Dipl.-Ing.(FH) M. Schmidt M.A. LED - Qualitätskriterien„LED – mehr als nur Licht“, 26.10.2016
LED – Qualitätskriterien
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Gliederung
� Grundlagen
� Technologie der (weißen) LED
� (LED-) Licht und Gesundheit
� Lichtstrom, Leistung, Lichtausbeute (Effizienz)
� Qualitätskriterien
� Temperaturmanagement
� Farbtemperatur
� Farbwiedergabe
� Binning
� Flimmern
� Austauschbarkeit, Nachbeschaffung
� Zusammenfassung
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Abbildung aus LED Wikipedia
Technologie der LED
� Wie alles begann
� Licht Emittierende Dioden basieren auf unterschiedlichen Kristallen als Halbleiter, die unter Anlegen einer Spannung Licht im sichtbaren Teil des Spektrums emittieren.
� rote LED 1962 (0,1 lm/W)
� ..... und wie ging es weiter?
� verschiedene Farben
� SMD Technologie
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Abbildung aus LED Wikipedia
Technologie der weißen LED
1-Phosphor Umformung� Blaues LED-Licht +
Spektralverschiebung durch Phosphorbeschichtung� weißes Licht
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Licht und Gesundheit
� Positive Wirkung des Tageslichts auf Gesundheit und Wohlbefinden
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Der Sehapparat(visuelle Lichtwirkung)
� Linse bündelt Lichtstrahlen auf der Netzhaut
� ca. 125 - 130 Millionen „Sehzellen“
� ca. 120 Mio. „Stäbchen“ � Helligkeit
� ca. 7 Mio. „Zapfen“ � Farbsehen
� Weiterverarbeitung im Gehirn
David A. Huble, Auge und Gehirn
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Licht und Gesundheit(nicht-visuelle Lichtwirkung)
� 2001 wird ein bisher nur vermuteter weiterer photosensitiver Sensor im Auge nachgewiesen.
� Retinale Ganglienzellen wirken direkt auf den Hormonhaushalt des Menschen.
� Melatonin (Schlafhormon) hat dabei eine Marker- oder Indikatorfunktion.
� Licht ist der entscheidende Taktgeber für die circadiane Rhythmik des Menschen.
� Das Thema Licht und Gesundheit wird zukünftig an Bedeutung gewinnen und stärkt den Einsatz von Tageslicht.
licht.de „Wirkung des Lichts auf den Menschen“
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Spektrale Hellempfindlichkeit v(λ) (visuell)(weiße Kurve)
� Tagsehen (photopisches Sehen)max. bei 555 nm (grün/gelb)
Melanopische Wirkfunktion smel(λ) (nicht-visuell)(blaue Kurve)
� Blaues Licht wirkt über weiteren Rezeptor am visuellen System vorbei direkt auf den Hormonhaushalt und beeinflusst unseren Wach-/Schlafrhythmus max. bei ca. 480 nm
Spektrum weiße LED
� Blaues LED-Licht + Spektralverschiebung durch Phosphorbeschichtung
FVLR, Grundlagen des Tageslichtes; Licht.de Heft 19
(LED-) Licht und Gesundheit
Abbildung aus LED Wikipedia
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Lichtstrom in Lumen [lm], Leistung in Watt [W],Lichtausbeute (Effizienz) in Lumen/Watt [lm/W]
Lichtstrom: Die Menge Licht, die von einer Lichtquelle ausgesendet wird.
� Richtungsunabhängig
� Basis zur energetischen Bewertung einer Lichtquelle.
Lichtausbeute: Lichtstrom pro Leistung, also Lumen pro Watt
� Typische Lichtausbeuten:
� Glühbirne 8 - 12 lm/W
� Halogenglühbirne 15 - 22 lm/W
� Energiesparlampe 40 - 60 lm/W
� Leuchtstoffröhre ca. 90 lm/W
� LED weiß > 100 lm/W
� Natriumdampflampe ca. 180 lm/W
� Tageslicht ca. 100 lm/W
x 100 W � ca. 1.000 lm
x 10 W � > 1.000 lm
(Abminderung durch Leuchte
� Leuchtenbetriebs-
wirkungsgrad)
(LED-Chip? / Modul? / Leuchte?)
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Abbildung aus Luxeonstar
TemperaturmanagementAufbau von LED-Chips
� Sehr wenig Wärme in Ausstrahlrichtung
� Essentielle Bedeutung der Temperaturdirekt am Halbleiter!
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Abbildung aus Luxeonstar
TemperaturmanagementTemperatur, Stromstärke � Lichtausbeute, Lebensdauer
� Abnahme der Lebensdauer bei steigender Temperatur und steigendem Strom
Abbildung aus Vortrag Nimbus
� Abnahme der Lichtausbeute bei steigender Temperatur
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Abbildung aus DOE CALiPER 2009
� L70/B50 WertZeitraum, innerhalb dessen mindestens 50% der Lampen noch mindestens 70% des Nennlichtstroms erreichen
TemperaturmanagementBetriebsdauer – Lichtstrom
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TemperaturmanagementKühlung
� Aktive / passive Kühlung
www.led-heatsink.com
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Lichtfarbe / Farbtemperatur
� ähnlichste Farbtemperatur einer Lichtquelle
� Einheit ist Kelvin [K]0K ≈ - 273°C
� Referenz ist die Strahlung, die ein „idealer schwarzer Körper“ bei der entsprechenden Temperatur abgibt
� In der Lichttechnik werden die drei folgenden Farbtemperaturklassen unterschieden:
warmweiß [ww] < 3.300 K
neutralweiß [nw] 3.300 – 5.300 K
tageslichtweiß [tw] > 5.300 K
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Lichtfarbe / Farbtemperatur‚tunable white‘-LED
� LED-Leuchten: unterschiedliche Farbtemperaturen möglich, steuerbar
Zumtobel
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Farbwiedergabespektrale Zusammensetzung
� Beschreibt die Eigenschaft einer Lichtquelle, die Farben eines Objektes naturgetreu wieder-zugeben.
� Die spektrale Zusammensetzung der Lichtquelle ist von entscheidender Bedeutung.
� Dazu werden im wesentliche zwei Spektren unterschieden:
� Linienspektrum oder kontinuierliches Spektrum � typisches Merkmal des Sonnen- / Tageslichtes und aller Temperaturstrahler wie konventionellen Glühbirnen und Halogenglühlampen
� Balkenspektrum oder diskontinuierliches Spektrum � Merkmal unter anderem aller Entladungslampen
Tageslicht Glühlampe
Entladungslampe warmweiß LED warmweiß
M. Schmidt
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Farbwiedergabeindex
� Eine Bewertung findet durch den Vergleich mit einer Bezugslichtquelle statt -
� und wird als Farbwiedergabeindex Ra beschrieben(100 am besten)
� Gängige Sehaufgaben brauchen mindestens einen Farbwiedergabeindex Ra > 80
M. Wambsganß
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MessdatenBeispiele
Glühlampe
Farbwiedergabeindex RaSpektrum
ähnlichste Farbtemperatur
M. Schmidt
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MessdatenBeispiele
Kompaktleuchtstofflampewarmweiß(Beispiel)
Farbwiedergabeindex RaSpektrum
ähnlichste Farbtemperatur
M. Schmidt
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MessdatenBeispiele
LED-Lampe 1warmweiß(Beispiel)
Farbwiedergabeindex RaSpektrum
ähnlichste Farbtemperatur
M. Schmidt
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MessdatenBeispiele
LED-Lampe 2warmweiß(Beispiel)
Farbwiedergabeindex RaSpektrum
ähnlichste Farbtemperatur
M. Schmidt
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Ausblick: Ein neuer Farbwiedergabeindex ?IES TM-30-15
� 99 Referenzfarben
� Fidelity-Index Rf
� Referenz-Spektrums-Ähnlichkeit
� Wertebereich 0 – 100 (100 am besten)
� Gamut-Index Rg
� Farbumfang
� Zielwert 100
� typische Werte ca. 85 – 105
� Digramm
� Vektorgrafische Darstellung der Farbverschiebung
DIAL
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BinningFarbraum
� Einteilung der LEDs in Bereiche, in denen das Licht „spektral streut“.
� Eine Einstufung in besonders fein detaillierte Klassen wird binning genannt.
� Starker Einfluss von Nennstrom und Temperatur!
lighting.philips.com
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BinningMac Adams Ellipsen
� kleinster nicht mehr wahrnehmbarer Farbunterschied
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DimmverfahrenKonstantstromregelung (CCR) / Pulsweitenmodulation (PWM)
� Änderung der ähnlichsten Farbtemperatur bei CCR (rot) und PWM (blau)
� Pulsweitenmodulation (PWM)typische Frequenz 100 – 400 Hz(Flimmerverschmelzungsfrequenz > 80 Hz)
LiTG-Publikation 35 „Flimmern und Stroboskopische Effekte“
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Flimmern
DIAL
� Je nach Betriebsgerät unterschiedliche Modulationen
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Flimmern
� Visuell wahrnehmbares Flimmern
� Unbewusst wahrgenommenes Flimmern
� mögliche Gefahren durch Stroboskopeffekte
LiTG-Publikation 35 „Flimmern und Stroboskopische Effekte“
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Austauschbarkeit, Nachbeschaffung
www.zhagastandard.org
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Zusammenfassung LED
Vorteile
� kleine Bauform
� punktförmig hohe Lichtstärken � Brillanz
� hohe effektive Lichtausbeuten bei gutem weißen Licht
� unterschiedliche Farbtemperaturen möglich
� (mittlerweile) gute Farbwiedergabe
� keine Startverzögerung
� gute Dimmbarkeit
� sehr wenig Wärme in Ausstrahlrichtung
� lange Lebensdauer > 40.000 h (bei entsprechend hochwertigen Produkten)
aber auch:
� Thermomanagement von essentieller Bedeutung
� punktförmig hohe Leuchtdichten! � Blendung
� starke Abhängigkeit von der Qualitätssicherung der Hersteller (binning)
� schwierige Beurteilung – selbst für Spezialisten
� häufig noch fehlende Möglichkeit zum „Lampentausch“
� schwieriger Umgang mit steigenden Lichtausbeuten im selben Produkt
� schwieriger Umgang mit Degradation (Alterung) bei Nachbeschaffung
� wenig Langzeiterfahrung
� Qualität hat ihren PreisFazit
� vielfältige Einsatzmöglichkeiten
� Der Einsatz von LEDs sollte fachkundig geplant werden !
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