LED tekniikkaa tutuksi

Turvallinen käyttää

Perinteinen halogeenipolttimo lämpenee niin paljon, että se voi jopa sytyttää tulipalon. Halogeenipolttimon sisällä lämpötila nousee jopa yli 1400 asteen, LED -valon sisällä lämpötila ei saa koskaan nousta yli 120 asteen. Tästä syystä perinteisten valojen asennukselle on asetettu sekä materiaali että tilarajoituksia. Uuden teknologian LED -valoilla ei ole näitä rajoituksia. LED -valaisin ei lämpene kuten kuin perinteiset hehkulangalla (mm. halogeenilamppu) toimivat lamput, joten se on paljon turvallisempi, varsinkin kuin se on asennettu ahtaisiin paikkoihin.

LED valo ei lämmitä ympärtistön lämpötilaa. Jos huoneistossa on esim. auringonpaisteen takia kesällä 26 astetta, lämmittä halogeenivalo tätä lisää. Koska LED -valon ei juuri lämmitä ympäristöään, ei valon käyttä kesälläkään ole ongelma. Valon käyttö ei aiheuta tarvetta ilman jääähdytykselle.

Tutkimusten mukaan (mm. VTT) valon käyttöä lämmitykseen ei suositella koska sen hyötysuhde on erittäin huono, vaikka huomioon otetaan saatava valoteho.

Huoltovapaa

LED-valo on melko huoltovapaa. Koska LED valo on käytännössä hyvin pitkäikäinen, sitä ei tarvitse vaihtaa siksi, että lamppu on palanut. Myös tämä helpottaa asennuspaikan valintaa. Nyt voit asentaa valaisimen myös sellaisiin paikkoihin, joihin et ole voinut valoja ennen asentaa. Lisäksi LED-valot mahtuvat ahtaisiinkin paikkoihin.

LED-lamppujen keskimääräinen elinikä on jopa 80.000 käyttötuntia, joka vastaa 5 tunnin päivittäi- sellä käytöllä noin 44 vuoden elinikää. Halogeenipolttimon keskimääräinen elinikä on 4.000 – 5.000 tuntia, Hehkulampun elinikä on vieläkin pienempi (alle 1000 tuntia) kuin halogeenivalojen. Koska LED-valoa ei käytännössä tarvitse juuri vaihtaa palaneen polttimon takia, voidaan lamppu suunnitella ja valmistaa siten, ettei siinä ole luotettavuutta heikentäviä ratkaisuja, kuten liittimiä polttimolle. LED-valon liitokset tehdään luotettaviksi jo tehtaalla, joten sinulle ei tule niistä ongelmia myöhemmin. Siirtyessäsi LED-valojen tekniikaan, pääset kerralla eroon palaneista vaihdettavista lampuista sekä lampun huonosta liitoksista, joita saa aina puhdistella, jotta valot toimisivat.

Uuden teknologian tehokkaat ja kirkkaat tehokkaat LED -valot

Uuden teknologian LED -valot ovat kehittyneet voimakkaasti viime vuosina ja kehitys toki jatkuu edelleen. Uuden teknologian LED -valoista saadaan nykyisin huomattava määrä valoa, niissä on hyvä värintoistokyky ja leveä spektri. Valo-ominaisuuksiltaan ne ovatkin jo parempia kuin perinteiset lampput kuten halogeeni- ja hehkulampput. Puhumattakaan ns. energiasäästölampuista, joissa mm. värintoisto on ykeensä hyvin kehno. LED-valoilla on monia ylivoimaisia ominaisuuksia verrattuna perinteisiin lamppuihin, kuten joustava asennus, käytön turvallisuus ja helppous.

Helppo asentaa, turvallinen käyttää

LED-valoja ja varsinkin LED-nauhoja on turvallista käyttää, koska ne eivät lämpene (palovaara) ja niitä käytetään matalajännitteellä (sähköiskun vaara). Esimerkiksi yleiskäyttöinen hyvälaatuinen LED-nauha ei lämpene yli 50 asteen joten se ei voi sytyttää tulipaloa normaalioloissa. Koska LED-nauhoja yleensä käytetään 24 Vdc jännitteellä, ei LED-nauhoista myöskään voi saada oireita tai kuolemaa tuottavaa sähköiskua. Lisäksi näitä pienjännitteellä toimivia valoja saa asentaa kuka tahansa asiaan riittävästi perehtynyt henkilö.

Koska LED-valot ovat hyvin energiatehokkaat eli ne kuluttavat vähän sähköä suhteessa saatavaan valomäärään, on yleensä siirettävät tehotkin maltillisa. Tällöin asennuksen yhteydessä tehtävät johdotukset ovat helpompia ja se saa helposti piiloon.

LED-nauha valolähteenä on myös aivan ylivoimainen tuote. Sillä teet niin suoran- kuin epäsuoran hyvän valaistuksen. Lisäksi se on helppo asentaa ja asennus ei vaadi mitään erikoisia ja suuria rakennelmia.

LED-nauhaa on myös erittäin helppo himmentää ja sillä voidaan helposti säätää värilämpötilaa tai tuotta eri värejä.

Värintoistoindeksi CRI

Valojen teknisissä tiedoissa on joskus ilmoitettu värintoistoindeksin CRI (tai Ra) lukema. Käsittelemme tässä artikkelissa, mitä tämä lukema tarkoittaa ja onko se edes tärkeä?  Värintoistoindeksi (lyhenne CRI, englanniksi colour rendering index) pyrkii kertomaan kuinka hyvin eri värit toistuvat kyseisen valolähteen valossa asteikolla 0-100%. Periaatteessa 100 tarkoittaa, että värit toistuvat parhaalla mahdollisella tavalla ja 0 sitä, ettei värit toistu lainkaan eli näet kaiken mustavalkoisena (monokromaattisena). Pyrkii. Periaatteessa. Mitä tällä tarkoitetaan. Eikö CRI lukea olekkaan absoluuttisen tarkka ja luotetava lukema?

Kuinka värintoistoindeksi määritellään?

Värintoistoindeksi märitellään vertaamalla kahdeksan eri värin (lyhyesti: R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 ja R8)  toistumista valolähteen valossa verrattuna referenssivalon valossa toistumiseen. Alun perin tämä vertailu on tehty täysin aistinvaraisesti arvovaltaisen raadin toimesta, heidän oman astinvaraisen arvion mukaan. Värintoistoindeksin perusta on siis objektiivinen, ei subjektiivinen, parametri. Myöhemmin, kun tekniikka kehittyi ja pystyttiin rakentamaan mittalaite mittaamaan värintoistoindeksiä, on sen perusta edelleen tämä objektiivinen määrittely, ei siis subjektiivisesti mitattava parametri. Ei edes nykytietokoneiden aikana. Tarkinkin ja paras CRI:tä mittaava mittalaite mittaa edelleen vain tämän arvovaltaisen raadin kokemaa värintoistoa. Se muutos on tapahtunut, että nyt mittaus on toistettavissa. Aiemmin kun ihmiset vertailivat eri valolähteiden värintoistoa, saatiin joka kerta eri tulos.

Värintoistoindeksin referenssi

Toisen maailmansodan aikoihin (ennen ja jälkeen)  värintoistoindeksiä määriteltäessä ja päätettäessä, huomattiin että päivänvalossa (aurinko) värit toistuvat hyvin ja se olisi hyvä referenssi. Auringonvalon ominaisuudet kuitenkin muuttuvat sen korkeuden mukaan (valon taittuminen ja suodattuminen ilmakehässä) ja myös ilman kosteus (esim. pilvisyys) vaikuttaa valon ominaisuuksiin. Auringonvalo ei siis kelvannut referenssiksi ja hyvä niin. Referenssin tulisi olla pysyvä ominaisuuksiltaan, eihän metrin mitankaan soisi muuttuvan eri kellonaikoina. Kansainvälinen valoteknisen alan kattojärjestö (CIE, The International Commission on Illumination) päättikin, että referenssi määritellään tarkemmin ja niin, että sen ominaisuudet ovat pysyvät. Tällä hetkellä käytetään kahta eri valolähdettä värintoistoindeksiä mitattaessa. Referenssi riippuu mitattavan valolähteen värilämpötilasta.

Referenssi, kun värilämpötila on alle 5000 K

Kun mitataan esim. lämmintä tai puhtaanvalkoista valoa (värilämpötila esim. 3000-4500K), niin referenssin valolähteenä on Planckin säteilijä (värilämpötila noin 2856 K) eli yksinkertaistettuna musta hehkuva tietty metallikappale (black body radiator). Tämä referenssivalolähde jäljittelee auringonvaloa päivällä ilman vääristymää. Tälläisen kappaleen valon spektri on kuitenkin jo lähtökohtaisesti vääristynyt. Valon spektrissä lämpimät sävyt, kuten mm. keltainen ja punainen väri, ovat hyvin hallitsevia. Tämähän pätee kaikkiin hehkuviin kappaleisiin kuten metalleihin. Ja juuri sitä tämä referenssi on, Planckin säteilijä on kuumennettu metalli. Yksinkertaistettuna esimerkkinä tästä on hehkulamppu. Tästä johtuukin, että hehkulampun CRI on aina 100. Mutta näetkö värit hehkulampun valossa parhaalla mahdollisella tavalla? Onko siis referenssi oikea?

Kuvassa värit D65 loisteputken valossa (vasen) ja hehkulampun valossa (oikea). Toinen kellertää. Onko siitä referenssiksi?

Hehkulampun väri CIE 1931 värikoordinaatistossa. Keskellä olevaan valkoisten viivojen yhtymäpiste kartalla on valkoinen valo. Hehkulamppu (punainen piste, mittaustulos) on kaukana siitä ja se vaikuttaa hyvin paljon väriaistimukseemme. Parhaat ja tietyn värilämpötilaiset LED:it ovat aivan keskellä valkoista. Valon puhtaus (ärsykepuhtaus) on 0,6263 (Purity lukema, huono arvo). Katso myös artikelissa myöhemmin esiintyvä hehkulampun spektri. Onko tälläinen hyvä referenssi?

Referenssi, kun värilämpötila on yli 5000 K

Kun mitataan esim. päivänvaloa jäljittelevää valolähdettä (tai kylmän valkoista), niin referenssinä käytetään standardi D65 valonlähdettä. Tämän valolähteen teoreettinen värilämpötila on 6500 K joka vastaa iltapäivän valoa. Referenssinä käytetään yksinkertaistettuna täyden spektrin D65 loisteputkea (asia on tosin vähän monimutkaisempi). Mutta millainen on sen spektri? Se on aika vääristynyt.

Kuvassa niinsanotun täyden spektrin loisteputken (D65) antama valonjakauma eli spektri. Spektrissä on kolme piikkiä osuen aallonpituuksille 435 nm (sininen), 545 nm (vihreä) ja 610 nm (punainen). Tämän piikkispektrisen valolähteen värintoistoindeksiksi on mitattu 93,3, mutta mikä onkaan referenssi mihin verrataan?

Kuten lukija saattoi edellä rivien välistä lukea, on värintoistoindeksissä valuvika johtuen vääristyneestä referenssistä. Värintoistoindeksin ei nykyään katsotakaan tyydyttävästi mittaavan uusien valonlähteiden, kuten parannettujen loisteputkien ja muiden purkauslamppujen sekä valkoisten LED:ien subjektiivisia ominaisuuksia. Tästä syystä osaltaan kansainvälinen valaistuskomissio CIE valmistelee parhaillaan uutta, tarkempaa menetelmää määritellä värintoistoindeksi. Uudesta määritelmästä saa esimakuja vuoden 2015 keväällä julkaistusta dokumentista: TEST METHOD FOR LED LAMPS, LED LUMINAIRES AND LED MODULES

Miten värintoistoindeksi lasketaan?

Värintositoindeksissä mitataan kahdeksan eri värin (R1-R8) osalta värintoistokyky ja niistä lasketaan matemaatisesti värintoistoluku Ra joka on siis CRI lukema. Nämä kahdeksan eri väriä vastaavat kukin värin tiettyä aallonpituutta. Vain siis näitä kahdeksaa väriä käytetään CRI lukeman määrittelyyn.

Kahdeksan eri mitattavaa väriä kun määritellään värintoistoindeksiä CRI. Näistä lasketaan matemaattiseti keskiarvo eli Ra luku joka vastaa tieyllä painotuksella lukuja R1, R2, R3, R4, R5, R6 R7 ja R8. Ra on sama kuin CRI.

Kuten ylläolevasta kuvasta voidaan nähdä, puuttuu värintoistoindeksistä useita värejä jotka ovat meillä yleisiä jokapäiväisessä elämässämme. Tälläinen on esimerkiksi kirkas punainen. Tämän takia on kehitetty lisää mitattavia värejä (R9-R15), mutta näitä pisteitä ei käytetä laskettaessa värintoistoindeksiä Ra. Ra lasketaan edelleen vain kahdeksalla värillä.

Seitsämän lisättyä väriä, joiden kohdalta paremmat mittalaitteet myös mitaavat värintoistokyvyn. Näitä värejä ei käytetä kuitnekaan värintoistoindeksin (Ra) laskemiseen. Huomaa, että myös ihonväri sekä lehtivihreä on otettu mukaan.

Koska värintoistoindeksin (CRI) laskentaan käytetään vain kahdeksaa väriä, on käytännössäkin mahdollista, että kahdella eri valolähteellä, joilla on sama värintoistoindeksi, ei ole sama kyky toistaa värejä. Toinen valonlähde voi olla toista huomattavasti parempi. CRI luku ei kuitenkaan tätä kerro. Suurin ero tulee tyypillisesti juuri punaisen värin kohdalla, siis mittaväri numero 9 (R9). Myös ihon väri toistuu usein eri tavalla.

Kaikki 15 eri referenssiväriä. Harva LED-valon valmistaja tai myyjä uskaltaa näitä kaikkia edes näyttää.

R9, mitä siitä. Onko se tärkeä?

Väri R9 edustaa kirkasta punaista. Toiset vannovat sen tärkeyttä, toisten mielestä se ei ole tärkeä, varsinkin kun sitä ei edes oteta huomioon värintoistoindeksiä määriteltäessä. Onko siis fundamentalismia sanoa, että R9 on tärkeä mittausparametri? Vai onko se vain mielenkiintoinen? Tai täysin turha?

Kaksi kuvaa samasta tilanteesta. Ylempi kuva on tyypillisellä LED valon värintoistoindeksillä (CRI=72)  ja alempi Valokas LED valon värintoisoindeksillä CRI=96.

Aikana, jolloin värintoistoindeksi CRI määriteltiin, ei ollut LED valoja. Yleisin valo oli hehkulamppu. Sen valon spektri on hyvin hyvin erilainen kuin LED valon. Hehkulampun valon spektri lähtee nousemaan kylmistä sävyistä (sininen) ja kasvaa lineaarisesti kohti lämpimiä sävyjä. Valo tuottaa siis hyvin paljon myös punaista valoa (aallonpituus noin 625-740 nm) joten käytännössä kirkkaan punaisen valon osuutta ei ole edes tarvinnut ottaa huomioon.

Kuvassa hehkulampun valon spektri ja värintoistoindeksi joka on 100 (mitattu 99,7). Spektrissä oikealla on lämpimät sävyt (viimeisenä punainen) ja vasemmalla kylmät.

LED valon spektri on kuitenkin hyvin erillainen. Valossa on tyypillisesti sinisen alueella piikki ja lämpimämmät ovat jakaantuneet tasaisemmin. Yleensä valon määrä laskee jyrkästi punaista kohden mentäessä (spektriviivaa siirryttäessä oikealle). Siis punaisen osuus valkoisesta valosta häviää tai jopa puutuu.

Halvan LED-nauhan (ostettu DealExtreamesta) spektri ja värintoistoindesi Ra=63,1.

Yllä olevassa LED valon spektrissä on vasemmalla korkea sinisen aallonpituudelle (spektrissä piikki 435 nm) osuva piikki. Lämpimät sävyt ovat paljon heikommat ja punaista ei ole juuri lainkaan (allonpituudet 625-740 nm). Oikealla on myös mittalaitteen antama tulos mittaväreille R1-R15. Huomaa, että R9 = -35,22. Eli kirkkaan punaisen lukema voi olla jopa negatiivinen ja usein halvoilla LED valoilla näin onkin (tämä mahdollisuus negatiiviseen arvoon johtuu indeksin matematiikasta). CRI lukema on kuitenkin immuuni tälle kirkkaan punaisen värintoiston heikoudelle. Alla on kaksi mittauskuvaa esimerkkinä, joissa toisessa on huonompi R9 lukema paremalla CRI lukemalla. Toki on niin, että vaikka R9 lukema olisi mukana CRI lukeman määritelyssä, ei sen heikompi arvo muuttaisi tilannetta. Johtuen  CRI lukeman laskentamatematiikasta, yksittäinen huono mittausarvo R1-R8 väreillä ei vielä rankaise lainkaan CRI lukua.

Mitatu LED valo, jonka CRI=66. R9 = -22,27 siis negatiivinen. Kuvan alapalkit kuvaavat graafisesti oikealla olevan taulukon lukuja. Valon värilämpötila CT on ollut 3315 K eli lämmin valkoinen, minkä voi päätellä myös spektristä.

Mitatu LED valo, jonka CRI=72. R9 = -26,93 eli heikompi kuin edellisen CRI=66 valon. Kuvian alapalkit kuvaavat graafisesti oikealla olevan taulukon lukuja. Valon värilämpötila CT on ollut 6076 K eli juuri kylmän valkoisen rajalla, minkä voi päätellä myös spektristä. Klikkaamalla kuvaa se suurenee omaan ikkunaan.

Kuten yllä olevasta kahdesta eri valolähteen mittauksesta huomataan, niin CRI lukema ei kerro luotettavasti LED valolähteen värintoistoa. Huonommalla värintoistoindeksillä CRI=66 on parempi kyky toistaa mm. kirkasta punaista. Myös R10 ja  R11 (keltainen vihreä sininen) ovat parempia ja R12 (ihon väri) on yhtä hyvä. Herääkin kysymys, kannataako CRI lukemaa edes esittää tuotteen teknisissä tiedoissa kovin tarkkaan? Tästä syystä kerromme CRI lukeman siten kun kerromme. Osin tästä samaisesta syystä kansainvälinen valaistuskomissio CIE valmistelee parhaillaan uutta, tarkempaa menetelmää määritellä värintoistoindeksi.

Kuka edes tarvitsee R9-R15 lukemia?

Monesti on niin, että CRI lukema toimii sellaisenaa R1-R8 väreilläkin. Tämä pätee yleensä silloin, kun CRI lukema on parempi kuin 80, joskin silloinkin R9 eli kirkas punainen on äärimmäisen heikko. Laajennettuja R9-R15 värejä tarvitaan kuitenkin lähes jokaisessa tapauksessa. Tälläisiä ovat mm.

• Elintarvikkeiden valaisuun tarkoitetut sovellukset
• Sisustusvalot, koska olet sisutanut kotisi väreillä. Olethan?
• Epäsuora valaistus, koska olet valinnut kodin pintojen värin huolella. Haluathan, että ne toistuvat oikein?
• Vaatteiden valaisuun tarkoitetut sovellukset
• Ihon valaisuun tarkoitetut sovellukset
• Sisutusmateriaalien valaisuun tarkoitetut sovellukset
• Taideteosten ja maalausten valaisuun tarkoitetut sovellukset
• Sairaalat, hoitohuoneet, lääkäriasemat yms. vastaavat
• Ensihoitoyksiköiden, ambulanssien ja sairaankuljetusyksiköiden sisätilojen valaisu

Monissa näistä sovelluksista kirkkaan punaisen merkittävyys on niin suuri, että huonon LED valon korjaukseksi on kehitetty valo, jossa valkoisen lisäksi on mm. punainen LED valolähteenä. Punaisella valolla valkoisen kanssa saadaankin R9 mittauslukua paremmaksi. Markkinoilta, kuten meiltä, on kuitenkin  saatavana valkoisia LED valolähteitä, joissa R9 lukema on erittäin hyvä värilämpötilasta riippumatta. Jopa värilämpötilan säätö on mahdollista CRI lukeman pysyessä loistavana.

Hyvä värintoistokyky CRI:n valossa

Mikä sitten on riittävä ja mikä hyvä lukema? Yleisohjeena normaalisti on, että CRI lukemana kaikki yli 80 on aivan riittävä kun R9 on noin 40-50. Harvoin R9 on näinkään hyvä, jos Ra=80…84. Tilanne paranee, jos R9 lukema saadaan jopa 50-70 luokkaan, vaikka CRI lukema ei vielä paljon yli 80 kasvaisi. On paljon tärkeämpää kiinnittää huomiota R9 lukuun kuin siihen, onko CRI lukema yli vai ali 90 eli esimerkiksi onko CRI 88 vai 92. Aiemmin esitimme täyden spektrin loisteputkivalon spektrin (ne kolme pystyviivaa). Siinä värintoistoindeksi oli Ra=93,7.  Se ei kuitenkaan yllä lähellekään LED valon värintoistokykyä, koska sen R9 on vain 43,7 joka toki on hyvä luku sekin. Mutta LED pystyy paljon parempaan. Toisaalta, kun Ra on reilusti yli 90, tiedät että R9 on myös yli 90. Näin ainakin meidän LED-nauhatuotteilla.

Limic Oy:n maahantuoma Valokas LED-valonauhamallistoon kuuluu myös tuotteita, joissa CRI>90 ja R9>80, vaikka vähempikin riittäisi. Alla on mittaustulos kalibroidulla mittalaitteella yhdestä valonauhastamme, malleja on saatavana useita.

Valokas LED-nauhan spektri (vuonna 2017, vuonna 2019 lukemat ovat vieläkin paremmat) ja värintoistoindeksi. CRI=95 ja R9=80,23. Tämän puhtaan valkoisen LED nauhan värilämpötila on n. 4000 K. Vastaavilla ominaisuuksilla on saatavana nauhaa värilämpötila-alueella 3000K – 6200 K, jopa säädettävällä alueella. 

Värintoistoindeksin ongelmat lyhyesti kertauksena:

• Referenssi vääristynyt
• Indeksi perustuu edelleen subjektiivisuuteen
• Mitattavia värejä on vain kahdeksan.
• Yksittäinen heikko mittausluku R1-R8 värillä ei vielä vaikuta CRI lukemaan
• Kirkkaan punaista ei mitata, vaikka se on usein tärkeä
• Tuijotetaan liikaa yhteen lukuun (CRI=jotain) ja kokonaisuus jää hahmottamatta.

VALOKAS LED-NAUHA

Päivityksenä vuoden 2019 Valokas 4200K:n LED nauhan FW300T5050C24 spektri ja värintoistoindeksi. Värintoistoindeksi Ra=97,3 ja R9 (kirkas punainen) 96,3. Ärsykepuhtaus 0,1958. Tätä paremmaksi on hankala LED valonlähdettä tehdä.

TEE-SE-ITSE (DIY, do it yourself). LED valojen ohjain

Ohjaintransistorit (TO-220 koteloiset, TIP32) vaativat pienen jäähdytyksen, jos ohjainta käytetään 12-16 V jännitteellä ja 9 W ohjausteholla, jolloin 3 kpl 3 W valkoisia LED:ejä on kytketty sarjaan. Mikäli käyttöjännitettä nostetaan ja ohjaustehoa lasketaan (sarjaan kytkettävien LED:ien lukumäärä laskee), tippuu ohjaimen hyötysuhde runsaasti ja transistorit vaativat kohtalaisen suuren jäähdytyksen. Hukkateho, joka tulee lämmöksi, saattaa olla useita watteja.