Ladda ner artikeln på 500 kbyte här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

I de miniatyriserade växelspänningslösningar blir drivstegen och likriktningen samt surge-skydden otroligt viktiga. Det finns visserligen teknik för att bygga lysdioder direkt för växelspänning men de leder till problem med att flicker (flimmer) blir för synligt för användaren. Ytterligare en stark trend är trådlös styrning. För tillverkare av LED-moduler gäller det att hitta lösningar på kommande krav.

Om vi börjar med själva chippen så har dessa fått högre densitet samtidigt som fosforskiktet – som bestämmer färgåtergivningen, CRI – har blivit bättre och anpassas till våra ögons färgseende. Det finns idag lysdioder som kan emittera över 200 lm/W. Det är värt att notera att dessa värden oftast mäts vid 3 000 K och Ra 80 (kan också benämnas som CRI 80) vilket för ett par år sedan inte ens var att tänka på. Maxvärdet för Ra är 100, vilket motsvarar färgåtergivningen hos solen.

Sedan 2013 finns ett EU-krav på att alla ljuskällor ska ha en färgåtergivningsfaktor på minst Ra 80 då det emitterade ljuset från själva lysdioden inte innehåller den lite mer djupröda delen av spektrum. Utan den upplevs hud och människor som likbleka då det röda inte återreflekteras. Vid CRI90 och högre är det dock fortfarande svårt att få upp verkningsgraden.

Behovet av kylning har minskat drastiskt i takt med att storleken på chippen minskat samtidigt som strukturen på chippen ändrats. Det ger förenklade LED-moduler som kan byggas med enklare material.

Det har kommit flera nya tekniker på chipnivå för att hantera högre spänningar vilket gjort att det blivit lättare att få högre verkningsgrad på lysdioderna. Därför jobbar alla stora lysdiodstillverkare med olika högvoltslösningar.

I princip alla ljuskällor som har 230 VAC som spänningskälla har någon form av flicker (intensitetsvariationer i det emitterade ljuset). Det finns i allt från lysrör, lågenergilampor och LED. Detta har blivit ett större problem i samband med övergången till lysdioder då de inte har någon efterglödning som i princip alla andra ljuskällor. Problemet blir ofta större när en ljuskälla dimmas ned.

Flicker är synbart om frekvensen i intensitetsvariationerna understiger 75–80 Hz men är osynligt för ögat om man går över ca 100 Hz. Hjärnan registrerar det fortfarande upp till cirka 500 Hz. Det påverkar oss negativt i allra högsta grad, både det synliga och det osynliga. Effekterna är väldokumenterade och kan vara huvudvärk, migrän, distraktion och till och med epilepsi samtidigt som det kan förorsaka problem med rörliga delar inom industrin.

Flicker är ett problem som alltid kan åtgärdas. På grund av kostnads- och storleksaspekter budgeteras det oftast bort i konstruktionsstadiet då slutkonsumenten ofta har en ovilja att betala för detta.

Lysdioder som är anpassade för växel­spänning består av speciella etsningar i chippet för att nå upp till 230 V i bägge riktningarna vilket gör att när hälften av de utetsade lysdioderna är tända är resten släckta. Problematiken är att det finns en ganska lång tid när alla etsningarna är utan energi när volttalet på sinuskurvan passarar 0 V vid 0° respektive 180°. Där finns det ny teknik som är bättre.

För att få reda på fakta om ljusets flicker mäter vi flickerprocent vilket visar den relativa relationen mellan det lägsta och högsta ljusutbytet. Ju lägre flickerprocent enheten har desto bättre är den. Vi mäter också flickerindex som ger en bra jämförelse på hur mycket ljus som emitteras per frekvens. I denna metod jämförs den totala mängden ljus med den mängd ljus som är över genomsnittet mätt i intensitet. Det som flickerindex inte tar hänsyn till är frekvensen vilket i jämförelsen ger att om två LED-moduler har samma index är den med högre frekvens den bättre.

Ytterligare en metod är att mäta modulationsdjupet. Ju större värde desto större avvikelse från genomsnittsvärdet vilket innebär att ju mindre avvikelse enheten har desto bättre är den.

En ny standard, IEEE 1789-2015 ”Rekommenderade praxis för modulerande spänning i högintensitetslysdioder för mildrande hälsorisker för användarna”, släpptes i juni 2015 och definierar acceptabla gränser för flicker med följande formel:

Max procent flicker
= ljuskällans frekvens x 0,08 procent/Hz

Den högsta flickerprocenten på 100 Hz (50 Hz nätet) och 120 Hz (60 Hz nätet) beräknas till 8 procent respektive 10 procent. Det innebär 8 procent flicker i Europa och 10 procent flicker i USA.
• Flickerprocent: [F%] =
100% 5 (Max-Min)/(Max+Min)
• Flickerindex: [FI] =(Area 1)/(Area 1+Area 2)
• Modulationsindex: [FM] =
(Max-Min)/Genomsnitt

Att hantera flicker – tre metoder

För att minimera flicker bör flera saker beaktas då alla åtgärder medför en problematik och en ny möjlig felkälla. En kondensator minskar flicker men kan förorsaka livslängdsproblem. Alternativt kan en switchad LED-drivare användas men den kan istället skapa EMC-problem och tar större plats. Kompatibilitet med dimning är också saker som också måste tas med då det är den största problematiken med flicker.
1. Låt oss börja se över detta med att seriekoppla ett antal lysdioder. I den inledande konstruktionen har vi satt in lysdioder för att nå upp till 230 V som vi likriktar och effektreglerar med motstånd. Det vi snabbt kan se är att dessa enkla konstruktioner ger väldigt dåliga flickervärden. Det har att göra med att lysdioderna kräver ett ganska högt framspänningsfall för att tända.
2. När vi går ett steg längre har vi uppdaterat konstruktionen med en halvledarstyrd lösning där vi tänder lysdiodssektioner i fyrastegsintervaller. Det innebär att vi utnyttjar lysdiodernas lägre Vf som inte behöver nå upp till 230 V (max peak 335 V) utan endast en fjärdedel av 230 V till cirka 60–62 V.  
3. Går vi vidare och tittar på nästa konstruktionsnivå ser vi att vi har glättat upp LED-strängen med en kondensator samtidigt som vi behåller IC-kretsen. Fördelen med detta är att man med ganska enkla medel når en acceptabel nivå och en bibehållen nivå på Pfc 0,97. Krävs det under 8 procent flicker blir det dock en hel del kondensatorer. Då kan en switchad lösning vara ett alternativ. Fortfarande kommer vi troligen behöva ha lösningar med extra kondensatorbankar beroende på effekt och Pfc-reglering.
 
Som man kan konstatera så finns det mycket energi som måste lagras mellan kurvornas toppar vilket kräver stora kondensatorbankar.

Vill vi sedan gå in i en mer komplex konstruktion så kan vi titta på en operationsbelysning. Vi jobbar där med en central strömförsörjning och har ljuskällor som är mer utsprida men samtidigt riktade för att lysa upp ett enda område. Alla enskilda LED-moduler bör därför ha ett eget drivsteg inbyggt så att de kan dimmas respektive fungera som en egen enhet. Ljuset i sig måste vara homogent med en hög färgåtergivning och det får aldrig vara störande.

Ett område som kommer att få stor betydelse framöver är trådlösa kommunikation då detta gör installationer i nybyggnationer billigare och enklare. Ingen kabeldragning till annat än vägguttag och takdosor från centralerna kommer att behövas, sedan kommer smarta–hem–lösningar att ta över. Det finns mängder av möjliga standarder inklusive Zigbee och Bluetooth. Just nu slåss ett helt gäng av företag om herraväldet inom detta segment däribland Philips, Apple och Intel.

Detta kommer att öppna en helt ny marknad där det etableras ett antal öppna standarder. Dessa kommer sedan att driva på utvecklingen inom områden som gateways, supportmjukvara, retrofit och belysningsmoduler. Allt ska länkas samman till ett styrbart nätverk. Styrningen kommer att ske via mobilappar eller tryckknappar, sensorer eller datorer men för att uppnå detta måste någon form av styrande intelligens finnas och just nu är det programvara via en gateway. Det mycket tal om Zigbee respektive Bluetooth som de standarder som kommer samregera med Wifi-nätverken.

När allt pratar med allt kommer det behövas helt nya typer av produkter där kommunikationen är billig och enkel med låg energiåtgång.

Alla tillverkare kommer att behöva varandras ekosystem för att driva upp försäljningen. Dessutom kommer nya uppgraderingar att standardiseras.

En gateway från en tillverkare kommer att kunna prata med en LED-armatur från ett litet företag i Sverige, den stora jätten från Holland och specialistföretaget från USA. Det ska fungera lika bra för alla och du kommer givetvis kunna styra allt från din mobil.

Styrenheten för den trådlösa kommunikationen med LED-lamporna får endast förbruka 0,035 W vid kommunikation. Det innebär att i ett normal hem – med 100 ljuskällor – kommer styrenheterna som mest att förbruka 3 W för kommunikationen vilket vi kommer att kunna minska.

De standarder för LED-moduler som måste följas är säkerhetskraven EN62031 med Elsäkerhetsverket som ansvarig myndighet. När modulen sätts in i en armatur testas den i sin tur enligt EN60598 som är den armaturstandard som kräver vissa kontroller utifrån bägge dessa normer. Det finns också underliggande normer för att möta krav på EMC, surge och burst.

Vidare finns icke tvingande standarder för ljusfärg, spridningsvinkel, färgavvikelse över tiden och livslängd. Dessa fångas dock upp indirekt av Energimärkning och Ekodesigndirektivet där Energimyndigheten är ansvarig myndighet. Vad vi än testar eller producerar så levererar en LED-modul ett ljus som sedan kan sägas upplevas av användaren eller brukaren.

Vi har alltså gått från en hundra år gammal konstruktion till en ny som inte är lik någon annat. Givetvis finns inte kunskapen direkt men hela marknaden tar nu stegen ifrån att vara helt ny till att verkligen bära sig självt. Produktionen, processerna, volymerna och integrationen av LED börjar fungera. Alla pratar LED.