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LED-Technologie – Stand der Technik

Lichtqualität und ihre Wirkungen auf die Innenraumbeleuchtung

• Kein Licht ohne Dunkelheit: Prof. Khanh im...

  Foto: Markus Kaufhold

• Abb. 1: Entwicklung der Lichtausbeute von weißen...

• Abb. 2: Relative Spektren der warmweißen LEDs

• Abb. 3: Relative Spektren der neutralweißen LEDs
   

Nach einer rasanten Entwicklung, die die LEDs seit den 1960er Jahren in der Beleuchtung genommen haben, ist es wieder einmal an der Zeit zu schauen, wo wir heute stehen und wie das Potential und die Qualität der neuen Leuchtmittel einzuschätzen sind.

Einführung

Die ersten farbigen LEDs mit geringer elektrischer Leistung wurden im Jahr 1962 auf den Markt eingeführt. Bis zu den 1990er Jahren wurden LEDs in unterschiedlichen Farben als Lichtquellen für die Signalisierung (Ampellampen, Signallampen für die elektrischen Geräte wie Video-und Audiogeräte und Haushaltgeräte) verwendet. Im Jahr 1994 wurden die ersten blauen LEDs mit höherer elektrischer Leistung erfunden und im Jahr 1997 wurde die Kombination zwischen einem blauen Chip und den YAG-Leuchtstoffen gefunden, die auf die blauen LED-Chips aufgebracht werden können, die blaue Strahlung zum Teil absorbieren und die längerwelligen Strahlungen, vorwiegend im grünen und orangefarbi­gen Wellenlängenbereich, emittieren. Die Summe aus der blauen Strahlung und der längerwelligen Strahlung liefert ein breitbandiges Strahlungsspektrum und visuell einen weißen Lichteindruck.

Diese Entwicklung ging weiter bis zum Jahr 1999, bis die ersten weißen LEDs mit einer brauchbaren Leistung mit einem Strom um 350 mA und 3,4 V industriell hergestellt werden konnten. Mit dieser Konfiguration versuchte die LED-Technologie, nicht nur den Signalisierungsmarkt, sondern vielmehr den Beleuchtungsmarkt zu erobern. Etwa zwölf Jahre danach, im Jahr 2011, drängen sich folgende Fragen auf, die beantwortet werden sollen:

Wie ist der Stand der heutigen LED-Technologie bezüglich der Lichtausbeute und den anderen lichttechnischen Eigen­schaften wie Farbwiedergabe, um als Lichtquellen für die Innenraumbeleuchtung eingesetzt zu werden?

Was für Potentiale besitzt die LED-Technologie, um sich nach der Epoche der Glühlampen im Wohnraumbereich durchzuset­zen und mit den Kompaktleuchtstofflampen zu koexistieren?

Können die Lichtplaner, Lichtarchitekten und Lichtinge­nieure heute bereits die LED-Büroleuchten einsetzen, um hochqualitative und energieeffiziente Bürobeleuchtung zu gestalten? Muss man bestimmte Aspekte bei der Licht­planung von Altgebäuden beim Umbau beachten?

Diese Arbeit versucht, diese Fragen aus LED-technologi­­scher und lichtplanerischer Sicht zu beantworten.

Stand der LED-Technologie

Es gibt viele lichttechnische Kenngrößen, die die LED-Eigenschaften beschreiben. Aus der Sicht der Innenraumbeleuchtung sind die Lichtausbeute und die Farbwiedergabe die wichtigsten Parameter. In der Abbildung 1 werden die Lichtausbeuten der kaltweißen LEDs mit einer Farbtemperatur über 5 000 Kelvin und der warmweißen LEDs mit einer Farbtemperaturen um 3 000-3 200 K dargestellt. Die beiden Kurven der Lichtausbeute der kaltweißen und warmweißen LEDs näherten sich ab dem September 2010 sichtlich an und bedeuten, dass auch die warmweißen LEDs mittlerweile eine hohe Lichtausbeute um 105 lm/W haben. Somit erreichen die Lichtausbeuten der LEDs generell den Stand der besten Entladungslampen für die Innenraumbeleuchtung (HMI-, HCI- und HTI-Lampen, sowie T5-Leuchtstofflampen).

In den Abbildungen 2 und 3 werden die normierten spek­tra­len Verteilungen von jeweils warmweißen und neutralwei­ßen LEDs dargestellt. Die warmweißen LEDs Typ T10 und T15 (s. Abb. 2) bestehen aus einem blauen LED-Chip mit den Peakwellenlängen 440 nm bzw. 447 nm, bei denen eine hohe Anregungsenergie für den Phosphor erwartet wird. Die Phosphorschicht hat ein Maximum bei 600 nm (T10-LED) und 610 nm (T15). Das Ergebnis der Farbwiedergabe wird in der Tabelle 1 dargestellt, wobei die Testfarben R9 (rot) und R8 (helles rötliches Pink) nicht besonders gut wiedergegeben werden. Die Farbwiedergabequalität verbessert sich sprungartig mit dem LED-Typ T17, der aus einem Phosphorsystem aus zwei Komponenten besteht, aus einer mit einem Maximum um 540 nm und aus einer roten Phosphorkomponente mit einem Maximum bei 635 nm und demzufol­ge mit einem hohen Rotanteil, der eine sehr gute Farbwieder­ga­be bei R8 und R9 wie auch bei allen 14 Testfarben ermöglicht.

Bei den neutralweißen LEDs (s. Abb. 3) stellt man fest, dass die LEDs T2#3, T8#1 und T12 eine Phosphorschicht mit einem Maximum bei 560-568 nm und wenig Rotanteil ab 630 nm haben. Die LED T16 hat ein Maximum der Phosphor-Lichtemission bei 590 nm. Die LED T18 ist eine Seltenheit mit einer Farbtemperatur bei 4 823 K, einem generellen Farbwieydergabeindex von Ra = 90 und einem vergleichsweise guten speziellen Farbwiedergabeindex für die rote Farbe R9 = 68,4. Generell haben die neutralweißen LEDs keine gute Farbwiedergabeeigenschaften für blaue Farben (R12).

In der DIN EN-Norm 12 464 wird festgelegt, dass der allgemeine Farbwiedergabeindex besser als Ra= 80 sein soll. Gemäß der Tabelle 1 können somit viele warmweiße LEDs mit einer Farbtemperaturen um 2 900-3 300 K und einige neutralweiße LEDs mit ­einer Farbtemperatur um 4 000-4 800 K für die Beleuchtung im Wohn- und Büroraum eingesetzt werden. Es ist allgemein bekannt, dass der Farbtemperaturbereich um 2 900-3 200 K im Wohnraumbereich eine hohe Akzeptanz findet. Nach Bieske /1/ liegt der optimale und meist akzeptierte Farbtemperaturbereich im Büroraum um 4 000 K.

Wohnraumbeleuchtung und LED

Zurzeit findet eine stufenweise Verbannung der Glühlampen wegen ihrer schlechten Lichtausbeute von etwa 11-13 lm/W aus dem Markt im EU-Bereich statt. Die Alternativen sind die Halogenglühlampen mit einer Lichtausbeute um 18-25 lm/W sowie die Kompaktleuchtstofflampen (auch Energiesparlampen genannt) und die LED-Retrofit-Lampen. Das Fachgebiet Lichttechnik der TU Darmstadt hat in den Jahren 2009 bis 2011 die Kompaktleuchtstofflampen und LED-Retrofit-Lampen untersucht und die Ergebnisse publiziert [2]. Die Tabelle 2 zeigt einen Teil dieser Untersuchung.

Während die Halogenglühlampen eine Lichtausbeute von 18,3 lm/W bei der getesteten Bedingung und eine sehr gute Farbwiedergabe von Ra = 99 haben, zeigen die Kompaktleuchtstofflampen eine Lichtausbeute von etwa 56-64 lm/W, eine moderate Farbwiedergabe um Ra= 80 bis 82 und einen Lichtstrom von 690-800 lm für die Beleuchtung eines mittelgroßen Wohnzimmers. Die meisten untersuchten LED-Retrofit-Lampen zeigten noch sehr wenig Lichtstrom im Bereich 150-450 lm, mit einigen wenigen Ausnahmen die mehr als 500 lm liefern. Einige sehr gute LED-Lampen zeigen bereits einen Farbwiedergabeindex um Ra= 82-87 und eine Lichtausbeute um 63-67 lm/W. Die Entwicklungen der LED-Retrofit-Lampen in den nächsten zwei Jahren zeigen ganz klar in Richtung Farbwiedergabe über 85 mit einem Lichtstrom über 800 lm und mit einer Lichtausbeute von über 75-80 lm/W.

Die LED als Lichtquelle in der Innenraumbeleuchtung

In der Innenraumbeleuchtung finden Hochleistungs-LEDs vermehrt Einsatz als Alternative zu den bereits etablierten Leuchtstofflampen. Bisherige LED-Leuchten für den Innenraum unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Bauweise von konventionellen Leuchten dahingehend, dass für die Licht-lenkung bislang fast ausschließlich Linsen anstelle von ­Reflektoren verwendet werden. Außerdem spielt das ther­mische Management eine weitaus größere Rolle, da die Tem­peratur einen wesentlichen Einfluss auf die Leistung und die Lebensdauer der Leuchte und ihrer Komponenten hat.

Aus lichttechnischer Sicht bietet die LED als Bauteil diverse Vorteile wie eine kürzere Ansprechzeit, mehr Flexibilität bei der Erzeugung eines gewünschten Spektrums und demzufolge die Möglichkeit für eine bessere Licht- und Farbqualität. Allerdings werden diese Vorteile bei aktuellen LED-Leuchten noch nicht voll ausgenutzt. Erste Labormessungen am Fachgebiet Lichttechnik der TU Darmstadt haben ergeben, dass aktuelle LED-Leuchten für den Innenraumbereich, in Bezug auf ihre Lichtausbeute und ihren Lichtstrom zum Teil vergleichbar zu gängigen Leuchten mit T5-Lampen sind. Der Tabelle 3 ist zu entnehmen, dass von sieben vermessen LED-Innenraumleuchten vom Stand der Technik nur eine einzige die Performance der konventionellen T5-Referenzleuchte mit einer Lichtausbeute im Bereich von 75-80 lm/W erreicht. Der Farbwiedergabeindex der meisten LED-Leuchten liegt unterhalb dem Wert Ra = 80 und gemäß der DIN EN-Norm 12 464 nicht einsetzbar.

Für den erfahrenen Lichtplaner gibt es folgende Fragen, die zu beantworten sind:

Ist die Lichtausbeute der LED-Leuchten und der konven­tionellen Leuchten die einzige Kenngröße, um die beiden Technologien miteinander zu vergleichen?

Wie steht die LED-Leuchten-Entwicklung im Vergleich zu den besten T8- und T5-Leuchtstofflampen-Leuchten unter dem Gesichtspunkt der praktischen Planung und Installation, wenn einerseits nach der Sanierung eines alten Bürogebäudes die Stromschienen nicht geändert sind und die LED-Leuchten an die vorherige Stelle der konventionellen Leuchten montiert werden sollen oder wenn in einem Umbauprozess sowohl die LED-Leuchten als auch die besten konventionellen Leuchten so weit in ihrer räumlichen Lage im Raum beleuchtungstechnisch optimiert werden können?

Die Ergebnisse dazu wurden im Rahmen eines vom Fachgebiet Lichttechnik der TU Darmstadt betreuten Projektes zur Untersuchung von LED-Innenraumleuchten in der praktischen Anwendung gewonnen. Hierzu wurden eine Reihe von Innenräumen hinsichtlich ihrer Lichtverteilung, Gleichmäßigkeit sowie Helligkeit zuerst mit ihrer ursprünglichen Beleuchtungslösung mit Leuchtstofflampen vermessen und ein weiteres Mal nach einer Umrüstung auf LED-Leuchten.

Tabelle 4 zeigt in einer Übersicht die Messergebnisse des LED-Beleuchtungskonzeptes im direkten Vergleich zur vorher mit T8-Röhren installierten Beleuchtung im Fall eines zu sanierenden Klassenzimmers mit 50 m².

Dadurch dass die LED-Leuchten in der Lage sind die Degradation der Leuchtmittel durch die Stromerhöhung nachzuregeln, wird sich das Lichtniveau in dem Raum über die Zeit nicht verändern. Alle LED-Leuchten werden bei einer geringeren Leistung betrieben und schneiden, was ihren Wirkungsgrad (lx/W) betrifft, deutlich besser ab, als das für die alte Beleuchtungsanlage mit den T8-Leuchtstofflampen der Fall ist. Allerdings muss damit gerechnet werden, dass sich die Lichtausbeute der LED-Leuchten aufgrund der Nachregelung mit der Zeit verschlechtert. Die LED-Leuchten besitzen eine bessere Gleichmäßigkeit als die alte Beleuchtungsanlage, wodurch die homogenere Ausleuchtung des Raumes möglich wird. Beide Leuchtentypen erfüllen die Mindestanforderung an die Farbwiedergabe. Im Vergleich zu der alten Beleuchtungsanlage wurde die Blendung bei der LED-Lösung stark reduziert.

Um 500 lx im Klassenzimmer zu erreichen, verbrauchen die LED-Leuchten 658 W. Die konventionellen T8-Leuchten verbrauchen dagegen 1 582 W für eine mittlere Beleuchtungsstärke von 928 lx, wenn man sie nicht dimmt. Bei der Annahme einer linearen Dimmung der T8-Lampen verbrauchen diese Leuchten 852 W um die Mindestanforderung von 500 lx gemäß der DIN-EN-Norm 12 464 zu erfüllen. Das bedeutet 30 % mehr Energieverbrauch gegenüber der LED-Leuchte. Somit ist die allgemeine Erfahrung, dass die LED-Leuchten von heute bereits die T8-Leuchtentechnologie überholen können, in einem praktischen Bauvorhaben bestätigt.

Um in einem lichttechnisch sinnvollen und widerspruchsfreien Prozess zwei Leuchtentechnologien wie die LED-Technologie und die T5-Leuchtstofflampen-Leuchtentechnik mit unterschiedlichen elektrischen Leuchtenleistungen, mit unterschiedlichen Lichtstärkeverteilungen und Dimmmöglichkeiten vergleichen zu können, müssen für die Leuchten an Hand eines konkreten Büroraums die für sie besten Montageorte sowie die besten Dimmfaktoren eingestellt werden, um das Optimum aus jeder Technologie herauszuarbeiten. Das wurde an Hand einer großen Anzahl an gemessenen LED-Leuchten und konventionellen T5-Leuchten für ein Projekt durch das Fachgebiet Lichttechnik der TU Darmstadt gemacht, mit dem gemeinsamen Ziel, die Mindestanforderungen von etwa 500 lx sowie die Anforderungen an die Homogenität und Blendung nach dem UGR-Verfahren nach der DIN-EN-Norm 12 464 zu erreichen. Die Tabelle 5 verdeutlicht die Ergebnisse nach dem Vergleich.

Dieser Tabelle 5 kann man entnehmen, dass sowohl die ­nominelle elektrische Leuchtenleistung durch Dimmung der LED-Leuchten, die mittleren Beleuchtungsstärken als auch die Homogenität durch optimierte Leuchtenposition der LED-Leuchten und der T5-Leuchtstofflampen-Leuchten sehr ähnlich sind und die DIN-EN-Norm 12 464 sehr gut erfüllen. Der Lichtstrom der LED-Leuchte ist aber dabei niedriger. Die Erfüllung der DIN-EN-Norm bei den LED-Leuchten ist daher durch eine gezielte Ausnutzung der Lichtstärkeverteilung erklärbar.

Zusammenfassung

Die LED-Bauelemente von heute erreichen in ihrer Lichtausbeute den Stand der besten Entladungslampen. Ihre Farbwiedergabeindizes erfüllen im warmweißen und neutralweißen Farbtemperaturbereich von 2 900 bis 4 800 K die Anforderungen für die Innenraumbeleuchtung gemäß der DIN-EN-Norm 12 464. Die besten LED-Retrofit-Lampen werden den Lichtstrom von 800 lm für eine sehr gute Beleuchtung eines mittelgroßen Wohnzimmers mit einer guten Farbwiedergabeeigenschaft sowie mit einer Lichtausbeute erreichen, die besser als die Lichtausbeute der Kompaktleuchtstofflampen (häufig als die Energiesparlampen bezeichnet) ist. Bei einer möglichen Reduktion der Preise der LED-Retrofit-Lampen auf die Niveaus um 10-20 Euro werden diese Lampen eine sehr gute Marktchance haben, um den Wohnraumbereich mit einem qualitativ guten Licht energie-effizient zu beleuchten.

Im Büroraumbereich besitzen die heutigen LED-Leuchten bereits die Potentiale, die T8-Leuchtentechnik zu überholen und in einem technisch vergleichbaren Prozess die Grenzen der heutigen sehr guten T5-Leuchten zu erreichen. Die Preise auf diesem Sektor werden eine große Rolle spielen. Die LED-Leuchten werden energieeffizienter und ökonomischer sein, wenn sie intelligente Lösungen wie adaptive Schaltungen, Sensoren für die Bewegung und Anwesenheit sowie für die Tageslichtsteuerung besitzen. Bei der Überlegung, die LED-Leuchten oder die besten konventionellen T5-Leuchten für ein zu planendes Bauvorhaben einzusetzen, soll man nicht nur die Lichtausbeute, sondern auch die Lichtstärkeverteilung in Betracht ziehen und konkret an Hand der Raumgeometrie lichttechnisch mit Hilfe eines Lichtprogramms (z.B. Dialux, Relux) die beste Position der Leuchten im Raum ermitteln.

In dieser Arbeit mit dem Übersichtscharakter ist die LED-Straßenbeleuchtung bewusst nicht behandelt. Technologisch und lichttechnisch haben die LED-Straßenleuchten die besten konventionellen Straßenleuchten überholt [3]. Das Problem ist dabei, dass die Kommunen als Eigentümer der öffentlichen Beleuchtung geringe Finanzierungsmittel haben und haben werden, um die heutigen Anlagen zu sanieren. Daher ist der Prozess der Einführung der LED-Technologie in die Straßenbeleuchtung ein relativ langer Prozess. Das gleiche Problem mit dem gleichen Ausmaß im Wohnraum- und Bürobereich sehen die Autoren dieser Arbeit nicht in den westeuropäischen, japanischen, südkoreanischen und nordamerikanischen Ländern, da viele Haushalte, Industriefirmen, Banken, Versicherungsunternehmen und andere Firmen der privaten Wirtschaft bei ihrer Beleuchtung auf die Energieeffizienz achten, die LED-Technologie als Imageträger verwenden und demzufolge investieren möchten.

Literaturverzeichnis:

[1] Bieske, K.: Über die Wahrnehmung von Lichtfarbenänderun­gen zur Entwicklung dynamischer Beleuch­tungssysteme, Dissertation TU Ilmenau, Publikationsreihe des Fachgebietes Lichttechnik der TU Ilmenau Nr. 11, Der Andere Verlag Osnabrück 2010, ISBN 978-3-89959-999-2,

[2] Khanh, Tr., Böll M.: Farb-und lichttechnische Charak­terisierung von Lichtquellen für Wohnraumbeleuchtung-Halogenglühlampen, Kompaktleuchtstofflampen und LED-Retrofitlampen, Zeitschrift Licht, Pflaum Verlag (München), Heft 4, 2010,

[3] C. Schiller, M.Böll, T.Kuhn,T.Q.Khanh: Straßenbeleuchtung mit LEDs und konventionellen Lichtquellen im Vergleich – Eine licht- und wahrnehmungstechnische Analyse aus einer wissenschaftlich begleiteten Teststraße in Darmstadt, Zeitschrift Licht, Pflaum Verlag (München), Heft 10, 2009

Prof. Dr.-Ing. habil. Tran Quoc Khanh, Dipl.-Ing. Marvin Böll, Dipl.-Ing. Wjatscheslaw Pepler, Technische Universität Darmstadt, Lehrstuhl für Lichttechnik