Moderne vivarium verlichting

Ingegeven door de wens op energie en grondstoffen te besparen, wordt er werelwijd enorm veel geinvesteerd in onderzoek en ontwikkeling van zuiniger, schoner en duurzamer manieren om licht te maken en toe te passen. De vraag is hoe wij, vivariumhouders, daarvan kunnen profiteren. De ontwikkelingen zijn nog lang niet aan hun eind, en het definitieve antwoord op de bovenstaande vraag laat dus nog even op zich wachten. Maar in de tussentijd kunnen wij wel alvast kijken hoe het er op dit moment bij staat met al die nieuwe technieken.

TL verlichting

TL is een vergevorderde techniek. De TL lampen zoals ze nu verkrijgbaar zijn, zijn waarschijnlijk de beste die we ooit zullen aantreffen. Revolutionaire verbeteringen zijn bij TL lampen in elk geval niet meer te verwachten. We zullen kijken naar het nieuwste en beste op TL gebied; T5 lampen. LED lampen staan aan het begin van hun ontwikkeling. We zullen kijken hoe ver het daarmee staat, en of LED al te overwegen is om toe te passen boven ons vivarium. Minstens even interessant is de vraag: Wat komt er na de LED ?

Maar eerst wat algemene techniek, om inzicht te krijgen wat licht nu eigenlijk is, hoe je het moet meten, en welke grootheden daarbij gebruikt worden.

Licht

In een atoom zwerven elektronen rond een kern die is opgebouwd uit protonen en neutronen. De elektronen zitten in vaste banen, elke baan kan een zeker maximaal aantal elektronen herbergen.

De energie die een elektron heeft, is kleiner naarmate het elektron dichter bij de kern zit. Als elektronen vanuit een hogere baan naar een lagere baan vallen, moeten ze energie verliezen. Die energie staan ze af in de vorm van een foton. Een foton is een lichtdeeltje.

Het omgekeerde is ook mogelijk. Een foton kan worden geabsorbeerd, en de energie van het foton kan gebruikt worden om een elektron naar een hogere baan te brengen.

De energie van een foton en de kleur van het licht hangen rechtstreeks met elkaar samen. De kleur wordt uitgedrukt in de golflengte van het licht. Rood licht heeft een lage energie inhoud, en een lange golflengte. Blauw licht heeft een hoge energie inhoud, en een korte golflengte.

Licht als energiedrager

Licht is dus energie. Wij kunnen die energie opvangen en nuttig gebruiken, bijvoorbeeld met PV panelen die het zonlicht zo goed mogelijk rechtstreeks omzetten in elektrische energie. De intensiteit van het licht dat binnen komt, kunnen we uitdrukken in Watt per vierkante meter. De intensiteit van het zonlicht, in Watt/m2 kan worden gemeten met een pyranometer.

Licht om bij te zien

Onze ogen hebben ook licht nodig om hun werk te doen. Maar niet alle licht is even goed geschikt. Rood en blauw licht is tamelijk ongeschikt, terwijl onze ogen juist heel goed reageren op de groene en gele tinten daar tussenin. Met behulp van een groot aantal proefpersonen is een profiel samen gesteld van de gevoeligheid van ons oog voor bepaalde kleuren.

Als we de lichtsterke willen meten met de bedoeling om te beoordelen of het voldoende is om bij te lezen of te werken, dan moet die lichtsterkte worden gecorrigeerd voor de oog gevoeligheids curve. Op die manier gecorrigeerde lichtsterkte wordt gemeten met een lux meter. De lichtintensiteit waarmee een oppervlak belicht wordt, is in de eenheid lux (vaak klux, kilo lux). De hoeveelheid licht, bijvoorbeeld uitgestraald door een lamp, is in lumen.

Licht voor fotosynthese

Fotosynthese is het proces waarbij energie uit licht wordt omgezet naar chemische energie, opgeslagen in suiker moleculen. Dit proces gebeurt in de bladgroen korrels, en gaat in een aantal stappen. Het proces wordt elke keer een stapje verder gebracht door een foton dat wordt ingevangen. Hiervoor moet het foton voldoende energie bevatten, in elk geval genoeg om het proces zo’n stap verder te helpen. Maar als er meer energie in het foton zit, dan komt die overtollige energie het proces verder niet ten goede. Voor de volgende stap is toch weer een nieuw foton nodig. Dus de kleur van het licht is niet echt van belang voor fotosynthese, elk foton dat genoeg (en ook niet te veel) energie bevat, kan evenveel bijdragen aan het proces van fotosynthese. Het licht in het deel van het kleurenspectrum dat geschikt is voor fotosythese, noemt men PAR (Photosynthetically Active Radiation)

Bij metingen van de lichtsterkte om te kijken of planten bij die belichting kunnen groeien, zou dus eigenlijk een meting moeten worden gedaan van het aantal fotonen dat de plant bereikt, en die qua kleur in het PAR gebied zitten.

Dergelijke meters bestaan, en ze tellen het aantal fotonen dat per seconde op een vierkante meter valt. De eenheid is in µmol/m2.s. 1 µmol is een aantal van 6.022 × 1017 fotonen. Men noemt deze meters vaak PAR meters. Een betere naam is PPFD (Photosynthetically active Photon Flux Density) meter.

Niet alle kleuren licht worden in dezelfde mate geaccepteerd voor fotosynthese. Groen wordt bijvoorbeeld voor een deel gereflecteerd, zodat een deel van het groene licht de bladgroenkorrels niet eens bereikt. Ook planten hebben dus een gevoeligheid voor licht die kleurafhankelijk is. Het is denkbaar om, net als bij de oog gevoeligheid, ook bij het meten van lichtsterkte voor plantengroei, te corrigeren voor die kleur afhankelijkheid. Dat is echter niet de gewoonte.

Samenvatting

Toepassing

Meetwaarde

Meetapparaat

Energie opwekking W/m2 Pyranometer
Zien klux Lux meter
Plantengroei µmol/m2.s PAR meter

Deze meetwaarden kunnen naar elkaar omgerekend worden als het spectrum exact bekend is.

TL verlichting

Een fluorescentielamp is een lamp die licht geeft door het oplichten van een fluorescerende laag onder invloed van ultraviolette stralen die opgewekt worden door gasontlading in de lamp. De bekendste voorbeelden zijn de TL (Frans: tube luminescent, “lichtgevende buis”) en de zogenoemde spaarlampen. De eerste TL lampen zijn geintroduceerd in 1935, en hebben sindsdien aanzienlijke verbeteringen ondergaan.

Werking van een TL buis

Een TL buis is gevuld met edelgassen en kwikdamp. Aan elk uiteinde van de buis zit een elektrode die gemaakt is van een materiaal dat al bij lage temperatuur makkelijk elektronen afstaat. Als de buis is ontstoken, loopt er elektrische stroom door de buis, die elektronen los slaat van de kwikatomen. Als deze elektronen weer terugvallen op het kwikatoom, wordt er een foton afgestaan. Deze fotonen hebben energie in het ultra-violette deel van het spectrum. Dit UV licht kan indien gewenst direct worden toegepast, bijvoorbeeld in een UV filter voor een vijver. Om van UV licht zichtbaar licht te maken, wordt de buis aan de binnenkant voorzien van een speciaal poeder (‘fosfor’). Deze fosfor absorbeert de UV straling, en geeft dan zichtbaar licht af. De samenstelling van de fosfor bepaalt het licht dat de lamp geeft.

Ontsteken

Als de buis uit is, is het gas koud, en zullen de elektroden aan weerszijden van de buis geen elektronen afstaan. Daarom moeten die elektroden eerst verwarmd worden. Als dat gedaan is, kan met een hoge spanning de buis tot onsteking gebracht worden. Als er eenmaal stroom door de buis loopt, blijven de elektroden warm door die stroom.

Bij een conventionele installatie zorgt de starter ervoor dat er stroom door de elektroden loopt zolang de buis nog niet is onstoken. Bij een modern elektronisch voorschakel apparaat (EVSA) zorgt de elektronica daarvoor. Er zijn EVSA die geen ‘warme start’ verzorgen. Bij zo’n eenvoudig type EVSA gaat er maar één draad naar elke kant van de buis. Die EVSA zijn niet bruikbaar als de TL buis koud is (bijvoorbeeld omdat hij buiten of in een onverwarmde schuur hangt) als hij ontstoken moet worden. Goede EVSA zorgen voor een ‘warme start’, dus inclusief het verwarmen van de elektroden.

Dimmen

Met een daartoe ontworpen EVSA kan de stroom door de buis beperkt worden, en daarmee de lichtopbrengst. Als een TL buis gedimd wordt, neemt de stroom door de buis ook af, en daarmee de warmte ontwikkeling. Daardoor zouden de elektroden te koud kunnen worden. Een dimbaar EVSA zal bij lage dimstand de elektroden moeten gaan bijverwarmen. Veel EVSA kunnen terugdimmen tot 1%, andere typen kunnen tot 3% en er zijn er ook die maar tot 30% kunnen terugdimmen. Die laatste typen zijn voor toepassing boven ons vivarium natuurlijk minder geschikt.

Levensduur en lichtbehoud

Een TL buis gaat gedurende zijn leven steeds minder licht geven. Dat komt doordat de kwikdamp langzaam wordt opgenomen door de fosfor, en dan verloren is voor de productie van licht. Daarnaast verdampen de elektroden langzaam.

In moderne TL buizen wordt het kwikverlies voor een groot deel tegengegaan doordat de fosfor is voorzien van een coating. Alle grote lampenfabrieken zoals Philips en Osram brengen tegenwoordig zo’n coating aan. Hoe dat met de hobby lampen (juwel, jbl, arcadia, dennerle, etc. ) zit is niet duidelijk, exacte gegevens daarover zijn niet voorhanden. Bij de hobby lampen wordt echter aangeraden de lamp na 1 jaar te vervangen, wat bepaald onnodig is als de lamp zijn lichtopbrengst redelijk zou behouden.

Onderstaande gegevens over lichtopbrengst en levensduur zijn overgenomen van Philips. De andere grote lampen fabrikanten publiceren soortgelijke gegevens. De fabrikanten van hobby lampen geven dit soort gegevens niet vrij, en hetgeen hieronder volgt mag niet op dat soort lampen betrokken worden.

Voor het gemak kunnen we rekenen dat aquarium- of terrarium verlichting ongeveer 5000 uur per jaar aan is. Volgens opgave van Philips gaat de lichtopbrengst van een moderne lamp op een EVSA gedurende de eerste twee jaar in totaal gemiddeld 10% achteruit. Daarna is geen verdere terugval meer te verwachten. De conclusie mag zijn, dat we een moderne TL lamp dus beslist niet hoeven te vervangen als hij nog niet stuk is. Wel af- en toe van kalk en andere aanslag ontdoen natuurlijk (!)

In de te verwachten levensduur van een TL buis,  speelt het type VSA een grote rol. Met name het aansturen van de elektroden is van grote betekenis voor de levensduur. De gunstigste situatie wordt bereikt met een moderne lamp, aangestuurd door een goed EVSA met warme start. Na 3,5 jaar zullen gemiddeld nog 90 van de 100 lampen het doen. Als het EVSA wordt vervangen door een eenvoudiger type met koude start, is al na 2 jaar het punt bereikt dat van de 100 lampen er nog 90 zullen werken. Dit is zelfs nog slechter dan een conventionele schakeling, met starter en inductief voorschakel apparaat, waarbij na 2,5 jaar 90 van de 100 lampen nog goed zijn.

T5 lampen

De meeste recent ontwikkelde lampen zijn ook het dunst: 5/8 inch (T5) in plaats van de oudere 8/8 inch (T8) of de bijna antieke 12/8 inch (T12). Er zijn een aantal voordelen verbonden aan de T5 lampen:

  • Dunner, dus ze kunnen dichter bij elkaar worden gelegd. Een lamp is niet transparant, en kan dus verhinderen dat licht, dat in de lichtkap gereflecteerd wordt, het wateroppervlak bereikt. Hoe dunner de lamp, hoe kleiner de schaduw die de lamp op het wateroppervlak werpt.
  • T5 buizen werken optimaal bij een omgevings temperatuur van 35°C, terwijl T8 het best werkt bij een omgevings temperatuur van 25°C. Aangezien het in de lichtkap van een aquarium of terrarium eerder 35°C dan 25°C zal zijn, is deze eigenschap van T5 gunstig voor onze toepassing.
  • De lengtematen van T5 zijn anders dan die van T8. Beide lamptypen zijn nog volop verkrijgbaar, dus alles bij elkaar is er nu veel keuze in lengtematen. Er zijn High Efficiency (HE) varianten en High Output (HO) varianten. De HE buizen geven relatief veel licht per Watt, en de HO varianten geven heel veel licht per meter.

Hieronder een tabel met de lengtematen van de nieuwe T5 lampen. Merk op dat dezelfde lengte lamp in verschillende vermogens verkrijgbaar is, bijvoorbeeld een lamp van 1449mm lang is er in 80, 49 en 35 Watt.


De bovenste serie (in het zwart) is de standaard reeks, zoals die wordt gemaakt door de grote lampen fabrikanten zoals Philips en Osram. De onderste reeks lampen (in het rood) zijn de hobby lampen van juwel, jbl, arcadia, dennerle, etc.

LED verlichting

LED staat voor Light Emitting Diode. Dat wil zeggen: Lichtgevende diode. Een diode is een halfgeleider element. De diode moet aangestuurd worden met een elektrische stroom. De elektrische stroom zorgt voor het vrijkomen van fotonen. Die fotonen worden dus gegenereerd in het plaatje halfgeleider materiaal.

Aan de opbouw is duidelijk te zien, dat alle warmte die in de LED gegenereerd wordt, heel goed wordt afgegeven aan het substraat. Dit is ook noodzakelijk, want de lange levensduur die een LED kan hebben, is alleen mogelijk als hij goed gekoeld blijft. Bij elke 10° graden temperatuurverhoging, halveert de te verwachten levensduur.

Ook zal duidelijk zijn dat alle licht dat uit de LED komt, maar één kant op kan. Het zal niet aan de achterkant van de LED door het substraat heen komen. Met een lens kan het licht uit de LED eventueel verder gebundeld worden.

De meeste grote LEDs worden samengesteld uit meerdere kleine LEDs die samen op één substraat worden gemonteerd. Er zijn ook fabrikanten die grote LEDs maken die uit één groot stuk silicium bestaan. De toekomst moet nog uitwijzen welke van deze twee werkwijzen het beste is.

Stand van de techniek

De ontwikkelingen gaan snel. Op moment van dit schrijven, oktober 2011, kunnen in productie aantallen de volgende LEDs gekocht worden:

4–6 Watt 550 lm
6-10 Watt 810 lm
10-15 Watt 1400 lm
25-40 Watt 3250 lm
40-50 Watt 4100 lm
50–100 Watt 9100 lm

Kleurweergave index 80%. Verkrijgbaar in warm-wit 2670~3800K, natural wit 3800~5000K, en koel wit 5000~10000K

Dit is een representatief voorbeeld van wat de (vele) LED fabrikanten op dit moment in hun standaard assortiment hebben. LEDs met betere kleurweergave index, hogere lichtopbrengst en andere kleurtemperatuur zijn er ook.

Uit de tabel blijkt dat de lichtopbrengst van de grote LEDs op dit moment zo’n 90 a 100 lm/Watt is. Dat is vergelijkbaar met TL verlichting. Daar komt bij, dat een TL buis zijn licht rondom uitstraalt, dus er zijn (verliesgevende) reflectors nodig om het licht de goede kant op te sturen. Die zijn bij LEDs nauwelijks nodig. Dit maakt de LED zeer concurrerend ten opzichte van zelfs de moderne T5 buizen, tenminste waar het gaat om licht om bij te zien.

Koelen

Koel houden van de LED is van levensbelang. Elke 10°C temperatuurverhoging van de LED betekent een halvering van de levensduur. Een LED kan heel lang mee gaan, wel zo’n 50.000 uur, maar alleen als hij goed koel gehouden wordt. Gelukkig geeft de LED zijn warmte gemakkelijk af aan het substraat, vanaf daar kan de warmte middels een extern koelprofiel, al dan niet met ventilator of waterkoeling, verder worden afgevoerd. Dit is in een aantal toepassingen een groot voordeel van LEDs. Een TL buis verwarmt zijn directe omgeving, maar de warmte van een LED kan worden weggeleid.

Slim licht

Zoals besproken brengt zowel een rood foton (met lage energie inhoud) als een blauw foton (met hoge energie inhoud) de fotosynthese een stap verder. De extra energie die het blauwe foton heeft, wordt niet gebruikt. Het ligt voor de hand om de plant te belichten met rood licht. Rood licht kost minder energie en is dus goedkoper te maken dan blauw licht. Helaas, zo eenvoudig is het niet. De fotosynthese is weliswaar prima op gang te houden met rood licht, maar een plant is een veel complexer organisme en allerlei andere processen in de plant reageren ook op de kleur, of de verhouding tussen kleuren, in het licht dat op de plant valt.

Zo is er bijvoorbeeld het cryptochroom, dat gevoelig is voor blauw licht, en dat er voor zorgt dat de plant naar blauw licht toe groeit. En phytochroom, dat gevoelig is voor de verhouding tussen rood licht en ver-rood licht. Heel veel processen in de plant worden gestuurd aan de hand van die rood / ver-rood verhouding. Onder meer de bloei, zaadzetting, afmeting, vorm en aantal bladeren, strekken van de cellen.

Het is dus zaak de plant te voorzien van licht om de fotosynthese van energie te voorzien, maar ook van extra licht met de juiste kleuren in de juiste verhoudingen (stuurlicht), om de plant goed te laten groeien en bloeien. Er worden volop proeven gedaan om voor de verschillende gewassen de optimale lichtomstandigheden te vinden. De belichting bestaat meestal uit veel rode LEDs (voor de fotosynthese) en een kleiner aantal blauwe LEDs, nodig omdat de planten anders te veel gerekt zouden worden, en dan nog wat andere kleuren (ver-rood) die gebruikt worden om de plant te ‘sturen’.

LEDs boven ons vivarium

Dat LEDs ooit gemeengoed zullen zijn in onze lichtkap, dat is vrijwel zeker. Voor het belichten van een aquarium zonder planten, of met alleen wat zwaardplanten, kan op dit moment al een keuze worden gemaakt uit een relatief ruim aanbod in allerlei kwaliteiten en prijsklassen. Voor het belichten van een echte plantenbak met uitsluitend LEDs is het misschien nog wat te vroeg. Er zou in elk geval meer kennis moeten worden opgedaan mbt de juiste kleuren en verhoudingen van die kleuren. Wij hebben daarbij helaas niet veel aan de resultaten van het onderzoek aan teeltgewassen, omdat daarbij de focus ligt op productie, terwijl wij boven het vivarium heel andere eisen hebben, niet in de laatste plaats dat het er mooi uit moet zien. Hier ligt dus een taak en een uitdaging voor de gedreven hobbyist. En we moeten snel zijn, want de volgende techniek staat al klaar om de taak van LED bij het belichten van planten over te nemen: Plasma verlichting.