LEDIVALAISIMET RAUTATIEALUEIDEN VALAISTUKSESSA

Transkriptio

1 LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Sähkötekniikan koulutusohjelma Heikki Mattila LEDIVALAISIMET RAUTATIEALUEIDEN VALAISTUKSESSA Koulutusohjelman johtaja hyväksyi diplomityön aiheen Työn tarkastajina toimivat professori Pertti Silventoinen ja DI Jorma Männikkö. Työn ohjaajana toimi insinööri Arto Laurila. Hyvinkäällä Heikki Mattila Vieremänkatu 8 B Hyvinkää heikki.m.mattila@gmail.com

2 TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Sähkötekniikan koulutusohjelma Heikki Mattila Ledivalaisimet rautatiealueiden valaistuksessa Diplomityö sivua, 15 kuvaa, 15 taulukkoa ja 6 liitettä Tarkastajat: Professori Pertti Silventoinen DI Jorma Männikkö Hakusanat: LED, loistediodi, valaistus, rautatie Leditekniikan kehitys viime vuosina on mahdollistanut niiden käytön yleisvalaistuksessa. Tässä työssä tehdään katsaus leditekniikan nykytilaan ja tulevaisuuteen, sekä osoitetaan, että ledivalaisimien energiankulutuksessa ja huoltokustannuksissa tehdyillä säästöillä voidaan kattaa suuremmat hankintakustannukset ja päästä yhtä suuriin tai pienempiin elinkaarikustannuksiin verrattuna perinteisiin kaasupurkausvalaisimiin. Valaisimien määrät on laskettu Dialux-valaistuslaskentaohjelmalla siten että rautatieasemien avolaitureiden ja katettujen laitureiden valaistusvaatimukset täyttyvät. Tuloksia voi soveltaa muihin vastaaviin tiloihin kuten asematunneleihin tai kevyen liikenteen väylille. 2

3 ABSTRACT Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology Electrical Engineering Heikki Mattila Usage of LED Lighting Fixtures on Railroad Areas Master's thesis pages, 15 figures, 15 tables and 6 appendices Examiners: Professor Pertti Silventoinen M.Sc. (Tech.) Jorma Männikkö Keywords: LED, light emitting diode, lighting, railroad The development of LED-technology in the last few years has enabled the use of the LEDs in solid-state lighting applications. This work presents the current state of LED-technology and some future projections. The work shows that the energy savings and savings on maintenance costs using LED-lighting fixtures can compensate for the higher price of the LED-fixtures compared to conventional high intensity discharge fixtures. Work shows that it is possible to achieve same or lower lifespan costs with LED-fixtures. The fixture amounts are calculated using Dialux-lighting planning program so that the lighting requirements for covered and open air railroad station platforms are met. The results can also be applied for other corresponding spaces, such as railroad station tunnels and pedestrian roads. 3

4 Alkusanat Tämä diplomityö on tehty VR-Rata Sähköasennuskeskukselle. Kiitokset SAKE:n työntekijöille ja muille yhteistyökumppaneille sekä professori Pertti Silventoiselle yhteistyöstä. Lisäksi haluan kiittää sukuani, tyttöystävääni ja ystäviäni kannustuksesta sekä erityisesti vanhempiani tuesta ja kannustuksesta koko piiiitkältä opiskeluajalta. Hyvinkäällä 24. toukokuuta 2010 Heikki Mattila 4

5 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO VALAISTUSTEKNIIKAN SUUREITA JA TERMEJÄ PERUSSUUREET VALOTEHOKKUUS VÄRILÄMPÖTILA VÄRINTOISTOINDEKSI MESOOPPINEN NÄKEMINEN LED LEDIN SÄHKÖFYYSINEN TOIMINTAPERIAATE VALKOINEN LEDI Suorituskyvyn nykytila Valmistusprosessi "Droop" Jäähdytys ja lämmönsieto Valovirran alenema ja käyttöikä Tulevaisuuden näkymät LEDIEN LUOKITTELU PERINTEISET VALAISINTYYPIT MONIMETALLILAMPPU SUURPAINENATRIUMLAMPPU LOISTEPUTKILAMPPU LEDIVALAISIMEN KÄYTTÖ YLEISVALAISTUKSESSA LEDIPUTKET JA PERINTEISIIN KANTOIHIN ASENNETTAVAT LEDILAMPUT STANDARDIT RHK:N VAATIMUKSET ULKOALUEIDEN VALAISIMILLE RAUTATIEALUEIDEN NYKYINEN VALAISTUSTILANNE SOVELLUSKOHTAINEN VERTAILU AVOIMET ASEMALAITURIT Avolaiturien valaistussuunnittelu Avolaiturien valaisimien kustannusvertailu Vertailun tulokset KATETUT ASEMALAITURIT Katettujen laiturien valaistussuunnittelu Katettujen laiturien valaisimien kustannusvertailu

6 8.2.3 Vertailun tulokset MUUTA HUOMIOITAVAA VALAISTUKSEN KUSTANNUKSISTA YHTEENVETO LIITTEET LIITE 1. Pienien rautatieasemien avoimien matkustajalaitureiden valaistuksen tunnusluvut ja kustannuslaskelmat LIITE 2. Keskisuurien rautatieasemien avoimien matkustajalaitureiden valaistuksen tunnusluvut ja kustannuslaskelmat LIITE 3. Suurien tai vilkkaiden rautatieasemien avoimien matkustajalaitureiden valaistuksen tunnusluvut ja kustannuslaskelmat LIITE 4. Pienien rautatieasemien katettujen matkustajalaitureiden valaistuksen tunnusluvut ja kustannuslaskelmat LIITE 5. Keskisuurien rautatieasemien katettujen matkustajalaitureiden valaistuksen tunnusluvut ja kustannuslaskelmat LIITE 6. Suurien rautatieasemien katettujen matkustajalaitureiden valaistuksen tunnusluvut ja kustannuslaskelmat 6

7 Merkinnät ja lyhenteet E E m hor GR av GR max K m R a R i T C U 0 min/av U d max/min V Valaistusvoimakkuus [lx], energia [ev] Keskimääräinen valaistusvoimakkuus (vaakataso) [lx] Kiusahäikäisyn keskiarvo Kiusahäikäisyn maksimiarvo Valotehokkuusvakio [lm/w] Yleinen värintoistoindeksi Erikoisvärintoistoindeksi Ekvivalentti värilämpötila CCT Minimivalaistusvoimakkuuden suhde keskimääräiseen valaistusvoimakkuuteen Maksimivalaistusvoimakkuuden suhde minimivalaistusvoimakkuuteen Ihmissilmän suhteellinen herkkyyskäyrä Kreikkalaiset η V λ ν Φ Φ e Valotehokkuus [lm/w] Aallonpituus [m] Taajuus [1/s] Valovirta [lm] Säteilyteho [W] Lyhenteet CCT CIE Corrected Colour Temperature Commission Internationale de l'eclairage 7

8 CRI GR LED MQW OEM PF SPNa Colour Rendering Index Glare Rating Light Emitting Diode Multiple Quantum Well Original Equipment Manufacturer Power Factor Suurpainenatrium 8

9 1 Johdanto LED (light emitting diode) eli loistediodi on puolijohdekomponentti joka muuttaa sähköenergiaa sähkömagneettiseksi säteilyksi useimmiten näkyvän valon alueella. Aluksi ledejä käytettiin lähinnä vähän valaisutehoa vaativissa sovelluksissa, kuten kohdevaloissa, näytöissä ja merkinantovaloissa. Viime vuosina leditekniikan kehitys on mahdollistanut myös yleisvalaistukseen tarkoitettujen ledivalaisimien valmistuksen. Nykyisin markkinoilla on jo suuri joukko sisävalaistukseen tarkoitettuja ledivalaisimia ja ulkovalaistukseen tarkoitettuja valaisinmalleja tulee markkinoille jatkuvasti lisää. Kiinnostus leditekniikkaan valaistuksessa on kova. Osaltaan vettä myllyyn on lisännyt EUkomission asetus 245/2009, joka asettaa alarajoja myytävien valaisimien valotehokkuusarvoille. Asetuksesta johtuen kaikkien elohopealamppujen myynti loppuu vuonna Leditekniikan kehitys vaikuttaa todella lupaavalta mutta tekniikka on kuitenkin vielä nuorta ja eri valmistajien valaisimien laadussa suuria eroja. Hyvä valaisin vaatii laadukkaan ledivalon lisäksi myös laadukkaan virtalähteen ja hyvin suunnitellun valaisinkotelon heijastinosineen. Laadukkaan yksittäisen ledin valotehokkuus on loistelampun valotehokkuuden luokkaa: Parempi kuin hehku-, halogeeni-, ja elohopealampun mutta huonompi kuin monimetalli- tai suurpainenatriumlampun. Ledien käytössä rautatiealueiden valaistuksessa on potentiaalia energian- ja rahansäästöön, mikäli leditekniikka osoittautuu toimivaksi vaihtoehdoksi. Tämän diplomityön tarkoitus on selvittää miten markkinoilla olevat ledivalaisimet soveltuvat rautatiealueiden ulkotilojen kuten ratapihojen, laitureiden ja asematunnelien valaisuun sekä onko ledivalaisimiin vaihtamalla mahdollista saavuttaa riittävästi energiansäästöä, säästöä huoltokustannuksissa ja lamppujen vaihtokustannuksissa, jotta suuremmat investointikustannukset saataisiin katettua. Lisäksi työ selittää ledien nykyisen kehitystilanteen ja antaa lukijalle perustiedot LED-komponenttien ja valmiiden ledivalaisimien kehityskulun seuraamiseen. 9

10 2 Valaistustekniikan suureita ja termejä Tässä osiossa selvitetään ledien luokittelun ja vertailun, sekä valaistustekniikan kannalta olennaisten termien ja suureiden merkitys. 2.1 Perussuureet Ihmissilmän suhteellinen herkkyyskäyrä V(λ) kertoo kuinka ihminen painottaa valoaistimuksen voimakkuutta valon eri aallonpituuksilla. Kirkkaassa valaistuksessa pätee silmän tappisolujen käyrä V ja hämärässä sauvasolujen käyrä V' (Halonen 1992). Esimerkiksi yhtä suuri säteilyteho vihreän värin aallonpituudella nm näyttää ihmiselle kirkkaammalta kuin punaisella aallonpituudella nm. Kuva 1. Ihmissilmän suhteellinen herkkyyskäyrä kirkkaassa (V) ja hämärässä (V') valaistuksessa. (ABB 2000) Valovirta Φ [lumen, lm] on fotometrinen suure, eli sen laskennassa otetaan huomioon vain ihmissilmän aistima valo. Valon aallonpituuksia painotetaan ihmissilmän suhteellisen herkkyyskäyrän V(λ) mukaisesti. Valovirta edustaa valoenergian virtausnopeutta ja vastaa dimensioltaan tehon yksikköä wattia. Valovirta määritellään 770nm Φ = K Φ m e ( λ) V ( λ) dλ, (3) 380nm jossa valotehokkuusvakio tappisoluille K m = 683 lm/w ja Φ e (λ) on valonlähteen säteilyteho aallonpituuden funktiona. (Halonen 1992) 10

11 Valaistusvoimakkuus E [luksi, lx] tarkoittaa pinnalle lankeavan valovirran suhdetta valaistavaan pinta-alaan. Valaistusvoimakkuus määritellään (Halonen 1992) Φ[ lm] E[ lx] =. (4) 2 A[ m ] 2.2 Valotehokkuus Valotehokkuutta käytetään säteilytehon muuttamisessa valovirraksi kaavan (3) mukaisesti sekä valaisimien energiatehokkuuden mittarina. Suure kertoo kuinka tehokkaasti valonlähde muuttaa sähkötehon valoksi. Se määritellään Φ[ lm] Φ η V = =. (5) P[ W ] UI Valotehokkuudesta puhuttaessa on syytä kiinnittää huomiota siihen, miten valotehokkuus määritellään ja mitataan. Ledeissä ympäristön lämpötilalla, virran suuruudella ja mittauksen kestolla on suuri vaikutus valotehokkuuteen. Toinen huomioitava asia on puhutaanko ledisirun valotehokkuudesta vai koko valaisimen valotehokkuudesta, joka sisältää verkkoliitäntälaitteen ja valaisinoptiikan häviöt. K m valotehokkuusvakio on teoreettinen maksimivalotehokkuus säteilijälle, jonka kaikki säteily on ihmissilmän herkkyyskäyrän maksimin aaltopituudella eikä minkäänlaisia häviöitä tapahdu. tappisoluille K m = 683 lm/w ja sauvasoluille K m = 1754 lm/w. (Halonen 1992) 2.3 Värilämpötila Värilämpötila-termiä käytetään valkoisen valon värisävyn määrittämiseen ja vertailuun. Kappaletta joka absorboi kaiken sille lankeavan säteilyn, kutsutaan mustaksi kappaleeksi tai Planckin säteilijäksi. Mustan kappaleen eri lämpötiloissa emittoiman säteilyn värikoordinaatit muodostavat kuvan 2 käyrän värikoordinaatistoon. Värilämpötila tarkoittaa sitä mustan kappaleen absoluuttista lämpötilaa, jossa sen väri vastaa valonlähteen valon väriä. Mikäli väri ei osu käyrälle käytetään ekvivalenttia värilämpötilaa (engl. CCT) T C, jonka arvot voi lukea kuvan 2 pystyviivoilta. Värilämpötilan yksikkö on kelvin [K]. Värilämpötilan kasvaessa väri muuttuu punaisesta (800 K) valkoisen (5000 K) kautta siniseen ( K). (Halonen 1992) Valkoisessa valossa yli 4500 K värilämpötilaa kutsutaan kylmän valkoiseksi, K neutraaliksi ja alle 3500 K lämpimäksi. 11

12 Kuva 2. Planckin säteilijän kuvaaja värikoordinaatistossa ja ekvivalentin värilämpötilan pystyviivat. (Wikipedia 2010a) 2.4 Värintoistoindeksi Värintoistoindeksillä (engl. CRI) mitataan valonlähteen kykyä toistaa värejä verrattuna vertailuvalonlähteeseen. Alle 5000 K värilämpötilan valonlähteiden vertailuvalonlähteenä käytetään Planckin säteilijää, jota vastaa lähes täydellisesti hehkulamppu. Yli 5000 K värilämpötilan valonlähteillä käytetään standardoitua luonnonvalon kaltaista valonlähdettä. Yleisimmin ilmoitettu CIE:n yleinen värintoistoindeksi, R a -indeksi mittaa värintoistoa kahdeksan värinäytteen erikoisindeksien R i aritmeettisena keskiarvona. R i 4, 6 = 100 E, jossa (6) i E i = testivärin värisiirtymä CIE 1964 UCS-järjestelmän U*V*-koordinaatistossa. (Halonen 1992) 12

13 Tämä laskentatapa ei kerro koko totuutta värintoistosta. Erityisesti jos valonlähteen spektri sisältää korkeita piikkejä yksittäinen väri saattaa korostua ilman että se näkyy mitenkään R a - arvossa. 2.5 Mesooppinen näkeminen Tulevaisuudessa ledivalon kilpailukykyä valaistussovelluksissa voi lisätä mesooppisen näkemisen malli, joka ottaa huomioon silmän suuremman herkkyyden pienemmille valon aallonpituuksille hämärässä (Goodman et al. 2007). Valkoisen ledivalon spektrissä vihreän ja keltaisen valon alueella, joille ihmissilmä on herkin kirkkaassa valossa, on vähemmän säteilytehoa kuin sinisen valon alueella, jolle silmä on herkkä hämärässä (Crawford 2009). Tämä voi tulevaisuudessa lisätä ledin kilpailukykyä sovelluksissa joissa valaistusvoimakkuudet ovat pieniä. Valkoisen ledin spektri on esitetty kuvassa 6. Mesooppisen näkemisen mallin standardointi on vielä kesken ja sen huomioiminen valaistustandardeissa vie oman aikansa vielä standardin valmistumisen jälkeen. Standardoinnista vastaa kansainvälisen valaistuskomission CIE:n tekninen komitea TC

14 3 LED LED:n suomenkielisiä nimityksiä ovat hohtodiodi, loistediodi ja puhekieleen vakiintunut ledi. Ilmiö, jossa puolijohde emittoi näkyvää valoa, havaittiin ensimmäisen kerran jo Nykyisen kaltaisia ledivaloja alettiin valmistaa vasta 1950-luvulla. Ensimmäiset ledit olivat oransseja. Vihreä, punainen ja keltainen ledi kehitettiin 60- ja 70-luvuilla. Kirkkaan sinisen ledin keksiminen 90-luvun puolivälissä mahdollisti valkoista valoa tuottavien ledivalaisimien valmistuksen ja mullisti ledimarkkinat. Shuji Nakamura voitti vuoden 2006 Millenium technology-palkinnon sinisen ledin kehittämisestä. Ledin perusrakenne käsittää P-tyypin puolijohteen, N-tyypin puolijohteen sekä niiden välisen aktiivisen alueen, jossa valon emittoituminen tapahtuu. Alustaa, jolle ledin puolijohdekerrokset valmistetaan, kutsutaan substraatiksi. Kuvassa 3 on esitetty perusrakenteen lisäksi anodi- ja katodijohtimet ja ledin sisältämä optiikka. Suurteholedit ovat kuvasta poiketen pintaliitoskomponentteja. Kuva 3. Yksittäisen ledikomponentti johtimineen ja linsseineen (vas.), ledin liitännät anodi- ja katodijohtimille ja heijastin (kesk.) sekä N- ja P-tyypin puolijohdekerrokset substraatin päällä ja valon emittoituminen aktiivisella alueella (oik.). (Bryan Christie Design 2009) 14

15 3.1 Ledin sähköfyysinen toimintaperiaate Puolijohteena sinisissä ja vihreissä ledeissä käytetään esimerkiksi galliumnitridiä. Galliumilla on uloimmalla elektronikuorellaan kolme elektronia. N-tyypin puolijohteeseen on saostettu eli doupattu esimerkiksi piitä, joilla on uloimmalla elektronikuorellaan yksi elektroni enemmän kuin Ga-atomilla. Tällaista atomia kutsutaan donoriksi. Donoriatomi ottaa Ga-atomin paikan kiderakenteessa ja sen ylimääräinen elektroni vapautuu puolijohteen johtavuusvyöhön. Johtavuusvyö tarkoittaa elektronin korkeampaa energiatilaa, jolla oleva elektroni ei ole sidottu yksittäisiin atomeihin, vaan liikkuu vapaasti puolijohteessa. (Sinkkonen 1996, Stevenson 2009) P-tyypin puolijohteen epäpuhtausatomeja kutsutaan akseptoreiksi. Niillä on uloimmalla elektronikuorella yksi elektroni vähemmän kuin Ga-atomeilla. Akseptoriatomin kohdalle puolijohteeseen jää yhden elektronin vajaus valenssivyölle. Valenssivyö on johtavuusvyötä alempi energiatila, jolla sijaitsevat elektronit ovat sitoutuneet yksittäiseen atomiin. Toisen atomin elektroni voi ottaa tämän aukon paikan, jolloin aukko siirtyy seuraavaan atomiin. Elektroniaukkoa voi ajatella liikkuvana positiivisena varauksena. (Sinkkonen 1996, Stevenson 2009) Ledin kyky emittoida valoa perustuu P- ja N-tyypin puolijohteiden välissä sijaitsevalla aktiivisella alueella tapahtuvaan elektronien ja elektroniaukkojen rekombinaatioon, jossa johtavuusvyöllä oleva elektroni "putoaa" pienempään energiatilaan valenssivyön elektroniaukkoon emittoiden valokvantin eli fotonin. Aktiivinen alue sisältää yhden tai useita vain muutaman atomikerroksen paksuisia kvanttikaivoja (engl. quantum well), joita reunustavat toisen tyyppisen puolijohteen alueet. Kvanttikaivojen materiaalissa johto- ja valenssivyön välinen kielletty energiaväli on pienempi kuin viereisissä materiaaleissa. Ledin yli vaikuttava myötäsuuntainen jännite ajaa N-tyypin puolijohteesta elektroneja ja P-tyypin puolijohteesta aukkoja aktiiviselle alueelle kuvan 4 mukaisesti. Elektronit ja elektroniaukot loukuttuvat kvanttikaivoihin. Kaivoissa varauksenkuljettajat rekombinoituvat ja fotoni emittoituu. (Suihkonen 2008, Stevenson 2009) 15

16 Kuva 4. MQW-kvanttikaivorakenteisen ledin energiavyörakenne. Ulkoisen jännitteen vaikutuksesta varauksenkantajat injektoituvat P- ja N-tyypin puolijohteista aktiiviselle alueelle, jossa ne loukuttuvat kvanttikaivoihin ja rekombinoituvat synnyttäen fotoneja. Elektronieste johtavuusvyöllä vähentää elektronien vuotoa P-tyypin puolijohteeseen. Ledissä emittoituvan valon taajuus riippuu johto- ja valenssivyön välisen kielletyn energiavälin suuruudesta. Energian säilymisperiaatteen mukaisesti emittoituvan fotonin energia on samansuuruinen kun elektronin energian muutos. Taajuus ν saadaan fotonin energian yhtälöstä E = hν f, (7) jossa h on Planckin vakio. Säteilyn aallonpituus λ saadaan yhtälöstä c λ[ m ] =, (8) ν 16

17 jossa c on valon nopeus. Galliumnitridistä ja indiumnitridistä valmistettujen kvanttikaivojen emittoiman säteilyn aallonpituus vaihtelee ultravioletista vihreään. GaN/InN suhdetta muuttamalla kielletty energiaväli saadaan halutun suuruiseksi. Esimerkiksi sinisen valon, jonka aallonpituus on 450 nm, tuottamiseen tarvitaan noin 2,75 ev energiaväli. Kuvassa 5 on esitetty GaN, InN ja AlN kielletyt energiavälit. Alumiininitridiä käytetään ledin elektroniesteen materiaalina, joka estää elektronien vuotoa aktiiviselta alueelta P-tyypin puolijohteeseen. Este näkyy johtavuusvyön suurempana energiana kuvassa 4. Kuva 5. Nitridiyhdisteiden kielletyt energiavälit (Suihkonen 2008). 3.2 Valkoinen ledi Valkoisen ledivalon tuottamiseen on kaksi tekniikkaa: Väriensekoitustekniikka, jossa käytetään punaisia, vihreitä ja sinisiä ledejä, joiden valoa sekoittamalla saadaan aikaan valkoista valoa. Väriensekoitustekniikassa haasteena on vihreiden ledien huono valotehokkuus, joka laskee valaisinkokonaisuuden valotehokkuutta (Azevedo et al. 2009). Lisäksi tekniikka vaatii ohjausyksikön ja takaisinkytkennän oikean värien suhteen saavuttamiseksi ja on rakenteeltaan monimutkainen. Etuna tekniikassa on mahdollisuus dynaamiseen valon spektrin säätöön (Crawford 2009). Toinen tapa on suunnata sinistä tai ultraviolettivaloa emittoivan ledin valoa fosforista valmistettuun pinnoitteeseen, joka absorboi sinistä/uv-valoa ja emittoi suuremman aallonpituuden valoa laajalla spektrillä. Yleisvalaistuksessa käytetyissä ledeissä käytetään useimmiten sinistä lediä ja keltaista fosforia, jolloin värintoistoindeksi on ja CCTvärilämpötila K (Crawford 2009). Kuvassa 6 on esitetty valkoista valoa tuottavan nitridiledin spektri. Lisäämällä punaista fosforia saadaan lämpimämmän sävyistä valoa eli 17

18 matalampi värilämpötila, sekä parempi värintoistoindeksi valotehokkuuden laskemisen kustannuksella. Fosforipinnoitteisen valkoisen ledin valmistuksen ongelmana on taipumus yksilökohtaiseen vaihteluun optiikassa ja säteilyhuipun aallonpituudessa (Azevedo et al. 2009). Säteilyhuipun aallonpituus vaikuttaa valon värisävyyn. UV-Ledit ovat tasalaatuisempia, mutta eivät valotehokkuudeltaan tai eliniältään sinisen veroisia (Paakkinen 2009). Nykyisellä tekniikalla Värisekoitukseen ja UV-lediin perustuvat valkoiset valon valaisimet eivät pärjää siniseen lediin perustuvalle valaisimelle aluevalaistuksen sovelluksissa. Kuva 6. Valkoisen GaN-ledin valon spektri. CE:YAG alueen valo on keltaisen fosforin emittoimaa valoa ja kapea piikki ledin sinistä valoa. (Wikipedia 2010b) Valkoisen suurteholedin kehitystyön kärkinimiä ovat Cree, Philips Lumileds, Nichia, Toyoda Gosei sekä Osram Opto Semiconductors. Pääosa kaupallisista suurteholedeistä on näiden 18

19 yritysten tuotantoa. Seuraavissa osioissa keskitytään valkoisen nitriditeholedin ominaisuuksiin ja kehitystyöhön Suorituskyvyn nykytila Cree ilmoitti helmikuussa 2010 saavuttaneensa 208 lm/w valotehokkuuden yksittäisessä valkoisessa teholedisirussa (Cree 2010a). Muut valmistajat seuraavat varmasti pian perässä. Kehitys on nopeaa: Edellinen Creen valotehokkuusnnätys oli 186 lm/w vain kaksi kuukautta aikaisemmin (Cree 2010b). Parhaiden kaupallisten kylmänvalkoisten ledimodulien valotehokkuus on parhaimmillaan hieman yli 100 lm/w ja lämpimänvalkoisten hieman alle 100 lm/w. Ledien suorituskyvyn ja ominaisuuksien mittaamiselle ei ole vielä yleistä standardia, joten valmistajien ilmoittamat arvot eivät välttämättä ole keskenään vertailukelpoisia. Lisäksi mittausolosuhteet eivät vastaa ledin käyttöolosuhteita, josta seuraa etteivät valaisinyksiköiden todelliset valotehokkuudet ole lähelläkään ledisirujen ilmoitettua valotehokkuutta. Parhaissakin suuritehoisissa valaisinmalleissa kokonaisvalotehokkuus on tällä hetkellä alle 70 lm/w (Sippola 2010) Valmistusprosessi Ledejä valmistetaan prosessilla jota kutsutaan epitaksiaksi. Yksinkertaistetusti epitaksiassa kiderakennetta kasvatetaan kiderakenteen päälle molekyylikerros kerrallaan tuomalla substraatille lämpöenergiaa ja kerrostettavaa materiaalia (Bonnaud 2001). Valkoista lediä valmistettaessa prosessin ongelmana on safiirisubstraatin ja GaN-puolijohteen erilainen kiderakenne. InGaN-ledille ideaalinen substraattimateriaali olisi galliumnitridi GaN, mutta riittävän suurien substraattilevyjen valmistaminen tästä materiaalista ei onnistu nykytekniikalla. (Suihkonen 2008, Stevenson 2009). Safiirin päälle kerrostaessa nitridipuolijohteeseen syntyy epäjatkuvuuskohtia, jotka jatkuvat koko rakenteen läpi. Nämä epäjatkuvuuskohdat toimivat keskuksina rekombinaatioille jotka eivät emittoi fotoneja (Rosner et al cit. Suihkonen 2008), heikentäen valotehokkuutta ja lisäten ledin lämpenemistä. Lisäksi epäjatkuvuuskohdat toimivat diffusiokanavina elektrodien välillä lyhentäen ledin elinikää (Nakamura et al cit. Suihkonen 2008). 19

20 Kuva 7. Tyypillinen GaN-ledin rakenne. Erityyppiset nitridipuolijohdekerrokset on kasvatettu safiirisubstraatin päälle. (Suihkonen 2008) Vaikean valmistusprosessin takia valkoisten teholedien valmistajia on melko vähän. Lisäksi valmistusprosessissa syntyy laadultaan ja ominaisuuksiltaan erilaisia ledejä, joista vain pieni osa on parasta laatua. Tästä johtuen valotehokkaimmat sekä värintoistoltaan ja värilämpötilaltaan parhaat ledit ovat kalliita ja niiden saatavuus on huonompi kuin vähemmän laadukkaiden ledien. Osiossa 3.3 selitetyllä luokittelulla erotellaan valmiit ledit omiin binryhmiinsä, joiden perusteella hinta muodostuu "Droop" Ilmiötä, jossa sinisen InGaN-teholedin valotehokkuus laskee ledin tehon ja varauksenkantajatiheyksien kasvaessa, kutsutaan nimellä "droop". Ilmiö esiintyy myös lyhyillä virtapulsseilla eikä ole riippuvainen puolijohteen lämpötilasta. Kaksi teoriaa ilmiön syystä on saanut kannatusta useilta tutkijaryhmiltä. Philips Lumileds ehdotti 2007 ilmiön syyksi elektronien ja elektroniaukkojen Auger-rekombinaatiota, jossa ei emittoidu fotonia. Auger-rekombinaation suuruus on verrannollinen varauksenkantajatiheyden kuutioon, ja ratkaisuna Lumileds on kehittänyt jonkinlaisella menestyksellä paksumpaa kvanttikaivoa jossa varauksenkantajatiheys on pienempi. Toinen, Rensselaer Polytechnic Instituteinstituutin kehittämä teoria on, että suurilla tehoilla elektroniaukkojen injektio aktiiviselle alueelle on tehotonta ja vapaat elektronit karkaavat P-tyypin puolijohteeseen aktiivisen alueen ohi ja rekombinoituvat siellä aukkojen kanssa ilman fotonien syntymistä. Instituutti on etsinyt ratkaisua käyttämällä aktiivisella alueella erilaisia materiaaleja ja myöskin saavuttanut menestystä tekniikallaan. "Droopin" syy tai syyt ovat silti vielä toistaiseksi todistamatta. (Crawford 2009; Stevenson 2009) 20

21 3.2.4 Jäähdytys ja lämmönsieto Ledisirun lämmönnousu vaikuttaa kielteisesti moniin ledin ominaisuuksiin. (Jahkonen 2009) listaa diplomityössään kuvan 8 mukaisia vaikutuksia ledin toimintaan ja ominaisuuksiin. Kuva 8. Lämpötilan nousun vaikutus ledin fysiikkaan ja ominaisuuksiin. (Jahkonen 2009) Ledien jäähdytys on haasteellista niiden pienen koon, sekä optiikan ja puolijohdetekniikan asettamien vaatimusten takia. Ledi ei poista lämpöä säteilemällä, vaan suurin osa jäähdytyksestä tapahtuu alustan kiinnityksen kautta. Yläpuolen optiikka ja puolijohdekerrokset on suunniteltu mahdollisimman suuren valotehokkuuden ja haluttujen väriominaisuuksien kannalta. Siksi useita ledejä sisältävän ledimoduulin ja valaisimen kotelon suunnittelussa tehokas lämmönsiirto on hyvin tärkeää. (Jahkonen 2009). Kuvassa 9 on esitetty yksittäisen ledin lämmönsiirtoreitti sirusta alumiiniseen kiinnitysalustaan. Kuva 9. Osram Dragon-sajan ledin ensisijainen lämmönsiirtoreitti puolijohdekerroksista substraatin ja jäähdytyselementin kautta alumiiniseen alustaan. (Osram 2009) 21

22 Koska ledin tehoa ei voi nostaa riittävästi virtaa kasvattamalla ilman valotehokkuuden ja eliniän menetystä, tehokas ledivalaisin sisältää kymmeniä yksittäisiä ledejä ja jäähdytyselementin Valovirran alenema ja käyttöikä Ledin käyttöiän määrää sovelluksessa sallittu valovirran alenema tai ledin täydellinen hajoaminen. Osram Opto Semiconductors ja Philips Lumileds käyttävät elinaikojen arvioissaan B- ja L-parametreja joiden merkitys on seuraava (Philips 2007, Osram 2008): B-parametri kertoo kuinka suuri prosenttiosuus ledeistä on tiettyyn aikaan mennessä hajonnut täysin. Esimerkiksi kuvan 10 B50-käyrät kertovat missä ajassa puolet ledeistä on hajonnut tai ledien valovirta on laskenut kuvaajan y-akselin arvoon. L-parametri kertoo ledin jäljellä olevan valovirran prosenttiosuuden alkuperäisestä valovirrasta tietyllä ajanhetkellä. Kuvan 11 kuvaajan parametrina on 70 % jäljellä oleva valovirta. Kuvassa % ja 70 % L-parametrit on esitetty y-akselilla. Kuva 10. Osram Golden Dragon-sarjan sinisten, vihreiden ja valkoisten ledien valonalenemakäyrät ajan funktiona 55 C ja 85 C juotoslämpötiloissa. Parametrina ledin virta. (Osram 2009) 22

23 Kuva 11. Philips Lumileds Luxeon Rebel-sarjan sinisten, vihreiden, valkoisten ja syaanien ledien elinaikakäyrät liitoslämpötilan funktiona 90 % luotettavuustasolla. Parametrina ledin virta. (Philips 2007) Eniten ledin elinaikaan vaikuttaa ledin lämpötila ja virta. Muita vähemmän vaikuttavia tekijöitä ovat ilmankosteus, ledin jännite, mekaaniset voimat, kemikaalit ja valosäteily (Osram 2008). rautatieolosuhteissa junien aiheuttamalla tärinällä voi olla vaikutusta ledin käyttöikään. Valaistavan alueen sijaitessa teollisuusalueella myös kemikaalit voivat olla elinaikaa lyhentävä tekijä. Näitä kahta tekijää ei kuitenkaan huomioida tässä työssä. Kuviksi 10 ja 11 on tarkoituksella valittu eri valmistajien eri tavalla esitetyt kuvaajat havainnollistamaan kuvaajien tulkinnanvaraisuutta. Kuvien lämpötilat eivät ole keskenään vertailtavissa. Kuvassa 10 on käytetty sen juotoksen lämpötilaa, jolla ledisiru on kiinnitetty alustalle. Kuvassa 11 taas on käytetty puolijohteen liitoslämpötilaa, eli suurinta lämpötilaa puolijohteessa. Sekä Osram että Philips varoittavat elinaikakäyrien ekstrapoloinnin epätarkkuudesta pitkillä elinajoilla. Philips suosittelee että ekstrapolointia ei tehdä pidemmälle kuin kuusi kertaa aika jolta on testituloksia. Myös Future Electronicsin Ken Fee mainitsee Philipsin ledejä koskevassa artikkelissa (Fee 2008) kohtuullisen arviointiajan ja testausajan suhteen olevan 1:6. Koska testausajat ovat Philipsillä 6000 h ja Osramilla suurimmillaan h on ilmoituksiin yli h käyttöajoista suhtauduttava varauksella. Osram ilmoittaa että "yksittäisiä teknologia-alustoja" testataan jopa yli h. Koska 23

24 tällainen testi kestäisi noin neljä vuotta, ei näitä testejä voi suoraan soveltaa uusimpiin ledivalaisimiin. (Philips 2007, Osram 2008) Kuvista 10 ja 11 on selkeästi nähtävissä lämpötilan ja virran vaikutus ledin elinikään. Esimerkiksi kuvassa C Liitoslämpötilan noustessa 140 C lämpötilaan elinaika laskee tunnista tuntiin 350 ma virralla. Samassa kuvassa nostettaessa virta 350 ma:sta 1 A virtaan elinaika laskee tunnista tuntiin 130 C liitoslämpötilassa. Virran ja lämpötilan vaikutus on todella suuri Tulevaisuuden näkymät Lediteknologian viime vuosien kehitys lupaa hyvää ledin tulevaisuudelle valaistussovelluksissa. Tällä hetkellä korkea investointihinta vähentää innostusta vaihtaa uuteen tekniikkaan josta ei ole juuri käyttökokemuksia, vaikka energiansäästö ja pitkä käyttöikä mahdollisesti kääntäisivätkin ledivalaistukseen vaihtamisen kannattavaksi. U. S. Department of Energyn teettämässä tutkimuksessa (Navigant cons. Inc et al. 2009) asetetaan kehitystavoitteita ledivalaisimille vuoteen 2015 asti. Tavoitteet on asetettu nykyisen teknologian kehityksen kannalta, uusia läpimurtoja ei ole oletettu. Vuoden 2010 laboratoriossa saavutetun valotehokkuuden tavoite on jo ohitettu, vaikka vuosi on vasta alussa. Tässä osassa puhuttaessa lediyksiköstä tarkoitetaan yhdestä tai useammasta ledistä koostuvaa pakkausta joka sisältää sähköisen, mekaanisen ja termisen liityntärajapinnan, koteloinnin ja optiikan mutta ei minkäänlaista liitäntäelektroniikkaa. Käytännön maksimivalotehokkuudet lediyksikölle on esitetty seuraavassa taulukossa. Nämä valotehokkuudet arvellaan saavutettavaksi vuoteen 2020 mennessä. Taulukko 1. Käytännön maksimivalotehokkuus valkoisen valon lediyksikölle ilman liitäntäelektroniikkaa värilämpötilan ja värintoistoindeksin funktiona. (Navigant cons. Inc et al. 2009) Maksimivalotehokkus [lm/w] CCT 75 CRI 90 CRI 3000K K K

25 Taulukossa 2 on esitetty U. S. Department of Energyn projektiot lediyksikön valotehokkuudelle ja alkuperäisen laitevalmistajan (OEM) niille asettamille hinnoille suhteessa 1000 lm valovirtaan. Vuoteen 2012 mennessä hinnan arvellaan putoavan noin kolmasosalla vuoden 2010 hinnoista ja valotehokkuuden kasvavan noin kymmenesosalla. Tällä hetkellä paras valotehokkuus kylmän valkoisessa kaupallisessa sovelluksessa on noin 123 lm/w Creen Xlamp XP-G-ledien parhaassa bin-ryhmässä. Taulukko 2. Valkoisen lediyksikön valotehokkuuden ja hinnan kehitysprojektiot. (Navigant cons. Inc et al. 2009) Valotehokkuus laboratoriomittauksissa [lm/w] Valotehokkuus kaupallisissa kylmän valkoisissa sovelluksissa [lm/w] Valotehokkuus kaupallisissa lämpimän valkoisissa sovelluksissa [lm/w] OEM Hinta [$/klm] Taulukko 3 erittelee ledivalaisimen osien hyötysuhteiden kehitysprojektiot ja niiden vaikutuksen valaisinkokonaisuuden valotehokkuuteen. Tällä hetkellä ledivalaisimien valotehokkuus on parhaimmillaan alle 70 lm/w (Sippola 2010) 25

26 Taulukko 3. Kaupallisen ledivalaisimen valotehokkuuden, sekä siihen vaikuttavien osa-alueiden kehitysprojektiot. (Navigant cons. Inc et al. 2009) Kylmän valkoisen lediyksikön valotehokkuus [lm/w] Ledimodulin lämpöhäviö jatkuvalla virralla Liitäntälaitteen sähköinen hyötysuhde Valaisimen optiikan hyötysuhde Valaisimen kokonaishyötysuhde Kylmän valkoisen valaisimen valotehokkuus [lm/w] % 11 % 9 % 5 % 85 % 87 % 89 % 92 % 80 % 83 % 87 % 92 % 58 % 64 % 70 % 80 % Ledien luokittelu Ledin valmistusprosessissa syntyy ominaisuuksiltaan erilaisia ledejä, joita jaotellaan niin sanottuihin bin-ryhmiin. Luokittelusta käytetään englanninkielistä termiä "binning". Luokittelulle ei ole vielä olemassa yleistä standardia, joten valmistajat käyttävät omia luokitteluperusteitaan. Esimerkiksi Cree jakaa valkoiset teholedinsä ryhmiin värikoordinaattien ja valovirran perusteella ja antaa niille kuvan 12 mukaisen bin-koodin. 26

27 Kuva 12. Cree-ledivalmistajan Bin-koodin formaatti. Koodi sisältää tiedon ledin tyypistä, väristä, optiikasta, kromaattisuudesta tai dominoivasta aallonpituudesta, valovirrasta tai säteilytehosta sekä myötäsuuntaisesta jännitteestä. (Cree 2010) Kuvassa 13 on esitetty Philipsin valkoisen teholedin värisävyn bin-ryhmät mustan kappaleen säteilykuvaajan reunoilla. Kuva 13. Philips LUXEON Rebel teholedin ANSI-bin-väriluokat. (Future Lighting Solutions 2010) 27

28 4 Perinteiset valaisintyypit Ledin kilpailijoita ulkovalaistuksessa ovat lähinnä loisteputki-, suurpainenatrium- ja monimetallivalaisimet. Monimetallivalaisimia kutsutaan myös metallihalidivalaisimiksi. Kaikki edellä mainitut ovat toimintaperiaatteeltaan kaasupurkauslamppuja. Hehkulamput ja elohopeahöyrylamput ovat valotehokkuudeltaan huonoja ja tulevat poistumaan myynnistä lähivuosina EuP-direktiivin ja EU-komission asetuksen 245/2009 myötä. Kaasupurkauslampuissa lampun sisällä olevan kaasu ionisoituu sähkövirran vaikutuksesta ja kaasun atomien elektroneja virittyy. Elektronien siirtyessä alemmalle energiatilalle emittoituu säteilyä. Kaasu lamppujen sisällä on jalokaasua tai niiden seosta ja lisäksi esimerkiksi elohopeaa, metallihalideja tai natriumia. Säteilyn aallonpituus riippuu käytetyistä aineista. Kaikki tässä luvussa mainitut kaasupurkauslamput vaativat sytytinlaitteen sekä joko kuristimen tai elektronisen liitäntälaitteen rajoittamaan virtaa. (Halonen 1992) 4.1 Monimetallilamppu Monimetallilampun suurin vahvuus on sen valon laatu. Monimetallilampun valon värilämpötila voi olla pienimmillään 2700 K ja suurimmillaan K. Värintoistoindeksi on Monimetallilampun purkausputken sisällä käytetään elohopean lisäksi metallien halideja, jotka mahdollistavat paremmat värintoisto- ja värilämpötilaominaisuudet. Monimetallilampun purkausputki voi olla joko kvartsilasia tai keraaminen. Keraamisen lampun värintoisto- ja valotehokkuus on parempi kuin vastaavan kvartsilasisen. Yli 400 W monimetallilamput ovat kuitenkin tavallisesti kvartsilasisia. Muihin vaihtoehtoihin verrattuna monimetallilamppu on lyhytikäisin, elinikä keskimäärin h. Valotehokkuus on lm/w ja lampun teho suurimmillaan 3,5 kw (Halonen 1992, Osram 2010) 4.2 Suurpainenatriumlamppu Suurpainenatriumlamppu on tällä hetkellä valotehokkuudeltaan paras valaisin ulkotiloissa, sen valotehokkuus on lm/w. Varjopuolena "natikka" häviää valon laadussa muille valaisimille, perusmallien värintoistoindeksi on alle 25. Purkausputken sisällä käytetään natriumia ja elohopeaa, jotka synnyttävät aluksi punertavaa, ja lampun lämmettyä riittävästi oranssinkeltaista valoa. Lampun teho on maksimissaan noin kilowatin luokkaa ja elinikä 28

29 suurimmillaan h. Suurpainenatriumlamppu kuolee kun purkausputkessa ei ole enää riittävästi natriumia valokaaren ylläpitämiseksi. Natrium on hyvin reaktiivinen aine ja reagoi purkausputken alumiinioksidin kanssa häviten pikkuhiljaa lampun vanhetessa. Suurpainenatriumvalaisimista on saatavilla myös elohopeaton versio, sekä värikorjattu versio, jossa R a värintoistoindeksi on noin 65. Elohopeaton SPNa-lamppu on kuolleisuudeltaan ja valotehokkuudeltaan lähes parhaiden elohopeallisten lamppujen veroinen. Värikorjatun lampun elinikä ja valotehokkuus on tavallista pienempi, lamppujen kuolleisuus on samaa luokkaa monimetallilamppujen kanssa. (Geens 1993, Halonen 1992, Osram 2010, Philips 2010) 4.3 Loisteputkilamppu Loisteputkilampussa valo syntyy putken sisällä olevan elohopean höyrystyessä ja sähkövirran virittäessä elohopea-atomeja. Elohopean emittoima valo on ultravioletti-alueella ja putket on päällystetty fluoresoivalla aineella, joka muuttaa UV-valon näkyvän valon aallonpituuksille. Loisteputken valotehokkuus on parhaimmillaan 80 lm/w ja väriominaisuudet vaihtelevat laidasta laitaan. Värintoistoindeksi on ja värilämpötila K. Loisteputkilla valaistaan lähinnä katettuja tai muuten suljettuja tiloja. (Halonen 1992, Osram 2010) Loisteputken käyttöä ulkotiloissa haittaa sen valovirran pieneneminen kylmässä. Ulkotiloissa voidaan kuitenkin käyttää niihin erityisesti suunniteltuja loisteputkia jotka ovat vähemmän herkkiä kylmälle. Kylmiin olosuhteisiin suunniteltujen loisteputkien valovirta -10 C lämpötilassa on noin % optimilämpötilan valovirrasta, riippuen putken mallista ja tehosta. Normaalien loisteputkien vastaava prosentti on noin 10 % (Aura 2010). 29

30 5 Ledivalaisimen käyttö yleisvalaistuksessa Hyvässä valaistussuunnitelmassa lähtökohtana on saada riittävä määrä valoa ilman ylivalaistusta oikeaan paikkaan ja mahdollisimman vähän valoa muualle. Eri valaisimien vertailu paperilla teknisten tietojen perusteella ei ole mielekästä, vaan valaisin, niiden määrä ja sijoittelu tulee valita käyttökohteen ehdoilla esimerkiksi käyttäen valaistuslaskentaohjelmaa. Ledi on perusrakenteeltaan suuntaava, ja siten valo voidaan suunnata tarkasti halutulle alueelle. U. S. Department of Energy käyttää verkkosivuillaan standardoimatonta termiä sovellustehokkuus, joka tarkoittaa kuinka suuri osa valaisimen ottotehosta saadaan valovirtana valaistavalle alueelle. Vaikka ledivalaisin ei yllä Suurpainenatrium- tai monimetallivalaisimien valotehokkuuslukemiin, se voi yltää kilpailukykyisiin valaisinmääriin hyvän sovellustehokkuuden ansiosta jos valaisin on hyvin suunniteltu. Ympärivalaiseviin loistevalaisimiin verrattuna ledivalaisimen hyvin toteutettu valonjako voi tehdä ledivalaisimen kannattavammaksi vaihtoehdoksi. Ledivalaisimien testauksesta ei ole vielä olemassa kattavaa standardointia. Tämä tekee tuotteiden vertailun haasteelliseksi. Toisinaan tuotteen valmistaja tai jälleenmyyjä, vaikka ei suoranaisesti valehtelekaan, esittää valaisimen ominaisuudet siten että ne vaikuttavan mahdollisimman edullisilta. Standardien puute voi myös vaikeuttaa varaosien saamista sekä valaisimien huoltoa eri valmistajien käyttäessä omia ratkaisujaan liitäntälaitteissa ja valonlähteessä. Fosforilla päällystetyissä sinisissä ledeissä, jotka tuottavat valkoista valoa, valo muuttuu ajan myötä sinisen suuntaan. Tämä ominaisuus voi tehdä valaistuksesta kirjavan värisen jos valaisimia joudutaan vaihtamaan yksittäin (Valosto 2010). Värilämpötilan muutoksesta tai muutoksen nopeudesta ei ole tietoa valaisimien tai ledien teknisissä tiedoissa. Joidenkin ledivalmistajien valaisimet ovat modulaarisia, siten että valonlähde on helposti korvattavissa ilman että koko valaisinta tarvitsee vaihtaa. Nämä ledimoduulit ovat valmistajakohtaisia, eikä yleistä standardia toistaiseksi ole. Modulaarinen rakenne mahdollistaa valaisimen valonlähteen päivityksen seuraavan sukupolven ledeillä toteutettuun moduuliin kun edellinen moduuli tulee käyttöikänsä päähän. Tämä vaatii valmistajalta aktiivista tuotekehitystä. 30

31 5.1 Lediputket ja perinteisiin kantoihin asennettavat ledilamput Perinteisten valaisimien kantoihin sopivia ledivalaisimia löytyy markkinoilta kirjava joukko. Ledilampun käyttö alun perin jollekin muulle lampputyypille tarkoitetussa valaisimessa on ongelmallista kyseenalaisen sähköturvallisuuden takia. Lediputken tapauksessa käyttö loisteputkivalaisimessa vaatii verkkoliitäntälaitteen poistamista sähköpiiristä. EU:n valaisinja valaisinkomponenttivalmistajien liitto CELMA listaa muun muassa seuraavanlaisia kysymyksiä valaisimien turvallisuudessa ja suorituskyvyssä käytettäessä ledilamppuja ja vastaavia sovittimia valaisimissa (CELMA 2010): Haitalliset muutokset lämpöominaisuuksissa? Lampunpitimien kestävyys painavampia adaptoreja käytettäessä? Adapterien fyysinen koko? Täyttääkö muunneltu valaisin valaisimien ja lamppujen turvallisuus-, suorituskyky- ja EMC-standardit? Muunnelluille valaisimille ei ole omia standardeja. Mahdollinen sähköiskun vaara lediputkea vaihdettaessa ja se, että muunneltuun valaisimeen on edelleen fyysisesti mahdollista asentaa loisteputki, mikä joissain tapauksissa johtaa oikosulkuun tai vaaralliseen tilanteeseen. Valmistajien takuu on voimassa vain jos sovitin on testattu standardit täyttäväksi kyseisessä valaisimessa. Täyttääkö muunneltu valaisin paikkakohtaiset valaistusvaatimukset? Muunneltu valaisin eroaa alkuperäisestä asennuksesta valonjaoltaan ja valovirraltaan. CE-merkintä lampussa ei vaadi lampun testauttamista vaan on pelkästään maahantuojan tai valmistajan vakuutus lampun laadusta. TUKESin verkkosivuilla kerrotaan: "Tuotteen kotimainen valmistaja tai maahantuoja on velvollinen vastaamaan markkinoille toimittamiensa CE-merkittyjen rakennustuotteiden vaatimustenmukaisuudesta. Valmistaja tai maahantuoja on vastuussa siitä, että CE-merkitty tuote täyttää merkinnän edellytykset, ja että itse merkintä ja sen sisältämät tiedot ovat riittävät, oikeelliset ja esitetty oikeassa muodossa." (TUKES 2007). Markkinoilla olevissa loisteputkien tilalle asennettavissa lediputkissa onkin havaittu vakavia puutteita sähköturvallisuudessa. Kaikkien TUKESin testaamien lediputkien koskettimista on mahdollista saada sähköisku putkea vaihdettaessa jos putken toisen pään 31

32 koskettimet ovat vielä kiinni ja valaisin kytketty päälle (TUKES 2010). Tämän työn vertailuosiossa käytettyjen lediputkien valmistajan Valtavalon mukaan läpivirtausongelmat on poistettu heidän tuotteistaan, ja ne täyttävät kaikki TUKESin turvallisuustulkinnat (Lahtela 2010). Jos lediputkea käytetään valmistajan sille suunnittelemassa valaisimessa, edellä mainittuja ongelmia ei ole, lukuun ottamatta loisteputken fyysistä sopivuutta valaisinkantoihin. Valtavalon valaisimissa on varoitusteksti, jossa kielletään loisteputken asennus valaisimeen. 5.2 Standardit LED-moduuleille, LED-lampuille, LED-liitäntälaitteille sekä LED-valaisimille on jo olemassa joukko sovellettavia standardeja. Standardit eivät kata vielä kaikkia ledien käytön osa-alueita mutta esimerkiksi turvallisuusstandardi löytyy kaikille edellä mainituille LEDlaitteille. LED-lampuille ja LED-liitäntälaitteille löytyy myös suorituskykyä määrittelevät standardit. LED-valaisimien standardit sähkömagneettiselle emissiolle ja immuniteetille sekä standardi valaisimen sähkömagneettisten kenttien vaikutuksesta ihmiseen on myös jo olemassa. (SESKO 2010) Standardoituja LED-lampun kantoja tai LED-moduulin liitäntää ei ole vielä olemassa, joten markkinoilla olevat LED-valaisimet joko käyttävät valmistajan omaa liitäntämenetelmää ledimoduulille, käyttävät perinteisten valaisimien lampunkantoja tai valaisin on uusittava kokonaan käyttöiän lopussa. Suorituskyvyn testauksen ja tunnuslukujen ilmoittamisen standardien puuttuessa valaisimien ja moduulien vertailu on työlästä, koska kunkin valmistajan ilmoittamien suorituskykyarvojen testausparametrit on selvitettävä itse. 32

33 6 RHK:n vaatimukset ulkoalueiden valaisimille Ratahallintokeskuksen tammikuussa 2009 julkaisema ohje (RHK 2009) rautatiealueiden suunnittelu- ja rakentamisprojekteille asettaa vaatimuksia rautatiealueiden valaisimille ja valaistuksen suunnittelulle. Valaistukseen käytettäville lampuille on asetettu valotehokkuusvaatimukset EuP-direktiivin 2005/32 mukaisesti. Valotehokkuusvaatimukset on esitetty taulukossa 4. Taulukko 4. Rautatiealueiden lamppujen valotehokkuusvaatimukset. Tehoalue [W] Valotehokkuus [lm /W] < 55 Lamppujen valotehokkuusvaatimuksien lisäksi rata-alueella käytettävien valaisimien tulee täyttää seuraavat vaatimukset: Valaisimien tulee olla CE-merkittyjä ja standardien sarjan SFS-EN mukaisesti valmistettuja. Valaisimien tulee olla suojattu sähkömagneettisilta häiriöiltä EMCdirektiivin 2004/108/EY mukaisesti. Kotelointiluokka tulee olla vähintään IP64 ja valaisimen sekä optiikkamateriaalin tulee olla metallia. Tehohyötysuhteen tulee olla vähintään 0,90. Tehohyötysuhteella tässä tarkoitetaan oletettavasti tehokerrointa. Valaisimien on oltava luotettavia ja helposti huollettavissa. Tilaajalle tulee esittää investointikustannukset sekä kunnossapito- ja energiakustannukset koko elinkaaren ajalta. Oletettu elinikä 30 vuotta jos toisin ei ole määrätty. Taulukossa 5 on esitetty valaistuksen suunnittelua koskevat vaatimukset valaistusvoimakkuudelle, valaistuksen tasaisuudelle, häikäisyarvolle ja värintoistoindeksille aluekohtaisesti, riippuen alueen käyttötarkoituksesta ja toiminnan vilkkaudesta. Taulukossa 6 33

34 on esitetty perinteisille lampputyypeille käytettävät valovirran alenemakertoimet ja ryhmävaihtovälit. Taulukko 5. Valaistusvoimakkuuden, kiusahäikäisyn sekä värintoistoindeksin vähimmäisvaatimukset rautatiealueilla (RHK 2009). Avoiment asemalaiturit E m hor. [lx] U 0 min/max U d max/min GR av GR max R a -pienet asemat 10 0, keskisuuret asemat 20 0, (vilkas toiminta) 50 0, suuret asemat 50 0, Katetut asemalaiturit -pienet asemat 20 0, keskisuuret asemat 50 0, suuret asemat 100 0, Asematunnelit -keskisuuret ja suuret 100 0,5 60 asemat Portaat ulkona -pienet asemat 30 0, keskisuuret ja suuret 50 0, asemat Kävelytiet -pienet asemat keskisuuret ja suuret asemat -pysäköintialueet 10 0, Taulukko 6. Perinteisille lampputyypeille käytetyt valovirran alenemakertoimet ja ryhmävaihtovälit. Ympäristön saasteisuus Lamppu Vähäinen Normaali Runsas Ryhmävaihtoväli [h] SPNa W 0,85 0,8 0,75 16k SPNa 50-70W ja >600W 0,8 0,75 0,7 16k MM keraaminen 0,65 0,6 0,55 10k QL induktio 0,7 0,65 0,6 40k CPO-TW W 0,75 0,7 0,65 12k CPO-TW 45-60W 0,7 0,65 0,6 12k T8/T5* 0,7 0,75 0,8 30k T8/T5 pakkasputki* 0,75 0,8 0,85 38k *Loisteputkea käytettäessä tulee valita pitkäikäinen loisteputki, esim. AuraLight Longlife, Philips Xtreme, Osram XT tai vastaava. Elektronista liitäntälaitetta käytettäessä, tulee huomioida ympäristöolosuhteet ja laitteen soveltuminen olosuhteisiin 34

35 7 Rautatiealueiden nykyinen valaistustilanne Ratapihoilla valaisimet on asennettu m valomastoihin, sähköratarakenteisiin 9-14 m korkeuteen tai metalli/puupylväisiin. Valonlähteinä on käytetty W suurpainenatriumvalaisimia, joillain henkilöratapihoilla elohopeavalaisimia sekä laiturikatoksissa loistelamppuja. Vuotuinen polttoaika on noin 4300 h ja vuorokautinen polttoaika 5-21 h riippuen vuodenajasta. Valaisinhuolto tehdään kerran vuodessa ja pimeät lamput vaihdetaan tarvittaessa. Sähköratarakenteiden valaisimet aiheuttavat ongelmia, sillä niiden huolto vaatii jännitekatkon sähköradan ajolankaan ja työkoneen jolla valaisimen luo päästään. Hankalissa paikoissa lamput vaihdetaan sarjavaihtona. Myös junien aiheuttama tärinä lyhentää lamppujen ikää. Mastojen ja pylväiden lamput vaihdetaan nosturin avulla tai tarvittaessa kiipeämällä. (Näremaa 2010) Uusissa valaistusratkaisuissa valaisimia ei enää asenneta radan rakenteisiin, vaan pyritään mikäli mahdollista sijoittamaan valaisimet siten, että huoltotoimenpiteet eivät aiheuta jännitekatkoa (Laurila 2010). Jännitekatkojen aiheuttamia lisäyksiä huoltokustannuksissa ei oteta huomioon tässä työssä. Matkustaja-alueita valaistaan kaasupurkauslampuilla. Avolaiturit on valaistu pääosin suurpainenatrium- ja elohopeakatuvaloilla ja katetuissa tiloissa on yleisesti käytössä alasvaloja monimetalli- ja elohopealampuilla sekä loisteputkivalaisimia. Esimerkkinä Keravan rautatieaseman matkustaja-alueilla avolaitureilla on käytetty 150 W suurpainenatriumvalaisimia 8 m pylväissä ja 100 W SPNa-valaisimia 6 m pylväissä. Laiturikatoksissa Keravalla on käytetty Bega-alasvaloja, joissa käytetään 80 W elohopealamppuja, sekä asematunneleissa lähinnä loisteputkivalaisimia joissa käytetään pakkasputkia. Nykyiset elohopeavalaisimet on korvattava uusilla valaisimilla kun elohopealamppuja ei ole enää saatavilla. Elohopealamppujen myynti loppuu vuonna 2015, mutta siirtymää voi viivyttää hamstraamalla myynnistä poistuvia valaisimia varastoon. Sippolan diplomityön mukaan markkinoilla on ollut jo pitkään suoraan elohopealampun korvaavia SPNa- ja monimetallilamppuja, jotka nekin tosin poistuvat myynnistä Kokemukset näistä lampuista vaihtelevat, mutta parhaimmillaan korvaavien SPNa-lamppujen elinikä on ollut jopa yli 15 vuotta, joten myös käyttämällä tällaisia valaisimia voisi olla mahdollista viivyttää valaisimien vaihtoa. Näiden lamppujen valontuotto on elohopealamppuun verrattuna noin kaksinkertainen. (Sippola 2010) 35

36 Reilusti alkuperäistä suurempi valovirta saattaa tällaisissa tapauksessa aiheuttaa häikäisyä ja tehdä valaistuksen epätasaiseksi. Koska asemilla on käytetty kirjavaa joukkoa erilaisia valaisimia asemakohtaisen ulkoisen designin ja valaistuksen vaatimusten mukaan on korvaavien valaisimien soveltuvuutta yleisesti vaikea arvioida. Myös valaisimien liitäntälaitteiden vaihto on mahdollista, mutta monista eri valaisintyypeistä johtuen tuskin kannattavaa. Suurpainenatrium-, monimetalli- ja loisteputkilamput eivät tule poistumaan myynnistä, joten niiden korvaaminen energiatehokkaammilla valaisimilla ei ole yhtä olennaista kuin elohopealamppujen tapauksessa. Uusissa asennuksissa tai valaisimia vaihdettaessa näillekin kannattaa miettiä vaihtoehtoja. 36

37 8 Sovelluskohtainen vertailu Tässä osiossa vertaillaan ledivalaisimia perinteisiin valaisimiin avoimien asemalaiturien ja katettujen asemalaiturien valaistuksessa. Vertailussa valaisimien ulkonäköön ei ole kiinnitetty huomiota, koska sille ei ole yleisiä vaatimuksia. Esimerkiksi jotkin suuren IP-luokan loisteputkivalaisimista ovat teollisuusvalaisimia, eivätkä välttämättä sovi ulkonäöltään kaikkiin sovelluksiin. Samasta syystä valaisimien värilämpötila on jätetty huomiotta. Katettujen laitureiden vertailua voi soveltaa myös asematunnelien ja muiden katettujen alueiden valaisimiin jos asennuskorkeus on samaa luokkaa. Vertailu ei ole täydellinen kustannuslaskelma valaisimille, vaan sen tarkoitus on selvittää riittävätkö ledivalaisimien energiansäästö ja säästöt lampunvaihtokustannuksissa kattamaan perinteisiä valaisimia suuremmat investointikustannukset. Perinteisten kaasupurkausvalaisimien käyttöikä riippuu paljolti varaosien saatavuudesta. Huollossa on tällä hetkellä yli 30 vuotta vanhojakin valaisimia (Näremaa 2010). Ledivalaisimien käyttöikä saadaan valmistajan antamista tiedoista, joissa mainitaan valovirran alenema tietyillä käyttötunneilla. Ledi ei yleensä sammu yhtäkkisesti, vaan himmenee pikkuhiljaa. Komponenttien vioista aiheutuvat hajoamiset tapahtuvat todennäköisesti heti käyttöiän alussa, jolloin valmistajan takuu kattaa hajoamisen. Kaikissa kustannusvertailuissa pätevät seuraavat laskentaperusteet: Perinteisten valaisimien ja ledivalaisimien verkkoliitäntälaitteiden vaihdon aiheuttamat kustannukset oletetaan yhtä suuriksi, ja niitä ei huomioida kustannusvertailussa. Jos ledivalaisimen käyttöiäksi on annettu yli h, sen käyttöikänä käytetään kuitenkin vain h. Osalle ledivalaisimista ilmoitetaan jopa yli h käyttöikiä. Rikkoutuvien lamppujen ja ledien aiheuttamia yksittäisvaihtokustannuksia ei ole otettu huomioon. Purkauslampuilla vikaantuminen ryhmävaihtojen välillä on 10 % luokkaa, suuritehoisissa ledivalaisimissa yksittäisen ledin vikaantuminen ei vaikuta merkittävästi koko valaisimien valovirtaan jos valaisin on suunniteltu siten, etteivät valaisimen muut ledit pimene. Sähkön siirtohinta ,33 snt/kwh sisältäen ALV:n, sähköveron ja huoltovarmuusmaksun. (Energiamarkkinavirasto 2009) Sähköenergian hinta 3/2010 7,36 snt/kwh sisältäen arvonlisäveron. (Nordpool 2010) 37