In ons vorige artikel, Grondbeginselen en industriële productie van lichtemitterende diodes, bespraken we de principes van de vastestoffysica, hoe halfgeleiders licht opwekken, en hoe verschillende LED's worden geproduceerd om specifieke golflengtes te genereren. In dit artikel bespreken we hoe de kwaliteit van de componenten binnen een LED-armatuur de lichtopbrengst, efficiëntie en levensduur bepaalt.
In ons vorige artikel, Grondbeginselen en industriële productie van lichtemitterende diodes, bespraken we de principes van de vastestoffysica, hoe halfgeleiders licht opwekken, en hoe verschillende LED’s worden geproduceerd om specifieke golflengtes te genereren. In dit artikel bespreken we hoe de kwaliteit van de componenten binnen een LED-armatuur de lichtopbrengst, efficiëntie en levensduur bepaalt.
We beschrijven de stappen bij het integreren van LED’s, chips, driverelektronica en gerelateerde componenten op een printplaat, die samen een breed scala aan toepassingen mogelijk maken, waaronder tuinbouwverlichting (Figuur 1). Al deze aspecten moeten worden meegenomen bij het ontwerpen van een verlichtingsarmatuur, aangezien de efficiëntie en levensduur uiteindelijk worden bepaald door de volgende kritieke factoren: de kwaliteit van de afzonderlijke LED’s, de betrouwbaarheid van de drivers en elektronische componenten, de assemblage van het armatuur en het thermisch beheer, en het ontwerp en de duurzaamheid van de optische elementen.
AC, DC en de principes achter efficiënte energieoverdracht en apparaatwerking
De stroom van elektronen vormt een elektrische stroom, gemeten in ampère (A), wat de hoeveelheid elektrische lading aangeeft die per seconde langs een bepaald punt gaat. De kracht die deze elektronen door een circuit drijft, is de spanning, die ze van de negatieve naar de positieve zijde duwt. Spanning wordt geleverd door het energiebedrijf en bepaalt hoe sterk de stroom door het systeem loopt. Wanneer spanning en stroom samen worden beschouwd, bepalen ze het totale elektrische vermogen, uitgedrukt in wattage. Met andere woorden, wattage weerspiegelt zowel de hoeveelheid stroom die vloeit als de snelheid waarmee energie wordt geleverd.
Thomas Edison ontwikkelde gelijkstroom (DC) voor elektrische apparaten, terwijl Nikola Tesla wisselstroom (AC) introduceerde en hielp deze te vestigen als de belangrijkste methode voor het transporteren van elektriciteit over lange afstanden. In huishoudens leveren stopcontacten AC-stroom, waarbij de richting van de elektronenstroom voortdurend wisselt (Figuur 2). De meeste elektrische apparaten, waaronder LED-armaturen, werken daarentegen op DC, wat een gestage stroom elektronen van de negatieve naar de positieve pool levert. Als AC zou worden geleverd, zou de verlichting flikkeren. Energiecentrales transporteren elektriciteit als AC omdat transformatoren de spanning efficiënt kunnen verhogen of verlagen. Hoogspanningstransport is essentieel voor transport over lange afstanden: bij hoge spanningen blijft de stroomsterkte laag, waardoor weerstandsverliezen worden geminimaliseerd en oververhitting van elektriciteitsleidingen wordt voorkomen.
Figuur 2: Gelijkstroom (DC) levert een constante spanning over tijd, terwijl wisselstroom (AC) afwisselt tussen positieve en negatieve waarden. LED-drivers zetten AC om in stabiele DC om een consistente lichtopbrengst te waarborgen en flikkering te voorkomen (bron: mrelectric).
Met deze basisprincipes van elektriciteit op hun plaats, kunnen we kijken naar de componenten van een verlichtingsarmatuur en hoe elektrische verliezen worden geminimaliseerd door een efficiënte AC-naar-DC-omzetting. Effectieve omzetting vermindert de warmteontwikkeling in zowel de LED’s als het armatuur, waardoor het systeem efficiënter kan werken met minder vermogensverlies en een langere levensduur.
Printplaten
In ons vorige artikel bespraken we het productieproces van LED’s. Vanaf hier moeten ze worden gemonteerd op een printplaat (PCB), die dient als de elektrische en thermische ruggengraat van elk hoogwaardig LED-armatuur (Figuur 3). Het ontwerp van de printplaat bepaalt hoe efficiënt de stroom wordt verdeeld (zodat LED’s op lagere temperaturen werken!) en uiteindelijk hoe lang de LED’s meegaan.
Figuur 3: Printplaten (PCB’s) waarop lichtemitterende diodes zijn geplaatst op een metalen kernmateriaal voor effectieve warmteafvoer.
Om energieverliezen te minimaliseren, moet de PCB de laagst mogelijke elektrische weerstand bieden, zodat een stabiele stroom met een minimale spanningsval over het circuit mogelijk is. De afstand tussen de afzonderlijke LED’s is niet willekeurig; deze wordt berekend om lichtverdeling en thermisch beheer met elkaar in balans te brengen, waardoor hoge LED-temperaturen die de lichtopbrengst en betrouwbaarheid kunnen aantasten, worden voorkomen.
Metalen-kern PCB’s worden gebruikt omdat hun hoge thermische geleidbaarheid zorgt voor efficiënte warmteafvoer vanuit de LED-junctie naar het koelprofiel of de heatsink. Een groter contactoppervlak tussen de PCB en de koelstructuur verbetert de warmteoverdracht. Het ontwerp van het armatuur speelt daardoor een cruciale rol bij het afvoeren van warmte vanaf de LED, via de PCB, naar de heatsink, en uiteindelijk door convectie naar de omringende lucht. Om dit proces te ondersteunen, maakt het armatuurontwerp van Dutch Lighting Innovations gebruik van het natuurlijke Venturi-effect om de koelcapaciteit te vergroten (Figuur 4). Terwijl warme lucht door het armatuur omhoog stijgt en smallere luchtkanalen binnenkomt, zorgt de vermindering van de doorsnede voor een toename van de luchtdruk. Zodra de lucht het kanaal verlaat en de druk afneemt, trekt dit koelere omgevingslucht de heatsink in. Deze continue luchtstroom verhoogt de snelheid waarmee warmte via convectie uit het armatuur wordt afgevoerd.
Figuur 4: Terwijl lucht door het versmalde gedeelte van het armatuur stroomt, daalt de luchtdruk. Dit door het Venturi-effect veroorzaakte lagedrukgebied trekt koelere omgevingslucht aan, wat de warmteafvoer verbetert en de bedrijfstemperatuur van de LED stabiliseert (herziene bron: NASA)
Driver
Ballasten worden gebruikt in hogedrukontladingslampen, zoals hogedruknatrium- en metaalhalidesystemen, omdat deze lampen een hoge spanning nodig hebben om te ontsteken en een gecontroleerde, lagere stroomsterkte om stabiel te blijven zonder door te branden. LED’s zijn echter halfgeleiders en hebben geen hoge ontstekingsspanning nodig. In plaats daarvan zet de driver, die functioneel werkt als een ballast, de binnenkomende wisselstroom (AC) om in een stabiele, laagspannings-gelijkstroom (DC), waardoor een constante stroomsterkte wordt gewaarborgd. Omdat LED’s niet worden blootgesteld aan de hoge opstartspanningen die typisch zijn voor ontladingslampen, ondervinden ze aanzienlijk minder thermische en elektrische belasting. Dit draagt bij aan hun langere operationele levensduur.
Wanneer AC echter wordt omgezet naar DC, bepaalt de kwaliteit van het armatuur de efficiëntie van deze omzetting. Deze omzetting is afhankelijk van arbeidsfactorcorrectie (power factor correction, PFC; Figuur 5), die vermogensverliezen vermindert en harmonische vervorming binnen het elektrische systeem tot een minimum beperkt. Hoogwaardige drivers hebben doorgaans een arbeidsfactor boven de 0,97, wat betekent dat slechts ongeveer 3% van het ingaande vermogen verloren gaat tijdens de omzetting, en een totale harmonische vervorming (THD) onder de 15%. De ballast van een HPS-armatuur zorgt ervoor dat de stroom achterblijft ten opzichte van de spanning. Deze faseverschuiving verlaagt de arbeidsfactor en verhoogt de elektrische verliezen, waardoor HPS-armaturen, in tegenstelling tot LED-armaturen, meer stroom trekken dan op basis van hun wattage verwacht zou worden.
Figuur 5: Deze vergelijking laat zien hoe faseverschuiving tussen spanning en stroom de arbeidsfactor verlaagt en elektrische verliezen verhoogt, terwijl correctie via een arbeidsfactorcorrectie beide golfvormen op elkaar afstemt om de elektrische efficiëntie te verbeteren (herziene bron: PPEC)
De keuze van de driver beïnvloedt ook de visuele stabiliteit. Wanneer meerdere lichtbronnen op licht verschillende frequenties werken, kunnen ze onderling interacteren, wat fluctuaties in lichtintensiteit of spectrum veroorzaakt — een fenomeen dat bekend staat als het beating-effect. Het kiezen van een geschikte driver minimaliseert dit probleem en zorgt voor een stabiele lichtopbrengst.
De standaardspanning die energiebedrijven leveren, verschilt per land (voor huishoudelijk gebruik 120 V in Noord-Amerika en 230 V in het grootste deel van Europa) vanwege historische keuzes in netwerkontwerp en veiligheidsnormen. Ongeacht de binnenkomende spanning gebruiken LED-armaturen een constante-stroomdriver in plaats van een constante-spanningsdriver. Constante-spanningsdrivers zijn gangbaar bij laagvermogen LED-toepassingen, maar niet bij krachtige armaturen.
Dit onderscheid is essentieel, omdat de doorlaatspanning (de spanning die nodig is om een LED aan te zetten) afneemt naarmate de temperatuur stijgt: naarmate de LED warmer wordt, daalt de doorlaatspanning (Figuur 6). Bij gebruik van een constante-spanningsdriver zorgt deze daling van de doorlaatspanning van de LED voor een toename van de stroomsterkte. Na verloop van tijd leidt dit tot overmatige verhitting, en als de warmte niet efficiënt kan worden afgevoerd, degradeert de LED snel en kan deze zelfs doorbranden.
Figuur 6: Temperatuurafhankelijk spanningsgedrag van LED’s. Naarmate de LED-temperatuur stijgt, daalt de spanning, wat resulteert in een hogere stroomsterkte bij gebruik met een constante-spanningsdriver (herziene bron: Meanwell)
Een constante-stroomdriver voorkomt dit probleem door een stabiele stroomsterkte te handhaven. Naarmate de temperatuur stijgt, laat de driver de spanning dalen zonder de LED te beschadigen. Bij krachtige verlichtingsarmaturen zorgen constante-stroomdrivers ervoor dat LED-chips de maximaal toegestane stroomsterkte ontvangen zonder overbelast te raken, wat het risico op schade en degradatie op lange termijn vermindert. Krachtige LED-armaturen werken doorgaans op stroomsterktes van meer dan 350 mA en verbruiken meer dan 1 W per LED. Drivers maken ook dimmen mogelijk, wat de LED-temperatuur verlaagt en zowel de energie-efficiëntie als de algehele levensduur verbetert. Hiermee sluiten we het tweede deel van onze serie over verlichtingsarmaturen af. In het eerste artikel bekeken we hoe hoogwaardige LED’s de efficiëntie bepalen waarmee elektriciteit wordt omgezet in fotonen, waardoor er minder warmte wordt gegenereerd en de levensduur wordt verlengd. In dit artikel bespraken we twee belangrijke aspecten:
(I) hoe LED’s worden gemonteerd om warmteafvoer via de PCB en het algehele ontwerp van het armatuur te maximaliseren, en
(II) hoe binnenkomende elektriciteit zo efficiënt mogelijk wordt omgezet in een bruikbare stroom voor het armatuur, waarbij elektrische verliezen worden geminimaliseerd door een hoge arbeidsfactor en harmonische vervorming tot een minimum wordt beperkt.
Een helder begrip van deze principes is essentieel voor het ontwerpen van betrouwbare armaturen, en dat is de reden dat wij samenwerken met OSRAM en Philips om een consistent hoge kwaliteit te waarborgen. In het volgende artikel bekijken we de rol van optische lenzen bij het beschermen van het armatuur, het verlengen van de operationele levensduur en het optimaliseren van de lichtverdeling binnen het gewasdek, om de fotosynthese te maximaliseren.
Zullen we het over jouw oogst hebben?
We leggen je graag alles uit. Heb je vragen, neem gerust contact op.
