Testreport Charakterisierung des Lichtoutputs und der elektrischen Leistungsaufnahme

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1 Testreport Charakterisierung des Lichtoutputs und der elektrischen Leistungsaufnahme High Bay II 60W LED Leuchtmittel der Fa. Illumisound GmbH Seite 1

2 Dieser Ergebnisreport beschreibt die Tests, die Testergebnisse und die Bewertung der Test hinsichtlich der Leuchtstärke, der Lichtverteilung, Flimmerverhalten, Resilienz gegen Spannungsschwankungen und Abfall der Lichtintensität mit der Entfernung. 1) Hintergrundinformationen: Im Rahmen der Forschungsarbeiten zum Application Engineering für LEDs hat die Jacobs University seit über 2 Jahren LED-basierte Leuchtmittel nach verschiedenen Kriterien getestet. Es wurden bis jetzt weit über 400 Produkte von ca. 100 Herstellern (verschiedene Bauformen) getestet und daraus eine Datenbank aufgebaut, mit der neu getestete Produkte verglichen werden und bewertet werden können. Die Ergebnisse eines solchen Benchmarks sind nicht nur relevant für die Hersteller, sondern werden auch von Anwendern nachgefragt bzw. für Beratung von Anwendern herangezogen. Für diese Beratungstätigkeit wurde eine Rankingmethode entwickelt, bei der die unterschiedlichen Anforderungen von den jeweiligen Anwendern bei der Identifizierung der optimalen LED Leuchtmittel berücksichtigt werden können. Wie nicht anders zu erwarten war, wird eine kontinuierliche Verbesserung der Energieeffizienz und anderer Qualitätsindikatoren der getesteten Produkte beobachtet, da die technischen Fortschritte in Design, Materialien und Fertigungsmethoden noch immer bemerkenswert schnell sind. In dem vorliegenden Dokument wurde eine 45W Leuchte von Typ High Bay II der Firma Illumisound getestet. 2) Durchführung der Tests: Ein Bild des Prüflings (dem Illumisound Website entnommen) ist in Abb. 1 dargestellt. Das Leuchtmittel setzt trotz des großen Arbeitsabstand in Hallen nicht auf High Power LEDs, sondern auf viele kleine LEDs von hoher Güte, bei den der nötige Lichtstrom schon bei angelegten 24V erreicht wird. Abb. 1: Repräsentatives Bild des Prüflings (Quelle: Schematischer Testaufbau gemäß Abbildung 2: Das Leuchtmittel wurde auf den Zentralsensor ausgerichtet, die Lichtquelle ist nur schematisch dargestellt Einzelheiten des Aufbaus: o 15 Licht-Sensoren BWP21 o Data acquisition USB NI6008 Seite 2

3 o o Hameg Power Meter Labview Software Zusätzlich zur Messung der Winkelabhängigkeit wird das Flimmerverhalten, das Verhalten bei Über- oder Unterspannung (mit Hilfe eines AC/AC Transformators) und der Leistungsfaktor (bzw. der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung) bestimmt Der Abfall der Lichtintensität als Funktion des Abstandes von der Lichtquelle wurde in einem zweiten Aufbau, bei dem die Lichtquelle horizontal verschiebbar ist, charakterisiert Abb. 2: Schematischer Versuchsaufbau zur Messung der Winkelabhängkeit des Lichtoutputs 3) Ergebnisse der Tests: a) Winkelabhängigkeit des Lichtoutputs: Die winkelabhängige Leuchtstärke ist in Abbildung 3 im Vergleich zu einer OSRAM T8 Röhre in einer Standard Halterung mit einem konventionellem Vorschaltgerät dargestellt (Messwerte in Lux). Diese Leuchte wurde in diesem Test und in den weiteren als Referenz gewählt, weil die Geometrie sehr ähnlich der Geometrie der getesteten Leuchte ist und für die weit überwiegende Anzahl der potentiellen Anwendungen das bisherige Beleuchtungskonzept repräsentiert darstellt. Die Leuchtstärke ist für alle Winkel um Faktoren höher als für die Referenz, bei einer gemessenen Leistungsaufnahme von 60,6 Watt, die noch ca. 20% unter der Leistungsaufnahme der T8 Leuchtstoffröhre liegt! Die Leuchtstärke liegt auch höher als für die überwiegende Mehrheit der bisher getesteten LED Leuchtmittel. Seite 3

4 Abb. 3: Winkelabhängige Leuchtstärke des Prüflinge, eine OSRAM T8 Lampe als Referenz. Die rote Kurve ist das Ergebnis für den LED Prüfling b) Flimmerverhalten Leuchtmittel schwanken in der Lichtintensität in einem 100 Hertz Rhythmus der 230V Versorgungsspannung, was von allen Menschen mindestens unbewusst wahrgenommen wird, und von einigen bewusst und als störend empfunden wird. Die Zeitabhängigkeit des Lichtstroms ist in Abb. 4 dargestellt. Seite 4

5 Abb. 4: Variation des Lichtstroms als Funktion der Zeit, die Einheit auf der horizontalen Zeitachse sind Millisekunden, der Lichtstrom ist auf jeweils den Maximalwert normiert Während das OSRAM Referenzleuchtmittel in der Lichtintensität um ca. 60% der maximalen Lichtintensität im 100 Hertz Rhythmus schwankt, ist die Intensität des Prüflings praktisch konstant (ca. 1% Variation), ein sehr signifikanter Vorteil in der Lichtqualität! Die grosse Mehrheit der getesteten LED Leuchtmittel schneidet ebenfalls besser ab als die Referenz, allerdings sind einige auch schlechter. Der Prüfling liegt in diesem Test an der Spitze. c) Robustheit gegen Schwankungen der 230V Versorgungsspannung: Nach den einschlägigen IEC Normen darf die 230V Versorgungsspannung kurzeitig um 20 Volt höher oder niedriger als der Mittelwert sein. Dies sollte nicht zu einer entsprechenden Schwankung der Leistungsaufnahme oder des Lichtstroms führen, oder gar zu einem instabilen Betriebszustand ( thermal Runaway ) führen. Mit Hilfe eines Transformators wurde die Versorgungsspannung in 5V Stufen von 210V bis 250V variiert, und am Prüfling die Leistungsaufnahme gemessen (Abb. 5). Seite 5

6 Abb. 5: Aufgenommene Leistung als Funktion der Versorgungsspannung Der Prüfling reagiert absolut robust auf Spannungsschwankungen: Es gibt keine signifikante Variation der Leistungsaufnahme im Bereich V. Die Mehrzahl der anderen getesteten LED Leuchten sind in diesem Punkt ebenfalls besser als die Referenz, aber auch in diesem Punkt liegt der Prüfling in der Spitzengruppe von weniger als 10 LED Leuchten mit so geringer Spannungsabhängigkeit. d) Leistungsfaktor / Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung Leuchtmittel, die auf Gasentladung beruhen (wie z.b. konventionelle T8 Röhren), erzeugen eine Phasenverschiebung, was in ungünstigen Fällen zu Blindleistungen führt, für die an den Stromversorger signifikante zusätzliche Gebühren anfallen. In Abb. 6 ist die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung dargestellt (aus der der Leistungsfaktor noch cos phi, phi ist die Phasenverschiebung, errechnet wird: Seite 6

7 Abb. 6: Phasenverschiebung zwischen der Spannung (Schwarz) und dem Prüfling (rote Kurve) und dem Referenzleuchtmittel (blaue Kurve). Der Powerfaktor PF für den Prüfling ergibt den sehr guter Wert von 0,97 (also nur 3% Blindleistung), für die Referenz 0,48 mit 52% ein absolut nicht akzeptabler Wert. Die meisten der LED Leuchten sind besser als die Referenz, aber nicht so gut wie der Prüfling. e) Beleuchtungsstärke als Funktion des Abstands Ein weit verbreitetes Vorurteil gegen LED Leuchtmittel ist, dass die Beleuchtungsstärke als Funktion des Abstands zu stark abfällt. Deswegen wurde die Beleuchtungsstärke für verschiedene Entfernungen gemessen und ein Kurvenfit mit einem Potenzgesetz y=x n durchgeführt (= in Abb. 7 eingezeichnete Gerade) Lux desc Luxasc Power (Luxasc) y = 1667,5x -1, Abb. 6: Messung der Beleuchtungsstärke als Funktion der Entfernung, in doppelt logarithmischer Auftragung. Die durch den Least Square Fit angepasste Gerade entspricht einer Abhängigkeit der Leuchtstärke von der Entfernung mit der Potenz 1,5. Die Messung zeigt, dass die Beleuchtungsstärke bis 4,5m Abstand mit dem (Abstand) 3/2 variiert, liegt also zwischen einem Punktstrahler (Hochzahl 2) und einer unendlich langen linearen Leuchte (Hochzahl 1) liegt. Es wäre wünschenswert, die Messung zu grösseren Abständen auszudehen, was in dem vorhandenen Labor durch die Raumgrösse nicht möglich war. Seite 7

8 4) Bewertung der Ergebnisse in Rankingtabellen Die Testergebnisse haben gezeigt, dass das getestete Leuchtmittel in allen Performancekriterien (Test a) d) ) den konventionellen Leuchtstoffröhren stark überlegen ist, besonders in der Energieeffizienz, dem Leistungsfaktor und in der Lichtqualität. Eine Verbesserung im Vergleich zu der Referenz T8 Röhre wurde für die meisten der bisherigen getesteten vergleichbaren LED Röhren festgestellt, aber: für die grosse Mehrheit der Prüflinge sind die Vorteile bei weitem nicht so ausgeprägt es gibt sogar LED Prüflinge, die in einem oder mehreren der Testkriterien schlechter als die Referenzen sind Im folgenden wird für die Testkriterien, für die es möglich und sinnvoll ist, ein tabellarischer Benchmarkingvergleich in Form einer Rankingtabelle dargestellt. 1) Ranking Lichtoutput in Lumen: Ein Vergleich der Winkelabhängigkeiten der Beleuchtungstärke ist nicht sinnvoll, da es stark von der jeweiligen Anwendung abhängt, welche der Verteilung jeweils als optimal einzustufen ist. Aus der gemessenen Winkelabhängigkeit der Luxwerte lässt sich aber als gut vergleichbare Bewertungszahl der abgegebene Lichtoutput in Lumen bestimmen, der für die meisten Anwender nach unseren Erfahrungen das wichtigste Kriterium darstellt. In diesem Test teilt sicher Prüfling mit einem anderen LED Leuchtmittel den einsamen Spitzenplatz, ein wirklich bemerkenswertes Ergebnis! Seite 8

9 Abb. 8: Ranking der getesteten Leuchte mit anderen vergleichbaren LED Leuchten. Das getestete Leuchtmittel und das Referenzleuchtmittel T8 sind hervorgehoben. Die zweite Zahlenreihe ist die Rankingzahl: 10 = Spitzengruppe; 6=gut 3=noch akzeptabel 0=geht gar nicht 2) Ranking Energieeffizienz in Lumen pro Watt: Spitzenplatz Für viele Anwendungen ist die absolute Grösse des Lichtstroms ein wichtiges Musskriterium, eine grössere Zielgrösse für den Lichtstrom kann natürlich durch Erhöhung der Leistungsaufnahme erreicht werden. Deshalb ist das eindeutig wichtigste Kriterium in diesem Ranking die Energieeffizienz, gemessen in Lumen pro Watt. Wie schon bei dem Lichtstrom liegt der Prüfling zusammen mit einem anderen Leuchtmitteln mit Seite 9

10 grossem Abstand zu allen anderen getesteten Leuchtmitteln an der Spitze. Testreport High Bay II 60W LED Abb: 9: Ranking Energieeffizienz 3) Ranking Flimmern: Auch hier mit deutlichem Abstand einen Spitzenwert gegenüber allen anderen Leuchtmittteln, der sonst nur von einem anderen getesteten Produkt erreicht wird. Seite 10

11 Abb. 10: Ranking Flimmern 4) Ranking Resilienz gegen Spannungsschwankungen: Auch in diesem Test liegt der Prüfling in der Spitzengruppe mit dem Bestwert, zusammen diesmal mit einer grösseren Anzahl von anderen LED Leuchtmittel, siehe Abb. 11. Seite 11

12 Abb. 11: Ranking der Robustheit gegen Spannungsschwankungen Seite 12

13 5) Ranking Power Factor: Seite 13

14 Abb. 12: Ranking Power Factor In diesem Test liegt der Prüfling ebenfalls in der Spitzengruppe, dies ist der einzige Test, in dem es andere LED Produkte mit einem noch besseren Wert gibt. Erfahrungsgemäss ist der Powerfaktor für die Mehrzahl der Anwendung ein eher untergeordnetes Bewertungskriterium. Die Messung der Beleuchtungsstärke als Funktion der Entfernung ist ähnlich wie die Winkelverteilung nicht gut für ein Ranking geeignet. Seite 14

15 5) Zusammenfassung Testreport High Bay II 60W LED Die Testergebnisse und die Bewertung lassen sich einfach zusammenfassen: In den 4 für die Anwender wichtigsten Kriterien liegt das Illiumisound Highbay II Produkt mit deutlichem Abstand an der Spitze, auch im Vergleich zur LED Konkurrenz. Es ist in allen Belangen um Längen besser als das T8 Referenz Leuchtmittel Bei den Gesamtrankings wird der Prüfling für jede Anwendung immer an Platz 1 stehen, da er in allen Tests in der Spitzengruppe liegt. Der Prüfling hat die Latte für alle zukünftig getesteten LED Produkte deutlich höher gelegt, er stellt im Moment das Benchmark dar. Bremen, Werner Bergholz Jacobs University Bremen ggmbh Seite 15