Session #:  L16S08

Session Title:  Keeping up with Change: Annual Update on Industry, Technology & Systems

Date / Time:  Tuesday, 4/26/2016, 4:30:00 PM to 6:00:00 PM

Panelists

Chris Bailey LC, LEED AP BD+C, DDI, MIESDirector, Product Innovation Hubbell Lighting, Inc.701 Millennium Blvd.Greenville, SC 29607m: 864.353.7919e: cbailey@hubbell‐ltg.comw: www.lightingsolutionscenter.com

Panelists

Mark Lien LC, CLEP, CLMC, HBDP, LEED BD&CIndustry Relations ManagerIlluminating Engineering Society120 Wall StreetNew York, New Yorkp.  864‐704‐9986e. mlien@ies.org

Panelists

Eric LindVice President – Global SpecificationsLutron Electronics Co., Inc.7200 Suter RoadCoopersburg, PA 18049p: 610.282.6514e: fjlind@lutron.com

Moderator 

Paula Ziegenbein Assoc. IALD, LC, LEED AP BD+CSr. Lighting ConsultantHartranft Lighting DesignBoston, MA  m: 978‐289‐2446e: paula@adhlighting.comw: www.hartranftlighting.com

H a r t r a n f t   L i g h t i n g   D e s i g nA r c h i t e c t u r a l   L i g h t i n g   S o l u t i o n s

SSL Adoption

46%54%

Lighting System Shipments

SSLOther

Sources: NEMA 

SSL Adoption

3%

97%

Total Market Adoption

SSL

Other

Source: http://energy.gov/sites/prod/files/2015/07/f25/led‐adoption‐report‐summary_2015_1.pdf

Codes and Standards 

• What’s the trend?– LPD only going down– Lighting Controls – Daylighting

• ASHRAE 90.1 – 2013• IECC 2015

– CA Title 20– Utility Incentives– Design Lights Consortium

• Performance Tiers• Controls

Commercial Energy Code Adoption

DLC Technical Requirements V3.1 

DLC Technical Requirements V4.0 – Draft  

Do SSL Standards Drive Market or Does the SSL Market Drive Standards?

• Standard development organizations (IES, NEMA, ASHRAE, etc) are volunteer organizations and tend toward criticism for progressing slowly.

• If the changes inside is slower than the changes outside of an organization then it ceases to be as relevant.

• When the lighting industry changed slowly, standards drove the market.  That changed with solid state lighting.

• Standards can impede progress such as California’s latest T20 that imposes .2W for stand‐by power that restricts multi‐featured smart lighting from the California market after 2018. 

Lifespan of firms in the S&P 500

Hello…

e‐bayNETFLIXWhole FoodsAmazonGoogleComcastE*Tradeetc. 

Goodbye…

Eastman KodakPalmNew York TimesSearsComp USACircuit CityRadio ShackEtc.

Babson School of business projects that 10 years from now 40% of today’s S&P 500 will not exist.  By 2020 more than 100 will be companies that we have not heard of yet. 

More Startups and Small SSL Companies?

LED Package and Module Trends

LED Package and Module Trends

$1.30

$0.90

$0.56

$0.38

$0.28$0.20

$0.14$0.09

$0.14$0.10 $0.08 $0.06 $0.05 $0.04 $0.04

133

150

166177

187197

207217

227235 242

0

50

100

150

200

250

$0.00

$0.20

$0.40

$0.60

$0.80

$1.00

$1.20

$1.40

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

$/100lm ‐ CW HP LED* DOE CW $/100lm DOE WW $/100lmVendor X Haitz lm/W ‐ HP LED*DOE CW lm/W DOE WW lm/W Vendor Y

MP LED’s: ~10% greater lm/W, ~10% lower cost• CW and WW converging!• HP and LW converging!

‐25‐30%

+5‐10%

YoY

‐25‐30%

+5‐10%

YoY‐20% CAGR

Q4220lm/WQ3

210lm/W

Incremental ImprovementsIn the usual areas:• DIE (electrical conversion efficiency)• Phosphor (down conversion efficiency)• Packaging (extended lifetime)• Light Extraction (die and dome geometry)• Lower CCT’s catching up to higher CCTs (lm/W)Also:• Cost of LED packages dropping, enables ultralow current densities

• Lumens to spare… 

2008 | 2009 | 2010 | 2011 | 2012 | 2013 | 2014 |2015 | 2016 | 201

14%

21%

31%

34%

2016 BOM %

LEDs Drivers

Light Engine Housing

• 26,596lm• 218W• 122lm/W

$700 / 50%41%

14%13%

32%

2008 BOM %

LEDs Drivers

Light Engine Housing

• 15,416lm• 240W• 65lm/W

$1400

• + 11180lm• ‐ 22W• + 57lm/W

• + 73% lm• ‐ 10% W• + 87% lm/W

• Does not reflect addition improvements in optical system performance 

Impact on BOM Cost & PerformanceArea Light Example – Equal Power

2008 | 2009 | 2010 | 2011 | 2012 | 2013 | 2014 |2015 | 2016 | 201

15%

16%

29%

40%

2016 BOM %

LEDs Drivers

Light Engine Housing

• 15,708lm• 136W• 115lm/W

35%  of Baseline $

41%

14%13%

32%

2008 BOM %

LEDs Drivers

Light Engine Housing

• 15,416lm• 240W• 65lm/W

Baseline $

66% weight reduction48% EPA reduction65% cost reduction

• The perpetual improvement in source technology necessitates an equally significant improvement in design methodology.

45lbs1.3ft² EPA

15lbs0.67ft² EPA

+ 2% lm‐ 44% W+ 77% lm/W

Impact on BOM Cost & PerformanceArea Light Example – Equal Lumens

Correlated Color Temperature (CCT) ‐ 2015 Cold Lumens / LED @ 700mA (350mA / mm²) @ 25°C

CRI 6500K 5700K 5000K 4500K 4000K 3500K 3000K 2700K 2500K*

2200K*

~67 305>70 271 284 297 295 294 286 276 262>80 273 268 264 261 250 236 225 200>90 210 202 190 176

% Flux vs. CCT (Baseline: 5000K LED, 67CRI)

~67 100%>70 88.85% 93.11% 97.38% 96.72% 96.39% 93.77% 90.49% 85.90%>80 89.51% 87.87% 86.56% 85.57% 81.97% 77.38% 73.77% 66.57%>90 68.85% 66.23% 62.30% 57.70%

lm/W vs. CCT

~67 152.50>70 135.50 142.00 148.50 147.50 147.00 143.00 138.00 131.00>80 136.50 134.00 132.00 130.50 125.00 118.00 112.50 100.00>90 105.00 101.00 95.00 88.00

Correlated Color Temperature (CCT) ‐ 2016 Cold Lumens / LED @ 700mA (350mA / mm²) @ 25°C

CRI 6500K 5700K 5000K 4500K 4000K 3500K 3000K 2700K 2500K*

2200K*

~67 325>70 308 311 322 321 320 306 298 287>80 280 285 282 280 268 254 225 200>90

% Flux vs. CCT (Baseline: 5000K LED, 67CRI)

~67 100%>70 94.77% 95.69% 99.08% 98.77% 98.46% 94.15% 91.69% 88.31%>80 86.25% 87.69% 86.77% 86.15% 82.46% 78.15% % %>90

lm/W vs. CCT

~67 162.3>70 153.8 155.3 160.8 160.3 159.8 152.8 148.9 143.4>80 139.9 142.4 140.9 139.9 133.9 126.9 112.50 100.00>90

• The CCT gap is closing ‐ 3500K is the new 5000K• You no longer need to choose between CCT and performance• Evidence to support 90+ CRI at 4000K for facial recognition?

2200°K and 2500°KQ: Are these new ANSI CCTs gaining traction, in which applications?A: Situation Now• NEMA published ANSI C78.377‐2015 (3rd rev., pub. in July, 2015)• ANSI mid‐power LEDs are readily available – but applications and adoption 

remain limited to residential and hospitality• High‐power LEDs are non‐standard custom‐only parts• Requests for 2000K and 1800K also exist• No known luminaire incentives and recognition within DLC & ES• Included in ES v2.0 (Dec 2015), but only for filament‐style lamps• Considered for full‐color‐tunable and white‐tunable lamps: “tests and 

evaluations included in this specification shall be performed at the most consumptive white light setting”

LED Packages & SpecializationChip‐Scale Package ‐ CSP (<.5W, 2.8‐3.4VDC, 10‐150mA, 0.20‐0.10mm)Ideal for interior luminaires, backlit displays, thin profile luminaires

Example: Osram Duris S2

Multi‐die High‐Power Array (>9W, 24VDc+, 700‐3000mA, 12+mm)• Ideal for reflector lamp replacements (PAR lamps, MR lamps, etc.)

Example: Cree MP‐L, MK‐R

COB / Array (~15‐200W, 24VDC+, 700‐5600mA, 12‐50mm)• Ideal for high lumen applications (Highbay, Downlights, Floodlighting)

Example: Nichia NSC Series

High Flux Density Discrete (HFD) LED (~3‐32W, 37V, 1000mA, 7mm)• Ideal for high lumen applications (Highbay, Downlights, Floodlighting)

Example: Cree MHD‐E, XHP70

Low & Mid‐Power (<1W, 2.8‐3.4VDC, 10‐200mA, 0.23‐0.56mm)• Ideal for interior luminaires, specifically recessed downlights & linear

Example: Nichia 757, Samsung 5630 10’s

High‐Power (1‐3W, 2.8‐3.4VDC, 350‐1500mA, 1‐3mm)• Ideal for outdoor products (parking lot, roadway, flood lights, etc.) Example: Nichia 219B, Cree XP‐G2, Osram Oslon low 100’s

Multi‐die (1‐3W, 2.8‐12VDC, 350‐1000mA, 2‐6mm)• Ideal for LED lamps and task lighting (replacement lamp & landscape)

Example: Nichia 183 Series 10‐100’s

100’s

1000’s

100‐1000’s

Low 10’s

LED Packages and ApplicationsMid Power LED

• Highest efficacy package available• Best lumen/$ performance• $0.10 to $0.05 (50% Price erosion in two 

years)• Use is extending into outdoor

• Pedestrian Scale• Wall & Flood• Landscape

• Use is extending into Lowbay & Highbayapplications

• Reliability has been significantly increased due to packaging improvements

• Now available up to 500mA

LED Packages and ApplicationsMulti‐die LED

• Transitioning into mid power LED arrays & SMT COB packages• Enables significant increases in performance and reductions in cost• Reduces pixilation • Allows those with SMT capability to compete

Mid‐Power

SMT COB

LED Packages and ApplicationsHigh Power LED

• Transitioning into HFD LEDs for extreme output precision applications• Transitioning into domeless HFD LEDs for area lighting applications• Transitioning into HFD to enable commodity high output applications 

HFD

Domeless HFD

HFD

LED Packages and ApplicationsMulti‐Die High Power LED

• Transitioning SMT COB, HFD and COB• Improved $, COA, Optical Coupling Efficiency 

SMT COB

HFD

COB

LED Packages and ApplicationsMulti‐Die High Power LED

• Transitioning to SMT COB for Tier 1 Manufacturers• Everyone is coming out with, or already has, a “high flux” versions• COBs will produce significantly more lumens than the same LES*• Most COBs are coming <3 SDCM standard

SMT COBCOB

LED Packages and ApplicationsChip Scale Package

Pros• Promise is lower cost than comparable packaged LEDs• High‐power LED replacement is current best use case• Better color angle uniformity• Build your own COB

Cons• No ESD protection diode• Lower light extraction / lower LPW (planar vs. hemispherical emitter)• Cost is much higher than mid‐power LEDs today ($0.10 vs. $0.03)• Lower Z height, so need new optics• Package design ‐ virtually impossible to measure Tj (use Vf method)• Lower lifetime, currently driven by lamp specification• May require specialized SMT equipment

The Promise:• >2500lm/$ trending to 7000lm within next 2‐3 years• Lumens to spare • Potentially a lower cost alternative to 2835 series

LED Packages and ApplicationsChip Scale Package

Pros• Promise is lower cost than comparable packaged LEDs• High‐power LED replacement is current best use case• Better color angle uniformity• Build your own COB

Cons• No ESD protection diode• Lower light extraction / lower LPW (planar vs. hemispherical emitter)• Cost is much higher than mid‐power LEDs today ($0.10 vs. $0.03)• Lower Z height, so need new optics• Package design ‐ virtually impossible to measure Tj (use Vf method)• Lower lifetime, currently driven by lamp specification• May require specialized SMT equipment

The Promise:• >2500lm/$ trending to 7000lm within next 2‐3 years• Lumens to spare • Potentially a lower cost alternative to 2835 series

Module Trends

The Ecosystem is Alive and Healthy

CSP ModulesCSP Modules

Module Trends• The focus is on added value

– Enhanced color quality (COA,  Rg, Rf, CRI, etc.)– Application Specific (Horticultural, Human 

Centric, etc.)• Remote Phosphor

– Persists for premium downlight applications– Downside no dim to warm

• Advanced Modules– Driver / light source combo– Wireless (really needs to be open‐standards 

based)– Enabling more complex applications

• Zhaga– Should have been a market force, but not yet 

working it’s way into specifications

AC LED Technology – Making it Work• Pros:

– Allows for elimination of traditional AC‐DC driver– Drastically reduces system cost– Simplifies product development– Reduced component count, complexity & cost– Enables new form factors – Easily integrates into legacy products (residential & commercial)– Little to no inrush current– Increased reliability– DLC compliant PF & THDI– Little to no radiated EMI– Simple surge and transient suppression circuit– Dimming*

• Cons:– LED On‐time– Greater sensitivity to input voltage – Voltage‐specific designs (42 LEDs – 120V, 100LEDs – 277V)– Class 1 vs. Class 2– Dimming (Flicker more apparent as LED on‐time decreases)– Flicker!

AC LED Technology – Making it Work• Common High Voltage AC Topologies

– Bridge + High Voltage CCR• Limited dimming range (low current draw for dimmer)

– Bridge + Tapped Linear ASIC– Bridge + CCR/ASIC + Capacitor– Bridge + CCR/ASIC + Capacitor + Microcontroller– Bridge + CCR/ASIC + Capacitor + Micro + Radio

Isn’t this essentially  becoming a driver?

00.020.040.060.080.1

0.120.140.160.180.2

0 2 4 6 8 10

Iin, A

Time,ms

'Voltage (norm) 'Seg2'seg3 seg4"Line Current"

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 2 4 6 8 10

Iin, A

Time,ms

'Voltage (norm) 'Seg2'seg3 seg4"Line Current"

Driver Trends and Technology 

LED Driver Trends• Drivers are becoming

– Smarter– Connected– Logical gateway into IoT and BAS

• Programmable drivers are here to stay– As if there were any doubt…– The promise ‐ One driver to rule them all– Greatly reduces SKU complexity (~10 to 1)– Accommodate variety of output current and voltage requirements– Cost virtually identical to non‐program variety

• Deep Dimming– .1%

• Revenue grade metering– NEMA ANSI C136.52

LED Driver Trends• How programmable drivers are being used:

– Simply, they provide added value by providing OEM or customer specific configurations:

• Selectable dimming Curves (linear, logarithmic, square, other)• High and low‐end trim• Dynamic behavior – multichannel support• Support for multiple control options

– DALI, 0‐10V, DMW

• Board‐referenced programing 

LED Driver Trends• Bi‐directional communication has merit

– Initial programming (plug‐in, NFC, BLE)– Commissioning as a part of a larger system

• Multi‐driver luminaires• Logical control groups• Indoor Positioning*

– Firmware upgrades– Diagnostics– Big Data and Analytics– POE and DC microgrids (increasing relevance)

LED Driver Trends• New Features:

– Soft Start• “2‐3 second soft start” emulates legacy technologies (Do we want that?)

• it’s on the output side, not the input. – Just manages when the current reaches the LED– Inrush is being mitigated using topology to address NEMA 410

• Dim‐to‐Off– Really dim to standby. – Aux power maintained to drive wireless and sensors.

LED Driver Trends• Diagnostics

– Operating Hours– Temperature diagnostics – a “who done it” to perform post‐

mortem evaluations of faulty products  • Report number of hours within “temperature windows (ex: 65°C‐75°C, 

75°C‐85°C, above 85°C)• Count the number of instances where electronics have been subjected 

to exceedingly high temperatures (such as >110°C)• Can actually perform (record) diagnostics during sleep. Could measure 

solar gain.• Power Quality ‐ Surges & Spikes in the future (within 1 year)• The ultimate goal is to see this information real‐time

– DALI may become the device‐to‐device layer– Could be exportable as BAS objects under system health dashboard

LED Driver Trends• Constant Light Output

– This used to be a $35 piece of hardware. • Time‐based dimming

– Fully configurable autonomous dimmer – Tie photocell into DALI bus

• Control interface:– DALI

• Facilitating device‐to‐device communication– Passive DALI – no capability to power sensors– Active DALI – Equipped to power sensors via DALI wires

• Support multichannel controls (dynamic white and tuning)

– DMX• Support multichannel controls (dynamic white and tuning)

– Manufacturers are trying to create standards that allow multiple control suppliers to utilize their drivers with their hardware/software offering

LED Driver Trends• Auxiliary Power:

– 12/20/24V configurable (40mA, 200mA startup power)– Common ZigBee modules have a max transmit power of 150mA so 

200mA total should be safe.– Addresses current fixture‐level sensors (~15‐25mA) and future 

wireless radios– Need to consider available power to handle range of transmit (TX) 

power requirements (ex: 300mA)– Some driver power supplies may be limited. Can use buck 

converter that will transform the current/voltage with about an 80% efficiency

– Current requirements at lower voltage may higher (ex: 24V ‐ 10‐35, 10V ‐ 25‐85 mA).

• Support for Smart sensors & peripherals– Interconnectivity with electronics

• Common: Occupancy/Vacancy & Daylighting• Emerging: CO2, temperature• Fringe: humidity, security – video, RF beacons

LED Driver Trends• Integrated Logic

– Stored routines and conditional logic statements– SoS– “Plug and Play” connectivity

• Wireless‐embedded drivers– Why provide an AUX output when wireless can be built‐in?

– Based on open standards to maximize use– Commercial ‐Most are ZigBee at this point– Residential – Bluetooth Smart mini‐mesh gaining traction

• Multi‐Channel Drivers– Required for high‐power class 2 applications– Enables tunable white luminaires

• Smaller form factor drivers– Many indoor drivers emulate CFL and LFL ballasts– Moving to 21mm and below– Some on the horizon as thin as 11mm

It is not It is not electrolytic capacitors

LED Driver Trends• Warranty & Reliability (5min)

– What we have learned so far– Trend toward longer warranties – 10 year– Driver failure? How are manufacturers accounting for longer warranty costs?– Passing the buck?– ANSI C82.15 – LED driver robustness (applies to hardware and microcontroller based drivers)

100% Burn‐in 2011‐15 Mortality History

• What is failure?• What is failure rate?• What confidence level?• Ambient vs. case 

temperature?• Is max case temp 

important?• Lack on industry 

consistency

• Old school approach that is expensive.

Define Mortality

• Blown fuses• Blown chokes• Failed MOVs• Damaged MOSFETs• Cracked solder joints• Damaged 0‐10V 

dimming circuit

Parametric Testing

• Reduces uncertainty• Evaluates entire system• Elevated temperatures• Thermal cycling• Surge / transient events• Repeated switching

LED Driver Trends• The future of LED Drivers:

– Becoming more intelligent– Some features are memory dependent (temp. vs. time)– Will power IoT sensory networks (Aux power)– Serving as the conduit for communication between 

luminaire and control system– Dim‐to‐standby may eliminate the need for relay

• What’s next?– RTC functionality (enable time based events)*– Store product and transaction details– VLC & PoE = follow me controls– DC microgrid multichannel DC microgrid

LED Retrofit Lamps • Most LED replacement lamp shapes have achieved efficacy levels and CRI numbers in the nineties with expensive options up to 150lpw.  

• A few lamp shapes still have issues with LED replacement products.

• 2015 replacement lamps increased on average 10% in efficacy over 2014.  This trend is expected to continue.

• We are experiencing a slower, less dramatic pace than in previous years.

• LED retrofit kits have slowed as fixtures with integrated drivers and LED’s increase in availability.

LED Retrofit Lamps

Acceptable or equal LED replacement lamps for most shapes and sizes are now available.

In the past year we have seen…

• The first LED AR111 with a 4 degree beam spread• A PAR20 with a 10 degree beam spread• LED replacements for 2‐pin PL lamps• A21 LED replacements for enclosed fixtures• LED PAR38 at 84lpw

Product performance stabilizing with incremental advancements and market gaps being addressed.

LED Retrofit Lamps Not Acceptable Yet?

LED Luminaires• Downlight, Accent, Track

– 10‐15% improvement in efficacy– 80+ CRI “Standard”; 90+ CRI 

available– Lumens ranging from 600‐

12000+• Small aperture – big punch

– Optics – spot beam angles of 6‐8 degrees

– More manufacturers offering tunable white & warm dim

• Cost premiums shrinking 

– DMX control, 0.1% dimming options 

– Wireless control 

LED Luminaires

• Linear, Suspended, Troffer– Up to 30% increase in efficacy

– 80 to 85 CRI– Tunable white options available

– Luminous ceiling/panels– Curvilinear form factors

• Standard and customizable 

– More integrated controls & sensors

LED Luminaires

• Industrial – Up to 25% improvement in efficacy

– Very high lumen output –50,000+ lumens

– Luminaires for extreme hazardous conditions

– Controls integration –including DALI & DMX

LED Luminaires

• Area & Site – 20+% improvement in efficacy 

– More integrated controls & sensors 

– Ingrade luminaire adjustment w/o opening the luminaire using tools and Wi‐Fi remote control

– Customized light distributions

– Field rotatable optics

Considerations – Relamp, Retrofit, New Luminaire 

• New construction?

• Renovation?

– Condition of existing equipment?

– What’s the existing technology? 

• Owned or leased space? 

• What design goals are you trying to achieve?

– Maintain  or improve same light levels?

– Reduce light levels?

– Incorporate lighting controls?

– Aesthetic requirements? 

• What’s the required payback?

• Not all products are created equally!

2‐Lamp 2x4 Cost Comparison   

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

External Driver Fluorescent Ballast Compatible

Relative First Cost 

Without Incentive With Incentive

2‐Lamp 2x4 Cost Comparison   

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

External Driver Fluorescent BallastCompatible

Retrofit Kit New Fixture

Relative First Cost 

Without Incentive With Incentive

New LED Luminaire Vs New T8 FluorescentWatts Saved 23Product Investment Cost:  

$     60.00 

Non

 dim

mingT8

 Ballast

Costof Electricity ($/kWh)Hours 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16

2000 26 26 22 19 16 14 13 12 11 10 9 9 83000 22 17 14 12 11 10 9 8 7 7 6 6 54000 16 13 11 9 8 7 7 6 5 5 5 4 45000 13 10 9 7 7 6 5 5 4 4 4 3 36000 11 9 7 6 5 5 4 4 4 3 3 3 37000 9 7 6 5 5 4 4 3 3 3 3 2 28000 8 7 5 5 4 4 3 3 3 3 2 2 28860 7 6 5 4 4 3 3 3 2 2 2 2 2

Watts Saved 23Product Investment Cost:  

$     15.00 

Dim

mingT8

 Ballast

Costof Electricity ($/kWh)Hours 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16

2000 7 7 5 5 4 4 3 3 3 3 2 2 23000 5 4 4 3 3 2 2 2 2 2 2 1 14000 4 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 1 15000 3 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 16000 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 17000 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 18000 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 18860 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0

Relamp Vs. New Fixture Installation Payback – In Years (With Utility Incentive) Watts Saved 24Product Investment Cost:  

$     30.00 

LED T8 –DIREC

T INSTAL

L Costof Electricity ($/kWh)HoursPer Year  0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16

2000 13 13 10 9 8 7 6 6 5 5 4 4 43000 10 8 7 6 5 5 4 4 3 3 3 3 34000 8 6 5 4 4 3 3 3 3 2 2 2 25000 6 5 4 4 3 3 3 2 2 2 2 2 26000 5 4 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1 17000 4 4 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 18000 4 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 1 18860 4 3 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1

Watts Saved 23Product Investment Cost:  

$     60.00 

New

 LED

 Lum

inaire

Costof Electricity ($/kWh)Hours 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16

2000 26 26 22 19 16 14 13 12 11 10 9 9 83000 22 17 14 12 11 10 9 8 7 7 6 6 54000 16 13 11 9 8 7 7 6 5 5 5 4 45000 13 10 9 7 7 6 5 5 4 4 4 3 36000 11 9 7 6 5 5 4 4 4 3 3 3 37000 9 7 6 5 5 4 4 3 3 3 3 2 28000 8 7 5 5 4 4 3 3 3 3 2 2 28860 7 6 5 4 4 3 3 3 2 2 2 2 2

Comparison in 2‐lamp Fluorescent Troffer 

28W/4100K T8 Fluorescent  15W/4000K LED Direct Retrofit 

19W/4000K High Efficiency LED T8 Kit 

Comparison in 2‐Lamp Fluorescent Troffer

(0,‐2)

(0,‐3)

(0,‐4)

(0,‐5)

(0,0)

(0,‐1)

(0,4)

(0,3)

(0,2)

(0,1)

(0,5)

(1,0) (2,0)(‐1,0)(‐2,0)

(0,‐5)

(2,5)(‐2,5)

(‐2,‐5) (‐2,5)

(6’‐6” ,0,  5’ or 6’)

(‐0,  7'‐4", 5 or 6’)

Vertical Across

Vertical Along

Horizontal Illuminance Measurement Grid  Vertical Illuminance Measurement Grid 

Comparison in 2‐Lamp Fluorescent TrofferHorizontalIlluminance (fc) Fluorescent @2.5’ Above Floor 28W T8 (4100K)

LED T8 ‐ Direct Install (15W)   LED T8

1.0 BF Ballast 1.0 BF Ballast /HE Retrofit Kit (19W) 

center line Avg. 26.9 26.1 24.8corners Avg. 19.15 17.6 16.9Along  Avg.  31.0 30.4 28.9

Vertical Illuminance  Fluorescent 

28W T8 (4100K)LED T8 ‐ Direct Install  LED T8

1.0 BF Ballast 1.0 BF Ballast  /HE Retrofit Kit(across luminaire)7'‐4" from fixture center @5'AFF 16.9 16.0 15.37'‐4" from fixture center @6'AFF 16.0 16.4 15.9(along luminiare)6'‐6" from fixture center @5' AFF 18.6 17.5 17.56'‐6" from fixture center @6' AFF 20.9 19.8 19.7

HorizontalIlluminance (fc) Fluorescent 

@2.5’ Above Floor 28W T8 (4100K) LED T8 ‐ Direct Install  LED T81.0 BF Ballast 1.0 BF Ballast  /HE Retrofit Kit

center line Avg. 26.9 26.1 24.8

corners Avg. 19.15 17.6 16.9

Along  Avg.  31.0 30.4 28.9

Vertical Illuminance  Fluorescent 28W T8 (4100K) LED T8 ‐ Direct Install  LED T81.0 BF Ballast 1.0 BF Ballast  /HE Retrofit Kit

(across luminaire)7'‐4" from fixture center @5'AFF 16.9 16.0 15.37'‐4" from fixture center @6'AFF 16.0 16.4 15.9(along luminiare)6'‐6" from fixture center @5' AFF 18.6 17.5 17.56'‐6" from fixture center @6' AFF 20.9 19.8 19.7

Tunable & Dynamic Solutions• Main goal• Topologies• Key aspects & technology approaches• Control Methods• Market Applications & Opportunities• Challenges & Considerations • Where the Market is Going• Notes:

– Check 2015 slides– Check DOE caliper report– Check Illuminations blog post

Tunable & Dynamic Solutions• What is it?

– Dim‐to‐warm– Dynamic/Tunable white– High dynamic range

• Why are we doing this? – Matching preferred sources (persistence of aesthetics and behavior )– Achieving user preferences (individualized)– Biological & physiological impacts– Creating drama

• Issues & Opportunities:– Selectable CCT & Late Stage Configuration– Who has these products– How do we control?– Circadian Lighting (Light & Human Factors)

Tunable & Dynamic Solutions• Tunable White/White‐tunable/Kelvin changing: 

– This category of solutions generally provides the option to vary the color of luminaire from warm to neutral to cool in appearance. 

– It is achieved generally by two (or more) individually controllable LEDs or LED strings of different CCTs:

• Warm‐white color, usually around 2700K• Cool‐white color, usually around 5000K to 6500K

– While conformity to standards and expectations has value, tunable solutions may allow for beneficial deviviations*

Tunable & Dynamic Solutions• Alternative names:

– Tunable Color– Dynamic Color– Color Changing– Others 

• There are three basic categories of color‐tunable products:– Dim‐to‐warm / Warm‐dim– Tunable White / White‐Tunable / Kelvin Changing– High Dynamic Range 

Dim‐to‐warm / Warm‐dim• Primary Goal: This category replicates the traditional dimming 

behavior of incandescent or halogen towards warm color as it dims, generally over a range of 3000K‐2700K‐2200K‐1800K. 

• Controls:– One common control required per luminaire or group of 

luminaires that dim together– Phase cut dimming: Dimming resolution/smoothness is limited, publications 

by Cirrus Logic and Juno Lighting– Better dimming resolution provided by low voltage wired control interfaces 

like 0‐10V, DALI or DMX– Wireless control interfaces like Zigbee, Wifi, Bluetooth 

Figure 1: Dim to warm CCT vs. Brightness level plot from 3000K to 1800K [1]

Dim‐to‐warm / Warm‐dim• Market Opportunities/Applications: 

– Residential: mood/ambiance– Hospitality

• Challenges & Considerations:– Only one fixed type of dimming over CCT range, no separate 

interface to control intensity and/or color tuning– The efficacy is usually lower than that of a fixed CCT solution– The warmer LEDs at lower end can impact color variation of 

visible objects like skin tones and room finishes– Another challenge is complexity and limitation of wired 

solution capabilities, for example: 0‐10V interface has limitation for source/sinking capabilities, similar is the case with DALI for a maximum number of nodes on one circuit. This may impact the voltage drop, resulting in unintended visible color shift among luminaires on same circuit

Linear White Tuning (2 source)• Primary Goals:

– Lower complexity solution to address market demand– Lower cost solution– Easily achieved in many indoor and outdoor product types

• Two‐source approach:– Tuning is achieved by varying the light output from two LED strings of 

differing color temperatures– Light is generally homogenized using nearfield mixing to avoid chromatic 

aberrations on lensing, illuminated environment and task surfaces• Especially critical when CCT range is broad (ex: 2700‐6500K) 

– CCT range is provider dependent (no standards here)– The wider the range of CCTs, the greater the maximum deviation from the 

blackbody (Duv).

The ecosystem is growing

Linear White Tuning (2 source)

Non‐linear White Tuning (3+ sources)• Primary Goals:

– Improved conformance to blackbody locus– More predictable hues, even across wider CCT range

• 3+ Source Mixing• Cool White, Neutral White and Warm White• Could use blue LED as a surrogate to Cool White• Could use amber LED as surrogate to Warm White

– Similar to 2 source approach (homogenized, no standards_– Tuning is achieved by varying the light output from three or 

more LED strings of differing color temperatures

Human Centric Lighting – L&B 2016

• 33 manufacturer – members• 21 exhibiting at L&B• Almost all linear white

Source: LED Professional

Linear White Tuning (2 source)Example System: 3000K – 5000K system

Mid‐point sample:• 4029K• 85.2 CRI• Rf and Rg• Duv .00026.Considerations:• A‐B Binning• Dynamic range • Initial flux of CCTs• Dimming curve/profile• Lumen deprecation

Non‐linear White Tuning (3+ sources)

Linear and Non‐Linear White Tuning• Controls

– Multichannel driver‐integrated algorithms– Two separate controls are required, one for color tuning and 

other for varying intensity levels. The most common types of control protocols are:

• Wired: 0‐10V, DALI, DMX, PoE• Wireless: Zigbee, Wifi, Bluetooth, others

Linear and Non‐Linear White Tuning• Market Opportunities/Applications: 

– Residential– Commercial office– Retail– Hospitality– Industrial (example: pharmaceuticals?)– Education– Healthcare– Military– Transportation– Architainment – intentional color– Entertainment

Linear and Non‐Linear White Tuning• Challenges & Considerations

– The main considerations are selecting dynamic range including Gamut, CCT range, Intensity with consistency over intended curve/path

– Multi‐source solutions tend to consume more power than static equivalents

– Lack of utility incentives– Proprietary systems result from absence of 

common/standard protocol• Could be challenging for users to understand and implement the solution w/o training. 

• May suppress adoption– Complexity and limitation of wired solution capabilities– More knowledge, evidence and communication needed to 

fully realize “circadian benefits”*

Linear and Non‐Linear White Tuning• Challenges & Considerations (continued)

– All systems are not creased equal (lack of consistency)

Figure 4: Luminaire test results from DoE test report [2]

LED luminaire testing from DoE caliper report 23: The test data below shows test results of different luminaires, controls and LED loads for variation in efficacy, power and color signals

Linear and Non‐Linear White Tuning• Challenges & Considerations (continued)

– Key Takeaways from DOE Report• Warmer CCTs generally delivers lower efficacy (no surprise here)

• Tunable products cannot currently match fixed color (more than color point?)

• products in terms of efficacy or color quality at this time• Tunable products can offer benefits beyond energy savings such as support for human centric lighting (HCL)

• Color rendition variation may exist, if narrow range could be considered within boundary conditions. 

• The color stability over dimming range is mostly challenging, along with degradation in power, power factor and THDI

High Dynamic Range• Primary Goals:

– High precision blackbody tuning– Ambient lighting + architainement– Augmented spectrum (retail and theme)– Off blackbody lighting

• Multi‐source approach– Typically includes 3 or more sources

• Discrete or multi‐die array

• CW, WW, Color• R,G,B,W• R,G,B,A• R,G,B,A,W• R,G,B,WW, CW• R,G,B,A,WW,CW

• Controls: – DMX, DALI, PoE, high resolution wireless options

High Dynamic Range Applications• Entertainment• Residential• Architainment• Retail• Hospitality• Industrial

– Agricultural– Horticultural– Pharmaceutical– Others

• Education• Healthcare• Commercial office• Transportation (aerospace)

High Dynamic Range• Challenges:

– The main considerations are selecting dynamic range including Gamut, CCT range, Intensity with consistency over intended curve/path and selecting the control interface/network

– Setup/installation programming could be challenging– Completely matching the chromaticity and rendering to 

another source may be difficult– Skewing colors: Color saturation is a challenge, as it may 

make the color of objects vibrant and distinct, which may not be appropriate for applications that require critical matching of real color. 

– Availability of open protocol to interface with other solution is still a challenge, as majority of the solutions are proprietary 

Tunable & Dynamic Solutions• Where the market is going:

Comparison Tool‐Future Demand Projection:

To gauge the user acceptance of different color tuning configurations, figure 5 and 6 depicts the connected LED A and reflector lamp units’ shipment and revenue globally. 

Tunable & Dynamic Solutions• Where the market is going:

Comparison Tool‐Future Demand Projection:

To gauge the user acceptance of different color tuning configurations, figure 5 and 6 depicts the connected LED A and reflector lamp units’ shipment and revenue globally. 

Tunable & Dynamic Solutions• Light & Health

Figure 10, above shows the variation in SPD of 15 different LEDs from CALiPER testing over CCT range of 2700K to 6500K and different ranges of CRIs. The test is compared to one circadian response function (“melanopic”). The results show that changing CCT from 2700K to 6500K increases melanopic lumens by 2.5 and vice versa.

Tunable & Dynamic Solutions• CREE: CR series of LED troffers with SmartCast adaptive technology, daylight 

harvesting, occupancy sensing, step dimming, 0‐10V, lutron EcoSystemenabled, field adjustable color temperature – 5000lm, 90+CRI, 130Lm/watt

• Philips Color Kinetics: IntelliWhite (iW) LED lighting systems – channel of cool, neutral, and warm white LEDs 

• USAI Lighting: BeveLED 2.0 tunable white – recessed down lights, warm glow dimming (3000‐2700‐2200K) and color curve dimming (3500K ‐2200K).

• Holi: SleepCompanion ‐ BLE• Osram Lightify: Tunable white (2000‐6500K) & RGB mode • Juno Lighting: Indy LED ChromaControl‐enable luminaires – 4”, 6”, 8” 

luminaires in downlight or wall‐wash configurations

This Technical Memorandum describes a method for evaluating light source color rendition that takes an objective and statistical approach, quantifying the fidelity (closeness to a reference) and gamut (increase or decrease in chroma) of a light source. The method also generates a color vector graphic that indicates average hue and chroma shifts, and which helps with interpreting the values of Rf and Rg. TM-30-15 provides equations and direction for calculating Rf and Rg, including the spectral reflectance functions for the 99 CES. It is accompanied by a software tool to aid in calculation and display of the results (access information for the software tool is provided in the publication).

IES TM‐30

http://www.edisonreport.tv/#!TM‐30‐Color‐Metric/ijpu9/568bf3470cf23ef0cf5e0533

86http://www.bna.com/house‐panel‐gets‐n57982066292/ FCC is looking at UL to se

t the

 standards for cybersecurity 

includ

ing with

 ioT

http://www.usatoday.com/story/tech/columnist/2016/01/25/biometrics‐latest‐shield‐against‐password‐hacks/79287634/

Thankfully, there does seem to be progress occurring on several different fronts. At last week’s unveiling of Intel’s latest 6th generation Core CPUs for business PCs, for example, the company talked about its new Authenticate technology. Authenticate can allow companies that use these PCs to store biometric data — such as information generated by fingerprint scanners or, eventually, facial recognition software or iris scanners — and other login credentials in encrypted form, directly into the PC’s CPU, making it much more difficult for hackers to get in.

Exponential Growth

Deception

91

http://www.gizmodo.in/indiamodo/An‐army‐of‐drones‐could‐soon‐repair‐potholes‐and‐busted‐street‐lamps/articleshow/49540059.cms

LED Lighting

93

Lighting Community Disrupted

95

•Maintenance companies •Legacy lamp, socket & ballast mfgs.    •Lighting showrooms•Electrical distributors•Utilities (including DLC & CEE)•Manufacturers reps•Luminaire manufacturers  •Educators…

2013‐2015 IES Progress Report

No Progress on Traditional Fixtures and Sources

60W LED Replacement 99 cents

http://www.bing.com/images/search?q=Lowe%27s+Black+Friday+Ad+2015&view=detailv2&&id=09968ABCDD0D5A048E6B6053426EFE887E45ED62&selectedIndex=0&ccid=ekYEWZ8D&simid=608002451827198589&thid=OIP.M7a4604599f034dee85efef448d3e32c0o0&ajaxhist=0

https://www.indiegogo.com/projects/world‐s‐most‐affordable‐wi‐fi‐smart‐bulb#/

Abundance business strategy=free wi‐fi, Skype, Craigslist, Pandora, You Tube, books, photos, etc

http://www.nbi.ku.dk/english/news/news15/nanowires‐could‐be‐the‐leds‐of‐the‐future/? 

http://electroiq.com/blog/2015/08/quantum‐dot‐technology‐may‐help‐light‐the‐future/

Advances at Oregon State University in manufacturing technology for “quantum dots” may soon lead to a new generation of LED lighting that produces a more user‐friendly white light, while using less toxic materials and low‐cost manufacturing processes that take advantage of simple microwave heating.

The cost, environmental, and performance improvements could finally produce solid state lighting systems that consumers really like and help the nation cut its lighting bill almost in half, researchers say, compared to the cost of incandescent and fluorescent lighting.The same technology may also be widely incorporated into improved lighting displays, computer screens, smart phones, televisions and other systems.

“There are a variety of products and technologies that quantum dots can be applied to, but for mass consumer use, possibly the most important is improved LED lighting,” said Greg Herman, an associate professor and chemical engineer in the OSU College of Engineering.

http://www.engadget.com/2015/06/17/graphene-light-bulb/

Forget LED light bulbs... in the future, your lighting may be made from carbon. Columbia University researchers have built a light bulb chip that superheats graphene to produce illumination. While that's the same basic concept that you see in an incandescent bulb, the graphene filament measures just one atom thick -- this is the world's thinnest light bulb, and may be close to being the thinnest possible. It's transparent, too, which could suit it to see-through displays.

[Image credit: Myung-Ho Bae/KRISS]

https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=DaxKbATmTCE

104http://www.3ders.org/articles/20141201‐rohinni‐produces‐the‐world‐thinnest‐led‐lights‐3d‐printing.html

http://www.3dprinting.lighting/

3D Printing OLED’s , Optics,  Luminaires…

http://3dprint.com/109090/graphene‐3d‐patent‐led‐light/

Their first product was a conductive filament created for desktop FDM 3D printers that allows simple, electricity conducting circuits to be printed without having to add any other components or wiring.Graphene 3D Lab has announced that they have filed a provisional patent application for a process using graphene materials to 3Dprint an organic LED light using their newly developed multi‐functional 3D printer. The patent application includes 3D printer technology that uses multiple material deposition techniques, robotic manipulation, and laser as well as UV curing capabilities. The application is specific to the process of using their new printer to fabricate a working LED light source that is entirely functional right off of the printing bed with no further augmentation required. The printed organic LED device is a graphene coated transparent window that will automatically conduct electricity.

http://www.shapeways.com/

3D Printed Lighting

http://www.shapeways.com/

Note: Crowdsourcing ‐ Freelancer.com, Fiver.com, etc

http://www.usatoday.com/story/tech/columnist/baig/2016/02/12/mattel‐resurrects‐thingmaker‐3d‐printer/80236104/

Wireless Power Consortium

http://www.wirelesspowerconsortium.com/member‐list/?name_member_company=&category=‐1&membership_category=&submitbutton=Search

http://nextthing.co/

Democratization

113

In the year 2000 there were about 360 million internet users

Global internet users rise from  2B in 2010 to nearly 5B in 2020

3B new minds expanding, learning, connecting & creating

When remaining 2.4B on line = more convergent      consequences

Session #:  L16S08

Session Title:  Keeping up with Change: Annual Update on Industry, Technology & Systems

Date / Time:  Tuesday, 4/26/2016, 4:30:00 PM to 6:00:00 PM