De oorsprong van de Led-lamp

Door dr.ir. Huub Ehlhardt

Mensen gebruikten duizenden jaren lang olielampen en kaarsen voor het verlichten van hun huizen tijdens de duisternis. Deze lichtbronnen produceerden weinig licht en waren onhandig in het gebruik, aangezien de brandstof regelmatig moest worden bijgevuld en open vuur zeer gevaarlijk is. Aan het begin van de negentiende eeuw bleken gaslampen, gevoed door kolengas en verspreid via een netwerk aan leidingen, een innovatieve oplossing voor straatverlichting in Europese steden. Gaslampen werden een groot succes, maar bleven gevaarlijk door het open vuur en de giftige dampen. Talloze door gaslampen verlichte theaters gingen in vlammen op, met vele doden tot gevolg. De wereld had behoefte aan een veiliger soort lamp.

Elektrisch licht

Voortgang is soms het resultaat van bizarre experimenten. Dit was zeker het geval bij de Italiaanse Luigi Galvani, die eens de poot van een uiteengereten dode kikker met een metalen voorwerp aanraakte. De kikkerpoot schopte alsof er nog leven in zat. Dit vestigde de aandacht op het fenomeen elektriciteit. Alessandro Volta, eveneens een Italiaan, ging verder met experimenteren in de hoop het fenomeen beter te begrijpen, en hij ontwikkelde de allereerste batterij. Die eerste praktische elektriciteitsbron werd vervolgens door Humphry Davy gebruikt voor verdere experimenten. Hij nam enorme aantallen batterijen en een strook platina, en leidde hier elektrische stroom doorheen totdat die oplichtte. En zie daar: elektrisch licht door gloeien.

Een tweede licht-producerend experiment maakte gebruik van een vlamboog tussen twee koolstofstaven. De elektrische vlamboog werd uiteindelijk de eerste gecommercialiseerde versie van elektrisch licht, ook bekend als de booglamp. Deze lamp was echter niet ideaal. Hij produceerde een intens licht dat niet kon worden gedimd. Bovendien produceerde de lamp nog steeds onaangename dampen en moesten de staven regelmatig worden vervangen.

Gloeilamp

Tientallen jaren aan innoverende experimenten leidden uiteindelijk tot de gloeilamp. In 1879 claimden twee verschillende uitvinders aan beide kanten van de Atlantische Oceaan een patent voor een eerste gloeilamp met dun koolstofdraad dat oplichtte en gloeide zodra hier genoeg elektriciteit doorheen werd geleid. De uitvinders waren Joseph Swan in het Verenigd Koninkrijk en Thomas Alva Edison in de Verenigde Staten. Zij waren zeker niet de eersten die met deze lampen experimenteerden. Vóór Swan en Edison claimden maar liefst 19 uitvinders patenten op gloeilampen. Geen van deze innoverende voorgangers slaagden er echter in hun uitvindingen te commercialiseren.

De gloeilamp was de eerste toepassing van elektriciteit op grote schaal. Dit vereiste natuurlijk elektriciteitscentrales voor het opwekken van elektriciteit, alsook netwerken voor de distributie. In het begin had gelijkstroom (DC) de overhand. Hiermee konden alleen korte afstanden tussen de elektriciteitscentrale en gebruikspunt worden overbrugd. Netwerken kenden nog geen standaard voltage. Pas toen netwerken gebruik gingen maken van wisselstroom (AC), konden langere afstanden worden gedekt. En zo ontstond de behoefte om dezelfde voltages in onderling verbonden AC-netwerken te gebruiken. Hierna raakte de wereld verdeeld in 110 V- en 220 V-netwerken, en dit is sindsdien onveranderd gebleven.

Detail van een gloeilamp uit 1910 van Siemens Brothers Dynamo Works Ltd, in Dalston, London. (Foto: Caroline Harding/Museums Victoria) 

Fitting

De gloeilamp was een enorme hit. De eerste lampen met kooldraden konden maar circa 40 uren worden gebruikt. Ze moesten dus vrij vaak worden vervangen. Zo ontstond er een grote industrie voor de productie van gloeilampen. Deze nieuwe industriële ondernemingen namen uitvinders in dienst die experimenteerden met allerlei materialen en constructies, met als doel het verlengen van de levensduur van de lamp. Toen duidelijk werd hoe wolfraam kon worden verwerkt tot ductiele gloeidraden, werd de levensduur van de gloeilamp verlengd met circa duizend uren. De lamp moest echter nog steeds regelmatig worden vervangen, meestal eens per jaar. Zo werd de schroeffitting ontworpen, een fitting die we vandaag nog steeds gebruiken. Deze lamp werd de ‘general lighting solution’ (GLS, ofwel algemene lichtoplossing) genoemd en dit soort elektrisch licht zou voor consumenten nog bijna een eeuw de voorkeur genieten.

Gasontlading

Halverwege de negentiende eeuw ontdekten uitvinders dat licht kon worden geproduceerd door een gasontlading in een glazen buis te creëren. Het proces lijkt op een bliksemschicht, maar dan op veel kleinere schaal en op een beheerste en ongevaarlijke manier. Wederom gingen er tientallen jaren aan experimenteren aan vooraf. Ook waren er weer enkele primitieve toepassingen nodig alvorens de benodigde elementen voor de zogenoemde tube lamp (TL) aan het begin van de jaren dertig gereed waren. Toen begon de Tweede Wereldoorlog. De betere verlichting van de TL-lichten werd tijdens de oorlog positief ontvangen door de productie-industrie. Het gebruik van TL-lichten steeg in rap tempo. Consumenten in Europa en Noord-Amerika die gewend waren aan het warme licht van de GLS-gloeilampen waren niet zo happig op het kille TL-licht in hun huizen. In gebieden waar mensen minder gewend waren aan gloeiend licht, was de ontvangst echter veel positiever en werden TL-lichten al snel veel gebruikt.

Compact Fluorescent Lamp

Naderende onheil verkondigd in het The Limits to Growth-rapport, gepubliceerd in 1972 door de Club van Rome-denktank, bracht het ecologisme op gang. Dit veranderde het perspectief van velen op de leefbaarheid van de aarde en de beschikbaarheid van natuurlijke bronnen. Een jaar later toonde de eerste oliecrisis ook aan hoe toegang tot olie ineens een probleem kon worden. Het begon tot mensen door te dringen dat het beter zou zijn ons energieverbruik te verminderen. Als gevolg van deze veranderende omstandigheden initieerden overheden stimulerende onderzoeken naar efficiëntere lichtsoorten.

En toen, wederom in exact hetzelfde jaar (1976) en aan beide kanten van de Atlantische Oceaan, werd een nieuw soort elektrische lamp gepatenteerd. Deze keer betrof het de Compact Fluorescent Lamp, of CFL. Laboratoria van zowel Philips, gevestigd in Nederland en GE in de VS ontwikkelden een gunstiger vormgegeven versie van de TL met de schroeffitting. Zo kon deze lamp in dezelfde fitting worden gedraaid waarin voorheen alleen GLS-gloeilampen pasten.

Aanvankelijk commercialiseerde alleen Philips deze lamp, die in 1981 op de markt kwam. De eerste CFL woog meer dan een halve kilo en was dusdanig omvangrijk, dat hij maar in enkele lampenkappen paste. Naast het bleke licht, flikkerde deze lamp hinderlijk gedurende de drie minuten die nodig waren voor het opwarmen. Daarnaast was hij duur. Het was dus eigenlijk niet zo verrassend dat men voor deze nieuwe lamp niet echt warm liep.

De Compact Fluorescent Lamp (CFL) – beter bekend onder de naam spaarlamp. 

Tweede generatie

Dankzij vele verdere ontwikkelingen en de alsmaar kleiner wordende omvang van elektrische componenten, werd er in de jaren negentig een tweede generatie CFL-lampen geïntroduceerd. Deze nieuwe generatie werd efficiënter, compacter en flikkerde niet. Er was echter een tweede ecologische golf nodig voordat de CFL-lamp in populariteit zou toenemen. Ditmaal was de kernoorzaak de opwarming van de aarde door broeikasgassen, iets wat besproken werd tijdens het Kyotoprotocol van 1997. Regeringen werden dringend verzocht maatregelen te nemen om het energieverbruik te verminderen en klimaatverandering af te wenden. De aanzienlijk verbeterde tweede generatie CFL-lampen werd een realistisch alternatief voor de GLS-gloeilampen, en beleidsmakers zagen het potentieel van dit energie-efficiënte alternatief. Dit zou ruim tien jaar later leiden tot het verbod op en de uitfasering van de GLS-gloeilamp. In de tussentijd kwam er een nóg beter alternatief beschikbaar.

Led

De opkomende halfgeleiderindustrie aan het eind van de jaren vijftig bracht ons meer dan alleen computerchips. De technologie die microscopische magie op silicium wafers mogelijk maakt, wordt ook toegepast voor de productie van zogenoemde Light Emitting Diodes, ofwel Led-lampen. Officieel heet de belichtingstechnologie-familie waartoe Led behoort Solid State Lighting (SSL). De eerste bekende toepassingen van Led-lampen waren de piepkleine rode indicatoren op velerlei elektronische apparaten, alsook de Led-matrixdisplays op de eerste desktoprekenmachines. Zoals vaak gebruikelijk in de technologie, waren de eerste toepassingen beperkt tot enkele eenvoudige toepassingen. Na verloop van tijd ontstonden er door de ontwikkelingsinspanningen van legio wetenschappers en ingenieurs sterk verbeterde versies van de nieuwe technologie, waardoor deze kon worden ingezet voor veeleisendere toepassingen. Hetzelfde gebeurde bij Led.

Dalende prijzen

Toen wetgevers hun plannen opstelden voor de uitfasering van de GLS-gloeilamp, konden ze nog niet rekenen op de beschikbaarheid van de Led-lamp. De wetgeving vertrouwde er dus op dat de CFL hiervoor geschikt was. Toen echter de uitfaseringswetgeving van de GLS-gloeilamp tussen 2007 en 2012 effectief werd, was de Led-lamp reeds op het toneel verschenen. Ter vervanging van het oude werkpaard, introduceerde Philips in 2009 een eerste Led-lamp, die overeenkwam met een 60W GLS-gloeilamp. De Led-lamp was toentertijd nog veel duurder dan de CFL, maar de prijzen daalden al snel. De allereerste Led-lampen op de markt produceerden slechts één kleur licht en werden via aan-uit-knoppen op dezelfde manier bediend als conventionele GLS-gloeilampen.

Grootschalige Iot-toepassing

Enkele jaren later, in 2012, lanceerde Philips wederom een verbluffende noviteit, namelijk Led-lampen die miljoenen kleuren konden produceren, van intensiteit konden veranderen en die waren ‘aangesloten’ op het IoT. Deze nieuwe lampen kunnen met een smartphone draadloos worden bediend, zelfs als de gebruiker ver van huis is. Bovendien kunnen apps worden geprogrammeerd voor het veranderen van de lichtintensiteit of kleur. Dit breidt het aantal mogelijke gebruiken nog verder uit. De gloeilamp was de killer app tijdens de elektrificatie. En zijn uiteindelijke opvolger wordt nu de eerste IoT-toepassing op grote schaal.

Met Philips Hue, de eerste Iot-toepassing op grote schaal, kan de gebruiker met zijn smartphone kleur, intensiteit en sfeer compleet zelf bepalen. 

Toekomstperspectief

Het lijkt erop dat de Led-lamp de toekomst heeft. De niet langer door gloeilampen benutte fittingen slaan de CFL-lamp gewoon over, en worden nu door Led-lampen gebruikt. Het verlichten van grote oppervlakken was eens het domein van de TL-lamp. Nu is er ook een Led-gebaseerd alternatief op de markt voor TL-fittingen. De CFL kwam niet echt overeen met de wens van de consument, en kon dus op eigen kracht de GLS-gloeilamp niet verdringen. De retrofit Led-lamp lijkt veel beter in staat te voldoen aan de wensen en behoeften van consumenten. Hoe lampen in de toekomst zullen evolueren, blijft voorlopig nog even het onderwerp van discussie. Maar het retrofit-gebruik van de schroeffitting van Led-lampen zal niet eeuwig duren. Wat is immers het nut van een schroeffitting als de lampen 20 tot 50 keer minder vaak worden vervangen dan de oude GLS-gloeilamp?

Een retrofit Led-lamp van Philips- niet te onderscheiden van de ouderwetse gloeilamp 

Conclusie

De Led-lamp kwam voort uit de technologische vooruitgangen die ons Led en micro-elektronica opleverden. De beschikbare infrastructuur van schroeffittingen in combinatie met de directe uitfasering van GLS-gloeilampen creëerden de juiste voorwaarden voor de opkomst van de Led-lamp. De evolutie van producten zoals de Led-lamp kunnen niet worden begrepen als deze enkel in technologische termen wordt beschreven. Een uitgebreider beeld ontstaat vanuit het beschrijven van de factoren die van invloed zijn op de opkomst en daaropvolgende evolutie van deze producten. In dit geval was het de maatschappelijke bewustwording onder de bevolking dat er gedragsveranderingen nodig waren om een klimaatramp tegen te gaan. Beleidsmakers zorgden voor de wetgeving voor het uitfaseren van de GLS-gloeilamp, ten gunste van energie-efficiëntere alternatieven. Al met al lijken deze contextuele factoren onlosmakelijk verbonden met de evolutie van de Led-lamp.