LED – die Zukunft energieeffizienter Beleuchtung
a u .
m o c
. e d
a r nt
u s . w
w
w
®
Die Leuchtdiode (LED) ist nicht nur eine der energieeffizientesten Lampen, sie setzt auch gern Akzente im Lichtdesign. Die LED ist ein Halbleiter-Kristall, der durch Stromfluss zum Leuchten angeregt wird. Ein wenige Millimeter kleiner Kristall sitzt auf einem Reflektor, der das Licht punktgenau leitet. Der Reflektor mit dem Kristall ist auf einem Träger befestigt, der die elektrischen Kontakte enthält. Der Träger mit dem Kristall
a u .
und Reflektor ist in Epoxylharz eingegossen. LEDs erzeugen Licht in Farben, die vom
m o c
Kristall-Material abhängen. Z.B. weißes Licht
. e d
a r nt
w
w
u s . w
wird erzeugt, indem eine blaustrahlende Diode mit einem Leuchtstoff in weißes Licht verwandelt wird.
LED-Bauformen Die T-Type LED ist die ursprüngliche Bauform. Weil die Wärme bei dem geschlossenen Gehäuse schlecht abgeführt werden kann, ist sie nicht für hohe Lichtleistungen, sondern nur als Signal-/Bereitschaftsanzeige geeignet.
a u .
Bei der SMD Bauform „Surface Mounted Device“ wird das Bauteil
m o c
direkt auf die Leiterplatte geklebt. Hier gibt es die unterschied-
lichsten Leistungsbereiche. Bei vielen LEDs mit kleinen Einzelströmen
. e d
Vorwiderstände mit in der Leuchte untergebracht werden, können die Vorw können in Parallelschaltung (wie bei Halogenleuchten) an und diese könne
a r nt
LED-Trafos mit KKonstantspannung angeschlossen werden.
w
w
u s . w
Bauform einzelner LEDs mit hohen Leistungen (hier Bei der SMD Ba einer Leuchten-Entwicklung von 2003 mit einer Energieein Beispiel eine effizienz von ca. 50lm/W) müssen die Leuchten als Serienschaltung (nicht verwendete Steckplätze müssen mit Kurzschlusssteckern bestückt werden) an LED-Trafos mit Konstantstrom angeschlossen werden.
Bei den neuen High Power LEDs in SMD Bauform (hier ein Beispiel einer Leuchten-Entwicklung von 2008 mit einer Energieeffizienz von 80 bis 100lm/W) müssen die Leuchten auch als Serienschaltung (nicht verwendete Steckplätze müssen mit Kurzschlusssteckern bestückt werden) an LED-Trafos mit Konstantstrom angeschlossen werden. w rden. we
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Energieeffizienz Die Effizienz der LEDs wird ständig ver-
Energieeffizienz im Vergleich
bessert. Z. Zt. haben die besten Power-LEDs eine Effizienz von 120 Lm/W. Wir gehen
LED
davon aus, dass die Lichtausbeute weißer
Leuchtstofflampe T 5
LEDs in den nächsten Jahren noch weiter
Leuchtstofflampe T 8
gesteigert werden kann. Damit werden LEDs
Energiesparlampe E 27
in Zukunft auch für die Allgemeinbeleuch-
Energiesparlampe E 14
tung immer attraktiver. Die große Band-
Niedervolt-Halogen-Glühlampe
breite bei den LEDs erstreckt sich von den
Hochvolt-Halogen-Glühlampe
kleinen Signal-/Bereitschaftsanzeigen bis zu
Glühlampe
den neuesten High-Power-LEDs.
Lumen/W
0
Alterung und Lebensdauer
20
40
60
m o c
a u . 80
100
120
. e d
a r nt
u s . w
Die Lichtstärke einer unter konstanten
sich die Lebensdauer verlängert. Sie gehört
Leuchte. D.h. mit gleichen LEDs wird die
Bedingungen betriebenen Lumineszenzdio-
heute schon zu den wirtschaftlichsten
Lebensdauer der Leuchte erst durch die
de nimmt kontinuierlich ab. Die durch-
Leuchtmitteln, da Service-Einsätze und
Konstruktion, vor allem der Anbringung von
schnittliche Lebensdauer von LEDs ist sehr
Lampenaustausch nicht erforderlich sind.
Kühlflächen, bestimmt.
hoch. Das Ende der Lebensdauer einer LED
Die Konstruktion der Leuchte mit der
heißt nicht, dass die LED ausfällt, sondern
Möglichkeit, die Chiptemperatur der LED
die Helligkeit sich auf 70% bzw. auf 50% (je
abzuführen und damit niedrig zu halten, ist
nach Hersteller) der Anfangshelligkeit (neue
entscheidend für die Lebensdauer der
w
w
LED) verringert. Die Lebensdauer von LEDs wird stark verringert durch zu hohe Ströme und zu hohe Temperaturen. Totalausfälle
Lebensdauer verschiedener Leuchtmittel
sind sehr selten. Sie treten meist nur bei Überlastung und Fehlanschluss auf.
Glühlampe E14 / E27 Halogen Niedervolt (no name)
Bei LEDs, die nur zu Signalzwecken, z.B. als Bereitschaftsanzeige beim Fernseher (StandBy) eingesetzt werden, können Lebensdauern von über 100.000 Stunden (das entspricht 11½ Jahren ununterbrochener Leuchtdauer) erreicht werden. Eine LED, die zwischenzeitlich ganz ausgeschaltet wird, regeneriert sich in der Pause wieder, so dass
Halogen Niedervolt (Markenprodukt)
ca. 1.000 h 500 - 2.000 h 2.000 - 4.000 h
T5 (Ø16mm) Leuchtstofflampe (6-13W)
ca. 7.000 h
T2 (Ø 7mm) Leuchtstofflampe
ca. 8.000 h
T8 (Ø26mm) Leuchtstofflampe KVG Energiesparlampen
ca. 13.000 h 4.000 - 19.000 h
T8 (Ø26mm) Leuchtstofflampe EVG
ca. 20.000 h
T5 (Ø16mm) Leuchtstofflampe (14-80W)
ca. 24.000 h
LED (je nach Bauart, Ansteuerung, Kühlung...) 10.000 - 100.000 h und mehr
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„
“
Je kälter die Umgebung ist, um so effizienter ist die LED.
Temperaturen Am Chip Die Lebensdauer von LEDs wird stark verringert durch zu hohe Ströme und zu hohe
Temperaturen am Chip
Temperaturen am Chip. Ohne Kühlkörper
ARF, EH24, Flex
ca. 80° C
würde die Chiptemperatur bis zu 200° C
Eye
ca. 70° C
ansteigen und die LED wäre innerhalb
Stick/Twin-Stick
ca. 60° C
weniger Minuten defekt.
FlatLight
ca. 40° C
Im Strahlengang
m o c
Strahlung, darum sind sie besonders geeignet zur Bestrahlung wärmeempfind-
w
In der Umgebung
. e d
300 275
a r nt
250 200 175 150
u s . w
licher Objekte, wie z.B. Lebensmittel.
w
Temperatur der angestrahlten Fläche in ° C Mitte unter dem Leuchtmittel
Temperaturvergleich auf angestrahlten Flächen
LEDs entwickeln keine Wärme in der
125 100 75 50 25 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Abstand zur angestrahlten Fläche in cm Halogen ARF 20W
LED ARF 3x1W
Lichtstärkenvergleich im Verhältnis zur Umgebungstemperatur
Im Gegensatz zur Leuchtstofflampe erhöht
120
sich bei niedrigen Umgebungstemperaturen
110 100 Relative Lichtstärke in %
die Lichtstärke der LED.
a u .
90 80 70 60 50 40 30 20 10 -20
0
20
40
60
80
Umgebungstemperatur in °C LED
Halogenlampe
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Leuchtstofflampe
Was ist eigentlich Licht Zur Erklärung der meisten Phänomene lässt
bezeichnet, die vor allem angeben, wozu sie
z.B. Radio, bis zu den energiereichsten,
sich Licht als elektromagnetische Welle
verwendet werden.
ultraharten Röntgenstrahlen und den Gammastrahlen der Atomkerne. Das Spek-
definieren. Unser Empfinden für Farbe und Helligkeit bezieht sich auf elektromagne-
Der gesamte Frequenzbereich der elektro-
trum des sichtbaren Lichtes umfasst nur
tische Wellen, deren Frequenz im sichtbaren
magnetischen Wellen heißt elektromagne-
einen kleinen Bereich. Er liegt bei etwa 400
Bereich liegt. Wellen anderer Frequenzen
tisches Spektrum und erstreckt sich lücken-
nm (violett) bis 750 nm (rot).
haben keine Farbe. Sie werden mit Namen
los von den energieärmsten, langen Wellen,
a u .
Das für den Menschen sichtbare Spektrum des Lichts Ultraviolett 400 nm
Umgangssprachliche Bezeichnung
450 nm
Gammastrahlung
500 nm
Röntgenstrahlung
Länge (m)
-14
-13
-12
-11
-10
-9
-8
u s . w Lichtfarbe/Farbtemperatur w w 10
1000 K
10
2000 K
10
3000 K
10
4000 K
Lichtquelle
10
10
5000 K
10
6000 K
10
Infrarotstrahlung
a r nt -7
10
7000 K
m o c
600 nm
650 nm
. e d
Ultraviolettstrahlung
1 nm -15
550 nm
-6
10
8000 K
-5
10
-4
10
-3
10
700 nm
750 nm
Fernsehen Mittelwelle Hoch- Mittel- NiederLangwelle frequenz Kurzwelle
UKW
1 mm
Infrarot
Rundfunk
10
-2
Wechselströme
1m
1 cm
10
-1
0
10
1 km 1
10
2
10
10
3
4
10
5
10
12000 K
Farbtemperatur
Die Lichtfarbe wird in Kelvin (K) angegeben. Je niedriger der Kelvin-Wert, desto „wär-
Kerze
1.500 K
mer“ das Licht . Von gelb über orange zu
Glühlampe (40 W)
2.680 K
rot. Je höher der Kelvin-Wert, desto „kälter“
Glühlampe (100 W)
2.800 K
(bläulich wirkend) ist das Licht.
Halogenlampe
3.000 K
Die Farbtemperatur einer Lichtquelle ist die
Leuchtstoffröhre (Warmweiß)
3.000 K
Temperatur, die ein Material, z.B. der
Leuchtstoffröhre (Kaltweiß)
4.000 K
Glühdraht einer Lampe oder die Glut beim
Xenon-Lampe, Lichtbogen
4.500 - 5.000 K
Kaminfeuer haben müsste, damit dessen
Mittagssonne
5.500 - 5.800 K
Licht denselben Farbeindruck erweckt wie
Leuchtstoffröhre (Tageslicht)
5.600 - 7.000 K
die tatsächliche Lichtquelle.
Bedeckter Himmel
6.500 - 7.500 K
1°C = 273 K
Blauer Himmel
8.000 - 12.000 K
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2700°C = 2.973 K
Binnings (engl.: Klasseneinteilung): verschiedene „Weißtöne“ der LED Bei weißen Hochleistungs-LEDs sind
aufweisen. Je enger die Toleranzen gesetzt
Fertigungstoleranzen durch kleinste
werden, um so höher ist die Qualität von
Parameter-Schwankungen unvermeidlich.
Systemen, die aus mehr als einer LED
Um nicht nur Ausschuss zu produzieren,
bestehen.
werden die LEDs sortiert und entsprechend
Momentan ist es noch nicht möglich, gezielt
ihren Farbwerten und Wirkungsgraden
eine spezielle Farbtemperatur mit geringer
sortiert. Dementsprechend fallen alle in den
Toleranz herzustellen.
gleichen Behälter (Bin), die ähnliche Werte
Normfarbtafel
Beispiel Binnings weißer LEDs
0.9
0.41 520
0.39
530
0.8
540
510
CCT Bin 3
0.35
0.31
580 c1
0.4
u s . w
590
d1
b4 c0
a1
490
b2
b1
a0
0.2
w
480
0.1 470 460 450 380
0 0
0.1
0.2
0.29
600
b3
w 0.3
0.4
0.5
0.6
610 620 640 700 ~780
0.7
e.
enthält LEDs mit nahezu gleichen Farbwerten.
Planckkia i n (BBL)
“
V V0
Y0
WA
YA
0.27 0.25
0.25
0.30
0.35
0.8
Farbtemperaturen verschiedener LED-Leuchten von Hera Produkt
Typ
ARF, EH 24, Eye, Flexleuchte, Point, ON TOP, Futura Plus
Warmweiß
Farbtemperatur 3.050 - 3.200 K 3.200 - 3.450 K
Kaltweiß
4.750 - 5.000 K 5.000 - 5300 K
Stick, KB-12, Floor, EQ, ER, Q68, R68, DK 3, Vario
„
mEin Binning o c
W00
X X0
0.5
0.3
0.33
570
X1
CCT Bin 5
560 500
V1
CCT Bin 4
550
0.6
CCT CCT Bin 1
d a r t n
0.37
0.7
CCT CCT Bin 2
a u .
Warmweiß
3.100 - 3.500 K 3.250 - 3.600 K
Kaltweiß
5.150 - 5.650 K 5.200 - 5.650 K
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0.40
Spektrale Strahlungsverteilung verschiedener Lichtquellen
Farbwiedergabe (Ra) Die Farbwiedergabe ist ein wichtiges
Stufen des „allgemeinen Farbwiedergabe-
Qualitätsmerkmal von Licht.
Index“ Ra ausgedrückt werden. Eine
Eine Lichtquelle, deren Licht alle Spektralfar-
Lichtquelle mit Ra = 100 zeigt alle Farben
ben enthält, z. B. das Sonnenlicht, lässt die
optimal. Je niedriger der Ra-Wert ist, desto
Farben der beleuchteten Gegenstände
weniger gut werden die Farben wieder-
natürlich aussehen. Je nach Einsatzort und
gegeben.
Halogen, Ra = 100
Sehaufgaben sollte künstliches Licht eine möglichst korrekte Farbwahrnehmung
a u .
(wie bei natürlichem Tageslicht) gewährleisten. Der Maßstab dafür sind die Farbwiedergabe-Eigenschaften einer Lichtquelle, die in
m o c
Sonnenlicht, Ra = 100
. e d
Farbwiedergabe unterschiedlicher Lampen in Ra
a r nt
90 - 100
u s . w
70 - 89
< 70
Leuchtstoff T5 cw, Ra = 80-89
w
w
Farbwiedergabestufen (Ra) verschiedener Lampen Lampe
Farbwiedergabeindex
Halogenlampe
100
T5-Leuchtstofflampen
80 - 98
Kompaktleuchtstofflampen
80 - 90
LED – Leuchten ww (warm white)
80 - 90
LED – Leuchten cw (cool white)
70 - 80
T8-Leuchtstofflampen
LED cw, Ra = 70
50 – 60, selten auch 80
Quecksilberdampf-Hochdrucklampen (z.B. Straßenbeleuchtung)
40 - 59
Natriumdampf-Hochdrucklampen (z.B. Straßenbeleuchtung)
20 - 89
Natriumdampf-Niederdrucklampen (z.B. Tunnelbeleuchtung)
<20
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LED ww, Ra = 90
„
Je ausgewogener die roten, en, grünen und blauen Spektralanteile einer Lichtquelle sind, desto besser ist die Farbwiedergabe.
“
a u .
Die Farbwiedergabe wird im Handel auch
Je nach Sehaufgabe sollte das geeignete
zu gewährleisten, sollte jedoch auch in
Leuchtmittel anhand der Farbwiedergabe
Büros und Werkstätten ein Farbwiedergabe-
absichtlich verändert, um z. B. Fleischwaren
ausgesucht werden. In grafischen Betrieben
index von 80 nicht unterschritten werden. In
appetitlich rot erscheinen zu lassen.
werden die höchsten Ansprüche an die
Wohn- und Schlafräumen, wo farbliches
Schlechte Farbwiedergabe kann aber auch
Farbwiedergabetreue gestellt. Hier können
Sehen nicht im Vordergrund steht, darf man
unbeabsichtigt dazu führen, dass Produkte
nur Leuchtmittel mit einem Farbwiedergabe-
die Farbwiedergabe getrost vernachlässigen
wie z. B. Textilien im Geschäft anders
index eingesetzt werden, der deutlich höher
und die Leuchtmittel entsprechend der zu
aussehen als bei Tageslicht.
m o c
. e d
a r nt
u s . w
als 90 ist. Um gutes und entspanntes Sehen
erzeugenden Stimmung auswählen.
w
w
Fast alle weißen LEDs sind in der Praxis
Bei LEDs, die für spezielle Anwendungen z.B.
weiß). Das Ergebnis ist auch ein weißes
blaue LEDs mit Lumineszenzfarbstoff, z.B.
im Medizinbereich hergestellt werden,
Licht. Hier spricht man von additiver
Phosphor (gelb). Bei 99% aller LEDs für
verwendet man eine Farbmischung durch
Farbmischung. Der Aufwand hierfür ist
Beleuchtungszwecke wird diese Verfahrens-
RGB. Hier werden 3 verschiedene LED-Chips
höher, jedoch ist die Farbwiedergabe auch
weise gewählt. Sie ist relativ einfach in der
in einem Gehäuse vereint (rot-grün-blau =
besser. Sie liegt bei ca. Ra 95.
Herstellung, und es ergibt sich eine Farbwiedergabe von 70 -90 Ra (je nach Lichtfarbe).
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Vorteile von LEDs Vorteile von LEDs
Nachteile von LEDs
• hoher Wirkungsgrad = geringer
• relativ hohe Stückkosten
Energieverbrauch
• LEDs müssen für bestimmte Anwen-
• geringe Wärmeentwicklung
dungen farblich selektiert werden
• sehr lange Lebensdauer
(siehe Binning)
(keine Wartungskosten) • kleine Abmaße/Bauformen
• Farbwiedergabe kaltweißer LEDs ist nicht für alle Anwendungen ausreichend
a u .
• stoß- und vibrationsfest • kleine Spannungen (Schutzkleinspannung)
m o c
• kein UV-Lichtanteil/kein „Ausbleichen“ der angestrahlten Objekte
. e d
• keine IR-Strahlung/keine Erwärmung der angestrahlten Objekte • kein Flackern
a r nt
u s Einsatzgebiete der. LEDs – w Beispieleww • UV-freie Strahlung
• miniaturisiert – wenig Wärme
Museums- und Vitrinenbeleuchtung
Möbelleuchten
Bilderleuchten
Orientierungsleuchten
Kühlthekenbeleuchtung
Displays
Medizinische Leuchten • Farbmischung der LEDs • Erschütterungsunempfindlich
Stimmungsleuchten
Automobile
Gastronomie
Fahrradleuchten
Wellness
Arbeitsleuchten LKWs
• hohe Lebensdauer
Wohnmobile
Not- und Hinweisleuchten
Boote
Signalleuchten
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„
Besondere Leuchten benötigen auch besondere Trafos.
“
Betrieb von LEDs/Trafos Es ist nicht möglich, LED-Leuchten an
Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten,
Standard-Halogentrafos anzuschließen.
dieses zu realisieren – als Parallel- und
Alle LED-Typen werden generell mit
Reihenschaltung.
konstantem Strom versorgt: Chip/SMD LED
10 ... 30 mA
3mm/5mm LED
10 ... 50 mA
Power LED
350 ... 1500 mA
Parallelschaltung
• Wird verwendet bei vielen LEDs mit kleinen Einzelströmen
Stick, Floor, KB12, EQ, ER, Q68 und R68
m o c
Konstantspannung-Trafo: 12VDC/24VDC für LED
. e d
Konstantspannungstrafo
• Parallelschaltung der Leuchten wie bei Halogenleuchten
a r nt
• Der Regler bzw. die Vorwiderstände befinden sich mit in der Leuchte
u s . w
Reihenschaltung Konstantstrom-Trafo: 350mA
w
w
• Serienschaltung der Leuchten (nicht verwendete Steckplätze müssen mit
a u .
• Bei Hera z.B. folgende LED-Leuchten:
können nicht in der Leuchte unter-
• Bei Hera z.B. folgende LED-Leuchten:
gebracht werden, weil aufgrund des
ARF, EH 24, Eye, Flexleuchte, Point,
hohen Stromes dieser gekühlt werden
ON TOP
müsste (Platzproblem). • Wird verwendet bei wenigen Power LEDs mit hohen Betriebsströmen
Kurzschlusssteckern bestückt werden) • Der Regler bzw. die Vorwiderstände Konstantstromtrafo
Dimmen von LEDs Es gibt Trafos, die gedimmt werden können.
nur die Helligkeit veränderbar ist und man
Noch einfacher sind die Funk-Dimmer von
Allerdings ist dieses nicht so einfach wie
zusätzlich einen Ein-/Ausschalter für die
Hera zu installieren. Der Funkkontroller ist
beim Halogentrafo über Phasenan- oder
Primärleitung benötigt.
schon am Trafo montiert und die Fernbedie-
-abschnittdimmer möglich. Die dimmbaren
Die komfortablere Lösung ist der Anschluss
nung in Edelstahloptik kann bei Bedarf mit
LED-Trafos haben zwei weitere Steuer-
z.B. an einen speziellen 1-10V Unterputz-
der Wandhalterung flexibel paltziert werden.
leitungen für einen 1-10V Eingang.
dimmer, wobei dann die Steuerleitungen
An diese Steuerleitung kann man jetzt als
und die 230V Leitungen verlegt werden
einfachste Variante direkt einen Drehregler
müssen.
(Poti) anschließen, wobei dann aber darüber
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a u .
m o c
. e d
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u s . w
w
w
®
Hera GmbH & Co. KG Dieselstraße 9 · D-32130 Enger Postfach 440 · D-32124 Enger Telefon: +49 (0) 5224 911-0 Telefax: +49 (0) 5224 911-215 mail@hera-online.de www.hera-online.de Änderungen vorbehalten Stand 03/2010