WhitePaper LED LED-Grundlagen - · PDF fileWhitePaper Grundlagen der LED Light Emitting Diode...

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    04-Jun-2018
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  • WhitePaper LED

    LED-Grundlagen

  • Die LED ist eine Halbleiter basierende Lichtquelle, die sich von konventionellen Lichtquellen deutlich unterscheidet. Zu den wichtigsten Vorteilen zhlen lange Lebensdauer, hohe Effizienz, Umweltfreundlichkeit, gute Farbwiedergabe und vielfltige Ge-staltungsmglichkeiten.

    Whrend in konventionellen Lampen ein Glhdraht oder ein Gas Licht erzeugen, sind LEDs winzige Elektronik-Chips aus speziellen Halblei-terkristallen. Dieses Prinzipder Lichterzeugung bietet viele Vorteile und neue Mglichkeiten fr den Einsatz. Um das volle Poten-tial ausschpfen zu knnen, mssen Hersteller, Leuchtendesigner und Lichtplaner die besonderen Eigenschaften der LED kennen und be-rcksichtigen. Das vorliegende Dokument erlutert wichtige Begriffe, Techniken und Mglichkeiten.

    WhitePaper

    Grundlagen der LEDLight Emitting Diode

    Module DLE

    Module SLE

    Module LLE-FLEX

  • Das von einem LED-Modul erzeugte Licht lsst sich ber die Parameter Farbwiedergabe, Farbtemperatur, Farbort und Farb-konsistenz genau beschreiben. Der folgende Abschnitt erklrt die Zusammenhnge und Unterschiede.

    FarbwiedergabeDer Farbwiedergabeindex R

    a (englisch: Colour Rendering Index, CRI)

    ist eine Mazahl, die beschreibt, wie wirklichkeitsgetreu eine Licht-quelle die unterschiedlichen Farben eines Objekts wiedergibt. Ermit-telt wird der R

    a mit Hilfe einer Referenz-Farbkarte mit 14 genormten

    Testfarben. Je nachdem, wie gro die Abweichungen der Sekundr- spektren von diesen Testfarben sind, wird die Lichtquelle einem bestimmten R

    a zugeordnet. Werden Farben schlecht wiedergegeben,

    sind die Abweichungen gro und der Ra ist gering. Bei guter Farbwie-

    dergabe zeigen sich geringe Abweichungen und der Ra ist hoch.

    Plancksche Kurve mit den gngigsten Farbtemperaturen in der CIE-Normfarbtafel

    0

    0,1

    0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

    0,2

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    0,4

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    0,7

    0,9

    X

    0,8

    Y

    Plancksche Kurve

    Neutralwei4.200 K

    Warmwei3.000 K

    Tageslichtwei6.500 K

    WhitePaper

    Parameter zur Bestimmung der LichtfarbeDie unterschiedlichen Farbrume von Licht

    Der maximal mgliche Wert des Ra liegt bei 100. Dies entspricht einer

    Farbwiedergabe ohne jede Verflschung. Sonnenlicht hat einen Ra

    von bis zu 100, eine weie LED liegt zwischen 70 bis 98. Fr den praktischen Einsatz bedeutet dies, dass LED-Leuchtmittel mit einem hheren R

    a-Wert die angestrahlten Farben natrlicher und fr das

    menschliche Auge angenehmer wiedergeben. In bestimmten Anwen-dungsfllen (beispielsweise bei der Beleuchtung von Kunstwerken in Museen) ist dieser Punkt von entscheidender Bedeutung.

    Farbtemperatur Die Farbtemperatur ist eine Maeinheit, die die Farbe einer Licht-quelle beschreibt. Sie wird in Kelvin (K) gemessen. Gngige Leuchten haben Farbtemperaturen unter 3.300 Kelvin (Warmwei), zwischen 3.300 und 5.000 Kelvin (Neutralwei) oder ber 5.000 Kelvin (Ta-geslichtwei). Die Farbtemperatur wird bestimmt durch den Vergleich der Lichtquelle mit der Farbe eines sogenannten Schwarzen Krpers (auch: Schwarzer Strahler, planckscher Strahler). Dies ist ein idealisier-ter Krper, der Licht komplett absorbiert und keine Strahlung reflek-tiert. Wenn ein Schwarzer Strahler langsam erhitzt wird, durchluft er unterschiedliche Farben, von Dunkelrot, Rot, Orange ber Gelb, Wei bis zu Hellblau.

    Die Farbtemperatur der Lichtquelle ist definiert als diejenige Tempe-ratur in Kelvin, bei der der Schwarze Strahler die exakt gleiche Farbe zeigt. Wenn man die unterschiedlichen Farben des Schwarzen Strah-lers in die Normfarbtafel bertrgt und sie miteinander verbindet, erhlt man eine Kurve, die man als Plancksche Kurve bezeichnet.

  • FarbortDurch den Farbort wird eine Farbe anhand ihrer Koordinaten innerhalb der Normfarbtafel genau festgelegt. Insgesamt gibt es drei Koordinaten (x, y, z). Die Summe aller Koordinaten ergibt stets die Zahl 1, so dass zur vollstndigen Bestimmung bereits zwei Koordina-ten gengen. Durch Angabe des Farborts lassen sich Farbtne ge-nauer definieren als durch Angabe der Farbtemperatur. Dadurch ist es mglich, genaue Vorgaben ber die gewnschte Lichtfarbe zu treffen oder unerwnschte Abweichungen zwischen Farben zu benennen. Besonders wichtig ist dies, wenn die Beleuchtung einen einheitlichen, genau vorgegebenen Farbton erzeugen muss und Abweichungen das visuelle Erscheinungsbild erheblich stren.

    FarbkonsistenzDie Farbkonsistenz beschreibt die maximale Abweichung vom Ziel-Farbort. Maeinheit der Farbkonsistenz ist SDCM (Abkrzung fr Standard Deviation of Colour Matching). Der SDCM-Wert nimmt Be-zug zur Normfarbtafel und den sogenannten MacAdam-Ellipsen. Die MacAdam-Ellipsen sind nach ihrem Entdecker benannt und markieren Bereiche innerhalb der Normfarbtafel, in denen der Mensch keine Farbunterschiede mehr wahrnehmen kann. Zur Klassifizierung von Farbabweichungen werden unterschiedliche Stufen von MacAdam-Ellipsen definiert. MacAdam1 wre eine sehr kleine Ellipse mit einem entsprechend eng begrenzten Bereich unterschiedlicher Farben. Mit steigender Zahl (MacAdam1, MacAdam2 usw.) werden die Ellipsen und die Unterschiede der Farben darin grer.

    Die Angabe SDCM1 bzw. MacAdam1 bedeutet also, dass die Farbab-weichung eines LED-Moduls innerhalb einer MacAdam1-Ellipse um den vorgegebenen Farbort liegen muss. Eine grere Abweichung, mit einem Farbort auerhalb der MacAdam1-Ellipse (aber innerhalb der nchstgreren MacAdam2-Ellipse) wrde zu einer Klassifizierung als SDCM2 bzw. MacAdam2 fhren. Farbabweichungen im Bereich SDCM1 sind fr den Menschen praktisch nicht wahrnehmbar. Ein Wert von SDCM3 stellt einen guten Kompromiss dar und hat sich als eine Art Standard etabliert.

    Farbortbestimmung der Farbtemperatur Neutralwei ber die x- und y-Koordinaten (x=0,38; y =0,38)

    Farbort der Farbtemperatur Neutralwei (x=0,38; y=0,38) mit den MacAdam-Ellipsen SDCM3 und SDCM5

    PraxisbeispielFarbangaben aus dem Datenblatt eines LED-Moduls von Tridonic: Farbtemperatur (2.700 K), Farbort (x=0,463; y=0,420), Farbkonsistenz (SDCM3), sowie graphische Darstellung von Farbort und MacAdam-Ellipse.

    0

    0,1

    0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

    0,2

    0,3

    0,4

    0,5

    0,6

    0,7

    0,9

    X

    0,8

    Y

    0,38

    0,38

    Neutralwei 4.200 K

    0,4000

    0,4050

    0,4100

    0,4150

    0,4200

    0,4250

    0,4300

    0,4350

    0,4400

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    50

    0,45

    00

    0,45

    50

    0,46

    00

    0,46

    50

    0,47

    00

    0,47

    50

    0,48

    00

    0,48

    50

    0,3550

    0,3600

    0,3650

    0,3700

    0,3750

    0,3800

    0,3850

    0,35

    50

    0,36

    00

    0,36

    50

    0,37

    00

    0,37

    50

    0,38

    00

    0,38

    50

    0,39

    00

    0,39

    50

    0,3900

    0,3950

    SDCM3SDCM5

  • Die Lebensdauer eines Gerts wird typischerweise definiert als der Punkt, an dem ein gewisser Prozentsatz an Gerten ausfllt. Fr LEDs ist diese Definition aber nicht wirklich geeignet. Ein gut konzipiertes LED-Paket fllt in der Regel nicht vollstndig aus. LEDs knnen sehr lange betrieben werden, der Alterungsprozess zeigt sich daran, dass der Lichtstrom mit der Zeit schrittweise zurckgeht. Dementspre-chend beinhalten die Lebensdauer-Definitivonen von LEDs unter-schiedliche Para meter zur Beschreibung des Verhaltens der LEDs.

    L-Wert (Lp)

    Lp beschreibt den Restlichtstrom als Prozentsatz des Ursprungs-

    lichtstroms. Die Angabe erfolgt in Verbindung mit einer bestimmten Betriebsdauer. Das folgende Schaubild illustriert den Zusammenhang: Die cyan-farbige Linie zeigt die Lichtleistung. Im Zeitverlauf geht diese schrittweise zurck. Nach 32.000 Stunden ist die Lichtleistung auf 90 Prozent des ursprnglichen Werts gefallen. Dies wird bezeichnet als L

    90

    bei 32.000 Stunden.

    WhitePaper

    LED-LebensdauerHohe Energieffizienz bei langer Lebensdauer

    Rel

    . Lic

    htst

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    [%]

    Betriebsdauer [h]

    L90 32.000 h

    10.000 50.000

    50

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    70

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    90

    100

  • B-Wert (Bp)

    Die Darstellung des Lichtstroms als einzelne einheitliche Linie ist nicht realittsnah. In der Praxis zeigen sich Abweichungen mit einer gewissen Bandbreite unterschiedlicher Werte: Einzelne LED-Module haben einen hheren Verlust, andere einen geringeren. Das folgende Schaubild illustriert den Zusammenhang: Die cyan-farbige Linie zeigt die Lichtleistung (den L-Wert) bestimmter LEDs. Der hellblaue Bereich zeigt die Bandbreite aller LEDs mit Werten sowohl darber als auch darunter.

    Um die Bandbreite der Werte bzw. die Abweichungen vom L-Wert zu beschreiben, wurde der B-Wert eingefhrt: Der B-Wert beschreibt den Prozentsatz an LEDs, die den angegebenen L-Wert nicht erreichen. Durch Festlegung eines geringen B

    p werden hhere Anforderungen

    an die Lebensdauer gestellt. Bei der Gesamtbeurteilung der Lebens-dauer eines LED-Moduls mssen deswegen L

    p und B

    p gleichermaen

    betrachtet werden. Die folgenden Schaubilder zeigen den Zusammen-hang fr zwei typische Werte: B

    50 und B

    10.

    Rel

    . Lic

    htst

    rom

    [%]

    Bertriebsdauer [h]

    L-Wert

    10.000 50.000

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    100

    50% der LEDs mit Restlichtstrom ber dem L-Wert

    50% der LEDs mit Restlichtstrom unter dem L-Wert

    Rel

    . Lic

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    50

    B50

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    Betriebsdauer [h]

    10.000 50.000

    90% der LEDs mit Restlichtstrom ber dem L-Wert

    10% der LEDs mit Restlichtstrom unter dem L-Wert

    Rel