Laat je verlichten! Alles over licht en led-verlichting
leerlingenhandleiding versie 1.1
Many parties were involved in making this project available for schools:
This technology project was originally developed by Philips (The Netherlands) for the Dutch Jet-Net-project and incorporated in the EU ‘Ingenious’ project of European Schoolnet (EUN).
Jet-Net, the Dutch Youth and Technology Network, is a partnership between companies, education and government. The aim is to provide higher general secondary school (HAVO) and pre-university school (VWO) pupils with a true picture of science and technology and to interest them in a scientific-technological higher education course. European Schoolnet (EUN) is a network of 30 Ministries of Education in Europe and beyond. EUN was created to bring innovation in teaching and learning to its key stakeholders: Ministries of Education, schools, teachers and researchers. The ‘Ingenious’ project is coordinated by European Schoolnet.
European Round Table of Industrialists
ERT is a forum bringing together around 45 chief executives and chairmen of multinational industrial and technological companies with European heritage with sales volume exceeding € 1,000 billion and thereby sustaining around 6.6 million jobs in Europe. ERT advocates policies at both national and European levels which help create conditions necessary to improve European growth and jobs. ERT was the initiating force for the EU Coordinating Body (ECB), now called ‘Ingenious’, to disseminate proven best practices of industry-school cooperation to stimulate interest in careers in science and technology throughout the European Member States.
This document is supported by the European Union’s Framework Programme for Research and Development (FP7) – project ECB: European Coordinating Body in Maths, Science and Technology (Grant agreement Nº 266622). The content of this document is the sole responsibility of the Consortium Members and it does not represent the opinion of the European Union and the European Union is not responsible or liable for any use that might be made of information contained herein. Authors: Thomas van den Berg, lerarenopleiding Fontys Hogeschool, Tilburg Patrick van Stijn, Philips Lighting, Eindhoven Editor:
Betty Majoor, In Profiel Tekstontwerp, Eindhoven
This is a publication of: Edition:
Philips Human Resources Benelux / Jet-Net, PO Box 80003, 5600 JZ Eindhoven, The Netherlands Dutch version 1.1, July 2014 for European Schoolnet ‘inGenious’
This work is licensed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike CC BY-NC-SA.
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
Inhoudsopgave 1.
Inleiding ....................................................................... 3
2.
Wat is licht en hoe werkt het? ...................................... 4
2.1 2.2 2.3 3.
Een aantal kunstmatige lichtbronnen ........................... 9
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 4.
De opbouw van een standaard led-lamp........................ 17 De kleur van led-licht ................................................. 21 Led-lampjes van organisch materiaal: OLED’s ................ 22
Welke soorten led-verlichting kom je tegen? ............. 24
6.1 6.2 6.3 7.
De effecten van verlichting op de sfeer ......................... 14 Meer bijzondere toepassingen van verlichting ................ 16
Hoe werkt een led-lamp? ............................................ 17
5.1 5.2 5.3 6.
De eerste kunstmatige lichtbron: de gloeilamp ................ 9 De opvolger: de tl-buis en spaarlamp ........................... 10 Toch weer een gloeidraad: de halogeenlamp ................. 11 Voor de grootverbruiker: natrium- en kwiklampen ......... 11 De lamp van nu en de toekomst: de led-lamp ................ 12
Wat kun je doen met kunstmatig licht? ...................... 14
4.1 4.2 5.
Natuurlijk of kunstmatig licht? ....................................... 4 Wat is licht precies?...................................................... 4 Hoe beschrijf je de eigenschappen van licht? ................... 6
Welke vormen lampen zijn er met led-technologie? ........ 24 Een paar belangrijke toepassingen van led-verlichting .... 25 Licht van de toekomst ................................................ 27
Test je kennis over verlichting! .................................. 28
7.1 7.2
Een lamp voor je kamer thuis ...................................... 28 Nieuwe verlichting in de fietsenkelder ........................... 30
Extra Behalve de gewone tekst en opgaven tref je een aantal blauwe kaders aan. Hierin staat extra informatie, variërend van leuke weetjes tot verdiepende theorie. De kaders zijn bedoeld voor wie meer wil weten over licht en led-verlichting. Je docent bepaalt of een kader wel of geen verplichte lesstof is.
1
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
Foto voorpagina: printplaat met led-cellen in een opengezaagde led-lamp.
2
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
1. Inleiding Deze les gaat over licht. In onze samenleving is licht een vanzelfsprekend ding: overdag schijnt de zon (ook al wordt die misschien iets verduisterd door wolken) en als het donker wordt is er altijd wel een lamp beschikbaar. En zelfs als er geen zonlicht of lamp beschikbaar is, heb je altijd nog wel een telefoon op zak die licht kan geven. Je hoeft nooit in het pikkedonker te zitten. 1. Zonder de uitvinding van de lamp zou de wereld er heel anders uitzien. Bedenk in tweetallen een aantal voorbeelden van ontwikkelingen of situaties die zonder kunstlicht niet mogelijk waren geweest.
In deze les kom je meer te weten over licht: Wat is licht precies? Hoe werkt het volgens de natuurkundigen? Welke soorten lampen zijn er? Hoe werken die lampen en waar gebruiken we welke soort? In het bijzonder kijken we naar ledlampen. In de ontwikkeling van deze nieuwe vorm van verlichting wordt veel tijd en geld gestoken. Waarom is het zo’n veelbelovende vorm van licht? Bij dit boekje hoort een practicum waarin je zelf een led-lamp gaat maken. Je ziet daarbij wat er nodig is om te zorgen dat de lamp licht kan geven. Als de lamp werkt, kun je hem ‘aankleden’ met je eigen design. Als het je goed lukt, kun je thuis je eigen, unieke lamp gaan gebruiken!
3
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
2. Wat is licht en hoe werkt het? 2.1 Natuurlijk of kunstmatig licht? Je kunt licht opdelen in twee soorten: natuurlijk licht en kunstmatig licht. Natuurlijk licht noemen we al het licht dat van natuurlijke bronnen komt zoals de zon en vuur. Ook fluorescentie is een bron van natuurlijk licht: denk bijvoorbeeld aan het licht dat vuurvliegjes in het donker afgeven. Kunstmatig licht is licht dat wordt opgewekt met door de mens gemaakte lichtbronnen, met andere woorden lampen. Lampen zijn er in alle soorten en maten: van de piepkleine lampjes in je telefoon die aangeven dat je een berichtje hebt, tot de enorme schijnwerpers die een voetbalveld van licht voorzien. Lampen gebruiken verschillende basisprincipes om licht te leveren, maar het zijn allen kunstmatige manieren om licht op te wekken. 2.2 Wat is licht precies? Het heeft wetenschappers lange tijd gekost om erachter te komen wat licht precies is. Licht is dan ook een lastig begrip. De huidige opvatting is, dat licht elektromagnetische straling is met een deeltjeskarakter. Je kunt die straling opvatten als piepkleine, onzichtbare deeltjes die zich in een golfbeweging door vloeistof, gassen en zelfs vacuüm kunnen bewegen. Die onzichtbare deeltjes worden fotonen genoemd. Straling heeft dus een golflengte. Afhankelijk van de golflengte krijg je een bepaalde soort straling zoals röntgenstraling, UV-straling, radiogolven en (zichtbaar) licht. Je ziet dit in de figuur hieronder.
4
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
Straling met een golflengte tussen 10 nanometer en 1 millimeter noem je licht. Dit licht is niet allemaal zichtbaar. Aan de linkerkant van het spectrum heb je ultraviolet licht (denk aan het blauw/paarse licht van een zonnebank of het blacklight in de disco). Het licht aan de rechterkant noem je infrarood (het ‘onzichtbare’ licht waarmee een afstandsbediening informatie stuurt naar de televisie). Het zichtbare lichtspectrum loopt van 380 tot 780 nanometer en is opgebouwd uit alle mogelijke kleuren: die zie je bijvoorbeeld in de regenboog als na een stevige bui de zon weer schijnt. Als je deze kleuren mengt, ontstaat er wit licht. Dit zie je in de afbeelding hiernaast: de hoofdkleuren van licht zijn rood, blauw en groen. Dit heet de primaire kleuren van licht. Als je groen licht en rood licht met elkaar mengt, ontstaat er geel licht. Door de primaire kleuren met elkaar te mengen, kun je alle andere kleuren en wit licht maken. Als we het vanaf nu over licht hebben, dan bedoelen we het zichtbare licht dat uit al deze kleuren bestaat en dat we met onze ogen kunnen zien.
Extra: De snelheid van het licht Een belangrijke eigenschap van licht is de snelheid waarmee het zich voortplant. Licht gaat namelijk altijd met een snelheid van 299.792.458 meter per seconde! In de natuurkunde is dit een belangrijke waarde. Daarom heeft de lichtsnelheid zijn de eigen symbool gekregen: de letter . Als er in de ruimte op een afstand van 300.000 kilometer een lichtbron aangaat, duurt het maar een seconde voor je het licht van die bron ziet.
5
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
2.3 Hoe beschrijf je de eigenschappen van licht? Als je een lamp koopt, wil je weten of hij genoeg licht geeft en, als je iets voor je kamer zoekt, of het een beetje ‘gezellig’ licht is. Deze eigenschappen kun je met twee natuurkundige grootheden beschrijven: de lichtstroom en de kleurtemperatuur. Extra: Lichtsterkte en lichtstroom De lichtsterkte wordt uitgedrukt in de SI-eenheid candela (cd). Historisch was de candela gedefinieerd als de hoeveelheid licht van één kaars. Tegenwoordig is de definitie van een candela veel nauwkeuriger. Het licht dat een lichtbron in alle richtingen bij elkaar uitstraalt, wordt de lichtstroom genoemd. De lichtstroom wordt uitgedrukt in lumen (lm). De lichtstroom geeft aan hoeveel licht een lichtbron in alle richtingen uitstraalt. Een lamp met een hoge lichtstroom straalt veel licht uit en kan een groot oppervlak verlichten. De eenheid van lichtstroom is de lumen (met de afkorting lm). Een lamp voor normaal gebruik heeft ongeveer een waarde van 600 lumen. Hoe efficiënt een lamp is, kun je zien aan het aantal lumen dat hij per Watt energie produceert.
In formulevorm schrijf je dat als:
De lichtopbrengst voor de afgebeeld lamp is dus:
6
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
De kleurtemperatuur staat vaak op het doosje van een lamp in termen als ‘warm wit’ of ‘koel wit’. Deze grootheid geeft aan hoe warm het licht op ons overkomt en kun je ook in een getal uitdrukken. Dit gebeurt in de eenheid Kelvin (K). De kleurtemperatuur vertoont namelijk veel overeenkomst met de temperatuur van een vlam: die gaat van rood gloeiend (een lage kleurtemperatuur) tot witheet (een hoge kleurtemperatuur). In de figuur hieronder zie je de kleurtemperatuur van verschillende kleuren licht.
Licht met een lage kleurtemperatuur heeft een oranje/gele gloed en creëert een gezellige, knusse sfeer. Je noemt dit ‘warm licht’. Een lamp een hoge kleurtemperatuur geeft witter en helderder licht. Dit licht is geschikt voor een zakelijke of schoolomgeving. Licht met een nog hogere kleurtemperatuur is blauw en doet juist weer koel aan De voorbeelden hieronder geven een beetje gevoel voor kleurtemperaturen.
kleurtemperatuur (K)
voorbeeld
2000
zonsopgang/zonsondergang
2800
gloeilamp
3200
halogeenlamp
5000
flitslicht
5000-5400
daglicht bij een heldere hemel
6000
schaduw
7
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
Opgaven 2. De fabrikant van een bepaald lampsoort heeft de beschikking over blauwe, rode en groene lampen, maar hij wil graag witte lampen gaan verkopen. a) Kan de fabrikant met deze drie kleuren wit licht maken? b) Wat zijn de golflengten van de drie gekleurde lampen en wat zou dan de golflengte zijn van wit licht? 3. Stel je krijgt twee lampen tot je beschikking; lamp 1 heeft een lichtstroom van 800 lumen en een kleurtemperatuur van 4000K en lamp 2 beschikt over 120 lumen en heeft een kleurtemperatuur van 3000K. Welke lamp is het meest geschikt voor in de woonkamer en welke lamp is bedoeld voor een fabriekshal? Leg ook uit waarom je dat antwoord kiest.
8
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
3. Een aantal kunstmatige lichtbronnen In dit hoofdstuk kijken we welke soorten kunstmatig licht we tot onze beschikking hebben. Er zijn tegenwoordig veel verschillende lampen op markt. We behandelen hier een aantal belangrijke soorten en dan vooral de lampen die je in het dagelijks leven tegenkomt. 3.1 De eerste kunstmatige lichtbron: de gloeilamp De gloeilamp is de lamp waar het allemaal mee begon. Deze uitvinding werd in 19de eeuw gedaan door verschillende wetenschappers. De bekendste hiervan was de Amerikaanse uitvinder Thomas Edison. Een gloeilamp werkt als volgt: als je een gloeilamp op een stroombron aansluit, gaat er stroom lopen door een dunne draad wolfraam, midden in de glazen bol. Doordat de stroom door zo’n smalle doorgang moet, wordt de draad zo heet dat deze begint te gloeien en licht en warmte begint uit te stralen: de gloeilamp begint te branden. De glazen bol is gevuld met een gas, dat er voor zorgt dat de wolfraamdraad langer meegaat en niet doorbrandt. In de 19de eeuw was de uitvinding van de gloeilamp een enorme stap vooruit. Voor die tijd moest je kaarsen gebruiken om binnenshuis verlichting te hebben. Tegenwoordig is de gloeilamp niet meer zo populair. Dit ligt aan het lage rendement van 5%; dit betekent dat maar 5% van alle energie die de lamp in gaat wordt omgezet in licht, de overige 95% wordt uitgestraald als warmte. De gloeilamp wordt vooral nog als een energieverspiller gezien en mag daarom niet meer worden verkocht.
9
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
3.2 De opvolger: de tl-buis en spaarlamp De tl-buis en spaarlamp stammen uit de 20e eeuw en zijn veelgebruikte vervangers voor de gloeilamp. Spaarlampen en tl-buizen lijken op het eerste gezicht niet veel op elkaar, maar ze zijn allebei op hetzelfde principe gebaseerd. Spaarlampen zien er van buiten vaak net zo uit als een gloeilamp. Van binnen zie je dat hij meer op een opgevouwen of opgerolde tl-buis lijkt. Ze werken dan ook hetzelfde als een tl-buis. Spaarlampen en tl-buizen hebben een rendement tussen de 18 en 20%, een stuk beter dan de gloeilamp!
Extra: Hoe werkt een tl-buis of spaarlamp? In een tl-buis zit een mengsel van kwikdamp en edelgassen (dit zijn vrij zeldzame gassen die met maar weinig andere stoffen een reactie aangaan). Aan de twee uiteinden van de tl-buis zijn elektroden gemonteerd. Als je stroom door de buis zendt, stoten de elektroden elektronen af. Als je een tl-buis aanzet, geeft hij niet meteen licht. Hij moet eerst ‘opstarten’. Hiervoor dient het edelgas in de buis. Het edelgas warmt op als er elektronen tegenaan botsen. De aanwezige kwikdamp warmt tegelijkertijd mee op. Als de temperatuur hoog genoeg is, kan de volgende stap plaatsvinden: Als een elektron hard genoeg tegen een kwikdeeltje botst, wordt dat elektron opgenomen. Hierdoor heeft het kwikdeeltje opeens meer energie dan normaal. Het kwikdeeltje kan de extra energie niet vasthouden en zendt die energie weer uit in de vorm van een foton. Het licht dat de kwikdamp uitzendt, is voornamelijk onzichtbaar ultraviolet licht. Door een wit, fluorescerend poeder aan de binnenkant van de buis wordt het ultraviolette licht omgezet in zichtbaar licht. Wanneer dit proces met heel veel kwikdeeltjes tegelijk plaatsvindt, gaat de tl-buis licht uitstralen!
10
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
3.3 Toch weer een gloeidraad: de halogeenlamp Een andere veelgebruikte lamp is de halogeenlamp. Deze lampen worden veel toegepast in spotjes in het plafond en moderne designlampen. Eigenlijk is de halogeenlamp niet veel anders dan een ouderwetse gloeilamp. Hij is namelijk ook gebaseerd op een gloeidraadje dat zich in een luchtdichte glazen bol bevindt, gevuld met een speciaal gas. Het voornaamste verschil met een gloeilamp is dat halogeenlampen over het algemeen kleiner zijn en dat er een ander soort gas (een mengsel van kwikdamp met broom of jodium) is gebruikt om de gloeidraad te beschermen en de ontbranding efficiënter te maken. Hierdoor heeft een halogeenlamp een iets hoger rendement van 7%. De populariteit dankt de lamp aan zijn kleine afmetingen die minder opvallende armaturen mogelijke maken. Daarom wordt de halogeenlamp nog vaak gebruikt. 3.4 Voor de grootverbruiker: natriumlampen Deze lampen worden gebruikt sinds halverwege de 20ste eeuw en werken grotendeels hetzelfde als de tl-buis en spaarlampen. Dit type lampen wordt ook wel gasontladingslampen genoemd. Het verschil met gewone spaarlampen zit vooral in het soort licht dat natriumlampen uitzenden: ze geven namelijk een typisch geel licht en dan ook alleen die golflengte. Dit heeft tot gevolg dat je andere kleuren moeilijk ziet in dit licht. Waarschijnlijk heb je dit soort licht al vaak gezien. Natriumlampen worden namelijk veel toegepast in straatverlichting, waar het voldoende is als objecten te onderscheiden zijn en kleur niet van belang is. Het lage stroomverbruik en de hoge lichtopbrengst maakt gasontladingslampen ideaal voor op straat.
11
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
3.5 De lamp van nu en de toekomst: de led-lamp Led-lampen zijn de nieuwste uitvinding op het gebied van kunstmatige verlichting. Led is de afkorting van light emitting diode. Led-verlichting werkt totaal anders dan de bovenstaande lampen. Door led-technologie op verschillende manieren toe te passen kun je in theorie alle bovenstaande lampen door led-lampen vervangen.
Waarom zijn led-lampen zo veelbelovend? Dit komt door een aantal eigenschappen:
Led-lampen hebben gemiddeld een rendement van 50%. De helft van de energie die ze gebruiken, wordt dus omgezet in licht. Een led-lamp is daarmee minstens even efficiënt als tlbuizen en spaarlampen. Nieuwe led-lampen worden bovendien steeds efficiënter.
Ten opzichte van tl-buizen en spaarlampen geeft een ledlamp meer licht per hoeveelheid energie. Led-lampen hebben daarom minder energie nodig om evenveel licht te produceren als een tl-buis.
Led-lampen gaan veel langer mee dan tl-buizen, spaarlampen en halogeenlampen. Voor sommige led-lampen wordt een levensduur genoemd van 50.000 branduren: de lamp kan dus 50.000 uur branden voordat hij kapot gaat. Een led-lamp die elke dag 5 uur aan staat, gaat dus een dikke 27 jaar mee! Ter vergelijking: voor een gemiddelde tlbuis is dit 5 tot 6 jaar.
Led-lampen zijn over het algemeen steviger, sterker en veiliger dan andere lampen. Ze bevatten geen giftige gassen, hebben geen glazen bol nodig (kan gewoon van kunststof worden gemaakt) en bevatten geen kwetsbare onderdelen zoals een gloeidraad.
Led-lampen zijn wel duurder dan vergelijkbare spaar- of halogeenlampen. Maar vaak is het goedkoper om 1 keer een ledlamp aan te schaffen, dan in dezelfde tijd 3 of 4 spaarlampen te verbruiken. Een led-lamp gaat immers een stuk langer mee!
12
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
Extra: Hoeveel licht? Het vermogen van een gloeilamp is lang een ‘maat’ geweest voor de hoeveelheid licht die een lamp geeft: een 40 Wattgloeilamp gaf gezellige sfeerverlichting, in een bureaulamp draaide je een gloeilamp van 60 Watt en als je veel licht nodig had, hing je een gloeilamp op van 100 Watt. Moderne lampen geven (veel) meer licht voor hetzelfde vermogen. Omdat consumenten aan de lichtmaat van gloeilampen gewend zijn, staat die - omgerekend – vaak nog op de verpakking van lampen.
De 12 Watt-spaarlamp in deze verpakking geeft net zoveel licht als een gloeilamp van 51 Watt. Ze stralen allebei 610 lumen uit.
Opgaven 4. Probeer, naast de voordelen van levensduur en efficiëntie, nog twee voordelen te noemen die led verlichting heeft ten opzichte van de tl-buizen, spaarlampen en halogeenlampen. Denk daarbij vooral aan het materiaal waaruit de verschillende lampen zijn opgebouwd. 5. In een bureaulamp zit een led-lamp gedraaid, waarvan de fabrikant de garantie geeft dat ie 40.000 branduren mee zal gaan. Als je deze lamp alleen gebruikt op doordeweekse dagen en op die dagen de lamp gemiddeld 3 uur aan laat staan, bereken dan hoeveel jaar (afgerond) de led-lamp mee kan gaan.
13
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
4. Wat kun je doen met kunstmatig licht? In dit hoofdstuk laten we een aantal bijzondere toepassingen zien van kunstmatig licht. Er zijn allerlei soorten lampen, die verschillende soorten licht afgeven. Hierdoor heb je talloze mogelijkheden om iets te verlichten. Philips heeft in Eindhoven zelfs een speciaal gebouw neergezet, waarin allerlei situaties zijn nagebouwd waar kunstmatig licht wordt gebruikt. 4.1 De effecten van verlichting op de sfeer Een van de nagebouwde situaties is een hotel lounge: hier kun je goed zien wat voor effect een bepaald soort licht heeft op de sfeer in een hotel. Op de twee onderstaande foto’s zie je exact dezelfde lounge, maar ze stralen een totaal verschillende sfeer uit.
Het licht in de linker foto heeft een lage kleurtemperatuur waardoor de ruimte een gelige gloed krijgt. Dit geeft de lounge een relaxte sfeer; je krijgt het gevoel dat je hier rustig kunt uitrusten. Het licht in de rechter foto heeft een veel hogere kleurtemperatuur en daardoor straalt de lounge een zakelijke sfeer uit; het is echt een omgeving waar je werkt en niet gaat ontspannen.
14
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
Hetzelfde effect zie je in kledingwinkels, ook hier is het soort licht van groot belang. Je verwacht natuurlijk een leuke sfeer als je aan het winkelen bent. Tegelijkertijd wil je ook goed kunnen zien wat je nu eigenlijk koopt in de winkel. Philips heeft daarom ook een kledingwinkel nagebouwd. En zeg nu zelf: in welke winkel met welk soort verlichting zou jij het liefst gezien worden en je kleding kopen?
De inrichting van de kledingwinkel is duidelijk op jonge mensen gericht, niet op volwassenen. Welk soort verlichting past volgens jou het beste bij de doelgroep van deze winkel? De goede, heldere verlichting in de linker afbeelding of de donkerdere, stoerdere verlichting in de rechter foto? De donkere verlichting in de rechter afbeelding wordt tegenwoordig vaak toegepast, maar is niet bepaald praktisch als je wilt weten hoe dat fel gekleurde shirt er in het zonlicht uitziet. Misschien heb je zelf wel eens meegemaakt dat een nieuw kledingstuk dat je net hebt gekocht, buiten de winkel een andere kleur blijkt te hebben dan toen je in de winkel stond. Het is dus belangrijk dat het pashokje in de winkel goed verlicht wordt, zodat je een goede beslissing kunt nemen over je nieuwe aankoop. Daarom probeert men verlichting in pashokjes te maken die zo goed mogelijk in de buurt komt van het echte zonlicht, zodat je niet teleurgesteld wordt.
15
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
Extra: Toepassing van speciale kleuren licht Groene verlichting op boorplatforms Er is onderzoek gedaan naar de toepassing van groen licht op boorplatforms. Trekvogels ondervinden namelijk veel hinder van het normale licht. Sommige vogelsoorten raken hierdoor gedesoriënteerd. Als ze rond het platform blijven vliegen of erop landen, hebben ze niet meer genoeg energie om land te bereiken. Uit proeven blijkt dat de vogels veel minder last hebben van groen licht. Toch worden boorplatforms nog niet groen verlicht. Helikopterpiloten hebben namelijk de afspraak dat een landingsplaats met groen licht wordt aangegeven. Als je het hele platform groen verlicht, kun je de landingsplaats niet meer zien. Onderzocht wordt of je dit probleem op kunt lossen met verschillende kleuren groen licht. 4.2 Meer bijzondere toepassingen van verlichting Er zijn nog veel meer bijzondere toepassingen te bedenken wat betreft kunstmatige verlichting. Denk bijvoorbeeld aan de gele straatlampen; deze geven niet veel en alleen geel licht, maar zijn daarentegen wel zuinig en kunnen een groot oppervlak straat verlichten. Of denk gewoon aan je eigen huis: wil je een gezellige woonkamer waar je lekker op de bank kan hangen met warme verlichting of heb je liever tl-buizen met koude verlichting? Zoals je ziet zijn er veel keuzes te maken wat betreft verlichting: warme verlichting zorgt er voor dat mensen zich welkom voelen, koude verlichting komt een stuk zakelijker en afstandelijker over. Daarnaast heb je de keus hoeveel verlichting je wil aanbieden (kijk bijvoorbeeld naar de kledingwinkel) of is er maar één bepaalde kleur verlichting nodig in de situatie. Opgaven 6. Beschrijf zelf eens twee situaties uit je eigen omgeving, waarvan je nu pas merkt hoe bijzonder of belangrijk de verlichting in die situatie is.
16
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
5. Hoe werkt een led-lamp? De werking van een gewone gloeilamp hebben we al eerder besproken: een dunne draad bevindt zich in een glazen bol; als er stroom door de draad loopt, begint die fel te gloeien en geeft hij – zeker voor zo’n dun draadje – een grote hoeveelheid licht. Als je een led-lampje bekijkt, zie je daar niks van terug. Led-lampjes zijn vaak veel kleiner en je kunt niet makkelijk ontdekken waar het licht vandaan komt. Dit komt doordat led-technologie op een heel andere manier werkt, zoals in deze paragraaf wordt uitgelegd. 5.1 De opbouw van een standaard led-lamp In de afbeelding hieronder zie je hoe een led-lamp met wit licht, zoals die nu in de winkels liggen, is opgebouwd. In deze afbeelding zijn alle onderdelen van de lamp uit elkaar getrokken en zijn de afzonderlijke onderdelen zichtbaar.
Een standaard led-lamp, zoals hierboven afgebeeld, bestaat uit de volgende onderdelen: 1) De afschermbol: deze bol van kunststof dekt de lamp af en beschermt de kwetsbare onderdelen van de lamp. Bij ouderwetse lampen zoals de gloeilamp of de spaarlamp heeft deze bol ook de functie van het binnenhouden van de schadelijke gassen. In het geval van een led-lamp is dat niet nodig. De afschermbol kan allerlei vormen hebben. Omdat consumenten dat prettig vinden, heeft hij meestal het uiterlijk van het vertrouwde peertje.
17
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
2) Het fosforkapje: dit gele kapje heeft een speciale functie: Consumenten willen graag lampen die wit licht geven, maar helaas bestaan er geen witte led-cellen. Op dit moment worden daarom blauwe led-cellen gebruikt. Als je van een led-lamp zoals hierboven het kapje zou weghalen zie je dus blauw licht. Het kapje is van een speciaal materiaal gemaakt (fosfor) dat van het blauwe licht van de led-cellen wit licht maakt. 3) De led-cellen: dit is het belangrijkste onderdeel van de ledlamp. Een led-cel is erg klein (1 bij 1 millimeter) en ziet eruit als een geel vierkantje. Een led-cel is zeer complex opgebouwd, maar heel simpel uitgelegd bevat het kleine deeltjes die, wanneer er elektriciteit door de cel loopt, energie verliezen die omgezet wordt in licht en warmte. Dit proces vindt constant plaats wanneer er stroom op de lamp staat, tot wel 50.000 uur. Hierbij is het overigens wel van belang hoe de plus en de min pool worden aangesloten op de lamp; als deze omgedraaid zijn, zal de led-lamp niet werken (maar er raakt niks beschadigd). 4) Het koellichaam: dit onderdeel is gemaakt om overtollige warmte van de led-cel af te voeren. Zoals je in een vorig hoofdstuk gelezen hebt, wordt maar 50 procent van de energie die een led-lamp in gaat, omgezet in licht. De andere 50 procent wordt omgezet in warmte. De led-cel kan daardoor zeer warm worden. Om te voorkomen dat de cel té warm wordt, voert de koelplaat zoveel mogelijk warmte van de led-cel af en geeft de warmte af aan de lucht. 5) De elektronica: een groot voordeel van led-lampen is dat je ze gewoon in dezelfde fitting als spaarlampen of gloeilampen kunt gebruiken. Hiervoor moet de stroom die via de fitting aangeleverd wordt (230 V, wisselstroom) eerst omgezet worden in gelijkstroom en voldoen aan de juiste spanning en stroomsterkte. Hiervoor bevat de led-lamp elektronica, die ervoor zorgt dat de led-cellen de juiste energie toegevoerd krijgen en ze niet beschadigen. Sommige led-lampen bevatten extra elektronica waardoor ze ook dimbaar zijn, zodat je de hoeveelheid licht die de lamp uitstraalt naar wens kunt verlagen.
18
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
6) De fitting: dit onderdeel zorgt ervoor dat de elektriciteit van het lichtnet doorgegeven aan de elektronica van de led-cel. De vorm van de fitting is gelijk aan die van normale gloeilampen of spaarlampen. Hierdoor kun je een led-lamp gewoon gebruiken in de dezelfde armaturen (het frame van de verlichting) als deze normale lampen. De voordelen van led-verlichting zijn eerder al genoemd: ledlampen zijn vrij zuinig, kunnen evenveel licht geven als normale lampen (zoals halogeen- of spaarlampen) en ging vaak langer mee dan andere soorten lampen. Daarnaast zijn led-lampen tegenwoordig in allerlei vormen en kleuren te koop: zo zijn er lampen waar rijen van led-cellen in zijn gebouwd, waardoor ze hetzelfde soort licht geven als tl-buizen en zijn led-lampen in bijna alle kleuren van het lichtspectrum te krijgen. Met het speciale fosforkapje is het ook mogelijk om wit licht te realiseren.
19
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
Extra: Hoe werkt een led-cel? Tot nu toe hebben we behandeld hoe een led-lamp opgebouwd is en hoe deze onderdelen samen licht leveren. Maar hoe werkt de led-cel nu eigenlijk, de bron van het licht dat een led-lamp uitstraalt? Een led-cel bestaat globaal uit twee halfgeleidende componenten: een anode en een kathode. Deze twee delen zijn tegen elkaar aangeduwd en vormen samen een halfgeleider. Door de anode en kathode te bewerken (men heeft het hier dan vaak over verontreinigen) ontstaan in de anode plaatsen met een tekort aan elektronen (gaten) en in de kathode overtollige elektronen. Wanneer er nu in een bepaalde richting stroom wordt gezet over de halfgeleider (daarom is een led een diode, het werkt alleen als de stroom goed om is aan gesloten) komen de elektronen uit de kathode in beweging en willen ze naar de gaten in de anode. Dit is mogelijk, maar wanneer zij dit doen, verliezen ze een klein beetje energie in de vorm van een foton: licht. Doordat de anode en kathode constant (door de elektriciteit) geladen elektronen heen en weer sturen, ontstaat er een stroom van fotonen uit de led en geeft deze dus licht.
Het licht dat deze fotonen is van een hele specifieke golflengte: daardoor is het mogelijk verschillende kleuren led-lampjes te maken. Overigens is de golflengte van die fotonen afhankelijk van de materialen waaruit de halfgeleider is opgebouwd. Vaak zijn dit elementen uit kolom III van het periodiek systeem: Aluminium, Gallium en Indium. Daarnaast bevatten led-cellen ook een kleine hoeveelheid van de edelsteen saffier, die misschien kent als een blauwe edelsteen. Dit materiaal is nodig om de productie van het licht te ondersteunen, maar dit is geen goedkoop materiaal. Daarom is men hard op zoek naar een materiaal die het werk van het saffier kan overnemen; dit zou een doorbraak kunnen zijn die led’s een stuk goedkoper maakt!
20
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
5.2 De kleur van led-licht In hoofdstuk 2 hebben we al gezien dat wit licht een mengsel is van meerdere kleuren licht. Als je het lichtspectrum van een gloeilamp bekijkt, bevat dit licht van veel verschillende golflengtes.
In de figuur hierboven zie je de golflengtes die een gloeilamp en een led-lamp uitstralen. Een gloeilamp straalt veel verschillende golflengtes (kleuren) licht uit. Samen mengen die tot wit licht. Er zit relatief veel straling aan de rode kant van het spectrum. Daarom geeft een gloeilamp warm wit licht. Voor een led-lamp is het een ander verhaal. Het licht van een led-cel bevat twee hoge pieken aan de blauwe kant van het zichtbare spectrum. Daarom ziet het licht uit een led-cel er blauw uit. Om witte led-verlichting te krijgen, wordt er gebruik gemaakt van fosforen die, als ze blauw licht opvangen, andere golflengten licht gaan uitstralen. Welke golflengten dat zijn, hangt af van de chemische samenstelling van de fosforen. Je kunt niet zomaar elke golflengte licht opwekken. Het was dan ook een hele speurtocht om de juiste fosforen te vinden die samen de goede kleurtemperatuur opleveren. Vooral de creatie van warm wit licht was niet eenvoudig. Pas toen dit mogelijk werd, kon de led-lamp serieus met bestaande lichtbronnen gaan concurreren.
21
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
Extra: ineens meer licht? Als je een blauwe led-cel van een fosforkapje voorziet, lijkt het of hij ineens meer licht geeft. Hoe is dit mogelijk? Het geheim zit in het verschil tussen het lichtspectrum van de led-cel en de gevoeligheid van je oog voor het lichtspectrum dat je ziet. Een led-cel produceert veel, hoog energetisch, blauw licht. Door het fosforkapje wordt dit hoog energetische licht omgezet in laag energetisch wit licht. Omdat je oog hiervoor gevoeliger is, lijkt het of de led-cel ineens meer licht geeft.
Opgaven 7. Kun je aan de hand van de beschrijving over de opbouw van een led-lamp in deze paragraaf verklaren waarom ledlampen over het algemeen duurder zijn dan een standaard gloei- of spaarlamp? 8. Bij de led-lamp hiernaast is de afschermbol weggelaten. Je ziet dus meteen de gele fosforkap. Dit type led-lamp is bedoeld voor toepassingen in bedrijven en grote zalen. Kun je een voordeel en een nadeel bedenken van het weglaten van de afschermbol?
5.3 Led-lampjes van organisch materiaal: OLED’s De led-cellen waar we het tot nu toe over hebben gehad, zijn gemaakt van vrij dure materialen (een klein deel van de cel is zelfs gemaakt van saffier, een zeldzame blauwe edelsteen) en geven licht uit maar één punt. Een reflector en een lens zorgen er vervolgens voor dat het licht gebundeld wordt. Tegenwoordig zijn er ook OLED’s (organic light emitting diodes): led-cellen die gemaakt worden van organisch materiaal die licht afgeven verspreid over een vlak. OLED’s zijn daarom heel geschikt als lichtbron in het scherm van een mobiele telefoon of een televisie. Als je thuis een led-televisie hebt, dan is de kans groot dat achter de glasplaat daarvan een groot aantal OLED’s zijn opgesteld.
22
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
Extra: een OLED-cel van binnen en buiten Schematisch weergegeven zit een OLED als volgt in elkaar:
In het hart van de OLED-cel zitten drie flinterdunne laagjes organisch materiaal. Dit zijn koolstofverbindingen waaruit ook planten, dieren en mensen zijn opgebouwd. Via de metalen contactjes en de transparante geleidende laag, kun je een spanning aanleggen op de organische laagjes en gaat er stroom lopen van de kathode (+) naar de anode (-). Hierdoor ontstaan er ‘gaten’ in het materiaal. Als die gaten worden opgevuld door elektronen, komt er fotonen vrij en geeft het materiaal licht. De kleur van het licht dat vrijkomt, hangt af van de chemische samenstelling van het materiaal. In een OLED-cel zitten een laagje voor rood, een laagje voor groen en een laagje voor blauw licht: de primaire kleuren voor licht zoals we al zijn tegengekomen in paragraaf 2.2. De hoeveelheid licht die een laagje produceert, hangt af de spanning die je aanlegt. Door te ‘spelen’ met de laagjes, kun je dus alle kleuren licht mengen. Omdat het organische materiaal gevoelig is voor zuurstof en vocht, zitten de laagjes in een goed afgesloten behuizing. Een lijmverbinding sluit alles goed af. Eventueel nog aanwezig zuurstof of vocht, wordt opgevangen in een absorberende laag.
De organische laagjes hebben een dikte van 0,2 µm en de hele cel is maar 1,3 mm dik. OLED’s worden in allerlei formaten geproduceerd. Als je de glazen afdekplaat vervangt door folie, kun je er zelfs buigbare schermen mee maken.
23
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
6. Welke soorten led-verlichting kom je tegen? Er zijn al veel verschillende vormen en toepassingen van ledverlichting en dit worden er alsmaar meer. In dit hoofdstuk laten we je kennismaken met een aantal van deze toepassingen. 6.1 Welke vormen lampen zijn er met led-technologie? In de het vorige hoofdstuk hebben we de led-lamp in de vorm van een ouderwets peertje gezien. Dit is de vorm die consumenten gewend zijn als ze aan een aan een ‘gewone’ lamp denken. Er zijn echter al een groot aantal andere vormen van led-verlichting, zoals spotjes, met daarin een groepje led-cellen of grote rijen van led-cellen, die samen even groot zijn als een gewone tl-buis en die dus zouden kunnen vervangen. Dat er zoveel vormen mogelijk zijn, is te danken aan de kleine led-cellen die je makkelijk kunt combineren. Als je maar een kleine hoeveelheid licht nodig hebt, zijn vijf van die cellen in een spotje al genoeg. Voor de verlichting van een klaslokaal heb je natuurlijk meer van deze cellen nodig. Een bijzondere toepassing van led-cellen is de nieuwe straatverlichting, die een grote hoeveelheid led-cellen combineert om een hele straat te verlichten. Misschien heb je ze al eens gezien. Een aantal grote steden zoals Amsterdam, Arnhem, Eindhoven en Tilburg zijn op sommige plaatsen al overgestapt op ledverlichting. En dit wordt alleen maar meer. Ledverlichting heeft dan ook grote voordelen ten opzichte van de oude verlichting. Overigens zien de led-lantaarnpalen er vrijwel hetzelfde uit als de standaardverlichting. Als je er niet op let, zul je het niet eens merken.
24
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
Extra: in het nieuws: Arnhem schakelt over op led-lampen ARNHEM - De komende vier jaar worden zo'n 2300 straatlantaarns langs de grotere wegen in Arnhem vervangen door dimbare led-verlichting. De gemeente denkt daarmee zo'n 500.000 kilowattuur per jaar te kunnen besparen, wat neerkomt op circa 47% van het huidige verbruik. Met het vervangen van de lampen is al een begin gemaakt langs de Groningensingel in Arnhem-Zuid. Zo'n 40 procent van de Arnhemse energierekening gaat op aan straatverlichting. Als daar op kan worden bespaard, scheelt dat een hoop in het gemeentelijk huishoudboekje. Bij weinig verkeer kunnen de lampen worden gedimd. Uit Omroep Gelderland, donderdag 04 oktober 2012
6.2 Een paar belangrijke toepassingen van led-verlichting We hebben al een paar voorbeelden gezien zoals de ‘gewone’ led-lamp, beeldschermen met OLED’s en straatlantaarns. En als je rondkijkt, zie je steeds meer toepassingen.
Waarschijnlijk heb je wel eens de nieuwe stoplichten gezien. Die zijn een stuk feller dan de oude stoplichten. Daardoor kun je een beter zien, ook als de zon er op schijnt. In deze stoplichten zijn led-lampen ingebouwd. Als je goed kijkt kun je ledcellen zelfs apart tellen.
Ook in discoverlichting wordt steeds vaker led-verlichting gebruikt, het is hier namelijk ideaal voor. Led-lampen zijn in bijna alle kleuren te krijgen en gebruiken veel minder energie dan de sterke lampen die normaal nodig zijn voor goede lichteffecten. Daardoor hebben DJ’s geen krachtstroom meer nodig om een show te geven en zijn ze veel minder afhankelijk van waar ze in de zaal hun verlichting opzetten.
25
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
Led-verlichting wordt ook steeds vaker toegepast in auto’s: in de eerste plaats binnen in de auto als leeslampje of om het interieur te verlichten. Daarnaast wordt led-verlichting ook steeds meer gebruikt als koplamp of in de achterlichten. Naast goede verlichting voegen de typische lijnen van ledlampen ook iets toe aan de vormgeving en geven een auto extra karakter.
Steeds meer winkelketens stappen over op led-verlichting vanwege de lange levensduur en de grote lichtopbrengst. Maar er zijn meer voordelen. Door een speciale toepassing van led-technologie is het mogelijk om met dezelfde lamp van kleur te wisselen. Hiermee kun je in een oogwenk de sfeer in je zaak aanpassen. In de foto’s hieronder zie je een voorbeeld van een restaurant die dergelijke lampen heeft. Als het buiten koud is, kan de verlichting een warm, rood licht geven en in een hete zomer kunnen er koele kleuren worden ingesteld.
26
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
6.3 Licht van de toekomst Zoals je ziet, zijn er al veel toepassingen van led-verlichting. Misschien kun je zelf ook een aantal situaties opnoemen waarbij het je opviel dat er led-lampen worden gebruikt. In de toekomst zal led-verlichting steeds vaker worden toegepast vanwege de vele voordelen. Die voordelen zijn eerder al genoemd: ledlampen zijn zuinig, geven evenveel licht als lampen zoals halogeen- of spaarlampen en gaan langer mee. Door de kleine afmeting van led-cellen kun je ze in allerlei vormen toepassen. En er zijn led-lampen met licht in bijna alle kleuren van het lichtspectrum. Het is zelfs mogelijk om met dezelfde lamp meerdere kleuren licht te realiseren. Steeds meer spaarlampen, tl-buizen en halogeenlampen worden vervangen door led-lampen. Led-verlichting zal in de (nabije) toekomst dan ook een belangrijk onderdeel vormen van het dagelijks leven.
9. Discussieer in groepjes van vier over wat de invloed van zuinige led-verlichting op het wereldwijde energieverbruik zou kunnen zijn? Beschrijf kort jullie conclusies en hoe jullie daaraan zijn gekomen.
27
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
7. Test je kennis over verlichting! 7.1 Een lamp voor je kamer thuis De lamp op je kamer is net stuk gegaan en in de voorraadkast liggen twee nieuwe lampen. Met wat je nu over licht en lampen weet, kun je een gefundeerde keuze maken voor de beste nieuwe lamp. Bestudeer de verpakkingen van de lampen op deze en de volgende bladzijde en omcirkel de informatie die je voor je keuze gebruikt. Leg uit waarom deze informatie belangrijk is en welke conclusies je eruit kunt trekken. Dit is de verpakking van een softone spaarlamp.
28
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
Dit is de verpakking van een led-lamp. Voor de leesbaarheid zijn twee stukken van de verpakking uitvergroot. Omcirkel alle informatie die relevant is voor je keuze.
Leg uit waarom de omcirkelde informatie belangrijk is. Welke lamp kies jij voor je kamer?
29
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
7.2 Nieuwe verlichting in de fietsenkelder Op een middelbare school parkeren de leerlingen hun fietsen in de kelder van het schoolgebouw. Omdat het anders te donker zou zijn in de kelder, hangen er op het moment zes gloeilampen in de kelder ter verlichting. De conciërge wil de lampen in de kelder gaan vervangen. Omdat gloeilampen niet meer verkrijgbaar zijn, wil hij graag overstappen op een ander type lamp. De gloeilampen die er op het moment hangen, zijn 80 Watt en geven 20 lumen/Watt. a) Bereken de totale lichtsterkte in lumen die de zes gloeilampen opbrengen. In de onderstaande tabel staan de verschillende lampen waar de conciërge uit kan kiezen, ter vervanging van de gloeilampen. De waarden in de tabel gaan telkens om één enkele lamp.
spaarlamp
led-lamp
natriumlamp
kwiklamp
Vermogen (Watt)
40
…
40
80
Lichtopbrengst (lumen/Watt)
70
100
…
60
Lichtstroom (lumen)
…
2.000
4.800
…
Levensduur (uur)
10.000
25.000
28.000
16.000
4,95
39,95
56,95
21,05
schadelijk
…
schadelijk
…
verschillend
verschillend
…
verschillend
Prijs per lamp (€) Milieuscore
Kleurtemperatuur
b) In de tabel ontbreken nog enkele waarden die de conciërge niet kon vinden. Vul deze ontbrekende waarden in. Op basis van de tabel wil de conciërge een keuze maken over welke lampsoort hij gaat gebruiken ter vervanging van de gloeilampen. Een vereiste hierbij is dat de nieuwe lampen tenminste evenveel of meer lumen leveren dan de gloeilampen; anders wordt de fietsenkelder niet goed verlicht. De verlichting brandt vanwege de vakanties 40 weken per jaar en tijdens die weken brandt de verlichting gemiddeld acht uur per dag.
30
Laat je verlichten!
klas 2/3 havo/vwo
c) Als de conciërge zo goedkoop mogelijk de fietsenkelder wil verlichten, welk soort lamp kan hij dan het beste gebruiken en hoeveel stuks van die lamp? Hou hierbij rekening dat je maximaal zes lampen kan ophangen en dat je een afweging moet maken qua prijs en levensduur. Bereken wat de conciërge per jaar voor de lampen uit zou moeten geven en motiveer je antwoord. De energiekosten mag je nu nog negeren. In opgave c) heb je de kosten bepaald van jouw lampkeuze, maar heb je hierbij geen rekening gehouden met de kosten voor de stroom. Een kWh kost 0,22 Euro. d) Bereken hoeveel geld je per jaar kwijt bent aan stroom voor de nieuwe verlichting. Bepaal hiervoor eerst het aantal uur per jaar dat de lampen branden en gebruik vervolgens het vermogen van de door jouw gekozen lampen om het verbruik in kWh te berekenen. e) Wat is de beste lampkeuze als je alleen naar de jaarlijkse kosten kijkt? f)
Als de prijs van de verlichting niet van het grootste belang is, welke lamp zou jij dan aanraden op basis van factoren zoals milieu en kleurtemperatuur?
In de praktijk De opgave laat zien hoe je verschillende keuzes door kunt rekenen. In de praktijk moet je meestal met nog meer dingen rekening houden. Om maar eens een paar dingen te noemen:
Voor natrium- en kwiklampen heb je extra voorschakelapparatuur nodig en een andere, grotere fitting.
Dit soort lampen mag je eigenlijk niet in afgesloten ruimtes gebruiken in verband met schadelijke stoffen zoals kwik en natrium.
In kelder zijn misschien bewust zes lampen opgehangen om donkere hoeken te vermijden.
Het is een hele puzzel om de beste lampen te kiezen. De goedkoopste oplossing is vaak niet de beste oplossing.
31
