LEDs und ein erster Einblick

Die Auswahl von LEDs mit den richtigen Daten und in dem richtigen Format für Ihre jeweilige Anwendung ist sehr wichtig.  Kosten sollten nicht der ausschlaggebende Punkt sein.

Von Lance Hemmings, Global Product Group Manager, RS Components

 

LEDs halten zunehmend Einzug in viele verschiedene Beleuchtungsanwendungen, sowohl für Innen- als auch für Außenbereiche.  Bei neuen Designs sowie bei Generalüberholungen in Bereichen wie Verkaufsräumen, Kühlauslagen und Restaurants sowie Museen, Galerien und sogar Flugzeugen werden LEDs umfassend berücksichtigt und weitläufig eingesetzt.

Der Markt für Nachrüstteile brauchte dabei jedoch etwas länger, um diese Vorteile zu erkennen.  Manche Bereiche, darunter die Straßenbeleuchtung in „Smart City“ Initiativen, haben verinnerlicht, dass die geringeren Betriebskosten und die höhere Betriebsdauer von LEDs ausreichend überzeugende Argumente liefern, um trotz der höheren Anschaffungskosten auf LEDs umzustellen.  In einfachen Haushaltsanwendungen sind die Kosteneinsparungen über die hohe Betriebsdauer jedoch noch nicht ganz angekommen – warum auch, können man meinen, sollte eine 2-Euro-Glühbirne durch eine 20-Euro-LED ersetzt werden?

Während der Kostenfaktor noch immer Raum für Diskussionen bietet, konnte die Qualität des von LEDs erzeugten Lichts deutlich zulegen und den Einsatz von LEDs in weiteren Bereichen vorantreiben.  Die Lichtqualität wird dabei anhand zahlreicher Faktoren bestimmt, darunter die Farbtemperatur, der Farbwiedergabeindex (Colour Rendering Index, CRI), die Helligkeit und die Farbkonsistenz.

Die Farbtemperatur beschreibt, was wir als warmes, neutrales und kühlweißes Licht empfinden. Dabei ist zuallererst herauszustellen, dass pures weißes Licht aus einer Mischung aus rotem, grünem und blauem Licht entsteht. Das menschliche Auge kann selbst ausgesprochen kleine Farbveränderungen wahrnehmen und ist hierbei deutlich sensibler als bei kleinen Änderungen der Helligkeit.  Durch die Zugabe von mehr blauem Licht in die Mischung wird das weiße Licht „kühler“ und mit einer höheren ähnlichen Farbtemperatur (Correlated Colour Temperature, CCT) im Bereich von 5000 bis 8500 K angegeben.  Weniger blaues bzw. mehr rotes Licht ergibt einen „wärmeren“ Weißton mit einem niedrigeren CCT-Wert (2600 bis 3700 K).  Neutral bzw. Neutralweiß liegt in der Regel im Bereich von 3700 bis 5000 K.

Der Farbwiedergabeindex (CRI) gibt an, wie gut eine Lichtquelle verschiedene Farben originalgetreu nachbilden kann.  Sie haben sicher schon einmal ein Kleidungsstück in einem Geschäft gekauft und später unter natürlichem Licht festgestellt, dass die Farbe deutlich anders wirkt als noch in dem Geschäft.  Grund hierfür ist der niedrige Farbwiedergabeindex traditioneller Leuchtstoff-Lichtquellen.   Ein hoher und gleichbleibender CRI ist besonders wichtig um sicher zu stellen, dass Hauttöne auch bei verringertem Lichtpegel natürlich wirken.

Zum Vergleich: Natürliches Licht hat einen CRI von 100, während diese alten gelben Natriumdampf-Straßenlaternen einen CRI von 0 aufweisen.  Bei Glühbirnen liegt der CRI meist über 95, sodass sie die meisten Farben – mit der Ausnahme von Dunkelblau – gut nachbilden können.  Halogenlampen erreichen etwa 90 oder mehr.  Kühlweiße Leuchtstofflampen kommen mit einem CRI von 62, Kompaktleuchtstofflampen erreichen etwa 80.

Bei LEDs variiert der CRI je nach Technologie und konnte in den letzten Jahren deutlich zunehmen.  Hersteller wie Osram und Philips erreichen beispielsweise einen CRI von 95 für warmweiße LEDs mit bis zu 4000 K.  Bei 5000 K bieten dieselben Hersteller sowie Firmen wie Cree, Rohm und Sharp LEDs mit einem CRI von 80 aufwärts – manche bis zu 90 oder 93.  Bei kühlweißen LEDs mit mehr als 6500 K ist der CRI jedoch etwas geringer, sodass Werte wie 80 bzw. 82 das Maximum darstellen.

Die Farbkonsistenz ist ein weiterer wichtiger Faktor von LED-Leuchten.  Viele Hersteller produzieren LEDs speziell mit einem festgelegten CCT, doch dabei kann nicht immer sichergestellt werden, dass Chips aus unterschiedlichen Chargen exakt dieselbe Farbe abgeben.  Natürliche Änderungen im Material und im Prozess können den Farbton und den Lichtstrom beeinträchtigen.  Für bestmögliche Konsistenz sortieren Hersteller ihre Produkte in „Behälter“ mit Komponenten mit sehr ähnlichem CCT.  Dabei sind Komponenten aus größeren „Behältern“, sprich: warm, neutral und kühlweiß, beispielsweise, in der Regel preiswerter.

Die Farbe kann jedoch auch bei höheren Temperaturen variieren.  Auch hierfür geben einige Hersteller das Performance-Level ihrer Produkte bei höheren Temperaturen an, meist bei 85 °C. Dabei kann ein Preisaufschlag für eine bestimmte Anwendung durchaus hinnehmbar sein.

Der Markt für LEDs mag auf den ersten Blick erschreckend wirken, mit Hunderten Anbietern weltweit und Zehntausenden Produktfamilien und Modulen.  Die wichtigsten Punkte, die für jedes neue Beleuchtungsprojekt berücksichtigt werden sollten, sind die Folgenden: CRI, CCT, Lichtstrom (Lichtleistung), Effizienz (lm/W), Durchlassspannung und Blickwinkel.  Manche dieser Punkte sind in ausgewählten Anwendungen unten hervorgehoben.

 

Die Kunst der Beleuchtung

In Anwendungsbereichen wie Museen und Kunstgalerien ist eine präzise Farbwiedergabe enorm wichtig.  So sollten Beleuchtungssysteme für Museen einen CRI von 90 oder mehr erzielen, einen CCT zwischen 2700 und 3000 K aufweisen und – wichtiger noch – dimmbar sein. Eine ideale Lichtquelle erzeugt stets dasselbe Spektrum bei jeder Helligkeit.

Auslagen von Lebensmitteln aller Art profitieren von LEDs mit ausgewählten CRIs und CCTs, damit die Lebensmittel und die Verpackung attraktiver erscheinen.  Kühlere Farben im Bereich von 5600 K kommen dabei in der Regel für Kühlgeräte zum Einsatz, während wärmere Weißtöne (3000 bis 4000 K) oftmals für Fleischauslagen verwendet werden.  Obst und Gemüse macht sich am besten unter Leuchten mit hohem CRI.

Abbildung 1: Mit LEDs können Lebensmittel attraktiver präsentiert werden, während zugleich die Betriebskosten des jeweiligen Unternehmens zurückgehen.  Quelle: Philips Lighting.

Glühbirnen kommen oftmals mit einem gewissen Gelbstich; wird dann die Leistung der Stromversorgung reduziert, verstärkt sich dieser gelbliche Effekt in der Regel.  Hinzu kommt, dass Glühbirnen gleichermaßen UV- und IR-Licht abgeben, das sensible Kunstwerke beschädigen und Lebensmittel schneller verderben lassen kann. Spezielle Filter können zwar eingebaut werden, fügen aber weitere Kosten hinzu.  Ganz im Gegensatz dazu liefern moderne LEDs ein gleichmäßigeres Spektrum, während dimmbare LEDs auch bei geringerer Helligkeit ihre ursprüngliche Farbe beibehalten.

Betrachten wir nun Anwendungen zu Hause und in der Gastronomie, darunter Hotels, Restaurants und Bars.  Wenn Halogen-Leuchten gedimmt werden, bleibt der CRI zwar gleich, doch die Farbtemperatur ändert sich und verschafft eine wärmere, entspanntere Atmosphäre.  Kunden erwarten genau dieses Verhalten, wenn Leuchten gedimmt werden.  Wenn eine LED gedimmt wird, ändert sich die Farbtemperatur jedoch nur in sehr geringem Ausmaß.  Aus diesem Grund sollten speziell für diese Anwendungen LEDs und Dimmschemata gewählt werden, die die Farbtemperatur entsprechend verändern, wenn das Licht gedimmt wird.

Abbildung 2: Bei Anwendungen in der Gastronomie können Architekten mit Hilfe von LEDs verschiedene Stimmungen in verschiedenen Bereichen erzeugen.  Quelle: Osram 

Hier stehen zahlreiche Lösungen zur Verfügung, einschließlich der Mischung von Farben mit Hilfe eines einstellbaren Chip-Arrays mit verschiedenen Farbtemperaturen und sorgfältig ausgewählten Sekundäroptiken.  Kompaktstrahler, so heißt es, erzielen die besten Ergebnisse.  Dabei ist selbstverständlich die Treiberelektronik ein ausschlaggebender Punkt zur Regelung der Dimmung und der Farbabstimmung.

 

Neue Höhenflüge

Ein besonderes Merkmal von LEDs besteht darin, dass sie dynamisch geregelt und eingestellt werden können, sodass der Lichtpegel und die Farbtemperatur ganz nach Bedarf angepasst werden können.  LEDs leisten zudem einen wesentlichen Beitrag, um den Energiebedarf in vielen Anwendungen zu senken – beispielsweise in Straßen- und Außenbeleuchtungssystemen sowie bei Notfall- und Sicherheitsbeleuchtungsanlagen.

Auch die Luftfahrtindustrie hat inzwischen auf LEDs umgestellt, da sich diese als besonders attraktiv für die Passagierkabine erwiesen haben.  Die Regelbarkeit des Lichtpegels und des CCT verschafft ein angenehmeres Gefühl und sorgt für mehr Komfort der Passagiere.  Stellen Sie sich vor, ein Langstreckenflug startet nachmittags, sodass die Beleuchtung im Innenraum zu Beginn dem natürlichen Tageslicht ähnelt.  Bis zum Abendessen wird das Licht auf einen wärmeren, weniger hellen Ton gedimmt.  Nähert sich der Flug letztlich seinem Zielort, sodass das Bordpersonal ihre Passagiere für die Landung vorbereiten muss, kann die Beleuchtung allmählich heller gestellt werden, um so den Sonnenaufgang zu simulieren.  Das ist doch wesentlich angenehmer als schlagartig von einem hellen Licht geweckt zu werden!

Studien belegen, dass dieser Ansatz dazu beiträgt, die Müdigkeit der Passagiere und die Auswirkungen des Jetlags zu senken.  Diese Systeme kommen darüber hinaus auch in Krankenhäusern zum Einsatz, um beispielsweise die Erholung nach Operationen zu fördern. Ebenso werden LED-Lichtkästen zur Simulierung von Tageslicht immer beliebter, um saisonbedingte Depressionen (Seasonal Affective Disorder, SAD) zu bekämpfen.

 

Abbildung 3: LEDs können speziell programmiert werden, dass sie die natürlichen Lichtpegel eines Tages simulieren.  Zu den Einsatzbereichen zählen Flugzeugkabinen, Krankenhäuser und Pflegeeinrichtungen sowie allgemeine Wellness-Anwendungen.  Quelle: Philips Lighting.

 

Enger Lichtstrahl, hohe Reichweite

Betrachten wir nun einige typische LED-Produkte und die Anwendungen, in denen sie eingesetzt werden.  Während Komponenten mit engerem Lichtstrahl für bestimmte Anwendungen besonders gut geeignet sind – insbesondere, wenn sie in Arrays eingesetzt werden –, erfordern manch andere Beleuchtungsszenarien, darunter Flutlichtsysteme, einen breiten Blickwinkel für ein gleichmäßigeres Strahlmuster.

Osram Opto Semiconductor hat beispielsweise eine Reihe an LEDs mit einem Blickwinkel von 150° zur Anwendung in Flutlichtanlagen oder im Verbund mit sekundären Reflektoroptiken entwickelt. Die Reihe Oslon SSL 150 bietet Hochleistungskomponenten mit 1 W, einem CCT zwischen 2700 K und 5000 K und einem CRI zwischen 90 und 96, wobei manche Varianten auch mit einem CRI von 70 bzw. 83 erhältlich sind.   Diese Geräte sind mit 125 lm/W besonders effizient und sind sowohl einzeln erhältlich als auch als Teil eines Arrays bzw. Clusters.

Für Anwendungen, die einen besonders hohen CRI erfordern, steht eine Vielzahl an LEDs in Osram Opto’s Oslon Reihe mit einem CRI von 95 und CCTs zwischen 2700 K und 4000 K zur Verfügung.  Für ein CCT von 5000 K bieten Cree und Rohm Komponenten mit einem CRI von 90 und 93.  Die Xlamp Reihe von Cree enthält spezialisierte Komponenten mit 5000 K, einer Durchgangsspannung von bis zu 36 V und einer Effizienz von maximal 117 lm/W.  Im Gegensatz dazu liefert Rohm preiswerte LEDs für allgemeinere Anwendungsbereiche mit einer Effizienz von 61 bzw. 75 lm/W und einer Durchgangsspannung von 3,3 V.

LEDs der mittleren Leistungsklasse (0,1 bis 0,5 W) sind als Ableger preiswerter Geräte inzwischen auch in Formaten mit „Lichtqualität“ erhältlich und werden weitläufig zur Erstellung linearer Beleuchtungsmodule eingesetzt.  Werden LEDs der mittleren Leistungsklasse nahe aneinander angebracht, können sie ein gleichmäßigeres Licht als weniger, dafür leistungsstärkere LEDs mit größerem Abstand zueinander erzielen.

Die Osram Duris Reihe ist hierfür ein klassisches Beispiel; nicht zuletzt, weil die Duris E3 Geräte der ersten Stunde als kostenwirksamer Ersatz von T5- und T8-Leuchtstofflampen in Stabform gedacht waren.  Mit einem Strahlwinkel von 120o und CCTs zwischen 3000 und 6500 K erzeugen diese Komponenten ein sehr gleichmäßiges Licht.  So erzielt die 5000-K-Version beispielsweise einen CRI von 72 und eine Effizienz von 110 lm/W.  Die Duris-P5-Reihe liefert Varianten mit höherer Effizienz für professionelle Innen- und Außenanwendungen.  Die Duris-S5-Reihe bietet hingegen kompaktere Produkte.

Einen tieferen Einblick in die LED-Welt für Produkte mit den jeweiligen Merkmalen Ihres nächsten Projekts erhalten Sie auf der Website von RS Components.  Es können Filter eingesetzt werden, um Ihre Auswahl einzuschränken; diese Filter selektieren nach Farbe, CCT, Lichtstrom, Durchgangsspannung und natürlich Hersteller.