Fakten: LED. Kompendium

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1 g r o u p Kompendium

2 LED Basics 1. Begrifflichkeiten Der Begriff Beleuchtung (engl. Lighting) bezeichnet die Lichterzeugung mit Hilfe einer künstlichen Lichtquelle. Dieses Kunstlicht macht den Menschen unabhängig von natürlichen Lichtquellen. Klassische Einsatzbereiche sind die Stadt- und Straßenbeleuchtung, die Beleuchtung im gewerblichen / industriellen und im Home-Bereich. Technisch wird ein Leuchtmittel (Lampe) in einer Leuchte untergebracht. Noch dominieren Glühbirnen und Quecksilberröhren den häuslichen und gewerblichen Bereich, sowie Quecksilberdampflampen und Natriumdampflampen die Außenbeleuchtung. LED-Leuchtmittel ersetzen immer mehr herkömmliche Glühbirnen. Zunehmend werden jedoch alte Lampentypen durch sogenannte LED-Leuchtmittel (kurz LED von englisch lightemitting diode = Leuchtdiode) ersetzt. Eine LED ist also ein Licht emittierendes Halbleiter-Bauelement, dessen elektrische Eigenschaften einer Diode entsprechen. Sie enthalten die zur Strombegrenzung erforderlichen Bauteile im Sockel, um sie direkt an gängigen Spannungen betreiben zu können (12 V und 24 V Gleich- und Wechselspannung, 230 V Wechselspannung). 2

3 2. LED Vorteile LED bieten zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Lichttechnologien. Niedriger Stromverbrauch Hohe Effizienz/ Lichtausbeute (LED haben ein Spektrum von 20 bis 130 Lumen je Watt - im Labor liegen die Werte schon deutlich darüber) Lange Lebensdauer auch unter schwierigen Umgebungs bedingungen geringer Lichtstromrückgang des Halbleiters über die Betriebsdauer Light-emitting diode: Umweltschonend und kostensparend. Stufenlose Dimmbarkeit in Kombination mit einem EVG Nahezu grenzenlose Designmöglichkeiten durch Farben vielfalt, kompakte Abmessungen und Flexibilität der LED-Module Kleinste Abmessungen Hohe Schaltfestigkeit Sofortiges Licht beim Einschalten Großer Betriebstemperaturbereich Hohe Stoß- und Vibrationsfestigkeit Keine UV- oder IR-Strahlung Hohe Farbsättigung ohne Filterung Quecksilberfrei Längere Wartungsintervalle Keine Gefahr für Nachtfalter und Käfer 3

4 LED - Technische Details 1. Grundprinzip einer LED Eine Leuchtdiode besteht aus mehreren Schichten (Layer) halbleitenden Materials. Beim Betrieb der Diode mit Gleichspannung wird aufgrund dieser Halbleiterverbindungen in der aktiven Schicht Licht erzeugt. Die elektrische Energie wird also direkt in Licht umgewandelt und erzeugt so Licht, Infrarotstrahlung oder auch Ultraviolettstrahlung, je nach Verwendung des Halbleitermaterials. Mittlerweile lassen sich so Farben in fast allen möglichen Farbnuancen erstellen. Es gibt verschiedene Kombinationen, die jeweils unterschiedliche Mengen an Energie freisetzen. Bei Rekombination von Ladungsträgern werden Photonen entsprechend bestimmter diskreter Energieniveaus abgegeben. Dadurch wird die jeweilige Lichtfarbe bestimmt. Blaues Licht entsteht zum Beispiel, wenn eine hohe Energie freigesetzt wird. Rotes Licht, wenn eine niedrigere Energie abgegeben wird. So wird monochromatisches (einfarbiges) Licht erzeugt. Farbspektrum: Fast alle Farben können dargestellt werden. Sogar Infrarotoder Ultraviolettestrahlung. Das Besondere an LED ist, dass sich jede-led-lichtfarbe auf einen sehr schmalen Wellenlängenbereich beschränkt (Stichwort: dominante Wellenlänge), welcher dementsprechend nur eine ganz bestimmte Lichtfarbe repräsentiert. Das einzige Spektrum, das nicht direkt aus dem Chip erzeugt werden kann, ist das weiße Lichtspektrum, da weißes Licht eine Mischung aus sämtlichen Lichtfarben darstellt. Es gibt zwei Methoden, um weißes LED-Licht zu erzeugen: Das gängigere Verfahren ist das Prinzip der Fotolumineszenz und dazu die additive Farbmischung. Bei der Fotolumineszenz wird oberhalb einer blauen LED eine dünne Phosphorschicht aufgetragen. Das kurzwellige und 4

5 energiereiche blaue Licht der LED regt die Phosphorschicht zum Leuchten an, die energieärmeres gelbes Licht abgibt. So wird ein Teil des blauen Lichts in weißes Licht umgewandelt. Der Farbton des weißen Lichts kann je nach Dosierung des Phosphor-Farbstoffes variieren. So erstreckt sich der weiße Bereich von sehr warmweißen Kelvin über neutralweiße Kelvin bis hin zu tageslichtähnlichen kaltweißen Kelvin. Die Farbwiedergabe (CRI) innerhalb der unterschiedlichen Weißtöne erreicht hierbei Werte von 70 bis weit über 90. Lichtausbeuten von bis zu 130 Lumen pro Watt sind bei den derzeitig verfügbaren Komponenten möglich. Fast unendliche Möglichkeiten: Verschiedene Bauformen erhöhen den Einsatzbereich enorm. (Abb.: SMD- LEDs). Die zweite Methode zur Gewinnung von weißem LED-Licht basiert auf dem Prinzip der additiven Farbmischung. Hier entsteht das weiße Licht durch die Mischung von rotem, grünem und blauem Licht (RGB) mit unterschiedlichen Wellenlängen. Der Vorteil bei dieser Methode: Durch gezielte Ansteuerung kann die Lichtfarbe verändert werden. Neben weißem Licht kann auf Wunsch auch farbiges Licht erzeugt werden. Dies kommt vor allem dort zum Einsatz, wo es nicht in erster Linie um allgemeine weiße Beleuchtung geht, sondern vielmehr um dekorative Effekte mit unterschiedlichen satten Farben, zum Beispiel im Bereich von LED-Fernsehern, bei denen LED zur Bilddarstellung und zur Hintergrundbeleuchtung eingesetzt werden. Die LED-Beleuchtung kann auf diese Weise faszinierende Erlebniswelten schaffen. 2. LED erfüllt die gesetzlichen Forderungen Die ErP-Regelungen der EU (ErP = Energy related Produtcs, energieverbrauchsrelevante Produkte) sieht eine schrittweise Ausphasung von ineffizienten Leuchtmitteln vor. So sollen nach den ineffizienten Glühlampen stufenweise auch Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampen sowie ineffiziente Natriumdampf-Hochdrucklampen ausgephast werden. Energieeffizienzklasse: LEDs erfüllen die Anforderungen der Energieeffizienzklassen. 5

6 3. LED - Zuverlässigkeit und Lebensdauer 3.1. Temperatur Bei der Lichtentstehung entsteht Wärme, die einen Einfluss sowohl auf die Lebensdauer als auch auf den Lichtstrom der LED hat. Dies gilt sowohl für die einzelne LED also auch für ein ganzes LED-Modul. Deshalb ist es erforderlich, die Wärme durch die jeweils optimale Einbaumethode oder durch entsprechende Kühlkörper abzuleiten. Grundsätzlich gilt: Je kühler, desto länger die Lebensdauer, und desto effizienter und heller die LED. Andererseits reduziert eine einmalige Überhitzung die Lebensdauer um etwa 50%, und die LED hat kaum mehr die halbe Wirksamkeit Sicher und langlebig: LEDs sind um ein vielfaches robuster und sicherer als herkömmliche Leuchtmittel Mechanische Einwirkung Die Ursachen für das Auftreten von mechanischen Kräften können vielfältig sein. Dies kann bei der LED-Verarbeitung, der Montage oder Handhabung sowie bei der Verwendung bestimmter Materialien, die bei großen Temperaturschwankungen mechanische Kräfte entwickeln, auftreten. Ist eine LED solchen Kräfte ausgesetzt, kann sich dies auf ihre Lebensdauer auswirken oder sie sogar zerstören Stromverbrauch Jede LED, aber auch jedes LED-Modul kann innerhalb eines bestimmten Strombereichs betrieben werden. Je niedriger die Stromzufuhr innerhalb dieses Bereichs, desto weniger Energie wird freigesetzt, desto niedriger ist die Wärmeentwicklung, die einen unmittelbaren Einfluss auf die Lebensdauer hat Licht Abhängig von der Gehäusebauform der jeweiligen LED spielt auch das von dem Chip emittierte Licht eine große Rolle im Alterungsprozess des entsprechenden Bauteils. Bei manchen Gehäusebauformen altert der integrierte Reflektor in den ersten mehreren Hundert Betriebsstunden stark durch die hohe Intensität und Leuchtdichte des durch den Chip emittierten Lichtes. 6

7 3.5. Feuchtigkeit Die LED selbst ist robust, unempfindlich, vibrationsfest und bruchsicher. Bei richtiger Anwendung ist auch Feuchtigkeit kein Problem: Denn nicht die LED selbst, sondern verschiedene Metall teile, Anschlüsse sowie elektronische Bauteile innerhalb eines LED-Moduls sind empfindlich, können korrodieren und können so zu einem Ausfall des Moduls führen. Eine geeignete Auswahl der Materialen der LED verhindert ein Korrodieren. Zusätzlich ist ein Schutz vor Feuchtigkeit unbedingt notwendig, um eine möglichst hohe Lebensdauer der LED-Module zu erreichen Chemikalien In Abhängigkeit vom Applikationsort kann die Belastung der LED durch chemische Einflüsse sehr unterschiedlich sein, daher sollten bei der Planung eines LED-Lichtsystems alle Um-gebungsbedingungen in Betracht gezogen werden. Folgende Einwirkungen können sich unter anderem negativ auf die Lebensdauer auswirken: Korrosive Atmosphäre (hoher Schwefeldioxidgehalt der Luft) Küstenklima mit mittlerem Salzgehalt Chemische Industrie Schwimmbäder mit mittlerem Chloridgehalt 7

8 LED - Einsatzbereiche 1.Straßenbeleuchtung Fachleute sind sich einig: die LED-Technik wird auch in der professionellen Straßenbeleuchtung Einzug halten. Technisch sind Beleuchtungsanlagen für Anlieger- und Sammelstraßen mit LED-Technik bereits heute uneingeschränkt möglich. Gemeinden bestehen zu 70-80% aus Anliegerstraßen, die zumeist mit der in der Diskussion stehenden Quecksilberdampf-Hochdrucktechnik (HME) ausgestattet sind. Gerade hier besteht in naher Zukunft ein hoher Auswechselbedarf an Leuchten (siehe EU-Verordnung und HME-Verbot ab 2015). Neben der Straßenbeleuchtung trifft dies auch auf eine effiziente Fassaden- und Parkplatzbeleuchtung zu. Taghell: LED-Leuchtmittel machen den Straßenverkehr sicherer und reduzieren zugleich Kosten. LED der zweiten Generation schaffen es mittlerweile, weit unter die magische 50W-Anschlussleistung pro Leuchte zu kommen und trotzdem die Straße ausreichend auszuleuchten. Dazu kann mittels intelligenter Steuerung das Beleuchtungssystem an die Tageszeit und das zu erwartende Verkehrsaufkommen angepasst werden. Somit trifft die starke Nachfrage nach LED auf das hohe Einsparpotential und eine einzigartige Flexibilität. An Grenzen stößt die LED-Technik, wenn hohe Beleuchtungsstärken und Leuchtdichten benötigt werden. Hier hat die Hochdrucklampentechnik noch entscheidende Vorteile. Doch auch das wird sich in den nächsten Jahren nach und nach ändern. Ob sich eine LED-Beleuchtungsanlage auch wirtschaftlich rechnet, muss eine Gesamtkostenbetrachtung über z.b. 30 Jahre zeigen. In jedem Fall ist es empfehlenswert, auf namhafte Hersteller zurück zu greifen, die realistische Angaben zu ihren Produkten machen (Wärmemanagement, Lebensdauer, Leuchtdichte, Lichtstromverlust, Farbwiedergabeindex) und die dann auch den teilweise widrigen Bedingungen im Außenbereich standhalten. 8

9 2. Gebäude-Innenbeleuchtung Die moderne LED-Technologie ist erwachsen geworden und bietet nunmehr eine unglaubliche Vielfalt an modernen Einsatzmöglichkeiten im Gewerbe- und Wohnbereich. Dabei spielen sie ihre größten Vorteile dort aus, wo eine dauerhafte Beleuchtung gefordert ist, denn dort können bis zu 90% der Energiekosten eingespart werden und führen zu einer schnellen Amortisierung der einmaligen Anschaffungskosten. Zudem minimiert die extrem lange Lebensdauer von LED Leuchtmitteln zusätzliche Wartungs- und Servicekosten. Aufgrund der Verfügbarkeit von LEDs in nahezu allen gängigen Standardformen lassen sich mittlerweile auch ältere Beleuchtungsanlagen (Lampen, Strahler, Leuchtstoffröhren) schnell und einfach umrüsten. Gebäudeausleuchtung: Gleiche Lichtleistung bei weniger Verbrauch. Größere Beleuchtungsvielfalt und bessere Lichtqualität. Individuelle Lichtkonzepte werden überall dort benötigt, wo wechselnde Bedingungen gegeben sind (z.b. ein fahrender Kran in einer Produktionshalle), in Verkaufsräumen mit wechselnden Sortimenten, in Eventlocations usw. Trotz aller Vorgaben aus der ENEF verfügen viele ältere Büros noch heute über ständig flimmernde Neonröhren oder trübe Glühbirnen. Dagegen bietet die LED ein klares Licht, das augenfreundlich ist und keine Farben verfälscht. Dank der mittlerweile leistungsfähigen LEDs wird eine Helligkeit erzielt, die keinen Vergleich mit Halogenleuchten, Leuchtstoffleuchten oder Glühlampen scheuen muss. Zudem hat man bei LEDs die Wahl, ob ein völlig neutrales Licht bevorzugt wird oder ob man doch eher den klassischen leichten Gelbstich mag, wie ihn gewöhnliche Glühleuchtmittel besitzen. Lichtkonzepte ermöglichen es, den im Tagesverlauf im Tageslicht nachlassenden bläulichen Lichtanteil (475 nm) zu ersetzen und so den Ausstoß des Schlafhormons Melatonin zu reduzieren. Eine höhere Leistungsfähigkeit und weniger Krankheitstage sind die Folge. Und das bei einem so geringen Energiebedarf, dass sich ein baldiger Wechsel zu LEDs schon vom ersten Augenblick an rechnet. 9