Lysdioder, LED (light emitting diodes), kan tillsammans med en ökad användning av dagsljus inomhus innebära både energisnåla och hälsosamma belysningssystem. Den svenske allvetaren och "oraklet" Alf Henriksson hävdade att tillkomsten av den artificiella eller elektriska belysningen var den tekniska landvinning, som förändrat människans livsföring mest under det föregående århundradet. Innan dess var de möjliga ersättningarna för sol- och dagsljus alltför begränsade och kostnadskrävande att använda för att möjliggöra en påtaglig förändring av dygnsrytm, vakenhets- och sömnbeteende. Den mesta verksamheten pågick under dygnets ljusa timmar och när dessa inte längre kunde "lysa upp" tillvaron var sängen för de flesta den enda vistelsemöjligheten. Speciellt under den senare delen av 1900-talet har tillgången till elektriskt alstrat ljus möjliggjort en dygnsverksamhet som i stort sett kunnat pågå oberoende av solens läge på himlavalvet.
Förskönar stadsbilden. Stadshusbron i Stockholm med konstnärlig belysning av lysdioder. Ljusgestaltare är Klas Möller.
Ökar säkerheten. Gångbro över E18 i höjd med Hägernäs, med Pipeline LED.
När Edison lyckades alstra ljus genom uppvärmning av en glödtråd genomgick utvecklingen ett paradigmskifte, som gjorde en förändring av levnadsvillkoren möjlig genom att det blev möjligt att förändra dygnsvillkoren. Gasurladdingslamporna och lyspulvret bäddade sedan för ett nytt steg i paradigmskiftet från 1940–2000. Utvecklingen av LED-ljuskällan innebär ytterligare ett steg i paradigmskiftet inom belysningsområdet. Det kan medföra att energiuttaget för belysning reduceras samtidigt, som belysningens kvalitet höjs och mängden alstrat ljus flerdubblas.
Lågvolt och färger
Utvecklingen på LED-området förväntas medföra ytterligare förbättringar inom en nära framtid beträffande ljuskvalitet och ljusutbyte. Redan nu kan lysdioder, som ger olika väl accentuerade ljusfärger, mycket effektivt ersätta andra ljuskällor som neonrör, lysrör och glödlampor. Ett problem är att lysdioder drivs av lågvoltsström och kräver förkopplingsdon för att fungera. I dag finns bara ett företag, som tillverkar lysdioder för direkt anslutning till nätspänning. Det är annars redan nu möjligt att reglera och styra ljusmängd och färger på ett helt annat sätt än för alla urladdningsljuskällor.
För närvarande absorberas
dock en större mängd av de alstrade fotonerna av ledningsmaterialet, vilket ger upphov till stora värmeproblem. För att upprätthålla ljusegenskaper och utlovad lång funktionstid är det nödvändigt att hålla vissa låga temperaturnivåer, vilket kräver kylflänsar även vid relativt måttliga effekter. Kylflänsar drar ingen energi. Förbättrade egenskaper medför högre ljusutbyte och mindre fotonabsorbtion och därmed också lägre direkt värmeutveckling. På sikt kan detta innebära att värmeproblemen nästan helt elimineras.
Människans upplevelse av belysning från LED beror mycket på vilken typ av LED det är. Ljusfärg, blåbetonad, gultonad eller rödbetonad, färgåtergivning, bra (upp mot RA=100) eller dålig (RA under 70). Gulbetonade eller rödbetonade med god färgåtergivning uppfattas positivt. En omfattande forskning pågår för närvarande rörande den mänskliga uppfattningen av ljuset från lysdioder.
Skiftande färgton och kvalitet
Det halvledarmaterial, som ger upphov till lysdioder, tillverkas i stora kakor. Dessa delas upp i mycket små delar, vilka vardera ger upphov till en lysdiod. Från varje kaka kan man få tiotusentals lysdioder av skiftande kvalitet och färgton. En fortsatt utveckling måste kunna leda till att fler dioder av hög kvalitet och samma färgton skall kunna fås från samma kaka. För närvarande får man "vitt ljus" från lyspulver (på samma sätt som i konventionella lysrör) men där den fluorescensgivande strålningen är fotoner med våglängder runt 450 nm (1 nm är 1 miljarddels meter), vilka då samtidigt ger upphov till en viss mängd blått ljus från dioden. Färgton och färggivningsindex kan variera ganska mycket mellan olika dioder även om de är från samma urval.
Absorbtionsproblem
Fotonerna alstras inuti halvledarmaterialet och passerar sedan genom delar av detta för att komma ut i det omgivandet mediet. Under denna passage absorberas en stor del av fotonmängden (infångningsförlust); infångningsförlusten är för närvarande mer än femtio procent. I den process, som alstrar fotonerna, sker också förluster. Dessa är dock mindre än infångningsförlusterna. En fortsatt utveckling måste leda till att båda dessa förluster minskas avsevärt.
Flexibel i färg och styrka. Fasad på ett museum som kan fås att skifta i färg med LEDbelysning. Foto: Zumtobel
Listig linsoptik behövs
Om utvecklingen av den energibesparande tekniken skall kunna fullföljas föreligger stora behov av utveckling av "listiga" metoder för konstruktion av innovativ reflektor- och linsoptik för LED. Utveckling av ljuskällan i sig är förhållandevis längre kommen än armaturer, ljusoptik och övrig armaturteknik, något som påtagligt hämmar den totala utvecklingen och sålunda möjlig energibesparing. Längst kommen är utvecklingen av optisk teknik för väg- och gatuarmaturer.
Utvecklingspotential
Utveckling av LED-tekniken är löftesrik: Ljusutbyte över 200 lm/W (ljus mäts i lumen; det bästa lysröret har ett ljusutbyte av ungefär 100lm/W), RA-index över 90 (färgåtergivning anges i RA-index; en ljuskälla med bästa möjliga färgåtergivning har RA = 100). Utveckling går mot högre kvalitet, lägre kostnader och större volymer. För närvarande finns lysdioder med bra färgegenskaper och ett ljusutbyte på över 100 lm/W, tillgängliga på marknaden. Här finns även lysdioder med höga effekter på flera watt.
Dioderna får ett allt större användningsområde för belysningsändamål. Redan nu är ljusutbyte, servicekostnader och den sammanlagda kostnaden tillräckligt fördelaktiga vid en jämförelse med kompaktlysrör i professionella applikationer. I hemmiljö kan lysdioderna, beroende på utmärkta möjligheter för stegvis reglering inom fem år bli de ljuskällor som istället för lysrörslampor, ersätter glödlamporna. Glödlamporna kommer ju snart att helt försvinna på grund av förbudet inom EU. På trettio till fyrtio år förväntas lysdioderna konkurrera ut alla andra ljuskällor och medföra att samma mängd ljus, som produceras nu kan åstadkommas med bara tio procent av nuvarande elenergiåtgång. Det skulle globalt innebära att de ca 3000 TWh, som för närvarande brukas för belysningsändamål, sjunker till ca 300 TWh. Det betyder en oerhörd besparing och minskad miljöbelastning, även om belysningen kommer att öka världen över. Det globala ljusbehovet ökar för närvarande med två till fem procent varje år. För svensk del innebär det en nedgång från 14 TWh till 1.4 TWh.
LYSDIODERS FUNKTION
Utveckling av en helt ny typ av ljuskälla LED (light emitting diode), som funktions- och driftmässigt är helt annorlunda än lysrör, och andra liknande urladdningsljuskällor, kan medföra att elenergiåtgången i vissa belysningsanläggningar minskar uppemot åttio till nittio procent. Redan nu är det möjligt att minska elenergiåtgången för starkt färgade ljusskyltar med nittio till nittiofem procent jämfört med dem, där ljuskällan är det traditionella lågtryckslysröret. LED alstrar ljuset genom att elektronströmmen flyter i en fast kropp i ett ledningsband i ett högre energitillstånd och sedan avger denna energi i form av fotoner (ljus) av en viss våglängd. När elektronerna passerar ett smalt skikt i ledningskroppen avtappas energin ner i ett ledningsband med lägre energinivåer. Den fotonström, som uppkommer har en viss våglängdsspridning och ögat uppfattar fotonströmmen, som färgat ljus inom ett smalt färgat område. Olika band av ljusfärger kan alstras på så sätt och om en skylt skall ha en viss ljusfärg kan resultatet fås med mycket hög verkningsgrad. Bredbandigt "vitt" ljus kan exempelvis åstadkommas genom att kortvågig blå strålning "pumpar" på nivåer i ett lyspulver, som sedan fluorescerar bredbandigt vitt ljus.
Författare
:
Nils Svendenius
är professor i belysningsteknik på Jönköpings tekniska högskola