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LED

BELEUCHTUNGMIT EINER NEUENLICHTQUELLEAusgabe 6, November 2015

DOSSIER

2 | ETAP 6. Ausgabe, November 2015. Neueste Version auf www.etaplighting.com

Vorwort

LEDs sind der neue Standard des Beleuchtungssektors. Auch wenn die Technologie allmählich das Ende der Entwicklungsphase erreicht, können wir unser Know-how in Sachen Lebensdauer, Materialien und Eigenschaften von LEDs täglich weiter ausbauen. Dieses Dokument bietet Ihnen wie gewohnt alle notwendigen Informationen, um in Bezug auf diese komplexe Materie auf dem Laufenden zu bleiben.

Sie möchten mehr über die Lebensdauer von LED-Leuchten erfahren? Sie fragen sich, was die neuesten Trends in Sachen Farbwiedergabe sind? Sie möchten wissen, welche gesetzlichen Bestimmungen in Bezug auf die fotobiologische Sicherheit bestehen? Antworten auf all diese Fragen erhalten Sie einmal mehr in der sechsten Ausgabe dieses LED-Dossiers. Updates haben wir für Sie am Seitenrand hervorgehoben. Die jeweils aktuellste Version dieser Publikation finden Sie auf unserer Website www.etaplighting.com.

6. Ausgabe, November 2015© 2015, ETAP NV

3 | ETAP6. Ausgabe, November 2015. Neueste Version auf www.etaplighting.com

BELEUCHTUNG MIT EINER NEUEN LICHTQUELLEINHALT 1. Die LED als Lichtquelle ................................................................................................................................................................................................ 4 1. Wie funktionieren LEDs? .................................................................................................................................................................................... 4 2. LED-Lichtquellen ................................................................................................................................................................................................... 5 3. Vorteile der LEDs ................................................................................................................................................................................................... 9 4. LED-Hersteller ......................................................................................................................................................................................................15 5. Die Zukunft der LEDs ........................................................................................................................................................................................15 6. OLEDs .......................................................................................................................................................................................................................15 2. Leuchten mit LEDs konstruieren ...........................................................................................................................................................................18 1. Chancen und Herausforderungen ...............................................................................................................................................................18 2. Die richtige Lichtverteilung ............................................................................................................................................................................19 3. Die Leuchtdichte unter Kontrolle .................................................................................................................................................................21 4. Intelligentes Wärme-Management .............................................................................................................................................................21 5. Binning für eine konstante Lichtqualität..................................................................................................................................................23 6. Elektrische Sicherheit ........................................................................................................................................................................................24 7. Veröffentlichung der korrekten Daten .......................................................................................................................................................25 8. Objektive Informationen zur Qualität ........................................................................................................................................................26 9. Fotobiologische Sicherheit .............................................................................................................................................................................27 10. LED-Röhren ........................................................................................................................................................................................................29 3. Spannungsversorgungen für LED-Leuchten ...................................................................................................................................................32 1. Qualitätskriterien für LED-Spannungsversorgungen ..........................................................................................................................32 2. Strom- und Spannungsversorgung im Vergleich..................................................................................................................................33 4. Beleuchtung mit LEDs - lichttechnische Aspekte .......................................................................................................................................35 1. Abnahme des Lichtstroms und Wartungsfaktor....................................................................................................................................35 2. Lebensdauer bei LED-Leuchten .....................................................................................................................................................................39 3. Integration energiesparender Systeme .....................................................................................................................................................41 5. Frage und Antwort.......................................................................................................................................................................................................43 Terminologie .........................................................................................................................................................................................................................44 Anlage 1: Wartungsfaktoren von LED-Produkten ...........................................................................................................................................46

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Kapitel 1: Die LED als Lichtquelle

1. WIE FUNKTIONIEREN LEDs?

LED steht für Light Emitting Diode. Eine LED ist ein Halbleiter (Diode), der Licht ausstrahlt, wenn Strom durch ihn fließt. Die Halbleiter-Materialien, die in LEDs eingesetzt werden, setzen elektrische Energie in sichtbare elektromagnetische Strahlung, also Licht, um.

Die Anregung des Halbleiters erfolgt dadurch, dass elektrischer Strom durch die Diode (genauer gesagt durch die Junction) fließt. Die Diode, durch die der elektrische Strom fließt, ist – wie alle Dioden – nur in eine Richtung wirkend: Es entsteht nur Licht, wenn der Gleichstrom in die „richtige“ Richtung fließt, nämlich von der Anode (positiver Pol) zur Kathode (negativer Pol).

Die Menge erzeugten Lichts verhält sich nahezu proportional zur Menge Strom, der durch die Diode fließt. Für Beleuchtungszwecke werden stromgeregelte Versorgungen (Konstantstrom) eingesetzt. (siehe Kapitel 3).

Die Kombination aus LED (Halbleiter), Gehäuse und der Primäroptik (Linse) nennen wir eine LED-Komponente. Sie umfasst und schützt die LED, sorgt dafür, dass die intern erzeugte Wärme verteilt wird und enthält ein primäres optisches System, eine kleine Linse, um das erzeugte Licht der LED zu sammeln und kontrolliert auszustrahlen.

Abb. 3: Aufbau einer LED-Komponente

Abb. 2: Einfluss des Stromes auf den Lichtstrom

sichtbaresLicht

Gleichstrom

Anode (+) Kathode (-)

norm

alis

iert

er L

icht

stro

m

Strom (mA)

PrimäroptikLED

Junction

thermisch leitende Schnittstelle

elektrischer Anschluss

Abb. 1: Funktionsprinzip einer LED


Die LED strahlt Licht in einem bestimmten Spektralbereich (monochromatisch) aus. Die Farbe des Lichts ist abhängig von dem Halbleiter-Material, das zur Herstellung verwendet wurde. Das können alle gesättigten Farben des sichtbaren Spektrums sein, von Violett und Blau über Grün zu Rot. Um mit LEDs weißes Licht zu erzeugen, gibt es zwei Möglichkeiten:

1. Bichromatisch- Die am häufigsten vorkommende Methode ist, ähnlich wie bei Leuchtstofflampen, eine blaue LED, mit einem

photoluminiszenten (leuchtenden) Material zu kombinieren, und so einen Teil des blauen Lichts (kurzwelliges, höher energetisches) in weißes (oder eher gelbliches) Licht (langwellig, nieder energetisch) umzuwandeln. Die Zusammensetzung der Leuchtstoffe bestimmt die Farbtemperatur des resultierenden Lichts (mehr über die Farbtemperatur später in diesem Kapitel).

2. Trichromatisch- Durch das Mischen verschiedenfarbiger LEDs der Farben Rot, Grün und Blau (RGB).- Durch Kombination weißer LEDs mit roten oder bernsteinfarbenen, nach dem gleichen Prinzip. Diese Technik ermöglicht

unterschiedliche Farbtemperaturen in einem einzigen Modul.

2. LED-LICHTQUELLEN

Es gibt viele Möglichkeiten, LED-Lichtquellen anzuwenden. Nach der internationalen Norm IEC 62504/CIE TC 2-66 (“Terminology of LEDs and LED assemblies”) werden die folgenden Integrationsniveaus unterschieden:

1. LED-Package oder LED-Komponente. Dies ist eine einfache Komponente, die aus einem oder mehreren LED-Chips besteht, möglicherweise mit Optik und thermischer, mechanischer oder elektrischer Schnittstelle.

Z. B.

2. LED-Modul. Eine LED-Lichtquelle, die sich aus mehreren LED-Komponenten zusammensetzt, montiert auf einer PCB (Leiterplatte) oder auch mit integrierter Elektronik.

Z. B.

3. LED-Lampe. Identisch mit einem LED-Modul, aber mit Lampenfassung

Z. B.

Bridgelux LED-Komponente

UM2-Leiterplatte (ETAP)

TG-Röhrenlampe

Cree XP-G LED-Komponente

TG-Spotlampe


4. LED-Light Engine. LED-Modul oder -Lampe mit Betriebsgerät, geeignet für den direkten Anschluss an die Netzspannung.

Z. B.

Um eine LED-Leuchte zu entwerfen, wählt ein Beleuchtungshersteller eines der vier Integrationsniveaus als Arbeitsgrundlage. Ausgehend von Niveau 1 bleibt die größte Freiheit, eigene Akzente zu setzen, sowohl bezüglich des Designs als auch hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der Lichttechnik. Beim Arbeiten mit den Niveaus 3 oder 4 ergeben sich andere Vorteile, wie logistische Möglichkeiten des Zulieferers und möglichst geringe Kosten. ETAP entscheidet sich bei jeder Produktreihe für das passende Niveau, je nach gewünschtem Endergebnis.

In den meisten Fällen (z. B. DUAL•LENS- oder LED+LENSTM-Leuchten) entwickelt ETAP Light Engines auf Basis von LED-Packages.

Bauformen bei LED-Packages

Innerhalb der Kategorie LED-Packages unterscheiden wir drei verschiedene Bauformen nach Leistung:

- Niedrigleistungs-LEDs ( 1W) - Hochleistungs-LEDs (1-10W) - Chip-on-Board (5-500W)

Bei Niedrigleistungs-LEDs (Abb. 4 - links) wird der LED-Chip zumeist in einem sogenannten „Leadframe“ (Leiterrahmen, siehe Abb. 5) untergebracht, um den anschließend ein Kunststoffgehäuse angebracht wird. Die zentrale Kavität ist mit einer Silikonschicht aufgefüllt, in der sich Phosphor befindet. Sowohl der Leadframe als auch das Gehäuse fungieren bei dieser Konstruktion für einen Teil des ausgestrahlten Lichts als Reflektor. Das ist auch der Grund dafür, warum die optischen Eigenschaften - u.a. Reflexionsleistung und Materialalterung - zu einem langfristigen Lichterhalt beitragen: Je besser das Material seine reflektierenden Eigenschaften behält, desto geringer der Leistungsverlust.

LED-Leuchte

2. LED-Modul

3. LED-Lampe

1. LED-Komponente 4. LED-Light Engine

Osram PrevaLED AC

Abb. 4: LED-Bauformen (v.l.n.r.): Kunststoffgehäuse, Keramikträger, Chip-on-Board


Die Wahl des Kunststoffs wird auf der Grundlage der optischen Eigenschaften abgewogen, aber auch auf der Grundlage des Preises und der Verarbeitbarkeit. Die meist verwendeten Materialien für das Gehäuse sind thermoplastische Materialien wie PPA (Polyphthalamide) und PCT (Polycyclohexylendimethylenterephthalat) sowie Duroplaste wie EMC (Epoxy Moulding Compounds) und in einigen Fällen sogar Silikon.

Die meisten Hochleistungs-LEDs (Abb. 4 - Mitte) bestehen aus einem LED-Chip, der auf einem Keramikträger angebracht ist. Darauf werden eine Phosphorschicht und eine Primäroptik angebracht, zumeist aus Silikon. Diese Bauform weist folgende Eigenschaften auf:

- eine gute Wärmeableitung zur PCB (geringerer interner Wärmewiderstand) - direkt ausgestrahltes Licht und wenig Reflektion - eine gute Farbstabilität über den gesamten Ausstrahlungswinkel

Abb. 5: LED-Leiterrahmen mit Kunststoffgehäuse (bei Niedrigleistungs-LED)

OBEN

Kunststoffgehäuse

Leiterrahmen

elektrische Kontakte

Wärmeableitung

Wärmeableitung und Reflektion (optional)

UNTEN

Silikonlinse

LED-Chip

Drahtverbindungen

Wärmeableitung

Keramikträger


Abb. 6: Aufbau einer Hochleistungs-LED

UP

DA

TE


Das Chip-Scale-Package (CSP – siehe Abbildung 7) ist eine Miniaturisierung der (Niedrig- oder Hoch-) Leistungs-LED. Dieses LED-Package verfügt über ein minimales Gehäuse und ist besonders kompakt: Sowohl Chip als auch Träger sind nur 1 mm2 groß. In Zukunft werden wahrscheinlich noch kleinere Formen konzipiert (0,5 mm2).

Träger

(Keramik oder Aluminium) LED-Chips

reflektierende Schicht

Damm

Drahtverbindungen

elektrischer

Anschluss

OFFEN

Silikon +

Phosphor

GESCHLOSSEN

Bei Chip-on-Board-Technologie (COB; Abb. 4 - rechts) werden mehrere Chips zusammen auf einem Träger angebracht und miteinander elektrisch verbunden. Darauf wird eine Silikon-Deckschicht mit Phosphor aufgebracht. Der Träger besteht zumeist aus einem keramischen Material oder aus hochreflektierendem (poliertem) Aluminium.

Abb. 8: Aufbau Chip-On-Board-Technologie (COB)

Abb. 7: Aufbau eines Chip-Scale-Package

Silikonschicht mit Phosphor


(keramischer) Träger

LED-Chip

Schutzdiode

OBEN UNTEN

thermischer Kontakt

Der Verlauf der optischen Eigenschaften in Bezug auf die Zeit unter Einfluss von Licht und Wärme wirkt sich in hohem Maße auf den Wartungsfaktor von LEDs aus. Die Stabilität ist für die Hochleistungskomponenten (z. B. High Power und COB) optimal und für die Niedrigleistungs-LEDs aus Kunststoff geringer. Aufgrund des intelligenten Designs liefern Niedrigleistungs-LEDs ebenfalls ein gutes Ergebnis.

1

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20000 30000 40000 50000* 60000 60

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70 80 90 100 110 120

B50/L70LED = 18x Cree XP-G2 4000K @ 350 mA


3. VORTEILE DER LEDs

VORTEIL 1: LANGE NUTZUNGSDAUER

Die Nutzungsdauer der LEDs wird stark durch die spezifischen Einsatzbedingungen beeinflusst, wobei der Strom und die Innentemperatur (und somit auch die Umgebungstemperatur) die wichtigsten Faktoren sind. Typischer Weise wird von einer Lebensdauer von 50.000 Stunden ausgegangen. Darunter verstehen wir die Zeitspanne in der der durchschnittliche Lichtstrom auf 70% seines Ausgangswertes zurück geht (siehe Abb. 8). Diese Lebensdauer gilt unter der Bedingung, dass die LEDs innerhalb der vorgegebenen Temperaturgrenzen (meist 80-85°C) verwendet werden. Werden qualitativ hochwertige LEDs in Kombination mit einem professionellen Leuchtendesign verwendet, dann kann dieser Wert auch deutlich höher liegen (siehe Kapitel 4).

Nutzbare LED-LebensdauerBei der Bestimmung der LED-Lebensdauer muss zwischen parametrischen Fehlern (Leistungsverlust) und totalem Versagen (LED strahlt kein Licht mehr aus) unterschieden werden. Wenn sich Hersteller auf eine Lebensdauer von L70 beziehen, dann ist damit die Zeit gemeint, in der die Leistung eines bestimmten Prozentsatzes der LEDs auf 70% des ursprünglichen Lichtstroms absinkt. Dieser Prozentsatz wird mit B bezeichnet, also zum Beispiel B50 = 50%. Bei dieser Art der Bestimmung der Lebensdauer werden jedoch nicht alle potenziell möglichen LED-Ausfälle berücksichtigt; einige andersartige Ausfälle werden deshalb im Testergebnis nicht angegeben. Für den Nutzer ist jedoch jede defekte LED, unabhängig vom Ausfallgrund, wichtig. Wenn man bei der Bestimmung der Lebensdauer auch die möglicherweise fehlerhaften oder defekten LEDs mit einbezieht, dann spricht man von der „F“-Definition der Lebensdauer, die typischerweise niedriger ist, als die „B“-Definition der Lebensdauer. Zum Beispiel zeigt L70F10 die Zeitspanne, innerhalb derer 10% der LEDs auf weniger als 70% des ursprünglichen Lichtstroms absinken oder aus einem anderen Grund versagen. Internationale Standards und Empfehlungen sind daher bestrebt, die “F“-Definition für die Lebensdauer der LEDs zu verwenden, oder sogar verbindlich vor-zuschreiben. ETAP gibt keinen L70/B50-Wert für Leuchten an, weil dies keine brauchbare Angabe für Beleuch tungsberechnungen ist. Wir gehen von der angenommenen Anzahl Betriebsstunden aus (projektabhängig) und berechnen daraus den Lampenlichtstromwar-tungsfaktor. Bei Büroanwendungen rechnen wir standardmäßig mit 25.000 Betriebsstunden, bei Industrie anwendungen mit 50.000 (siehe auch Anhang 1).

LEDs haben eine lange Lebensdauer, sind aber empfindlich gegen zyklische thermische Spannungen und chemische und elektrostatische Einflüsse.Das Berühren von LED-Platinen ist darum unbedingt zu vermeiden. Das Gleiche gilt für das direkte Anschließen von LEDs an eine Stromversorgung, die bereits unter Spannung steht, da die auftretenden Spannungsspitzen die LED völlig zerstören können.

Abb. 9: Abnahme des Lichtstroms in Abhängigkeit zur Zeit

Abb. 10: Typische Werte für die nutzbare Lebensdauer(vereinfacht dargestellt)

Abb. 11: Einfluss der Junction-Temperatur auf die Lebensdauer

rela

tiver

Lic

htst

rom

(%)

Zeit (h x 1000)

Halogenlampe

Kompakt-Leuchtstofflampe

Kompakte Metalldampflampe (CDM-T)

Quecksilber-Hochdrucklampe

Lineare Leuchtstofflampe

LED

Stunden

Betr

iebs

stun

den

(in 1

.000

Std

.)

LED Junction-Temperatur Tj (°C)

ETAP-Anwendung mit High Power LEDs

Chip-on-Board Mid Power LEDs

* Basierend auf mind. 10.000 Stunden Messdaten (TM-21)

2015

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40

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2010 2011 20132012 2014

140

2016

0 20 40 60 80 100 120 140

20 40 60 80 100 110 120

140 lm/W

111 lm/W

89 lm/W

87 lm/W

129 lm/W

120 lm/W

U7/R7 (G1)U7/R7 (G2)

U7/R7 (G3)

D4 (G1)

D1 (G1) D4 (G2)

D4 (G3)

R8

UP

DA

TE


VORTEIL 2: HOHE ENERGIEEFFIZIENZ MÖGLICH

Kaltweiße LEDs mit einer Farbtemperatur von 5.000 K (Kelvin) erreichen heute unter Laborbedingungen schon mehr als 180 lm/W. LEDs mit einer geringeren Farbtemperatur von 2.700 bis 4.000 K (die am meisten für Beleuchtungsanwendungen in Europa verwendet werden) haben durchgängig eine geringere Effizienz. Bei diesen Farbtemperaturen sind heutzutage Wirkungsgrade von 130 lm/W und mehr im Handel erhältlich.

Diese Kurve basiert auf den realen Leistungen der LEDs in konkreten Anwendungen. Diese Unterschiede der Herstellerdaten sind auf die produktionsspezifische elektronische Steuerung und auf das thermische Verhalten zurückzuführen.

Abb. 12: Entwicklung des spezifischen Lichtstroms der LED-Leuchten bei 3000 K,mit Angabe unterschiedlicher Generationen (G1-2-3) des jeweiligen ETAP-Produktes

bei einer Junction-Temperatur im normalen Gebrauch („heisse“ Lumenwerte)

T5 High Output ECO (bei 35°C)

Lumen/Watt

Leuchtstofflampe mit Vorschaltgerät (90%)

Leuchte mit Leuchtstofflampe (inklusive HRSilverTM-Reflektor)

Lumen/Watt

LED Pulstest bei 85°, vergleichbar mit Werten in der Praxis

LED mit Treiber (92%)

LED-Leuchte inklusive Optik und Linse

Spez

ifisc

her L

icht

stro

m (l

m/W

)

Spezifischer Lichtstrom (lm/W)Die Lichtausbeute gibt das Verhältnis zwischen Lichtstrom und Leistungsaufnahme an. Ebenso wie bei Leuchtstofflampen muss zwischen der Lichtausbeute der Lichtquelle (LED-Komponente, gemessen bei 25° oder 85°C Junction-Temperatur und mit standardmäßigem Steuerstrom) und der einer Leuchte, einschließlich Betriebsgerät und Optik, unterschieden werden.Zur Veranschaulichung ein Beispiel von U7 mit LED:

Zum Vergleich: Die leistungsfähigste Reflektorleuchte U5 mit Leuchtstofflampe 1x 32 Watt

Abb. 13: U7

Abb. 14: U5-Reflektorleuchte

Anders als bei Leuchtstofflampen wird der Wirkungsgrad einer LED-leuchte durch die Gesamtheit der Konstruktionsmerkmale bestimmt: Stromdichte, Optik und Wärmehaushalt. Während die Lampen bei Leuchtstofflampen stets für eine Betriebstemperatur von 35° konzipiert sind (Einfluss des Wärmehaushalts = 1) und die Ansteuerung stets nominal ist (34W-Lampen werden mit 34W angesteuert, somit Einfluss der Ansteuerung = 1), wird der Wirkungsgrad bei LED-Beleuchtung sehr stark von der Leuchtenkonstruktion bestimmt.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

2016-2018

1,000

2,000

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0.00.0

0.1

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y

x

520

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7000.0

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6000

Tc (°K)5000

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2000 1500

Blue Led chipPhosphor 6000KPhosphor 3000K


LEDs mit einer hohen Farbtemperatur, also mit kälterem Licht, besitzen einen höheren Wirkungsgrad als die gleichen LEDs mit einer niedrigeren Farbtemperatur. Der Leuchtstoff, der gebraucht wird, um die warmweiße Farbe zu erzeugen, enthält nämlich mehr Rot und die Effizienz dieser roten Komponente ist geringer, als die der gelben. Dadurch nimmt der Gesamtwirkungsgrad der LEDs ab.

Zum Vergleich:

Vorteil 3: Gute Farbqualität, Wahl der Farbtemperatur

Farbtemperatur

Die Farbtemperatur einer Lichtquelle für weißes Licht ist definiert als „die Temperatur eines definierten schwarzen Körpers, von dem das ausgestrahlte Licht den selben Farbeindruck wiedergibt, wie die Farbe der betreffenden Lichtquelle“. Die Farbtemperatur wird in Kelvin (K) ausgedrückt. Blaues Licht hat eine höhere Farbtemperatur und wird daher als „kälter“ empfunden, als Licht mit einer geringeren Farbtemperatur.

Es gibt verschiedene Unterteilungen und Benennungen, jede mit Verweis zu den erkennbaren Farbtemperaturen:

Bei weißem Licht von RGB-LEDs (in denen die Farben Rot, Grün und Blau gemischt werden) sind alle Farbtemperaturen möglich, jedoch ist die Steuerung und Kontrolle im Laufe der Zeit komplex, da alle drei Farben eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit haben. Daher werden diese seltener für Beleuchtungszwecke eingesetzt.

Bei LEDs mit Lumineszenz-Konversion wird die Farbtemperatur durch die Wahl des Leuchtstoffs bestimmt.

Abb. 15: Typische Werte für die Effizienz verschiedener Lichtquellen

Abb. 16: Benennung von Farbtemperaturen Abb. 17: Erzeugung von weißem Licht durch Leuchtstoff

OLED

LED

Metalldampflampe

Leuchtstofflampe

Quecksilber-Hochdruck-Gasentladungslampe

Halogenlampe

Glühlampe

lm/W

Nordlicht (blauer Himmel)

bewölkter Tag

Mittagslicht, direktes SonnenlichtElektronisches Blitzlicht

konventionelle Glühlampefrüher SonnenaufgangGlühlampenlichtKerzenlicht

Blaue LED

0.56

0.48

0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32

0.49

0.50

0.51

0.52

0.53

0.54

0.55

3000K CCT

UP

DA

TE


Wie verhält sich das bei der Sicherheitsbeleuchtung?Bei der Sicherheitsbeleuchtung setzt ETAP ausschließlich LEDs mit hohen Farbtemperaturen ein. Sie sind effizienter und benötigen aus diesem Grund weniger Akku-Kapazität. Darüber hinaus reagiert das menschliche Auge bei schlechten Lichtverhältnissen sensibler auf bläuliches Licht.

Farbqualität

Die Farbqualität wird einerseits durch „Color Fidelity“ (Bereich <0 - 100) und andererseits durch „Color Gamut“ (GAI, Bereich 0 - 100) bestimmt. Die „Color Fidelity“ einer Lichtquelle – quantifiziert durch einen Farbwiedergabe-Index Ra (CRI – Color Rendering Index) – gibt die Zuverlässigkeit der Farbwiedergabe eines von der Lichtquelle beleuchteten Objekts an. Um zu diesem Index zu gelangen, vergleichen wir die Farbwiedergabe der von der Testlichtquelle beleuchteten Objekte mit der Farbwiedergabe derselben, von einer Referenzlichtquelle beleuchteten Objekte (schwarzer Strahler mit derselben Farbtemperatur).

Der Farbwiedergabe-Index von LEDs ist mit dem von Leuchtstofflampen vergleichbar und variiert zwischen 60 und 98.

• Für normale Beleuchtungsanwendungen in Warmweiß oder Neutralweiß verwendet ETAP LEDs mit einer Farbwiedergabe von 80 (gemäß Norm NEN-EN 12464-1).

• Für batteriegespeiste Sicherheitsbeleuchtungssysteme ist der Wirkungsgrad wichtiger als die Farbwiedergabe (hier ist eine minimale Farbwiedergabe von 40 erforderlich). Deshalb verwenden wir bei der Sicherheitsbeleuchtung hocheffiziente kaltweiße LEDs mit einer Farbwiedergabe von ca. 70.

Bei weißen LEDs wird der Farbwiedergabe-Index durch die Zusammensetzung des lumineszenten Materials (Phosphor) bestimmt.

Zum Vergleich: Leuchtstofflampe: Ra von 60 bis 98 LEDs: Ra von 60 bis 98 Glühlampe: Ra von 100 CDM: Ra von 80 bis 95 Natriumlampe: Ra von < 0

Color Gamut verweist auf das Farbspektrum, das ein Gerät oder eine Lichtquelle reproduzieren kann, und wird durch den Gamut-Area-Index (GAI) angegeben. Je größer oder breiter der Gamut, desto reicher die Farbpalette und desto besser die Wiedergabe der gesättigten Farben.

Gamut Area ReferenzlichtquelleGamut Area getestete Lichtquelle

Schwarze Strahlungskurve

Abb. 18 Beispiel eines GAI für ein „Vibrant white“-Modul (3000 K rosafarbenes weißes Licht). (Quelle: Xicato)

-30,0 -25,0 -20,0 -15,0 -10,0 -5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0

90,085,080,075,070,065,060,055,050,045,040,0

95,0100,0105,0110,0115,0

0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

140,0

120,0

UP

DA

TE


Die rote Linie der vorhergehenden Abbildung zeigt die IEC-Farbkoordinaten einer Referenzlichtquelle (3000 K) – die blaue Linie zeigt die Farbkoordinaten der Testquelle. Während CRI/Ra ein Maß für die durchschnittliche Abweichung zwischen den blauen und roten Punkten ist, ist GAI das Verhältnis der Flächen zwischen den blauen und roten Polygonen. In diesem Beispiel ist der GAI größer als 100, was bedeutet, dass die Testquelle eine reichere Farbpalette wiedergibt als die Referenzlichtquelle. Ra ist per Definition kleiner als 100. Ein hoher CRI garantiert nicht immer einen hohen Gamut. Und umgekehrt schließt ein niedriger CRI keine gute Farbqualität aus — dank eines hohen Gamut-Werts.

Seit kurzem beschäftigt man sich in zunehmendem Maße mit Lichtqualität und Farbwiedergabe von LED-Beleuchtung. Vor allem im Einzelhandel halten neue Trends wie „Specialty Whites“ Einzug. So besteht bei einigen Geschäften Nachfrage nach weißverstärkender Beleuchtung (mit zusätzlich Blau als Weißmacher – z. B. Philips Crisp White) oder bei Bekleidungsgeschäften nach Beleuchtung mit Rosatönen (z. B. Xicato Vibrant White), für eine akzeptiertere Farbqualität.

Vorteil 4: Stabile Leistung über einen großen Temperaturbereich

Im Vergleich zu Leuchtstofflampen sind LEDs weniger empfindlich für die Umgebungstempe-ratur. Während der relative Lichtstrom bei Leucht-stofflampen bei Umgebungstemperaturen über oder unter 25°C drastisch abnimmt, zeigen LEDs nur eine allmählich Abnahme bei höheren Um-gebungstemperaturen. Dies ist ein wichtiger Vor-teil in Umgebungen mit außergewöhnlichen Temperaturen (< oder > 25°C) oder bei starken Temperaturschwankungen (z. B. in der Industrie).

Nichtsdestotrotz ist das thermische Konzept von großer Bedeutung: Ein durchdachter Tempera-turhaushalt ist äußerst wichtig, um eine maxi-male Lebensdauer und Lichtleistung zu erreichen (siehe auch Kapitel 2.4).

Vorteil 5: Unmittelbare Lichtleistung beim Einschalten

Leuchtstofflampen geben unmittelbar nach dem Starten noch nicht den vollen Lichtstrom ab. LEDs dagegen reagieren sofort auf Veränderungen in der Stromzufuhr. Unmittelbar nach dem Einschalten erreichen sie den maximalen Lichtstrom. Sie sind daher auch sehr gut für Bereiche geeignet, in denen oft geschaltet wird und das Licht oft nur kurze Zeit leuchtet.

Das gilt auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen, in denen LEDs sogar noch besser funktionieren. Von diesem Vorteil macht zum Beispiel die E1 mit LED für Tiefkühlanwendungen Gebrauch. Darüber hinaus können LEDs – im Gegensatz beispielsweise zu CDM-Lampen – auch ohne Probleme wieder eingeschaltet werden, obwohl sie noch warm sind. Auch häufiges Schalten hat in der Regel keinen negativen Einfluss auf die Lebensdauer der LED.

Rela

tiver

Lic

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rom

%

Abb. 19: Einfluss der Umgebungstemperatur auf den relativen Lichtstrom

Abb. 20: Vergleich des Startverhaltens von LEDs und Leuchtstofflampen bei -30°C

Rel.

Lich

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0°C

(%)

LED

LEUCHTE MIT ANGEPASSTEN LEUCHTSTOFFLAMPEN UND VORSCHALTGERÄT FÜR KÜHLRÄUME

LEUCHTE MIT LEUCHTSTOFFLAMPE MIT VORSCHALTGERÄT FÜR KÜHLRÄUME

Zeit (h:mm)

fluorescentielamp

led

100,0

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0,00% 20% 40% 60% 80% 100%

500mA

400mA

300mA

200mA

UP

DA

TE


Vorteil 6: Gut dimmbar über eine große Bandbreite

LEDs können sehr effizient und über eine große Bandbreite hinweg gedimmt (nahezu von 0% bis 100%), oder dynamisch angesteuert werden. Dies kann auf Basis standardisierter Dimm-Methoden wie DALI, 1-10 V oder TouchDim erfolgen.

Die Dimmverluste von LEDs im unteren Dimmbereich sind vergleichbar mit den Verlusten bei Leuchtstofflampen mit modernsten dimmbaren Vorschaltgeräten. Bei vollständigem Dimmen ist die restliche Leistungsaufnahme praktisch vernachlässigbar. Daher eignen LEDs sich hervorragend zur Integration in programmierte, dynamische Regelsysteme.

Abb. 21: Effekt der Dimmung auf die Leistung

Ener

giev

erbr

auch

(W)

Dimmstufe (%)

Wirkungsgrad und Lichtausbeute sinken in der Regel bei niedrigeren Leistungen. So sind Downlights mit einer Leistungsaufnahme von weniger als 20 W im Allgemeinen weniger effizient als Leuchten von 40 W oder höher.

Vorteil 7: Umweltfreundlichkeit

LCA-Studien* (Life Cycle Analysis Studien – sie betrachten die ökologischen Auswirkungen eines Produktes von der Herstellung bis zum Recycling und zur Wiederverwertung) zeigen, dass LEDs im Vergleich zu anderen Lichtquellen das Potential haben, in der Zukunft den kleinsten ökologischen Fingerabdruck zu hinterlassen. Obendrein enthalten sie kein Quecksilber, wie es z. B. bei Leuchtstofflampen der Fall ist.

* Assessment of Ultra-Efficient Lamps; Navigant Consulting Europe; 5. Mai 2009.

Vorteil 8: Keine IR- oder UV-Strahlung

LED entwickeln keine ultavioletten (UV-) oder infraroten (IR-) Strahlen.* Das macht sie sehr geeignet für Anwendungen, in denen solche Strahlungen vermieden werden sollten, wie zum Beispiel Museen, Lebensmittel- oder Bekleidungsgeschäfte.

Die LED selbst erzeugt zwar Wärme, aber die wird nach hinten, von dem zu beleuchtenden Objekt weg, geleitet (hierauf kommen wir noch zurück – siehe Kapital 2 .4). Auch das ausgestrahlte Lichtbündel stellt Energie dar, die bei Absorption in Wärme umgesetzt wird.

* Das Gehäuse selbst generiert IR-Strahlung (durch die Wärme).


4. LED-HERSTELLER

Bei ETAP nutzen wir eine Reihe von Kriterien, um die Hersteller auszuwählen, mit denen wir zusammen arbeiten können. Die wichtigsten Kriterien sind: Leistungsfähigkeit, Preis, Dokumentation (nachweisbare Daten mit Bezug auf die aktuellen Normen) und langfristige Verfügbarkeit (wichtig für die Kontinuität in unserer Leuchten-Produktion).

ETAP arbeitet, je nach Plattform, mit verschiedenen Lieferanten zusammen, wobei die oben genannten Anforderungen zu Grunde gelegt werden.

5. DIE ZUKUNFT DER LEDs

Die LED-Technologie erreicht allmählich das Ende der Entwicklungsphase.

• Der spezifische Lichtstrom der LEDs nimmt immer noch zu. Heute lassen Sie in Sachen Lichtleistung Halogen-, Glüh- und Leuchtstofflampen weit hinter sich. Im Hinblick auf Effizienz und/oder spezifische Leistung übertreffen LED-Leuchten selbst die effizientesten Lösungen mit Leuchtstofflampen bei weitem. Man kann in etwa sagen, dass in den vergangenen Jahren der Preis für das gleiche Lumenpaket um 25% zurückgegangen ist, oder dass man für den gleichen Preis 10% mehr Lichtausbeute erhält. Momentan wird jedoch ein Limit bei 200 bis 240 lm/W für warme Farben erwartet.

• Neue Technologien werden noch stets entwickelt, um langfristig Farbqualität und Kosten zu optimieren.• Es gibt eine immer bessere Kontrolle der Farbe und somit ein engeres Farben-Binning, wodurch immer mehr Hersteller sogar nur

noch ein Bin anbieten (3 SDCM). (Weitere Informationen zum Binning in Kapitel 2.5)

6. OLEDS

OLED steht für Organic Light Emitting Diode. Wie der Name bereits sagt, handelt es sich dabei um eine Variante der traditionellen LED. LEDs basieren auf kristallinem, anorganischem Material (z. B. Galliumnitrid), wohingegen OLEDs organische Makromoleküle auf Basis von Kohlenwasserstoffverbindungen nutzen, um Licht zu erzeugen.

OLEDs in verschiedensten Formen (z.B. Philips Lumiblade)

UP

DA

TE


Punkt contra Oberfläche

Der Unterschied zwischen OLED und LED besteht aber nicht nur im Material, sondern auch in der Art der Beleuchtung. Während die LED eine typische Punktlichtquelle ist, werden OLEDs eingesetzt, um Licht über eine vorgegebene Oberfläche zu verteilen. Konkret werden die organischen, lichterzeugenden Teilchen in einer hauchdünnen Schicht auf einer Platte aus Glas oder einem anderen transparenten Material aufgebracht und mit einer Kathode und einer Anode verbunden. Diese Schicht leuchtet auf, wenn an Kathode und Anode Spannung angelegt wird. Durch eine Kombination der entsprechenden Materialien können OLEDs Licht in einer bestimmten Farbe erzeugen.

TFE (Thin Film Encapsulation)

Metallkathode organische Schicht

transparente Anode

Glasträger

Licht

Abb. 22: Aufbau einer OLED

OLED Roadmap

Jahr 2015 2016 2018

Spezifischer Lichtstrom 50 lm/W 90 lm/W 120 lm/W

Lebensdauer (L70 @ 3 000 cd/m2) 20 000 u 40 000 u 60 000 u

Helligkeit 3 000 cd/m2 4 000 cd/m2 5 000 cd/m2

Lichtausbeute 10 000 lm/m2 15 000 lm/m2 20 000 lm/m2

Farbwiedergabe (CRI) > 90 > 92 > 95

Max. Abmessungen 150*150 mm 320*320 mm 400*400 mm

Abb. 23: Aktuelle und erwartete Leistung von OLEDs (Quelle: LG)

Komplementär zur LED

Aus diesem fundamentalen Unterschied zwischen LED und OLED wird sofort klar, warum die beiden Technologien als komplementär angesehen und auch in Zukunft nebeneinander Verwendung finden werden. OLEDs produzieren ein diffuses und gestreutes Licht über eine bestimmte Oberfläche, wohingegen LEDs sich perfekt zur Erzeugung von Lichtbündeln eignen, die dann ausgerichtet und verteilt werden können. Die OLEDs als Oberflächen-Lichtquelle mit einer perfekt gleichmäßigen Ausleuchtung eignen sich natürlich äußerst gut für Anwendungen wie Rettungszeichenleuchten. Außerdem sind sie auch vielversprechend für Anwendungen in der allgemeinen Beleuchtung, wie zum Beispiel als lichtspendende Flächen.

Leistungsfähigkeit

Die OLED-Technologie befindet sich heute noch in der Entwicklung. Hinsichtlich Leistung und Lebensdauer können sie heute sicher noch nicht mit LEDs mithalten. So erzielen OLEDs eine Lichtleistung von 60 lm/W im Vergleich zu 160 lm/W bei LEDs. Für den Einsatz in Rettungszeichenleuchten sind sie allerdings schon nah genug an der Leistung von LED-Produkten, da sie für diese Art der Anwendung naturgemäß einfach besser geeignet sind. Genau wie bei den LEDs wird erwartet, dass die Leistung von OLEDs durch neue Entwicklungen noch stark zunimmt.


Auch die Oberfläche, die mit einem einzigen OLED-Modul beleuchtet werden kann, befindet sich noch in der Entwicklung. Bei Fernsehern besteht der Bildschirm aus verschiedenen OLED-Pixeln, weil dort die Bildauflösung eine Rolle spielt. Bei Beleuchtungsanwendungen haben wir hingegen das Ziel, mit einem Modul eine möglichst große Oberfläche auszuleuchten. Die Vorteile dabei sind, dass wir diese einfach ansteuern können und kein Verpixelungs-Effekt entsteht. Heute sind Lichtpaneele mit einer Größe von 15 cm x 15 cm bereits standardmäßig erhältlich, in der Zukunft gehören Oberflächen von bis zu 1 m2 sicher zu den Möglichkeiten.

Der Einsatz von organischen Materialien – die relativ schnell altern und sehr empfindlich gegen Luft und Feuchtigkeit sind – hat eine relativ begrenzte Lebensdauer zur Folge. Heute geht man von 20.000 Betriebsstunden aus (bei um 30 % verringerter Lichtleistung und einer kontinuierlichen Ansteuerung von 3 000 cd/m2). Die Weiterentwicklung der verwendeten Materialien, Schutzschichten und Produktionstechniken wird hier große Verbesserungen mit sich bringen.

Flexibel und transparent?

Heute werden OLEDs noch fast ausschließlich auf Glas befestigt. Die Forschung konzentriert sich jetzt aber auf die Möglichkeiten, wie OLEDs auf flexiblere Materialien aufgebracht werden können, um verformbare Beleuchtungspaneele zu ermöglichen. Damit würde jede Oberfläche – ob eben, gebogen oder sogar elastisch – zur potentiellen Lichtquelle. Stellen Sie sich leuchtende Wände, Möbel, Gardinen oder Kleidungstücke vor.

Ein anderer Forschungsbereich ist die Entwicklung von transparenten OLED-Paneelen. Derzeit bilden nicht leuchtende OLEDs noch eine reflektierende Oberfläche. Transparente Paneele könnten dann zum Beispiel tagsüber als Fenster fungieren und bei Dunkelheit für eine angenehme Beleuchtung sorgen. Das macht die OLEDs zu einer besonders vielversprechenden Beleuchtungstechnologie mit nahezu endlos vielen Anwendungsgebieten.

K4, Rettungszeichenleuchtenreihe mit OLED

OLEDs als interaktiver Spiegel

ETAP führt die OLED-Technologie in die Sicher heitsbeleuchtung ein

Ende 2013 hat ETAP als Erster eine Rettungszeichenleuchte auf der Grundlage von OLEDs vorgestellt. Dank der niedrigen Beleuchtungsstärken und der homogenen Ausleuchtung sind OLEDs hierfür besonders geeignet.


Kapitel 2: Leuchten mit LEDs konstruieren

1. CHANCEN UND HERAUSFORDERUNGEN

LEDs sind im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen, wie Leuchtstofflampen, sehr klein. Mit anderen Worten, die LED-Lichtquelle einer Leuchte kann, anders als z. B. bei Leuchtstofflampen, über die gesamte Oberfläche angeordnet werden. Das ermöglicht ein schlankeres Leuchtendesign und einen viel kreativeren Umgang mit Formen.

Aber beim Entwerfen von LED-Leuchten stehen wir vor mehr als nur einer Herausforderung. Wir müssen zuerst die richtigen LEDs für den jeweiligen Anwendungszweck auswählen. Leistung, Lichtausbeute, Temperaturverhalten, Lebensdauer, Farbtemperatur und Preis sind dabei wichtige Parameter. Das Design und die Integration von Optiken (Linsen, Diffusoren, Reflektoren) sorgen für die gewünschte Lichtverteilung. Der Wärmehaushalt von LED-Leuchten ist ausschlaggebend für ihre Leistungsfähigkeit. Und das alles möchten wir auch noch in einem ansprechenden Design verpacken.

Thermische Konstruktion

Wahl der Lichtquelle

3D-Entwurf und Produktionsmethoden

Mechanische Konstruktion

Optische Konstruktion

Abb. 24: Konstruktion von D1-Downlight

UP

DA

TE


2. DIE PASSENDE LICHTVERTEILUNG

Die meisten LEDs haben eine breite Lichtverteilung und strahlen Licht in einem Winkel von 80 bis 140° (vollständiger Winkel) aus. Mithilfe von Sekundär- und Tertiäroptiken (Reflektoren, Refraktoren und Diffusoren) können wir spezielle Lichtverteilungen erreichen. Eine passende Lichtverteilung ist wichtig, um in jeder Anwendung die spezifische Leistung und damit auch den Energieverbrauch so gering wie möglich zu halten.

a. Reflexion

Man erreicht die gewünschte Lichtverteilung, indem man das Licht an einer Oberfläche reflektieren lässt.

b. Brechung

Das Licht wird durch ein transparentes Material (z. B. Linse) gelenkt und durch die optische Dichte (Brechungsindex) und die Form der Materialoberfläche gebrochen und anschließend in die richtige Richtung gelenkt.

Beispiel: E4 mit DUAL•LENS-Technologie mit tiefstrahlender Linse

Beispiel: R7 mit LED+LENSTM-Technologie mit breitstrahlenden Linsen

Beispiel: K9-Antipanikbeleuchtung mit extrem breitstrahlender Linse

Beispiel: D1 LED

UP

DA

TE


c. Streuung oder mehrfache Ablenkung

Das Licht wird gestreut.

A. an einer Materialoberfläche mittels einer Oberflächenstruktur

B. in einem Materialvolumen mittels Einschlüssen

Beispiel: U25 mit MesoOpticsTM-Folie

Beispiel: US mit Micro-Prismenstruktur

Beispiel: R8 mit HaloOptics®-Diffusor

60 70 80 90 100 110 120

led = 18x Cree XP-G2 R2 4000K @ 350 mA

100%

98%

96%

94%

92%

90%

88%

102%

104%

106%

108%


3. DIE LEUCHTDICHTE UNTER KONTROLLE

Mit der stetigen Zunahme der LED-Leistung und Wattage steigt auch die Leuchtdichte der Lichtquellen rasch an. Diese Leuchtdichten können schnell 10 bis 100 Millionen cd/m² betragen, denn je kleiner die Licht emittierende Oberfläche ist, desto größer kann die Leuchtdichte der Lichtquelle werden.

Einige Beispiele von Leuchtdichten:

• Lineare Leuchtstofflampe - T8 14.000 cd/m² • Lineare Leuchtstofflampe - T5 15.000 - 20.000 cd/m² 17.000 cd/m² (HE) und 20.000 - 33.000 cd/m² (HO)• Kompaktleuchtstofflampe 26 W 50.000 cd/m² • “Nackte” LED 3 W (100 lm) 100.000.000 cd/m²• Sonne 1.000.000.000 cd/m² (=10 x LED!)

Ein durchdachtes optisches Design ist deshalb absolute Notwendigkeit, um das Licht dieser hellen Punktquellen zu streuen, direkten Einblick zu vermeiden und Blendung zu verringern. Hierfür können wir sowohl Linsen, als auch Reflektoren und Diffusoren einsetzen. Einige Beispiele:

• D4 Downlights (UGR<19, Leuchtdichte <1000cd/m² bei 65°): Verteilung des Lichts über eine größere Fläche, um Leuchtdichten zu begrenzen. Einsatz von Linsen mit texturierter Oberfläche zur Streuung des Lichts und Vermeidung von Spitzenleuchtdichten der einzelnen

Lichtquellen.• U2 mit LED: Die Lichtquellen sind über die gesamte Leuchte verteilt. Der MesoOpticsTM Diffusor reguliert die Leuchtdichten und sorgt

für eine kontrollierte Lichtverteilung.

4. INTELLIGENTES WÄRME-MANAGEMENT

Dem Temperatur-Management (Kühlung) gilt zweifellos die größte Aufmerksamkeit bei der Entwicklung qualitativ hochwertiger LED-Beleuchtung. Abhängig von der LED-Leistung wird ca. 35-40 % der Energie in sichtbares Licht, und 60-65 % in Wärme innerhalb der Komponente umgesetzt (Verlustfaktor).

Zum Vergleich: Leuchtstofflampen strahlen etwa 25 % der umgesetzten Leistung als sichtbares Licht aus. Aber der Unterschied ist, dass bei Leuchtstofflampen auch etwa 40 % der Energie in Form von Infrarot- oder Wärmestrahlung emittiert wird. Die übrigen 35 % werden in interne Wärme und UV umgesetzt.

Die Lichtausbeute von LEDs nimmt mit steigender Junction-Temperatur (das ist die Temperatur im Halbleiter-Material) ab.

Bei niedrigeren Temperaturen nimmt der Lichtstrom zu: LEDs funktionieren immer umso besser, je niedriger ihre Betriebstemperatur ist.

35-40 % LICHT

60-65 % WÄRME

LED = 18x Cree XP-G2 R2 4000K @ 350 mA

Lich

tstr

om (l

m)

LED Junction-Temperatur (°C)

Abb. 25: Einfluss der Junction-Temperatur auf den Lichtstrom

4

3

2

1


Aber es ist nicht nur der Lichtstrom, der in Abhängigkeit von der Temperatur sinkt. Auch die nutzbare Lebensdauer wird negativ beeinflusst, wenn die Temperatur einen kritischen Wert übersteigt. Deshalb ist eine gute Wärmeableitung wichtig.

Ein gutes Temperatur-Management ist daher essentiell. Die Wärmeableitung der LED in die Umgebung erfolgt in aufeinander folgenden Stufen (durch verschiedene thermische Widerstände):

• Die von der LED erzeugte Wärme wird durch das Substrat bis an den Lötpunkt geleitet. (1, in der LED).

• Von da aus wird die Wärme über die LED-Leiterplatte verteilt (2).

• Eine thermische Schnittstelle (3) oder TIM (Thermal Interface Material) sorgt für eine optimale Wärmeübertragung zwischen Leiterplatte und Hitzeableitung (4).

• Durch Konvektion und Strahlung wird die Wärme in die Umgebung abgeleitet.

Freie Luftströmung rund um die Leuchte ist für eine gute Wärmeableitung sehr wichtig. Darum ist das thermische Verhalten einer LED-Leuchte bei einer Anbauleuchte anders als bei einer Einbauleuchte. Bei der Einbauversion muss immer ausreichend freier Raum um die Leuchte zur Verfügung stehen (Achtung: Deshalb keine Isolierung direkt oberhalb der Leuchte!). Auch die Wartung (staubfrei halten) des Kühlkörpers trägt zu einem guten Temperatur-Management bei.

Abb. 27-28: Wärmestudien für D1 (links) und E7 (rechts)

Abb. 26: Abnahme des Lichtstroms im Verhältnis zur Zeit bei verschiedenen Junction-Temperaturen

rela

tiver

Lic

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Betriebsdauer (h)

BIN 1

BIN 2

BIN 3

0.00.0

0.1

0.2

0.3

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0.6

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0.8

0.9

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.70.6 0.8

y

x

520

500

490

480

470460 380

540

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580

600

620

700

0.34

0.35

0.36

0.37

0.38

0.39

0.40

0.41

0.42

CC

Y

CCX

0.3

4

0.3

5

0.3

6

0.3

7

0.3

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9

0.4

0

0.4

1

0.4

2

4000K

3500K

4500K

3 SDCM

UP

DA

TE


5. BINNING FÜR EINE KONSTANTE LICHTQUALITÄT

Bei der Herstellung zeigen LEDs aus der gleichen Charge oder Serie verschiedene Eigenschaften, zum Beispiel bezüglich Intensität und Farbe. Der Einsatz eines Mix verschiedener LEDs in einer Leuchte würde daher zwangsläufig zu verschiedenen Lichtstärkeniveaus und verschiedenen Lichtfarben führen. Deshalb müssen wir ein „Binning“ durchführen, also die LEDs nach Klassen einteilen oder gruppieren.

“Binning” ist das Sortieren der LEDs nach bestimmten Kriterien, wie

• Colour Binning: Das Sortieren nach Farbkoordinaten (x; y), rund um eine individuelle Farbtemperatur;

• Flux Binning: Das Sortieren nach Lichtstrom, gemessen in Lumen (lm);• Voltage Binning: Das Sortieren nach der Durchlass-Spannung,

gemessen in Volt.

Durch die Auswahl eines bestimmten „Farb-Bins“ wird eine gleichbleibende Farbqualität des Lichts garantiert. LEDs aus dem selben „Bin“ haben also das gleiche Erscheinungsbild. Unterschiede in den „Farbbins“ fallen beispielsweise bei der gleichmäßigen Beleuchtung einer Wand stark auf.

Bei der Betrachtung der Farbwahrnehmung wird die sogenannte „Mc Adam-Ellipse“ verwendet (siehe Abb. 28). Diese Ellipse ist ein Bereich im CIE-Diagramm, der alle Farben umfasst, die das menschliche Auge nicht von der Farbe im Zentrum dieser Ellipse unterscheiden kann. LED-Hersteller verwenden SDCM (Standardabweichung Colour Matching), wobei 1 SDCM gleich 1 MacAdam ist.

Wie passt ETAP das Binning bei seinen Leuchten an?

ETAP folgt der Binning-Politik der LED-Hersteller, die wir unter hohen Qualitätsaspekten ausgewählt haben. Die Hersteller entwickeln ihre Politik in Bezug auf technischen Fortschritt, neue Prozesssteuerung, logistische Aspekte, usw. kontinuierlich weiter. Für den Endanwender haben diese Änderungen keine Folgen: Auch die geänderten Verfahren sorgen für eine einheitliche Farbtemperatur. Die Leuchten von ETAP (sowohl mit Niedrigleistungs-LEDs und Hochleistungs-LEDs als auch mit Chip-on-Board-LEDs) entsprechen 3 SDCM.

Abb. 29: Prinzip des Binnings

Abb. 30: Darstellung der MacAdam-Ellipsen (Quelle: Wikipedia)

Abb. 31: Veranschaulichung des Binningprinzips

AC DC

V< 25 VRMS (IRMS < 0,7 mA) < 60 VDC (IDC < 2 mA)

25 VRMS < V < 60 VRMS < 60 VDC < V < 120 VDC60 VRMS < V < 120 VRMS

UP

DA

TE


6. ELEKTRISCHE SICHERHEIT

LEDs arbeiten mit Niederspannung (typischerweise etwa 3V): Daher wird oft angenommen, dass man sich um die elektrische Sicherheit keine besonderen Gedanken machen muss. In heutigen LED-Leuchten kann Spannung bis zu 100V und mehr gemessen werden. Dementsprechend müssen zusätzliche Maßnahmen zur Betriebssicherheit ergriffen werden.

Schaltet man LEDs in Reihe, erhöht sich die Spannung

LEDs in Leuchten für die Allgemein-Beleuchtung werden, soweit möglich, in Reihe geschaltet. Die logische Konsequenz daraus ist ein Anstieg der Spannung. Einer der Vorzüge von LEDs ist die niedrige Spannung von durchschnittlich 3V mit der jede einzelne LED arbeitet. Schaltet man aber innerhalb einer Leuchte 30 LEDs in Reihe, dann liegt die Spannung schon bei 90V. Es gibt sogar Betriebsgeräte für LEDs, die eine Spannung von mehr als 200V bereitstellen. Diese Betriebsgeräte müssen zusätzlich elektrisch abgesichert werden.

Ab 24V ist eine zusätzliche Isolierung notwendig

Internationale Normen (IEC 61347) verlangen, dass bei Spannungen über 24V* zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, um die Leuchte berührungssicher zu machen. In erster Linie muss sichergestellt werden, dass die LED und alle stromführenden Teile von außen nicht zugänglich sind. Die Lösung muss so aussehen, dass die LED erst nach dem Öffnen der Leuchte mit einem speziellen Werkzeug zugänglich ist. Darüber hinaus muss eine gute Basisisolierung zwischen allen berührbaren, leitfähigen Teilen der Leuchte und allen spannungsführenden Teilen bestehen. Wir stellen in jedem Fall genug Luft und Raum für Wartung sicher und nutzen elektrisch isolierendes Material, ohne das der Wärmehaushalt darunter leidet.

Austauschbare Lichtquelle oder nicht?

Die Neuausgabe der Norm EN 60598 bestimmt, ob die Lichtquelle von LED-Leuchten A. nicht austauschbar ist (Leuchte muss zerstört werden, um Zugang zur Lichtquelle zu erhalten)B. durch den Benutzer austauschbar ist (Lichtquelle bequem und sicher austauschbar)C. durch den Hersteller austauschbar ist (Lichtquelle muss durch eine Abschirmung geschützt sein, die über mindestens zwei unabhängige Befestigungen verfügt und nicht ohne Werkzeug demontiert werden kann)

Für Leuchten der letzten Kategorie C. muss ab 2017 eine Warnung an den Leuchten angebracht sein, dass sich hinter der Abschirmung eine gefährliche Spannung befindet.

Abb. 32: Entsprechend dem internationalen Standard IEC 61347 besteht bis zu 24V (AC) oder 60V (DC) kein Berührungsrisiko (grün). Bei LED Leuchten mit höherer Ausgangsspannung (rot) sind zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen zu treffen.

*Auch die Schutzklasse des Treibers kann evtl. zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich machen.


7. VERÖFFENTLICHUNG DER KORREKTEN DATEN

Spezifischer Lichtstrom als Maßstab

Über viele Jahre wurde die Effizienz von Leuchten mit Leuchtstofflampen in Prozentwerten ausgedrückt; ein Hinweis darauf, wie gut eine Leuchte das von der Lampe erzeugte Licht nutzt. Mit dem Beginn des LED-Zeitalters spricht man von Lumen pro Watt, also Lichtstrom der Leuchte im Verhältnis zur eingesetzten Leistung. Es ist wichtig, dass die Effizienz der gesamten Leuchte in Betracht gezogen wird: Sowohl die Effizienz der Lichtquelle, als auch die der Leuchte.

Die Effizienz einer Leuchte mit Leuchtstofflampe wurde durch den Vergleich des Lichtstroms der Leuchte mit dem der “nackten” Lampe ermittelt. Eine Angabe der Effizienz in Prozent ist sehr anschaulich. Sie verdeutlicht, wie effizient eine Leuchte mit einer bestimmten Menge an Licht umgeht. Das ist auch der Grund, warum diese Angabe zum Standard für Beleuchtungslösungen mit Leuchtstofflampen geworden ist. Dieser Prozentwert ist sehr leicht zu ermitteln: Man misst den Lichtstrom der Leuchte mit Lampe und vergleicht ihn mit dem der „nackten“ Lampe.

Eine „nackte“ LED ist keine brauchbare Referenz

Bei Beleuchtungslösungen mit LED ist die Vorgehensweise wie bei Leuchtstofflösungen nicht möglich. Zum einen gibt es unterschiedliche Typen von LEDs. Darüber hinaus sind die Messbedingungen der einzelnen Hersteller nicht immer vergleichbar. Außerdem entsprechen die Messbedingungen der nackten LED nicht den Nutzungsbedingungen. Der Lichtstrom ist abhängig von Stromdichte und Betriebstemperatur; eine LED erbringt bei 25°C eine sehr viel bessere Leistung als dann, wenn sie in einer Leuchte heiß geworden ist. Deshalb wäre eine Angabe in Prozent zumindest irreführend.

Lichtausbeute von Lampe und Leuchte

Der Beleuchtungsmarkt verwendet deshalb ein anderes Konzept. Wir schauen heute nicht mehr nur auf die Leuchte alleine, sondern auf die Kombination von Lampe und Leuchte. Es wird zunehmend mit lm/W gearbeitet, basierend auf der Menge an Energie die nötig ist, um einen bestimmten Lichtstrom zu erzeugen. Das ist vielleicht nicht so anschaulich wie die Angabe in Prozent, dafür aber genauer. Man darf auch nicht vergessen, dass die Leistung einer LED-Lösung von einer Vielzahl von Faktoren wie der Kühlung, dem Betriebsgerät, der Energiedichte und dem Warm-Kalt-Faktor (der Abfall des Lichtstroms wenn die Temperatur steigt) abhängt. Eine gute Kühlung ist wesentlich und die lm/W Angabe berücksichtigt das: Je besser die Kühlung, desto höher der Lichtstrom bei gleicher Leistung. Bei ETAP versuchen wir mit unseren LED-Leuchten stets optimale Werte zu erzielen. Momentan sind Werte bis 130 lm/W auf eine wirtschaftliche Weise realisierbar.

Abb. 33: Im Produktdatenblatt auf der ETAP Website sind beide Werte, sowohl der Leuchtenlichtstrom, als auch der spezifische Lichtstrom aufgeführt. (Website Screenshot)


Neben dem spezifischen Lichtstrom, können weitere Informationen über LEDs auf der ETAP-Website abgerufen werden:• Fotobiologische Sicherheitsklasse• Farbtemperatur• Stromverbrauch• Typ des Betriebsgeräts: dimmbar oder nicht dimmbar• Leistungsfaktor• Wartungsfaktor

8. OBJEKTIVE INFORMATIONEN ZUR QUALITÄT

Früher gab es in Europa keine Richtlinie oder Norm hinsichtlich der Publikation von Qualitätsdaten von LED-Leuchten. Die Hersteller veröffentlichten zwar Informationen, die der Verbraucher jedoch nicht ohne weiteres vergleichen konnte. Beispiel: Man konnte zwar Zahlen zur Lebensdauer publizieren, jedoch nicht angeben, wie man an diese Zahlen gelangt war. Oder man publizierte nur Daten zu Lichtleistung und Lebensdauer der LED-Lichtquelle, wohingegen diese jedoch auch von der Optik und der Leuchtenkonstruktion stark beeinflusst werden. Die fehlende Einheitlichkeit war für den Verbraucher ärgerlich, da dieser oft Äpfel mit Birnen vergleichen musste.

Europäische Vorschriften

Der Verband der europäischen Beleuchtungshersteller Lighting Europe hat deshalb 2012 einen Leitfaden für Qualitätskriterien für LED-Leuchten veröffentlicht, an dem ETAP aktiv mitgearbeitet hat.

Inzwischen hat auch die Europäische Kommission einen Gesetzestext (Europäische Verordnung 1194/2012: Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Lampen mit gebündeltem Licht, LED-Lampen und dazugehörigen Geräten) erstellt und genehmigt. Darin sind Anforderungen in Sachen Energieeffizienz, Funktionalität und Produktinformationen enthalten. Die Verordnung beschreibt u.a. wie Leistungsdaten und Qualitätsmerkmale von Komplettleuchten gemessen und publiziert werden müssen, z. B.:

• Die Eingangsleistung (W) der Leuchte einschließlich Netzversorgung, Ausgangslichtstrom (lm) und Effizienz = Output/Input (lm/W)• Darstellung der Lichtstärke (cd) in einer Lichtstärkeverteilungskurve (LVK).• Ein fotometrischer Code, der die Lichtqualität angibt (Farbtemperatur des Lichts, Farbwiedergabe-Index, Chromazität und Lichtstrom)• Ein Wartungscode, der den Leistungsverlust des Lichtstroms nach einer bestimmten Zeit angibt, mit Angabe der erwarteten

Lebensdauer, dem dann verbleibenden Lichtstromanteil und dem Ausfallprozentsatz zu diesem Zeitpunkt (siehe unten)• Die Umgebungstemperatur (°C), für die die veröffentlichten Werte gelten

Die Dokumentation von ETAP erfüllt diese europäischen Anforderungen sowie auch die international geltenden Richtlinien der IEC (International Electrotechnical Commission) im Hinblick auf Leistungsanforderungen von

• Leuchten (IEC 62722-1)• LED-Leuchten (IEC 62722-2-1)• LED-Modulen (IEC 62717)

Ermittelt Ihr Lieferant einen zuverlässigen Wartungsfaktor für seine Leuchten?

Der in der EU-Verordnung erwähnte Code für den Wartungsfaktor zielt auf eine nachweisbare und messbare Qualitätseigenschaft der Leuchte. In der Praxis ist dieser Code oft für eine Dauer von 6.000 Stunden festgelegt, oder bestenfalls 12.000 Stunden. In Beleuchtungsstudien arbeiten wir jedoch weiterhin mit Leistungsverlusten nach 25.000 (was bei den meisten Standardanwendungen 10 Jahren entspricht) oder 50.000 Brennstunden. Hierfür müssen zusätzliche Extrapolationen gemacht werden. Da die Verordnung diesbezüglich keine Aussage trifft, wendet ETAP hierfür die Amerikanische Richtlinie TM21 an. Auf der Grundlage dieser Richtlinie extrapoliert ETAP seine Daten, sodass man — auf der Grundlage von Zuverlässigkeitsmodelle — für jedes Projekt den korrekten Wartungsfaktor erwarten darf. Auf diese Weise können Sie sicher sein, dass Ihre Beleuchtung die daran gestellten Erwartungen bis zum geplanten Ende der Lebensdauer optimal erfüllt. Übrigens wird die Lebensdauer der Leuchte auch von der Schaltung der LEDs (Serie oder parallel) und der Alterung der Optik beeinflusst. Auch dies wird von ETAP berücksichtigt. Die Europäische Verordnung setzt schließlich keine Mindestanforderungen in Bezug auf Leistungsverlust bei

0

20

40

60

80

100

450400 500 550 600 650 700 750

4000K

Wavelength (nm)

Rela

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%)

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LED-Leuchten voraus. Dennoch ist ein hoher und genau berechneter Wartungsfaktor von großer Bedeutung. Zum Einen wird dadurch die Überdimensionierung Ihrer Beleuchtungsanlage so gering wie möglich gehalten, zum Anderen garantiert ein zuverlässiger Wartungsfaktor eine akzeptable Beleuchtungsstärke am Ende der Lebensdauer (siehe 4.1).

ENEC+

2014 wurde das Europäische Prüfzeichen ENEC+ eingeführt. Während sich das ENEC-Zertifikat auf die elektrische und fotobiologische Sicherheit von elektrischen Geräten bezieht, sagt ENEC+ etwas über die Leistung der Leuchten aus. Beachten Sie jedoch: Was bei ENEC+ nicht berücksichtigt wird, ist der Leistungsverlust und die Lebensdauer von LED-Leuchten: Der Lichtstrom wird lediglich während der ersten 1000 Brennstunden gemessen. Welche Beleuchtungsstärke Ihre Anlage nach 25.000 oder 50.000 Brennstunden erzielt, sind Daten, die ETAP mit hilfe der oben beschriebenen Methode berechnet und die Sie in Anlage 1 oder auf unserer Website finden.

9. FOTOBIOLOGISCHE SICHERHEIT

Der Europäische Standard für fotobiologische Sicherheit EN 62471 beschreibt eine Klassifizierung, die angibt, ob eine Lampe oder Leuchte ein Risiko für Augen- oder Hautschäden darstellt. Auf Grund der hohen Leuchtdichten, die High Power LEDs erzeugen, besteht ein potentielles Risiko für Augenverletzungen. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die fotobiologische Sicherheit korrekt gemessen und klar publiziert wird.

Das Licht aus der LED enthält nahezu keine Anteile aus dem ultravioletten oder infraroten Spektrum und ist daher für die Haut absolut unbedenklich. Allerdings enthält es eine starke Spitze im blauen Spektrum, die beim direkten Blick in eine helle Lichtquelle (über einen längeren Zeitraum) zu irreversiblen Schäden an der Netzhaut, der so genannten Photoretinitis (Blaulichtgefährdung) führen kann (Blue Light Hazard - BLH).

Abb. 34: Für die Berechnung des Wartungsfaktors wendet ETAP die amerikanische Richtlinie TM21 in Kombination mit Zuverlässigkeitsmodellen an (z. B. U25).

Lichttechnische Daten LLMF (%)

F (lm) P (W) lm/W 25.000 Std. 50.000 Std.

U25 4047 32 126 99 98

Abb. 35: Da Licht aus LEDs eine starke Spitze im blauen Spektrum beinhaltet, müssen ausreichende Schutzmaßnahmen ergriffen werden.

Rela

tive

Stra

hlun

g (%

)

Wellenlänge (nm)

0 cm

RG 2 RG 1...

x cm


Vier Risikogruppen

Ob tatsächlich ein Risiko besteht, hängt von vielen Faktoren ab: Leistung der LED, Farbtemperatur, aber auch die Lichtverteilung und die Entfernung zur Leuchte spielen eine entscheidende Rolle.

Um es dem Nutzer zu ermöglichen sein Risiko einschätzen zu können, legt die Norm EN 62471 vier verschiedene Risikogruppen fest. Für die Blaulichtgefährdung werden diese Gruppen folgendermaßen definiert:

• Risikogruppe 0 (“Ausnahme”-Gruppe): Auch bei einem unbegrenzt langen Blick in die Lichtquelle besteht keine Gefahr.• Risikogruppe 1: Das Risiko ist begrenzt, mehr als 10.000 Sekunden Blickkontakt sind nicht zulässig (knapp unter 3 Stunden).• Risikogruppe 2: Bis zu 100 Sekunden Blickkontakt sind erlaubt.• Risikogruppe 3: Bis zu 0.25 Sekunden Blickkontakt sind erlaubt. Zum Vergleich: Das ist weniger Zeit, als der unwillkürliche

Abwehrreflex (Lidschlussreflex) des menschlichen Auges braucht, um das Auge zu schließen und zu schützen.

Da es bei der Norm EN 62471 um eine theoretische Einteilung geht, definiert für einen festen Sichtabstand, wurde daneben auch eine Praxisrichtlinie entwickelt (IEC/TR 62778), die ab 2016 die heutige Norm EN62471 ersetzt. Die Gefahr von BLH hängt nämlich auch von dem Sichtabstand ab (Abstand zwischen Augen und LED). Normalerweise schaut man nicht aus kurzer Distanz in eine Leuchte, aber kürzere Sichtabstände können zum Beispiel auftreten, wenn ein Techniker eine Wartung durchführt. Die IEC/TR 62778 beschreibt, innerhalb welcher Abstände eine Leuchte zu einer bestimmten BLH-Risikogruppe (RG) gehört (sogenannte Grenzabstände).

Einige Beispiele:- Diffusoren gehören zu RG 0, ganz gleich, von

welchem Abstand aus man diese ansieht, z. B. Kardó , R8, U2.

- Downlights und LED+LENSTM Leuchten gehören zu RG 1, egal bei welchem Sichtabstand.

- Für die Lichtquelle in Abbildung 36 gilt RG 1/RG 2 mit einem Grenzabstand von x cm. Dies bedeutet, dass die Lichtquelle bei Sichtabständen kleiner als x cm zu RG 2 gehört.

In welchem Maße Schutzmaßnahmen notwendig sind, hängt von der Anwendung ab. Haben Lichtquellen einen Grenzabstand RG 1/RG 2, muss dieser angegeben werden, zusammen mit der Warnung, nicht direkt in die Lichtquelle zu schauen.

Nackte weiße LEDs (die in der allgemeinen Beleuchtung verwendet werden) gehören im schlechtesten Fall zu Gruppe 2, niemals Gruppe 3. Bei den meisten Leuchten befinden sich die LEDs hinter einer Linse oder einem Diffusor, die/der das Bild der Quelle optisch vergrößern und so Spitzenleuchtdichten abflachen. Hierdurch nimmt die Risikoklasse in den meisten Fällen weiter ab.

Korrekt messen, klar publizieren

Zu welcher Gruppe eine Leuchte gehört, wird durch ein definiertes Messverfahren mit speziellen Instrumenten (Spektrometer) bestimmt. ETAP hat die geeigneten Voraussetzungen und Instrumente, um Messungen im eigenen Haus durchführen zu können. Das bedeutet, dass ETAP alle Leuchten gewissenhaft auf ihre fotobiologische Sicherheit hin überprüft. Die Risikogruppe, in die die jeweilige Leuchte gehört, wird sowohl auf der Website als auch in der Produktdokumentation veröffentlicht.

ETAP hat die geeigneten Instrumente, um Messungen im eigenen Haus durchführen zu können.

Sichtabstand

Abb. 36: Darstellung der Grenzabstände

UP

DA

TE


10. LED-RÖHREN

LED-Röhren sind fertige LED-Lampen, die in die Fassungen von auf Leuchtstofflampen ausgelegten Leuchten passen. Wenn die Leuchten speziell hierfür entwickelt werden, können LED-Leuchten eine Reihe von Vorteilen aufweisen. Wenn man jedoch in bestehenden Leuchten die Leuchtstofflampen ohne Weiteres durch LED-Röhren ersetzt, geht dies zu Lasten der Qualität, des Komforts und manchmal der Sicherheit.

EU achtet auf sichere LED-Leuchtröhren

Über ihr Schnellwarnsystem hat die Europäische Union den Verkauf von verschiedenen LED-Tubes (siehe Website der Europäischen Kommission http://ec.europa.eu) gestoppt, weil sie nicht der Niederspannungsrichtlinie 2006/95/EG und der Norm EN 60598 für Leuchten entsprechen. Bei diesen Produkten besteht unter anderem das Risiko eines elektrischen Schlags während der Installation, da einige externe Komponenten elektrisch geladen sein können.

Abb. 37: Sie finden die exakten Informationen über die fotobiologische Sicherheit und Gruppenzugehörigkeit von ETAP Leuchten auf dem Produkt-Datenblatt auf unserer Website. (Screenshot Website, Stand Oktober 2015).

UP

DA

TE


Vorteile von LED-Leuchtröhren

LED-Leuchtröhren haben zahlreiche praktische Vorteile: Sie haben nicht nur einen niedrigen Energieverbrauch und eine lange Lebensdauer, sondern sie zeichnen sich auch durch eine einfache Wartung aus. Bei einem Defekt kann der Benutzer diese selbst austauschen (siehe 6. Elektrische Sicherheit), ohne Spannungsgefahr. Es gibt auch LED-Leuchtröhren in einem komplett abgeschlossenen Gehäuse, geeignet für chemische Umgebungen. Bei Reflektorleuchten erlauben es LED-Leuchtröhren, eine Luftabsaugung über dem Reflektor anzubringen, was einen selbstreinigenden Effekt hat.

Interne oder externe Betriebsgeräte?

LED-Leuchtröhren können über ein internes oder ein externes Betriebsgerät verfügen. Ein externes Betriebsgerät ermöglicht es, die Lampen zu dimmen und, falls erforderlich, bequem zu ersetzen.

Verantwortliche Nutzung von LED-Leuchtröhren

Es ist wichtig zu wissen, dass man Leuchtstofflampen nicht ohne weiteres durch LED-Leuchtröhren ersetzen kann. Oft muss die Verdrahtung angepasst werden, oder es müssen Leuchtenkomponenten ausgetauscht oder überbrückt werden. Damit erlischt die Verantwortlichkeit des ursprünglichen Leuchtenherstellers, aber auch die Lichtqualität kann dadurch abnehmen: Jede Leuchte ist für eine bestimmte Lichtleistung und eine bestimmte Lichtverteilung konzipiert. Indem man einfach auf LED-Leuchtröhren umstellt, erhält man möglicherweise geringere Lichtintensitäten, schlechtere Gleichmäßigkeit, Blendung, kurzum Komfortverlust.

Abb. 38: Während eine E12/136HFW (mit einer 1x 36W Leuchtstofflampe) einen Lichtstrom von 3350 lm, und einen Wirkungsgrad von 72 lm/W erreicht, bleibt beim Einsatz einer LED-Tube nur noch ein Lichtstrom von 1340 lm und 61 lm/W übrig. Auch ist die

Ausstrahlungscharakteristik mit einer LED-Tube (rechts) eine völlig andere, als die mit einer Leuchtstofflampe (Mitte).

LEDA-Reihe mit LED-Tubes

UP

DA

TE


Abb. 39: Wenn man das Beleuchtungsmodul (Lampen und Reflektor) einer breitstrahlenden E1 mit 2 x 58W-Lampen durch ein LED-Modul mit angepasstem Reflektor und LED-Leuchtröhren ersetzt, erzielt man nahezu den gleichen Leuchtenlichtstrom (6740 statt 6700 lm), während die Effizienz

von 90 lm/W auf 120 lm/W steigt. Auch die Lichtverteilung der LED-Ausführung (rechts) ist ausgeprägter als bei der Leuchtstoffversion (Mitte).

Aber es geht auch anders: Wenn man das komplette Innenleben (Lampe + Reflektor) durch eine angepasste Optik ersetzt, kann man mit vorhandenen Leuchtstofflampen relativ einfach auf LED umstellen. So kann man beispielsweise in den E1-Leuchten für hohen Schutzgrad Lampe und Reflektor leicht durch ein Retrofitmodul mit LED-Leuchtröhre austauschen und die alten Leuchten weiterverwenden. Das Ergebnis: Höhere Effizienz, deutlich weniger (oder kein) Lampenaustausch und unverändert hoher Komfort.


Kapitel 3: Betriebsgeräte für LED-Leuchten

1. QUALITÄTSMERKMALE FÜR LED-BETRIEBSGERÄTE

Das Betriebsgerät, der sogenannte „Driver“, ist eine der wichtigsten Komponenten jeder LED-Lösung. Die Qualität einer LED-Leuchte hängt nicht alleine von der LED-Lichtquelle und der Konstruktion der Optik ab, sondern maßgeblich auch von der Effizienz und Zuverlässigkeit des Betriebsgerätes. Alle hochwertigen Betriebsgeräte für LEDs müssen sieben Qualitätsmerkmale aufweisen:

Lebensdauer. Das Betriebsgerät muss mindestens dieselbe erwartete Lebensdauer wie die LED haben.

Effizienz. Einer der Erfolgsfaktoren von LEDs ist ihre Energieeffizienz. Aus diesem Grund muss die Umwandlung von Netzspannung in Strom so effizient wie möglich erfolgen. Ein hochwertiges Betriebsgerät hat mindestens eine Effizienz von 85%.

Leistungsfaktor. Der Leistungsfaktor ist ein technischer Indikator der anzeigt, wie dicht die Wellenform des Stroms an der Referenz-Sinuskurve der anliegenden Spannung liegt. Der Leistungsfaktor ( ) besteht aus zwei Teilen: Dem Wechsel zwischen Spannung und Strom (cos phi) und den Oberwellen der harmonischen Gesamtverzerrung des Stroms. Je geringer der Schaltweg und die Verschiebung von der Referenz-Sinuskurve, desto geringer sind die Verluste und Rückwirkungen (Verschmutzungen) ins Netzwerk des Energieversorgers. Bei ETAP-LED-Betriebsgeräten arbeiten wir ausschließlich mit einem Arbeitsfaktor von mehr als 0,9.

Abb. 40: Bei Betriebsgeräten mit einem hohem Leistungsfaktor (links) zeigt die Kurve des Stroms (blau) wenig Abweichung zur Kurve für die Spannung (gelb). Die Kurven von Betriebsgeräten mit niedrigem Leistungsfaktor (rechts) zeigen größere Abweichungen.

Elektromagnetische Kompatibilität (EMC). Das Betriebsgerät sollte selbst so wenig elektromagnetische Interferenzen in seine Umgebung abgeben wie möglich, gleichzeitig aber auch so immun wie möglich gegen Einflüsse aus der Umgebung sein. Eine gute elektromagnetische Verträglichkeit in beide Richtungen ist äußerst wichtig.

Einschaltstrom. Wird ein LED-Betriebsgerät unter Spannung gesetzt, entsteht für den Bruchteil einer Millisekunde eine Spannungsspitze im Netz. Das kommt daher, dass am Anfang Kondensatoren aufgeladen werden. Durch ein kontrolliertes Aufladen werden diese Spannungsspitzen abgefangen. Das Betriebsgerät muss so eingestellt sein, dass die Leitungsschutzschalter des Raumes oder Gebäudes nicht ausgelöst werden.

Stromfrequenz: Eine gute Qualität des Ausgangsstroms sorgt dafür, dass es keine Fluktuationen in der Intensität gibt, so dass kein Flackern oder stroboskopische Effekte auftreten.

Filterung der Netzspannung. Probleme im Elektrizitätsnetz können u. a. niedrigfrequentes Lichtflackern (3 … 50 Hz) verursachen. Durch die schnelle Schaltleistung von LEDs sind diese gut sichtbar, was als sehr störend empfunden wird. Ein gutes LED-Betriebsgerät sorgt dafür, dass diese Probleme im Elektrizitätsnetz nicht in den Ausgangsstrom durchgelassen werden, so dass der Lichtstrom stabil bleibt. Kürzlich wurde eine neue Norm publiziert, die das Messverfahren beschreibt, um Lichtschwankungen zu quantifizieren (IEC/TR61 547-1 Ed. 1: An objective voltage fluctuation immunity test method).

230 V AC

230 V AC


Technische DatenblätterDas Betriebsgerät ist eine entscheidende Komponente bei jeder LED-Beleuchtungslösung. Qualitativ hochwertige Betriebsgeräte erkennt man durch einen Blick in die Produktdatenblätter des Herstellers. So kann man prüfen, ob die oben genannten Qualitätsmerkmale erfüllt sind. ETAP benutzt nur hochwertige Betriebsgeräte, die perfekt an die Beleuchtungslösung angepasst sind und sorgfältig in unseren Laboren getestet wurden.

2. STROM- UND SPANNUNGSVERSORGUNG IM VERGLEICH

LEDs sind stromgesteuerte Komponenten. Der Strom ist direkt ausschlaggebend für die Lichtleistung und muss daher vorsichtig gesteuert werden. Es gibt zwei Möglichkeiten der Ansteuerung:

• Konstante StromquellenDiese wandeln die Netzspannung sofort in konstanten Strom um. Die Methode bringt die höchste Effizienz und ist die kosteneffektivste Anwendung. Nachteilig ist, dass die Module mit einer konstanten Stromquelle nur in Reihe geschaltet werden können, was bei der Installation schwieriger ist. Zudem addiert sich bei höheren Leistungen die erforderliche Spannung schnell auf (>100 V).

Beispiele: Flare Spot 500mA, … D4 Downlight

• Konstante SpannungsquellenDas sind Versorgungen, die die Netzspannung in genau geregelte Spannung umwandeln. Wenn sie für LEDs oder LED-Module eingesetzt werden, müssen diese Versorgungen immer mit einem Strombegrenzer (z. B. Widerstand), oder einem DC-LED-Treiber (Gleichstrombetriebsgerät für LED), der Gleichspannung in konstanten Strom umwandelt, ausgestattet sein. Spannungsquellen haben den großen Vorteil, dass man verschiedene Module sehr einfach parallel anschliessen kann.

Beispiel: Flare Spot 24V (Gleichstrom LED-Betriebsgerät ins Kabel integriert) Verteiltes DC-System, z. B. PoE (Power over Ethernet)

Konstantstrom

LED- Betriebs-gerät

Spannungs-versorgung

Konstantspannung Gleichstrom LED-Betriebsgerät

ETAP Testlabor

1,00

0,90

0,80

0,70

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

0,00

25W75W

0% 50% 100%


Auch für dimmbare LeuchtenDas Betriebsgerät sollte nicht nur zuverlässig und effizient sein, es muss auch flexibel genug sein, um in jeder modernen Beleuchtungslösung zu funktionieren. In vielen Fällen muss die Lichtstärke regelbar sein, beispielsweise über eine tageslichtabhängige Regelung wie ELS oder einen externen Dimmer. Wichtig dabei ist, dass die Effizienz und der Leistungsfaktor immer gleich bleiben, wenn ein Dimmer benutzt wird.

Der maximal mögliche Wirkungsgrad eines Betriebsgeräts bestimmt sich über die Nenn-leistung für die es entwickelt wurde (siehe Grafik 41). Bei Betriebsgeräten mit einer Nennleistung von <25W wird der maximale Wirkungsgrad nie höher als bei 80-85% liegen. Bei Betriebsgeräten mit einer Nennleistung von >35W kann ein Wirkungsgrad von 90% und mehr erreicht werden.

Die obige Grafik zeigt, dass der tatsächliche Wirkungsgrad eines Betriebsgeräts auch von der Last abhängt. Bei einem qualitativ hochwertigen Betriebsgerät bleibt der Wirkungsgrad bis zu einer minimalen Last von 50-60% konstant. Bei einer geringeren Last sinkt der Wirkungsgrad rapide ab. Daher ist es so wichtig, das Betriebsgerät und die LED gut auf einander abzustimmen, damit das Betriebsgerät immer im optimalen Bereich arbeiten kann.

In der Praxis gibt es zwei Möglichkeiten zu dimmen: Entweder reduziert man die Stromstärke (AM oder Amplitude Modulation), oder man setzt den Strom in Impulse von immer kürzerer Dauer um (PWM oder Pulsdauermodulation). Beide Anwendungen haben Vor- und Nachteile. Hier helfen unsere Experten bei der Entscheidung.

Alle bekannten Systeme für die Dimmung sind im Prinzip auch bei LED-Beleuchtung einsetzbar:• DALI• 1-10V (eher selten)• TouchDim• DMX (weniger für Beleuchtung verwendet, hauptsächlich in der Theaterwelt

eingesetzt)

Effiz

ienz

des

Bet

riebs

gerä

tes

Belastung des Treibers als Prozentwert des Nennstroms

Abb. 41: Einfluss der Belastung des Betriebsgerätes auf die Effizienz für einen Low Power Driver (blau) und

einen High Power Driver (gelb)

1

0

10

20

30

40

80

70

60

50

100

90

10 100


Kapitel 4: Beleuchtung mit LEDs - Lichttechnische Aspekte

1. ALTERUNG UND WARTUNGSFAKTOR

Ein korrekt berechneter Wartungsfaktor ist die elementare Grundlage für die richtige Dimensionierung Ihres Beleuch-tungssystems. Allgemeine Wartungsfaktoren, die die besonderen Eigenschaften der LEDs nicht ausreichend be rück sichtigen, führen oft zu ungenauen Berechnungen und Beleuchtungsplanungen.

Warum verwendet man einen « Wartungsfaktor »? Im Laufe der Lebensdauer eines Beleuchtungssystems “altert” die Anlage und die Menge des Lichts auf dem Arbeitsplatz reduziert sich. Der Lichtstrom der Leuchtmittel sinkt und die Lampen und Leuchten verschmutzen durch Staub und andere Verunreinigungen. Und auch der Raum verschmutzt im Laufe der Zeit, so dass der Reflektionsgrad von Wänden, Decke und Fußboden abnimmt. Deshalb wird diese Abnahme bei Beleuch-tungsplanungen durch den sogenannten Wartungsfaktor in der Berechnung berücksichtigt (siehe Infokasten). So kann man sicher sein, dass seine Beleuchtungsanlage auch nach 5, 10 oder mehr Jahren noch immer die erforderliche (normgerechte) Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz einhält.

Der Wartungswert (Maintenance Factor - MF) wird mit vier Parametern errechnet :

MF = LLMF x LSF x LMF x RMF

LLMF: Lampen-Lichtstrom-Wartungsfaktor (Lamp Lumen Maintenance Factor) Rückgang des Lampenlichtstroms

LSF: Lampen-Lebensdauer-Faktor (Lamp Survival Factor) Häufigkeit des Lampenausfalls ohne sofortigen Ersatz

LMF: Leuchten-Wartungsfaktor (Luminaire Maintenance Factor) Lichtstromrückgang durch Verschmutzung der Leuchte

RMF: Raum-Wartungsfaktor (Room Maintenance Factor) Raumverschmutzung

Abb. 42: Abnahme des Lichtstroms im Laufe der Zeit

Rela

tieve

r Lic

htst

rom

(%)

Zeit (H x 1000)

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0 10 20 30 40 50 60

500

500500 500 500

500

500

500500500500

500

500

500

500

9.00 m8.50

0.500.00

0.00 14.40 m

500

500 500

500

500

500500

500

9.00 m8.50

0.500.00

0.00 14.40 m

5000

5500 5500

5000

5000

55005000

505505000000 5000

50005000 5000 5000

50000000000

50000000000000000

5000500050005000

5050505000000000

505050500000000

5050505000000000

505050500000000


Bei Leuchtstofflampen gibt es eindeutige RegelnBei herkömmlichen Lichtquellen wie Leuchtstofflampen gibt es klare Regeln und internationale Standards, um den Wartungsfaktor einer Anlage zu ermitteln. Typischerweise werden vier Elemente berücksichtigt: Die Reduzierung des Lampenlichtstroms, die Ausfallrate der Lampen, die Verschmutzung von Lampen und Leuchten und die Verschmutzung des Raumes. Für Leuchtstofflampen besteht allgemeiner Konsens über die Ermittlung der Wartungsfaktoren. Der Rückgang des Lichtstroms und die Lebensdauer der Lampen haben sich bewährt und unterscheiden sich bei den unterschiedlichen Herstellern kaum. Ausserdem ist die Reduktion des Lichtstroms der Lampe unabhängig vom Leuchtendesign und beim Lampenwechsel legt man einen regelmäßigen Austausch zugrunde, so dass es in der Regel wenig Diskussionen über Wartungsfaktoren von Leuchtstofflampen gibt.

LEDs sind andersBei LEDs hängt der Wartungswert von einer Vielzahl von Faktoren ab. Das beginnt schon bei der Wahl der LEDs. Es gibt heute große Qualitätsunterschiede zwischen den unterschiedlichen Herstellern. Und auch die Art der LEDs – „low power“ oder „high power“ – ist für die Entwicklung des Rest-Lichtstromes und die Lebensdauer entscheidend. Darüber hinaus handelt es sich bei LEDs um eine ganz neue Technologie, die sich rasend schnell weiter entwickelt. In Ermangelung der erforderlichen Kenntnisse und Informationen verwenden heute viele LED- und Leuchtenhersteller der Einfachheit halber immer noch einen allgemeinen LLMF-Wert von 70% nach 50.000 Stunden Brenndauer. Sie gehen also davon aus, dass die LEDs nach 50 000 Stunden, nur 70% ihrer ursprünglichen Lichtleistung erbringen - unabhängig von der Qualität der LEDs.

Im Gegensatz zu Leuchten mit Leuchtstofflampen spielt bei LEDs die Leuchtenkonstruktion eine wesentliche Rolle. Lichtausbeute und Lebensdauer von LED hängen sehr stark von ihrer Betriebstemperatur ab. Je besser sie gekühlt werden, umso geringer die Reduzierung des Lichtstroms und umso höher die Lebensdauer. Die Wärmeableitung ist hier wesentlich. Das Leuchtendesign wird heute jedoch nur selten bei der Ermittlung des Wartungsfaktors von LED-Leuchten berücksichtigt. In der Praxis hat jede LED-Leuchte ihren eigenen, spezifischen Wartungsfaktor. Das macht es unmöglich, einen allgemein gültigen Wert zu definieren.

Beleuchtungssysteme mit Leuchtstofflampen erfordern einen regelmäßigen Lampenwechsel (blaue Kurve). Bei LEDs wird die “Lampe” nicht ausgewech-selt, sondern die Qualität der verwendeten LED und die Leuchtenkonstruktion spielen eine entscheidende Rolle: Während der grobe Richtwert für LEDs (LLMF) in der Literatur meist mit 70 % angegeben wird (gelb), liegt der entsprechende Wert bei einer ETAP U7-Leuchte zum Beispiel bei 97 % (grün).

Große Auswirkungen für die BeleuchtungsanlageDiese verallgemeinernden Berechnungen führen in der Praxis zu schwerwiegenden Konsequenzen. Wird der Wartungsfaktor zu optimistisch eingeschätzt, wird die Anlage nach ein paar Jahren nicht mehr das erforderliche Beleuchtungsniveau erreichen. Umgekehrt kann ein zu pessimistisch bemessener Wartungsfaktor zu einer Überdimensionierung der Beleuchtung führen. Dadurch werden mehr Leuchten und/oder mehr Leistung installiert als erforderlich, was die Kosten für Investition und Energieverbrauch unnötig in die Höhe treibt.

Z.B. Einfluss des Wartungsfaktors auf eine Beleuchtungsplanung mit U7-Leuchten in einem Großraumbüro von 9 x 14,4 m:

Die Beleuchtungsplanung mit dem korrekten Wartungsfaktor erfordert für diesen Raum 18 U7-Leuchten und eine installierte Leistung von 0,86 W / m² / 100 lx (links). Die Verwendung des allgemeinen Wartungsfaktors (rechts) führt zu einer deutlichen Überdimensionierung der Beleuchtungsanlage: 24 U7-Leuchten mit einer installierten Leistung von 1,25 W / m² / 100 lx.

Abb. 43: LLMF für LED Beleuchtung im Vergleich zu Leuchtstofflampen

Rela

tive

Bele

ucht

ungs

stär

ke (%

)

Brenndauer (1.000 Std.)

U7-Leuchte mit L97 @50.000 Std. (ETAP)LED-Leuchte mit L70 @50.000 Std.T5-Leuchtstofflampe

LLMF 70% nach 50.000 Std. (Wartungsfaktor 63%)LLMF 97% nach 50.000 Std. (Wartungsfaktor 87%)

90,0

95,0

85,0

80,0

75,0

70,0

65,0

60,0

0,0

100,0

20000 4000 6000 8000 10.000 12.000

~~

UP

DA

TE


Hoher Wartungswert durch intelligentes DesignDie Wartungsfaktoren, die ETAP in Beleuchtungsplanungen anwendet, wurden exakt auf Basis internationaler Richtlinien ermittelt. In der Praxis stellen wir fest, dass unsere Wartungsfaktoren meistens deutlich höher sind, als die allgemein verwendeten Werte. Wir beachten nämlich zwei entscheidende Punkte. Zum einen verwenden wir für unsere Leuchten stets qualitativ hochwertige (zumeist keramische) LEDs von Herstellern, die konkrete und verifizierbare Daten über die Lichtleistung und die Lebensdauer veröffentlichen. In der Praxis basieren diese Daten auf den LM80- und TM21-Standards, die von der Illuminating Engineering Society (IES), einer internationale Autorität auf diesem Gebiet, validiert wurden. Dies liefert uns objektive Kriterien für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit der LEDs.

Zum zweiten berücksichtigen wir auch die Kühlung der LEDs in unseren Berechnungen. In unseren Laboren verfügen wir über die erforderliche Infrastruktur, um die Junction Point Temperatur zwischen Leiterplatte und LED exakt zu bestimmen. Dadurch kennen wir die genaue Betriebstemperatur der LEDs und können so den effektiven Lichtstromrückgang und die Lebensdauer der LEDs exakter einschätzen. Diese Informationen verwenden wir dann zur Ermittlung des korrekten Wartungsfaktors für unsere Lichtberechnungen.

In unseren Laboren führen wir verschiedene Tests (z. B. Dauertests und Lichtmessungen) durch, um die lichttechnischen Daten und den effektiven Leistungsverlust unserer LED-Leuchten genau zu bestimmen.

U7 und UM2 überzeugen in unabhängiger StudieEine aktuelle Studie von Laborelec, dem unabhängigen Forschungszentrum von ENGIE (vormals GDF Suez), bestätigt, dass unsere Konzentration auf ein qualitativ hochwertiges und intelligentes Beleuchtungskonzept Früchte trägt. In einer Vergleichsstudie zu LED-Beleuchtung für Büros, hat Laborelec sechs Leuchten verschiedener Anbieter auf dem belgischen Markt getestet, darunter U7 und UM2 von ETAP. Beide Einbauleuchten überzeugten mit maximaler Effizienz und minimaler Alterung.Die Feststellung der beschleunigten Alterung erfolgte nach zwei Methoden: Eine beschleunigte Alterung in einem Klimaraum bei 45° und 12 000 Brennstunden (UM2 und U7) und eine tatsächliche Alterung bei Raumtemperatur (UM2) und 2000 Brennstunden. Während bei anderen Leuchten die Werte deutlich sanken, blieben die Ergebnisse bei ETAP absolut stabil, selbst nach 2000 bzw. 12 000 Brennstunden.

Abb. 44: Lumenerhalt (LLMF) nach 12.000 Stunden beschleunigter Alterung

ETAP U7

ETAP UM2

HERSTELLER A

HERSTELLER B

HERSTELLER C

Lich

tstr

oom

%

Zeit (h)


U7-Leuchten in einem Büro haben einen Wartungsfaktor von 87% nach 50.000 Stunden (siehe Tabelle).

Abb. 45: Auszug aus Tabelle mit Wartungsfaktoren und LLMF bei einer U7-Leuchte für 25.000 und 50.000 Stunden (Stand Mitte 2015).

Wie erstellt man eine korrekte Berechnung?ETAP stellt eine Tabelle mit dem jeweils richtigen Wartungsfaktor für alle LED-Leuchten, in Abhängigkeit der Anwendung und der vorgesehenen Lebensdauer der LED-Leuchte, zur Verfügung. Auf dieser Basis können wir eine zuverlässige Beleuchtungsplanung bieten, mit der Gewähr, dass die Beleuchtung auch langfristig die erforderlichen Beleuchtungsniveaus erfüllt.

Ein Beispiel:

In einer Beleuchtungsstudie mit U7 in einer Büroumgebung wird der Wartungsfaktor wie folgt kalkuliert: 99% (LLMF oder Wartungsfaktor Lampe) x 1 (Lampenfehler sind bei LEDs quasi ausgeschlossen und haben daher keinen Einfluss) x 0.94 (Luftverschmutzung im Raum) x 0.95 (Wartungsfaktor einer geschlossenen Leuchte) = 88%. Das bedeutet, dass nach 25.000 Betriebsstunden immer noch 88% des ursprünglichen Lichtstroms verbleiben. Nach 50.000 Betriebsstunden verbleiben noch 87% des Lichtstroms, was deutlich mehr ist als die standardmäßig angenommenen 70% nach 50.000 Betriebsstunden.

LED-Typ LED-Leuchte 25kh 50kh LLMF (%)

25kh 50kh

High Power U7 88 87 99 97

Die gesamte Tabelle mit Wartungsfaktoren finden Sie in Anhang 1, oder in den Produktdatenblättern auf unserer Website.

UP

DA

TE


2. LEBENSDAUER BEI LED-LEUCHTEN

Die Nutzungsdauer von LED-Leuchten ist keine Bezugsgröße für sich, sondern hängt stets mit einer konkreten Situation oder Anlage zusammen, und demzufolge auch mit dem Wartungsfaktor. Wenn wir die Formel des Wartungsfaktors (Maintenance Factor – MF, siehe Kasten S. 35) betrachten, befindet sich das Element Lebensdauer im letzten Parameter LLMF (Lamp Lumen Maintenance Factor).

LLMF als Ausgangspunkt

Der Wert, der die Reduzierung des Lichtstroms der Lichtquelle (LLMF) wiedergibt, berücksichtigt ausfallende LEDs und die zeitlich bedingte Abnahme der Lichtleistung. Wie bestimmen wir diesen LLMF? Wir unterscheiden zwischen der Lebensdauer von LEDs auf Komponentenebene und auf Leuchtenebene.

Auf Komponentenebene berücksichtigen wir die die allmähliche Abnahme des Lichtstroms der LEDs (parametrischer Ausfall oder B-Lebensdauer) und den eventuellen Ausfall von LEDs (katastrophaler Ausfall oder C-Lebensdauer).

Auf Leuchtenebene ist der Komplettausfall einer Leuchte nicht relevant (siehe Luminaire Survival Factor). Der LLMF stimmt mit der B-Lebensdauer auf Leuchtenebene überein und berücksichtigt somit den parametrischen und den katastrophalen Ausfall der einzelnen LEDs in den Leuchten.

NEUNACH INBETRIEBNAHME

Parametrischer Ausfall Katastrophaler Ausfall

KOMPONENTENEBENE

LEUCHTENEBENE ODER

= LLMF = LSF

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1000 10000 100000

B10

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1000 10000 100000

B50

25000 50000

B50

UP

DA

TE


Relevante und verlässliche Daten

Um zu einem genauen, zuverlässigen LLMF unserer Leuchten zu gelangen, gehen wir wie folgt vor:• Die parametrische Lebensdauer auf Komponentenebene stellen wir nach den objektiven Normen LM80/TM21 fest.• Die katastrophale Lebensdauer können wir nicht selbst berechnen, aber wir versuchen vorzugsweise mit Herstellern

zusammenzuarbeiten, die genaue Daten zur Verfügung stellen. Wenn keine Messdaten vorhanden sind, greifen wir auf Zuverlässigkeitsmodelle aus der Elektronik (MIL-HBK-217F) zurück.

Auf unserer Website finden Sie sowohl den LLMF als auch den Wartungsfaktor unserer LED-Leuchten. Wir haben beide Werte für jeweils zwei Zeiträume veröffentlicht: 25.000 oder 50.000 Brennstunden. Auf diese Weise wissen Sie, wie viel Licht Ihre Leuchten nach einer für Sie relevanten Nutzungsdauer noch spenden werden.

BetriebsstundenBetriebsstunden

LM 80 gemessen TM 21 extrapoliert

LLM

F

LLM

F

Abb. 46: LLMF wird nach der von IES empfohlenen LM80/TM21-Methode bestimmt.

Abb. 47: ETAP gibt für alle LED-Leuchten den LLMF nach 25.000 und nach 50.000 Brennstunden an.

Abb. 48: Um einen Büroraum von 29x14 Metern mit U25-Diffusoren zu beleuchten, sind 50 Leuchten (L98B50)

ausreichend. Wenn Sie den Raum mit Leuchten mit L80B50 beleuchten, benötigen Sie mehr als 60 Leuchten.

WIE WIRD DIE FORMEL LxBy RICHTIG INTERPRETIERT?

Beispiel: Die Lebensdauer von U25-Leuchten nach 50.000 Brenn stunden wird als L98B50 angegeben.

• L gibt an, wie viel Prozent des ursprünglichen Lichtstroms zum angegebenen Zeitpunkt noch erreicht werden (= LLMF). Die in Figur 48 erwähnten U25-Leuchten erzielen nach 50.000 Brennstunden noch 98% ihres ursprünglichen Lichtstroms (L98).

• B bezeichnet die B-Lebensdauer auf Leuchtenebene. Die nachfolgende Zahl gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass der angegebene L-Wert nicht erreicht wird. Grundsätzlich verwendet man den Wert B50: Durchschnittlich 50% der Leuchten erzielen zum erwarteten Zeitpunkt den angegebenen L-Wert.

• Standardmäßig gibt ETAP den Wert nach 25.000 und nach 50.000 Brennstunden an, zwei Zeiträumen, die für die Lebensdauer Ihrer Anlage repräsentativ sind.


3. INTEGRATION ENERGIESPARENDER SYSTEME

LEDs sind nicht nur eine energieeffiziente Lichtquelle, sie arbeiten auch perfekt mit Lichtregelsystemen zusammen. Diese Kombination verspricht nicht nur ein hohes Einsparpotenzial, sie sorgt auch noch für einige andere Vorteile: LEDs können viel effizienter gedimmt werden als Leuchtstofflampen und ihre Lebensdauer leidet nicht unter häufigem Schalten. Mit einer tageslichtabhängigen Lichtregelung können Sie schließlich auch den Leistungsverlust Ihrer LED-Installation kompensieren.

Die bekanntesten Lichtregelsysteme sind Bewegungsmelder, die die Beleuchtung dimmen oder schalten, wenn Nutzer einen Bereich betreten oder verlassen sowie die tageslichtabhängige Regelung, die die Beleuchtung in Abhängigkeit zum einfallenden Tageslicht dimmt. Die Kombination beider Systeme kann in bestimmten Anwendungen bis zu 55% und mehr Energie einsparen. Derzeit ist jede sechste von ETAP vertriebene Leuchte mit einer leuchtenspezifischen tageslichtabhängigen Regelung ausgestattet.

LEDs sind schaltfest

LEDs haben eine ganze Reihe von Eigenschaften, mit denen sie sich besonders für den Einsatz mit Lichtregelsystemen eignen. Beispielsweise hat häufiges Schalten keinen Einfluss auf die Lebensdauer von LEDs.* Ganz im Gegensatz zu Leuchtstofflampen, die bei jedem Schaltvorgang einen kleinen Teil ihres Emittermaterials in der Lampe verlieren. Dieser Effekt zeigt sich dann zum Beispiel an schwarzen Lampenenden. In Bereichen mit kurzen Anwesenheitsintervallen, wie zu Beispiel sanitäre Bereiche oder Flure, lässt sich eine erhöhte Ausfallrate von Leuchtstofflampen beobachten.* Mit Ausnahme von Anwendungen, bei denen LEDs extremen Temperaturschwankungen unterliegen.

LEDs kennen solche Probleme nicht, da sie als elektronische Bauteile unempfindlich gegenüber häufigem Schalten sind. Zusätzlich geben LEDs sofort nach dem Einschalten ihren vollen Lichtstrom ab, was beim Betreten eines dunklen Raumes wesentlich angenehmer ist.

Tageslichtabhängige Lichtregelung als intelligente Steuerung

Jede Beleuchtungsanlage verliert mit den Jahren einen Teil ihrer Lichtleistung (siehe 4.1). Deshalb wird die Beleuchtung für professionelle Umgebungen in der Praxis immer etwas überdimensioniert, sodass diese am Ende der Lebensdauer noch stets die durch die Norm vorgeschriebene Beleuchtungsstärke erzielt. Durch Verwendung qualitativ hochwertiger LEDs in einer intelligenten Konstruktion mit optimalem Wärmehaushalt wird der Leistungsverlust auf ein Minimum beschränkt (10 bis 15%).

Es gibt jedoch Verfahren, um auch noch die restliche Überdimensionierung in Höhe von 10 bis 15% zu reduzieren, ohne an Lichtqualität einzubüßen. Heute sind High-End-Betriebsgeräte verfügbar, die es ermöglichen, zeitlich einen variablen Strom zu programmieren, eine sogenannte CLO-Funktion (Constant Light Output). Diese müssen jedoch auf der Grundlage der zu erwartenden Abnahme der Beleuchtungsstärke programmiert werden. Dabei handelt es sich um eine theoretische Projektion, die Unsicherheit mit sich bringt.

Man kann auch mit einem Lichtsensor arbeiten, der die reale Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsfläche misst und das Betriebsgerät stärker ansteuert wenn das Beleuchtungsniveau sinkt. Und Dies kommt dem sehr nahe, was eigentlich auch eine tageslichtabhängige Lichtregelung macht. Die tageslichtabhängige Lichtregelung hat demnach - ungeachtet dessen, ob diese auf Leuchten- oder Systemebene angewandt wird - einen doppelten Vorteil: Sie sparen nicht nur Energie, sondern Sie können auch einer Überdimensionierung Ihrer Anlage entgegenwirken und so die anfänglichen Investitionskosten drücken.

U7 mit tageslichtabhängiger Regelung (ELS)

60

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Voraussetzung ist, dass genügend Spielraum vorhanden ist, um den Strom zu erhöhen. Leistungs-LEDs arbeiten aufgrund von Effizienz und Leuchtdichtebeherrschung grundsätzlich nur mit einem Drittel ihrer Maximalleistung. Es gibt also Spielraum, um sie am Ende der Lebensdauer 10 bis 15 % stärker anzusteuern. Das gleiche gilt auch für die Betriebsgeräte, die heutzutage eingesetzt werden.

Und wie sieht es in Bezug auf Stabilität und Zuverlässigkeit der Tageslichtsensoren aus? Denn diese Faktoren werden umso wichtiger, wenn die tageslichtabhängige Lichtregelung auch für die Leistung der Anlage verantwortlich wird. Auch dabei gibt es kaum Probleme. Tageslichtsensoren enthalten keine lebensdauersensiblen Komponenten. Es handelt sich um Halbleiterschaltungen, die mit Niederspannung arbeiten. Im Prinzip verfügen diese über MTBF (Mean Time Between Failure, also die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen) von mehreren hunderttausend Stunden. Das lässt sie zu einer äußerst stabilen und zuverlässigen Komponente werden, um die Beleuchtungsanlage anzusteuern.

* Zusätzliche Einsparung zur Energieeinsparung, die durch Tageslichteinfall realisiert wird.

Abb. 49: Ein Tageslichtsensor (ELS) sorgt dafür, dass man eine Beleuchtungsanlage nicht überdimensionieren muss. So bleibt die Beleuchtungsstärke konstant und Sie sparen Energie.

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tive

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Brennstunden (h x 1000) Brennstunden (h x 1000)

Einsparung*

E ohne ELS

P ohne ELSE mit ELS

P mit ELS

LED-Leuchte ohne ELS

LED-Leuchte mit ELS

UP

DA

TE


Kapitel 5: Frage und Antwort

Frage: Wo finde ich die international gültigen Standards für LEDs?

Antwort: Auf www.lightingeurope.org finden Sie die neuesten Richtlinien zu LED-Standards im Bereich “LightingEurope Guide for the application of the Commission Regulation (EU) No. 1194/2012 setting ecodesign requirements for directional lamps, light emitting diode lamps and related equipment”.

In Übereinstimmung mit den Richtlinien der Lighting Industry Liaison Group sind dies die internationalen Standards in Bezug auf LED-Beleuchtung:

Frage: Welche Garantie gibt ETAP auf LED Leuchten?

Antwort: Auf jede Leuchte gewähren wir fünf Jahre Garantie. Angesichts der langen Lebensdauer von LEDs ist ein Ersatz sicherlich die Ausnahme; er ist aber auch von der Garantie abgedeckt. ETAP nutzt universelle LEDs (in Bezug auf ihre Bauform und den ökologischen Fingerabdruck). Es ändert sich lediglich die Effizienz und die Lichtausbeute. Im unwahrscheinlichen Fall, dass die LEDs ausfallen, kann die LED-Platine ohne Probleme getauscht werden. Falls gewünscht, kann dabei die Lichtausbeute auf das ursprüngliche Niveau eingestellt werden. (Für weitere Informationen, lesen Sie bitte die Bedingungen zur Herstellergarantie auf unserer Website www.etaplighting.com)

Produkttyp Sicherheitsanforderungen Leistungsanforderungen

Elektronisches Steuersystem für LED-Module IEC 61347-2-13 IEC 61347-1

IEC 62717

LED-Lampen mit integriertem Vorschaltgerät für allgemeine Beleuchtung mit einer Spannung > 50 V

IEC 62560 IEC 62612

LED-Leuchtröhren (mit doppelter Lampenfassung) IEC 62776-1 IEC 62612

LED-Module für die AllgemeinbeleuchtungIEC 62031

IEC/PAS 62717 (Public Available Specification)

LED-Leuchten IEC 60598 IEC 62722-2-1

Fotobiologische Sicherheit von Lampen und Lichtquellen

IEC 62471

LEDs und LED-Module IEC 62504 Begriffe und Definitionen für LEDs und LED-Module in der Allgemeinbeleuchtung

CIE Technischer Fachausschuss TC2-46 CIE/ISO Standards für LED-Intesitätsmessungen

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

TC2-58 Messung der Strahlung und Leuchtdichte von LEDs

TC2-63 Optische Messung von High-Power LEDs

TC2-64 Schnellprüfverfahren für LEDs


Terminologie

BinningDas Sortieren / Klassifizieren von (in diesem Fall) LEDs in Gruppen mit gleichartigen Charakteristiken, z.B. auf dem Gebiet der Farbtem-peratur.

CDMCeramic Discharge Metalhalide Lampe (Halogen-Metalldampflampe)

ChromatizitätFarbkoordinaten

CIECommission Internationale de l’éclairage / Internationale Kommis-sion für Beleuchtung

DiodeHalbleiter, der elektrischen Strom in eine Richtung sehr gut leitet, aber in die andere Richtung praktisch nicht.

Gamma oder AbschirmwinkelWinkel in Bezug zur Vertikalen wie in einem Polardiagram

„Heiße“ LumenwerteLichtstrom gemessen bei einer typischen Anwendungstemperatur (in der Regel gemessen bei etwa 85°C Junction Temperatur).

IECInternational Electrotechnical Commission

IESIlluminating Engineering Society: International anerkannte Auto-rität im Bereich Beleuchtung.

JunctionAktiver Bereich im Halbleiter, in dem das Licht erzeugt wird.

Junction-TemperaturDies ist die interne Temperatur im Halbleiter-Material (am PN-Übergang, siehe unten).

„Kalte“ LumenwerteLichtstrom gemessen bei 25°C Junction Temperatur

LeadframeBasiselement einer Niedrigleistungs-LED, Metallrahmen, der für ex-terne elektrische Verbindungen, Wärmeverteilung und Lichtreflek-tion sorgt.

LEDAbkürzung von Light Emitting Diode.

LED-Chip: Licht erzeugende Halbleiterkomponente

LED-KomponenteDie Kombination von LED, Gehäuse und Primäroptik.

LED-ModulDas LED-Äquivalent zu einer traditionellen Lampe, aber in LED-Aus-führung. Laut ETAP’s Terminologie entspricht dies Typ 3 (siehe Kapitel 1)

LM-80Von der IES genehmigte amerikanische Methode, um den Licht-stromerhalt von LED-Komponenten zu messen („Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources“).

LM-84Von der IES genehmigte amerikanische Methode, um den Lumener-halt von LED-Leuchten zu messen („Measuring Luminous Flux and Color Maintenance of LED Lamps, Light Engines, and Luminaires“).

LumineszenzProzess, bei dem ein Lichtteilchen (Photon) generiert wird, wenn ein Atom von einem höheren zu einem niedrigeren Energiezustand wechselt.

NutzungsdauerWirtschaftliche Lebensdauer, die für die spezifische Anwendung relevant ist. Sie ist niedriger als die durchschnittliche Lebensdauer.

PCBPrinted Circuit Board: Leiterplatte

Remote-Phosphor-TechnologieTechnologie, bei der der Phosphor, der benötigt wird um weißes Licht zu erzeugen, nicht direkt auf die blaue LED, sondern in oder auf einem (Glas oder Kunststoff) Träger in einigem Abstand zur LED aufgebracht wird. Dadurch funktioniert der Phosphor bei einer niedrigeren Tempe-ratur und es kann in bestimmten Fällen ein Effizienzgewinn und eine Lebensdauerverbesserung realisiert werden.

SDCM (Standard Deviation Colour Matching)Das Maß für wahrnehmbare Abweichungen der Lichtfarbe.

StromleistungsdichteDas Verhältnis zwischen dem Strom, der durch eine Komponentefließt, und dessen Querschnitt.

SubstratTrägermaterial auf dem die LED samt dem inneren Reflektor befestigt ist.

TM-21Von der IES empfohlene Methode, um die nutzbare Lebensdauer von LED-Komponenten zu berechnen („Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources„“), und zwar auf der Grundlage von LM80-Messdaten.


TM-28Von der IES empfohlene Methode, um die nutzbare Lebensdauer von LED-Leuchten zu berechnen („Projecting Long-Term Luminous Flux Maintenance of LED Lamps and Luminaires“), und zwar auf der Grundlage von LM-84-Messdaten.

UGRUnified Glare Rating – Ein auf Schätzung beruhendes Model des Blendungsrisikos. Die Standard-Werte reichen von UGR 16 (geringes Blendungsrisiko) bis UGR 28.

Unterhemisphärisches LichtDer Anteil des totalen Lichtstroms, der bei einer horizontal aufge-hangenen Lichtquelle nach unten geleitet wird.

WartungsfaktorFaktor, der eine Verschmutzung, Alterung und Lichtstromabnahme von Lichtquellen bei Beleuchtungsberechnungen berücksichtigt.

Wire-BondingVerbindung - zumeist aus Gold - zwischen Halbleitern oder zwischen Halbleiter und Leadframe oder externen elektrischen Kontakten.


Anlage 1: Wartungsfaktoren von LED-Produkten

Anwendungsbezogener Wartungsfaktor % (Maintenance Factor, MF)

LEUCHTENTYP ANWENDUNG AUSFÜHRUNG 25.000 Std. 50.000 Std.

D1 / D2 / D3 BÜRO - 63%

D42 BÜRO - 88% 88%

E1 INDUSTRIE - 83% 81%

E2 INDUSTRIE - 83% 81%

E4 INDUSTRIEE4.0./ 84% 83%

E4.1./ 83% 80%

E5M - E3M INDUSTRIEE5M.0./ 84% 83%

E5M.1./ 81% 78%

E7 INDUSTRIE E7.1./ (1 REIHE LEDS) 83% 81%

E7.2./ (2 REIHEN LEDS) 82% 79%

FLARE BÜRO - 87% 85%

LEDA BÜRO - 63%

R7 BÜRO

ohne Uplight 88% 88%

mit Uplight 88% 86%

mini 87% 84%

R8 BÜRO - 84% 78%

U2 BÜROU25 88% 88%

U21 80% 80%

U7 BÜROStandardmaß 88% 87%

mini 87% 84%

UM2 BÜRO - 83% 77%

US BÜROUS./LED.25 - /LED.30 88% 87%

US./LED.35 - /LED.40 87% 83%

UW BÜRO - 86% 84%

V2M11 BÜRO - 88% 88%

V2M17 BÜRO - 86% 84%

V2M1F / J BÜRO - 88% 85%

W1 BÜRO - 71%


Erklärungen & Bedingungen

LLMF (%)• Alle Leistungsdaten bezogen auf eine Umgebungstemperatur von 25°C.

• Anwendungsbezogener Leistungsfaktor (siehe oben): Ändert sich in

Abhängigkeit zum Verschmutzungsgrad und zur Reinigungshäufigkeit.

• MF = LLMF * LSF * LMF * RMF

(CIE97: Veröffentlichung für die Innenbeleuchtung)

LLMF: Lampenlichtstrom-Wartungsfaktor (Lamp Lumen Maintenance

Factor)

LSF: Faktor für Lampenlebensdauer (Lamp Survival Factor)

LMF: Leuchten-Wartungsfaktor (Luminaire Maintenance Factor)

RMF: Raum-Wartungsfaktor (Room Maintenance Factor)

• Die oben genannte Berechnung des Wartungsfaktors basiert auf folgen-

den Daten:

LSF = 1 (“spot replacement”: bei totalem LED-Ausfall, werden Betriebs-

gerät oder Leuchte ersetzt).

LMF = 0,95 für saubere Büroumgebungen; 0,89 für normale industrielle

Umgebungen.

RMF = 0,94 für saubere Büroumgebungen (Reflexionsfaktor 70/50/20)

oder 0,95 für normale Industrieumgebungen (Reflexionsfaktor 50/30/20),

vorausgesetzte dreijährliche Reinigung. Gemäss CIE 97 2005.

• LLMF auf Basis LM80(1)/TM21(2)

LEUCHTENTYP AUSFÜHRUNG 25.000 Std. 50.000 Std.

D1 / D2 / D3 - 70%(3)

D42 - 99% 98%

E1 - 98% 96%

E2 - 98% 96%

E4E4.0./ 99% 98%

E4.1./ 98% 95%

E5M - E3ME5M.0./ 99% 98%

E5M.1./ 96% 92%

E7E7.1./ (1 Reihe LEDs) 98% 96%

E7.2./ (2 Reihen LEDs) 97% 94%

FLARE - 97% 95%

LEDA - 70%(4)

R7

ohne Uplight 99% 98%

mit Uplight 98% 96%

mini 97% 94%

R8 - 94% 87%

U2U25 99% 98%

U21 90% 90%

U7Standardmaß 99% 97%

mini 97% 94%

UM2 - 93% 86%

USUS./LED.25 - /LED.30 99% 97%

US./LED.35 - /LED.40 97% 93%

UW - 96% 94%

V2M11 - 99% 99%

V2M17 - 96% 94%

V2M1F / J - 98% 95%

W1 - 80%

(1) IES LM-80-08: zertifiziertes Testverfahren zur Bestimmung der Lumen Wartungsfaktoren von

LED Lichtquellen.

(2) IES TM-21-11: Verfahren zu langfristigen Hochrechnung von Lumen Wartungsfaktoren von LED

Lichtquellen.

(3) Quelle: Osram

(4) Quelle: Philips

ETAP Beleuchtung, NL der ETAP NV Schlebuscher Straße 77 51381 Leverkusen DeutschlandTel. +49 (0)2171/7075-5 Fax +49 (0)2171/7075-75 e-mail: [email protected]

ETAP NV Antwerpsesteenweg 130 2390 Malle BelgienTel. +32 (0)3 310 02 11 Fax +32 (0)3 311 61 42 e-mail: [email protected]

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