Leuchtstofflampe oder LED, was ist die bessere

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1 Leuchtstofflampe oder LED, was ist die bessere Lösung für Sicherheitsbeleuchtung? Dortmunder Lichttag 2013 Karl-Heinz Malzahn, INOTEC Sicherheitstechnk GmbH

2 Allgemeines: Grundlagen und Entwicklung der LED-Technik Lichttechnische Möglichkeiten Anwendungen und Vorteile der LEDs

3 Allgemeines Seit dem Einsatz der ersten kommerziellen LEDs für den Industriebereich sind ca. 20 Jahre vergangen. Mittlerweile hält die LED Einzug in fast allen Bereichen des täglichen Lebens. Doch nach wie vor gilt das Wärmemanagement für den Einsatz von LEDs als größte Herausforderung. Wenn eine LED-Lichtlösung ein gutes thermisches Wärmemanagement hat, kann eine Lebensdauer von über Stunden bei 80% der Helligkeit (Abhängig vom LED-Typ und anderen Faktoren) erreicht werden.

4 LED - Light Emitting Diode Allgemein Allgemeines Inzwischen geht bei lichtstarken Leuchtmitteln der Trend zur Multi-Chip-Lösung. Dabei wird eine Vielzahl gehäuseloser LED-Dies mit minimalem Abstand auf eine Keramikplatte aufgebracht. Der Platzbedarf verringert sich durch diese Technologie erheblich. Noch wichtiger ist, dass die gesamte Leuchtfläche mit einer Phosphorschicht überzogen wird. Dadurch werden diese Multi-Chip-LEDs als eine Lichtquelle wahrgenommen. Der Aufwand für Optik und Reflektor reduziert sich erheblich. Gleichzeitig wird ein guter Wärmetransfer sowie eine homogene Verteilung erreicht, so dass das Wärmemanagement vereinfacht wird.

5 Aufbau eines LED-Halbleiter-Chips Lichtemission aus dem pn-übergang emittiertes Licht Anode (+) p n unterschiedlich dotierten Kristallschichten Die Wellenlänge (Farbe) der entstehenden, monochromatischen Strahlung (rot, orange, gelb, grün oder blau) hängt von Aufbau und Dotierung ab. Substrat, transparent reflektierender Rückseiten Kontakt Katode (-) Querschnittskizze

6 Weißes Licht ist die Summe aller Spektralfarben Radar Infrarot ( = 780nm) Ultraviolett ( = 380nm) Röntgen Gammastrahlen

7 Für die Beleuchtungstechnik einsetzbares, weißes Licht kann durch zwei Methoden erzeugt werden: Weiß durch Farbkonversion / Lumineszenzkonversions-LED + - Je nach Art des Farbkonversionsstoffes und der primären LED-Farbe kann jeder Farbton und abgestufte Weißtöne erzeugt werden. Es werden keine Wellenlänge, sondern Farbraum oder Farbtemperatur angegeben. Farbwiedergabe: Ra (bei weißer LED)

8 Allgemeines Mittlerweile liegt die Lichtausbeute bei den LED s bei ca lm/W. Diese Werte waren vor 10 Jahren noch nicht vorstellbar, aber durch neue Technologien sind diese Werte auch unter Beachtung der Lebensdauer durchaus realistisch geworden. (Die erste LED erreichte 1962 noch 0,1 lm/w) Die Lichtausbeute ist stark von der Lichtfarbe abhängig, bei warmweißen (ab ca Kelvin) liegt sie deutlich unter der von kaltweißen (ab ca Kelvin).

9 Allgemeines Die Effizienz von Lichtquellen kann man sehr gut an der Lichtausbeute in lm/w erkennen. Glühlampe Leuchtstofflampe ca. 20 lm/w ca lm/w LED ca lm/w (Stand 2012) Wie viel eine Beleuchtungsanlage mit LED s tatsächlich spart hängt jedoch nicht nur von der Lichtausbeute sondern vom Zusammenspiel der Betriebsgeräte und der Lichtlenkung durch z. B. Optiken sowie den Umgebungsbedingungen und den Betriebs- bzw. schaltungsarten, ab!

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11 Versorgung Da LED große Bautoleranzen aufweisen und auf Temperatur- und Netzspannungsschwankungen reagieren, muss der Strom stabilisiert werden um Lebensdauer und Farbe sicher zu stellen. Es gib hier zwei Möglichkeiten: 1) Vorwiderstand als Spannungsteiler, statisch Beispiel: rote LED an 6V-Batterie ILED = 0,025A, Flussspannung ca. 2V 6V - 2V = 4V 4V / 0,025A = 160 Ohm P = U x I = 4V x 0,025A = 0,1W Der Widerstand muss also 160 Ohm / 0,1 W betragen!

12 Versorgung 2) Konstantstromquelle, stabiler Die Abstrahlung ist etwa proportional zum Strom; eine Erhöhung des Lichtstroms je LED führt also zwangsläufig zu einer Temperaturerhöhung. Die Lebensdauer einer LED wird wesentlich durch ihre Betriebstemperatur bestimmt.

13 Versorgung und Lebensdauer Power LEDs stellen erhöhte Anforderungen an die Stromkonstanz. Nur bei Verwendung einer bestimmten Stromstärke (z. B. 350mA bei 1W-LEDs oder 700 ma bei 3W-LEDs) erreichen die LEDs ihre maximale Helligkeit, ohne dabei zerstört zu werden. Power LEDs sollten daher grundsätzlich mit Konstantstromquellen betrieben werden. Betreibt man z. B. eine weiße Power-LED an einer Konstantstromquelle mit 350 ma, so liegt der Spannungswert bei ca. 3,2V. Schließt man nun eine weitere LED in Reihe zur ersten LED, bleibt der Strom konstant bei 350 ma, während die Betriebsspannung auf 6,4V ansteigt. (usw.)

14 Lebensdauer Für die Definition der Lebensdauer von LEDs gibt es u. a. die Vornorm IEC von Juni 2011, DIN EN z.b. für den Tc-Punkt, IEC für LED-Lampen mit eingebautem Vorschaltgerät etc. L70 = Mindestlichtstrom, F10 = Höchstausfallrate, Tc 50 =erlaubte Temperatur Die Lebensdauer von LEDs bezieht sich auf den Lichtstrom. Das bedeutet, wenn n% des Anfangswertes (lm) unterschritten wird, spricht man vom Ausfall der LED! Hinweis: + 10K Temperaturerhöhung ergibt nur noch ca. 50% der ursprünglichen Lebensdauer!

15 LED - Light Emitting Diode Allgemein Lebensdauer Höhe des Betriebsstromes Der innere Wirkungsgrad (ca. 15% der elektrischen Energie werden in Licht umgewandelt) einer LED ist relativ hoch. Bei höherer Leistung der LED wird eine proportional höhere Verlustleistung erzeugt. Es entsteht aber keine Strahlungswärme wie z. B. bei Glühlampen!

16 Lebensdauer Wer nachhaltige LED-Leuchten entwickeln möchte, muss auch auf die Lebensdauer des LED-Treibers achten. Da LED s wie schon erwähnt Betriebsstunden und mehr erreichen, sollten die LED-Treiber ebenfalls für diesen Zeitraum ausgelegt sein. Das VDE-Institut z. B. überprüft, wenn gewünscht, die Lebensdauer von LED-Treibern, analysiert die spezifizierte MTBF (Mean Time Between Failure) der LED-Treiber Die LED-Treiber sollten eine Lebenserwartung von mind h haben!

17 Wirtschaftliche Vorteile der LED -Technik hoher Wirkungsgrad und damit geringer Energieverbrauch im Vergleich zu anderen Lichtquellen geringe Wärmeentwicklung, dadurch eventuell reduzierte Klimatisierungskosten bei großen baulichen Anlagen geringe (keine) durch Leuchtmittelwechsel bedingte Wartungskosten hohe Systemzuverlässikeit, lange Lebensdauer, keine Einschaltverzögerung (0,5 Sek / 1,0 Sek / 15 Sek)

18 LED-Leuchten schonen die Umwelt Die Stromerzeuger setzen pro verbrauchter kwh ca. 700g CO2 frei Die Vergleichsrechnung gilt für 100 Rettungszeichenleuchten

19 LED-Leuchten senken die Betriebs- und Wartungskosten

20 Design-Vorteile kleine und kleinste Bauformen (SMD, COB) individuelle Formbarkeit des Leuchtmittels durch unterschiedliche Anordnung der LED dimmen ist ohne Änderung der Lichttemperatur möglich Lichtfarbe ist regelbar (bei Verwendung verschiedenfarbiger LED) alle Lichtfarben möglich (Farbkombination) neue Gehäuse / neues Design (kann auch ein Nachteil bei Konstruktionen sein)

21 Technische Vorteile: kein Quecksilber keine UV Strahlung, keine IR Strahlung (Wärme) Sicherheit durch Schutzkleinspannung einsetzbar bei tiefen Temperaturen (-30 C) präzise Lichtlenkung ohne zusätzlichen Reflektor durch LED mit definiertem Abstrahlwinkel oder Optiken Brummfrei kann nicht implodieren stoß- und vibrationsfest (Außenleuchten, Lichtwerbung, Fahrzeugtechnik

22 Bei der Sicherheitsbeleuchtung kommen unterschiedliche Schaltungsarten zum Einsatz: Dauerschaltung, daraus resultieren hohe Betriebszeiten Geschaltete Dauerschaltung, dadurch kann je nach Leuchtmittel ein vorzeitiger Ausfall entstehen Bereitschaftsschaltung, durch Kaltstart können Leuchtstofflampen frühzeitig ausfallen

23 CLS Notlichtversorgung für LED-Leuchten Durch die LED-Technik haben sich auch die Notlichtversorgungsgeräte erheblich verändert, bzw. sind neue moderne Kleinstsysteme entstanden! 4 Stromkreise à 20 Leuchten Schutzklasse III / 24V Leuchten Automatische Tests Integriertes Prüfbuch Jede Leuchte vom Steuerteil aus programmierbar Zentrale Dim-Funktion und Einzelleuchten Dimmung

24 Planungsgrundlagen für LED-Leuchten mit CLS Beispielprojekt Kleiner Kindergarten -> 1h Betrieb 1 Anlage mit CLS: 10 Stück SN x 0,26A = 2,6A 15 Stück SNP 1216 x 0,125A = 1,875A 2 Stück SN 2131 x 0,2A = 0,4A Gesamt: 4,875 A 27 Leuchten CLS-Anlage mit 24V/12Ah-Batterie Batteriestrom: 1h: 6,6A

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31 Leuchte mit 8W-Leuchtstofflampe Leuchte mit LED s

32 Leuchte mit 8W- Leuchtstofflampe Leuchte mit LED s

33 Leuchten mit 10W-Kompakt Leuchtstofflampe Leuchte mit LED s

34 Leuchten mit 10W-Kompakt Leuchtstofflampe Leuchte mit LED s

35 SN SN ) Messebene liegt 2cm über den Boden

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37 Warum?

38 Warum?

39 Kurioses

40 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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