Højere effektivitet er svaret på LED'ens varmeproblem
Lysdioder betragtes ofte som en kold lyskilde, men faktisk er varmeudviklingen den største hindring for kraftigere LED-lys. Derfor forsker producenterne i at optimere materialer og konstruktion, så LED'erne bliver et reelt alternativ til sparepærer og halogenlamper.
Multimedia
Infografik:
LED'er giver lys – men også varme
Læs også
Læs mere om
LED-belysning er i stærk fremmarch, ikke mindst i private virksomheder, og hver måned kommer nye, kraftige lysdioder på markedet. I de senere år har producenterne formået at fordoble lysudbyttet fra de små lysdioder hvert tredje år, og den seneste fordobling er endda sket på kun to år, så der nu er lysdioder i handlen med en effektivitet på 140 lumen pr. watt.
I laboratorier er det lykkedes at nå op på mere end 200 lm/W, og det teoretiske maksimum menes at være på 230 lm/W. Det skal sammenlignes med glødepærens energieffektivitet på højst 13 lm/W, sparepærens 75 lm/W og cirka 90 lm/W for lysstofrør.
»Det går meget stærkt i øjeblikket. Philips Lumileds, Cree, Nichia og Osram Opto Semiconductors er de producenter, der er længst fremme lige nu,« fortæller Rune S. Larsen, som rådgiver virksomheder om LED-belysning og står bag LED-løsninger i flere større danske virksomheder.
Han har netop udgivet bogen 'Lys-emitterende dioder', der især henvender sig til ingeniører, arkitekter og el-installatører med sin udførlige gennemgang af LED'ens opbygning, teorien bag og tekniske anvisninger.
Med et energiforbrug på ca. en femtedel af glødepærens, en levetid på op til 50.000 timer og en farvegengivelse på op til 98 på Ra-skalaen, bliver LED-løsninger stadigt mere populære - ikke mindst hos virksomheder, der står over for at renovere deres belysningsanlæg.
Men den lange levetid kan blive drastisk forringet, hvis LED'en placeres, så den ikke kan komme af med varmen.
»Mange mener, at lysdioder er en kold lyskilde. Det er sandt i den betydning, at et element ikke er opvarmet til flere tusinde grader for at producere lys. Men lysdioder producerer varme, og indtil videre har der været mange fejl med lysdioder på baggrund af forkert dimensionerede konstruktioner,« påpeger Rune S. Larsen.
Hvis lysdioden bliver for varm, vil det typisk gå ud over farvekvaliteten, så lyset bliver mere blåligt, efterhånden som varmen får det tynde lag fosfor oven på lysdioden til at degenerere. Fosforens funktion er nemlig at farve det kolde lys fra dioden rødligt.
For meget varme kan også få LED'ens driver til at svigte, eller der kan ske en svækkelse af det epoxy-kunststof, der indkapsler halvlederen.
Af samme grund forsynes LED-armaturer typisk med store køleribber i aluminium, som kan hjælpe lysdioden af med varmen. En ventilator kan forstærke afkølingen yderligere, men dels støjer den en smule, dels kan den svigte, uden at det opdages i tide.
På samme måde kan det også give problemer med overophedning, hvis man sætter en kraftig LED-erstatningspære i en PH-lampe eller en anden lukket lampe, forklarer Rune S. Larsen.
Varmeudviklingen er også en af LED-branchens udfordringer, når det gælder at udvikle LED-lamper med høj lyseffekt.
»Du kan sagtens konstruere en LED-lampe, der svarer til en 500 watts-glødepære, men det bliver en stor konstruktion,« siger Rune S. Larsen, der er uddannet elektriker og el-installatør og har specialiseret sig i LED-teknologien blandt andet gennem kurser i Kina og mange besøg hos kinesiske LED-producenter.
Han fortæller, at fabrikkerne lige nu bl.a. forsker i at forbedre lysdiodens varmeafgivning, så den kan overføre mere varme til kølefladen, og i at nedbringe den termiske modstand i selve lysdiodens halvleder. Målet er at øge effektiviteten, så der udsendes mere lys med det samme varmetab.
»Man udvikler bl.a. på den vækstsubstrat, som dopes på halvlederen for at skabe de urenheder, der skaber PN-forbindelsen. Og så forskes der i de materialer, som halvlederen består af. Man prøver at gøre den mere ren - inden den bliver påført urenheder,« forklarer Rune S. Larsen.
Også på driver-området er der store muligheder for forbedring, idet der for eksempel kan være et effekttab i en driver, der forsyner en 5 W-LED, på 0,5-1 W samt et varmetab på 10 procent. Der findes allerede i dag LED'er, der kan forsynes direkte fra netspænding helt uden drivere, men de er endnu ikke helt så effektive, siger han.
Selv om priserne på LED falder cirka 10 procent om året, er niveauet stadig så højt, at de fleste private forbrugere holder igen med at skifte til LED-pærer. En god erstatning for en 60 W-glødepære kan let løbe op i over 500 kroner.
»LED er i dag stadig mest henvendt til virksomheder, der bruger store beløb på belysning, og som har lyset tændt i 12 timer om dagen. For private, der har lyset tændt i højst fire timer om dagen, bliver tilbagebetalingstiden måske seks år,« siger Rune S. Larsen.
Men det vil ændre sig, i takt med at priserne falder, påpeger han. Ifølge Rune S. Larsen ligger LED'ens fremtid i færdige armaturer, der blandt andet vil være i stand til at regulere farvestyringen, alt efter hvordan dagslysindfaldet er.
Den lange levetid er et af LED-producenternes bedste salgsargumenter, også fordi det gør dem velegnede til brug på steder, hvor det for eksempel er besværligt at udskifte pærer. Af samme grund påpeger Rune S. Larsen behovet for uafhængige test, hvor man efterprøver producenternes oplysninger om LED'ens levetid og forringelsen af lysstyrken over tid.
»Det findes mange erstatningslyskilder på markedet fra Kina af tvivlsom kvalitet, hvor producenten får konstruktionen udefra, samler den og sender den til Danmark,« siger han og understreger også behovet for standarder, som producenterne skal leve op til.
De er under udarbejdelse, blandt andet hos det amerikanske National Institute of Standards and Technology (NIST), ligesom Illuminating Engineering Society of North America har offentliggjort en standard for metoder til test af lysudsendelsen og energieffektiviteten i LED'er.
Rune S. Larsen: 'Lys-emitterende dioder' 284 sider, 499 kr. (hardcover) eller 299 kr. (e-bog), www.ledbogen.dk. Ingeniørens læsere får 10 pct. rabat med koden ing10.
