Digitales Licht - Die wichtigsten Kriterien bei der Auswahl

Warum die LED eine solche Erfolgsgeschichte geworden ist, lässt sich am besten an ihrer Leistungsfähigkeit und Einsatzbandbreite ablesen. Ein Büro beispielsweise, das über LED-Leuchten und ein Lichtmanagementsystem mit Tageslichtnutzung und Anwesenheitsdetektion verfügt, kommt auf eine Anlagennutzung von über 15, teilweise sogar 20 Jahren – wohlgemerkt, ohne die Lichtquelle austauschen zu müssen. Gegenüber einer etwa zwei Jahrzehnte alten Anlage lassen sich die Energiekosten um bis zu 80% reduzieren. Doch Qualität, Lebensdauer und Zuverlässigkeit von LED-Produkten werden durch eine Reihe von Merkmalen bestimmt. Einige kennt man von traditionellen Lichtquellen. Andere sind neu, wie die System-Lichtausbeute oder der Lichtstromrückgang.

Die Lebensdauer: Ein wesentlicher Vorteil der LED

Die Standfestigkeit von LED-Produkten hängt von der LED selbst und den elektronischen Komponenten ab, die für den Betrieb des Systems erforderlich sind. Im Gegensatz zu vielen anderen Lichtquellen fallen LED bei sachgemäßer Verarbeitung und bei verwendungsgemäßem Betrieb nur selten total aus. Typischerweise nimmt im Laufe der Zeit der emittierte Lichtstrom stetig ab. Man spricht dann von einer Lichtstromdegradation. Im Wesentlichen wird diese Lichtstromabnahme von zwei Parametern bestimmt: der Temperatur im Innern der LED und dem elektrischen Strom, der durch die LED fließt. Steigen Temperatur oder Strom an, so beschleunigt sich dieser Vorgang. Die LED altert schneller.
Die Lichtstromdegradation von LED-Leuchten wird definiert durch den Zeitpunkt, zu dem ein zuvor festgelegter Mindestlichtstrom unterschritten wird. Letzteres wird durch Verfahren abgeschätzt, die sich „LM-80“ und „TM-21“ nennen. Üblicherweise erfolgt die Angabe der Lebensdauer in Verbindung mit den beiden Parametern „Lx“ und „By“. So bedeutet „L80 B50“ bei 50000 Stunden, dass zu diesem Zeitpunkt der Lichtstrom im Mittel auf 80% des Wertes der Neuinstallation zurückgegangen ist (L80), wobei 50% der installierten LED-Produkte einen geringeren, die übrigen 50% jedoch einen größeren oder gleichen Lichtstrom aufweisen können (B50). Üblicherweise wird die Nutzlebensdauer für eine Umgebungstemperatur von 25°C angegeben, wobei die Größe „By“ im Allgemeinen mit y = 50% (B50) angenommen wird, sofern keine zusätzlichen Angaben gemacht werden.

Dauerhafte Effektivität

„Zuverlässig ist das, was hält“, sagt der Volksmund. Für den Umgang mit professionellem Licht reicht das natürlich nicht aus. Der Fachmann fasst unter Zuverlässigkeit die Fähigkeit zusammen, den an LED-Produkte gestellten Anforderungen dauerhaft gerecht zu werden. Zu den wesentlichen technischen Anforderungen gehören neben einer hohen Effizienz (gemessen in Lumen pro Watt [lm/W]), eine lange Lebensdauer sowie die Stabilität von Lichtstrom und Lichtfarbe über die gesamte vorgesehene Betriebsdauer. Um die Zuverlässigkeit von LED-Produkten sicherzustellen, sind aufwendige Simulations- und Testverfahren entwickelt worden, die u.a. auf LED-Leuchten angewendet werden.
So hängt beispielsweise die Lebensdauer einer LED im Wesentlichen neben der Temperatur im LED-Inneren (Sperrschicht) vom Vorwärtsstrom ab, mit dem sie betrieben wird. Der Vorwärtsstrom lässt sich zugunsten der Lebensdauer absenken, indem mehr LED zur Erreichung eines bestimmten Lichtstroms verwendet werden. Entscheidender Nachteil: Die Systemkosten steigen. Denn die LED trägt einen erheblichen Beitrag zu den Gesamtkosten der LED-Leuchte bei. Es gilt also die geeignete Anzahl der verwendeten LED zu finden, um Lebensdauer und Herstellungskosten von LED-Leuchten exakt aufeinander abzustimmen.
Zu beachten ist weiterhin, dass die Lebensdauer einer LED-Leuchte auch von der Umgebungstemperatur in der jeweiligen Anwendung abhängt. Eine Erhöhung der Umgebungstemperatur um 10 K schlägt sich nahezu 1:1 in der Erhöhung der Sperrschichttemperatur im LED-Inneren nieder. Bei modernen LED muss dann nicht nur mit einer Lichtstromabnahme von ein bis zwei Prozent je 10K Temperaturerhöhung gerechnet werden, sondern in etwa auch mit einer Halbierung der zu erwartenden Lebensdauer.

Gute Eigenschaften setzt gutes Thermomanagement voraus

Der Schlüssel für langlebige LED-Produkte ist also ein gutes Thermomanagement. Die Einbeziehung des gesamten thermischen Pfades vom LED-Chip über das Package, die Lötverbindung zur Leiterplatte, den Aufbau der Leiterplatte selbst bis hin zur Anbindung an den Kühlkörper und dessen Ausgestaltung stellen große Herausforderungen an den Entwickler einer LED-Leuchte dar. Große Widerstände entlang des thermischen Pfades resultieren in großen Kühlkörpern, was zu höheren Herstellkosten und erhöhtem Volumenbedarf innerhalb der Leuchte führt. Daher ist es stets das Ziel der Leuchtenentwickler, den Kühlkörper so klein wie möglich zu gestalten oder ganz auf ihn zu verzichten.
Übrigens ist die LED gegenüber anderen Lichtquellen bei der Wärmeabgabe in den Raum klar im Vorteil: Eine Glühlampe wandelt die eingesetzte Energie in 5% Licht und 95% Wärme um, bei einer Leuchtstofflampe sind es 25% Licht, 1% UV-Strahlung und 74% Wärme. Die LED liegt mit 50/50 (Stand der Technik) klar vorn.

Angaben zum Totalausfall

Die Lebensdauer von LED-Leuchten wird wie bereits beschrieben durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Komponenten beeinflusst, die alle dem normalen Alterungs- und Verschleißprozess unterliegen, wobei einzeln ausgefallene Teile nicht zwangsläufig zum sofortigen Totalausfall der LED-Leuchte führen, wohl aber in jedem Fall zur Reduktion der Lebensdauer beitragen.
Der Anteil der LED-Produkte, die bis zum Erreichen des Lebensdauerendes total ausgefallen sind, wird in Verbindung mit den beiden Parametern „L0“ und „Cz“ angegeben. So bedeutet beispielsweise die Angabe „L0 C2“ nach 50000 Stunden, dass nach 50000 Stunden 2% der betrachteten LED-Produkte total ausgefallen sind und daher einen Lichtstrom von 0% emittieren. Sofern in einer Anlage Totalausfälle umgehend durch intakte Leuchten ersetzt werden, z.B. im Rahmen von Gewährleis­tungsansprüchen, können diese für die Bemessung der Anfangsbeleuchtungsstärken auch außer Acht gelassen werden.

Farbwiedergabe und Farbtemperatur

Körperfarben von beleuchteten Gegenständen sollten möglichst naturgetreu wiedergegeben werden. Die Farbwiedergabeeigenschaft (engl. Color Rendering Index CRI) beschreibt diese Eigenschaft von Lichtquellen mit einer Skala von 0 bis 100, wobei das Sonnenlicht mit dem Höchstwert gleichgesetzt wird. Die Farbwiedergabe künstlicher Lichtquellen kann man auch berechnen.
Erhitzt man einen schwarzen Metallkörper – Fachbegriff schwarzer Strahler –, beginnt er elektromagnetische Strahlung in Form von Wärmestrahlung und sichtbarem Licht auszusenden. Bei einer bestimmten Temperatur glüht das Metall rot, bei höheren Temperaturen gelb, dann weiß und schließlich blau. Jede Lichtquelle lässt sich durch das Licht eines solchen schwarzen Strahlers bei einer bestimmten Temperatur beschreiben. Kerzenlicht entspricht der Strahlung eines auf 1500K erhitzten schwarzen Strahlers, neutralweiße Leuchtstofflampen emittieren Licht einer Farbtemperatur von 4000K und das Tageslicht entspricht 6500K.

Auf Qualität achten

Billiganbieter, die erst mit der LED zum Leuchtenhersteller wurden, sollten kritisch beurteilt werden. Ansonsten kann es passieren, dass eine Zukunftstechnologie durch eine zweifelhafte Produktqualität dauerhaft stigmatisiert wird. Man erinnere sich nur an die Energiesparlampe, der der Vorwurf, sie könne nur kaltes Licht abgeben, noch heute nachhängt – knapp 30 Jahre nach ihrer Markteinführung.
Ähnlich verhält es sich mit den LED-Retrofits, jenen Systemen, die auf so scheinbar simple Weise T8-Lampen ersetzen. Doch was bringen sie unter dem Strich? Hauptproblem einer LED-Tube ist die Wärmeabfuhr, da es sich um eine geschlossene Röhre handelt. Hersteller reagieren darauf mit einer Absenkung der Stromstärke. Doch damit reduziert sich auch der Lichtstrom deutlich. Das Ergebnis: Es wird zwar Energie gespart, aber es wird auch deutlich dunkler. Die aktuelle EnEV bewertet daher Retrofits eindeutig schlechter als komplette LED-Leuchten.

• Standards schaffen Transparenz

Standardisierung von Schnittstellen ist ein weiteres Qualitätskriterium. Sie ermöglichen es, universelle Halbleiterlichtquellen in unterschiedlichsten Leuchten einzusetzen. Internationale Standardisierungsgremien wie das Industriekonsortium Zhaga, zu dessen Gründungsmitgliedern Trilux zählt, spezifizieren mechanische, lichttechnische, thermische und elektrische Schnittstellen.

Der ZVEI-Leitfaden

Mehr Licht in das LED-Dickicht bringt der ZVEI-Leitfaden „Planungssicherheit in der LED-Beleuchtung“ (Download unter www.zvei.org). Der Zentralverband möchte Anwendern und Industrie eine Sprachregelung an die Hand geben, die Grundlage für eine Vergleichbarkeit von digitalen Lichtsystemen ist. Die Zeiten, in denen – häufig auch unfreiwillig – Äpfel mit Birnen verglichen wurden, sollen damit vorbei sein. Da LED aber ein „gehaltvolles“ Thema bleibt, bedarf es eines intensiven Transfers von Know-how und Grundlagenwissen. Das hat auch die Leuchtenindustrie erkannt. So bietet beispielsweise die Trilux Akademie ein Webinar an, das sich speziell mit dem ZVEI-Leitfaden zur Planungssicherheit auseinandersetzt.
www.trilux-akademie.com

Autor: Horst Rudolph, Forschungsdirektor am Innovations- und Technologiezentrum (ITZ) der TRILUX-Gruppe

Bilder: TRILUX GmbH & Co. KG

www.trilux.de