiden, rechtstreekse inkijk te vermijden en verblinding te verminderen. Hiervoor kunnen we zowel lenzen, reflectoren als diffusoren inschakelen. Enkele voorbeelden: s

s

4.

Flare downlights (UGR<19, luminantie <1000 cd/m² bij 65°): ƕ Opdeling van de lichtbron over grotere oppervlakte om luminanties te beperken. ƕ Gebruik van lenzen met getextureerd oppervlak voor afvlakking van de luminantie per lichtbron en het vermijden van verblinding bij directe inkijk. UM2 met led: de lichtbron wordt gespreid over de gehele armatuur. De MesoOpticsTM–diffusor beperkt de luminanties en zorgt voor een gecontroleerde lichtverspreiding.

DOORDACHT THERMISCH ONTWERP

Temperatuurbeheersing (koeling) is zonder twijfel het grootste aandachtspunt bij het ontwikkelen van kwalitatieve ledverlichting. Afhankelijk van de ledperformantie wordt 2530% van de energie omgezet in zichtbaar licht en 70-75% in warmte binnen in de component (dissipatie).

25-30% LICHT

70-75% WARMTE

Ter vergelijking: fluorescentielampen stralen ook zo’n 25% van het omgezette vermogen uit als zichtbaar licht. Maar het verschil is dat bij fluo ook zo’n 40% van de energie uitgestraald wordt onder de vorm van infrarode of warmtestraling.

Bij lagere temperaturen neemt de lichtopbrengst toe: leds functioneren steeds beter naarmate hun werkingstemperatuur lager is.

led = 18x Cree XP-E Q4 4000K @ 350 mA Lichtopbrengst armatuur (lm)

De lichtopbrengst van leds daalt geleidelijk in functie van een stijgende junctietemperatuur. Gepubliceerde ledlichtstromen en -rendementen gelden bij een junctietemperatuur van 25°C. In de praktijk zullen de werkelijke waarden steeds lager liggen. Af en toe publiceert men ook “hot lumens”, dit is de lichtstroom bij bv. 85°C junctietemperatuur.

1380 1360 1340 1320 1300 1280 1260 1240 1220 1200 1180 1160 60

70

80

90

100

110

120

led junctietemperatuur (°C)

Invloed van junctietemperatuur op lichtopbrengst


17 | ETAP

Relative Light Output

Maar niet enkel de lichtopbrengst is afhankelijk van de temperatuur. Ook de functionele levensduur wordt er, vanaf een kritische temperatuur, door beïnvloed.

Operating Time (hrs)

Depreciatie van de lichtopbrengst in de tijd voor verschillende junctietemperaturen

Een goede temperatuurhuishouding is dus essentieel. De warmteafvoer vanuit de led naar de omgeving gebeurt in opeenvolgende stadia (via verschillende warmte-weerstanden): s

De door de led gegenereerde warmte wordt via de chip tot aan het soldeerpunt geleid (1, intern in led).

s

Van daaruit wordt de warmte over de ledprintplaat verspreid (2).

s

Via een thermische interface voor warmteoverdracht tussen printplaat en heatsink wordt de warmte verspreid over het substraat (3).

s

Door convectie en straling wordt de warmte naar de omgeving afgevoerd (4).

Vrije luchtstroming rond de armatuur is essentieel voor een goede warmteafgifte. Daarom zal het thermisch gedrag van een ledtoestel anders zijn bij opbouw dan bij inbouw, en moet er bij inbouw steeds voldoende vrije ruimte rond de armatuur zijn (zo mag er zeker geen isolatie rond!).

Warmtestudies voor D1 en D4 (Flare downlight)

18 | ETAP


5.

BINNING VOOR EEN CONSTANTE LICHTKWALITEIT

Bij de productie vertonen de leds van één zelfde batch of serie verschillende kenmerken, bijvoorbeeld wat betreft intensiteit en kleur. Het gebruik van verschillende leds door elkaar in dezelfde armatuur zou dus onvermijdelijk tot verschillende lichtsterkteniveaus en verschillende lichtkleuren leiden. Daarom gaan we aan “binning” doen. BIN 1

“Binning” is het sorteren van de led’s volgens bepaalde criteria zoals: s s s

BIN 2 BIN 3

colour binning: het sorteren volgens kleurcoördinaten (x,y) gecentreerd rond individuele kleurtemperaturen; flux binning: het sorteren volgens lichtstroom, gemeten in lumen (lm); voltage binning: het sorteren volgens de voorwaartse spanning, gemeten in volt.

Door het selecteren van een bepaalde “kleurbin” wordt een constante kwaliteit van het licht gegarandeerd. Leds van dezelfde bin hebben dus eenzelfde waargenomen kleur. Verschillen in kleurbins vallen bijvoorbeeld sterk op bij gelijkmatige uitlichting van een egale wand.

Principe van binning y

0.9

520 0.8

540

0.7

560 0.6

500

580

0.5

UPDATE

0.4

In de studie van kleurwaarneming wordt gebruik gemaakt van de zogenaamde “McAdam-ellips” (zie figuur). Zulke ellips is een gebied in het CIE-diagram die alle kleuren omvat die het menselijk oog niet kan onderscheiden van de kleur in het centrum van die ellips. Ledfabrikanten gebruiken de maat SDCM (Standard Deviation Colour Matching), waarbij 1 SDCM overeenkomt met 1 McAdam.

600 620

0.3

490

700

0.2

480

0.1

470 460

0.0 0.0

0.1

380

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

x

Illustratie van McAdam-ellipsen (bron: Wikipedia)

UPDATE

Hoe past ETAP binning toe? ETAP hanteert een systematische aanpak om uniformiteit te garanderen op alle niveaus: s s

s s

Per armatuur gebruiken wij steeds leds met een variatie kleiner dan 2 SDCM. We markeren de verschillende bestukte printplaten in functie van de gebruikte kleurbin. Zo weten we dus altijd uit welke kleurbin de leds komen. Binnen eenzelfde deellevering leveren we enkel armaturen met dezelfde kleurcode. Bij deelleveringen gespreid in de tijd is dit niet gegarandeerd. Kleurafwijkingen kunnen dan oplopen tot 7 SDCM.


Colour bin

Flux bin

19 | ETAP

UPDATE

Illustratie van bins bij verschillende kleurtemperaturen (groen 5 2 SDCM; rood 5 7 SDCM)

6.

ELEKTRISCHE VEILIGHEID

Leds werken op laagspanning (typisch rond 3V), daarom wordt vaak gedacht dat elektrische veiligheid geen aandachtspunt is. In de huidige verlichtingsoplossingen met led kan de spanning echter oplopen tot 100V en meer. Bijgevolg moet men extra maatregelen nemen om de armaturen aanraakveilig te maken. Leds in serie doen spanning oplopen Leds in verlichtingsarmaturen worden bij voorkeur zoveel mogelijk in serie geschakeld. Het logisch gevolg is echter dat de spanning oploopt. Een van de voordelen van leds is dat ze op een lage spanning werken met per led een spanningsverschil van ongeveer 3V. Als men echter 30 leds binnen één armatuur in serie schakelt, heeft men toch al 90V. Er bestaan zelfs leddrivers die een uitgangsspanning boven 200V kunnen generen. Die moeten extra elektrisch worden beveiligd. Extra isolatie nodig vanaf 24V Internationale normen (IEC 61347) schrijven voor dat er vanaf 24V* extra maatregelen nodig zijn om de armatuur aanraakveilig te maken. Leds en andere stroomvoerende onderdelen mogen van buitenaf niet aanraakbaar zijn. De oplossing moet zo worden gemaakt dat de led pas kan worden aangeraakt na openen van de armatuur met speciaal gereedschap. Bovendien moet er een goede basisisolatie zijn tussen alle aanraakbare geleidende delen van de armatuur en alle stroomvoerende delen. Concreet voorziet ETAP voldoende lucht- en kruipruimtes en wordt er elektrisch isolerend materiaal gebruikt, zonder dat de thermische huishouding hieronder lijdt.

AC

DC

V< 25 VRMS (IRMS < 0,7 mA)

< 60 VDC (IDC < 2 mA)

25 VRMS < V < 60 VRMS 60 VRMS < V < 120 VRMS

< 60 VDC < V < 120 VDC

Volgens de internationale normen IEC 61247 bestaat er tot 24V (AC) of 60V (DC) geen risico voor aanraking (groen). Bij ledarmaturen met een hogere uitgansspanning (rood) zijn er wel bijkomende veiligheidsmaatregelen nodig.

*Ook de isolatieklasse van de driver bepaalt of er al dan niet bijkomende veiligheidsmaatregelen nodig zijn.

20 | ETAP


UPDATE

7.

JUISTE GEGEVENS PUBLICEREN

Specifieke lichtstroom is de nieuwe maatstaf Het rendement van fluo-armaturen wordt sinds jaar en dag uitgedrukt in procenten, een indicatie van hoe efficiënt de armatuur met het licht omspringt. Maar in het ledtijdperk spreken we van lumen per Watt, dus lichtstroom per eenheid opgenomen vermogen. Belangrijk daarbij is dat de specifieke lichtstroom van de volledige oplossing in rekening wordt gebracht, zowel lichtbron als armatuur. Het rendement van een fluorescentiearmatuur wordt bepaald door de lichtstroom van een armatuur te vergelijken met die van de naakte lamp. Zo’n rendementsaanduiding in procenten is erg aanschouwelijk. Het geeft aan hoe efficiënt een armatuur omspringt met een hoeveelheid licht. Daarom is die aanduiding de norm geworden bij oplossingen met fluorescentielampen. Het is ook heel eenvoudig te bepalen: je meet de lichtstroom van een armatuur met lamp en je vergelijkt die met de output van de naakte lamp. Naakte led is geen bruikbare referentie Bij oplossingen met leds is zoiets echter niet mogelijk. Dat komt omdat de lichtstroom van een naakte led geen absolute referentie is. Om te beginnen zijn er veel verschillende soorten leds, het product is niet gestandaardiseerd. Bovendien zit er (af fabriek) variatie op de lichtstroom en de kleurtemperatuur. Er is momenteel ook geen bruikbare standaardmeetmethode voor de lichtstroom van een naakte led. En het belangrijkste: de output is erg temperatuurgevoelig. Een led presteert op 25°C veel beter dan wanneer ze warm geworden is in een armatuur. Daarom zou een aanduiding in procenten op zijn minst misleidend zijn. Specifieke lichtstroom van lamp+armatuur De verlichtingsmarkt doet daarom steeds meer beroep op een ander concept. Men bekijkt nu niet meer een armatuur alleen, maar de combinatie lamp+armatuur. Men werkt met lm/W, gebaseerd op de hoeveelheid energie die je in een armatuur moet steken om een bepaalde lichtstroom te krijgen. Dat is misschien minder aanschouwelijk dan een percentage, maar het is veel preciezer. De performantie van ledoplossingen is immers van veel factoren afhankelijk, zoals koeling, driver, stroomdensiteit, hot/cold factor (de mate waarin de lichtstroom afneemt bij toenemende temperatuur),… De aanduiding lm/W houdt daar rekening mee: hoe gunstiger deze factoren, hoe groter de lichtstroom is voor hetzelfde vermogen. Bij ETAP streeft met haar ledarmaturen steeds hogere waarden na. Momenteel kan je 80 lm/W voor een armatuur als zeer energiezuinig aanzien, maar naarmate de leds verder evolueren zal de lat steeds hoger komen te liggen.

Screenshot van de ETAP-website, met gedetailleerde productinformatie.


21 | ETAP

UPDATE

Op de website van ETAP vind je naast de specifieke lichtstroom ook nog andere gegevens betreffende de leds: s het drivertype: dimbaar of niet s de arbeidsfactor s fotobiologische veiligheidsklasse s de kleurtemperatuur s het lampvermogen s het opgenomen vermogen

8.

STANDAARDEN

Ledarmaturen dienen naar hun mogelijke schadelijke effecten op huid en ogen ingedeeld te worden volgens de norm EN-IEC 62471 (met betrekking tot fotobiologische veiligheid van lampen en lampsystemen). Voor witte en blauwe leds is praktisch uitsluitend het effect van de blauwe component op oogschade van belang. Op basis van de maximale blootstellingstijd zonder schadelijke gevolgen worden armaturen ingedeeld in vier risicoklassen, gaande van onbeperkte blootstellingstijd tot quasi onmiddellijke schade bij rechtstreekse blootstelling en/of inkijk. De meeste ETAP-armaturen zijn zonder risico bij onbeperkte blootstelling op normale kijkafstanden (= 500 lux). Mogelijke risico’s vormen bronnen met zeer hoge intensiteit en piekluminanties (bijvoorbeeld de Fortimo-module) en vooral pure blauwe leds (bijvoorbeeld de Fortimomodule na het openen en verwijderen van haar remote fosfor cover. Hier mag men nooit rechtstreeks inkijken!) Voorbeelden s D4 Flare: s K9 AP: s D9 Fortimo 2000 lm:

“Exempt” groep (onbeperkte blootstelling) RG-1 (weinig risico - beperkte blootstelling <3.0 h) “Exempt” groep (onbeperkte blootstelling)

Volgens de regels van goed vakmanschap, moeten verlichtingsarmaturen binnen de “exempt” of de RG-1 groep vallen.

22 | ETAP


UPDATE

Hoofdstuk 3: Voedingen voor ledarmaturen

1.

KWALITEITSCRITERIA VOOR LEDVOEDINGEN

De voeding is één van de meest kritische componenten van ledoplossingen, zo wordt vandaag algemeen erkend. De kwaliteit van ledarmaturen hangt niet alleen af van de ledlichtbron en het optisch ontwerp, maar net zo goed van de efficiëntie en betrouwbaarheid van de voeding. Een goede ledvoeding moet aan zes kwaliteitseisen voldoen: Levensduur. De voeding moet minstens dezelfde levensduur hebben als de leds, die normaal 50.000 branduren (bij 70% van de lichtstroom) meegaan. Efficiëntie. Een van de succesfactoren van led is energie-efficiëntie. Daarom moet ook de omzetting van netspanning in stroom zo efficiënt mogelijk gebeuren. Een goede ledvoeding heeft een rendement van minstens 85%. Arbeidsfactor. De arbeidfactor is een technische indicator van de voeding die aangeeft hoe dicht de golfvorm van de stroom de referentiesinusoïde van de spanning benadert. De arbeidsfactor is samengesteld uit 2 delen: de verschuiving tussen spanning en stroom (cos ) en de vervorming van de stroom (harmonischen of Total Harmonic Distortion). Hoe kleiner de verschuiving en de vervorming van de golfvorm, hoe minder verliezen en vervuiling op het distributienet van de energieleverancier. Bij ETAP-ledvoedingen wordt gestreefd naar een arbeidsfactor van meer dan 0,9.

Bij voedingen met een hoge arbeidsfactor (links), vertoont de golfvorm van de stroom (blauw) weinig vervorming en verschuiving tov. de spanning (geel). Bij voedingen met een lage arbeidsfactor (rechts) is dit wel het geval.

Elektromagnetische compatibiliteit (EMC). De voeding moet zo weinig mogelijk elektromagnetische storingen veroorzaken in haar omgeving en tegelijk zelf zo weinig mogelijk beïnvloed worden door elektromagnetische storingen uit de omgeving. Een goede elektromagnetische compatibiliteit is daarom cruciaal. Inschakelstroom (Inrush current). Wanneer een ledvoeding onder spanning wordt gezet, is er gedurende een korte tijd (een fractie van een milliseconde) een hoge piekstroom op het net. Dat komt omdat er in het begin condensatoren worden opgeladen. Bij voedingen met lage inschakelstroom zullen, bij het tegelijkertijd onder spanning brengen van een aantal armaturen, de zekeringautomaten niet uitgeschakeld worden. Elektrische veiligheid. De uitgangsspanning van de voeding wordt bij voorkeur laag gehouden. Spanningen hoger dan 120 V vereisen immers extra veiligheidsmaatregelen bij integratie van de ledmodule in de armatuur. In dat geval is het de verantwoordelijkheid van de armatuurfabrikant om de nodige veiligheden in te bouwen.


23 | ETAP

UPDATE

Technische fiches De voeding is dus een kritische component in elke ledoplossing. Kwalitatieve voedingen kan men herkennen door de technische fiches bij de fabrikant op te vragen en na te kijken of aan bovenstaande kwaliteitseisen is voldaan. Bij ETAP zorgen we altijd voor kwalitatieve ledvoedingen, perfect aangepast aan de oplossing en zorgvuldig getest in onze labo’s.

2.

STROOMBRONNEN VS. SPANNINGSBRONNEN

Leds zijn stroomgestuurde componenten. De stroom is rechtstreeks bepalend voor de lichtopbrengst en moet daarom nauwkeurig geregeld worden. Er zijn twee manieren van aansturen: s

Constante stroombronnen Deze zetten de netspanning rechtstreeks om in een constante stroom. Deze methode geeft het hoogste rendement en is de meest kosteneffectieve methode. Nadeel is dat je modules met een constante stroombron enkel in serie kunt aansluiten – dit is lastiger qua installatie en bij hogere vermogens loopt de nodige uitgangsspanning sterk op (>100V). Voorbeelden: ƕ Flare spot 500mA, DIPP4,… ƕ Flare D4 downlight constante stroom

230 V

leddriver

AC

s

Constante spanningsbronnen Dit zijn voedingen die de netspanning omzetten in een nauwkeurig geregelde spanning. Als zij gebruikt worden met leds of ledmodules moeten deze voedingen steeds voorzien zijn van een stroombegrenzer (bijvoorbeeld een weerstand) of een elektronisch circuit dat de gelijkspanning omzet in een constante stroom. Spanningsbronnen hebben als groot voordeel dat je verschillende modules op eenvoudige wijze parallel kunt aansluiten. Voorbeelden: ƕ ledstrip met 24V-voeding (begrenzing door serieweerstanden) ƕ Flare spot 24V (spanning naar stroomomzetter in de kabel geïntegreerd).

constante spanning

230 V AC

DC led-driver

voeding

De codes van armaturen voor constante stroombronnen eindigen op C (van “current”); de codes van armaturen voor constante spanningsbronnen eindigen op V (van “voltage”).

24 | ETAP


1,00

Voorbeeld: deze driver van 75 W (geel) heeft een vrij stabiele efficiëntie tot +- 50% belasting. Bij lagere belastingen daalt de efficiëntie sneller. Bij 10% belasting (7,5W) bedraagt het opgenomen vermogen +- 10,5 W (70% efficiëntie).

0,90 0,80 0,70

Efficiëntie driver

UPDATE

Ook voor dimbare armaturen De voeding moet niet alleen betrouwbaar en efficiënt zijn, ze moet ook flexibel kunnen ingezet worden in elke moderne verlichtingsinstallatie. In veel gevallen moet het lichtniveau regelbaar zijn, bijvoorbeeld via een lichtregelsysteem zoals ELS of een externe lichtdimmer. Het is belangrijk dat de efficiëntie en de arbeidsfactor bij het dimmen goed blijven.

0,60

25W 75W

0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Belasting driver als % van nominaal vermogen

Effect van driverbelasting op efficiëntie, voor een driver met laag vermogen (blauw) en hoog vermogen (geel)

In de praktijk bestaan er twee technieken om te dimmen: het stroomniveau verminderen of de stroom omzetten in pulsen van gevarieerde aan/uit duur (PWM of Pulse Width Modulation). Welke techniek best toegepast wordt, hangt af van de toepassing. Onze specialisten helpen graag met concreet advies. Alle bekende systemen voor dimmen zijn in principe ook toepasbaar op ledverlichting: s DALI s 1-10V (wordt minder toegepast bij ledverlichting) s TouchDim s DMX (minder toegepast voor verlichting, eerder gebruikt in theaterwereld).


25 | ETAP

Hoofdstuk 4: Verlichten met leds - lichttechnische aspecten

DEPRECIATIE EN BEHOUDFACTOR

Na verloop van tijd vermindert de lichtopbrengst van een lamp. Dit noemen we depreciatie. Om met dit verlies rekening te houden, wordt in verlichtingsstudies gebruik gemaakt van een behoudfactor (een getal tussen 0 en 1), zodat de verlichtingssterkte niet onder een bepaald niveau zakt in de loop der jaren. Enerzijds zullen leds bij correct gebruik – elektrisch gezien – zeer lang functioneren. Anderzijds is het zo dat de lichtstroom van de led zal verminderen (depreciëren) gedurende deze lange levensduur. Zowel de temperatuurhuishouding als de elektrische aansturing hebben een grote invloed op deze terugval. De vermindering in lichtstroom is vooral afkomstig van de verkleuring van het chip-omhulsel en de verminderende efficiëntie van de luminescente laag in dezelfde tekening.

100 90 80

Relatieve lichtopbrengst (%)

1.

70 60 50 40 30 20 10 0 10

0

50

100

Tijd (h x 1000)

Depreciatie van de lichtopbrengst in de tijd

Depreciatie bij fluorescentieverlichting Bij verlichtingsstudies met fluorescentiearmaturen hanteren we vandaag vaak een totale depreciatie (vermindering van lichtstroom) van 15%, waarvan +/- 10% te wijten is aan lampveroudering. Een depreciatie van 15% komt overeen met een behoudfactor van 0,85.

Behoudfactor (BF)

Vervuilingsgraad minimaal

laag

medium

hoog

Open armaturen voor directe verlichting (T5 - Ø16 mm of T8 - Ø26 mm: Ra > 85) Groepsvervanging

0,85

0,80

0,75

0,70

Kapotte lampen vervangen + groepsvervanging

0,90

0,85

0,80

0,70

Correctiefactor voor armaturen met afdekplaat voor directe verlichting armaturen met geschilderde reflector

BF x 0,95 BF x 0,90

Enkele typische behoudfactoren voor fluorescentieverlichting

Depreciatie bij ledverlichting De levensduur die vandaag voor leds wordt geclaimd heeft betrekking op een gemiddeld lichtverlies van 30%. Dit heeft impact op onze omgang met depreciatiefactoren voor leds in verlichtingsstudies. Normaal gezien volgt ETAP steeds de marktstandaard; het probleem is dat er momenteel nog geen marktstandaard voor leds bestaat. Daarom hanteren we nu behoudfactoren die overeenkomen met een levensduur van +/- 25.000 uur (+/- 10 jaar in normale gebruiksomstandigheden). Daarnaast hebben we een overzichtstabel om met aangepaste levensduren te werken (zie punt 2, ‘Verlichtingsstudies met ledarmaturen’).

26 | ETAP


2.

VERLICHTINGSSTUDIES MET LEDARMATUREN

Het maken van studies met ledarmaturen is zeer gelijkaardig aan het maken van studies met andere armaturen. Het grootste verschilpunt is de omgang met de behoudfactor. De standaard werkwijze brachten we eerder al ter sprake: we werken met een levensduur van 25.000 uur, en berekenen dan welke behoudfactor daarmee overeenkomt. Voor afwijkende levensduren gebruiken we een tabel die het verband weergeeft tussen het type product, de type voeding, de levensduur en de behoudfactor. Deze tabel wordt door de Productgroep Verlichting onderhouden. Een voorbeeld voor Flare is hieronder te zien. Deze tabellen worden regelmatig geüpdatet, in lijn met de laatste stand van de technologie. 25,000 h F (lm) 1290 1120 2490 2150

D42/LEDN20S D42/LEDW20S D42/LEDN39S D42/LEDW39S

350mA P (W) lm/W 22,4 58 22,4 50 43,4 57 43,4 50

FLARE-1x/LEDN10C (x=0/1/2) FLARE-1x/LEDN6C (x=0/1/2) FLARE-1x/LEDN5C (x=0/1/2) FLARE-1x/LEDW10C (x=0/1/2) FLARE-1x/LEDW6C (x=0/1/2) FLARE-1x/LEDW5C (x=0/1/2)

d (%) 89 89 88 87

F (lm)

629 376 287 547 327 250

500mA P (W) lm/W

12,6 7,2 5,5 12,2 7,2 5,5

50 52 52 45 45 45

d (%)

78 89 91 78 89 91

Extract uit tabel met lichtstromen en depreciatiefactoren bij Flare (status 2011), inclusief 5% vervuiling (F = armatuurlichtstroom; P = opgenomen vermogen; lm/W = specifieke lichtstroom; d = behoudfactor)

3.

INTEGRATIE VAN ENERGIEBESPARENDE SYSTEMEN

Dimmen en schakelen Zoals eerder gezegd zijn leds uitermate geschikt om te schakelen en te dimmen, en werken ze met de gekende systemen zoals 1-10V, DALI, …

Geïntegreerde lichtregelsystemen Ledarmaturen zijn in principe combineerbaar met geïntegreerde lichtregelsystemen zoals ELS, MDS, EMD. Deze systemen zijn (momenteel) echter gevoelig aan temperatuur (ELS) en/ of aan infraroodstraling (MDS en EMD). Het integreren van lichtregelsystemen vereist daarom een integraal productontwerp, dat rekening houdt met de warmtehuishouding in de armatuur en de eigenschappen van de sensor. Daarom valt de integratie soms onder de regels voor ‘speciale armaturen’ en soms niet (vb. D4+ELS is standaard). De combinatie van ledarmaturen met sensoren die los in het plafond gemonteerd zijn, vormt geen enkel probleem.

Lokaal- of gebouwbeheersystemen (zoals ELM) Vermits ledarmaturen veelal beschikbaar zijn in verschillende uitvoeringen (zoals DALI, 1-10V, …) is het doorgaans geen probleem om ze te combineren met courante systemen voor lokaal- of gebouwbeheer.


27 | ETAP

Hoofdstuk 5: Vraag en antwoord

V: Is de door ledfabrikanten gepubliceerde info ook in ETAP publicaties bruikbaar? A: Neen, omdat vele verschillende factoren een rol spelen in de uiteindelijke prestatie van een ledarmatuur. Hierbij horen zowel ledafhankelijke eigenschappen zoals het gedrag bij hogere temperaturen, als specifieke armatuureigenschappen zoals aansturing en koelmogelijkheden. Zo kan een led van fabrikant A met een zeer hoge gepubliceerde performantie in de praktijk minder lichtopbrengst geven dan een led met een ietwat lagere efficiëntie van fabrikant B, bijvoorbeeld omwille van een hogere interne thermische weerstand en lagere stabiliteit bij hoge temperatuur.

V: Zijn lineaire ledlampen een goed alternatief ter vervanging van de traditionele fluorescentielampen?

UPDATE

A: Op lange termijn heeft deze oplossing nog veel potentieel. Op korte termijn gelden nog steeds een aantal aandachtspunten: op het gebied van elektrische veiligheid, dient men er rekening mee te houden dat de aansprakelijkheid van de fabrikant vervalt wanneer men lineaire ledlampen inzet en zo de constructie wijzigt. Er bestaat ook een zeker risico bij lampvervanging. Op het gebied van lichttechnische performantie, ligt het maximale vermogen en de lamplichtstroom van vervangende ledlampen meestal lager dan bij de originele fluolamp. Vaak zal ook de globale lichtverdeling van de armatuur wijzigen, gezien de meeste lineaire ledlampen enkel onderhemisferisch licht uitstralen.

V: Zijn ledlumens meerderwaardig aan fluolumens? A: Neen – beiden zijn volkomen gelijkwaardig. Wel is het zo dat bij zeer lage lichtniveaus (zoals bv. bij noodverlichting, buitentoepassingen) het menselijk oog gevoeliger wordt voor groen/blauwe tinten – het zogenaamde mesopische zien. Bij deze omstandigheden zal het dus voordeliger zijn lichtbronnen toe te passen die meer in het groen-blauwe gebied uitstralen, zoals bv. cyaankleurige leds of witte leds met een hoge blauwcomponent (koud wit, 6500K).

28 | ETAP


Terminologie

Binning Het sorteren/classificeren van (in dit geval) leds in groepen met gelijkaardige karakteristieken, bv. op het gebied van kleurcoördinaten. Cold Lumens De lichtstroom gemeten bij 25°C junctietemperatuur. Diode Halfgeleider die elektrische stroom in één richting zeer goed geleidt, maar in de andere richting praktisch niet. Hot Lumens De lichtstroom gemeten bij junctietemperatuur dicht bij praktische gebruikstemperatuur (typisch 85°C). Junctie Het actieve gebied in het halfgeleide materiaal waar het licht gegenereerd wordt. Junctietemperatuur Dit is de interne temperatuur in het halfgeleidermateriaal (aan de junctie – zie hierboven). Led Afkorting van Light Emitting Diode. Ledcomponent De combinatie van de led, de behuizing en de primaire optiek. Ledmodule Het ledequivalent van een traditionele lamp, maar dan in leduitvoering. Volgens ETAP’s terminologie komt dit overeen met level 3 (zie hoofdstuk 1). Luminiscentie Proces waarbij een lichtdeeltje (foton) wordt gegenereerd wanneer een atoom van hogere naar een lagere energietoestand terugvalt. Nuttige levensduur De economische levensduur relevant voor de speficieke toepassing. Deze ligt lager dan de gemiddelde levensduur. PCB Printed Circuit Board: printplaat Remote fosfor Technologie waarbij de fosfor voor het genereren van wit licht niet direct op de blauwe led wordt aangebracht maar in of op een (glazen of kunststof) drager op enige afstand van de led. Hierdoor functioneert de fosfor op een lagere temperatuur en kan in bepaalde gevallen een efficiëntiewinst worden gerealiseerd.


29 | ETAP

Notities ..................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................

30 | ETAP


Notities ..................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................


31 | ETAP

NEDERLAND ETAP BV Tinstraat 7 4823 AA Breda Postbus 3475 4800 DL Breda Tel. +31 (0)76-548 34 00 Fax + 31 (0)76-542 09 62 e-mail: [email protected] www.etaplighting.com

12/11 8028761-028 N/1 - De gegevens in deze publicatie zijn zonder verbintenis en kunnen wijzigen ingevolge technische evolutie.

BELGIË ETAP NV Antwerpsesteenweg 130 2390 Malle Tel. +32 (0)3 310 02 11 Fax +32 (0)3 311 61 42 e-mail: [email protected]

DOSSIER LED VERLICHTEN MET EEN NIEUWE LICHTBRON

Recommend Documents