LED –Qualitätskriterien - · PDF file„LED –mehr als nur Licht“, 26.10.2016 LED -Qualitätskriterien Dipl.-Ing.(FH) M. Schmidt M.A. Abbildungaus LED Wikipedia TechnologiederLED

Dipl.-Ing.(FH) M. Schmidt M.A. LED - Qualitätskriterien„LED – mehr als nur Licht“, 26.10.2016

LED – Qualitätskriterien


Gliederung

� Grundlagen

� Technologie der (weißen) LED

� (LED-) Licht und Gesundheit

� Lichtstrom, Leistung, Lichtausbeute (Effizienz)

� Qualitätskriterien

� Temperaturmanagement

� Farbtemperatur

� Farbwiedergabe

� Binning

� Flimmern

� Austauschbarkeit, Nachbeschaffung

� Zusammenfassung


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



Technologie der weißen LED

1-Phosphor Umformung� Blaues LED-Licht +

Spektralverschiebung durch Phosphorbeschichtung� weißes Licht


Licht und Gesundheit

� Positive Wirkung des Tageslichts auf Gesundheit und Wohlbefinden


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


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“


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



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?)


Abbildung aus Luxeonstar

TemperaturmanagementAufbau von LED-Chips

� Sehr wenig Wärme in Ausstrahlrichtung

� Essentielle Bedeutung der Temperaturdirekt am Halbleiter!


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


Abbildung aus DOE CALiPER 2009

� L70/B50 WertZeitraum, innerhalb dessen mindestens 50% der Lampen noch mindestens 70% des Nennlichtstroms erreichen

TemperaturmanagementBetriebsdauer – Lichtstrom


TemperaturmanagementKühlung

� Aktive / passive Kühlung

www.led-heatsink.com


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


Lichtfarbe / Farbtemperatur‚tunable white‘-LED

� LED-Leuchten: unterschiedliche Farbtemperaturen möglich, steuerbar

Zumtobel


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


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


MessdatenBeispiele

Glühlampe

Farbwiedergabeindex RaSpektrum

ähnlichste Farbtemperatur

M. Schmidt


MessdatenBeispiele

Kompaktleuchtstofflampewarmweiß(Beispiel)



M. Schmidt


MessdatenBeispiele

LED-Lampe 1warmweiß(Beispiel)



M. Schmidt


MessdatenBeispiele

LED-Lampe 2warmweiß(Beispiel)



M. Schmidt


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


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


BinningMac Adams Ellipsen

� kleinster nicht mehr wahrnehmbarer Farbunterschied


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“


Flimmern

DIAL

� Je nach Betriebsgerät unterschiedliche Modulationen


Flimmern

� Visuell wahrnehmbares Flimmern

� Unbewusst wahrgenommenes Flimmern

� mögliche Gefahren durch Stroboskopeffekte

LiTG-Publikation 35 „Flimmern und Stroboskopische Effekte“


Austauschbarkeit, Nachbeschaffung

www.zhagastandard.org


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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