Udvikling af lysdioder

< Back

Udvikling af lysdioder
Uddrag af original tekst Harald Apelt og Michael Lux

Man behøver ikke være ekspert for at være i stand til at kunne fortælle, hvilke egenskaber en optimal dykkerlygte bør have: Lille, let, bærbar, høj lyseffekt, lang brændtid, sikker og ukompliceret at transportere. Derudover vil det være bedst med et højtydende, letvægtsbatteri, der vedligeholdelsesfrit kan oplades, når der er tid og uden at skulle aflades først.
Findes sådan en lygte? Ja, målet er inden for rækkevidde. Inden for lysteknikken sker der kvantespring til gavn for os dykkere.
Da den nye version af Ostar lysdioder fra Osram Opto Halvledere blev annonceret i begyndelsen af 2008, fornemmede fagfolk omgående, hvad der var på vej. Da den tyske Forbundspræsident Horst Köhler et par uger før, på St. Nicholas dag, tildelte et forskerhold fra Regensburger selskabet og det tyske Fraunhofer Institut Future-prisen 2007 stod det klart:
Med udviklingen af disse nye Super-LED havde et tysk forskerhold endnu en gang taget et meget stort skridt mod målet. Mens nyheden om pristildelingen og de 250.000 euro kørte gennem medierne, var tyske producenter af undervandslygter allerede i gang.
Michael Bienhaus fra MB-Sub var tidligt ude.
Han var kort tid efter præsentationen af den i lysbranchen revolutionerende OstarLED begyndt at undersøge mulighederne for brug i dykkerlygter.
Han anskaffede sig den knap tre centimeter store lysbombe og begyndte at eksperimentere.
“Hvad er det der gør ‘Ostar’ så speciel,” spurgte mange lysdesignere og lampefabrikanter, som efter den stille lancering fulgte den store medieopmærksomhed i forbindelse med prisoverrækkelsen.
Ostar LED har hvad der skal til for at trænge ind på de konventionelle lyskilders domæne, og ændre det grundlæggende.
Brugen rækker fra rumbelysning, arkitektur- og effektbelysning over lamper og spots til almindelige lommelygter.
Et guldæg i Lux og Lumen?
Osram og Siemens Infineon, hvis hovedbeskæftigelse er lys og halvleder teknologi i “Opto halvledere ” har dannet et magtfuldt virksomhedsnetværk, der med nye tekniske metoder og nyefremstillingsteknikker har ført til det endelige gennembrud for LED. De har fået støtte fra optik- og finmekanikprofessionelle fra Fraunhofer Institut i Jena.
Med viften af muligheder i dette lille tekniske vidunder er det ikke overraskende, at Tyske fabrikanter af dykkerlygter tidligt gik i gang med arbejdet.
Resultatet er flere dykkerlygter med lidt forskellige design, der har et til fælles: Hjertet er den nye Ostar LED.
Michael Bienhaus fra MB-Sub har med Photon1, Photon2 og Cave lygterne flere grundlygter i produktion, der sammen med en speciel reflektor giver en ren lysstråle med 10 graders strålekarakteristik. Lyset har dagslys farvetemperatur og en lysstyrke svarende til en 50 Watt Halogen pære. Photon1 i minimal størrelse, kun 185 millimeter i længden, et greb med kun 45 millimeter i diameter og en vægt ca. 500 gram. Innovation koster, i dette tilfælde en pris på kr. 3995,-.
Alle lamper profiterer af de gode egenskaber i de nye Multi-chip LED emitter, der med 6.000-6.500 Kelvin giver en dagslys lignende lysfarve og takket være det særligt hvide lysspektrum i LED, har en meget stor rækkevidde under vand. Så kan HID lyskilder med deres blålige lysfarve og betydelig dårlige farvegengivelse ikke længere være med.
Men hvordan fandt man frem til denne nye super LED, som på sigt ikke blot vil revolutionere dykkerlygte industrien?
Hvad ligger der bag bedriften?
Lad os først se på den hvide LED og dens egenskaber:
Det hele startede med opdagelsen af den blå lysende diode. Den er selv i dag grundlag for de hvideHigh-power LEDs. Dengang havde en Lysdiode en lyseffekt på mindre end 0,1 lumen pr watt og kunne i bedste fald bruges som statuslys i instrumentdisplay. Man fik hurtigt forbedret effektiviteten i halvledere, og forhøjet levetiden på de omgivende materialer. I denne forbindelse, spillede Silikone en afgørende rolle, og en levetid på mere end 100.000 timer blev nået – det svarer til 10 års uafbrudt lys. Ikke desto mindre ældes LED langsomt, som halvledere vil eksisterende defekter stige. De mister omkring 30 procent af deres lysstyrke efter fabrikantens specificerede levetid. I modsætning HID eller halogen, falder de efter fabrikantens specificerede levetid ikke bare ud men brænder stadig i lang tid, dog med mindre styrke. De er de mest robuste lyskilder, vi kender i dag.
De første hvide lysdioder forblev ikke uklare ret længe. Ved hjælp af stadig kortere udviklingscyklusser er effektiviteten øget. I mellemtiden er det blå LED lysudviklet med en effekt- omdannelseseffektivitet på hele 70 procent. Phosphor effektivitet i hvide LED trækkes stadig fra, så den bedst lysende LED i øjeblikket når cirka 120 Lumen/Watt. Den teoretiske maksimale værdi ligger på 320 Lumen fra en watt strøm, hvis den samlede strøm er omdannet til lys og der ikke produceres varme. Længe vidste man ikke, hvorfor netop den blå LED er så effektiv. Der forskes stadig i grunden til dette, og forskningsresultaterne indarbejdes i produktionen i alle nye generationer. Markedet for højeffekt lysdioder har til sidst også givet plads til Lumileds Luxeon serie. De var de første LED producenter, der kunne trække op til 100 lumen ud af tre watt (Luxeon III) og dermed blev det også muligt at producere dykkerlygter, der kan tages alvorligt.Tidligere var der kun samlinger af mange små 5mm lysdioder, der kun gav et bredt, diffust lys med meget lidt styrke – de har egentlig intet at gøre i dykkerlygter.
Men hvordan laver man hvidt lys med en LED?
Princippet er det vi kender fra TV, om at generere et farvemiks via de tre primære farver rød-grøn-blå.
Man kunne komme på den idé, med det samme at bruge LED’ens lys, der faktisk er hvidt for øjet. Lyser man nu på et farvet objekt, så vil man opleve, at de fleste af farvenuancerne forsvinder. Dette skyldes at de farvede lysdioder kun lyser i et meget snævert område af det synlige spektrum. Farvenuancer der ikke belyses i de tre RGB-LED’er dækningsområdegengives ikke korrekt. Farvegengivelsen er virkelig ringe. Smarte ingeniører valgte alligevel denne vej i udviklingen af en lyskilde, der kunne sætte alle andre lyskilder til vægs, når det drejede sig om farvegengivelse.
Det var udelukkende udviklet og opbygget med det ene formål, at skabe en perfekt farvegengivelse af maleriet af Mona Lisa i Louvre. Man opnåede en gengivelse på 95% sammenlignet med dagslys.Dette blev muliggjort ved at kombinere flere forskellige LED farver med en hvid. Her var der syv lysdioder i forening.
Alligevel valgte man ikke denne komplicerede løsning for den hvide LED. Basen er altid en blå LED-chip, som med en tynd belægning af en særlig fosfor blandingsolie. Belyst af den blå lampe, tændes fosforen i en bred vifte af lysspektret, der i vores øjne sammen med det blå lys bliver hvidt.
Derfor er det altid toppen i den blå LED og bredden af fosforen, der er interessant når man ser på spektret for den hvide LED. På grund af variationer i fosfor tykkelse kunne lysdioder kun produceres med mere eller mindre rødt i spektret.
Derfor delte man den hvide LED i varm hvid (rød), der er velkendt i Halogen lys, neutral hvid (grøn) og kold hvid (blå). Desværre aftager effektiviteten af LED, når andelen af rødt lys stiger. I dykkerlygter er lysstyrken det vigtigste. Normalt anvendes den kolde type, der giver det bedste Lumen-Watt forhold. De varme typer LED har den bedste farvegengivelse, og vil være førstevalget til hjemmet i fremtiden.
Til dykkerlygter er der imidlertid behov for mest muligt lys og på dette område er der gjort meget det seneste år. Pioner for en ny generation af LED var Cree Inc., med deres meget effektive blue chip EZ1000. Den bruges i Cree’s egen XR-E LED. I konkurrerende lamper fra Seoul (P4) og Edison (KLC8) bruges denne LED også. Eneste afvigelse i opbygningen er fosfor blandingen. Det er derfor ikke overraskende at lysudbyttet i disse, i øjeblikket lyseste single-chip emittere, er relativt sammenligneligt. Det revolutionerende er, at Cree har været i stand til at øge effektiviteten af sine blå chips, så niveauet for Lumileds Luxeon overstiges med 200%. Pludselig giver en 3W LED dobbelt så meget lys, overhaler halogen teknologienog er i klasse med HID.
De nye emittere er derfor det optimale grundlag for meget klart backuplygte, og giver med god optik perfekt primærlygte kvalitet med op til 200 lumen ægte lysudstråling. Men Lumiled har ikke hvilet på laurbærrene, og har efterfølgende præsenteret sin Rebel-LED.
Men selv ikke den bedste LED nytter noget, så længe man vælger en dårlig ”Binning” eller en platoptik hvor det meste af lyset går tabt. ”Binning” er i LED en klassificering af lysstyrke og farve i forhold til ideel hvid. Fabrikanterne angiver kun den maksimalt lyseste lysstyrke for sin LED-typer (f.eks, Seoul P4 med 240 lumen). Mellem den lyseste og mørkeste LED af samme type, kan der være op til 80 lumens forskel. Ved indkøb kan man derfor let komme til at spare det forkerte sted. Og har man så været heldig og vundet en lys LED i lotteriet, står og falder lampen med optikken. Den hidtil anvendte plastoptik (TIR optik) har forårsaget betydelige tab i lyset fra klyngegrupperingerne på 15-50%. Der er typisk tale om mere diffuse hotspots med ringe eller ingen spredning.
Her viser de nye Ostar lamper, at det kan gøres anderledes, og anvender gennemprøvet reflektorteknologi specielt tilpasset stråleforholdene i en LED. Dermed opnås en snævert fokuserende, lysende hotspot og en bredere Corona der er egnet til sidebelysning. Myten om diffuse LED er således fjernet. En god reflektor giver et klart lyspunkt, fokuseret og rent og har en uovertruffen effektivitet på over 98%.
Osram har taget et lignende skridt fremad med Ostar. I sammenligning med forgængertyperne har udviklerne formået at forbedre effektiviteten til mere end det dobbelte, og har dermed hævet Ostar til HID niveau. Men de er gået andre veje for at nå deres mål: Den perfekte Osram smalfilmsteknik. Ostar hjalp denne enestående produktionsmetode til sit gennembrud i Forbundsrepublikken med Award 2007.
Tricket i denne LED er, at der bag chippen sidder etreflekterende metallag, der opfanger og kaster det ellers er tabte bageste lys i front og anvendeliggør det. Dette kombinerer Osram med sin gennemprøvede samleteknologi og integrerer seks af disse højtydende LED chips i en emitter med en samling der ikke kendes magen til i lygteindustrien.
En samling, der er vanskelig at mestre, fordi ikke kun varmen fra en enkelt chip skal afledes, men varmen fra hele seks chips og deres varmekilder placeret tæt ved siden af hinanden. Dette fører, på trods af det forholdsvis store lysflade på en LED, til en fremragende luminans på mindst muligt område. En stærkere luminans på et meget mindre område, end HID og halogen har behov for.
Ostar står således alene øverst på verdenspodiet for multi-chip emittere. Et hightech produkt “Made in Germany”.
Sammen med en meget farveægte og farvehomogen fosfor genererer Ostar op til 1120 lumen fra 15W med en farvekvalitet på 80 procent, noget hidtil uset for lysdioder. Væk er de blålige undervandsfilm. Til sammenligning skaber HID teknologi kun gennemsnitligt 70 procent eller CRI-Index 70.
For os at se, har vi med Ostar en lampe til dykkerlygter til rådighed, der minimum er jævnbyrdig med HID-teknikken, uden at have dennes ulemper: kort levetid, følsomhed over for stød og slidtage når du tænder og slukker. Med disse LED’er bør udskiftning af pærer høre fortiden til. Alt er pakket ind i god reflektor teknologi og bliver derfor fokusérbart, så lyset kan tilpasses formålet.
Men til en næsten perfekt lyskilde hører også en egnet energikilde. Og her er der ophobet en efterspørgsel. Batteriteknologi området udvikler sig ikke så hurtigt som LED, og alligevel er der i det seneste år gjort forbavsende fremskridt, der sammen med en lyskilde som Ostar giver den næsten perfekte dykkerlygte, så vi endelig er tæt på at nå vores idealsammensætning.
Du kan læse om batterier her.