LED (lysdioder)

Lystekniske data

Lyset fra en LED afhænger både af strømmen, temperaturen, betragtningsvinklen og LED'ens brændtimer

Som for alle andre typer lyskilder er der en sammenhæng mellem effektiviteten og kvaliteten af lyset fra en LED. Man kan sagtens opnå en høj farvegengivelse, men det går ud over effektiviteten. Omvendt vil en høj effektivitet betyde forringet farvegengivelse.

Lysdioder fås med farvetemperaturer ned til ca. 2600 K. Effektiviteten for disse udgaver er dog sjældent særlig høj i forhold til effektiviteten for lysdioder med høje farvetemperaturer.

Lysstrøm
Lysstrømmen fra en LED varierer og afhænger bl.a. af LED-typen. Mens en radial LED har en lysstrøm på maks 10 lumen, kan en SMD-LED kan have en lysstrøm på op til ca. 600 lumen (f.eks. XP-serien fra Cree, 1,5 A, 4000K, 25 °C). Lysstrømmen er imidlertid afhængig af både strømmen og temperaturen i LED-chippen.

Lysstrømmen vil aftage med tiden. Dagens bedste LED'er (2016) vil have mistet ca. 30 % af deres lysstrøm i løbet af 250.000 timer stærkt afhængig af driftsforholdene (f.eks. Samsungs LH351B som har en forventet levetid på 280,000 timer ved 105 °C, 1A). 

LED'er vil altid udsende mest lys i kold tilstand, og derfor er lysstrømmen højest lige efter opstart. Efter kort tid vil temperaturen have stabiliseret sig, og lysstrømmen vil være noget lavere. Når temperaturen øges fra f.eks. 25 til 100 °C, er en reduktion af lysstrømmen på ca. 15 % er ikke usædvanlig.

Lysudbytte
Energieffektiviteten (lm/W) kan blive meget høj ved små effekter, men her er lysstrømmen dog meget lav. Eksempelvis er der i laboratorier opnået en effektivitet på ca. 300 lm/W ved ca. 10 mA, men lysstrømmen var kun ca. 10 lumen.

Markedets bedste LED til praktiske formål ligger i dag med effektiviteter helt om mod 170 lm/W ved en farvegengivelse på 80, en farvetemperatur på 3.000 K og en junction-temperatur Tj på 85 °C. Udviklingen har indtil videre fulgt den såkaldte Haitz' lov, som forudsiger, at effektiviteten øges med en faktor 20 over 10 år, samtidig med at anskaffelsesprisen målt i kr/lm falder med en faktor 10.

I praksis er lysudbyttet fra et komplet LED-armatur eller LED-erstatningslyskilde kun halvt så stort som lysudbyttet fra en LED-komponent målt under ideelle driftsforhold. Det skyldes tab som følge af høj chiptemperatur samt tab i optiske komponenter som linser og afskærmninger. Hertil kommer tab i driveren. En god LED komponent med en farvetemperatur på 3.000K og med en farvegengivelse på 80 kan fås med en effektivitet på ca. 120-140 lm/W. Lysudbyttet fra et armatur med denne type LED vil sjældent overstige 100 lm/W (2016).

Den teoretiske grænse for 100 % effektive LED'er ligger på ca. 350 lm/W ved en farvegengivelse på 80 og en farvetemperatur på 3.300. Ved en farvegengivelse på 100 er den øverste teoretiske grænse ca. 250 lm/W.

Det er også muligt at blande lyset fra flere ensfarvede LED'er og af den vej opnå RGB-lys, som syner hvidt. Denne teknik giver mulighed for endnu højere effektiviteter. Ved blanding af tre rene spektralfarver med bølgelængderne 474nm (blå), 540nm (grøn) og 616 nm (rød) kan f.eks. opnås 359 lm/W ved 3.300 K og en Ra-værdi på 30-80, men spektralfordelingen er ikke videre jævn.

 

kl-60-40-50-ra-værdi-og effektivitet-low.jpg

Sammenhæng mellem effektivitet og Ra-værdi for LED'er med forskellig lysfarve.

 

Spektralfordeling
Alt efter, hvilket type LED der er tale om, kan spektralfordelingen variere. Spektralfordelingen for en hvid LED indeholder alle farverne i det synlige spektrum, men med forskellige intensiteter. LED'ens spektralfordeling er således kontinuert, og derved adskiller LED sig fra andre luminescenslyskilder, som kun udsender deres lys i skarpt afgrænsede bølgelængdeområder.

De fleste hvide LED'er baserer sig på blå LED'er, der belyser et fosforescerende lag og derved udsender hvidt lys. Det er desuden muligt at frembringe hvidt lys med LED'er af forskellig farve, men de anvendes normalt ikke til almen belysning og vil ikke blive omtalt nærmere.

Det fosforescerende lag i LED'en bestemmer spektralfordelingen og derved også farvetemperaturen, farvegengivelsen og effektiviteten.

 

kl-60-40-40-carsten-dam-hansen-tre-sprektralfordelinger-led-high.jpg

Spektralfordelinger for LED'er med forskellige lysfarve; varm (tv), neutral (m) og kold (th).

 

Farveegenskaber
En LED's farveegenskaber er givet af spektralfordelingen. Alle farver er repræsenteret i spektret, men med forskellig vægt. Vægtningen af farver er meget anderledes end ved f.eks. glødepærer. Det ses bl.a. ved den store mængde af blåt lys og begrænsede mængde rødt lys. Blå farver vil derfor ofte fremhæves bedre ved brug af hvidtlysende LED'er end af glødepærer, selvom der ikke nødvendigvis er den store forskel i hverken farvetemperatur eller farvegengivelse. Hvidt LED-lys kan tilføre det betragtede emne dybe mættede farver. Det er en fordel ved f.eks. butiksbelysning, men en ulempe i forbindelse med belysning i badeværelser. Farvestabiliteten kan være meget forskellig blandt de forskellige fabrikanter af LED'er. I uheldige tilfælde kan der være en synlig forringelse efter få tusinde brændtimer.

Ved anvendelse af LED'er i lange rækker vil selv små forskelle i nuancerne af det hvide lys straks vil springe i øjnene, uanset om de har ens farvetemperatur og farvegengivelse.  Løsningen er at angive sortere produktionen i 'bins', som har nogenlunde samme nuance. LED'er kan fås sorteret i bins efter snævre farvetolerancer, hvor farven er præcist målt mht. kromatiske koordinater. Producenter af LED tilbyder ofte LED'er med veldefinerede kromatiske koordinater, som fordeler sig i 'bins' rundt om den 'Black Body Locus' eller 'Planck's locus'. Nogle producenter har sit eget system af bins, og andre kører efter amerikansk standard, de såkaldte ANSI-bins.

 

  kl-60-40-70-dtu-fotonik-cie-1931-binning-low.jpg

CIE-farvetrekant (1931) med indtegnede bins. Figur: DTU Fotonik.

 

Hvis LED'er anvendes enkeltvis, vil det normalt være tilstrækkeligt at beskrive dem ved deres farvetemperatur og farvegengivelse, men også i dette tilfælde er der kritiske forhold. Farven af lyset vil ændre sig over tid afhængig af chippens temperatur og strømmen. Desuden er det ikke usædvanligt, at farvetemperaturen ændrer sig afhængig af betragtningsvinklen.

MacAdam ellipser
David L. Macdam helt satte sig  i 1930'erne sig for at redegøre for hvor store farveforskelle man egentlig kan skelne. Han gennemførte undersøgelser med et stort antal forsøgspersoner. Han konkluderede dels, at der er en del individuelle forskelle på, hvor små farveforskelle man kan opfatte, og dels at jo varmere spektret er, desto lettere er det at se forskellene. Af samme grund er binningen tættere i den varme ende af Black Body Locus.

For at kompensere for de individuelle sanseforskelle arbejdede MacAdam med sandsynligheder:

  • Inden for 1 MacAdam steps (1 SDCM) vil næsten ingen kunne skelne en farveforskel
  • 2-4 SDCM kan lige akkurat skelnes af nogle få
  • 5-7 SDCM kan skelnes af mange/de fleste.

Disse sandsynligheder kan (ligesom binningstrukturen) plottes i farvespektrumdiagrammet, og bliver nogle uden på hinanden liggende ellipser. Jo mindre en ellipse, de enkelte LED'erne ligger inden for, desto sværere er det at skelne farveforskellene.

Producenterne bliver bedre og bedre til at ramme Black Body Locus, og lige nu (2016) kan de førende LED-leverandører levere næsten hele produktionen inden for 2 MacAdam Steps (2 SDCM). Til udendørs belysning vil 5-7 SDCM i mange til fælde være tilstrækkeligt, da lyskilderne ikke sidder meget tæt, hvor 2-3 SDCM vil være et godt til indendørsbelysning med gentagne rækker af ens armaturer.

For lysrør har konventionen længe før LED været at holde farvetolerancen under 3,5 MacAdams steps. Det betyder, at der kan være synlig farveforskel fra ét rør til det næste.

Levetid
Ved optimale driftsforhold har LED'er en lang levetid. I modsætning til andre lyskilder ophører de sjældent med helt at afgive lys. Derfor angives levetiden for LED'er som den tid, der går, indtil lysstrømmen er aftaget mærkbart. Grænsen er sættes ofte ved en nedgang i lysstrøm på 30 %, som betegnes L70. Levetider angives altid for en større mængde lyskilder, og når gennemsnittet af disse har nået L70 grænsen, siges LED'ens levetid at være nået.

Levetiden giver imidlertid kun mening, hvis LED'ens temperatur og strøm også anføres. Det skyldes, at temperaturen er den afgørende faktor for levetiden. En temperaturstigning på 10 °C halverer levetiden for visse typer af LED'er. Andre faktorer, der påvirker levetiden er fugt, kemikalier, statisk elektricitet og mekaniske spændinger

Da en fuldstændig test af levetiden ville tage 10-20 år, er det umuligt at teste LED'en i hele dens levetid. I stedet testes LED'erne i ca. 1.000 timer, og derefter fremskrives levetiden efter en standardiseret statistisk metode (LM-80).

LED'ens egenskaber og udbytte testes efter LM79-08. Ældingen testen over 5.000 timer efter LM80-08, mens ældningen fremskrives efter TM-21-11 (alle er standarder fra Illuminating Engineering Society of North America IESNA).

 

kl-60-40-80-philips-luxeon-rebel-reliability-datasheet-high.jpg

Sammenhæng mellem levetid og 'junction temperature, Tj' for LED'er ved forskellig driftstrøm.  Junction-temperaturen er LED'ens indre temperatur, som kan være umulig at måle i praksis. Derfor opgives ofte 'casing'- temperaturen Tc, som henviser til et praktisk målepunkt uden på LED'en. Figur: Philips.

 

Relaterede emner: