OliNo

Duurzame Energie

1000 lumen grens doorbroken met led

Geplaatst door Marcel van der Steen in Ledlampen Geef een reactie

OSRAM heeft onlangs een koudwit licht gevende led aangekondigd die meer dan 1000 lumen aan lichtstroom genereert. Dit is veel. Het zou de led helderder maken dan een 50 W halogeenlamp, ideaal voor allerlei verlichtingsapplicaties, bijvoorbeeld het verlichten van bureaus. Wanneer de led wordt uitgevoerd met een 38° reflector, geeft deze op 2 meter afstand meer dan 500 lux. De markintroductie zou zomer 2007 zijn.

Plaatje van OSTAR 1000 lm led


OSTAR

De led is een nieuwe versie van OSTAR verlichting. Dit type LED is voorbestemd voor gebruik in applicaties waar hoge verlichtingssterke gecombineerd met een kleine stralingshoek (dus gefocusseerd) wenselijk is.

Er zijn vier varianten die maar weining van elkaar verschillen:

  • de led gebaseerd op een module met 4 halfgeleiderchips, en dan met of zonder lens
  • de led gebaseerd op een module met 6 halfgeleiderchips, en dan met of zonder lens

Wanneer een lens wordt gebruikt, dan is de focussering nog groter, dus de stralingshoek kleiner.

Plaatje van OSTAR varianten

Figuur 1: de verschillende OSTAR varianten

Historie

Zoekende op de website, kom ik ook de jongere broertjes tegen van deze 1000 lumen led. Het lijkt erop dat er per jaar een verdubbeling van de lichtstroom optreedt:

# lumen publ. datum
200 mei 2005
420 jan 2006
1000 feb 2007

Ik heb over de 1000 lumen versie niet veel kunnen vinden anders dan een klein berichtje, maar over OSTAR veel meer, vandaar dat ik me richt op de technologie en daar wat meer over vertel.

Constructie

De module bestaat uit 4 danwel 6 chips van ieder 1 mm2 op een keramisch plaatje gemonteerd. De chips zitten ingekapseld in een omgeving van siliconen, wat zorgt voor bescherming tegen vocht. Deze siliconen zijn flexibel (dit in tegenstelling tot epoxy wat hard is en in gewone leds wordt gebruikt) en bij temperatuurwisselingen zal er minder stress komen op de chips en de draadverbindingen (bij gewone leds, met een epoxy behuizing, is dit juist een probleem, dat er extra stress komt bij hoge of lage temperaturen omdat de expoy anders uitzet dan de chip en de bedrading).

Het keramische plaatje met de chips zitten op een elektrisch geïsoleerde metalen bodemplaat. Dit voor een optimale warmteafdracht van de chips naar de plaat en uiteindelijk naar de omgeving. De bodemplaat is zeskantig, en geeft hierdoor vrijheid in het combineren en aaneenschakelen van deze modules.

Het licht

Het licht wordt genenereerd door de chips die zijn gebaseerd op de dunne film technologie ThinGaN (Gallium-Nitride). Met deze technologie wordt met hoge efficiënte een blauw licht gemaakt. Voor verlichtingsapplicaties die wit licht vereisen, wordt een zogenaamd converter materiaal gebruikt, dat rechtstreeks op het chip oppervlak is aangebracht als een soort van chipbedekking. Deze bedekking wordt heel homogeen aangebracht (met een uniforme concentratie) waardoor de geconverteerde lichthoeveelheid constant is over het oppervlak van de chip.

De typische kleurtemperatuur die met OSTAR witte leds wordt verkregen ligt in de range van 4500 tot 7000 K, wat dus koudwit licht is (dus geen warmwit!). Het licht van deze leds heeft verder een Color Rendering Index (CRI) van 80. Deze CRI is een objectief meetbare maat voor het vermogen van de lamp om de kleuren van verschillende objecten die het verlicht, te reproduceren. Een waarde van 100 is ideaal (100W gloeilamp en daglicht), en een waarde van 50 geldt voor een standaard warm-witte TL lamp. Zodoende is de waarde van 80 dus best goed.

Levensduur cq betrouwbaarheid

In de application note van OSRAM zelf over de OSTAR leds, zie ik geen specifieke getallen van levensduur. Daar waar we toch 50.000 uur of meer verwachten, wordt hierover niet gesproken. Overigens, met levensduur bedoel ik de tijd die de led zal blijven werken. En dat houdt weer het volgende in:

  1. geen katastrofale fout (dat de led het niet meer doet, bijvoorbeeld draadbreuk op de chip door bijvoorbeeld mechanische stress)
  2. geen terugval van lichtsterkte van meer dan 30 % (bijvoorbeeld door een verhoogde absorptie van de siliconen die om de chips heengekapseld zitten, dat weer komt door hoge temperaturen op de chip). Een dergelijke terugval zal niet zo snel opvallen. Let wel, in literatuur over betrouwbaarheid van leds wordt een lichtsterkte terugval van 50 % genomen. Ik vind dat zelf wat veel.

Ik had graag getallen gezien van een te verwachten levensduur, waarbij door OSRAM getest zou worden bij de maximale junctie (= chip) temperatuur en bij maximale stroom. En dan had ik daarnaast nog graag vermenigvuldigingsfactoren gehad voor het geval dat de led bij lagere temperaturen en stromen gebruikt zou worden. Hiermee zouden we het beste geholpen worden. In dat verband is de informatie over levensduur van de Luxeon leds veel beter gedocumenteerd. Alleen ik verwacht dat het bij de Luxeon led gaat om een veel lagere stroom en is dit niet 1-op-1 te gebruiken voor de OSTAR led.

Waar in de OSTAR application note wèl over wordt gesproken is over de noodzaak van goed koelen, om de levensduur niet te verkorten. De bodemplaattemperatuur mag de 85 graden niet overschreiden en de junctie (= chip)temperatuur afhankelijk va het type max 125 of 145 graden.

Bij het koelen wordt vaak een koelelement gebruikt. Deze moet goed bevestigd worden op de bodemplaat, met bijvoorbeeld koelpasta ertussen, om ervoor te zorgen dat ongelijke wanden toch goed warmtecontact maken.

Schema dat contactvlak aangeeft tussen bodem en koelplaat

Figuur 2: zorg voor goede termische verbinding tussen contactvlakken van bodem- en koelplaat

In een application note over thermal management wordt nog heel specifiek ingegaan over goed koelen. Daaruit blijkt dat het verstandig is om eem ventilator te gebruiken op het koellichaam, zodat het koellichaam fors kleiner kan worden. Tevens wordt goed uitgelegd dat geschakelde stroom (dus stroom snel aan- en uitschakelen) ook zorgt voor een betere warmteafdracht.

Tevens is het belangrijk dat de led en behuizing onder het monteren niet teveel mechanische spanning krijgt. De chips zijn ingekapseld in een silicone behuizing, die niet goed tegen mechanische stress kan die kan optreden bij het monteren.

Temperatuur

De junctietemperatuur (= van de chip) heeft een invloed op allerlei parameters:

  1. de spanningsval VF over de led, die afneemt bij hogere temperaturen
  2. de lichtstroom PHIV die afneemt bij hogere temperaturen
  3. de kleur van het licht, dat gelukkig maar marginaal verandert bij verandering van de temperatuur

De chiptemperatuur is weer afhankelijk van het door de led zelf opgenomen vermogen (stroom door x spanning over de led) en van de omgevingstemperatuur. Bij het designen van een stroombron die de led de stroom levert moet hiermee rekening worden gehouden.

Dimmen

Wanneer een led gedimd moet worden, dan kan dat door de stroom door de led te verminderen. Dit heeft echter direct een impact op de kleur van het licht van de led. Beter is het dan om middels een pulsbreedte sturing de stroom te sturen. Dit houdt in dat de stroom snel aan- en uitgeschakeld wordt. De stroom, wanneer deze loopt, is steeds dezelfde waarde, waardoor de lichtkleur hetzelfde blijft, alleen het licht gaat steeds aan en uit. Door dit snel te doen, zien we met onze ogen geen knipperen, maar een algeheel lagere intensiteit (met dezelfde kleur). Zie ook het figuur.

Plaatje van PWM stroomsturing

Figuur 3: Variaties in stroompulsbreedtes, leiden tot variaties in helderheid; D2 < D1 < D3

Omdat er gemiddeld een lagere stroom door de led gaat, zal de led(chip) ook minder warm worden. Al eerder heb ik verteld dat een verandering in temperatuur ook leidt tot een verandering van kleur, alleen dit is een veel kleiner effect. Dit blijkt te verwaarlozen. E.e.a. wordt ook uitgelegd in deze application note over dimmen van InGaN leds.

1000 lumen, en 500 lux op 2 meter afstand

Bij OSRAM beloven ze nogal wat, namelijk 1000 lumen aan lichtstroom en wel 500 lux aan verlichtingssterkte op 2 meter afstand. Kan dit wel waar zijn?

In OSRAMs’ algemene application note kom ik het voorbeeld tegen van de 420 lumen led. Deze is er dus in de variant met en zonder lens. De versie met lens en met 6 chips, heeft de grootste lichtstroom (420 lumen) en de grootste lichtsterkte (104 Cd), zie pagina 8. Deze twee, de lichtstroom en de lichtsterkte, hebben een relatie met elkaar, waar ik in een ander artikel eens op terugkom.

/wp-content/uploads/2008/articles/thousand_lumen_led_optische_karakteristieken_small.png
Figuur 4: de LE W E3B (6 chip) met 420 lumen en 104 Cd

In eerste instantie neem ik aan dat de 1000 lumenversie, een lichtsterkte zal hebben van 1000/420 x 104 = 248 Cd (lineair hoger). Dit komt overeen met een verlichtingssterkte van 248 lux op 1 meter afstand. De verlichtingssterkte neemt kwadratisch af met de afstand (zie ook de OliNo lampmeetopstelling) dus houdt ik op 2 meter afstand nog 248/4 = 62 lux over. Dit is heel wat minder dan 500 lux.

In tweede instantie vergelijk ik de opmerking van OSRAM, die stelt dat er een 38 graden lens wordt gebruikt. Welnu, de 420 lumen versie heeft een stralingsdiagram waaruit blijkt dat er waarschijnlijk een 65 graden lens is gebruikt.

Plaatje van de lichtsterkte karakteristiek van de 420 lm led

Figuur 5: de lichtsterkte afhankelijk van de hoek van uitstralen

Je ziet dat bij 0 graden, de lichtsterkte maximaal is. En dat deze weining afloopt, totdat de 65 graden bereikt worden, en dan gaat de lichtsterkte snel naar nul. Vandaar dat ik nu aanneem dat een lens van 65 graden is gebruikt.

Als ik nu een lens gebruik van 38 graden, dan worden de 1000 lm totale lichtstroom in die 38 graden gepropt, en heb ik dus een grotere lichtsterkte binnen deze 38 graden. Nu wil ik een inschatting maken hoeveel meer de lichtsterkte zal worden als gevolg van deze kleinere bundelingshoek. Ik heb daartoe de lichtsterkte karakteristiek van de 1000 lm led gelijk gehouden met die van de 420 lm led, behalve dan dat ik het snelle afvallen begin niet van 65 graden maar van 38 graden.

Plaatje van veronderstelde lichtsterkte karakteristiek van 1000 lm led

Figuur 6: Veronderstelde lichtsterkte karakteristiek van de 1000 lm led

Nu kom ik op een lichtsterkte van 525 Cd uit. Dit is heel wat meer dan een lineaire opschaling, maar dit komt omdat ik nu meer focusseer; de 1000 lumen aan lichtstroom worden nu geleverd in een kleiner gebied. Ik kom nu op 525 lux op 1 meter afstand, en 130 lux op 2 meter afstand. Nog steeds veel minder dan 500 lux op 2 meter afstand. Ik weet dan nog niet hoe OSRAM die 500 lux verlichtingssterkte haalt op 2 meter afstand.

In derde instantie kan het zijn dat ik die 38 graden verkeerd heb geïnterpreteerd, en stelt deze 38 graden de hoek van de totale uitstraling voor. Dat wil dan zeggen dat ik uit moet gaan van niet 38 graden aan één kant, maar 19 graden. Nu kan ik dezelfde actie uitvoeren bij “in tweede instantie” door opnieuw de lichtsterkte karakteristiek in te schatten die nu afloopt bij 19 graden. Ik doe het nu wat anders.

Ik ga uit van een ruimtehoek in sr die overeenkomt met een stralingshoek van 38 graden waarin alle 1000 lumen stromen naar buiten. Dan bereken ik hoe de lichtsterkte is a.g.v. deze 1000 lumen over een ruimtehoek van 38 graden. Deze lichtsterkte kan worden berekend door het aantal lumen te delen door de hoeveelheid ster-radialen, dus:

Formule die lichtsterkte berekent uit de lichtstroom en de ruimtehoek

Formule 1: berekening van de lichtsterkte IV uit de lichtstroom F en de ruimtehoek in sterradialen

Nu kom ik op een heel hoge waarde van 2900 Cd, en dat zou betekenen een 2900 lux op 1 meter afstand, en daardoor ruim 700 lux op 2 meter afstand! De ruimtehoek waarin ik licht heb is nu 38 graden, dat wil zeggen dat op twee meter afstand, ik geen licht meer heb buiten een circel met straal van 69 cm. Dit is al best veel!

Efficiency van 75 lm/W bij een stroom van 350 mA

Dat is een prima efficiency voor een led, zie ook het schema op Wiki en kijk naar de “Overall
luminous efficacy (lm/W)”, die aangeeft hoeveel elektrisch vermogen erin moet en hoeveel zichtbaar licht eruit komt. 75 lm/W is een waarde die ook door Cree gerapporteerd wordt bij leds die 350 mA aan stroom trekken.

Dit geeft tevens aan dat, met een 1000 lm lichtstroom in totaal, de led een vermogen opneemt van maar liefst ruim 13 Watt, en bij een stroom van 350 mA, wil dat zeggen dat er een spanningsval overheen moet vallen van bijna 40 Volt. Omdat er 6 chips gebruikt worden, neem ik aan dat ze in serie staan (alle leds dezelfde stroom) en dat er dus per chip een spanningsval van 6,5 Volt is. Dit is wel erg hoog, en veel hoger dan ik zou verwachten (namelijk een waarde van 3,5 V tot misschien max 4,5 V).

Conclusie

Het ziet ernaar uit dat OSRAM ieder jaar wel een verdubbeling haalt aan lichtstroom uit de leds die het maakt. Dat is erg goed, en gaat de leds snel lichtsterk genoeg maken om energieverslindende halogeenlampen te vervangen.

De betrouwbaarheid is onbekend, en ik verwacht eigenlijk niet dat deze high powerleds wel 50.000 uur zullen leven zoals hun kleine broertjes het doen (de bekende rode ledjes). Ik zou graag wat specifiekere informatie willen hebben.

De lichtstroom van 1000 lux kan bij een ruimtehoek van 38 graden leiden tot ruim 500 lux op een bureau dat 2 meter onder de led vandaan staat. Een lux waarde van 2900 lux op 2 meter recht onder de lamp is zelfs meer dan de 50 W halogeenlamp, zie daarvoor ook het artikel met de meetgegevens van halogeenlampen.

De efficiency van 75 lm/Watt lijkt wel aannemelijk, daar dit al een bekende en behaalde waarde is door andere led-leveranciers. Echter een spanningsval van 6,5 V voor een InGaN led klinkt mij wel onwaarschijnlijk hoog.

Ik ben erg benieuwd naar de betrouwbaarheid en de prijs van deze ledlamp, omdat het wel veelbelovend is.

14 Reacties to “1000 lumen grens doorbroken met led”

  1. Jeanne Eisenhut Says:

    Another excellent article, Marcel. I appreciate the references noted in the piece and have a better understanding of your article because of them.

  2. Kees Says:

    Marcel.

    Heb je dit al gezien?
    http://www.leds.de/productinfo.php?info=p266Seoul-Z-LED-P4-Star–wei—240-Lumen.html

    240 lumen uit een single led.
    Laat ze deze eens uitvoeren als 4-of6 delige led dan wordt de 1000lumengrens zeker overschreden.

    Verder eindelijk een duidelijk en “verhelderend” artikel.

    Kees.
    Ledkoplamp amateur.

  3. Kees Says:

    reply mogelijk voor bv. schema’s/foto’s

  4. Kees Says:

    http://www.leds.de/productinfo.php?info=p266Seoul-Z-LED-P4-Star–wei—240-Lumen.html

  5. Kees Says:

    weeweewee.leds.de/product_info.php?info=p266Seoul-Z-LED-P4-Star–wei—240-Lumen.html

  6. mvdsteen Says:

    Kees, bedankt voor de tip. Ik heb een sample besteld. Kom er nog op terug.

  7. Jan Meeremans Says:

    Beste Marcel,

    ik ben nogal onder de indruk van je artikelen. Ik was op zoek om halogeen fiber verlichting (we gebruiken nu Schott) (voor een highspeed scanner) te vervangen door een LED verlichting. Heb jij een idee of dat bestaat of te bouwen valt? We hebben wel wat licht nodig en liefst met een spectrum dat veel blauw bevat.
    Alvast bedankt!

  8. mvdsteen Says:

    Jan,
    Ikzelf heb als doel om mijn halogeenverlichting te vervangen door leds, en helaas ben ik nog geen ideale led als vervanger tegengekomen. Ik zoek dus wel een led met warmwit licht. Derhalve heb ik nog geen ervaring met blauwe leds. Navraag bij een goede vriend van me leverde het volgende op:

    1. Het nieuwe Lumiled-type, de Luxeon Rebel, is in een behoorlijk grote
      kleurenrange te krijgen, er zijn nu zelfs drie typen wit (cool, standaard en
      warm), drie soorten blauw (blue, royal blue en cyan)
    2. Er is een nieuwe generatie Lumileds uitgekomen, powerleds in SMD-uitvoering.
      Zie: Lumileds 1 en Lumileds 2. het mooie van deze smd-powerleds is, dat je er geautomatiseerd een compact array mee kunt bouwen, ideaal voor een scanner-lightbar.
      Als je een led doorgemeten zou willen hebben, stuur er eentje op en ik meet hem wel voor je door.
  9. Jan Meeremans Says:

    Marcel,

    Bedankt voor de info. Ik lees het één en het ander na. Als ik er te pakken krijg, bezorg ik je eentje.

  10. Jan Meeremans Says:

    Marcel,

    Bedankt voor de info. Ik spreek dit eens door met Darren of we dit kunnen gebruiken.

  11. mvdsteen Says:

    @ Jan,
    Laat maar weten, succes met de opvolging.

  12. Ries Lit Says:

    Goedemorgen Marcel,

    Op de site zie ik geen andere manier om contact op te nemen, vandaar via de mail.
    Ik ben werkzaam bij het Energiecentrum (www.energiecentrum.nl). Wij zijn een stichting die zich bezighoudt met energiebesparing bij MKB ondernemers. Een onderwerp daarbij is natuurlijk de verlichting. Inmiddels zijn wij in contact met een aantal leveranciers van LED verlichting. Graag zouden wij ook in contact komen met jou om te kijken of wij elkaar over en weer kunnen ondersteunen.

    Met vriendelijke groet,

    Ries Lit

  13. roeland de vriese Says:

    Hallo, een vraagje. Is het nu waar dat er ondertussen reeds witte leds bestaan met een rendement van meer dan 125 lumen per watt? Waar kan je die bestellen?

  14. mvdsteen Says:

    Dag Roeland,
    Misschien zijn ze er al. Ik ken op dit moment de 117 lumen/W leds, zoals gebruikt in deze lamp. Je ziet wel dat de lampefficiëntie een suk lager is, mede vanwege de in opmerking 2 gegeven redenen. Ik weet zo ook niet hoe je als particulier aan deze leds kunt komen.

Geef een reactie

WP Theme & Icons by N.Design Studio
Gebruiksvoorschriften | Privacybeleid Adverteren Entries RSS Comments RSS Log in