Möglichkeiten und Grenzen beim Einsatz von LED in der Beleuchtungstechnik

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1 VDI Tagung Innovative Beleuchtung mit LED Gall, D. Möglichkeiten und Grenzen beim Einsatz von LED in der Beleuchtungstechnik Gall, Dietrich Lichttechnik Technische Universität Ilmenau

2 Pressestimmen zur LED : -Die ultrahellen Chips, die sich nun mit ihren Betriebsstunden anschicken, die... Glühlampe abzulösen. (Welt am Sonntag) -Vor der Lichtrevolution Verglichen mit der Effizienz von LED sind Glühlampen nichts weiter als Heizkörper, die noch wenig leuchten. (Siemens Heft Herbst 2003) _ In 10 bis 20 Jahren werden die LED s die Führung in der Haus- und Industriebeleuchtung übernehmen. (MORAN, R. 2003)

3 Pressestimmen zur LED : - Die LED s sind nach der Glühlampe und Leuchtstofflampe die dritte große Revolution in der Beleuchtung. (HAITZ, R.) - Mit LED s könnten bis zum Jahr 2020 in den USA Energieeinsparungen von 0,6 Tera-Watt-Jahren realisiert werden. Das entspricht 113 Mrd. oder 600 Mio. Tonnen Steinkohle.... -Die alten Beleuchtungstechnologien werden in der Zukunft aber zurückschlagen. Die alten Technologien werden uns noch lange begleiten. (BERGH, A. 2003; Präs. Der optoelektronischen Industrie der USA)

4 Anwendungsbereiche von LED Mobilanwendungen Anzeigetafeln Fahrzeuge Beleuchtung Ampeln + Signale Andere Anwendungen 40 % 23 % 18 % 5 % 2 % 12 %

5 Lichterzeugungsprinzipien Beispiele I Festkörper a b kalt warm LED, Leuchtstoffe Glühlampe, IR-Strahler II Plasma a kalt Niederdrucklampen (Leuchtstoff-, Excimerlampen u.a.) b warm Mittel-, Hoch- u. Höchstdrucklampen

6 Anforderungen an die Lampen Anforderungen/ Wünsche große Lichtstrompakete hohe Effizienz der Lichtwirkung angepasste Lichtfarbe + Farbwiedergabe geringe Strahlungs- und Lichtbelastung zeitlich stabile Lichtemission hohe Lebensdauer niedriger Lampenpreis ökologische Verträglichkeit

7 Effizienzanforderungen Zielpara- Funktion meter Beleuchtungszwecke Leuchtzwecke optische Zwecke Lichtstrom, groß untergeordnet untergeordnet Beleuchtungsstärke Leuchtdichte untergeordnet angepasst sehr groß Lichtausbeute groß groß untergeordnet

8 Anforderungen an Lichtfarbe und Farbwiedergabe Lampenzweck Leuchtzwecke Beleuchtungszwecke optische Zwecke Lichtfarbe weiß variabel weiß Farbwieder- gut nicht gut gabe relevant Spektrum aufgefüllt selektiv Projektor: aufgefüllt Beamer: selektiv

9 Anforderungen an die Lampen Anforderungen/ Wünsche große Lichtstrompakete hohe Effizienz der Lichtwirkung angepasste Lichtfarbe + Farbwiedergabe geringe Strahlungs- und Lichtbelastung zeitlich stabile Lichtemission hohe Lebensdauer niedriger Lampenpreis ökologische Verträglichkeit

10 Lampenlichtströme im Vergleich zu LEDs Lampenart P [W] N [lm] LED-Anzahl bzw. Leistung Allgebrauchsglühlampe Leuchtstofflampe Hg-Hochdruck-Lampe Na-Hochdruck- Lampe Na-Niederdruck-Lampe Parameter: N LED = 20 lm / 0 v = 20 lm/w

11 Erforderliche Lichtströme für Beleuchtungsanlagen Anwendungsfall 2 Mann-Büro Parameter E = 500 lx; η B = 0,3, A 2 = 20 m² Erforderlicher Lichtstrom (φ La ) lm Schreibtisch Strassenbeleuchtung Berechnungsformel: E = 750 lx; η B = 0,1, A 2 = 0,5 m² E = 10 lx; η B = 0,5, A 2 = 30 x 8,5m² = 255 m² E A = η 2 φla B lm lm lm = E Beleuchtungsstärke ( lx m ² ) A 2 beleuchtete Fläche η B - Beleuchtungswirkungsgrad

12 Anforderungen an die Lampen Anforderungen/ Wünsche große Lichtstrompakete hohe Effizienz der Lichtwirkung angepasste Lichtfarbe + Farbwiedergabe geringe Strahlungs- und Lichtbelastung zeitlich stabile Lichtemission hohe Lebensdauer niedriger Lampenpreis ökologische Verträglichkeit

13 Die Hellempfindlichkeitskurven (VOLKENAND 2002)

14 Lichtausbeute u. Lebensdauer einiger Lampenarten Lampenart Glühlampen Halogenglühlampen Stabförmige Leuchtstofflampen Kompaktleuchtstofflampen Halogen - Metalldampflampen Natrium - Hochdrucklampen Quecksilberdampfhochdruck- Lampen Natrium - Niederdrucklampen Lichtausbeute lm/w Mittlere Lebensdauer (Std) 1000 bis 4000 bis bis bis bis > bis >

15 Unspezifische Lichtwirkungen (retino-hypothalamische Bahn) -circadiane Rhythmik - Wachheitsgrad - SAD-Wirkung - Melatonin-Supression Schierz 2002

16 gemittelte circadiane Wirkungskurve c(8) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 c( λ ) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, λ [nm] Thapan u.a. (2001) Brainard u.a. (2001)

17 Photometrisches Grundgesetz

18 Leuchtdichten einiger Lampen (Lampen hoher Leuchtdichte) Lampe Sonne Glühlampe Xe-Höchstdruck Hg-Höchstdruck D 2 -Autolampe (Xe-Hg) Leuchtdichte Mcd/m² Halogenmetalldampflampe HMI; HTI (MSI; HSR) Kurzbogenlampe VIP/UHP Keramiklampe Luminszenzdiode (weiß) ,3-3

19 Anforderungen an die Lampen Anforderungen/ Wünsche große Lichtstrompakete hohe Effizienz der Lichtwirkung angepasste Lichtfarbe + Farbwiedergabe geringe Strahlungs- und Lichtbelastung zeitlich stabile Lichtemission hohe Lebensdauer niedriger Lampenpreis ökologische Verträglichkeit

20 Na-Niederdrucklampe Dreibanden- Leuchtstofflampe Tageslicht

21 Natrium-Niederdrucklampe Tageslicht Farbwiedergabe

22 Spektralverlauf (normiert) weiße LED 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Wellenlänge [nm]

23 Richtungsbedingte Lichtfarbenvariation von weißen LED CCT [K] Ausstrahlungswinkel [ ] CCT [K] Ausstrahlungswinkel [ ] CCT ähnlichste Farbtemperatur

24 Ergebnisse der Helligkeitsvergleiche bei benachbarten Quadraten Grenzwerte der maximal tolerierten Leuchtdichteunterschiede (in Prozent ausgedrückt %) Blaue Quadrate Gelbe Quadrate Grüne Quadrat. Rote Quadrate Weiße Quadrate 9,5 4,8 5,8 6,1 5,3 Aufgeteilt in Felder mit einer Leuchtdichte (cd/m²) von: ,5 < > <30 >120 < ,6 7,4 3,5 5,5 6,4 5 9,5 9,5 5,8 3,5 (VOLKENAND 2002)

25 Ergebnisse Einstellung auf gleiche Helligkeit gelingt mit einer mittleren Genauigkeit von 0,2%-10,5%. Bei Überprüfung auf Erkennbarkeitsschwelle keine Bestätigung der Ergebnisse. Leuchtdichteunterschiede von ca. 10% wurden nicht erkannt! Leuchtdichteunterschiede bis zu ca. 20%-30% wurden noch toleriert. (VOLKENAND 2002)

26 Farbwiedergabe-Index (Ra) von Lampen Lampe LED Glühlampe Quecksilberhochdrucklampe Halogen-Metalldampflampe Natriumdampflampe Leuchtstofflampe RGB (Low) RGB (High) weiß Niederdruck Hochdruck Kompakt weiß de Luxe Dreibanden (weiß) Universalweiß Farbwiedergabe- Index ( Ra )

27 Einschätzung der Farbwiedergabe-Eigenschaften (allgemein) Lampe Ra CCT FWG-Präferenz (allgemein) RGB-LED ,5 RGB-LED ,1 LED-"Amber Weiß" ,6 LED-"Weiß" ,05 Halogenglühlampe Glühlampe ,4-0,4 200 lx CCT ähnl.farbtemperatur in Kelvin Ra allg. Farbwiedergabeindex (NARENDRAN u.a. 2002)

28 Einschätzung der Farbwiedergabe-Eigenschaften der Haut Lampe Ra CCT FWG-Präferenz der Hautfarbe RGB-LED ,8 RGB-LED ,6 LED-"Amber Weiß" ,25 LED-"Weiß" ,4 Halogenglühlampe Glühlampe ,5-1,2 200 lx CCT in Kelvin (ähnl.farbtemperatur) Ra allg. Farbwiedergabeindex (NARENDRAN u.a. 2002)

29 Anforderungen an die Lampen Anforderungen/ Wünsche große Lichtstrompakete hohe Effizienz der Lichtwirkung angepasste Lichtfarbe + Farbwiedergabe geringe Strahlungs- und Lichtbelastung zeitlich stabile Lichtemission hohe Lebensdauer niedriger Lampenpreis ökologische Verträglichkeit

30 Wellenlängenabhängigkeit Thermische Netzhautgefährdung R(λ) B(λ) Wellenlängenabhängigkeit der thermischen Netzhautgefährdung R(8) und der Photochemischen Netzhautgefährdung durch blaues Licht B(8) [SUTTER]

31 Anforderungen an die Lampen Anforderungen/ Wünsche große Lichtstrompakete hohe Effizienz der Lichtwirkung angepasste Lichtfarbe + Farbwiedergabe geringe Strahlungs- und Lichtbelastung zeitlich stabile Lichtemission hohe Lebensdauer niedriger Lampenpreis ökologische Verträglichkeit

32 LED Kostenvergleich mit Hochspannungsröhren ( Neon ) Farbe Neon - Anlagen Rot 1 Grün 1 LED Anlagen 6,5 84 LED in 10 Jahren 0,65 8,4 (5 Jahre Nutzungszeit) (nach THIELEN)

33 LED für Beleuchtungszwecke Vor- und Nachteile -Vorteil: großes t N, flache Leuchten - Nachteil: - kleine Lichtstrom-Pakete -thermische Probleme - FWG und Spektrum - hohe Lampenströme - Streuung der lichtt. Parameter Anwendungsfelder -kleinflächige Beleuchtung (maschinelles Sehen) - dekorative Akzentbeleuchtung - farbige Beleuchtung - Kfz-Innenbeleuchtung - Sonderbeleuchtung (Vitrinen u. ä.) - Notbeleuchtung - flache und kleine Leuchten

34 LED für optische Zwecke Vor- und Nachteile -Vorteil: direkte Lichtfarbenerzeugung, gute Einkopplungsmöglichkeit in Lichtleiter, zeitliche Lichtvariabilität - Nachteil: geringe Leuchtdichte, geringer Nutzlichtstrom Anwendungsfelder - in Kombination mit Lichtleitertechnik - Kleinprojektoren

35 LED für Leuchtzwecke Vor- und Nachteile -Vorteil: großes t N, Lichtfarbe einstellbar, Leuchtdichte anpassbar, gute zeitliche Variabilität, kleine Leuchtkörper - Nachteil: thermische Probleme Anwendungsfelder Displayanlagen, Signale, optische Sicherheitsleitsysteme, Piktogramme, Konturenbeleuchtung, Notbeleuchtungsschilder, adaptive Leuchtfelder, Orientierungsbeleuchtung, Orientierungsscheinwerfer, kleine oder mittlerelichtwerbeanlagen

36 LED (weiß) Lichtstrom und Lichtausbeute (Prognose) Beleuchtung Lichtstrom/Lampe (lm) Faktor: 20 pro Dekade Beleuchtung Jahr Lichtausbeute (lm/w) Faktor: 2 pro Dekade (Quelle: HEINZ, R. aus Siemens Heft 2003)

37 LED (weiß) Lichtstrom und Lichtausbeute (Prognose) 0,1 /lm Faktor: 1/10 pro Dekade 0,01 (Quelle: HEINZ, R. aus Siemens Heft 2003) (58 W-LL) 0, Jahr (Quelle: HEINZ, R. aus Siemens Heft 2003)