Die LED-Beleuchtungstechnik

Die bisher verfügbaren Weißlicht-LEDs bieten nur einen eingeschränkten Farbwiedergabeindex (CRI) und ihr Farbort im C.I.E.-Diagramm hängt stark von der Temperatur ab. Mit neuen Konzepten gelingt die Verbesserung des CRI bei hoher Effizienz und die Stabilisierung des Farbortes. Bei Systemen mit optischer Rückkopplung schließlich lassen sich Farbort und Helligkeit in weiten Grenzen vorgeben. Im folgenden Artikel von Dipl.-Ing. Wolfgang Reis wird die LED-Beleuchtungstechnik näher erklärt.

Die Glühlampe war bis jetzt seit mehr als einhundert Jahren unsere klassische Standard-Lichtquelle. Ein Glühfaden aus Wolfram wird durch fließenden elektrischen Strom auf ca. 2.500 K aufgeheizt. Der Wirkungsgrad der Glühlampe, also das Verhältnis von aufgenommener elektrischer Leistung und erzeugtem sichtbarem Licht, ist mit 8 % allerdings sehr gering. Ein Großteil der Energie wird dabei in Wärme (Infrarotstrahlung) umgewandelt. Da das Spektrum des Lichtes der Glühlampe kontinuierlich und zum Infrarot-Bereich hin ansteigend ist, erreichen wir doch einen sehr guten Farbwiedergabewert.

LED Lichtspektren

Auf Anordnung der EU werden nun ineffiziente Glühlampen schrittweise vom Markt genommen und dürfen nicht länger in Umlauf gebracht werden. Das schenkt neuen, energieeffizienteren Lichtquellen noch mehr Beachtung, da der Wirkungsgrad immer wichtiger wird. Bei Halogenlampen werden durch Zusatz von Halogenen in Glühlampen durch den Wolfram-Halogen-Kreisprozess Lebensdauer und Lichtausbeute erhöht. Die Temperatur des Glühfadens kann jetzt auf 4.000 K steigen; damit wird ein neutraleres Weiß erzeugt. Neben einer längeren Lebensdauer und einer Energieersparnis von 20 % gegenüber der klassischen Glühlampe liegt der große Vorteil aber in der unübertroffenen Farbwiedergabe mit einem Index von 100.
Eine weitere, heute häufig eingesetzte Lichtquelle in der Allgemeinbeleuchtung ist die Energiesparlampe. Es handelt sich dabei um eine gefaltete Fluoreszenzröhre (CFL), die in einem kompakten Design auch das notwendige Vorschaltgerät integriert. Quecksilberatome erzeugen in der Röhre unsichtbares UV-Licht, das durch aufgedampften Phosphor auf der Innenseite der Röhre zu sichtbarem Licht konvertiert wird. Diese Leuchtmittel weisen gegenüber Glühlampen eine Energieersparnis von 80 % auf und sind in den Varianten warmweiß und kaltweiß erhältlich. Allerdings gilt Quecksilber heute als bedenklicher Inhaltsstoff und muss vorschriftsmäßig entsorgt werden.

Als Alternative zu den beschriebenen Lichtquellen setzen sich mehr und mehr LEDs (Light Emitting Diodes) durch, auch in der Allgemeinbeleuchtung. Grund dafür ist die stetige Effizienzsteigerung, die nun erstmalig alle anderen herkömmlichen Lichtquellen im Wirkungsgrad überrundet. Im Vergleich zu anderen Lichtquellen erzeugt die LED nur monochromatisches Licht. Verschiedene Halbleitermaterialien emittieren dabei Licht von Rot mit einer Wellenlänge von 645 nm über Orange, Gelb, Grün bis Blau im 466 nm-Bereich. Im C.I.E.-Diagramm finden sich diese Farben im Randbereich wieder. Im Inneren des Diagramms sind die Mischfarben zu finden. Im Zentrum mischen sich alle Farben zu Weiß.

Bis jetzt gab es zwei verschiedene, weit verbreitete Methoden, weißes Licht mit LEDs zu realisieren. Der erste Ansatz kombiniert verschiedenfarbige LEDs (etwa Rot, Grün und Blau) in einem Cluster bzw. einem Multi-Chip-Gehäuse. Die drei gesättigten Spektralfarben sind am Rand des C.I.E.-Diagramms verteilt, ein verbindendes Dreieck umschließt den Bereich der mischbaren Farben einschließlich des neutralen Weißpunktes E. Mit dieser Anordnung können nahezu alle Farben erzeugt werden. Da es sich aber nur um ein dreifaches Linienspektrum und kein kontinuierliches handelt, ist nur ein kleiner Farbindex zu erwarten (CRI <50).

Die zweite Variante kombiniert einen blauen bzw. ultravioletten Chip mit Konverter-Materialien (Phosphor) und erreicht dadurch eine Lumineszenz-Umwandlung in weißes Licht. Diese Konversion ist die zurzeit am häufigsten verwendete Methode in der Allgemeinbeleuchtung. Der Farbwiedergabeindex (CRI) dieser LEDs liegt im Bereich zwischen 70 und 85. Neuere Entwicklungen verwenden eine komplexe Phosphormischung und erreichen dadurch einen Indexwert von 95, allerdings zum Preis einer niedrigeren Effizienz. Denn je wärmer (glühlampenähnlicher) das abgestrahlte Licht ist, desto niedriger ist die Lichtausbeute. Soll zudem eine gute Farbwiedergabe erreicht werden, sinkt die Energieeffizienz weiter.

Bei den neuen Brilliant-Mix-LED-Modulen aus dem Hause Osram Opto Semiconductors wurden nun diese beiden Methoden kombiniert. Das Ergebnis ist eine warmweiße Lichtquelle mit einem hohen Farbwiedergabeindex (CRI >90) bei gleichzeitig hoher Lichtausbeute. Dazu werden zu hoch-effizienten grünlich-weißen LEDs (EQW) zusätzliche rote LEDs eingesetzt. Die Mischung erreicht eine Effizienz von über 100 Lumen je Watt und produziert damit 50 % mehr Licht als die häufig verwendeten Standard-LEDs mit Phosphor-Konversion. Zum Vergleich: Energiesparlampen erreichen etwa 60 Lumen je Watt. Die Farbwiedergabe einer Lichtquelle hängt von der spektralen Verteilung des emittierten Lichts ab. Mit Brillant-Mix konzipierte LED-Lampen und -Leuchten emittieren Licht in einem breiteren Spektralbereich mit einem CRI >90. Abhängig von der gewünschten Lichtfarbe lassen sich rote und weiße LEDs in unterschiedlicher Anzahl kombinieren. Dies aber wird durch einen Nachteil erkauft: Die Ansteuerungen beider LED-Farben muss nun getrennt durchgeführt und thermisch korrigiert werden, da sich die LED-Typen im Temperaturverhalten unterscheiden.

Bei dem Brilliant-Mix-Logistik-Konzept lassen sich die gewünschte Lichtmenge, die zu erreichende Farbtemperatur und die Betriebstemperatur der Leuchte als Zielparameter vorgeben: z.B. CCT = 4.000 K, Tsp = 80 °C und Lichtstrom Фv = 800 Lumen. Für diesen Fall werden nun die Anzahl und die Auswahl der benötigten LEDs errechnet und für den Kunden zusammengestellt. Die Lösung besteht hier in einer Kombination von sechs spezifischen „EQ White“- und vier spezifischen „Amber“-LEDs (s.a. Kasten Parathom). Dabei werden alle LEDs in Reihe geschaltet und es wird ein Konstantstrom eingeprägt. Diese Lösung benötigt nur wenige Komponenten und lässt sich zu vergleichsweise niedrigen Kosten realisieren. Der Nachteil: Während der Aufheizzeit ändert sich die Lichtfarbe. Mit einer einfachen Zusatzbeschaltung lässt sich der Nachteil allerdings ausgleichen. Bei der Schaltung mit Temperaturkompensation erhalten wir ein farbstabiles Licht während der Aufheizphase bei nur geringen Zusatzkosten. Allerdings hat diese Schaltung eine geringere Effizienz in der Aufheizphase, da ein Teil des Stromes der roten LEDs abgeleitet wird.

Fügt man zusätzlich noch einen Licht-Sensor ein, dann erreicht man ein stabiles Licht ohne Farbänderungen in der Anlaufphase. Auch können Binning (Prozesschwankungen von LED und Phosphor) und Alterseffekte der LED vollständig ausgeglichen werden, da jetzt ein optischer Steuerkreis vorliegt. Bei der „PrevaLED“ von Osram wird diese Variante des Brilliant-Mix-Konzeptes verwendet. Bei diesem LED-Modul sind Farbort und Lichtstrom ausgesprochen stabil. Die LEDs sind symmetrisch angeordnet und gleichmäßig verteilt, so dass mit sekundären Optiken eine gute Farbmischung erreicht wird. Vorschaltgeräte und Reflektoren werden ebenfalls angeboten.

Eine dritte und erweiterte Variante setzt nun zu den weißen und roten LEDs eine zusätzliche blaue LED ein. Der Bereich der Farbtemperatur wird so von 2.500 K bis 7.000 K erweitert. Das Ergebnis ist eine Lichtquelle, die den Verlauf des Tageslichtes nachbildet (Tunable White). Damit wären u.a. dynamische Farbänderungen möglich, die zeitgesteuert dem Tag-Nacht-Rhythmus des menschlichen Körpers folgen und die Produktion des Schlafhormons Melatonin beeinflussen. Welchen der drei Varianten der Vorzug gegeben wird, hängt ganz vom Anwender und seiner Applikation ab. Zwischen Effizienz, Qualität des Lichtes und den damit verbundenen Kosten muss sorgfältig abgewogen werden; alle drei Parameter lassen sich nicht gleichzeitig optimieren. Ein konstanter Farbort lässt sich mit einem RGB-Lichtsystem durch optische Rückkopplung erreichen. Das abgestrahlte Licht wird hier mit den Farb-Sensoren TCS der Firma MAZet überwacht, die besonders präzise sind und keine nennenswerte Alterungserscheinungen aufweisen. Bei diesem Konzept wird der Farbort des Lichtes vorgegeben. Eine Mikrocontrollerschaltung steuert die farbigen LEDs und der Sensor misst das erzeugte Licht. Der Sensor führt die RGB-Werte des aktuellen Farbwertes dem Mikrocontroller zur Korrektur zurück. So entstehen absolut stabile Lichtsysteme, wie sie heute zum Beispiel bei der Innenbeleuchtung in Flugzeugen verwendet werden. Um den Anwender bei der Entwicklung solch eines Systems zu unterstützen, entsteht gerade ein universelles Demoboard zum Brilliant-Mix-Konzept im Osram-OS-Netzwerk „LED Light for you“. Es handelt sich um ein modulares Konzept, das verschiedene Leuchtmodule ansteuern kann. Das System verarbeitet die Signale von Temperatur-, Farb- und Helligkeits-Sensoren.

Ein verfügbares Produkt mit diesen Eigenschaften ist die Parathom-PRO-Austauschlampe von Osram mit E27-Sockel. Sie bietet folgende Eigenschaften: Lichtstrom 810 Lumen, entspricht einer 60-W-Glühlampe Leistungsaufnahme = 12 W Lebensdauer 25.000 Stunden Farbwiedergabe CRI = 90 Farbtemperatur = 2.700 K


Autor: Dipl.-Ing. Wolfgang Reis