Alles wat je moet weten over ledlampen
Heb je ook wel eens een ledlamp gekocht en met verbazing gekeken naar alle cijfers en pictogrammen die op de verpakking staan? Met wat technische uitleg weet je waar je op moet letten.
Als je vroeger een gloeilamp moest hebben, ging je naar de winkel en kocht je bijvoorbeeld een 60 watt peertje. Het aantal watt en de fitting (groot of klein) was zo’n beetje het enige wat je hoefde te weten. Tegenwoordig staan de verpakkingen van ledlampen helemaal vol met allerlei informatie. Maar wat betekenen 600 lumen nu in de praktijk? En is een ledlamp van 5 watt wel genoeg voor waar je hem voor nodig hebt, of is een model van 10 watt toch beter? Hoe helder is die lamp nu eigenlijk, geeft hij eerder koud of warm licht – en hoe groot is de lichtbundel? In dit artikel lichten we enkele begrippen toe rondom de hedendaagse ledverlichting.
GETALLEN EN SCHATTINGEN
Op de verpakking van een ledlamp staan meestal gegevens over het energieverbruik in watt [W], de lichtstroom in lumen [lm] en de kleurtemperatuur in kelvin [K]. Bovendien wordt de stralingshoek in graden [°] gegeven en vaak ook de kleurweergaveindex (Color Rendering Index, CRI). Als de lamp kan worden gedimd, staat daar ook een symbool voor op, meestal een cirkel met een pijl eromheen. Bovendien zou de verwachte levensduur en moet de energieefficiëntieklasse genoemd worden. Hoe helder een ledlamp is vergeleken met een klassieke gloeilamp, kun je aan de hand van het aangegeven energieverbruik afleiden. Een gloeilamp produceert tussen 8 en 15 lm/W – als vuistregel kun je 10 lm/W aanhouden, bij krachtige gloeilampen iets meer. Een peer van 40 watt zal dan dus ongeveer 400 lumen genereren.
Een ledlamp haalt tussen de 80 en 120 lm/W. Bij de test op pagina 58 kwamen de smartlampen met het klassieke peerontwerp en een E27fitting – de zogenaamde retrofits – op 80 tot 90 lm/W uit. Als zo’n lamp 10 watt gebruikt, genereert hij net als de 60 watt gloeilamp een lichtstroom van rond de 800 lumen.
De helderheid van het verlichte oppervlak hangt daarbij af van de vorm van de lamp: een GU10lamp met een kleine stralingshoek concentreert het licht op een kleiner bereik. De lichtbundel kan daarom kleine oppervlaktes met een gelijk aantal lumen helderder belichten dan een klassieke peer E27model lamp met een grote stralingshoek.
Als je in de winkel door al die verschillende lichtomschrijvingen wordt overrompeld: de lichtstroom (lumen, lm) is de uitgestraalde hoeveelheid licht die een lamp in de ruimte afgeeft. De lichtsterkte (candela, cd) geeft de hoeveelheid licht aan die zich in elk stukje van een lichtbundel bevindt. De verlichtingssterkte (lux, lx) beschrijft de lichtstroom die op een bepaald oppervlakte valt.
LICHTVAL
Zoals uit onze metingen blijkt, geven de retrofitledlampen met de klassieke E27 fitting door hun vorm licht in de vorm van een halve bol. Op en naast de fitting valt er nauwelijks licht. De lichtverdeling komt wat dat betreft overeen met die van een klassieke gloeilamp: als je die in een hanglamp draait, valt
er praktisch geen licht op het plafond. Voor muurlampen, waarbij het licht naar de zijkant valt, zijn dergelijke lampen minder geschikt.
Bij de klassieke E14 kaarsmodellen blijft het bereik boven de spits van de kaars net zo donker als aan de kant van de fitting. De straaleigenschappen van de lichtbundel krijgen in de grafiek de vorm van een donut. De GU10spotjes schijnen hun licht in de vorm van een kegel. Hun gerichte lichtstraal is praktisch om accenten aan een ruimte te geven of schilderijen of objecten belichten.
De kleine dioden aan de binnenzijde van een ledlamp zijn kleine puntjes van licht die elk een lichtbundel afgeven met een ruimtehoek van 2°. In de lampen zitten meerdere leds die samen met diffusors voor een grotere stralingshoek zorgen, zoals je kunt zien op de foto van de geopende lamp op deze pagina. Bij gekleurde ledlampen mengt een kleine diffusor eerst het licht van de gekleurde leds en het diffuse omhulsel van de lamp verdeelt het licht dan zo gelijkmatig mogelijk in de ruimte. Voor witte lampen is een enkel diffuus omhulsel genoeg.
De lichtstroom omvat al het licht dat in de ruimte gegenereerd wordt. De lichtstroom wordt gemeten met een goniofotometer, die de lamp om een sensor heen draait. Voor onze tests hebben we de LGS 650 van Instrument Systems gebruikt. Het apparaat beweegt de lampen één voor één langs de meetkop en draait ze stapsgewijs om hun eigen as. Met de LGS 650 zijn metingen met 0,01 graad resolutie in een bereik van +/ 160 graden mogelijk.. Wij hebben de resolutie iets gereduceerd om de meetduur wat korter te houden.
Bij elke meting registreert de LGS 650 meteen de elektrische waarden van de lamp. Als je de meetkop van een fotometer voorziet, kun je in een doorgang van de goniometer binnen enkele minuten al een eerste indicatie krijgen van de lichtstroom. Voor de kleureigenschappen zoals de CRI hebben we de meetkop met een spectroradiometer uitgerust. Elke meting duurde daarmee ongeveer een uur.
WARM OF KOUD LICHT
Ledlampen hebben verschillende kleuren witlicht. De meeste hebben een vaste kleurtemperatuur, bij andere kun je die aanpassen via een afstandsbediening of bij smartlampen kun je ze via een app in stappen of traploos wijzigen.
De kleurtemperatuur wordt in kelvin uitgedrukt. De basis voor die eenheid is de kleur die verhit ijzer aanneemt. Het metaal wordt bij verhitting eerst rood en verandert dan bij stijgende temperatuur van oranje naar geel naar lichtblauw. Hoe meer blauw er in het witlicht zit, des te hoger de kleurtemperatuur is (Correlated Color Temperature, CCT). Vanaf 6500 kelvin wordt er gesproken over koudwit.
De kleur van daglicht is variabel. De ochtend begint met een rode kleurnoot van rond de 3000 kelvin, ’s middags wordt het maximum van 5500 tot 6500 kelvin bereikt en in de avond zakt het weer af naar een warmer licht met minder kelvin. Op dezelfde manier bepaalt de kleurtemperatuur van een lamp ook welk effect deze heeft: warmwitte ledlampen van 2700 kelvin worden door ons als behaaglijker ervaren omdat dat overeenkomt met het avondlicht. Het aandeel blauw in het licht komt bovendien overeen met onze biologische klok: koud witlicht remt de productie van het slaaphormoon melatonine af. Daarom zorgen lampen met veel blauwlicht en smartphoneschermen voor problemen bij het in slaap vallen.
In lampen waarbij je de kleuren en kleurtemperatuur kunt instellen, zitten ledjes met verschillende kleuren die individueel kunnen worden aangestuurd. Bij ledlampen waarbij de kleur wit niet wijzigt, zitten over het algemeen blauwe dioden waar een gele fosforlaag op is aangebracht. Een deel van het blauwe licht wordt in de fosforlaag geconverteerd en het resultaat is ‘wit’ licht.
Welke kleur licht een led geeft, wordt bepaald door het materiaal van de halfgeleiderovergang. Meestal wordt daar arsenide, fosfide en nitride voor gebruikt, of een combinatie daarvan – voor blauwe dioden is dat bijvoorbeeld indium gallium nitride (InGaN). Blauwe dioden zijn bijzonder efficiënt, net als rode. Groene zijn dat in mindere mate. Daarom worden voor lampen waar het witlicht kan worden ingesteld koudwitte leds (blauw met gele fosfor) en warmwitte leds (blauw met oranje fosfor) of een combinatie van koudwit en rode leds gebruikt. Als alle
kleuren ingesteld moeten worden, worden RGBleds ingezet: dan zitten de rode (R), groene (G) en blauwe (B) dioden samen in een behuizing.
Het spectrum op de vorige pagina toont de mengverhoudingen bij verschillende kleurtemperaturen. De koudwitte kleurtemperatuur van koudwitteleds zit op dezelfde plek in spectrum als het licht dat mobiele apparaten uitstralen, met een duidelijke piek bij 450 nm (blauwaandeel)_en een bredere piek rond 570 nm (geelaandeel). Met een stijgende kleurtemperatuur verschuift de brede piek naar langere golflengtes rond de 615 nm (roodaandeel). De blauwe piek neemt daarbij sterker af.
Stel dat je meerdere lampen boven je tafel wilt combineren, dan moet je lampen hebben die zoveel mogelijk dezelfde kleurtemperatuur hebben. Het werkt dan niet om lampen van verschillende fabrikanten te combineren. Als er een wit tafellaken onder ligt, zullen kleine afwijkingen in de kleurtemperatuur sterker opvallen. Het kan dan handig zijn smartlampen te gebruiken, waarbij je de kleurtemperatuur traploos kunt instellen.
Aan de hand van het spectrum kun je ook afleiden hoe natuurlijk voorwerpen er uitzien die zich onder de ledlamp bevinden. De waarde die daarbij van belang is, is de zogenaamde Color Rendering Index, CRI: een gloeilamp haalt de op zonlicht gebaseerde optimale CRIwaarde van 100. Onze smartledlampen halen een CRI van 80 tot 90. Bij lampen met een CRIwaarde van onder 80 worden de kleuren van voorwerpen flets en zien gezichten er ongezond uit. De oorzaak is dat bepaalde golflengtes in het lampenspectrum niet aanwezig zijn, waardoor de kleuren die lichtfrequenties niet reflecteren.
Tegelijk zijn lampen met een hoge CRI minder efficiënt. De ideale CRI heeft een evenredig spectrum. Maar de optimale efficiëntie van monochromatisch ledlicht piekt rond 555 nm. De lampenfabrikanten moeten daardoor altijd op zoek naar het beste compromis.
OOK LEDLAMPEN WORDEN WARM
De voornaamste oorzaak dat lampen stuk gaan is een gebrekkige warmteafvoer. Ook al worden de lampen aan de buitenkant nauwelijks warm, bij het omzetten van elektrische energie naar licht wordt in de halfgeleider meer dan 50 procent van de energie omgezet in warmte. Een zorgvuldig ontworpen thermisch design moet ervoor zorgen dat de warmte van de individuele ledchips naar buiten wordt afgevoerd. Als je een ledlamp in een gesloten krappe lampenkap stopt, kan de warmte zich ophopen en kan de lamp vroegtijdig stukgaan.
Veel ledlampen werken ook niet met dimmers: de interne regeling van de lamp probeert de netspanning namelijk op een constant niveau te houden, terwijl de dimmer de energietoevoer verandert. Ook lampen die volgens de verpakking geschikt zijn voor gebruik met een dimmer, werken niet altijd samen met alle dimmers.
Voor een constante lichthelderheid is het belangrijk dat spanning bij de diodes zo constant mogelijk is: een gelijkrichter in de ledlamp zorgt er dan ook voor dat de netspanning wordt omgezet naar de benodigde gelijkspanning. Afhankelijk van hoe goed die gelijkrichter werkt, stijgt de stabiliteit van de lichthelderheid.
De lichtsterkte van de lamp hangt af van de stroom die door de ledjes in de behuizing loopt. Om de helderheid van de individuele leds en daarmee de kleurmenging en de algehele helderheid van de lamp te veranderen, stuurt de ingebouwde elektronica de stroomdoorvoer aan. De led wordt dan op hoge snelheid aan en uitgeschakeld door middel van pulsbreedtemodulatie (PWM): hoe breder de puls binnen een vaste periode is, des te helderder de leds branden. Het menselijk oog is te traag om die schakelingen waar te nemen en ziet daarom alleen de gemiddelde lichtsterkte.
De klokfrequentie van de PWM varieert per fabrikant. Bij de twaalf slimme lampen uit de test lag die tussen 600 en 1000 Hz. Hoe hoger de frequentie en hoe groter de verhouding tussen pulsduur en periode is, des te kleiner het gevaar dat een lamp flikkert. Helaas geven de fabrikanten daar verder geen informatie over.