VEI IS PARTNER VAN:
;JWQNHMYNSL NIEUWE LICHTBRONNEN EN BUITENVERLICHTING Inhoud
Inleiding Sinds de uitvinding van de gloeilamp is het aanbod van elektrische lichtbronnen voortdurend uitgebreid. Zo ontstonden fluorescentielampen, halogeenlampen, hoge druk ontladingslampen enz. Elke categorie bezit een aantal specifieke eigenschappen zoals de kleurtemperatuur en de kleurweergave-index, de lichtstroom, het beschikbare gamma aan vermogen, de levensduur, de veiligheid, de dimbaarheid en de eventueel noodzakelijke voorschakelapparatuur.
• Inleiding • Light Emitting Diodes (LED) • Koude Kathode Fluorescentielampen (CCFL) • Hoge Druk Gasontladingslampen (HID) • Buitenverlichting
Heden wordt bij de ontwikkeling van een project steeds meer aandacht besteed aan de energieefficiëntie van de lampen (deze efficiëntie drukt uit hoeveel licht opgewekt wordt in verhouding tot het elektrische vermogen lm/W) en men zal in het bestaande gamma lampen steeds de meest economische technologie trachten toe te passen. Verlichtingsbronnen Gloeidraad
Gasontlading
‘Solid state’-licht
Wolfraam
Led
Wolfraamhalogeen
Oled
Kwik
Natrium
Veld emissie Nanobuizen
Metaal halogeen
IN SAMENWERKING MET:
Zonder elektrodes From innovation to operational assistance
Lage druk FL CFL
Hoge druk
Lage druk
Hoge druk
Kwarts
Excimer
Moleculair
Keramisch
Zwavel
Lage druk Inductie
Fig.1: Overzicht bestaande technologieën van lichtbronnen
CCFL
In deze brochure worden een aantal nieuwe lichtbronnen belicht: • Light Emitting Diodes (LED) • Koude Kathode Fluorescentielampen (CCFL) • Hoge druk gasontladingslampen (HID) Tot slot van deze brochure wordt ook aandacht besteed aan buitenverlichting.
De Technologische AdviesDienst staat voor u klaar! Samen onze elektrische problemen oplossen, daar komt het op aan!
Verlichting
Verlichting
Light Emitting Diodes, een inleiding... 1. Situering Light Emitting Diodes of LED’s staan vandaag in het centrum van de belangstelling. Deze verlichtingsbronnen zijn - naast het bestaan van de diverse witte types - namelijk ook in staat om quasi monochroom licht te produceren. Daardoor zijn ze onder andere geschikt voor signalisatieverlichting en decoratieve toepassingen. Hun doorbraak in de algemene verlichting is op dit moment echter nog onderwerp van discussie tussen “believers” en “non-believers”. De belangrijkste oorzaken hiervan zijn de opvallende verschillen tussen LED prestaties in het laboratorium en de dagelijkse praktijk en de dikwijls onvolledige informatiestroom afkomstig van het grote aantal LED producenten. Het is natuurlijk belangrijk om over voldoende kennis te beschikken wanneer de toepassings-mogelijkheden van een nieuwe technologie moeten geëvalueerd worden. Deze bijdrage wil hier deels aan tegemoet komen. Er wordt eerst en vooral dieper ingegaan op de werking van LED’s zodat de fundamentele eigenschappen ervan kunnen begrepen worden. Optische eigenschappen zoals kleur, stralingspatroon en het gebruik van externe optiek komen daarna aan bod. Thermische en elektrische karakteristieken worden besproken en geïllustreerd aan de hand van concrete meetresultaten. Het genereren van wit licht en de efficiëntie waarmee dit kan gebeuren krijgt uiteraard speciale aandacht. Tenslotte worden voor- en nadelen afgewogen en wordt verder ingegaan op de problemen die een snelle introductie van LED’s in algemene verlichting in de weg kunnen staan.
Op dit moment kunnen LED’s onderling eveneens in drie groepen worden ingedeeld. De klassieke 3 of 5 mm LED’s (typisch 70 mW, zie Fig. 2 links) worden op dit moment als indicatorverlichting in het gros van de elektronische toestellen gebruikt. Door hun zeer beperkte lichtstroom komen ze echter niet in aanmerking voor gebruik in algemene verlichting. Teneinde LED’s toch in de algemene verlichtingswereld te gaan gebruiken, werden “High Power” Light Emitting Diodes of HPLED’s met een minimaal vermogen van de orde van 1 Watt ontwikkeld. Door hun speciale design (zie Fig. 2 midden) zijn zij in staat de intern gegenereerde warmte gemakkelijker te dissiperen dan hun kleinere broertje (zie ook verder). Dit laat toe grotere stromen te sturen en dus ook een grotere lichtstroom te bekomen. Ten slotte spreekt men over LED modules indien een (groot) aantal HPLED’s op eenzelfde printed circuit board of PCB bij elkaar worden geplaatst (“chip on board technology”, zie Fig. 2 rechts). Deze modules laten toe nog meer licht te genereren en komen dus het meest voor integratie in algemene verlichting in aanmerking. Merk wel op dat hoe meer vermogen men door de LED of LED module kan sturen, hoe meer rekening men moet houden met een aangepaste warmtehuishouding.
+
-
Fig. 2: Overzicht van de op dit moment gekende LED groepen. De klassieke laagvermogen LED’s bestaan het langst en komen dus ook nog het meest in allerhande elektronische toepassingen voor (links). De recentere hoogvermogen LED’s bestaan in twee vormen: de “single chip packages” (midden) en de grotere modules met “chip on board technology” (rechts).
3. Diodewerking Beknopte halfgeleidertheorie In een halfgeleiderkristal zijn atomen periodisch gerangschikt. Rond elk atoom bewegen een aantal elektronen die min of meer aan het atoom gebonden blijven. De buitenste elektronen zijn echter minder sterk aan het atoom gebonden dan de binnenste elektronen. Bij kamertemperatuur is het daarom mogelijk dat deze buitenste elektronen zich los kunnen maken van hun atoom. Zij kunnen zich dan vrij bewegen en op die manier bijdragen tot elektrische geleiding. Bij het verlaten van het atoom laat het elektron een zogeheten gat achter, dat door andere elektronen kan opgevuld worden. Daardoor kunnen ook de gaten bijdragen aan het transport van lading. Dit proces kan eenvoudig voorgesteld worden in een energieschema: gebonden elektronen met lage energie bevinden zich in de valentieband, vrije elektronen hebben daarentegen een hogere energie en
In de praktijk Voor het gebruik van HPLED’s in algemene verlichting zou men kunnen stellen dat met twee belangrijke “input”-parameters rekening moet gehouden worden. Enerzijds is uiteraard een bepaalde stroom nodig om licht te genereren. Anderzijds moet steeds met de junctietemperatuur van de diode rekening worden gehouden (zie Fig. 4). Deze interne temperatuur bepaalt namelijk in zeer sterke mate de voor de gebruiker relevante eigenschappen of “output” van de LED (zie eveneens Fig. 4). Het gaat dan om grootheden als verbruikt vermogen, lichtstroom, levensduur, kleur, enzovoort.
Input
Omgevingstemperatuur & warmteterugval
Stuurstroom
Junctie-temperatuur
DC/PWM
Fig. 3: Schematische weergave van een typische halfgeleiderjunctie. Door recombinatie van elektronen uit het n-type materiaal en gaten uit het p-type materiaal ontstaan fotonen. Deze lichtdeeltjes hebben dan een energie ter grootte van de verboden energiezone.
2. LED’s in de huidige verlichtingswereld Lichtbronnen kunnen ingedeeld worden in drie hoofdcategorieën. In gloeidraadlampen wordt een elektrische stroom door een draad gestuurd. Daardoor wordt de draad verhit tot een temperatuur die zodanig hoog is dat er naast infrarode straling ook zichtbare straling of licht wordt uitgezonden. Bij gasontladingslampen worden atomen in de gasfase aangeslagen door botsingen met elektronen. Terugkeer van de atomen naar de grondtoestand gaat gepaard met het uitzenden van een lichtdeeltje of foton. Het gas bevat meestal kwik (zoals in fluorescentielampen) of natrium (zoals in de typisch geelachtige straatverlichting). Deze lichtbronnen vereisen echter hoge ontsteekspanningen. Vaste stof lichtbronnen (‘solid state’-licht) zoals diodelasers en LED’s hebben een totaal ander werkingsprincipe. Hier ontstaan de fotonen binnenin een materiaal wanneer er een elektrische stroom loopt. Hiertoe is slechts een lage elektrische gelijkstroom (DC) of pulsgemoduleerde stroom (PWM) vereist.
bevinden zich in de conductieband. Tussen de valentieband en de conductieband bevindt zich een verboden energiezone (zie Fig. 3). Bij kamertemperatuur zijn er relatief weinig elektronen die deze energiesprong kunnen overwinnen. Door echter in het halfgeleiderkristal atomen te vervangen door andere atomen met één elektron meer, kunnen we het aantal vrije elektronen sterk doen toenemen. Het extra elektron heeft immers veel minder energie nodig om vrij te worden gemaakt. Zo’n halfgeleider met veel vrije elektronen en relatief weinig gaten noemt men een n-type halfgeleider. Analoog kan men vreemde atomen inbouwen met één elektron te weinig. Daardoor worden een groot aantal vrije gaten gecreëerd. Men spreekt dan over een p-type halfgeleider.
Wanneer nu contact wordt gemaakt tussen een n-type en een p-type halfgeleider ontstaat een p-n junctie met een gelijkrichtende eigenschap. Bij een positieve polarisatie van de junctie worden de vele vrije gaten vanuit het p-type naar het n-type en de vele elektronen vanuit het n-type naar het p-type geïnjecteerd (zie Fig. 3). Dit proces heeft een grote elektrische stroom tot gevolg en wordt daarom ook polarisatie in de doorlaatrichting genoemd. In het geval van een negatieve polarisatie zijn er bijna geen vrije elektronen in het p-type gebied om in het n-type te injecteren. De stroom blijft daardoor klein. Men spreekt dan van polarisatie in de sperrichting. Bij voorwaartse polarisatie kunnen de talrijke geïnjecteerde ladingsdragers recombineren. Dit wil zeggen dat een elektron een gat opvult. De energie die hierbij vrijkomt kan aanleiding geven tot het ontstaan van een foton met energie ter grootte van de verboden energiezone. Op die manier ontstaat een lichtgevende diode. Hierbij kunnen we opmerken dat de energie van het foton (of de energie van de verboden zone) bepalend is voor de kleur van het licht. Daarnaast zal het aantal fotonen - en dus ook de lichtstroom van de diode - quasi evenredig zijn met de voorwaartse stroom. Voor LED’s zal dus steeds stroomsturing aangewezen zijn.
Diode werking
Fysische eigenschappen: grootte, contacten, halfgeleidermateriaal, … Output
Elektrisch verbruik Lumen output Levensduur Kleur …
Fig. 4: Werking van de LED in de praktijk. De inputparameters stroom en temperatuur bepalen - via de fysieke eigenschappen van de diode - de voor de gebruiker relevante output. Het opleggen van bepaalde vereisten aan de outputgrootheden maakt terugkoppeling naar de input dikwijls noodzakelijk.
Verlichting
Verlichting
Thermisch gedrag
Optische karakteristieken
Stralingspatroon
Uit voorgaande is duidelijk dat de junctietemperatuur een zeer grote rol speelt bij de werking van de LED. De lichtstroom neemt steeds af bij toenemende temperatuur, zodat een goed thermisch ontwerp heel belangrijk is. Dit laatste houdt in dat de intern gegeneerde warmte zo vlot mogelijk naar de buitenwereld gedissipeerd moet worden.
Specifieke lichtstroom
Het stralingspatroon (de verandering van de lichtintensiteit met de kijkrichting) wordt bepaald door de positie van de junctie in de LED behuizing en de vorm van interne en externe grensoppervlakken. De FWHM (“Full Width at Half Maximum”) hoek is een indicatie van de ruimtelijke uitspreiding van het licht. Voor traditionele laagvermogen LED’s is er een ruime keuze, van heel nauw tot heel breed. LED’s met hoog vermogen zijn meestal breedstralend. Indien gewenst kan door gebruik te maken van een externe optiek echter toch een smalle lichtbundel verkregen worden (zie Fig. 7).
In Tabel 1 wordt een kort overzicht gegeven van een aantal variaties van relevante grootheden onder invloed van een veranderende temperatuur. Merk op dat deze variaties verschillend zijn voor verschillende kleuren van LED’s. Dit heeft te maken met de verscheidenheid aan halfgeleidermaterialen die voor het bekomen van dit kleurenassortiment gebruikt worden (zie ook verder). piek
l
U
x
y
(nm/°C)
(cd/°C)
(V/°C)
(1/°C)
(1/°C)
Rood
0.19
-0.058
-0.0012
90 E-6
-90 E-6
Groen
0.11
-0.016
-0.0040
42 E-5
-23 E-5
Geel
0.14
-0.052
-0.0019
55 E-5
-55 E-5
De specifieke lichtstroom wordt gedefinieerd als de totale hoeveelheid uitgestuurd licht door de diode, gedeeld door het intern gedissipeerde vermogen. De hoeveelheid uitgestuurd licht wordt uitgedrukt in lumen (lm) en kan onder andere gemeten worden met een integrerende sfeer. Voor rode HPLED’s bedraagt de specifieke lichtstroom - in een door de specificaties opgegeven normale werkingstoestand - nu ongeveer 55 lm/W. Dit komt overeen met een energie-efficiëntie van ongeveer 25 %. Een eerste oorzaak van verliezen zijn recombinaties waarbij geen foton wordt uitgestuurd, maar waarbij de vrijgekomen energie wordt omgezet in warmte (vibraties van atomen), met een temperatuurstijging van de junctie tot gevolg (zie Fig. 6 rechts boven). Een tweede verliesfactor vindt zijn oorzaak in het feit dat fotonen het materiaal niet kunnen verlaten door interne reflecties en absorptie (zie Fig. 6 onder).
Tabel 1: Variatie van de piekgolflengte, intensiteit, spanning en kleurcoördinaten (x,y) met de omgevingstemperatuur.
Voor laagvermogen LED’s kunnen de elektrische contacten de rol van warmtegeleiders opnemen. De temperatuur van de junctie wordt op die manier relatief laag gehouden. Bij hoogvermogen LED’s is deze koeling echter onvoldoende, zodat andere configuraties moeten gebruikt worden (zie Fig. 5). De junctie wordt op een koperen “slug” gemonteerd die bij montage thermisch contact kan maken met de speciale “metal core printed circuit board” (MCPCB). Elektrisch contact wordt in dit geval gemaakt aan de bovenzijde van de diode. Het thermische vervangschema van een HPLED wordt eveneens voorgesteld in Fig. 5. Voor de totale warmteweerstand tussen junctie of “die” en de board worden nu reeds waarden van ongeveer 10 °C per Watt gehaald. Voor een LED van 1 W betekent dit dat de temperatuur van de junctie slechts 10 °C hoger ligt dan die van de print.
Fig. 5: Thermisch vervangschema (links) en schematische doorsnede (rechts) van een hoog-vermogen LED.
AlGaInP
Oranje
Aluminium Gallium Indium Phosphide
InGaN Indium Gallium Nitride
Geel Groen Blauw Wit
Fig. 8: De op dit moment meest gebruikte halfgeleidermaterialen. Door verschillende samenstellingen van de elementen te maken bekomt men meerdere mogelijke kleuren.
Rekening houdend met het voorgaande is het duidelijk dat een LED niet zomaar in staat is wit licht te produceren. Voor wit licht moeten immers verschillende golflengtes gelegen tussen 380 nm en 780 nm tegelijkertijd in de bundel aanwezig zijn.
Fig. 7: Intensiteit (in candela) in functie van de kijkhoek (in graden) zonder externe lens (blauwe lage curve volgens een cosinuswet) en met een “medium beam” lens (groene hoge curve).
Kleur
Fig. 6: Eenvoudige voorstelling van recombinatie met creatie van een foton enerzijds (links boven) en twee typische verliezen anderzijds. Deze laatste zijn omzetting van de vrijgekomen energie in warmte (rechts boven) en substraatabsorptie van fotonen door interne reflecties (onder). De karakteristieke hoek waarbinnen fotonen het materiaal kunnen verlaten wordt de “escape cone” of ontsnappingskegel genoemd.
Rood
De kleur van het door een LED uitgestuurde licht wordt volledig bepaald door de grootte van de verboden energiezone. Om verschillende kleuren te genereren zullen dus halfgeleiders met verschillende verboden zones moeten gebruikt worden. Men produceert daarom samengestelde halfgeleiders van verschillende chemische elementen (waarvan InGaN en AlGaInP het meest voorkomen, zie Fig. 8). Door de concentratie van de verschillende elementen te variëren kan de breedte van de verboden zone beïnvloed worden. Men noemt dit “bandgap engineering”.
Een eerste manier om toch wit licht te produceren is het gebruik van een junctie die blauw licht genereert en omgeven wordt door een fluorescerend materiaal. Dit fluorescerend materiaal absorbeert een deel van het blauwe licht en converteert dit tot geel en rood licht. Samen met het oorspronkelijke blauwe licht wordt op die manier een witte kleur bereikt. Een belangrijk nadeel van deze techniek is het feit dat door het fluorescentieproces energie verloren gaat en dus de totale efficiëntie verlaagt. Een tweede manier om wit licht te genereren bestaat erin een ultraviolette LED te gebruiken en zowel blauw, groen en rood fluorescerende materialen in te bouwen. Dit concept heeft het voordeel dat bij veroudering de kleurverschuiving minder drastisch is, omdat de drie fosfors min of meer analoog beïnvloed worden. De derde manier bestaat in het additief mengen van verschillende gekleurde LED’s (meestal een rode, groene en blauwe). Het grote voordeel hiervan is dat er geen fluorescentieverliezen optreden en dat kleurdynamiek mogelijk wordt door het verschillend aansturen van de drie (of meer) bronnen. Door het feit dat de gekleurde lichtbronnen ruimtelijk gescheiden zijn, kunnen er echter wel kleurschakeringen optreden bij eventuele schaduwwerking. Hoe dichter de bronnen bij elkaar staan, hoe minder erg dit effect zal zijn. Vandaar dat LED’s waarbij de verschillende gekleurde diodes in één behuizing zijn ingebouwd aan te raden zijn.
Verlichting
Introductie van LED’s in algemene verlichting Voor de introductie van LED’s in algemene verlichting moeten nog een aantal hindernissen overwonnen worden. Een eerste beperking vormt de lichtstroom van één LED. Klassieke LED’s leveren enkele lumen, hoogvermogen LED’s enkele tientallen tot honderd lumen. Een interessante evolutie is zeker de opkomst van de LED modules. Zoals eerder aangegeven worden hierbij tientallen diodes en hun elektrische connecties rechtstreeks op één thermisch geleidende board aangebracht. Een print van 3 bij 3 cm met 26 W ingestuurd vermogen kan op die manier tot 570 lumen produceren. Ter vergelijking: een 50 W halogeen produceert ongeveer 1150 lm. De specifieke lichtstroom van witte LED’s neemt stilaan toe (tot ongeveer 60 lm/W is mogelijk), maar is nog steeds lager dan die van ontladingslampen en fluorescentielampen. Daartegenover staat het feit dat LED’s hemisferisch uitstralen (slechts volgens een halve sfeer), terwijl klassieke lichtbronnen in alle richtingen uitstralen (volgens een volledige sfeer). Dit betekent dat de efficiëntie van een lichtarmatuur waarmee het licht naar een taakoppervlak gericht kan worden voor LED’s meestal hoger ligt. Ook toepassingen waar gekleurd licht gewenst wordt (bijvoorbeeld verkeerslichten) kunnen meestal efficiënter gerealiseerd worden met gekleurde LED’s dan met klassieke witte lichtbronnen uitgerust met kleurfilters. Anderzijds moet bij LED’s steeds rekening gehouden worden met elektrische verliezen in de specifieke voeding. De kleurweergave index (“colour rendering index” of CRI) van witte LED’s was in het verleden relatief laag, omdat hun spectrum vrij sterk afwijkt van het gekende halogeen- of daglichtspectrum. Ondertussen zijn LED’s op de markt met een waarde hoger dan 80 (het maximum is 100), maar dit gaat meestal ten koste van de specifieke lichtstroom. De relevantie van het gebruik van het begrip kleurweergave index voor LED’s wordt echter meer en meer in vraag gesteld. De levensduur van klassieke verlichtingsbronnen wordt uitgedrukt door de MTTF (“Mean Time To Failure”). Voor LED’s is deze waarde echter quasi oneindig, zeker wanneer LED’s in grotere gehelen worden gecombineerd. Ook de schokbestendigheid van LED’s is veel beter dan die van gloeidraadlampen, wat ze uiteraard interessant maakt voor voertuigen of machines. Er moet wel rekening gehouden worden met de degradatie van de lichtstroom gedurende de gebruikerstijd. Vandaag wordt de levensduur van LED’s dan gedefinieerd als die tijd waarop de lichtstroom is teruggevallen tot 70 % van de initiële waarde. 50.000 uur is daarbij - rekening houdend met een gepast “thermal management” - zeker een realistische waarde. De reproduceerbaarheid van de fabricage van LED’s is op dit moment spijtig genoeg dikwijls problematisch. Dit heeft een grote spreiding van de elektrische en optische eigenschappen van LED’s van eenzelfde
type tot gevolg. Het sorteren van LED’s in categorieën naargelang lichtstroom, kleur en voorwaartse spanning (de zogenaamde “binning”) is daarom in veel gevallen noodzakelijk (zie bijvoorbeeld specificaties van producenten). Tenslotte is de prijs per lumen voor LED’s vandaag nog veel hoger dan voor klassieke lichtbronnen. Men moet bij LED’s echter met de langere levensduur en lagere onderhoudskosten rekening houden. Op die manier wordt de effectieve gebruikskost (de prijs per lumenuur) in de nabije toekomst zeker en vast concurrentieel met die van andere gekende lichtbronnen.
Verlichting
(UV) straling vrij. UV-straling is onzichtbaar voor het menselijk oog. Om zichtbaar licht te verkrijgen zijn er op de binnenwand van de buis fosforpoeders aangebracht, die fluoresceren wanneer er UV-straling op invalt (vandaar de naam fluorescentielampen). Deze fosforpoeders zetten de onzichtbare UV-straling om naar zichtbare straling (= licht). De keuze van de fosforpoeders bepaalt de kleurtemperatuur.
Temperatuur-afhankelijkheid Net zoals bij de klassieke fluorescentielamp worden de werkingskarakteristieken van de CCFL sterk beïnvloed door de temperatuur. De ideale omgevingstemperatuur voor een CCFL is ongeveer 35°C. Bij te koude en te warme omgevingstemperaturen komt er beduidend minder licht uit de CCFL (zie Fig. 10). Bij 0°C bedraagt de lichtstroom slechts iets meer dan de helft van de maximale lichtstroom (bij 35°C) en bij 80°C is er een lichtreductie van meer dan 20%.
Conclusies Het gebruik van LED’s voor specifieke verlichtingstoepassingen staat buiten kijf. Een goed inzicht in de mogelijkheden en beperkingen van LED’s is echter cruciaal voor een succesvolle introductie bij eender welke toepassing (denk aan de invloed van de junctietemperatuur). Opvolging en een kritische wetenschappelijk verantwoorde studie van alle trends met betrekking tot (specifieke) lichtstroom, thermisch gedrag, interne en externe optiek en sturingen zullen toelaten LED’s in te zetten voor die toepassingen waar ze geschikt voor zijn, los van alle slogantaal. De nabije toekomst zal moeten uitwijzen of algemene verlichting één van deze toepassingen zal zijn. Ondertussen kunnen we enthousiast de opkomst en de evolutie van deze nieuwe technologie meemaken en er uiterst creatief mee omspringen.
Cold Cathode Fluorescent Lamp (Koude Kathode Fluorescentielampen) Van klassieke naar koude kathode fluorescentielampen De CCFL of koude kathode fluorescentielamp is een fluorescentielamp met een diameter van slechts 2,5 mm tot 6 mm. Bij klassieke fluorescentielampen variëren de diameters van 16 mm (T5) tot 38 mm (T12). Net zoals de klassieke lineaire fluorescentielampen bestaan de koude kathode fluorescentielampen uit een lange glazen cilindervormige buis die gevuld is met een mengsel van kwik en een inert buffergas bij lage druk. Bij het starten ontstaat er een ontlading tussen de twee aanwezige elektroden. Hierbij bewegen elektronen van de negatieve elektrode (kathode) naar de positieve elektrode (anode). Op hun weg botsen ze tegen kwikatomen. Ten gevolge van die botsing komt er ultraviolette
Fig. 9: koude kathode fluorescentielamp
Het verschil tussen de klassieke en koude kathode fluorescentielampen is de manier waarop de ontlading -het doen ontsnappen van elektronen uit de kathode- plaatsvindt. Bij de klassieke fluorescentielamp ontstaat er een ontladingsboog tussen de gespiraliseerde, voorverwarmde elektroden. Door de verwarming van de kathode kunnen de elektronen gemakkelijker uit het kathodemateriaal ontsnappen. Bij de CCFL is er geen plaats voor de elektrodespiraal. Daarom wordt er bij dit type lamp met glimontlading gewerkt, net zoals bij neonreclameverlichting. De elektroden zijn hier holle robuuste cilinders. Bij de CCFL worden de elektronen losgerukt uit het kathodemateriaal door ionen die er versneld op invallen. Dit vereist echter bij de ontsteking een zeer hoge spanning (anderhalf à twee keer de nominale bedrijfsspanning) gedurende enkele honderden microseconden. Voor een constante lichtstroom moet er bovendien steeds een hoge spanning over de lamp blijven staan van enkele honderden volt. Deze hoge spanning wordt bereikt met een kleine vermogenselektronische eenheid bij hoge frequenties, dewelke stroomgestuurd is. In tegenstelling tot de klassieke fluorescentielamp (relatief lage spanningen en hoge stromen) werkt de CCFL dus bij hoge spanningen (enkele honderden volt) en lage stromen (enkele milliampère). Ondanks hun naam kunnen de ‘koude’ kathoden warm worden tijdens hun werking. Het invallen van de ionen op het kathodemateriaal, brengt deze opwarming teweeg.
Fig. 10: Invloed van de omgevingstemperatuur op de lichtstroom
Lampeigenschappen
Tabel 2: Lampeigenschappen van CCFL-lampen
Verlichting
De CCFL bestaat net zoals de klassieke fluorescentielampen in verschillende kleurtemperaturen. De CCFL kan ook gedimd worden indien het juiste voorschakelapparaat gekozen wordt. Een typische eigenschap van de CCFL is dat deze lamp gebogen kan worden. De levensduur is onafhankelijk van het al dan niet gebogen zijn van de CCFL, maar wel van de lampstroom. De lampefficiëntie (Engels: Efficacy) is de hoeveelheid zichtbaar licht (= lichtstroom, uitgedrukt in lumen) die de lamp uitstraalt per 1 W opgenomen vermogen van de lamp. Bij de CCFL schommelt de lampefficiëntie tussen 35 en 88 lm/W, en is afhankelijk van onder andere de diameter en de lengte van de lamp. De lampefficiëntie (lm/W) zal toenemen als de diameter of de lengte toenemen.
Ontwerp- en gebruikregels Hoge spanningen, hoge frequenties, enz. vereisen speciale ontwerpmaatregelen. De lamp, de connectiedraden, de elektronica en de behuizing moeten als één systeem ontworpen worden. Naast het volgen van alle veiligheidsmaatregelen uit het AREI, kunnen onderstaande tips hierbij helpen. • Hoge spanningen en frequenties kunnen leiden tot capacitaire verliezen. Deze verliezen hebben een lichtreductie tot gevolg. Om die verliezen te beperken, worden de CCFL en het voorschakelapparaat zo ver mogelijk uit de buurt van metaal gehouden. • De connectiedraden worden best zo kort mogelijk gehouden, zeker de ‘hot wire’ (aangeduid met HV of High Voltage). Indien beide draden niet even lang zijn, kan het zijn dat de lichtverdeling over de totale lengte van de lamp niet evenredig is. • Bovendien kunnen hoge spanningen en frequenties aanleiding geven tot EMI-problemen (ElektroMagnetische Interferentie) waardoor andere toestellen in de nabijheid gestoord kunnen worden. • Afhankelijk van het voorschakelapparaat kunnen koude kathode fluorescentielampen in serie of parallel geschakeld worden. Kijk hiervoor in de specificaties of en hoeveel lampen in serie en/of parallel kunnen geschakeld worden.
Voor- en nadelen Fig. 11: Afbeeldingen van CCFL-lampen
Voorschakelapparaat Het voorschakelapparaat moet zorgen voor de correcte sturing van de CCFL. Een goed ontworpen voorschakelapparaat zorgt ervoor dat de spannings- en stroomgolf tussen de elektroden een sinusvorm hebben en dat de frequentie niet te laag is. Indien niet aan deze voorwaarden voldaan is, zullen de kwik- en buffergassen niet optimaal verdeeld zijn over de lamp. Op die manier zal er op bepaalde plaatsen niet genoeg kwik aanwezig zijn voor een gelijkmatige uitstraling van het licht. De lampspanning is afhankelijk van de lengte en de diameter van de lamp. Hoe langer de lamp en hoe kleiner de diameter, hoe groter de lampspanning moet zijn die het voorschakelapparaat moet genereren. De lampstroom is bepalend voor de levensduur van de lamp. Hoe hoger de stroom, hoe meer licht er uit de lamp komt, maar hoe korter de levensduur. Een goed evenwicht tussen beide parameters wordt door het voorschakelapparaat verzorgd.
De voordelen van de koude kathodetechniek zijn: • een zeer lange levensduur (tot 100.000 uur) ten gevolge van de robuuste elektroden en het lage stroomverbruik; • de CCFL start onmiddellijk; • de levensduur is onafhankelijk van het aantal schakelingen; • dimming tot een zeer laag lichtniveau is mogelijk indien het passende voorschakelapparaat gekozen wordt.
Verlichting
Het grootste nadeel van de koude kathode fluorescentielampen is de lampefficiëntie. Die bedraagt bijna een derde minder dan de lampefficiëntie van de warme kathode fluorescentielampen (= klassieke fluorescentielampen).
Hoge Druk Gasontladingslampen (HID)
De andere nadelen zijn eerder van praktische aard. Soms blijkt deze lamp moeilijk handelbaar te zijn en kunnen de hoge frequenties storingen veroorzaken bij andere nabijgelegen toestellen. Het elektronisch voorschakelapparaat kan de grootste problemen opvangen. Wel mag de invloed van de omgevingstemperatuur niet uit het oog verloren worden.
Algemeen
Praktisch bekeken heeft de CCFL ook tal van voordelen. De CCFL is een heldere lichtbron met een goede kleurweergave. De kleine diameter biedt veel mogelijkheden aan de externe optiek. Hierdoor is het mogelijk lichtlijnen met een nauwe uitstralingshoek te ontwikkelen. De kleine diameter van de CCFL zorgt voor een esthetisch mooi effect, maar zorgt er ook voor dat de montageruimte zeer klein is. Als bijkomend voordeel kan de lamp ook op maat gemaakt worden. Zo is er enorme keuze aan kleurtemperaturen en kunnen alle maten en vormen in 3D bekomen worden. Zeer belangrijk is de lange levensduur van de CCFL en dat het geheel van lamp, armatuur en voorschakelapparaat quasi onderhoudsvrij is. Al deze voordelen leiden tot een uitgebreide reeks van toepassingen.
Via fluorescentie bestaat echter de mogelijkheid om door middel van spaarlampen en fluorescentielampen een technologie voorhanden te hebben die een beter rendement toelaat. Maar voor toepassingen, waarbij een hogere lichtopbrengst gevraagd wordt, zoals bijvoorbeeld etalage-, gevel- of stadionverlichting, zijn fluorescentie lampen niet bruikbaar. Voor deze toepassingen bestaat echter gasontlading technologie.
Gloeilampen en halogeenlampen scoren op gebied van energieverbruik niet bijzonder. Het is algemeen bekend dat gloeilampen een rendement van ± 15 lm/W hebben. De geëvolueerde halogeenlampen doen het iets beter met ± 24 lm/W.
Toepassingsvoorbeelden
Fig 12: Evolutie van het lichtrendement van lichtbron technologieën.
Tabel 4: toepassingsvoorbeelden voor een CCFL-lamp Tabel 3: Voor- en nadelen van een CCFL-lamp
De hierna volgende grafieken geven het percentage verkochte lampen aan (Fig. 13) en de uitgestraalde lichtstroom per technologie (Fig. 14). Hieruit blijkt duidelijk dat de meest verkochte lampen in Europa (op jaarbasis) nog steeds de gloeilampen zijn. Dit ondanks het feit dat zij het minste licht uitstralen. Daartegenover staat dat de technologie die het meeste licht uitstraalt fluorescentie en gasontlading is.
Verlichting
Europese Lampen Verkoop (%) Gasontladingslampen 1%
Fluorescentie 15%
Fluoresc. Spaarlampen 6% Halogeen 12%
Tijdens de jaren 1930, toen de fluorescentie lampen werden ontwikkeld, onderzochten de wetenschappers ook manieren om natrium en kwik zichtbaar licht te laten produceren. Midden van de jaren ‘30, werden de eerste commerciële hoge druk kwik en lage druk natrium lampen beschikbaar. Bijna 30 later jaar, werd de hoge druk natrium lamp ontwikkeld en rond dezelfde periode verschenen de eerste metaalhalogeen lampen. Daar al deze lamptypes licht produceren door middel van een intense elektrische ontlading wordt deze technologie “High Intensity Discharge” of “HID” lampen genoemd.
Fig. 13: Percentage verkochte lampen
• Kwik hogedruk • Natrium hogedruk • Metaalhalogeen hogedruk
Uitgestraald licht (%) Fluorescentie 47%
In deze brochure gaat de interesse vooral uit naar de metaalhalogeen hogedruk lampen en hun laatste evolutie. Ontwikkeld rond 1960, zijn de metaalhalogeen lampen hoofdzakelijk een verbetering van kwik hoge druk lampen. De toevoeging van een ander metaal (in de vorm van halogeen) aan de kwiklossing verbeterde de spectrale uitstraling en liet toe daglichtkwaliteit wit licht te genereren.
Gloeidraad lampen 66%
Het mengsel van halogenen zal een grote rol spelen bij de aard van het licht (kleurtemperatuur) en de spectrale intensiteit beïnvloeden (licht blauwer maken of roder, bijvoorbeeld). Het argongas in de lamp wordt gemakkelijk geïoniseerd, en vergemakkelijkt het overslaan van de boog over de twee elektroden wanneer de spanning wordt aangelegd op de lamp. De hitte die door de boog wordt geproduceerd laat dan het kwik en metaalhalogenen verdampen, hierbij wordt licht geproduceerd als de temperatuur en de druk stijgen. Net als bij andere hoge druklampen zal, zelfs bij een korte onderbreking van de voedingspanning, de boog doven. Hierbij zal dan een afkoelperiode van 5-10 minuten worden vereist alvorens de lamp opnieuw kan opstarten.
De bestaande HID lamptechnologieën zijn:
Gloeidraad lampen 66%
Gasontladingslampen 46%
Verlichting
Fluoresc. Spaarlampen 2% Halogeen 1%
Fig. 14: Uitgestraalde lichtstroom per technologie
Hoge druk gasontladingslampen
Deze halogeen lampen zijn beschikbaar in een verscheidenheid aan vormen en grootte, met zowel 2 contactpunten, als Edison schroefdraad uitvoeringen. Meestal hebben de kleinere types kwarts buitenomhulsels, grotere versies zijn voorzien van glazen omhulsels. Metaalhalogeen lampen hebben een spectrum dat het daglicht benadert. Deze technologie is superieur aan alle andere HID lampen voor wat betreft hun kleurweergave. Nochtans, leidt deze eerste generatie met zijn kwarts brander bij veroudering aan een probleem van veranderende kleur. Deze kleurenverschuiving is meestal gekend als “wit licht dat evolueert naar wit-groen licht (kleuren shift)”.
Metaalhalogeen lampen zijn vandaag de meest efficiënt beschikbare lichtbronnen die wit licht uitstralen. Net als bij fluorescentie en hoge druk natrium lampen, produceren zij licht door, in de brander, een elektrische boog in een mengsel van gassen te veroorzaken. Een metaalhalogeen lamp bevat in haar brander een mengsel van argon, kwik, en een verscheidenheid van metaalhalogenen.
Verlichting door gasontlading is niet uitsluitend een kunstmatig fenomeen. Het komt ook in de natuur voor, het meest gekende voorbeeld ervan is bliksem. Men kan dit ontladingsfenomeen ook waarnemen wanneer keukenzout (natriumchloride) in een gas of kaarsvlam wordt gestrooid. Hierbij zal een kortstondig helder geeloranje licht ontstaan. De intense hitte van de vlam wekt hierbij de natriumatomen op en zo ontstaat dit kenmerkend gekleurd licht. Deze observatie bracht wetenschappers ertoe om de capaciteit van andere metalen te onderzoeken naar hun mogelijkheden om zichtbaar licht te produceren als hun atomen door hitte opgewekt worden.
Fig. 16: overzicht soort HID-lampen (deel 1)
Fig. 15: Voorstelling van een metaalhalogeen lamp
Deze spectrale verschuiving is veroorzaakt door een chemische reactie binnen de kwartsbrander bij veroudering van de lamp. Het eindresultaat is dat het kleurenspectrum van het licht verandert, meestal naar een blauwgroen wit licht en dat dit een grote negatieve invloed heeft op de kleurweergave. Door dit fenomeen wordt het gebruik van dit soort lamp beperkt in sommige applicaties zoals winkelverlichting en monumentverlichting. Momenteel heeft men echter keramische technologie ingevoerd voor de branders van metaalhalogeen lampen. Dit materiaal blijft onaangetast bij de chemische reactie en beperkt de problematiek van de kleurenverschuiving. De eerste lampen van deze soort hadden een cilindrische keramische brander. De uiteinden van de brander waren voorzien van stoppen om de cilinder te verzegelen. Later verschenen ander modellen waarbij de keramische brander volledig sferisch of ovaal was. Op dit ogenblik is een breed assortiment HID gasontladingslampen met keramische brander beschikbaar (20, 35, 70, 100, en 250 W).
Verlichting
Verlichting
• Uitschakelen van lamp bij einde levensduur, • Sommige modellen laten tevens het dimmen van metaalhalogeen lampen toe, • Arbeidsfactor bijna gelijk aan 1. Bij dimmen moet men er echter rekening mee houden dat deze technologie in zijn kinderschoenen staat en dat de meeste fabrikanten voorzichtig zijn met het verstrekken van gegevens. Zij kunnen immers, bij dimmen, de kleurenprestaties van de lampen niet waarborgen. Omdat er vraag is naar dimbare vermogens, zullen de lampenfabrikanten hun ontwikkelingen hierop zeker richten.
Algemene karakteristieken Lampvoet G12 Lampvorm T19 [T 19mm] Lamp afwerking Helder Brandstand vrij [universeel] Nominaal lampvermogen 35W Lichttechnische karakteristieken Kleur code 830 Kleurweergave 81
Voorbeelden van laagvermogen HID.
Lichtkleur Warm Wit Kleurtemperatuur 3000 K Lichtstroom lamp EM 3300 Lm
Algemene karakteristieken Lampvoet G8.5
Fig. 17: Voorbeelden van laagvermogen HID-lampen met hun eigenschappen
Lampvorm T14 [T 14mm] Lamp materiaal Quartz-UV Blok Fig. 16: overzicht soort HID-lampen (vervolg)
Lamp afwerking Helder Brandstand vrij [universeel] Nominaal lampvermogen
Deze HID lampen hebben vele toepassingen. Zij zijn immers toepasbaar voor zowel het verlichten van een kledingswinkel, boetiek, warenhuis, de utilitaire ruimte in een katoorgebouw, enz … . Tevens zijn ze een mogelijk economisch alternatief voor de energie verslindende halogeen applicaties. Enkele voorbeelden van mogelijke applicaties:
Ten gevolge van een Europese wetgeving (2001) moet voorschakelapparatuur voor metaalhalogeen lampen worden uitgerust met ingebouwde thermische bescherming.
• Het gebruik van laagvermogen HID lampen voor accentverlichting als een alternatief voor halogeenverlichting of het vervangen van krachtige gloeidraad spots, bij downlighters. • Het gebruik van hoogvermogen HID lampen voor wandarmaturen, schijnwerperverlichting en terreinverlichting.
Er is tegenwoordig een steeds breder wordende waaier van elektronische voorschakelapparaten (EVSA) beschikbaar. Deze elektronische apparaten ontsteken de lampen en zorgen voor optimale prestaties.
Aansluiting op het net. Ontladingslampen werken niet rechtstreeks op de netspanning en hebben voorschakelapparatuur (VSA) nodig: • een ferromagnetisch voorschakel apparaat (VSA of ballast), • een ontsteker, • een condensator (cos PHI).
Evenals bij fluorescentie technologie heeft elektronica zijn intrede gemaakt bij HID lampen.
Algemene karakteristieken Lampvoet PGJ5 Lampvorm BT-5 Lamp afwerking Helder Brandstand vrij [universeel] Nominaal lampvermogen 20W
De bestaande EVSA voor HID hebben al naargelang het type en fabrikant volgende voordelen:
Lichttechnische karakteristieken
• Door gebruik van hoge frequentie technologie verdwijnt niet alleen de flikkering maar wordt ook de levensduur van de lamp verlengd, • Performantie-karakteristieken worden behouden tussen 207 V en 244 V (-10 % / + 6 %), • Correct werken wordt gegarandeerd tussen 189 V en 253 V, • Geluidloosheid, • Kleine afmetingen,
Kleurweergave 85
Kleur code 830 Lichtkleur Warm Wit Kleurtemperatuur 3000 K Lichtstroom lamp EVSA 1650 Lm
Berekening van exploitatiekosten De exploitatiekosten van een verlichtingssysteem worden bepaald door drie factoren: • Lampkosten per jaar, • Energiekosten per jaar, • Relatieve vervangingskosten per jaar. Lampkosten per jaar = (oorspronkelijke aanschafprijs van de lamp x het aantal branduren per jaar) / levensduur van de lamp. Energiekosten per jaar = prijs per kWh x lamp vermogen (W) x aantal branduren per jaar. Relatieve vervangingskosten per jaar = (onderhoudskosten voor het vervangen van een lamp x aantal branduren per jaar) / levensduur van de lamp.
Verlichting
Verlichting
Lamptype
Gloiedraad spot
Metaalhalogeen
Berekening
HQI-TS 70 W
HCI-TS 70/830
Besparing
Lamp
CONC PAR 38 FL 120
HCI-PAR20 35/830
Lampkosten per jaar
8,06
7,33
0,72
Prijs lamp (€)
8,7
79
Energiekosten per jaar
17,5
17,5
0
Branduren per jaar (h) (250 dagen * 10 h)
2500
2500
Vervangingskosten per jaar
0,83
0,50
0,33
Levensduur lamp (h)
1000
6000
Totale kosten per jaar (€)
26,39
25,33
1,06
Prijs energie (€/kWh)
0,1
0,1
Lamp vermogen (kW)
0,12
0,035
Onderhoudskosten lamp replace (€)
3
3
Fig. 19: Voorbeeld 2: Downlighter, vervangen van een metaalhalogeen lamp met kwartsbrander door een metaalhalogeen lamp met keramische brander. De oorspronkelijke VSA wordt behouden.
Outdoor verlichting
Berekening
CONC PAR 38 FL 120
HCI-PAR20 35/830
Besparing
Lampkosten per jaar
21,75
32,92
-11,17
Energiekosten per jaar
30
8,75
21
Vervangingskosten per jaar
7,5
1,25
6,25
Totale kosten per jaar (€)
59,25
42,92
16,33
Fig. 18: Voorbeeld 1: Downlighter, vervangen van Spot gloeidraad lamp bij gangverlichting door een metaalhalogeen lamp met EVSA
Metaalhalogeen kwarts brander
Metaalhalogeen keramische brander
Lamp
HQI-TS 70 W
HCI-TS 70/830
Prijs lamp (€)
29
44
Branduren per jaar (h) (250 dagen * 10 h)
2500
2500
Levensduur lamp (h)
9000
15000
Prijs energie (€/kWh)
0,1
0,1
Lamp vermogen (kW)
0,07
0,07
Onderhoudskosten lamp replace (€)
3
3
Lamptype
Bij het ontwerpen van buitenverlichting, worden volgende factoren steeds meer in rekening genomen bij de ontwikkeling van het project:
Vernieuwend in deze norm zijn echter de eisen die de norm oplegt ter beperking van de lichthinder.
• • • •
De voornaamste fenomenen die hierbij optreden zijn:
Beperken van lichthinder; Integratie in een eventueel bestaand lichtplan; Werkingskosten; Onderhoudskosten.
In de toekomst zal men echter ook rekening moeten houden met een nieuwe norm die eerstdaags gaat verschijnen. Dit document is de norm pr EN 12464-2: Licht en verlichting - Werkplekverlichting - Deel 2: Werkplekken buiten. Deze norm bepaalt de vereisten voor buitenwerkplaatsen en is een verlengstuk van norm EN 12464-1 “Licht en verlichting - Werkplekverlichting - Deel 2: Binnen werkplekken. Enkele voorbeelden van toepassingen zijn verlichting van parkeerterreinen, bedrijfsterreinen en opslagterreinen, luchthavens, … Deze norm is geldig voor het plaatsen van verlichting, zowel binnen als buiten een bebouwde kom, maar is niet bedoeld voor openbare verlichting waarvoor een specifieke norm geldig is (Reeks NBN EN). Buitenverlichting heeft, net als binnenverlichting, een bepaalde doelstelling waarvoor de norm vereisten oplegt. Hierbij spelen veiligheid van het personeel en de aard van de te verlichten site een grote rol. Voornamelijk geeft de norm een type gebied aan en een bepaalde activiteit en legt hiervoor vereisten op voor: • • • •
Gemiddelde verlichtingssterkte (Em); Gelijkmatigheid of uniformiteit voor deze verlichtingssterkte (Uo); De verblindingsbeperking (GRL); De kleurweergave index (Ra).
• Hemelverlichting: de kroon van licht die vaak zichtbaar is boven steden of grote verlichtingsinstallaties. Deze wordt veroorzaakt door twee elementen: direct licht uitgestraald door de armaturen en licht dat door de grond en omgeving wordt gereflecteerd. • Ongewenst (strooi)licht: licht van een verlichtingsinstallatie die buiten om de grenzen valt van het terrein/gebouw waar de installatie voor bedoeld is. • Verblinding: hinder veroorzaakt door een onjuist ontworpen optisch systeem dat de lamp of reflector onvoldoende afschermt en zo zorgt voor verblinding. Om deze lichthinder te beperken legt de norm grenswaarden op voor de buitenverlichting van werkplekken. De opgelegde vereisten zijn afhankelijk van de milieuzone in dewelke de werkplek zich bevindt. Deze vereisten betreffen: • • • •
Het licht op gebouwen, De lichtsterkte van de armaturen, Het licht naar boven, De luminantie op de gevel van een gebouw of van borden.
Verlichting
Enkele voorbeelden van verlichtingsvereisten in functie van de arbeidsplaats zijn hieronder weergegeven.
Type omgeving, taak of activiteit
Em lx
Uo
GRL
Ra
5.1.1
Wandelpaden exclusief voor voetgangers
5
0,25
50
20
5.1.2
Verkeerszones voor trage voertuigen (max. 10 km/ h), bv. fietsen, vrachtwagens en graafwerktuigen
10
0,25
50
20
5.1.3
Normaal voertuigverkeer (max. 40 km/h)
20
0,40
45
20
5.1.4
Voetpaden, keerpunten voor voertuigen, los- en laadkades
30
0,40
50
20
5.1.5
Autoverkeer
-
-
-
-
Hiervoor bestaan aparte regels
Type omgeving, taak of activiteit
Em lx
Uo
GRL
Ra
Opmerkingen
5.9.1
Licht verkeer, bv. parkings van winkels of appartementsgebouwen,…
5
0,25
55
20
5.9.2
Gemiddeld verkeer, bv. parkings van winkelcentra, kantoorgebouwen, sportcomplexen, …
10
0,25
50
20
5.9.3
Zwaar verkeer, bv. parkings van scholen, kerken, grotere shoppingcentra, grote sporthallen, …
20
0,25
50
20
Ref n°
Opmerkingen
Op scheepswerven en dokken, GRL mag 50 zijn
Ref n°
Fig. 21: Voorbeeld 2: Parkings.
Wij denken samen met u om de beste oplossing te vinden voor uw elektrische problemen Heeft u technische vragen of wil u meer weten over onze diensten, dan kan u steeds terecht bij: Vlaams Elektro Innovatiecentrum • Kleinhoefstraat 6 • 2440 Geel Tel: 014 - 57 96 09 • Fax: 014 - 57 96 11 • E-mail:
[email protected] • Web : www.vei.be
www.grafischburobis.be, v.u.: Kris Van Dingenen, Kleinhoefstraat 6, 2440 Geel, oktober 2007
Fig. 20: Voorbeeld 1: Verkeerszones op werkplekken.
