Da kommt Licht ins Dunkel

Moderne LED-Beleuchtung wird immer leistungsfähiger

Signalanzeigen auf der Basis von Leuchtdioden (Light Emitting Diodes, LED) sind seit gut drei Jahrzehnten in der Elektronik bekannt und zahlreich im Einsatz. Zu ihren Stärken gehören geringer Leistungsbedarf, Robustheit gegen Schock und hohe Lebensdauer. Von Nachteil war bis vor einigen Jahren die fehlende Lichtfarbe Blau und die relativ geringen Lichtströme. Die niedrige Lichtausbeute machte den Einsatz von LEDs für die Ausleuchtung größerer Flächen schwierig bis unmöglich. Das hat sich geändert.

Seit etwa fünf Jahren sind LEDs mit relativ hohen Lichtströmen bis 130lm/Chip auf dem Markt verfügbar. Die große Bandbreite verschiedener monochromatischer LEDs (Rot, Grün, Blau etc.) und LEDs mit weißem Licht mit hoher Lichtausbeute und in großen Stückzahlen ermöglicht es, fast jeden Beleuchtungswunsch zu realisieren. Besonders LEDs mit weißem Licht sind für Beleuchtungszwecke interessant. Neben dem elektrisch/optischen Wirkungsgrad, also der Ausbeute an Lumen pro eingesetztem elektrischen Watt, sind zwei weitere Angaben zur Beurteilung des weißen Lichtes wichtig. Zunächst die Lichtfarbe. Als Bezugspunkt dient hier das Lichtspektrum eines schwarzen Strahlers bestimmter Temperatur. Man unterscheidet drei größere Bereiche, in der die Lichtfarbe weißer LEDs eingeordnet wird:

  • Warmes Licht, das heißt eine Lichtfarbe bei der Rot- und Grüntöne dominieren; die Temperatur des schwarzen Strahlers liegt hier um 3.000K,
  • Neutrales Licht, das ein ausgewogenes Mischverhältnis zwischen dem roten und dem blauen Teil des Spektrums des abgestrahlten Lichts aufweist. Hier liegt die Temperatur des schwarzen Strahlers um 4.500K,
  • Kaltes oder Tageslicht-Weiß, das heißt hier dominiert der blaue Anteil des abgestrahlten Spektrums und die entsprechende Temperatur des schwarzen Strahlers liegt um 6.500K und höher.

Das zweite Qualitätskriterium ist der sogenannte „Color Rendering Index“ (CRI), der die Farbwiedergabe der angestrahlten Objekte angibt. Als Referenz dient hier das Sonnenlicht, das einen CRI von 100 aufweist, künstliche Lichtquellen können daher einen CRI von maximal 100 erreichen. Der CRI von LEDs reicht heute bis 93 und ist damit in der Farbwiedergabe vergleichbar mit den besten Leuchtstoffröhren und den relativ energiehungrigen Halogenlampen.

Aus wirtschaftlicher Sicht ist der elektrisch/optische Wirkungsgrad der LEDs neben den eigentlichen Anschaffungskosten und der Qualität des Lichtes das wichtigste Argument für oder gegen deren Einsatz. Halogenlampen erreichen Lichtströme von ca. 20lm/W, LEDs reichen heute von 50-80lm/W und Leuchtstoffröhren erreichen Lichtströme bis 100lm/W. LEDs im Labor erreichen Wirkungsgrade von über 100lm/W und gehören damit zum effizientesten Werkzeug zur Erzeugung von Licht.

Die Anschaffungskosten für eine adäquate LED-Beleuchtung liegen heute jedoch noch weit über dem von Beleuchtungssystemen auf der Basis von Leuchtstoffröhren. Allerdings gibt es je nach Anwendungsfall Punkte, die trotz der höheren Anschaffungskosten ein Beleuchtungssystem mit LEDs sinnvoller erscheinen lassen als ein vergleichbares System mit Leuchtstoffröhren. Vorteile sind unter anderem die folgenden Punkte:

  • Hohe Lebensdauer von bis zu 80.000h,
  • Stufenlose Dimmbarkeit, ohne Verringerung der Lebensdauer und Effizienz,
  • Robust gegen Schock und Vibration (Einsatz im Automobil und anderen Fahrzeugen),
  • Extrem geringer Volumenbedarf; dieser geringe Volumenbedarf ermöglicht erst die Konstruktion sehr kompakter Leuchtmittel,
  • Variation der Lichtfarbe nach Tageszeit und Zweck („Mood-Lightning“).

Die Mitarbeiter am Heilbronner Steinbeis-Transferzentrum Angewandte Elektronik befassen sich schon seit längerem mit der Entwicklung kundenspezifischer LED-Leuchtmittel und der dazugehörigen Leistungselektronik. Die Grafik zeigt ein vom Transferzentrum entwickeltes Leuchtmittel auf LED-Basis im Vergleich zu einer herkömmlichen Leuchtstoffröhre der Baugröße T5/35W. Die Ausleuchtung des LED-Leuchtmittels wird als 3D-Gitter angezeigt, die Ausleuchtung der Leuchtstoffröhre ist in Blautönen dargestellt. Die Grafik links zeigt, dass sich Leuchtmittel auf LED-Basis, was Wirkungsgrad und Lichtausbeute betrifft, nicht mehr hinter Leuchtstoffröhren verstecken müssen.

Sowohl Leuchtmittel als auch die dazugehörige Leistungselektronik bauen sehr kompakt auf, aufgrund der hohen Wirkungsgrade bleibt die Erwärmung bei Elektronik und Leuchtmittel sehr moderat. Kommen bei LED-Leuchtmitteln zusätzlich Linsenprofile zum Einsatz, kann eine optimale Ausleuchtung mit minimalem Energieeinsatz realisiert werden. Durch eine angepasste
Linsenform, den damit verbundenen geringen Lichtverlusten und der Möglichkeit, das LED-Leuchtmittel flexibel zu gestalten, ist es sogar möglich, jetzt schon an die Wirkungsgrade von mit Leuchtstoffröhren bestückte Systeme heranzukommen und diese teilweise zu übertreffen.

Die Entwicklung im Bereich hocheffizienter LEDs ist bei weitem nicht abgeschlossen und schreitet noch sehr stürmisch voran. Die nächsten Jahre versprechen eine Fülle sehr interessanter und innovativer Beleuchtungslösungen auf der Basis von LEDs, die mit den bisherigen Technologien nur schwierig, wenn überhaupt, realisierbar waren.

Kontakt

Prof. Dipl.-Ing. Manfred Dorsch
Dipl.-Ing. (FH) Thorsten Gatzka

Steinbeis-Transferzentrum Angewandte Elektronik (Heilbronn)
stz58@stw.de

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