LED - Qualitätskriterien

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1 LED Qualitätskriterien Gliederung Grundlagen Technologie der (weißen) LED (LED-) Licht und Gesundheit Lichtstrom, Leistung, Lichtausbeute (Effizienz) Qualitätskriterien Temperaturmanagement Farbtemperatur Farbwiedergabe Binning Flimmern Austauschbarkeit, Nachbeschaffung Zusammenfassung

2 Technologie der LED Wie alles begann Licht Emittierende Dioden basieren auf unterschiedlichen Kristallen als Halbleiter, die unter Anlegen einer Spannung Licht im sichtbaren Teil des Spektrums emittieren. rote LED 1962 (0,1 lm/w)... und wie ging es weiter? verschiedene Farben SMD Technologie Abbildung aus LED Wikipedia Technologie der weißen LED 1-Phosphor Umformung Blaues LED-Licht + Spektralverschiebung durch Phosphorbeschichtung weißes Licht Abbildung aus LED Wikipedia

3 Licht und Gesundheit Positive Wirkung des Tageslichts auf Gesundheit und Wohlbefinden Der Sehapparat (visuelle Lichtwirkung) Linse bündelt Lichtstrahlen auf der Netzhaut ca Millionen Sehzellen ca. 120 Mio. Stäbchen Helligkeit ca. 7 Mio. Zapfen Farbsehen Weiterverarbeitung im Gehirn David A. Huble, Auge und Gehirn

4 Licht und Gesundheit (nicht-visuelle Lichtwirkung) 2001 wird ein bisher nur vermuteter weiterer photosensitiver Sensor im Auge nachgewiesen. Retinale Ganglienzellen wirken direkt auf den Hormonhaushalt des Menschen. Melatonin (Schlafhormon) hat dabei eine Marker- oder Indikatorfunktion. Licht ist der entscheidende Taktgeber für die circadiane Rhythmik des Menschen. Das Thema Licht und Gesundheit wird zukünftig an Bedeutung gewinnen und stärkt den Einsatz von Tageslicht. licht.de Wirkung des Lichts auf den Menschen (LED-) Licht und Gesundheit Spektrale Hellempfindlichkeit v(λ) (visuell) (weiße Kurve) Tagsehen (photopisches Sehen) max. bei 555 nm (grün/gelb) Melanopische Wirkfunktion s mel (λ) (nicht-visuell) (blaue Kurve) Blaues Licht wirkt über weiteren Rezeptor am visuellen System vorbei direkt auf den Hormonhaushalt und beeinflusst unseren Wach-/Schlafrhythmus max. bei ca. 480 nm FVLR, Grundlagen des Tageslichtes; Licht.de Heft 19 Spektrum weiße LED Blaues LED-Licht + Spektralverschiebung durch Phosphorbeschichtung Abbildung aus LED Wikipedia

5 Lichtstrom in Lumen [lm], Leistung in Watt [W], Lichtausbeute (Effizienz) in Lumen/Watt [lm/w] Lichtstrom: Die Menge Licht, die von einer Lichtquelle ausgesendet wird. Richtungsunabhängig Basis zur energetischen Bewertung einer Lichtquelle. Lichtausbeute: Lichtstrom pro Leistung, also Lumen pro Watt Typische Lichtausbeuten: Glühbirne 8-12 lm/w Halogenglühbirne lm/w Energiesparlampe lm/w Leuchtstoffröhre ca. 90 lm/w LED weiß > 100 lm/w Natriumdampflampe ca. 180 lm/w Tageslicht ca. 100 lm/w x 100 W ca lm x 10 W > lm (Abminderung durch Leuchte Leuchtenbetriebswirkungsgrad) (LED-Chip? / Modul? / Leuchte?) Temperaturmanagement Aufbau von LED-Chips Sehr wenig Wärme in Ausstrahlrichtung Essentielle Bedeutung der Temperatur direkt am Halbleiter! Abbildung aus Luxeonstar

6 Temperaturmanagement Temperatur, Stromstärke Lichtausbeute, Lebensdauer Abnahme der Lichtausbeute bei steigender Temperatur Abnahme der Lebensdauer bei steigender Temperatur und steigendem Strom Abbildung aus Vortrag Nimbus Abbildung aus Luxeonstar Temperaturmanagement Betriebsdauer Lichtstrom L70/B50 Wert Zeitraum, innerhalb dessen mindestens 50% der Lampen noch mindestens 70% des Nennlichtstroms erreichen Abbildung aus DOE CALiPER 2009

7 Temperaturmanagement Kühlung Aktive / passive Kühlung Lichtfarbe / Farbtemperatur ähnlichste Farbtemperatur einer Lichtquelle Einheit ist Kelvin [K] 0K C Referenz ist die Strahlung, die ein idealer schwarzer Körper bei der entsprechenden Temperatur abgibt In der Lichttechnik werden die drei folgenden Farbtemperaturklassen unterschieden: warmweiß [ww] < K neutralweiß [nw] K tageslichtweiß [tw] > K

8 Lichtfarbe / Farbtemperatur tunable white -LED LED-Leuchten: unterschiedliche Farbtemperaturen möglich, steuerbar Zumtobel Farbwiedergabe spektrale Zusammensetzung Beschreibt die Eigenschaft einer Lichtquelle, die Farben eines Objektes naturgetreu wiederzugeben. Die spektrale Zusammensetzung der Lichtquelle ist von entscheidender Bedeutung. Dazu werden im wesentliche zwei Spektren unterschieden: Linienspektrum oder kontinuierliches Spektrum typisches Merkmal des Sonnen- / Tageslichtes und aller Temperaturstrahler wie konventionellen Glühbirnen und Halogenglühlampen Balkenspektrum oder diskontinuierliches Spektrum Merkmal unter anderem aller Entladungslampen Tageslicht Entladungslampe warmweiß Glühlampe LED warmweiß M. Schmidt

9 Farbwiedergabeindex Eine Bewertung findet durch den Vergleich mit einer Bezugslichtquelle statt - und wird als Farbwiedergabeindex R a beschrieben (100 am besten) Gängige Sehaufgaben brauchen mindestens einen Farbwiedergabeindex R a > 80 M. Wambsganß Messdaten Beispiele Glühlampe ähnlichste Farbtemperatur Spektrum Farbwiedergabeindex R a M. Schmidt

10 Messdaten Beispiele Kompaktleuchtstofflampe warmweiß (Beispiel) ähnlichste Farbtemperatur Spektrum Farbwiedergabeindex R a M. Schmidt Messdaten Beispiele LED-Lampe 1 warmweiß (Beispiel) ähnlichste Farbtemperatur Spektrum Farbwiedergabeindex R a M. Schmidt

11 Messdaten Beispiele LED-Lampe 2 warmweiß (Beispiel) ähnlichste Farbtemperatur Spektrum Farbwiedergabeindex R a M. Schmidt Ausblick: Ein neuer Farbwiedergabeindex? IES TM Referenzfarben Fidelity-Index R f Referenz-Spektrums-Ähnlichkeit Wertebereich (100 am besten) Gamut-Index R g Farbumfang Zielwert 100 typische Werte ca Digramm Vektorgrafische Darstellung der Farbverschiebung DIAL

12 Binning Farbraum Einteilung der LEDs in Bereiche, in denen das Licht spektral streut. Eine Einstufung in besonders fein detaillierte Klassen wird binning genannt. Starker Einfluss von Nennstrom und Temperatur! lighting.philips.com Binning Mac Adams Ellipsen kleinster nicht mehr wahrnehmbarer Farbunterschied

13 Dimmverfahren Konstantstromregelung (CCR) / Pulsweitenmodulation (PWM) Pulsweitenmodulation (PWM) typische Frequenz Hz (Flimmerverschmelzungsfrequenz > 80 Hz) Änderung der ähnlichsten Farbtemperatur bei CCR (rot) und PWM (blau) LiTG-Publikation 35 Flimmern und Stroboskopische Effekte Flimmern Je nach Betriebsgerät unterschiedliche Modulationen DIAL

14 Flimmern Visuell wahrnehmbares Flimmern Unbewusst wahrgenommenes Flimmern mögliche Gefahren durch Stroboskopeffekte LiTG-Publikation 35 Flimmern und Stroboskopische Effekte Austauschbarkeit, Nachbeschaffung

15 Zusammenfassung LED Vorteile kleine Bauform punktförmig hohe Lichtstärken Brillanz hohe effektive Lichtausbeuten bei gutem weißen Licht unterschiedliche Farbtemperaturen möglich (mittlerweile) gute Farbwiedergabe keine Startverzögerung gute Dimmbarkeit sehr wenig Wärme in Ausstrahlrichtung lange Lebensdauer > h (bei entsprechend hochwertigen Produkten) Fazit vielfältige Einsatzmöglichkeiten aber auch: Thermomanagement von essentieller Bedeutung punktförmig hohe Leuchtdichten! Blendung starke Abhängigkeit von der Qualitätssicherung der Hersteller (binning) schwierige Beurteilung selbst für Spezialisten häufig noch fehlende Möglichkeit zum Lampentausch schwieriger Umgang mit steigenden Lichtausbeuten im selben Produkt schwieriger Umgang mit Degradation (Alterung) bei Nachbeschaffung wenig Langzeiterfahrung Qualität hat ihren Preis Der Einsatz von LEDs sollte fachkundig geplant werden!