Grundlagen der LED-Technik

Weiße LED's

Der Einzug der LED-Technik in alle Bereiche der Beleuchtungstechnik schreitet unaufhaltsam und mit beachtlicher Geschwindigkeit voran.

Warum?

Ein neues Produkt wird nur von einem Kunden akzeptiert, wenn es ihm einen Vorteil gegenüber einem vorhanden Produkt gewährt.
Genau dies geschieht im Falle der LED-Beleuchtung:
Die Unterhaltskosten der Beleuchtung reduzieren sich um bis zu 60 %.

Mit einer Lebensdauer von über 60.000 Stunden entfallen Wartungsarbeiten durch Austausch der Leuchtmittel. Es fallen bei der Entsorgung der Leuchtmittel, nach Ablauf der Lebensdauer, keine Schwermetalle wie Quecksilber o.Ä an. Es ist also nicht verwunderlich, dass diese Technik eine grundlegende Veränderung in der Beleuchtungstechnik eingeleitet hat.

Aufbau einer LED

Die LED (Licht emittierende Diode) ist ein Halbleiter-Bauelement, das Strom nur in eine Richtung passieren lässt.
Fließt Strom in Durchlassrichtung, so gibt die LED, in Abhängigkeit vom Halbleitermaterial und der Dotierung (Einbringung von Fremdatomen), Lichtstrahlung ab.

Prinzipieller Aufbau einer Leuchtdiode

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Wie wird weißes Licht erzeugt?

Das übliche Verfahren um weißes Licht zu erzeugen ist, das Licht einer blauen LED und eines breitbandigen Lumineszenzfarbstoffes zusammengeführt wird

Montagearten der LED

Es bestehen zwei grundsätzliche Montagearten für weiße LED:

Oberflächenmontierte Bauteile (SMD)

Die LED wird direkt auf die Leiterplatte gelötet. Im Gegensatz zur Bestückung mit "bedrahteten Bauelementen" erfordert die SMD-Technologie einen geringeren Platzbedarf und ermöglichen eine bessere thermische Anbindung

Oberflächenmontierte LED-Chips (COB)

Die ungehäusten (nackten) Halbleiter werden direkt auf das Substrat (Trägermaterial) aufgetragen. Mit diesem Verfahren lässt sich ein Vielfaches der "Packungsdichte", im Vergleich zur SMD Technologie, erzielen. Der enorme lichttechnische Vorteil der COB Module liegt in der Homogenität der Lichtabstrahlung. Somit wird ein konsistenter Lichtkegel und keine Einzel Lichtpunkte erzielt. Wird zudem als Trägermaterial Keramik verwendet, ist die Voraussetzung für eine optimale Kühlung gegeben, die zur Steigerung der Effizienz und der Lebensdauer beiträgt.

SMD Modul	COB-Modul, Klare Konturen durch homogene Lichtabstrahlung mit COB Technologie

Schematischer Aufbau eines COB-Moduls

Qualitätsmerkmale einer LED

Die Qualität eines LED-Moduls wird u.a. durch die Ausfallrate und den Lichtstromrückgang während der Lebensdauer bestimmt.

Ausfallrate

Unter der Ausfallrate von LED-Modulen versteht man den prozentualen Anteil von LED-Modulen, die kein Licht mehr abgeben. Die übliche Ausfallrate bei LED-Modulen liegt bei 0,2 % pro 1.000 Stunden. Das heißt, nach 50.000 Stunden dürfen bis zu 10 % der Module ausgefallen sein. Die Ausfallrate wird mit CZ bezeichnet.

Lichtstromrückgang (Degradation)

Im Verlauf der Lebensdauer verlieren LED-Module, bedingt durch chemisch-physikalische Veränderungen, an Leuchtkraft. Die Degradation über die Lebensdauer wird mit der Größe LX beschrieben. Die Größe LX gibt an, welcher Lichtstrom nach der Bemessungslebensdauer der LED-Module noch erreicht wird. Zum Beispiel L70 bei 50.000 Stunden heißt, dass nach 50.000 Stunden noch 70 % des Anfangslichtstroms erreicht werden.

Neben der Ausfallrate CZ steht auch der Fehleranteil BY in unmittelbarem Zusammenhang mit der Bemessungslebensdauer LX. Die Größe BY gibt den prozentualen Anteil der LED-Module an, die den Wert LX unterschreiten dürfen. Eine gängige Angabe ist B50. Danach dürfen 50 % der Module, zum Beispiel nach 50.000 Std., den Wert L70 unterschreiten.

Die Lebensdauer von LED-Modulen wird also unter Berücksichtigung des allmählichen (z. B. L70/B50) sowie des plötzlichen Lichtstromrückgangs (z. B. L0/C10) angegeben. Somit werden die Effekte der Alterung und des Totalausfalls eines LED-Moduls berücksichtigt

Lichtstrom

Der Lichtstrom in Lumen (lm) ist abhängig von der Höhe des Stroms im Betriebsgerät (Treiber). Gängige Treiberströme sind 350/500/700/1050 mA. Je höher der Treiberstrom, desto größer der Lichtstrom. Ebenso ist der Lichtstrom abhängig von der Lichtfarbe. Je "kälter" das Licht (hohe Farbtemperatur), desto größer der Lichtstrom.

Effizienz

Mit Effizienz wird das Verhältnis von Lichtstrom L in Lumen (lm) zur eingesetzten elektrischen Leistung P in Watt (W) bezeichnet. Zu beachten ist, dass bei der Leistung die Systemleistung (Leuchtmittel plus Betriebsgerät) und bei dem Lichtstrom die "warmen Lumen" (Lichtstrom bei Betriebstemperatur) herangezogen werden.

Eine optimierte Systemlösung bieten dabei aufeinander abgestimmte Komponenten. Kenngrößen der einzelnen Komponenten helfen dabei die richtige Auswahl zu treffen. Die Kenngrößen der LED-Treiber sind in erster Linie der Effizienzfaktor und der Leistungsfaktor. Dabei sollte die Effizienz > 0,85 und der Leistungsfaktor für Geräte mit einer Anschlussleistung > 25 W bei 0,9 liegen.

Lichtfarbe

Diese Einteilung ist festgeschrieben im "Photometrik-Code" und gilt für LEDs in gleichem Maße wie für Leuchtstofflampen. Beispiel: 830 steht für

8 = Farbwiedergabeindex (CRI) > 80,

30 = 3000 K. Wenn der Einsatz von "kälteren" Lichtfarben möglich ist, kann die Effizienz einer Beleuchtungsanlage weiter gesteigert werden.

Angaben in Kelvin (Farbtemperatur), z. B.

3000 K für Warmweiß

4000 K für Neutralweiß

5000 K für Kaltweiß

Farbwiedergabe

Zur Berechnung des Farbwiedergabeindex CRI sind 14 Testfarben definiert. Zur Berechnung des allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra werden allerdings nur die ersten acht Testfarben herangezogen.

Colour Rendering Index, CRI > 80

Dieser Wert repräsentiert einen Durchschnittswert, d. h. bei gleichem CRI können Abweichungen bei den einzelnen Farben Ri vorhanden sein. Je nach Sehaufgabe (Farberkennung bei Textilien, Bürotätigkeit, Arbeiten in einer Schaltwarte) sind die Anforderungen an die Farbwiedergabe sehr unterschiedlich.

Sind keine besonderen Bedingungen an die Farbwiedergabe gestellt, kann das zu Gunsten der Effizienz genutzt werden, da mit sinkendem CRI-Wert die Lichtausbeute steigt.

Farbtoleranz

MacAdam-Ellipsen dienen zur Bestimmung von visuellen Farbabweichungen.

Sie stellen die Flächen im Farbdiagramm dar, bei denen die Vergleichsfarben, um einen Bezugsfarbton herum, mit gleichem Abstand wahrgenommen werden (MacAdam: amerik. Physiker). Bis zu 3 MacAdam sind Farbtoleranzen praktisch nicht zu erkennen. Bei größeren Abweichungen werden Farbunterschiede sichtbar, die sich im Verlauf der Lebensdauer noch verstärken können.
Gut zu erkennen ist, dass die MacAdam-Ellipsen im grünen und gelben Bereich des CIE-Farbraums deutlich größer als im blauen oder violetten Bereich sind. Dieser Effekt zeigt, dass das menschliche Auge Farbdifferenzen bei grünen LEDs weniger bemerkt als bei blauen LEDs.

Binning

Fertigungsbedingt können durch kleinste Toleranzen bei LEDs Abweichungen des Lichtstroms und der Farbtemperatur hervorgerufen werden.
Um diese Abweichungen in Grenzen zu halten, werden die LEDs in Toleranzklassen eingeteilt (Binning). Somit hängt die Qualität unmittelbar von den festgelegten Toleranzgrenzen ab.

Thermisches Management

Sowohl die Lichtausbeute wie auch die Lebensdauer eines LEDModuls hängen entscheidend vom Thermomanagement ab.

Dabei wird die Wärme über Platine und Leuchtengehäuse abgeführt (= passive Kühlung). Eine großflächige, feste Verbindung von Leiterplatte und Gehäuse fördert die Wärmeableitung.
Bei manchen Leuchtenmodellen vergrößern Kühlrippen die Oberfläche und senken so die Temperatur, bei anderen Bautypen werden auch Luft- oder Wasser für eine aktive Kühlung genutzt.

Die Wärmeableitung ist ein wichtiges Qualitätskennzeichen der LED-Beleuchtung, denn ohne Kühlung würde sich die Lebensdauer auf wenige hundert Stunden verringern.

Lichtsteuerung

Grundsätzlich lassen sich LEDs dimmen. Als gängige Technologie hat sich die Pulsweitenmodulation (PWM) etabliert.
Für die bekannten Lichtsteuerungssignale 1–10 V, DALI, DMX sind Schnittstellen zur Umsetzung in ein PWM-Signal erhältlich bzw. werden integrierte Geräte angeboten.

Normen und Richtlinien

Sicherheit:

LED-Module für Allgemeinbeleuchtung

DIN EN 62031 (VDE 0715-5)

Hier sind die Anforderungen an die Sicherheit sowie Übereinstimmungsbedingungen und Prüfverfahren für LED-Module, mit und ohne eingebautem Betriebsgerät, festgelegt.

LED-Betriebsgeräte

IEC 61347-1 und IEC 61347-2-13

Hier sind die Anforderungen an die Sicherheit von Betriebsgeräten für LED-Module definiert.

Einheitliche Sprachregelung für die LED-Technologie

IEC 62504 (CDV Stadium)

Hier sind einheitlich Begriffe und Definitionen wiedergegeben, die dafür Sorge tragen sollen, dass in der LED-Technologie eine gleichartige Beurteilung auf der Grundlage eines einheitlichen Verständnisses erfolgen kann.

Vorgaben:

IEC/PAS 62717 (LED-Module) und IEC 62384 (LED Betriebsgeräte)

Lichttechnische Vorgaben sind in den technischen Fachausschüssen der CIE erarbeitet worden:

- Standards für LED Intensitäts-Messungen TC2-46 CIE/ISO

- Messung der optischen Eigenschaften von LED-Clustern und Arrays TC2-50

- Messung der Strahlung und Leuchtdichte von LEDs TC2-58

- Optische Messung von High-Power LEDs TC2-63

- Schnellprüfverfahren für LEDs TC2-64

Photobiologische Sicherheit von Lampen und Lampensystemen:

IEC 62471, DIN EN 62471 (VDE 0837-471)

Diese internationale Norm, die in Europa unter der Niederspannungsrichtlinie für Sicherheit geführt wird, beschreibt, auf welche Weise Lichtquellen, also auch LEDs, LED-Module und LED-Leuchten, gemessen und bewertet werden.

ZHAGA

Angesichts der weiterhin raschen Fortschritte in der LED-Technologie soll Zhaga, ein internationales Konsortium der Beleuchtungsindustrie, die Austauschbarkeit von Produkten verschiedener Hersteller ermöglichen.

Die Austauschbarkeit wird durch die Definition von Schnittstellen für eine Vielzahl anwendungsspezifischer Light Engines (Kombination LED-Module und Betriebsgeräte) erreicht.

Zhaga-Spezifikationen decken die physischen Dimensionen sowie die photometrischen, elektrischen und thermischen Parameter von LED-Light-Engines (LLE) ab.