Techniek: verlichting
Nog niet zo lang geleden was de tweedraads-gloeilamp nog het standaardmiddel om enig licht in de duisternis te brengen. Tegenwoordig zijn het Xenon-lampen of LED-lampen die voor vaak felle lichtbundels zorgen. In deze aflevering van onze techniekserie leggen we de werkingsbasis van deze soorten verlichting uit – van gewone gloeilamp via halogeen en Xenon tot LED.
Licht is van levensbelang. Overdag willen wij als motorrijders zo goed mogelijk worden gezien en ’s nachts kunnen we elke extra foton goed gebruiken om bochten, obstakels en andere verkeersdeelnemers zo snel en goed mogelijk te zien. Zien en gezien worden, daar gaat het om. Daarvoor hebben we verlichting nodig die intens en helder is, zonder teveel ruimte en stroom nodig te hebben. En te heet moet het geheel ook niet worden. Helaas is er voor de relatief kleine motormarkt nooit een speciaal soort verlichting ontwikkeld. Van de schamele 6V-duplolampen tot aan de huidige led-koplampen waren het altijd ontwikkelingen uit de autowereld die later ook op motoren opdoken. Maar goed, ook zo gingen we lekker vooruit!
Hoe maak je licht? Daarvoor moeten we een uitstapje maken naar de natuurkunde. In principe ontstaat er door de verandering van het energieniveau van elektronen elektromagnetische straling. Daarbij is zichtbaar licht een bepaald frequentiegebied van elektromagnetische straling. Ultraviolet licht is bijvoorbeeld niet zichtbaar, omdat de golflengte te kort is voor de receptoren in onze ogen.
Bij een gloeilamp verhit je een wolfraam-draad door middel van een elektrische stroom zo ver dat hij gaat gloeien. Je zet er een elektrische spanning op, er gaat stroom lopen en die stroom verandert het energieniveau van de elektronen in de wolfraam-atomen. Het veranderen van het energieniveau van de elektronen resulteert in het uitstralen van fotonen – en dat is waar licht uit bestaat.
De allereerste gloeilamp werd 178 jaar geleden al uitgevonden. De Engelse uitvinder Frederick de Moleyns kreeg in 1841 namelijk het eerste patent op een gloeilamp, waarbij houtskoolpoeder tussen twee platina draden opgloeide. Praktische toepassing werd echter pas mogelijk toen er een hittebestendige gloeidraad werd ontwikkeld en er geschikte vacuümbuizen konden worden gemaakt. In 1878 en 1879 ontwikkelden respectievelijk de Engelse natuurkundige Joseph Wilson Swan en de Amerikaanse uitvinder Thomas Alva Edison onafhankelijk van elkaar de gloeilamp met koolstofdraad en vroegen daarvoor in 1880 gelijktijdig patent aan. Pas aan het begin van de twintigste eeuw werd begonnen met de industriële productie van gloeilampen met wolfraamdraad, door General Electric in Amerika. Belangrijk daarbij is dat de draad gloeit in een luchtledige ruimte, want anders zou de dunne draad meteen verbranden door de zuurstof in de lucht. Tot op de dag van vandaag vind je dergelijke gloeilampen op motorfietsen.
Overigens wordt 95 procent van de elektrische energie omgezet in warmte in plaats van licht. Daarnaast is ook de levensduur erg beperkt. Daarom werd in 1959 de halogeenlamp geïntroduceerd. Die schijnt feller, witter en langer. Ten eerste doordat met het onder hoge druk (ruim 20 bar) vullen van de lamp met een inert edelgas het verdampen van de draad wordt tegengegaan. De toevoeging van een kleine hoeveelheid halogeen – meestal jood – zorgt er bovendien voor dat de wolfraamatomen van de gloeidraad in een regeneratiecyclus terecht komen. Verdampend wolfraam gaat een verbinding aan met het jood en dit vormt een metaalhalogenide. Bij glastemperaturen vanaf 250 graden slaat deze verbinding niet meer neer op de binnenkant van het glas, iets wat bij een conventionele gloeilamp met de wolfraamatomen wel gebeurt. Doordat het glas niet meer vervuilt, kan een kleinere glasbuis worden gebruikt die ook beter bestand is tegen de hoge gasdruk (en minder van de dure gasvulling nodig heeft). Om ook de hoge temperatuur te kunnen weerstaan, wordt speciaal kwartsglas gebruikt.
Bij de nog hogere temperaturen op de gloeidraad ontleedt de metaalhalogenide-verbinding en slaan de wolfraamatomen weer ergens neer op de draad, wat de levensduur aanzienlijk verlengt.
Nog minder slijtagegevoelig en veel feller zijn de zogenaamde gasontladingslampen. Deze technologie werd al in het begin van de twintigste eeuw uitgevonden, maar pas in 1991 voor het eerst toegepast in auto’s, op de toenmalige BMW 7-serie. Hier is er geen gloeidraad meer, maar een door hoogspanning ontstoken lichtboog in gas. Daarvoor maakt men gebruik van de eigenschappen van het edelgas xenon, dat zeer helder licht uitstraalt en bijna het lichtspectrum van daglicht bereikt. Daarbij wordt er ook nog eens beduidend minder stroom verbruikt. De huidige xenon-koplampen werken op 48 volt en 35 watt; een halogeenlamp werkt op 12 volt en circa 60 watt.
Voor het starten van de lichtboog is echter 20.000 volt nodig, waardoor xenon-lampen niks voor knutselaars zijn. Bovendien moet de elektronica voor het starten en stabiliseren van de lichtboog een gecompliceerd algoritme afwerken. Pas na enkele seconden bereikt de lichtboog dan zijn volle sterkte.
Je kunt deze lichtboog ook zien als een continu ontladende flitslamp. Daarbij ioniseert het gas, dus het scheidt vrije elektronen af. Deze zorgen dan voor de elektrische stroom van de anode naar de kathode, waarbij het veranderende energieniveau van de elektronen zorgt voor de uitstraling van fotonen en dus licht.
Op motoren past voornamelijk BMW dit type lampen toe. Naast de noodzakelijke hoge ontsteekspanning is ook de hoge gasdruk in de xenonlampen een niet te onderschaten veiligheidskwestie. Op vol vermogen heersen in het inwendige drukken tot 70 bar, reden waarom xenonlampen ook explosieveilig moeten worden ondergebracht. Dat zijn geen ideale eigenschappen voor gebruik op motorfietsen.
Nog een stap verder en duidelijk veelzijdiger is de nieuwste lichttechniek: LED, oftewel de Light Emitting Diode. Hier wordt licht geproduceerd door halfgeleiders in de vorm van diodes. En wel zo efficiënt dat elke andere lichtbron erbij verbleekt. De eerste commerciële LED (tegenwoordig in het Nederlands trouwens officieel geschreven als led) werd al in 1962 ontwikkeld door de Amerikaanse natuurkundige Nick Holonyak; deze led gaf rood licht. Let wel: de kleur wordt niet bepaald door een gekleurde huls, maar door de golflengte van de straling die de diode produceert. Gaandeweg werden andere kleuren ontwikkeld, tot in 1992 tenslotte door Shuji Nakamura, Isamu Akasaki en Hiroshi Amano de eerste blauwe led werd gepresenteerd; de basis die nodig was om witte leds te kunnen maken. Daarom leverde de uitvinding van deze blauwe led hen in 2014 zelfs de Nobelprijs op.
De witte led kwam in 1996 uit de ontwikkelingsafdeling van de huidige marktleider: de Japanse firma Nichia, waar Nakamura toen het onderzoek leidde. Daarbij wordt een deel van het blauwe licht van de led door een fluorescerende laag veranderd in geel licht; de combinatie van blauw en geel licht ervaren we als wit licht.
Hoe werken leds? Aangezien het diodes zijn, laten ze in één richting stroom door. Daarbij gaan de elektronen van de anode naar de kathode, welke als zeer zuivere plaatjes op elkaar zijn geplakt, gescheiden door een zogenaamde verboden zône. De kleur van het licht wordt bepaald door de energie die de elektronen nodig hebben om de ‘oversteek’ te maken. De materialen zijn zodanig gekozen dat bij de elektronenoverdracht fel licht ontstaat; galliumnitride bijvoorbeeld. Daarbij wordt de eroverheen geplaatste huls aan de binnenkant meestal van een coating voorzien die het licht voor onze ogen aangenamer maakt.
Leds zijn een stuk efficiënter dan andere lichtbronnen. Ze zijn ook duidelijk robuuster en hebben geen speciale bescherming nodig zoals xenonlampen. Ze werken daarnaast gewoon op gelijkstroom, zijn ongevoelig voor aan- en uitschakelen, geven weinig UV-straling en hebben een uitstekende levensduur. Je hoeft dus geen helderziende te zijn om te kunnen voorspellen dat leds een grote toekomst hebben; de voordelen zijn overduidelijk. In 2011 was het overigens wederom BMW die als eerste motorfabrikant led-techniek gebruikte voor de extra lampen op de R1200GS. Op de GS van 2013 was als optie voor het eerst op een productiemotorfiets een led-koplamp leverbaar. Deze wordt overigens indien nodig door een ventilator gekoeld.
De modulaire bouwwijze van leds maakt tevens een heel nieuwe vormgeving van koplampen mogelijk. Meer daarover in het volgende deel van dit artikel.
