LED (lysdioder)

El-tekniske forhold

Den elektriske strøm gennem en LED er proportional med lysstrømmen. Spændingen afhænger af strømmen gennem LED'en og LED'ens temperatur.

En LED begynder først at lede strøm, når den påtrykte spænding overstiger tærskelspændingen. Tærskelspændingen afhænger af det materiale, som LED-chippen er opbygget af. Røde LED'er består typisk af AlInGaP og har en noget lavere tærskelspænding end blå LED'er af InGaN. Det betyder, at spændingen over en rød LED typisk kun er 2,2 V mens den er 3,2 V over en blå LED, selvom strømmen gennem begge LED'er er 350 mA. En højere strøm vil altid forøge spændingen over en LED.

Spændingen er temperaturafhængig og måles normalt ved 25 ºC. Ved højere temperaturer falder spændingen med ca. 2 mV/ºC. De fleste LED'er til almen belysning forsynes med en konstant strøm, der uundgåeligt vil medføre en temperaturstigning og dermed et fald et lysudbyttet. Disse LED'er er normalt specificeret ved 350 mA. Hvis de forsynes med en højere strøm, øges mængden af udsendt lys (lm). Imidlertid falder effektiviteten (lm/W) samtidig.

 

kl-60-50-20-carsten-dam-hansen-led-strømstyring-high.jpg

Figuren viser lysstrøm og effektivitet som funktion af strømmen gennem LED'en.
Figur: Carsten Dam Hansen.

 

Flimmer

Flimmer er vigtigt på grund af de mulige konsekvenser for menneskers sundhed, der, som beskrevet i IEEE Standard 1789-2015, kan omfatte træthed i øjnene, hovedpine, tab af koncentration og produktivitet, og for nogle mennesker, kvalme og epileptiske anfald. Også "usynligt" flimmer kan give gener, ligesom flimmer i produktionsmiljø med drejende maskiner kan være decideret farligt. Nogle mennesker er langt mere følsomme end andre.

Generelt er flimmer forårsaget af variationer i den strøm, der driver lyskilden. Glødepærer flimrer med de 50-60 Hz vekselstrøm, der driver dem, og det gjorde også fluorescerende lyskilder før højfrekvensforkoblingernes tid. LED har en utrolig hurtig responstid, og er særligt følsomme over kvaliteten af deres driver. Lysdioder kan dæmpes til ca. 20% ved at reducere den jævnstrøm, der driver dem, men virkelig dyb dæmpning til 0,1% eller endda 1% kræver, at vi modulerer lyset - altså tænder og slukker LED'erne i hurtigt tempo. Den meget almindeligt brugte PWM-dæmpning bygger på dette princip (Pulse-Width-Modulation). Det er altså driverne, som får LED'erne til at flimre - ikke LED'erne selv.

Flimmer kan være synligt eller usynligt, men selv usynligt flimmer kan give gener. Vores øjne har en begrænset responstid kaldet Critical Fusion Frequency. Hvis modulationen er hurtig nok, flyder lysimpulserne sammen i et enkelt, gennemsnitligt niveau. Denne CFF-frekvens er tærsklen, hvor flimmer ikke kan ses.

Men der er formentlig mange faktorer, som er relevante for vores opfattelse af flimmer:

  • Frekvens - hvor hurtigt lyset ændrer
  • Amplitude eller modulationsdybde - forskellen mellem maksimalt og minimalt lysniveau
  • Gennemsnitligt intensitetsniveau og navnlig "duty cycle" eller gennemsnitlig "oppetid"
  • Bølgelængde eller lysets spektrum
  • Vinkel i forhold til øjet - hvilken del af nethinden, som modtager lyset
  • Adaptationsniveau, hvilket påvirker både følsomhed og tidsopløsning i øjet
  • Fysiologiske faktorer som alder, træthed og genetisk betinget følsomhed

IEEE Standard 1789-2015 beskriver flimmers indflydelse på helbredet, og hvordan vi undgår gener. Ifølge denne standard kan vi ofte simplificere til bare to parametre - frekvens og modulationsdybde - som det fremgår af grafen. Her taget dog ikke hensyn til individuelle faktorer. Således indeholder mange datablade værdier for frekvens, "flicker percent" og "flicker index" - de to sidste nævnte beskriver generelt bølgeform og modulation.

Det rigtige ord er formentlig slet ikke flimmer længere. I forskerkredse bruges nu den ikke videre mundrette samlebetegnelse 'temporal light artefacts', som dækker over tre begreber:

  • Flicker (meget synligt som fra en blinkede cykelygte),
  • stroboskopeffekter (som ses, hvis man f.eks. vifter en pen hurtigt i lyset), og endelig
  • 'Phantom array' effekter (som opleves med hurtige, sideværts øjenbevægelser). Navnlig sidstnævnte kan være rigtig svært at se, kræver høj kontrast og er ikke særlig relevant i praktisk belysning.

Alle tre fænomener opleves forskelligt fra person til person. Det betyder også, at hvis man skal måle fænomenerne, så bliver metrikkerne sandsynligheder - altså hvor stor er sandsynligheden for, at man f.eks. kan opleve stroboskopeffekter i en bestemt situation. I CIE-sammenhæng er der nu vedtagne metrikker (Pst beskrevet i IEC TR 61547-1:2015 for flicker og SVM for stroboskopeffekter), som passer meget bedre med menneskelig perception end de gamle metrikker (frekvens, "flicker index" og "flicker percent"), men nu mangler der så grænseværdier til brug for praktisk lysdesign.

Alle er enige om at flimmer er noget skidt, men der mangler forskning inden for, hvor store værdierne af Pst og SVM, som kan tillades i praksis. For begge metrikker gælder, at ved værdien 1, så kan 50% af os lige nøjagtig skelne effekten, eller i gennemsnit gætte/sanse forkert hver anden gang. Med tiden kan de nye metrikker indbygges i applikationsstandarder som DS/EN 12464-1, som kan specificere praktiske maksimumværdier. Fremtidige krav kan f.eks. blive noget i retning af:

  • Short-term flicker metric for visible flicker PstLM ≤ 1.0
  • Stroboscopic Visibility Measure SVM <0.4

I mellemtiden kan f.eks. henholde sig til anbefalingerne fra PremiumLightPro:

Krav jf. IEEE 1789: 2015, f er flimmerfrekvens, FM er Flimmermodulationsdybden beregnet efter (Φmax - Φmin)/( Φmax + Φmin)

f £ 90 Hz

Maksimum FM £ (0,025-f)

90 Hz £ f £ 1250 Hz

Maksimum FM £ (0,08-f)

f > 1250 Hz

Ingen FM krav

 Derfor:

  • Insistér på at se armaturerne i drift, før du godkender det. Se den også i alle relevante dæmpningstilstande.
  • Køb en håndholdt flimmermåler af god kvalitet og lær at bruge den.
  • Bliv fortrolig med flimmermetrikkerne, og tilskynd producenterne til at offentliggøre disse tal på databladene
  • Spørg dine kunder om, hvor følsomme de er over for flimmer

Relaterede emner: