Peter Baasch började sin karriär som hårdvaru-konstruktör på Bang & Olufsen och Brüel & Kjaer. För 11 år sedan började han på Future Electronics där han idag arbetar som applikationsingenjör med lysdioder från Philips Lumileds och Avago.

Samma starka argument gäller även flygfältsbelysning på start-, landnings- och taxibanor. Numera används lysdioder för färgsignalbelysning och även i viss utsträckning även för vit belysning på flygfälten. Dessutom visar lysdiodtillverkarnas tekniska vägkartor att all vit signalering på flygfälten kommer att ersättas av halvledarbelysning inom en inte allt för avlägsen framtid. Det är emellertid sant att beslutet att ersätta glödlampor med halvledarbelysning inte alltid är så lätt att fatta. Inköpskostnaden för halvledarljuskällor förmodas bli hög och den metod som används för att beräkna kostnader för underhåll och utbyte skiljer sig från den som används för traditionell belysning.

När det gäller flygfältssignalering bidrar även utomstående faktorer, framför allt gällande strömförsörjning och reglering av flygfältsbelysning, till att göra utvärderingen av lysdioder mer komplicerad. Den här artikeln vill ge lösningar på dessa utmaningar som en hjälp att säkerställa att de kostnads- och driftsmässiga fördelar som lysdioder innebär kan överföras även till flygfältsbelysning.

För i synnerhet taxibanor finns mycket starka skäl att använda lysdioder. Såväl på flygplatser som på andra håll minskar den höga tillförlitligheten och långa livslängden hos lysdioder kostnaderna för reparation och underhåll och bidrar till att eliminera driftstopp. På flygfälten är mekaniska vibrationer - föga överraskande - det största hotet mot de halogensignallampor som vanligtvis används. Lysdioder i sig är naturligtvis inte immuna mot sådan skada (vilket betyder att lamphållarna måste konstrueras mycket noggrant så att de står emot vibrationer). Dessutom minskar de högeffektiva lysdioderna energikostnader och bidrar till en bättre miljö jämfört med halogenlampor, särskilt i färgad belysning.

Blinkande ljus används mycket ofta och sådan funktionalitet förkortar en halogenlampas livslängd men påverkar inte en lysdiod överhuvudtaget. Det är en faktor som ytterligare påvisar fördelen med lysdiodernas långa driftstid.

Lysdioder passar utmärkt i alla signaltillämpningar på ett flygfält förutom i de vita huvudljusen som används på start- och landningsbanor (till skillnad från taxibanor). Lysdioder är ännu inte tillräckligt kraftfulla för att användas i sådan huvudbelysning.

Lampor på start- och landningsbanor får endast vara vita och enligt föreskrifterna ha en ljusintensitet på 5 000 cd (candela). Även om man antar att lins och prisma är 100-procentigt effektiva (vilket i praktiken är omöjligt) skulle ändå en lysdiod med ungefär 200 lumen krävas. Vid första anblicken tycks det vara inom räckhåll för de senaste lysdioderna: den högsta flödessorteringen i Philips Lumileds Luxeon K2-serien har exempelvis en ljusstyrka på 275 lumen (normalt) vid 1500 mA. Den här siffran antar dock en skikttemperatur på 25C, vilket inte är så lätt att erhålla med denna tillämpning. (Termisk konstruktion diskuteras mer ingående längre fram.) I praktiken är det alltså svårt att få en ljusstyrka på 200 lumen från en enda enhet.

Ett annat sätt att erhålla högre flödesvärden är att använda flera lysdioder. Men en av nackdelarna med att använda flera lysdioder för ett sådant lins-och-prisma-system som krävs i marksignaler är att denna konstruktion får en ljuskälla som kommer från flera håll. Att blanda ljus från flera källor har tidigare visat sig vara en tuff optisk utmaning.

Introduktionen av Luxeon Rebel LED från Philips Lumileds har emellertid underlättat detta arbete avsevärt eftersom dessa mycket små lysdioder kan placeras så tätt som 3,5 mm från varandra. Systemkonstruktörer kommer att kunna dra nytta av tredjepartleverantörers erfarenheter, till exempel Future Lighting Solutions (FLS), vilket kan bereda väg för lösningar som tidigare utvecklats av tillverkare av optisk utrustning.

Belysning i taxibanor är en mycket mindre optisk utmaning för systemutvecklaren än belysning i huvudbanorna. De flesta taxibanesignaler använder färgat ljus och för att producera detta med vita halogenlampor krävs ett filter som normalt absorberar 80 procent av ljusutflödet. Att placera ett prisma framför en lampa med ett sådant brett spektrum skapar en regnbågseffekt vid vissa betraktningsvinklar. Detta fenomen uppträder inte med lysdioder eftersom de sänder ut mättade färger (smalspektrum).

Kraven för belysning i start- och landningsbanor och på flygplatser styrs av internationella regler. Dessa är IEC61827, ICAO bilaga 14 och FAA AC150/5345. De här reglerna togs fram för många år sedan, innan lysdioder var ett realistiskt alternativ som ljuskälla. Faktum är att många av kraven baseras på antagandet att ljuskällan är en halogenlampa. De här parametrarna skapar svårigheter för alla tillverkare som vill ersätta befintliga lampor med lysdioder.

Det största hindret beror på regler gällande strömförsörjning. Strömkablar på flygplatser sträcker sig över långa avstånd och elsystemen använder därför strömslingor för att klara av spänningsfall som blir följden av de långa kablarna. För att förhindra att en enstaka felaktig lampa bryter strömmen till alla andra lampor finns strömtransformatorer vid varje lampenhet.

Strömmen i slingan är reglerad till 6,6 A och måste styras av en dedicerad strömförsörjning.

För att utrusta sådan markbelysning med lysdioder krävs ytterligare en krets mellan strömslingan och lysdioden för att lysdioden ska bete sig som en halogenlampa. Den tekniska fråga som uppstår är då hur man ska kunna skapa en sofistikerad styrningsmekanism som kan modifiera den föränderliga inströmmen så att ljusutflödet blir exakt.

Det krävs sex intensitetsnivåer för ljusutflöde och detta definieras i regelverket av sex olika nivåer av ströminmatning i strömslingan. I halogenlampor är kopplingen mellan inkommande ström och dimning långt ifrån linjär. Vid 2,8 A eller 42 procent av toppström producerar en halogenlampa 1 procent av sin toppeffekt. Därför kan implementering av lysdioder inte utan vidare använda den inström som används med en halogenlampa. Den dedikerade matarströmkretsen för lysdioden måste konstrueras så att den ger det ljusflöde som förväntas utifrån de uppgifter om ingående ström som finns angivna i regelverket.

Samtidigt måste systemteknikern vara medveten om den möjliga effekt som reglerna har på färguteffekten. De färger som används på flygplatser är vitt, blått, grönt, gult och rött. Lysdiodtillverkare anger normalt färger i form av dominerande våglängd medan flygmyndigheter använder x/y-koordinater. FLS kan ställa verktyg till förfogande som hjälper till att konvertera värden från ett system till ett annat.

Problem kan även uppstå när vita ljus dimmas. Färgtemperaturen i halogenlampor förändras signifikant när de dimmas, eftersom det vita ljusflödet blir mer gult. Eftersom färgtemperatur vid dimning inte anges i regelverket förutsätter regelverket som tidigare nämnts att halogenlampor används.

Framtidens verktyg för belysningslösningar i praktiken En signal på en start- eller landningsbana är ett bra exempel på en tillämpning där online-verktyg från Future Lighting Solutions är användbara. Sådana signaler kräver en uteffekt på 200 lumen i en markbaserad enhet. Usable Light Tool (ULT) från FLS kan hjälpa till att beräkna den bästa lösningen med hänsyn till kostnad och tillförlitlighet. Det första steget är att instruera ULT att beräkna antalet lysdioder och den driftström som krävs (se figur 3). Verktyget medger att två beräkningar sker parallellt för system med två och med tre Luxeon Rebel-lysdioder. Resultatet belyser en intressant punkt: Temperaturen är avsevärt lägre när tre lysdioder används och det leder till längre drifttid. Strömförbrukningen är också 25 procent lägre vilket kompenserar den ytterligare kostnad som en tredje lysdiod medför. ULT ger skikttemperaturen och då kan verktyget LRT (LED Reliability Tool) beräkna den förväntade livslängden (se bild 4). LRT låter oss anpassa lumen maintenancekurvorna från tillverkarnas datablad för att modellera de faktiska driftvillkoren. Eftersom det gäller en tillämpning där tillförlitligheten är av största vikt bör kurvan B10/L70 användas: Denna kurva visar den tid där 10 procent av lysdioderna når en intensitet lägre en 70 procent av ursprunglig intensitet. LRT visar effekten av att sänka skikttemperaturen från 142C till 122C: Driftlivstiden är fyra gånger längre vilket alltså lätt försvarar kostnaden för den tredje lysdioden. LRT-kurvan har ett övre värde på 60 000 timmar. Det betyder inte att alla lysdioder slutar fungera efter 60 000 timmar utan det är helt enkelt gränsen för den matematiska modell som Philips Lumileds använder. Modellen kommer att utökas till mer än 60 000 timmar så småningom när ytterligare empiriska data blir tillgängliga för företaget.

Färg och CCT-uteffekt för (vita) lysdioder är stabila vid dimning. Om man helt enkelt dimmar en lysdiod på en taxibana utan någon form av färgstyrning finns det risk för att enheten inte kan användas i flygsignalering. Vitt ljus är potentiellt den största utmaningen eftersom färgfilter som används för rött, grönt och blått gör att gulnandet av källan blir mindre tydlig (av vilket det dock ännu inte har gjorts några bindande tester). Å andra sidan kan det faktum att dimmat vitt ljus förblir vitt vara en fördel eftersom den högre kontrasten hos färgat ljus (jämfört med gulaktiga halogenlampor) minskar risken för att piloter ska feltolka signaler. Från teknisk synvinkel är färgstyrning av lysdioder okomplicerat men frågetecknet här ligger i osäkerheten inför hur regelverket kommer att tillämpas vad gäller implementering av lysdioder.

Alla ovannämnda frågor hör samman med efterlevnad av internationella signalföreskrifter. En lyckosam implementering av lysdioder kommer även att behöva hantera fysiska utmaningar inklusive temperatur. En typisk hållare för ett markbeläget taxibaneljus består av en aluminiumlåda som är 8 eller 12 tum i diameter. I många fall utgör en stor (2-4 kg) aluminiumgjutdel en perfekt kylenhet för lysdioder. I varma länder kan dock denna aluminiumhållare, inbäddad i asfalt, nå en temperatur på 90C under dagtid, till och med innan lysdioder och tillhörande elektronik har strömsatts. Samma fixering skulle kunna monteras i arktiska regioner där den omgivande temperaturen är mer än 100C lägre. I en halogenbaserad fixering påverkar den här skillnaden inte sändaren (tråden) eftersom den redan används vid 3000C eller mer.

I lysdioder förkortar dock höga temperaturer livslängden och temperaturvariationer påverkar ljusintensitet och CCT (Correlated Colour Temperature). Det gör att en effektiv termisk konstruktion är nödvändig eftersom en lång drifttid och hög tillförlitlighet är huvudanledningarna för användning av halvledarbelysning. Det är viktigt att förstå att tillverkare av lysdioder anger livstid på olika sätt och konstruktörer måste kunna jämföra olika enheter korrekt.

Philips Lumileds har banat vägen för den statistiska modelleringen av tillförlitlighet hos lysdioder och dessa data utgör en gyllene standard som tillverkare av lysdioder kan sträva efter. I Philips Lumileds data kan användare hitta valfri kombination av information som visar att x procent av en uppsättning lysdioder kommer att nå y procent av toppljuseffekt efter z timmars användning vid alla kombinationer av temperatur och ström. Detta uttrycks med kurvor över ljusflödesbibehållningsfaktorer (Lumen Maintenance) som finns tillgängliga på www.philipslumileds.com. (Ett exempel visas i bild 1.)

Online-verktyg såsom LED Reliability Tool och Usable Light Tool från Future Lighting Solutions kan användas för att modellera påverkan av Lumen maintenance-data i en avsedd implementering (gå till www.futurelightingsolutions.com.)

Dessa verktyg gör det möjligt för systemkonstruktörer att fatta rätt beslut när det gäller vilken driftström som ska tillämpas, antalet lysdioder som ska användas och kylningsmekanismer samt även att justera konstruktionen så att den passar avsedd användning i antingen värme eller kyla.


Kombinationen av ovan beskrivna konstruktionsutmaningar visar på behovet av en processorbaserad arkitektur (se bild 2). En enkel struktur av lysdiod-plus-strömförsörjning skapar inte en lösning som fungerar. Processorns primära uppgift kommer att vara att ge en intelligent styrning av ineffekten till lysdioden som får den att efterlikna det icke-linjära beteendet hos en halogenlampa.

Utåt sett skulle detta tyckas medföra en risk för att lysdiodlösningen blir ekonomiskt olönsam. Eftersom lysdioden medför en liknande kostnad som halogenlampan den ersätter har nu lysdiodsystemet dessutom en processor med tillhörande komponenter på materialkostnadskontot.

Men ekonomin är faktiskt bättre än det kan tyckas vid första anblicken. Det beror på att det finns många användningsområden för processorn utöver att enbart reglera lysdiodernas reaktioner på förändringar i matarströmmen, och det är dessa funktioner som tillför värde till slutprodukten.

Till att börja med kan processorn användas för att övervaka fel och för att kommunicera felrapporter via strömledningen till servicecentret. Det kan leda till snabbare felåtgärder och minskade driftstopp, vilket är viktigt i denna säkerhetskritiska miljö.

I denna implementation kan processorn även programmeras att kompensera för reduktionen i ljusuteffekt som uppstår både när en lysdiod åldras och när drifttemperaturen ändras.

En passande processor är CY8CLED-serien och EZ-Color-programvaran från Cypress Semiconductor. EZ-Color är programmerat med data som specificerar beteendet hos Philips Lumileds lysdioder och utgör en konstruktionsmiljö som är optimerad för färgmixningstillämpningar. Cypress antas även ge support för EZ-Color tillsammans med andra tillverkares lysdioder. Inom flygbelysning skulle den här lösningen kunna användas för att styra CCT genom att blanda vitt med gult eller grönt. EZ-color inkluderar även en algoritm som upprätthåller ljusintensitet och CCT vid temperaturförändringar.

Slutligen kan processorerna användas för att driva små, temperaturreglerade värmeelement som befriar ljusenheten från is och snö vid behov. (Lysdioder producerar inte tillräckligt med spillvärme för att smälta is vid normal drift.)

De problem som uppstår vid implementering av lysdioder inom flygsignalering går definitivt att lösa. På längre sikt krävs åtgärder på branschorganisationsnivå och inom lobbygrupperingar för att anpassa föreskrifterna så att de bättre återspeglar funktion och egenskaper hos dagens moderna belysningslösningar, inklusive lysdioder.

Men alla regeländringar kommer att ta många år att införa och under tiden ger en processorbaserad lösning en ekonomiskt möjlig väg att göra lysdiodens funktionalitet lik halogenlampans. På så sätt får slutanvändaren en möjlighet att dra nytta av tillförlitlighet och lång drifttid hos lysdiodsenheter inom flygsignalering.

Future Lighting Solutions, en avdelning inom Future Electronics, säljer och ger teknisk support för lysdioder från Philips Lumileds och ett heltäckande utbud av elektroniska, optiska och mekaniska komponenter för halvledarljussystem i hela Europa.