Det är lätt att bli fascinerad av fördelarna med lysdioder för belysning. De är små, effektsnåla och har lång livslängd. Verkningsgraden ökar ständigt och ligger idag kring 50 procent, att jämföra med glödlampan där bara fem procent av energin ger ljus medan resten bara värmer upp omgivningen. Räknat som lumen/watt ligger glödlampor mellan 5 och 8, och dagens bästa lysdioder på marknaden ligger mellan 70 och 100 beroende på ljuskvalitet.

 

Lysdioderna utvecklas i en rasande takt, både vad gäller prestanda och pris. Ljusutbytet är idag dubbelt så högt som för fyra år sedan. Inget tyder på att den utvecklingen avtar – tvärtom kommer sannolikt 140 lm/W att vara standard inom tre år. Sådana lysdioder finns redan på labbstadiet. Nyligen berättade exempelvis lysdiodsjätten Osram att man satt rekord på sitt labb, med en vit lysdiod som utvecklade 136 lm/W.

Priset faller 25 procent per år
Samtidigt ligger priset räknat som kronor per lumen idag på en tiondel jämfört med för fyra år sedan. Inte heller här väntas utvecklingen avta – dagens pris ligger kring 20–30 öre per lumen i stora volymer, där det högre priset avser lysdioder med högkvalitativt ljus. Priset väntas enligt analyshuset Isuppli falla med 25–35 procent om året och sålunda nå ner till cirka tio öre per lumen någon gång 2010.

FAKTA LYSDIODER Vita lysdioder Alla lysdioder består av ett antal lager halvledande material, oftast en kombination av AlInGaP (aluminium, indium, gallium fosfor) och InGaN (indium, gallium och natrium). Sammansättningen av dessa material avgör färgen på diodens ljus. Vitt ljus går dock inte att åstadkomma direkt med dessa material, utan alstras genom att blått ljus får lysa genom en gul fosforblandning. Just denna blandning avgör det vita ljusets färgtemperatur och färgåtergivningsförmåga. Ett framtida alternativ kan vara att använda zinkoxid, ZnO, som halvledarmaterial i lysdioderna. Zinkoxid kan ge vitt ljus med högt Ra-index utan inblandning av fosfor. Forskning pågår, bland annat i ett EU-projekt där Chalmers och det därifrån avknoppade bolaget Stormled i Göteborg deltar. Även Qunano i Lund är inne på detta spår. Färgtemperatur Färgtemperaturen har inget med värme att göra, utan är ett mått på färgmättnaden i jämförelse med en strålningen från en så kallad svart kropp. Temperaturen mäts i Kelvin, och kontraintuitivt nog anses en hög färgtemperatur, till exempel 6000 K, som ”kallt” ljus och en låg, säg 2500 K, som ”varmt” ljus. Rödaktigt upplevs som ”varmt”, medan blåaktigt upplevs mer kallt, men eftersom blåaktigt ljus har högre energiinnehåll än rödaktigt får det blåaktiga också en högre ljustemperatur. Solljus mitt på dagen har en färgtemperatur kring 5500 K, medan om himlen är molnig kan gå så högt som 7000. En vanlig glödlampa ligger kring 2700, och lysrör mellan 3000 och 5000 K. Stearinljus ger mycket ”varmt” sken, omkring 2000 K. Vilken temperatur på ljuset man föredrar är delvis kulturellt betingat. I Skandinavien är varmvitt mellan 2800 och 3000 K populärast, medan man södra Europa verkar föredra mer kallvitt ljus, mellan 3300 och 3500 K. Lysdioder varierar väldigt mycket på denna punkt – de finns för allt från extremt kallt och extremt varmt ljus. Kallvita ljusdioder kan likväl ha hög färgåtergivning. Färgåtergivning Mäts med ett index kallat Ra eller CRI, Color Rendering Index, utvecklat av CIE, International Commission for Illumination. Även detta utgår från svartkroppsjämförelser, och här anses en glödlampa vara tillräckligt nära en svartkropp för att få index 100. Lysdioderna ligger idag mellan 60 och 95. Arbetsmiljöverket föreskriver att ljus på arbetsplatser ska ha ett Ra över 80, och på arbetsplatser som kräver god färgåtergivning som exempelvis sjukhus ska Ra ligga över 90. Högtrycksnatriumlampor, vanliga i lampor för belysning av vägar och tunnlar, kan ha så lågt Ra som 40. Lågtrycksnatriumlampor har ett knappt mätbart Ra, det ligger omkring 5. Drivelektronik Drivkretsar för lysdioder finns från en rad tillverkare, bland annat analogspecialister som Linear, Maxim och National Semiconductor. Den stora poängen med dem är att de ger konstant ström, ofta till ett flertal lysdioder, oftast med hjälp av MOSFET-kretsar. Somliga innehåller funktioner för pulsbreddsmodulering och därmed möjlighet att med en vanlig dimmer reglera ljusstyrkan med bibehållna ljusegenskaper. Det finns även programmerbara drivkretsar, och sådana som innehåller funktioner för kommunikation med omvärlden.

Det är förvisso ett snabbt prisfall, men jämfört med en vanlig 100 W glödlampa från Ikea ligger priset alltjämt omkring 50 gånger högre. I längden kan lysdioderna dock löna sig ändå eftersom livslängden mycket väl kan vara 50 gånger längre.
Andra fördelar är att lysdioder, till skillnad från lysrör och så kallade lågenergilampor, inte innehåller kvicksilver eller andra giftiga ämnen.

Därtill har flera länder, som Irland, Australien, Nya Zeeland och Kanada, börjat lagstifta om glödlampsförbud.

Enorma förväntningar
Allt detta har gjort att förväntningarna från marknaden är enorma. I praktiken är det dock betydligt svårare att konstruera armaturer med lysdioder än med glödlampor eller lysrör, eftersom lysdioder på flera sätt beter sig radikalt. Det krävs en hel del ingenjörskonst, och när ingenjörer med elektronik- och halvledarbakgrund ska samarbeta med inredningsarkitekter och armaturdesigners är det upplagt för kulturkrock.

Ta bara det faktum att glödlampor och lysrör strålar ut både ljus och värme åt alla håll, och att större delen av värmen från dem emitteras som infraröd strålning, medan lysdioderna strålar ut ljus framåt och värme bakåt. All denna värme måste dessutom ledas bort då lysdioderna inte får någon ”hjälp” av IR-utstrålning. Det ställer stora krav på att armaturen designas för god värmeavledning.

Lysdioderna är därtill känsliga för rätt matningsspänning. Matas de med för mycket så avtar både effekt och livslängd snabbt. Visst kan en ensam lysdiod matas med vanlig likspänning, men ska man undvika alltför snabb degradering och därtill kunna styra ljuset med dimmers så krävs andra metoder. Vanligast är pulsbreddsmodulering, där en elektronisk krets slår av och på spänningen snabbt – så fort att ögat uppfattar ljuset som kontinuerligt.

Dessutom lider lysdiodsmarknaden idag av brist på standardisering, vilket gör det vanskligt att jämföra prestanda på olika leverantörers lysdioder enbart utifrån deras datablad. Exempelvis finns ingen vedertagen standard för att testa livslängd - de siffrorna bygger i allt väsentligt på tillverkarnas egna uppskattningar.

Bristen på standard gör att det i praktiken kan vara stor skillnad i kvalitet på ljuset från olika lysdioder, trots att de nominellt kan ha samma värden på ljusstyrka, ljusutbyte och livslängd. Därtill sorterar tillverkarna sina lysdioder i olika så kallade ”bins”, de testas helt enkelt efter produktion och säljs sedan utifrån vilken kvalitet de uppnår på individuell nivå.

Förutom ljusstyrka finns två parametrar som beskriver kvaliteten hos ljuset från en lysdiod – färgtemperatur och färgåtergivningsindex. Att det är stor skillnad på kallt och varmt ljus blev uppenbart för gemene man redan i lysrörens barndom då det ”kalla” blåaktiga skenet fick många att sky den ljuskällan. Även många av de tidiga lysdiodsarmaturer på marknaden lider av samma problem.

Numera finns dock gott om lysdioder med varmvitt sken. Tillverkarna har helt enkelt lärt sig behärska de fosforblandningar som utgör grunden för alla lysdioder så att färgtemperaturen inte längre behöver vara ett problem för armaturtillverkarna.

CRI och Ra-index
Då är färgåtergivningen en större utmaning. Här finns bara ett fåtal lysdioder som matchar andra belysningskällor, och då sker det på bekostnad av ljusstyrkan och verkningsgraden. Färgåtergivningsförmågan an­ges med ett index, på svenska kallat Ra, internationellt oftast CRI, Color Rendering Index.

En glödlampa har en färgtemperatur kring 2700 K och ett CRI på 100, och vill man efterlikna dess välbekanta sken och få färger att återspeglas någorlunda normalt så bör ljustemperaturen ligga mellan 2700 och 3500 K, och CRI bör i varje fall inte understiga 80, helst ska det ligga över 90.

Så långt är det ändå relativt enkelt – data om ljusutbyte, färgtemperatur och färgåtergivningsindex går att läsa ut ur de flesta datablad. Mer komplex blir jämförelsen när man tittar på temperaturfrågor och livslängd, i synnerhet när de sätts i relation till ljusutbytet eftersom dessa faktorer är så starkt beroende av varandra.

Eftersom alla lysdioder avger värme bakåt, som måste ledas bort via en platta av aluminium, koppar eller liknande, så blir dess termiska resistans sålunda ytterligare en viktig parameter. Den anger hur bra värmen från dioden kan ledas ut i omgivningen och mäts i grader per Watt. Denna uppgift är mycket viktig eftersom livslängden avtar dramatiskt om dioden överhettas, och därtill faktiskt lyser starkare om den kyls ned. Exempelvis kan en och samma lysdiod avge 20 procent mer ljus vid –20 °C jämfört med +20 °C, allt annat lika.

Alla lysdiodstillverkare med självaktning har applikationsanvisningar om hur kylningen av just deras dioder görs bäst. Men få är beredda att jämföra sig med andra på denna punkt då värdena varierar starkt mellan tillverkarna, inte minst eftersom de sällan mäter exakt samma parametrar.

Lysdiodernas egenskaper gör dem förstås utmärkt lämpade för innovativa armaturer, som kan göras mindre, plattare och mer riktade än traditionella. Oftast används olika typer av optik för att ge ljuset den spridning man tänkt sig. Dessa linser är en vetenskap i sig, men noterbart är att de absorberar 10–20 procent av ljuset, ibland ännu mer.

Frestande montera för tätt
Huruvida man sedan vill designa sin armatur för hålmonterade eller ytmonterade LED:ar, och om man vill placera drivelektroniken i armaturen eller anslutning till eluttaget är förstås en smaksak. Det kan vara frestande att placera en stor mängd ytmonterade LED:ar väldigt nära varandra, men då krävs noggranna beräkningar av värmeavledningen om inte konstruktionen ska överhettas.

Förvisso går det att bygga in lysdioder och tillhörande drivelektronik i något som påminner om dagens glödlampor. Fördelarna är uppenbara – de kan direkt ersätta glödlampor i befintliga armaturer, de drar någon tiondel av energin, de håller minst tio gånger längre och de blir betydligt svalare, ytan kan hållas på max 60 °C. Att ljusstyrkan och ljustemperaturen kan bli jämförbara visas bland annat av japanska Sharp, som lanserat två sådana produkter under varumärket Zenigata – en på 4 W som ger 250 lumen och en på 8 W som ger 450 lumen, lite mind­re än 40 respektive 60 W glödlampor. Tack vare den inbyggda elektroniken fungerar de med vanliga dimmers. En nackdel är dock färgåtergivningen, CRI-index anges till måttliga 70.

Nichia och Osram är störst
Lysdioder tillverkas av en rad företag, där japanska Nichia är störst på marknaden med omkring 25 procent och tyska Osram (Siemens) är tvåa med omkring 12 procent. Båda dessa gör sina egna lysdiodchips. Nichias lysdioder använder dock en teknik som gör det svårt att leda bort värme från chipsen, vilket gör att detta företag trots sin dominans i lysdiodsvärlden inte hör till de största inom belysning.

Övriga, som Lumileds (Philips) och Seoul Semiconductor som båda har omkring 3–5 procent av världsmarknaden köper sina halvledare från amerikanska Cree, som även gör egna lysdioder. Även tyska Lexedis, som samarbetar med japanska Toyoda Gosei, är värd att nämna. .

I Sverige har Optoga i Arboga, som samarbetar med Seoul Semiconductor, på kort tid vuxit till en kraft att räkna med.
Många av tillverkarna har varit inblandade i patenttvister med varandra, men på sistone har flera av dessa gjorts upp i godo. Exempelvis ingick Seoul Semi och Osram i fjol ett avtal om att byta patent med varand­ra under fem år framöver, och ett liknande avtal skrevs nyligen mellan Osram och Lumileds. Nyligen dömde också en kore­ansk patentdomstol till Seoul Semis fördel gentemot Nichia och fick därmed slut på en långt utdragen tvist.

Huruvida de fredligare tonerna kommer att fortsätta dominera är vanskligt att bedöma – i snabbväxande branscher brukar ju tyvärr patentstrider var legio, till förfång för tillväxten och konsumentnyttan.