Valaistuksen kokonaisvaikutelma ja valon väri
Ledien tuottaman valon laatuun vaikuttavat monet tekijät. Värilämpötila, värintoisto ja värin laatu vaikuttavat valon käytettävyyteen ja siihen miten se koetaan. Koska ledit eroavat teknisesti perinteisistä valonlähteistä, ominaisuuksia ei voi vertailla suoraan. Valon käyttäytymiselle asetetut vaatimukset ovat kuitenkin samoja.
Värilämpötila
Valonlähteen värilämpötilan mittayksikkö on kelvin (K). Kelvin-asteikko on alun perin suunniteltu kuumennetun (hehkuvan) mustan kappaleen värin mittaamiseen. Hehkulampuissa arvo on helppo tulkita, koska värilämpötilan Kelvin-arvo on sama kuin hehkulangan todellinen lämpötila. Ilman hehkulankaa toimivissa valonlähteissä, kuten loisteja purkauslampuissa sekä ledeissä, käytetään korreloitua värilämpötilaa (CCT).
Ledien värilämpötila voi vaihdella valonlähteen valmistajan mukaan, vaikka ilmoitettu lukema olisi sama. Ledien värilämpötila voi myös muuttua ajan kuluessa. Loistediodien valmistuksessa syntyy paljon sekä värilämpötilaltaan että valovirraltaan erilaisia diodeja. Siksi niistä on valittava käyttöön rajallinen valikoima. Tätä vaihetta kutsutaan ammattikielessä binningiksi eli jaotteluksi.
Värilaatu
Kuva esittää korreloidun värilämpötilan laskentaa. Kolmion sisään piirretty käyrä kertoo värilämpötilan todellisina Kelvin-asteina. Korreloitua värilämpötilaa varten on mitattava valonlähteen värikylläisyys. Tämä arvo on jollakin isotermisistä linjoista, ja korreloitu värilämpötila määräytyy kohdassa, jossa linja leikkaa käyrän. Ledien värilämpötila voi vaihdella valonlähteen valmistajan mukaan, vaikka ilmoitettu lukema olisi sama. Ledien värilämpötila voi myös muuttua ajan kuluessa. Loistediodien valmistuksessa syntyy paljon sekä värilämpötilaltaan että valovirraltaan erilaisia diodeja. Siksi niistä on valittava käyttöön rajallinen valikoima. Tätä vaihetta kutsutaan ammattikielessä binningiksi eli jaotteluksi.
Led-tuotteen värilaatu eli värilämpötilan tarkkuus ilmoitetaan parhaiten MacAdamin ellipseillä standardin CIE 1964 mukaan. MacAdam-järjestelmä on alun perin Yhdysvalloista, ja siinä värilaatua arvioidaan asteikolla 0–10. CIE 1964 soveltuu ledeille paremmin kuin CIE 1931, jota käytetään standardina perinteisille valonlähteille. Ilmoitettu arvo, esimerkiksi MacAdam 3 SDCM, kertoo ellipsin suuruuden, eli kuinka suurta poikkeamaa nimellisestä värilämpötilasta, vaikkapa 3000 K:sta, voidaan odottaa. Mitä alhaisempi luku on, sitä vähemmän hajontaa esiintyy. Kun arvot ovat 1–3, värissä ei näy juuri eroja, mutta kun arvot nousevat tästä ylöspäin sävyerot ovat selviä ja joissakin sovelluksissa suorastaan häiritseviä. Ongelma on suurin silloin, kun valaistava pinta on valkoinen tai kun ledejä sijoitetaan nauhana lähelle valkoista seinää. Muissa sovelluksissa ongelma on pienempi. Sisävalaistuksessa voidaan pitää hyväksyttävinä arvoja MacAdam 2–3 SDCM, kun taas ulkotiloissa värilaaduksi riittää yleensä MacAdam 7 SDCM. Vertailun vuoksi voidaan sanoa, että T5-loistelampun arvo on MacAdam 4.
Alla olevia MacAdam-arvoja voidaan käyttää ohjeena.
 |
MacAdam 1–3 SDCM
|
 |
MacAdam 3–5 SDCM
|
 |
Kun ledejä valmistetaan, niiden värisävylle asetetaan tavoite, x- ja y-koordinaatit värikolmiossa. Valmistuksen jälkeen ledit lajitellaan ja luokitellaan. Mitä pienemmät toleranssit ledien tuottaman valon todellisessa värisävyssä saavutetaan, sen parempi. Vaihtelun suuruutta voidaan kuvata MacAdam-ellipsien avulla. Suurissa värilaadun vaihteluissa ellipsi on suurempi ja MacAdam-arvo korkeampi. |
Valon väri ajan kuluessa
Pelkkä värilaadun uusarvo ei riitä, vaan tärkeää on myös tietää, muuttuuko laatu tuotteen odotetun käyttöiän aikana. Joillakin ledeillä värilaatu on aluksi erittäin hyvä muutaman tuhannen tunnin ajan, mutta heikentyy sen jälkeen nopeasti. Tähän voi vaikuttaa valaisimen rakenne: esimerkiksi ledin jäähdytys voi olla huonosti toteutettu tai sen kuormitus voi olla liian suuri.
Valkoisen valon tuottaminen sinisen ledin, tai kuten oikealla, lediryhmän avulla. Yksittäinen ledi on peitetty suoraan fosforilla, ryhmässä fosfori on lisätty levyyn, joka peittää moduulin kaikki ledit. Tätä menetelmää käytetään esim. Fortimo-tekniikassa.
Valkoisen valon laatu
Valkoisten ledien värilämpötila-asteikko on laaja lämpimästä valkoisesta erittäin kylmään valkoiseen (2700–8000 K). Valkoista valoa saadaan lisäämällä siniseen lediin fosforipinnoite, joka muuttaa osan säteilystä keltaiseksi valoksi ja tuloksena syntyy valkoinen väri. Tämä muistuttaa prosessia tavallisessa loistelampussa. Fosforipinnoite voidaan tehdä joko suoraan diodiin tai ulkopuoliseen levyyn. Valon laatu riippuu siitä, kuinka tarkoin sininen valodiodi on määritetty ja kuinka huolellisesti fosfori on valittu kyseisen diodin mukaan.
Koska valkoinen valo tuotetaan sinisellä ledillä, kylmemmissä värilämpötiloissa valotehokkuus on suurempi kuin lämpimissä. Tämä johtuu siitä, että lämpimämpää värilämpötilaa varten fosforin on muutettava suurempi osa alkuperäisestä sinisestä valosta.
Värintoisto
Ledien värintoistokyky ei ole aivan samanlainen kuin perinteisillä valonlähteillä. Se ilmoitetaan kuitenkin samalla tavalla, eli Ra/ CRI-arvona. Ra-asteikon arvot ovat 0–100 ja se kertoo valonlähteen kyvystä toistaa värejä. Värintoistoindeksi (Ra) vaihtelee loistediodista riippuen yleensä välillä 60–95. Korkeissa Ra-arvoissa valotehokkuus on usein jonkin verran alhaisempi.
Värintoistokykyä arvioidaan CIE-menetelmällä. Se mitataan tavallisesti vertailemalla mitattavan valonlähteen kyvyllä toistaa kahdeksaa testiväriä suhteessa vertailuvalonlähteeseen. Värintoistoindeksi (CRI – Color Rendering Index) ilmoitetaan keskiarvona (Ra), eli mitattavan valonlähteen värintoistokyky voi olla hyvä seitsemän värin kohdalla, mutta heikompi kahdeksannen värin kohdalla. Täydentävänä mittarina käytetään CRI 1–14 –asteikkoa, jossa on kuusi lisäväriä. Oheisessa kuvassa mitattava ledi ei toista kirkkaanpunaista väriä numero 9 optimaalisesti. Siksi keskiarvo asteikolla CRI 1–14 on alhaisempi kuin asteikolla CRI 1–8. Keskiarvosta riippumatta mittarista näkyy, että punaisen värin toisto ei ole paras mahdollinen, mikä on melko yleistä juuri led-valonlähteiden yhteydessä. Värintoistokyky voi siis vaihdella eri valmistajien diodien välillä. Värintoistokyky on kuitenkin aina sidoksissa loistediodien spektrijakaumaan. Spektrijakaumaa tarkastelemalla saadaan lisää tietoja valodiodin kyvystä toistaa eri värejä. On myös muistettava, että uuden ja jo joitakin tuhansia tunteja palaneen ledin värintoistokyky voi olla erilainen.
Värintoistoindeksi (CRI – Color Rendering Index) ilmoitetaan keskiarvona (Ra), eli mitattavan valonlähteen värintoistokyky voi olla hyvä seitsemän värin kohdalla, mutta heikompi kahdeksannen värin kohdalla. Täydentävänä mittarina käytetään CRI 1–14 –asteikkoa, jossa on kuusi lisäväriä.
Visuaalinen kokemus
Led-valaistuksen suurin haaste on pitää valaistuksen häikäisy kohtuullisella tasolla. Loistediodien ja led-moduulien luminanssi (valotiheys) voi olla yli 300 000 cd/m2, kun perinteisemmän T5-loistelampun luminanssitaso on 17.000 cd/m2.
Taloudellisuuden kannalta pelkkä led-moduuli, jossa on jäähdytysyksikkö ja ulkopuolinen teholähde olisi paras ratkaisu, kun kriteerinä pidetään pelkästään valovirran määrää suhteessa käytettyyn wattimäärään. Teoriassa siis riittäisi, että ledit sijoitettaisiin riviin alumiinipinnan päälle. Sillä saataisiin aikaan n. 120–150 lumenin wattiteho, ja monet standardit täyttyisivät. Ratkaisu tekisi kuitenkin huoneessa oleskelun lähes mahdottomaksi. Mitä suurempi on valaisimen valontuotto, sitä enemmän se häikäisee. Tämä seikka on syytä pitää mielessä, kun valaisimia valitaan.
Tavallisissa työtiloissa käytettävien, paljon valoa tuottavien led-valaisimien rakenteessa on ajateltava myös sen tuottamia lumianssitasoja. Loistediodien tai led-moduulin tuottamaa valoa on lähes poikkeuksetta voitava suunnata ja säätää heijastimien, linssien ja muiden valoa hajauttavien materiaalien avulla. Käytettävillä heijastimilla ja linsseillä on ratkaiseva merkitys valaisimen tehokkuuteen.