LED Moderne Scheinwerfertechnik

Transkript

1 LED Moderne Scheinwerfertechnik Nützliches Hintergrundwissen: Terminologie Watt vs. Lumen Farbqualität LED Was ist das überhaupt?.. 1 Warum LED-Scheinwerfer. 2 Terminologie der Beleuchtungstechnik 3 Theoretische Lumen vs. Effektive Lumen.. 4 Die Farbqualität des Lichts 5 Eine neue Technik, viele neue Begriffe Wenn es um Beleuchtung geht, ist vor allem von einer Technik immer wieder die Rede: LED! Und das aus gutem Grund. Moderne LEDs sind ausgereift und problemlos in der Lage, herkömmliche Leuchtmittel in den Schatten zu stellen. Kein anderes Leuchtmittel bietet eine so gute Mischung aus Helligkeit, Farbechtheit, Robustheit und Energieeffizienz kombiniert mit einer so kleinen Baugröße wie aktuelle LEDs. Doch diese neue Technik bringt natürlich auch einige neue Begriffe hervor, die sich nicht jedem sofort erschließen. Waren früher vor allem Watt und Volt wichtig, um die Leistung eines Scheinwerfers zu beschrei- ben, liest man heute vor allem von effektiven Lumen und Farbtemperaturen. Doch was genau ist das? Dieser Infobrief soll Ihnen einen kleinen Einstieg in die Hintergründe dieser neuen Technik bieten. Er soll als Leitfaden zur Orientierung im Dschungel aktueller LED- Produkte dienen und Ihnen helfen, beim Kauf die Guten von den Schlechten zu unterscheiden. Sollten Sie allerdings auf Fragen stoßen, die Ihnen auch dieses Heft nicht beantworten kann, dann zögern Sie nicht, uns anzusprechen. Gemeinsam finden wie die Antworten. LED Was ist das überhaupt? Die Abkürzung LED steht für Light Emitting Diode, also licht-emittierende Diode oder auch Leuchtdiode. Hierbei handelt es sich um einen Halbleiter, der Licht ausstrahlt, sobald Strom in Durchlassrichtung fließt. Je nach verwendetem Material leuchtet eine LED in verschiedenen Farben. Waren in den Anfangstagen dieser Technik nur rote und grüne LEDs möglich, kann mittlerweile das gesamte Farbspektrum vom infraroten bis hin zum ultravioletten Licht abgedeckt werden. Mit dem letzten großen Entwicklungsschritt wurden endlich auch weiße LEDs möglich. Zurzeit unterscheidet man vor allem zwei verschiedene Bauformen von LEDs, wobei die moderneren SMD-LEDs aufgrund ihrer höheren potentiellen Leistung den herkömmlichen bedrahteten LEDs überlegen sind. - Seite 1 - Es gibt viele Gründe für den Einsatz von LEDs. Lesen Sie in den folgenden Abschnitten, warum die moderne Beleuchtungstechnik um dieses Thema nicht herum kommt und was für LEDs spricht und erhalten Sie einen Einblick in die speziellen Begriffe dieser neuen Technik. LED-Bauformen Bedrahtete LED SMD-LED Moderne SMD-LEDs haben nur noch entfernt Ähnlichkeit mit herkömmlichen bedrahteten LEDs

2 Warum LED-Scheinwerfer? Erst Halogen, dann Xenon, nun ist LED in aller Munde. Müssen wir schon wieder umrüsten, um auf der Höhe der Zeit zu sein? Das Sehen ist von den fünf menschlichen Sinnen mit Sicherheit der Wichtigste. Vor allem, wenn es auf ein schnelles Handeln ankommt, ist nichts schneller als das Auge. Wenn beispielsweise auf ein entgegenkommendes Fahrzeug oder andere Gefahren auf der Straße reagiert werden muss, vertrauen Sie am besten Ihrem Auge. Gute Scheinwerfer gehören somit zu den wichtigsten Sicherheitseinrichtungen eines Fahrzeugs. Je häufiger Sie in der Nacht fahren, desto mehr werden Sie einen guten Scheinwerfer zu schätzen wissen. Im folgenden Text werden wir Ihnen ein paar der Vorteile nennen, die moderne LED-Scheinwerfer bieten und die sie von herkömmlichen abhebt. Herausragende Sicht LED-Scheinwerfer produzieren Licht mit anderen Eigenschaften, als es herkömmliche Halogen- oder auch Xenon-Scheinwerfer können. Das Ergebnis ist eine gestochen scharfe Ausleuchtung mit sauberem und hellweißem Licht, welches effektiv die Nacht zum Tag macht. Dies ist bestimmt der wichtigste und deutlichste Vorzug dieser Technik gegenüber traditionellen. Ein gut entwickelter LED-Scheinwerfer erfüllt alle Vorgaben der Straßenzulassung, ist für den Gegenverkehr blendfrei und erzeugt ein Lichtbild, welches Bereiche der Straße beleuchtet, die Sie nachts wahrscheinlich noch nie zuvor gesehen haben! Extreme Haltbarkeit LEDs sind keine Glühlampen! Da LEDs in Halbleiterbauweise hergestellt werden, besitzen sie keine zerbrechlichen Glashüllen, empfindlichen Glühfäden oder sensitiven Elektroden wie Glühlampen, Halogen- oder Gasentladungslampen (Xenon). Aus diesem Grunde sind LEDs die optimale Wahl für den Einsatz an Fahrzeugen, bei denen harte Stöße und Vibrationen beispielsweise durch Schlaglöcher zum vorzeitigen Ausfall herkömmlicher Scheinwerferführen würden. Wenn Sie in ein gutes Paar LED-Scheinwerfer investieren, sparen Sie auf lange Sicht nicht nur Geld für Teile und Arbeit, sondern auch Zeit und Unannehmlichkeiten. Unerreichte Energieeffizienz Einer der wesentlichen technischen Vorteile von LEDs ist deren hohe Energieeffizienz. Die immer umfangreicher werdende Ausstattung mit elektronischen Systemen und die rapide steigenden Kraftstoffkosten verlangen dringend nach einer verbesserten Energieeffizienz der einzelnen Fahrzeugkomponenten, um die Belastung von Lichtmaschine und Batterie zu reduzieren. LEDs bieten eine zukunftsorientierte Lösung zur Entlastung der Fahrzeugbatterie und Lichtmaschine und sind hinsichtlich der Effizienz allen anderen gängigen Beleuchtungssystemen überlegen. 4 Unübertroffende Langlebigkeit Es steht außer Zweifel, dass von allen Produkten der Beleuchtungstechnik LEDs mit der längsten Lebensdauer aufwarten können. Wie aus der Darstellung unten ersichtlich, überdauern LED-Fahrscheinwerfer die gängigen Lösungen um ein Vielfaches. Unübertroffene Langlebigkeit 300 Glühlampen- Die Lebensdauer eines LED-Scheinwerfers entspricht: 50 Halogen- 20 Xenon- LED-Scheinwerfer überleben herkömmliche Scheinwerfer um ein Vielfaches. Wenn Sie einen LED-Scheinwerfer montieren ist es wahrscheinlich, dass Sie erst Ihr Fahrzeug ersetzen müssen, bevor Sie einen neuen LED-Scheinwerfer benötigen! 5 Weniger Ermüdung beim Fahren Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass das Licht einen großen Einfluss auf unsere innere Uhr (die sogenannte circadiane Rhythmik) hat. Genauer gesagt reagiert unser Gehirn auf die Farbtemperatur des wahrgenommenen Lichts und weist den Körper an, wach zu sein oder den Schlaf vorzubereiten. Herkömmliche Scheinwerfer strahlen Licht einer Farbtemperatur aus, die mit dem Licht bei Sonnenuntergang vergleichbar ist. Also Licht einer Tageszeit, zu der der Körper müde wird. Moderne LED-Scheinwerfer haben hingegen die Lichteigenschaften eines hellen und sonnigen Tages, an dem wir normalerweise hellwach und aufmerksam sind. - Seite 2 -

3 Helligkeit Terminologie der Beleuchtungstechnik Watt, Lumen, Candela All dies sind Maßzahlen, die die Leistung eines Scheinwerfers beschreiben können. Aber wo genau liegen die Unterschiede? Nun, das ist eigentlich ganz einfach. Warum Lumen und nicht Watt? Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei Scheinwerfer, einen mit 75 Watt und einen mit 100 Watt. Wenn Sie diese nun anschalten, welcher wird heller sein? Die meisten Leute würden jetzt auf den mit 100 Watt tippen. Aber das muss nicht unbedingt richtig sein. Wir können die richtige Antwort gar nicht wissen, ohne nicht noch ein paar weitere Informationen zu kennen. Warum nicht? Weil Watt eben kein Maß für die Lichtleistung ist, sondern lediglich die allgemeine Leistungsaufnahme eines Scheinwerfers beschreibt. Hierbei wird aber vergessen, dass ein Scheinwerfer nicht die gesamte aufgenommene Energie in für Menschen sichtbares Licht umwandelt, sondern eben auch in Anteile nicht sichtbaren Lichts und Wärme. Aus diesem Grund gibt es die photometrische Einheit Lumen. Mit dieser Messgröße wird nur der tatsächlich sichtbare Lichtstrom beschrieben und die für den Menschen nicht sichtbaren Verluste ignoriert. Von daher ist Lumen und nicht Watt die relevante Maßeinheit, wenn es um die Helligkeit einer Lichtquelle geht. Lumen was ist das eigentlich? Laut Definition ist Lumen die physikalische Maßeinheit des Lichtstroms, der von einer Lichtquelle ausgeht. Je höher der Lumen-Wert eines Scheinwerfers, desto höher auch dessen Helligkeit. Allerdings berücksichtigt Lumen im Gegensatz zur reinen Leistungsangabe in Watt die tatsächliche Wahrnehmung des menschlichen Auges. Dieses nimmt Licht verschiedener Farben unterschiedlich intensiv wahr. Eine Lichtquelle, die mit einer Leistung von 1 Watt grünes Licht ausstrahlt wird vom menschlichen Lumen pro Watt bei verschiedenen Wellenlängen [Lm] Auge nämlich deutlich besser wahrgenommen als beispielsweise eine Lichtquelle, die mit derselben Leistung rotes Licht aussendet. Die photometrische Einheit Lumen rechnet diesen Wahrnehmungsfehler heraus und betrachtet nicht nur die Lichtenergie, sondern auch dessen Wellenlänge. 1 Lumen rotes Licht ist für uns Menschen also genauso hell wie 1 Lumen grünes Licht. Candela Eine weitere Maßeinheit für die Helligkeit ist Candela. Im Gegensatz zu Lumen, mit denen die prinzipielle Gesamthelligkeit einer Lichtquelle angegeben wird, beschreibt Candela nur die Lichtmenge, die in einem definierten Bereich strömt (dem sogenannten Raumwinkel). Auch diese Einheit berücksichtigt die sich ändernde Wahrnehmungsintensität verschiedener Wellenlängen durch das menschliche Auge. Ein Candela entspricht in etwa der Helligkeit einer Haushaltskerze. Candela und Lux 1 Candela 1 m 1 Lux Candela und Lux sind direkt voneinander abhängig. Während Candela die Lichtabstrahlung einer Lichtquelle angibt, wird mit Lux die Helligkeit einer von dieser Lichtquelle beleuchteten Fläche bestimmt. Lux Als weitere wichtige Messgröße gibt es noch Lux. Diese Einheit setzt die Helligkeit einer Lichtquelle in direkte Verbindung zur tatsächlichen Helligkeit, die diese Lichtquelle auf einer Oberfläche erreichen kann. Hierbei beschreibt 1 Lux die Helligkeit einer Oberfläche, die von einer Lichtquelle mit 1 Candela Stärke aus einem Meter Entfernung beleuchtet wird Wellenlänge (Farbe) [nm] Licht verschiedener Wellenlängen (Farben) wird vom menschlichen Auge unterschiedlich gut wahrgenommen. Am besten sieht das Auge im grünen Bereich. - Seite 3 -

4 Theoretische Lumen vs. Effektive Lumen Wer sich über neue LED-Scheinwerfer informieren möchte, stößt bei der Angabe der Helligkeit unweigerlich auf Angaben in Lumen. Doch gilt es, diese Angaben richtig zu lesen. Wir zeigen, wie es geht! Vor allem bei LED- wird die Helligkeit immer in Lumen angegeben. Ein direkter Vergleich von auch verschiedener Hersteller sollte also ohne Probleme möglich sein. Allerdings steckt der Teufel hier nicht selten im Detail. Da es bei häufig vor allem auf die Helligkeit ankommt, geben die meisten Hersteller für ihre Produkte sehr hohe Lumen-Werte an. Allerdings lohnt hier der genaue Blick. Die meisten Hersteller geben nämlich nicht die effektive, sondern lediglich die theoretische Lichtleistung an. Ein Trick, der zu teilweise sehr hohen Werten führt. Denn die theoretische Lichtleistung eines Scheinwerfers entspricht nicht der tatsächlichen Helligkeit. Aber warum nicht und worauf sollten Sie achten? Theoretische Lichtleistung Ein Scheinwerfer, in dem 10 LEDs mit einer Leistung von jeweils 100 Lumen verbaut sind, hat eine theoretische Lichtleistung von 1000 Lumen (10 x 100 = 1000). So einfach ist das. Allerdings spielen neben der reinen Lichtleistung der verbauten LEDs eben noch andere Faktoren eine ganz erheblich Rolle für die tatsächliche Helligkeit eines Scheinwerfers. Faktoren, die Helligkeits- Verluste bis zu 75 Prozent bedeuten können. Thermische Verluste Je heißer LEDs werden, desto weniger Licht produzieren sie. Da es für LEDs nicht ungewöhnlich ist, im Betrieb Temperaturen von über 100 C zu erreichen, ist es logisch, dass die Lichtleistung einer gerade erst eingeschalteten und noch kühlen LED höher als die einer LED ist, die bereits 30 Minuten leuchtet. Viele Hersteller messen die Lichtleistung ihrer Scheinwerfer allerdings bereits nach 25 Millisekunden (Zeitraum der Lichtabgabe einer Blitzleuchte). Somit ist deren tatsächliche Lichtleistung im Dauerbetreib mit Sicherheit deutlich unter der angegebenen theoretischen. Je nach thermischern Konstruktion des Scheinwerfers ist hier ein Verlust von Prozent ein guter Näherungswert. Verluste durch angelegte Spannung Je höher die Betriebsspannung der LED ist, desto mehr Licht produziert sie. Im gleichen Maße steigt aber auch die thermische Belastung, die wiederum zu einer verminderten Lichtausbeute führt. Somit kann auch eine Erhöhung der Betriebsspannung zu einer Minderung der relativen Lichtleistung der LEDs führen. Weitere Verluste Weitere wesentliche Verlustfaktoren sind sogenannte optische Verluste und Unterschiede in der Konstruktion des Scheinwerfers. Wenn Licht durch ein Material hindurch geht oder von einem Material reflektiert wird, verliert es einen Teil seiner Intensität. Jeder Arbeitsscheinwerfer besitzt aber eine Optik oder einen Reflektor. Kombiniert man dies nun mit weiteren Verlusten durch die Konstruktion, erhält man einen weiteren Verlust von Prozent zur theoretisch möglichen Leistung des Scheinwerfers. Die verschiedenen Arten von Verlusten Die Angabe der theoretischen Lichtleistung reicht zur Angabe der tatsächlichen Helligkeit eines Scheinwerfers nicht aus. Immer müssen auch verschiedene konstruktionsbedingte Verluste berücksichtigt werden.. Effektive Lumen Die theoretische Lichtleistung ist eben nur ein theoretischer Wert, der die realen Gegebenheiten nicht abbildet. Dafür gibt es den Begriff der Effektiven Lumen. Diese berücksichtigen alle oben erwähnten Verluste und geben somit die tatsächliche Lichtleistung eines Scheinwerfers an. Zur Messung dieses Werts wird eine recht aufwendige und kostenintensive Photometrie benötigt. Viele Hersteller scheuen hierfür Kosten und begnügen sich mit der Nennung der theoretischen Lichtleistung. Genau dies macht einen Vergleich von verschiedener Hersteller aber sehr schwer und führt dazu, dass Sie nicht immer wissen, wie viel Licht Sie tatsächlich erhalten.! Vergleichen Sie immer die effektiven Lumen! Damit Sie in Zukunft die tatsächliche Helligkeit eines Scheinwerfers erkennen, sollten Sie immer die effektive Lumen heranziehen. Nur so ist ein tatsächlicher Vergleich möglich. Zu allen von unserem Partner J.W. Speaker können Sie bei uns sowohl die theoretisch mögliche Leistung, vor allem aber auch die effektive Leistung erfahren. Damit Sie immer wissen, wie hell er denn nun wirklich ist. - Seite 4 -

5 Die Farbqualität des Lichts Für viele Anwendung ist es ausreichend, die Helligkeit eines Scheinwerfers zu kennen. Doch in bestimmten Situationen kann es auch wichtig sein, mehr über die Lichteigenschaften zu wissen. Wir sagen, was es neben der Helligkeit noch gibt. Die meisten von uns denken, Farben seien nominal eine Erdbeere ist rot, eine Banane ist gelb und der Himmel ist blau. In Wirklichkeit ist die Farbe eines Objekts aber immer abhängig vom Licht, welches es beleuchtet. Unter weißem Licht erscheint eine Erdbeere nur deshalb rot, weil es vorwiegend Wellenlängen aus dem roten Teil des Lichtspektrums reflektiert, die Restlichen aber absorbiert. Filtern wir die roten Wellenlängen aus einer Lichtquelle heraus, wird die Erdbeere dunkelgrün oder schwarz erscheinen. Die wahrgenommene Farbe eines Objekts hängt also immer auch von der Beschaffenheit des Lichts ab. Zur Beschreibung der Farb-Eigenschaften einer Lichtquelle werden üblicherweise zwei Methoden angewandt: Die "Relative Farbtemperatur" (CCT, correlated color temperature) beschreibt die Farbeigenschaft des Lichts an sich und der "Farbwiedergabeindex" (CRI, color rendering index) wie ein Objekt, das durch dieses Licht beleuchtet wird, in Relation zu anderen Lichtquellen erscheint. Sowohl CCT als auch CRI können bei der Bewertung von Lichtquellen relevant sein. Wichtig ist zuerst einmal aber zu verstehen, dass diese Begriffe verschiedene Dinge beschreiben. Scheinwerfer mit identischen Werten für die CCT können völlig unterschiedliche CRI-Werte aufweisen. Relative Farbtemperatur - CCT Die Relative Farbtemperatur einer Lichtquelle basiert auf dem Prinzip, dass jedes Objekt, welches genügend hoch erhitzt wird, Licht ausstrahlen wird und sich die Farbe dieses Lichts in Abhängigkeit zur Temperatur in einer vorhersagbaren Weise ändern wird. Als Bezugspunkt Relative Farbtemperatur K 6000 K 4000 K 2000 K 1000 K Eine hohe Lichttemperatur ermöglicht die detailgenaue Darstellung von Farben. LED-Scheinwerfer sind hier herkömmlichen Halogen- deutlich überlegen. Aber auch Xenon-Scheinwerfer können mit der hohen Farbtreue von LEDs nicht mithalten. - Seite 5 - wird hier der theoretische und ideale Schwarze Körper herangezogen, der so lange erhitzt wird, bis er vom schwarzen kalten in den heißen weißen Zustand übergeht. Mit dem Temperaturanstieg würde sich das Spektrum des vom Schwarzen Körpers abgestrahlten Lichts allmählich von Rot über Orangefarben, Gelb, Weiß und schließlich zu Blau-Weiß verschieben. Die Relative Farbtemperatur einer Lichtquelle beschreibt nun die Farbe des ausgestrahlten Lichts, gemessen anhand der Temperatur (in Grad Kelvin) eines Schwarzen Körpers, der Licht derselben Farbe ausstrahlt Farbwiedergabeindex - CRI Der Farbwiedergabeindex beschreibt die Farbtreue einer Lichtquelle. Hierfür wird zunächst die Relative Farbtemperatur der zu messenden Lichtquelle bestimmt. Dann werden acht Standardfarben (s. Abbildung) zuerst von einem idealen Schwarzen Strahler derselben Temperatur und dann von der zu messenden Lichtquelle bestrahlt. Wenn sich keine der Standardfarben in der Darstellung ändert, erhält die Lichtquelle einen Farbwiedergabeindex von 100 (Die CRI wird auf einer Skala von 0 bis 100 Prozent gemessen). Je größer die Farbänderungen sind, desto geringer ist der Wert für den Farbwiedergabeindex, je höher der Wert, desto besser ist das Licht geeignet, die einzelnen Farben korrekt darzustellen. CRI-Standardfarben Die Farbtreue eines Scheinwerfers wird anhand von acht Standardfarben bestimmt. Je geringer die Abweichungen der Farben, desto höher der Farbwiedergabeindex. Ist das wichtig? Für die meisten Anwendungen ist die Farbtemperatur oder der Farbwiedergabeindex tatsächlich nebensächlich. Hauptsache, der Scheinwerfer ist hell. Aber natürlich gibt es auch Situationen, in denen auch diese Werte sehr wichtig sind und Einfluss auf die Effektivität haben. Gutes Licht ist eben nicht nur hell, es lässt einen durch eine gute Darstellung auch wichtige Dinge sehen. So kann es beispielsweise für Rettungsteams entscheidend sein, alle Details des Umfelds bei der Suche nach Vermissten zu erkennen. Und da zahlt sich dann eine hohe Lichttemperatur und ein hoher Farbwiedergabeindex aus.