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    04-Jun-2018
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  • WhitePaper | T LED

    LED-Grundlagen

  • Die LED ist eine Halbleiter basierende Lichtquelle, die sich von konventionellen Licht-quellen deutlich unterscheidet. Zu den wichtigsten Vorteilen zhlen lange Lebens- dauer, hohe Effizienz, Umweltfreundlichkeit, gute Farbwiedergabe und vielfltige Gestaltungsmglichkeiten.

    Whrend in konventionellen Lampen ein Glhdraht oder ein Gas Licht erzeugen, sind LEDs winzige Elektronik-Chips aus speziellen Halbleiterkristallen. Dieses Prinzip der Lichterzeugung bietet viele Vorteile und neue Mglichkeiten fr den Einsatz. Um das volle Potential ausschpfen zu knnen, mssen Hersteller, Leuchten- designer und Lichtplaner die besonderen Eigenschaften der LED kennen und bercksichtigen. Das vorliegende Dokument erlutert wichtige Begriffe, Techniken und Mglichkeiten.

    Grundlagen der LEDLight Emitting Diode

  • 32

    Das von einem LED-Modul erzeugte Licht lsst sich ber die Parameter Farbwieder-gabe, Farbtemperatur, Farbort und Farbkonsistenz genau beschreiben. Der folgen-de Abschnitt erklrt die Zusammenhnge und Unterschiede.

    FarbwiedergabeDer Farbwiedergabeindex Ra (englisch: Colour Rendering Index, CRI) ist eine Mazahl, die beschreibt, wie wirklichkeitsgetreu eine Lichtquelle die unterschiedlichen Farben eines Objekts wiedergibt. Ermittelt wird der Ra 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 Ra zugeordnet. Werden Farben schlecht wiedergegeben, sind die Abweichungen gro und der Ra ist gering. Bei guter Farbwiedergabe zeigen sich geringe Abweichungen und der Ra ist hoch.

    Der maximal mgliche Wert des Ra liegt bei 100. Dies entspricht einer Farbwieder-gabe 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 Ra-Wert die angestrahlten Farben natrlicher und fr das menschliche Auge angenehmer wiedergeben. In bestimmten Anwendungs-fllen (beispielsweise bei der Beleuchtung von Kunstwerken in Museen) ist dieser Punkt von entscheidender Bedeutung.

    Parameter zur Bestimmung der LichtfarbeDie unterschiedlichen Farbrume von Licht

    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

    0,3

    0,4

    0,5

    0,6

    0,7

    0,9

    X

    0,8

    Y

    Plancksche Kurve

    Neutralwei4.200 K

    Warmwei3.000 K

    Tageslichtwei6.500 K

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

    Die Farbtemperatur der Lichtquelle ist definiert als diejenige Temperatur in Kelvin, bei der der Schwarze Strahler die exakt gleiche Farbe zeigt. Wenn man die unterschiedlichen Farben des Schwarzen Strahlers 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 Koordinaten gengen. Durch Angabe des Farborts lassen sich Farbtne genauer definieren als durch Angabe der Farb-temperatur. Dadurch ist es mglich, genaue Vorgaben ber die gewnschte Lichtfarbe zu treffen oder unerwnschte Ab- weichungen zwischen Farben zu benennen. Besonders wichtig ist dies, wenn die Beleuchtung einen einheitlichen, genau vor-gegebenen 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 Bezug 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 Klassifizie-rung 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 Farbabweichung 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

    0,4450

    0,4500

    0,4550

    0,4600

    0,4650

    0,4700

    0,4750

    0,4800

    0,4850

    0,3550

    0,3600

    0,3650

    0,3700

    0,3750

    0,3800

    0,3850

    0,3550

    0,3600

    0,3650

    0,3700

    0,3750

    0,3800

    0,3850

    0,3900

    0,3950

    0,3900

    0,3950

    SDCM3SDCM5

  • 54

    LED-LebensdauerHohe Energieffizienz bei langer Lebensdauer

    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. Dementsprechend bein- halten die Lebensdauer-Definitionen von LEDs unterschiedliche Parameter zur Be-schreibung des Verhaltens der LEDs.

    L-Wert (Lp )Lp beschreibt den Restlichtstrom als Prozentsatz des Ursprungslichtstroms. Die Angabe erfolgt in Verbindung mit einer bestimmten Betriebsdauer. Das folgende Schaubild illustriert den Zusammenhang: Die cyan-farbige Linie zeigt die Lichtleis-tung. Im Zeitverlauf geht diese schrittweise zurck. Nach 32.000 Stunden ist die Lichtleistung auf 90 Prozent des ursprnglichen Werts gefallen. Dies wird bezeich-net als L90 bei 32.000 Stunden.

    10.000 50.000

    Betriebsdauer [h]

    Rel

    . Lic

    htst

    rom

    [%]

    L90 32.000 h

  • B-Wert (Bp )Die Darstellung des Lichtstroms als einzelne einheitliche Linie ist nicht realitts-nah. In der Praxis zeigen sich Abweichungen mit einer gewissen Bandbreite un-terschiedlicher 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 Bp wer-den hhere Anforderungen an die Lebensdauer gestellt. Bei der Gesamtbeurteilung der Lebensdauer eines LED-Moduls mssen deswegen Lp und Bp gleichermaen betrachtet werden. Die folgenden Schaubilder zeigen den Zusammenhang fr zwei typische Werte: B50 und B10.

    10.000 50.000

    Betriebsdauer [h]

    Rel

    . Lic

    htst

    rom

    [%]

    B10

    10.000 50.000

    Betriebsdauer [h]

    Rel

    . Lic

    htst

    rom

    [%]

    B50

    10.000 50.000

    Betriebsdauer [h]

    Rel

    . Lic

    htst

    rom

    [%]

    50% der LEDs mit Restlicht-strom ber dem L-Wert

    50% der LEDs mit Restlicht-strom unter dem L-Wert

    90% der LEDs mit Restlicht-strom ber dem L-Wert

    10% der LEDs mit Restlicht-strom unter dem L-Wert

    L-Wert

  • 76

    Kombination von L-Wert und B-WertDas folgende Schaubild illustriert die Kombination von Lp und Bp. Die Lebensdauer der LED-Module lsst sich dabei auf unterschiedliche Art beschreiben, je nachdem, welcher Wert als Ausgangsgre verwendet wird.

    Bei der Kombination L90 B50 32.000h haben 50 Prozent der LEDs bei 32.000 Betriebs-stunden einen Restlichtstrom von weniger als 90 Prozent des ursprnglichen Wertes.