Belysningens utveckling

LED eller ljusdioder är det största teknikskiftet sedan glödlampan och har revolutionerat belysningsbranschen de senaste 10 åren. Skiftet och utvecklingen har skett betydligt fortare och bredare än vad någon kunnat förutse eller ens drömma om - idag vet vi att LED är framtidens ljuskälla. Redan nu finns det LED som producerar mer ljus/watt än de bästa lysrören och metallhalogenerna.

Fördelarna med LED är stora och många samtidigt som nackdelarna är få. Argument som 90% energibesparing och livslängder som är mer än 50 gånger längre talar sitt tydliga språk. I dag finns LED med ljusutbyte och färg-återgivning som är så bra att det är möjligt och lönsamt att byta ut de flesta typer av ljuskällor och armaturer mot LED-ersättare, från minsta ljuskälla i hemmiljö till alla de vanligaste kontors- och gatljusarmaturerna. 

Vi närmar oss en total övergång till LED-lösningar, branschen förutspår att LED-armaturer kommer svara för mer 95% av marknaden i Europa senast år 2020.

Tekniken har skapat oändliga möjligheter men också en del svårigheter, för som alltid med ny teknik finns det många fallgropar. Glädjande nog finns idag en standard som definierar hur fakta för LED och LED-armaturer ska redovisas. Vi anger alltid all armaturfakta som livslängd, lumenvärden och effektförbrukning uppmätta på den kompletta armaturen vid normala driftförhållanden, precis som standarden föreskriver. Var noga med att fråga andra om de gör likadant så att du inte jämför äpplen och päron!

Informationen på följande sidor är ett försök att beskriva hur LED-tekniken fungerar och förklara några av de fackuttryck som branschen använder. Informationen bygger på de kunskaper och praktiska erfarenheter om LED som vi på Hide-a-lite skaffat oss under mer än 10 år. Den är skriven för LED i allmänhet och i synnerhet produkter i vårt sortiment. Förutom armaturstandarden är fakta hämtad från broschyrerna Värt att veta om LED, LED för belysning inom- och utomhus och LJUSA mallen, utgivna av Belysningsbranschen & Ljuskultur. Vilka även rekommenderas som fördjupning på ämnet.

All information i denna text ska ses som allmän och väg-ledande, för exakt information hänvisar vi till respektive produkts bruksanvisning på www.hidealite.se.


LED - Ljuset

Ljuset som skapas är monokromatiskt och färgen bestäms av den dominerande våg-längden. LED finns i färgerna rött, orange, gult och blått. LED-ljuset är helt fritt från IR- och UV- strålning.

Vita LED
Vitt ljus skapas genom att blanda de tre grundfärgerna; rött, grönt och blått (additiv färgblandning) eller genom att en blå LED förses med ett gult eller orange lyspulver (fosfor) som omvandlar en del av strålningen till gult ljus så att resultatet blir vitt ljus precis som i lysrör och lågenergiljuskällor (konvertering). Fosforkonvertering är den absolut mest vanliga metoden, främst för att den är billigare men även för att den ger en bättre och jämnare färgåtergivning.

Belysningens utveckling

Belysningens utveckling i en illustrerande kurva


Vita LED finns idag sorterade  i tre huvudgrupper:

Varmvita: <3300K

Vita: 3300-5300K

Kallvita: >5300K


Egenskaper - Diodens funktion och uppbyggnad

I konventionella ljuskällor uppstår ljuset som en biprodukt av uppvärmning av en glödtråd. I LED alstras ljuset i en halvledare (diod) som på elektrisk väg stimuleras att lysa (elektroluminiscens). De största lysdioderna är idag ca 1mm och punktformiga.
Som skydd mot yttre påverkan och för att kunna anslutas elektriskt placeras dioden i ett hölje med utstrålningsvinkel på 140-160gr som ger en enklare ljusstyrning än för rundstrålande ljuskällor. För att kunna fungera monteras dioden på ett kretskort som möjliggör en enkel elektrisk kontakt och som samtidigt avleder värmen. LED har inget eget elektriskt motstånd vilket innebär att en strömbegränsare måste byggas in i den elektriska kretsen. Den kräver likström med rätt polaritet via ett drivdon eftersom den endast leder strömmen i en riktning från plus till minus. Strömstyrkan genom dioden avgör hur mycket ljus som produceras.

 

LED-Moduler

Lysdioder finns i ett flertal typer med varierande ljusflöde, allt från endast några lumen upp till flera tusen lumen för högpresterande multichip med COB-teknik för montering direkt på kretskort. Fokus ligger idag på högpresterande LED, inbyggda i allt från små enkla armaturer och stripar till större armaturer för belysning av kontor, industrier och butiker där de redan idag är ett mycket bra alternativ till armaturer med konventionella ljuskällor, både inomhus och utomhus.

Ljusfärg/Färgtemperatur

En ljuskällas färgtemperatur mäts i Kelvin grader (K) och beskriver en ljuskällas färg från varma röda färger till kalla blå jämfört med den färg en metalltråd (svart kropp) får vid upphettning till olika temperaturer. Från rött vid lägre temperaturer via vitt, till blått vid höga temperaturer. Stearinljus har en ljustemperatur på ca. 1500K, glödljuslampan 2700K, 12V halogenlampa 3200K, jmf Vita LED.


Färgåtergivning (CRI)

Färgåtergivning anges som Ra-index och anger hur bra en ljuskälla återger färger på en skala från 0-100%, jämfört med en referensljuskälla och är ett medelvärde av 8st standardfärger. Jämfört med lysrör där 830 står för 80 % färgåtergivning (Ra) och en färgtemperatur på 3000K.

Vita LED har generellt en mycket bra färg- återgivning. Varmvita och vita har ett Ra-värde på mellan 80>95 och kallvita något sämre mellan 70>85 och kan därmed mäta sig med de flesta vanliga ljuskällor.

Färgåtergivningen för LED upplevs oftast som betydligt bättre än vad Ra-värdet anger. Ett gott råd är att lita mer på det egna ögat och provbelys gärna på plats tillsammans med kunden.

----

MacAdam 1-3 SDCM 
 Lämplig för miljöer med höga krav på enhetlighet som stora vita väggytor

MacAdam 3-5 SDCM    
Lämplig för de flesta inomhusmiljöer

MacAdam 5-7 SDCM    
Främst för utomhusmiljöer 

Ljuskvalitet

Ett begrepp som används på vitt ljus och innefattar många faktorer men för upplevelsen av LED är de viktigaste: färgåtergivning (Ra), färgtemperatur (K) och ljusmängd (lm).

Färgtemperatur (CT) 

I CIE Färgtriangel som används för att definiera färgtemperatur finns en svart linje/kurva, Svartakropps-kurvan (Plancks kurva) som anger exakt med vilken ljusfärg en glödtråd lyser/strålar vid angiven temperatur i kelvingrader (K). Glödljuskällor som hettas upp till samma temperatur hamnar på exakt samma plats på kurvan och kommer lysa med samma färgtemperatur och färgton.

Korrelerad färgtemperatur (CCT) och färgton 

För LED och andra ljuskällor som inte alstrar ljus genom upphettning används begreppet korrelerad färg-temperatur för att beskriva hur ljuset kommer upplevas. I diagrammet ser ni att en LED kan ha samma färgtemperatur i kelvin (K) även om den ligger ovanför eller under kurvan. Det innebär att ljuskällor med samma kelvintal kan ha stora avvikelser i färgton och upplevas som helt olika. En grönaktig färgton betyder att den ligger över kurvan och en rosaaktig färgton innebär att de ligger nedanför. 

Sortering/binning vita LED

Vid tillverkning av LED uppstår en naturlig variation av hur lätta dioderna är att driva, hur mycket ljus de producerar och framförallt vilken färgtemperatur de har. För att kunna sälja LED med likvärdiga egenskaper använder man en metod som kallas binning där dioderna delas in i ett antal fack efter sin färgtemperatur i kelvin men även efter variationer i färgton. Genom att betala ett högre pris kan vi köpa dioder med en snävare sortering än vad som är standard och därmed garantera en jämnare färgtemperatur, färgton och ljusbild än vad många andra tillverkare gör.
För varmvita LED tillåter standarden en variation på upp emot 500K som ger tydliga färgskillnader medan vi normalt endast accepterar 100-200K, en variation som normalt inte kan uppfattas med blotta ögat.

Färgtolerans SDCM

Med dagens moderna COB- och Multichipteknik där vi placerar många dioder tätt tillsammans och ofta under ett gemensamt fosforlager, kan vi på ett enklare sätt sortera och kombinera dioder så att variationen i ljusfärg på ljuskällorna/armaturerna blir minimal.
För att kunna redovisa detta anges numera som komplement till den korrelerade färgtemperaturen i  kelvin (K), även färgtolerans som är ett mått på spridningen i ljusfärg och redovisar skillnaderna i färgtemperatur och färgton. Anges enligt armaturstandarden som SDCM (Standard Deviation of Color Matching) i storleken MacAdam-ellipser i CIE färgtriangel. 
Genom att välja armaturer med liten färgspridning kan man med LED göra belysningslösningar där det inte går att uppfatta skillnader i ljusfärg mellan enskilda armaturer och där denna egenskap behålls under livslängden. 
En Macadam-ellips (1 SDCM) anger en variation i färgtemperatur och färgton som inte det mänskliga ögat kan uppfatta. Normalt säger man att 1-3 ellipser garanterar att armaturerna kommer att upplevas som att de lyser med samma ljusfärg även på stora vita väggytor. Som jämförelse så har T5-lysrör en avvikelse på 4 SDCM medan kompaktlysrör och lågenergilampor har upp till 7 SDCM som ger tydliga färgskillnader. Standarden anger en maximal tillåten avvikelse på 7 SDCM
Hide-a-lite har som mål att hålla sig inom 3 SDCM, inte bara inom en tillverkning utan även mellan olika tillverkningar och armaturserier. Kostnaderna blir högre men avvikelserna betydligt mindre och vi kan använda bins från samma plats i färgtriangeln och få en likvärdig ljusfärg varje gång.

CIE Färgtriangel

Färgtriangel med svartakroppens strålningskurva inlagd tillsammans med de hjälplinjer som används för  att fastställa en ljuskällas korrelerade färgtemperatur. En ljusfärg kan bestämmas med X- och Y-koordinater. 

Obs: Storleken och orienteringen varierar signifikant beroende på dess placering i färgtriangeln.Notera att för tydlighets skull är ellipserna i detta diagram 10 gånger större än verklig storlek.

Färgtriangel med svartakroppens strålningskurva. Används för att fastställa en ljuskällas korrelerade färgtemperatur.

Tvärsnitt och värmeledning i LED-modul. Ljusutbyte. Livslängd/Ljusbortfall LED. Watt till Lumen.

Ljusflöde/ljusutbyte

Ljusflödet för LED anges precis som för vanliga rundstrålande ljuskällor i lumen (lm) som är ett mått på
hur mycket ljus en ljuskälla avger i alla riktningar. För riktade ljuskällor mäts ljusflödet inom en ljuskägla
med en vinkel på 90°.
Ljusutbyte är ett mått på hur energieffektiv en ljuskälla är och anges i lumen per watt (lm/W).
Idag finns det LED med ett ljusutbyte på över 150lm/W och är redan energieffektivare än alla andra
ljuskällor. Varmvita dioder har normalt 15-25% lägre ljusutbyte jämfört med kallvita, eftersom mer ljus
filtreras bort i lyspulvret (fosfor). Eftersom LED har ett riktat ljus är verkningsgraden dessutom oftast
betydligt bättre än vad lumenvärdet anger jämfört med vanliga ljuskällor. I en jämförbar armatur med
kompaktlysrör kan förlusten i armaturen vara så stor som 40-60% av ljusflödet, medan det för LED oftast
stannar på mellan 10-20% förlust.

Temperaturens inverkan

Diodens livslängd och ljusutbyte påverkas till största del av värme. Faktorerna som påverkar värmen i dioden är strömstyrka, värmeavledning och omgivningstemperatur. Eftersom LED inte avger värme i form av IR-strålning och endast en del av energin blir ljus måste värmen som skapas ledas bort till omgivande armaturdelar som sedan kyls av. Ökad värme påverkar LED-prestanda både på kort och lång sikt. Kortsiktigt med färgförändring och minskat ljusutbyte. Långsiktigt med ett snabbare ljusbortfall och därmed kortare livslängd.

Den förväntade livslängden påverkas av faktorer som: 

Typ av LED och kvalitet (tillverkning)
Med vilken strömstyrka den drivs
Miljö och omgivningstemperatur där produkten installeras
Drivdonets kvalitet
Armaturkonstruktion och materialval

Livslängd (ljusbortfall) LED-armaturer

Enligt internationella standarder redovisas livslängden för LED-armaturer med två värden, livslängd för LED-modulen och livslängd för driftdonet. Båda värden behövs för att få en jämförbar uppfattning om livslängden.

Från Watt till Lumen

Vi är vana vid att välja ljuskälla utifrån sockelstorlek och antal watt. Men med LED kan två produkter med
samma watt ge olika mycket ljus beroende på hur den är utformad och hur den drivs. När du ska välja LED
så titta på hur mycket ljus ljuskällan ger (lm). Här nedanför ser du en förklarande sammanställning från
energimyndigheten som jämför äldre ljuskällor med LED:

Alla värden är ungefärliga. Spannet beror på att olika typer ger något olika värden. Skillnaderna kan dock
normalt inte uppfattas med blotta ögat. Lumen för reflektorlampor gäller inom en ljuskägla med 90°
utstrålningsvinkel.


LED-moduler

Livslängden för LED-moduler anges i antal timmar (h) när minst en given procent av ljusflödet återstår (bibehållningsfaktor) med ett L-värde (LX). LED för belysningsändamål måste ha minst 70% av ljusflödet kvar (L70),även högre värden som (L80), (L90) kan anges. 

Som komplement anges ett B-värde (bortfallsprocent) som anger den del av en population som maximalt förväntas underskrida detta värde (By). B10 innebär att 10% kommer underskrida (LX) och B50 att hälften, 50% kommer göra det. B50 beskrivs i standarden som Median Useful Life eller medellivslängd. 

Lighting Europe rekommenderar att B-värdet slopas vid ljus-nedgångsangivelser för att underlätta jämförelsen mellan olika LED-armaturer, då en analys har visat att skillnaden mellan basvärdet B50 och B10 är så liten att noggrannheten ändå blir tillräckligt hög.

L70 50 000h innebär att 50% (B50) kommer lysa med minst 70% av det ljusflöde produkten hade som ny efter 50 000 timmar.

L80 50 000h innebär att 50% (B50) kommer lysa med minst 80% av det ljusflöde produkten hade som ny efter 50 000 timmar.

Eftersom ljusbortfallet påverkas negativt och mycket snabbt om värmen runt dioden ökar, kompletteras mätningen med omgivningstemperaturen (Ta) och bör överensstämma med den som gäller vid normala driftförhållanden. Om inget värde anges så gäller uppgifterna vid normal rumstemperatur 25°C.

L70 50 000h Ta 25°C innebär att minst 50% kommer att lysa med minst 70% av det ursprungliga ljusflödet vid en omgivningstemperatur på 25°C efter 50 000 timmar.

Vi anger alltid ljusmängden och livslängden mätt på armaturen vid faktiska driftförhållanden och aktuell rumstemperatur

LED-armaturer/Drivdon

Driftdonsbortfall ingår i den standardiserade redovisningen av LED-armaturers livslängd. För kompletta LED-armaturer redovisas drivdonets livslängd separat och anges i timmar med ett bortfall i procent.50 000h/10% innebär att maxi-malt 10% av drivdonen kommer sluta att fungera under den angivna livslängden (0,2% per 1000h). Drivdonets livslängd påverkas av dess konstruktion, kvaliteten på komponenter och omgivningstemperaturen vid drift.

Rekommendationerna är baserade på dokumentet ”Evaluating performance of LED based luminaires” utgivet av LightingEu-rope, som stöds av de internationella produktstandarderna IEC 62722-2-1 – LED luminaires for general lighting och IEC 62717  – LED modulesfor general lighting.


Att installera LED

Som i all installation är det viktigt att man använder rätt typ och dimension på ledningarna för att installationen ska fungera bra och vara säker. När det gäller LED-installationer finns ytterligare några saker som man bör tänka på:

Använd endast drivdon avsedda för drift av LED. Nästan all LED är polaritetsberoende, eftersom vi arbetar med likström DC, så det gäller att hålla rätt på + och -.
Konstantströmsdioder som drivs med t.ex. 350mA eller 700mA ska dessutom alltid seriekopplas från + till -

De flesta LED-moduler är färgkodade. Ansluts dioderna med fel polaritet kommer de inte att lysa och kan skadas permanent. (+) Röd, Brun eller enligt märkning. (-) Blå, Svart eller enligt märkning

Effekt

LED drivs normalt med en konstantström på t.ex. 180mA, 350mA eller 700mA och för att räkna fram effekten (W) använder man som vanligt drivspänningen i volt (Vf) som ligger på ca. 3,5V x strömstyrkan (I) som ger följande formel för 350mA LED, 0,35A x 3,5V = 1,2W som avrundat blir 1W motsvarande formel för 700mA ger 2,5W avrundat till 3W.
Exakta värden finns på produktblad för respektive produkt. För LED som drivs med konstantspänning beräknas effekt (W) och strömstyrka (A) på samma sätt som för vanlig “lågvolts-belysning”.

Drivdon

För att garantera en bra drift och lång livslängd på LED-produkterna är det viktigt att alltid använda drivdon avsedda för LED med god kvalitet så att de skyddas mot överspänning, överström, överlast och kortslutning. Används andra drivdon än de som Hide-a-lite tillhandahåller eller rekommenderar ska de alltid omfatta följande skydd.
SELV
Kortslutningsskydd
Skydd mot överlast
Skydd mot övertemperatur

 

Två typer av dioder

Konstantspänning
Inbyggd strömreducering som drivs med t.ex. 10V, 12V eller 24V, som LED-stripar, ljuskedjor och LED för dekorativa ändamål. Här gäller parallellkoppling och dimensionering styrs av den totala effekten.

Konstantström
Utan inbyggd strömreducering som drivs med t.ex. 350mA och 700mA, som LED-downlights med högt ljusflöde för belysning. Här gäller seriekoppling och dimensioneringen styrs av den totala sekundärspänningen/effekten. 

Två typer av drivdon

Konstantspänning
Elektroniska likspänningstransformatorer t.ex. 10V, 12V eller 24V DC.

Konstantström
Elektroniska konstantströmskonvertrar t.ex. 350mA och 700mA.Båda typerna av drivdon finns idag både som ej dimbara och dimbara med de flesta teknikerna för ljusreglering.

I dag finns en hel del LED-produkter på marknaden med integrerade drivdon för direkt anslutning till 230V, till exempel ersättningsljuskällor med GU10 eller E27- sockel. Dessa kan inte alltid ljusregleras, men det finns idag många produkter på marknaden som kan ljusregleras med vanliga standarddimrar.


Att ljusreglera LED-belysning

LED är enkla att ljusreglera flimmerfritt mellan 0-100% med rätt teknik och kvalitet på drivdon. Men inte på samma sätt som vanliga glödljuskällor som ljusregleras genom att man med en extern dimmer reducerar spänningen till glödtråden som då blir svalare och producerar mindre ljus, färgtemperaturen sjunker och ljuset går mot det varma röda hållet. Dioder regleras normalt inte på detta sätt utan dimmern är oftast en integrerad del av drivdonet eller placerad efter drivdonet på lågvoltssidan.
Ljusreglering med rätt teknik leder till energibesparingar, förlängd livslängd samt ökad belysningskomfort. De dimbara LED-drivdonen som rekommenderas använder antingen en teknik som kallas pulsviddsmodulation (PWM), alternativt strömreduktion, även kallad amplitudmodulering (AM). 
PWM-dimring innebär att man bryter strömmen till dioden och därmed tänder och släcker den med en frekvens. Frekvensen bör ej understiga 300Hz vid reglering för att undvika flimmer.
AM-dimring innebär att man sänker strömstyrkan till dioden, tekniken minskar risken för flimmer. Båda teknikerna innebär normalt att ljusnivån sänks utan färgförändring, kan styras med de flesta standardsystem för ljusreglering, fas-  dimring, fas-impuls, DALI, DSI, DMX, 1-10V mm.

Ledningslängder

Konstantspänning
Ledningsmotståndet ökar vid högre belastning så normala dimensioneringsregler gäller, se till att dimensionera ledningarna så att spänningsfallet blir max 3-4%. Kontrollera drivdonets rekommendationer vad som avser max ledningslängd. Använd helst ledare av mångtrådig typ.
Halverad strömstyrka/effekt eller fördubblad ledningsarea = mer än fördubblad ledningslängd.
Vid en belastning av 15W och en ledningsarea på 0,5mm2 kan ledningslängden vara 8m för 12V och 25m för 24V.
 
Konstantström
Spänningsfallet till följd av ledningslängd är försumbart för konstantströmsdioder, här kan det t.o.m. vara så att om man använder för grova ledningsareor att strömmen får svårt att nå fram. Kontrollera alltid drivdonets rekommendationer avseende max. ledningslängd. Generellt gäller nedanstående rekommendationer avseende spänningsfall. Använd helst ledare av mångtrådig typ. Placera inte LED på samma grupp som lysrör eller andra induktiva laster.

För dimbara drivdon ökar risken för EMC-störning och här ska man vara extra noga med att följa tillverkarens rekommendationer och välja drivdon av hög kvalitet. Ett bra sätt att minska eller undvika störningar är att använda skärmad och/eller partvinnad kabel.

Fördelar för ekonomin

Hög energieffektivitet och en mycket långa livslängd på över 50 000 timmar ger låga underhållskostnader och dessutom en mycket låg energikostnad. Ett byte till LED-armaturer skulle ge stora besparingar i både hemmiljö och på de flesta offentliga platser både inomhus och utomhus. De LED-armaturer som finns på marknaden idag klarar gott och väl av de behov som finns för de flesta miljöer.

 

Fördelar för miljön

Den höga energieffektiviteten och långa livslängden gör att den totala miljö-påverkan blir liten eftersom energianvändningen är låg och att färre antal ljuskällor behöver bytas och tas om hand för återvinning. Nattaktiva insekter störs inte heller av LED-ljuset.

Nackdelar
•  Är mycket värmekänsliga och avger inte sin värme som        värmestrålning (IR) utan kräver värmeavledning och kylning på ett effektivt sätt annars förkortas livslängden avsevärt
•  LED-ljuset är monokromatiskt och har en annan karaktär än vanliga ljuskällor
•  Relativt dyra i inköp men med sin låga energiförbrukning och långa livslängd betalar de sig ofta på bara några år
•  Vita LED har fortfarande färgavvikelser och färgskiftningar som måste beaktas

 

Viktigt att tänka på

Lysdioders livslängd påverkas till största delen av värmen (omgivningstemperaturen). Se till att avkylning och ventilation är så god som möjligt och följ alltid tillverkarens minimi-rekommendationer. Använd alltid drivdon av god kvalité avsedda för LED-moduler.

Var noga med att kontrollera att polariteten är rätt vid inkoppling. Ansluts dioderna med fel polaritet kommer de inte att lysa och kan skadas permanent, ofta bara på någon sekund.

Våra produkter har en smalare sortering än standard för branschen för att garantera en så liten av avvikelse som möjligt. Trots det finns en risk för avvikelser som är upptäckbara för det mänskliga ögat. Därför är det viktigt att när det ställs stora krav på jämnhet att göra en provbelysning.

Kontrollera alltid hur tillverkaren anger livslängden, om den är relaterad till ett ljusbortfall och vid normala driftförhållanden, så att ni jämför äpplen och äpplen. Det finns fortfarande gott om leverantörer som felaktigt anger LEDs livslängd till 100 000 timmar eller mer utan att relatera till standardens krav på max ljusbortfall.

All information i denna dokumentation ska endast ses som allmän och vägledande. Exakt information om respektive produkt finns i produktblad och monterings-anvisningar på vår hemsida, www.hidealite.se.

Slutsatser

Jämfört med vanliga ljuskällor har LED många fördelar: 

Extremt små och tunna

Ljuset har ingen IR- eller UV-strålning

LED fungerar bra eller bättre i kalla miljöer, i  kylskåp ökar livslängden markant jämfört med vanlig rumstemperatur

Mycket lång livslängd

Okänsliga för stötar och vibrationer

Lätta att driva, startar direkt med full effekt och kan ljusregleras enkelt och flimmerfritt från 0-100%

Påverkas inte negativt av tändningar och släckningar, tvärtom ökar livslängden

LED har hög ljusstyrka och ljuset kan styras enkelt med plastlinser eller små reflektorer med små förluster

Innehåller inte kvicksilver eller andra tungmetaller

Drivs med lågvolt - enklare och säkrare installation