DTU-forskere vil være først med globalt standardmål for LED-lys


Anders Thorseth – fysiker og projektleder på DTU Fotonik

INTERVIEW Når du køber en ny LED-pære til lampen derhjemme, kan du ikke være helt sikker på, at de tal der står på pakken, stemmer overens med det lys, pæren udsender. Det er fordi lyset i nye LED-pærer fortsat indstilles efter en glødepærestandard. Det skaber stor usikkerhed i målingen, da glødepærer og LED’er lyser meget forskelligt. Den usikkerhed vil forskere fra DTU Fotonik nu eliminere ved at udvikle en ny LED-lyskilde, som fremover skal sætte en global standard for at måle på lyspærer.

Når lysproducenter skal vide, hvor meget lys en ny pære udsender, måler de den op mod en kendt værdi – en standardreference. I standardreferencen kender man præcist pærens lysstrøm (lumen), farvetemperatur (Kelvin), og hvor meget strøm den bruger (watt). Den nye pæres lys sammenlignes med standardreferencen, og producenterne får derved nogle absolutte tal for, hvor meget lys pæren udsender. Det er vigtig information for forbrugerne, fordi det er netop de tal, der fortæller, hvilken type lys den pære man køber, udsender.

I mange år har producenterne brugt glødepæren som standardreference til at måle lys, fordi den længe var det mest typiske lys på markedet.

Men da EU i 2008 besluttede at udfase de gamle glødepærer, og i 2016 helt forbyde al salg og import, skabte det et marked for en ny type lys – nemlig lysdioden. Selv om LED (light-emitting diode) i sig selv ikke er en ny opfindelse, er LED’en først det seneste årti blevet effektiv og billig nok til at konkurrere med andre typer af lyspærer som fx sparepæren. Men i overgangen fra glødepærer til LED-pærer er der opstået et problem med præcist at måle, det lys LED-pærer udsender.

Anders Thorseth
Anders Thorseth
Anders Thorseth er fysiker og projektleder på DTU Fotonik. I det europæiske samarbejdsprojekt PhotoLED arbejder han på at udvikle en ny standardreference til at kalibrere og måle på LED-pærer. Hvis det lykkes forskergruppen, vil referencen sætte en ny global standard for, hvordan man kalibrerer lysmålingsinstrumenter og hvordan man måler lyskvaliteten i LED-pærer. Se Anders Thorseths profil på DTU Fotonik.

Både forskere og lysproducenter bruger nemlig stadig glødepæren som standardreference til at måle på nye LED-pærers lysstyrke, lysstrøm og strømforbrug. Men LED’er udsender en helt anden type lys end glødepærer. Det skaber en usikkerhed i målingen, og man kan ikke være helt sikker på, at det man måler er korrekt. I sidste ende kan det betyde, at de tal der står på pæren, er forkerte.

Glødepæren som målestok

Derfor arbejder projektleder og fysiker Anders Thorseth fra DTU Fotonik med samarbejdspartnere fra Finland, Tyskland og Italien på at finde en ny kalibreringslyskilde, som skal reducere usikkerheden i målingen. Deres mål er at udvikle en nye type LED, som på globalt plan skal overtage glødepærens funktion som standardreference. Anders Thorseth forklarer:

“Vores gamle ‘målestok’ – glødepæren – er udfaset, og for at måle på LED-lys er vi nødt til at finde en ny målestok, som virker godt”.

“For selv om glødepærer og LED’er ligner hinanden på overfladen, er det som at sammenligne æbler og pærer. De er begge frugt, men går man mere i dybden, ser man, at de er forskellige. Sådan er det også med glødepærer og LED’er. De er faktisk så forskellige, at man slet ikke kan sammenligne dem, når man måler”.

Glødepæren udsender meget rødt lys

Der er stor forskel på, hvilken type lys glødepærer og LED’er udsender. Det skyldes måden, hvorpå de to pærer omsætter strøm til lys. Når der ledes strøm gennem glødepæren, gør glødetråden elektrisk modstand. Det danner meget varme på et lille område. Wolframtråden inde i pæren varmes op til 2700 grader, og bliver dermed hvidglødende. Den varme ser vi som lys. Varmestrålingen betyder, at der bliver udsendt store mængder rødt – og infrarødt lys, sammen med en del ultraviolet lys fra den elektromagnetiske stråling.

En LED, derimod, lyser på en helt anden måde. En LED fungerer lidt som en computerchip, en plade, hvor der er et overskud af elektroner på den en side, og et underskud på den anden. Når man sætter strøm til, vil overskydende elektroner fra den ene halvdel bevæge sig over til den anden halvdel, hvor der er et underskud af elektroner. Det spring giver en energiudsendelse af fotoner, som er det lys vi ser.

Sådan virker en LED
Lyset dannes, når elektroner bevæger sig fra en del af pladen med et overskud af elektroner til en del af pladen med et underskud af elektroner.

“Når vi måler en glødepære med en glødepærereference, er det ikke noget problem, fordi både standardreference og testobjekt udsender rødt – og ultraviolet lys. Men fordi en LED ikke udsender noget infrarødt eller noget ultravioletlys, så får vi et problem, når vi måler en LED mod en standardreference som glødepæren”.

“Når man måler lys i praktiske sammenhæng, er det slet ikke ualmindeligt, at man måler 10% forkert. Men hvad betyder 10%? Det betyder, at hvis man laver en bygning og sætter lys op, og tror man overholder lovgivningen, så kan der mangle 10% et sted. Det kan være, man bruger 10% mere energi, end man har lovet”.

LED – Light Emitting Diodes
Fænomenet lysdiode er ikke en ny opfindelse. Den britiske ingeniør Henry Joseph Round observerede allerede i 1907 et svagt gulligt lys, når han satte strøm til en krystal af siliciumkarbid. Han valgte at kalde lyset for koldt lys, da krystallen – modsat glødepæren – ikke udsendte varme. Round var dog ikke klar over, at han havde opfundet LED-lyset, og gik ikke videre med sin opdagelse. Først i 1962 udviklede en ansat ved General Electric – Nick Holonyak Jr. – den første lysdiode, der udsendte lys i den synlige del af frekvensområdet. Det var en rød LED. I 1993 udviklede japaneren Shuji Nakamura den første blå LED, hvilket ledte til udviklingen af den hvide LED. Først i midten af år 2000 blev de første lysdioder med over 100 lumen pr. watt fremstillet. I dag svarer en LED-pære på 800 lumen til en gammel 60 watts glødepærer.
Lys måles i en integrerende kugle

Når forskerne på DTU Fotonik måler, hvor meget en LED-pære lyser (lumen), dens lysstyrke (candela) eller strømforbrug (watt), monterer de pæren i en lyssfære – en integrerende kugle – som er 100% lystæt. På den måde kan gruppen nøjagtig måle pærens lys på mange forskellige parametre. Derefter erstatter de pæren med den kendte værdi – standardreferencen – og sammenligner data fra de to målinger.

“Så kan man regne forskellen mellem referencen og testobjektet ud. Når man måler lysstrøm, altså hvor meget lys pæren udsender, så måler man i lumen. En almindelig pære til husbehov giver cirka 800 lumen, det svarer til en 60 watts glødepære. Det vil typisk stå på pakken. Men det er vigtigt, at det der står på pakken også er korrekt. Derfor leder vi efter den mest almindelige LED for at nedbringe usikkerheden, når vi måler lys”.

“Indtil videre har vi samlet over 1500 forskellige strålingsmønstre (spektralfordelinger), og har sammenlignet dem for at finde den mest almindelig form for LED-lys. LED’er er meget forskellige, de fås i alle mulige farver, konfigurationer og kvaliteter. Det gælder om at finde en god standard – en god målestok. Dét lys skal i sidste ende blive til en ny global standardreference til at måle LED-lys”.

integrerende kugle - DTU Fotonik
På DTU Fotonik har de en integrerende kugle til at måle på lys. Den er 100% lystæt.
LED er mere energieffektiv end glødepæren

Selv om mange dvæler ved det romantiske, det hyggelige og det velkendte glødepærelys, så er der adskillige fordele ved LED-pærer frem for de gamle tungstens glødepærer. LED-pærer har en lang levetid. Gennemsnitligt kan en ny LED-pære lyse i 50.000 timer, før den kun kan lyse 70% af sin oprindelige lysstyrke. Det betyder, at en ny LED-pære ikke skal skiftes det første lange stykke tid.

Samtidig er LED-pærer meget energieffektive, dvs. de sparer meget strøm i forhold til glødepærer. Når glødepæren omdanner elektrisk energi til elektromagnetisk energi, spilder den en masse energi ved at varme glødetråden op, og kun cirka 3% af energien bliver til synligt lys. Fordi LED-pærer ikke bliver varme, går der ikke energi til spilde i samme grad, og det meste strøm omsættes til synligt lys.

I 2016 blev det helt forbudt at importere og sælge glødepærelamper i EU-lande. Lamperne er derfor så småt begyndt at forsvinde i hjemmene. Men forbuddet betyder også, at forskningsinstutioner som DTU Fotonik har meget svært ved at få fat i glødepærelamper til at indstille deres instrumenter. Anders Thorseth fortæller, at glødepærer til forskningsbrug efterhånden også er umulige at opdrive. Det er derfor vigtigt nu at udvikle en lyskilde, som skal erstatte glødepæren.

Projektet PhotoLED – Future photometry based on solid-state lighting products – er et samarbejde mellem DTU Fotonik og en række europæiske universiteter og insitutioner. Det løber til 2019.

Mere information:

DTU-forskere vil være først med globalt standardmål for LED-lys
Tagged on:             


© Forskningsformidling.dk 2018
Kontakt forskningsformidling.dk