Dossier LED − (1 Mb) - ETAP Lighting
Dossier LED − (1 Mb) - ETAP Lighting
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DOSSIER<br />
<strong>LED</strong><br />
BELEUCHTUNG<br />
MIT EINER NEUEN<br />
LICHTQUELLE<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013
Vorwort<br />
Auch wenn <strong>LED</strong>s in der Beleuchtungswelt immer gebräuchlicher werden, entwickelt sich die Technologie immer noch rasend schnell weiter.<br />
Dieses <strong>LED</strong>-<strong>Dossier</strong> bietet Ihnen objektive, technisch abgesicherte Informationen, die Ihnen helfen sollen, sich in diesem komplexen und schnelllebigen<br />
Thema zu Recht zu finden.<br />
Sie möchten genauer wissen, was es mit den Wartungsfaktoren von <strong>LED</strong>-Leuchten auf sich hat und wie diese berechnet werden? Sie suchen<br />
Informationen zur Verwendung von <strong>LED</strong>-Röhren? Sie interessieren sich für den aktuellen Stand der O<strong>LED</strong>-Technologie? Dieses <strong>Dossier</strong> liefert<br />
Ihnen fundierte Antworten auf Ihre Fragen. Die neuesten Änderungen in diesem Dokument wurden zur besseren Übersicht am Rand markiert.<br />
Die neueste Version unseres <strong>LED</strong>-<strong>Dossier</strong> finden Sie jederzeit auf unserer Website www.etaplighting.com.<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013<br />
© 2013, <strong>ETAP</strong> NV<br />
2 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
BELEUCHTUNG<br />
MIT EINER NEUEN<br />
LICHTQUELLE<br />
INHALT<br />
1. Die <strong>LED</strong> als Lichtquelle ................................................................................................................................................................................................ 4<br />
1. Wie funktionieren <strong>LED</strong>s? .................................................................................................................................................................................... 4<br />
2. <strong>LED</strong>-Lichtquellen ................................................................................................................................................................................................... 5<br />
3. Vorteile der <strong>LED</strong>s ................................................................................................................................................................................................... 7<br />
4. <strong>LED</strong>-Hersteller ......................................................................................................................................................................................................12<br />
5. Die Zukunft der <strong>LED</strong>s ........................................................................................................................................................................................12<br />
6. O<strong>LED</strong>s, eine neue Art von Beleuchtung .....................................................................................................................................................13<br />
2. Leuchten mit <strong>LED</strong>s konstruieren ...........................................................................................................................................................................16<br />
1. Chancen und Herausforderungen ...............................................................................................................................................................16<br />
2. Die richtige Lichtverteilung ............................................................................................................................................................................17<br />
3. Die Leuchtdichten unter Kontrolle ..............................................................................................................................................................19<br />
4. Intelligentes Wärme-Management .............................................................................................................................................................19<br />
5. Binning für eine konstante Lichtqualität..................................................................................................................................................21<br />
6. Elektrische Sicherheit ........................................................................................................................................................................................22<br />
7. Veröffentlichung der korrrekten Daten .....................................................................................................................................................23<br />
8. Objektive Informationen zur Qualität ........................................................................................................................................................24<br />
9. Fotobiologische Sicherheit .............................................................................................................................................................................25<br />
10. <strong>LED</strong>-Röhren ........................................................................................................................................................................................................27<br />
3. Spannungsversorgungen für <strong>LED</strong>-Leuchten ...................................................................................................................................................29<br />
1. Qualitätskriterien für <strong>LED</strong>-Spannungsversorgungen ..........................................................................................................................29<br />
2. Strom- und Spannungsversorgung im Vergleich..................................................................................................................................30<br />
4. Beleuchtung mit <strong>LED</strong>s - lichttechnische Aspekte .......................................................................................................................................32<br />
1. Abnahme des Lichtstroms und Wartungsfaktor....................................................................................................................................32<br />
2. Integration energiesparender Systeme .....................................................................................................................................................35<br />
5. Frage und Antwort.......................................................................................................................................................................................................36<br />
Terminologie .........................................................................................................................................................................................................................37<br />
Anlage 1: Wartungsfaktoren von <strong>LED</strong>-Produkten ...........................................................................................................................................38<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
3 | <strong>ETAP</strong>
Kapitel 1: Die <strong>LED</strong> als Lichtquelle<br />
1. WIE FUNKTIONIEREN <strong>LED</strong>s?<br />
<strong>LED</strong> steht für Light Emitting Diode. Eine <strong>LED</strong> ist ein Halbleiter (Diode), der Licht<br />
ausstrahlt, wenn Strom durch ihn fließt. Die Halbleiter-Materialien, die in <strong>LED</strong>s<br />
eingesetzt werden, setzen elektrische Energie in sichtbare elektromagnetische<br />
Strahlung, also Licht, um.<br />
Die Anregung des Halbleiters erfolgt dadurch, dass elektrischer Strom durch<br />
die Diode (genauer gesagt durch die Junction*) fließt. Die Diode, durch die der<br />
elektrische Strom fließt, ist – wie alle Dioden – nur in eine Richtung wirkend:<br />
Es entsteht nur Licht, wenn der Gleichstrom in die „richtige“ Richtung fließt,<br />
nämlich von der Anode (positiver Pol) zur Kathode (negativer Pol).<br />
sichtbares<br />
Licht<br />
Gleichstrom<br />
Anode (+) Kathode (-)<br />
Abb. 1: Funktionsprinzip einer <strong>LED</strong><br />
Die Menge erzeugten Lichts verhält sich nahezu<br />
proportional zur Menge Strom, der durch die<br />
Diode fließt. Für Beleuchtungszwecke werden<br />
stromgeregelte Versorgungen (Konstantstrom)<br />
eingesetzt. (siehe Kapitel 3).<br />
normalisierter Lichtstrom<br />
2.50<br />
2.25<br />
2.00<br />
1.75<br />
1.50<br />
1.25<br />
1.00<br />
0.75<br />
0.50<br />
0.25<br />
0.00<br />
0<br />
200 400 600 800 1000 1200<br />
Strom (mA)<br />
Abb. 2: Einfluss des Stromes auf den Lichtstrom<br />
Die Kombination aus <strong>LED</strong> (Halbleiter), Gehäuse und der Primäroptik (Linse) nennen wir eine <strong>LED</strong>-Komponente. Sie umfasst und schützt die <strong>LED</strong>,<br />
sorgt dafür, dass die intern erzeugte Wärme verteilt wird und enthält ein primäres optisches System, eine kleine Linse, um das erzeugte Licht<br />
der <strong>LED</strong> zu sammeln und kontrolliert auszustrahlen.<br />
Primäroptik<br />
<strong>LED</strong><br />
Junction<br />
elektrischer Anschluss<br />
thermisch leitende Schnittstelle<br />
Abb. 3: Aufbau einer <strong>LED</strong>-Komponente<br />
4 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
Die <strong>LED</strong> strahlt Licht in einem bestimmten Spektralbereich (monochromatisch) aus. Die Farbe des Lichts ist abhängig von dem Halbleiter-<br />
Material, das zur Herstellung verwendet wurde. Das können alle gesättigten Farben des sichtbaren Spektrums sein, von Violett und Blau über<br />
Grün zu Rot. Um mit <strong>LED</strong>s weißes Licht zu erzeugen, gibt es zwei Möglichkeiten:<br />
1. Bichromatisch<br />
- Die am häufigsten vorkommende Methode ist, ähnlich wie bei Leuchtstofflampen, eine blaue <strong>LED</strong>, mit einem<br />
photoluminiszenten (leuchtenden) Material zu kombinieren, und so einen Teil des blauen Lichts (kurzwelliges, höher<br />
energetisches) in weißes (oder eher gelbliches) Licht (langwellig, nieder energetisch) umzuwandeln. Die Zusammensetzung<br />
der Leuchtstoffe bestimmt die Farbtemperatur des resultierenden Lichts (mehr über die Farbtemperatur später in diesem<br />
Kapitel).<br />
2. Trichromatisch<br />
- Durch das Mischen verschiedenfarbiger <strong>LED</strong>s der Farben Rot, Grün und Blau (RGB).<br />
- Durch Kombination weißer <strong>LED</strong>s mit roten oder bernsteinfarbenen, nach dem gleichen Prinzip. Diese Technik ermöglicht<br />
unterschiedliche Farbtemperaturen in einem einzigen Modul.<br />
UPDATE<br />
2. <strong>LED</strong>-LICHTQUELLEN<br />
Es gibt viele Möglichkeiten, <strong>LED</strong>-Lichtquellen anzuwenden. Nach der internationalen Norm IEC 62504/CIE TC 2-66 (“Terminology of <strong>LED</strong>s and<br />
<strong>LED</strong> assemblies”) werden die folgenden Integrationsniveaus unterschieden:<br />
1. <strong>LED</strong>-Package oder <strong>LED</strong>-Komponente. Dies ist eine einfache Komponente, die aus einem oder mehreren <strong>LED</strong>-Chips besteht, möglicherweise<br />
mit Optik und thermischer, mechanischer oder elektrischer Schnittstelle.<br />
Z. B.<br />
Cree XP-G <strong>LED</strong>-Komponente<br />
Bridgelux <strong>LED</strong>-Komponente<br />
2. <strong>LED</strong>-Modul. Eine <strong>LED</strong>-Lichtquelle, die sich aus mehreren <strong>LED</strong>-Komponenten zusammensetzt, montiert auf einer PCB (Leiterplatte) oder<br />
auch mit integrierter Elektronik.<br />
Z. B.<br />
3. <strong>LED</strong>-Lampe. Identisch mit einem <strong>LED</strong>-Modul, aber mit Lampenfassung<br />
Z. B.<br />
UM2-Leiterplatte (<strong>ETAP</strong>)<br />
Philips <strong>LED</strong>-Lampe<br />
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5 | <strong>ETAP</strong>
UPDATE<br />
4. <strong>LED</strong>-Light Engine. <strong>LED</strong>-Modul oder -Lampe mit Betriebsgerät, geeignet für den direkten Anschluss an die Netzspannung.<br />
Z. B.<br />
Philips Fortimo DL-Modul<br />
mit Betriebsgerät<br />
Um eine <strong>LED</strong>-Leuchte zu entwerfen, wählt ein Beleuchtungshersteller eines der vier Integrationsniveaus als Arbeitsgrundlage. Ausgehend von<br />
Niveau 1 bleibt die größte Freiheit, eigene Akzente zu setzen, sowohl bezüglich des Designs als auch hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der<br />
Lichttechnik. Beim Arbeiten mit den Niveaus 3 oder 4 ergeben sich andere Vorteile, wie logistische Möglichkeiten des Zulieferers und möglichst<br />
geringe Kosten. <strong>ETAP</strong> entscheidet sich bei jeder Produktreihe für das passende Niveau, je nach gewünschtem Endergebnis.<br />
2. <strong>LED</strong>-Modul<br />
1. <strong>LED</strong>-Komponente 4. <strong>LED</strong>-Light Engine<br />
3. <strong>LED</strong>-Lampe<br />
<strong>LED</strong>-Leuchte<br />
In den meisten Fällen (z. B. <strong>LED</strong>+LENS TM Leuchten, R8, UM2) entwickelt <strong>ETAP</strong> Light Engines auf Basis von <strong>LED</strong>-Komponenten. Für die <strong>LED</strong>A-Reihe<br />
verwenden wir <strong>LED</strong>-Leuchtröhren (Niveau 3). Für unsere <strong>LED</strong>-Downlights mit klassischem, sekundärem Reflektor (D1, 2 und 3) nutzen wir dann<br />
wieder <strong>LED</strong>-Module mit Betriebsgerät, also eine fertig einsatzbereite <strong>LED</strong>-Light Engine.<br />
6 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
3. VORTEILE DER <strong>LED</strong>s<br />
VORTEIL 1: LANGE NUTZUNGSDAUER<br />
<strong>ETAP</strong>-Anwendung mit<br />
High Power <strong>LED</strong>s<br />
Typische Werte<br />
High Power <strong>LED</strong>s<br />
Low Power <strong>LED</strong>s<br />
Die Nutzungsdauer der <strong>LED</strong>s wird stark durch die spezifischen<br />
Einsatzbedingungen beeinflusst, wobei der Strom und die<br />
Innentemperatur (und somit auch die Umgebungstemperatur)<br />
die wichtigsten Faktoren sind. Typischer Weise wird von einer<br />
Lebensdauer von 50.000 Stunden ausgegangen. Darunter<br />
verstehen wir die Zeitspanne in der der durchschnittliche<br />
Lichtstrom auf 70% seines Ausgangswertes zurück geht (siehe<br />
Box). Diese Lebensdauer gilt unter der Bedingung, dass die <strong>LED</strong><br />
innerhalb der vorgegebenen Temperaturgrenzen (meist 80-<br />
85°C) verwendet wird. Werden qualitativ hochwertige <strong>LED</strong>s<br />
in Kombination mit einem professionellen Leuchtendesign<br />
verwendet, dann kann dieser Wert auch deutlich höher liegen<br />
(siehe Kapitel 4).<br />
relativer Lichtstrom (%)<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
1<br />
10 100<br />
Zeit (h x 1000)<br />
Abb. 4: Abnahme des Lichtstroms in Abhängigkeit zur Zeit<br />
Nutzbare <strong>LED</strong>-Lebensdauer<br />
Bei der Bestimmung der <strong>LED</strong>-Lebensdauer muss zwischen parametrischen Fehlern (Leistungsverlust) und totalem Versagen (<strong>LED</strong><br />
strahlt kein Licht mehr aus) unterschieden werden. Wenn sich Hersteller auf eine Lebensdauer von L70 beziehen, dann ist damit<br />
die Zeit gemeint, in der die Leistung eines bestimmten Prozentsatzes der <strong>LED</strong>s auf 70% des ursprünglichen Lichtstroms absinkt.<br />
Dieser Prozentsatz wird mit B bezeichnet, also zum Beispiel B50 = 50%. Bei dieser Art der Bestimmung der Lebensdauer werden<br />
jedoch nicht alle potenziell möglichen <strong>LED</strong>-Ausfälle berücksichtigt; einige andersartige Ausfälle werden deshalb im Testergebnis nicht<br />
berücksichtigt. Für den Nutzer ist jedoch jede defekte <strong>LED</strong>, unabhängig vom Ausfallgrund, wichtig. Wenn man bei der Bestimmung<br />
der Lebensdauer auch die möglicherweise fehlerhaften oder defekten <strong>LED</strong>s mit einbezieht, dann spricht man von der „F“-Definition<br />
der Lebensdauer, die typischerweise niedriger ist, als die „B“-Definition der Lebensdauer. Zum Beispiel zeigt L70F10 die Zeitspanne,<br />
innerhalb derer 10% der <strong>LED</strong>s auf weniger als 70% des ursprünglichen Lichtstroms absinken oder aus einem anderen Grund versagen.<br />
Internationale Standards und Empfehlungen sind daher bestrebt, die “F“-Definition für die Lebensdauer der <strong>LED</strong>s zu verwenden, oder<br />
sogar verbindlich vorzuschreiben. <strong>ETAP</strong> gibt keinen L70/B50-Wert für Leuchten an, weil dies keine brauchbare Angabe für Beleuchtungsberechnungen<br />
ist. Wir gehen von der angenommenen Anzahl Betriebsstunden aus (projektabhängig) und berechnen daraus<br />
den Lampenlichtstromwartungsfaktor. Bei Büroanwendungen rechnen wir standardmäßig mit 25.000 Betriebsstunden, bei Industrieanwendungen<br />
mit 50.000 (siehe auch Anhang 1).<br />
<strong>LED</strong>s haben eine lange Lebensdauer, sind aber empfindlich gegen zyklische thermische Spannungen und chemische und elektrostatische Einflüsse.<br />
Das Berühren von <strong>LED</strong>-Platinen ohne gute Erdung ist darum unbedingt zu vermeiden. Das Gleiche gilt für das direkte Anschließen von <strong>LED</strong>s an<br />
eine Stromversorgung, die bereits unter Spannung steht, da die auftretenden Spannungsspitzen die <strong>LED</strong> völlig zerstören können.<br />
Halogenlampe<br />
Kompakt-Leuchtstofflampe<br />
Kompakte Metalidampflampe<br />
(CDM-T)<br />
Queksilber-Hochdrucklampe<br />
Lineare Leuchtstofflampe<br />
<strong>LED</strong><br />
5000<br />
0 10000<br />
8000<br />
10000<br />
12000<br />
20000<br />
40<br />
20<br />
50000<br />
0<br />
20000 30000 40000 50000* 60000 60<br />
Stunden<br />
Abb. 5: Typische Werte für die nutzbare Lebensdauer<br />
(vereinfacht dargestellt)<br />
Operating Time (in 1.000 Std.)<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
<strong>LED</strong> = 18x Cree XP-E 4000K @ 350 mA<br />
B50/L70<br />
70 80 90 100 110 120<br />
<strong>LED</strong> Junction-Temperatur Tj (°C)<br />
Abb. 6: Einfluss der Junction-Temperatur<br />
auf die Lebensdauer<br />
* Basierend auf mind. 10.000 Stunden Messdaten (TM-21)<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
7 | <strong>ETAP</strong>
VORTEIL 2: HOHE ENERGIE-EFFIZIENZ MÖGLICH<br />
UPDATE<br />
Kaltweiße <strong>LED</strong>s mit einer Farbtemperatur von 5.000 K (Kelvin) erreichen heute unter Laborbedingungen schon mehr als 160 lm/W. <strong>LED</strong>s mit<br />
einer geringeren Farbtemperatur von 2.700 bis 4.000 K (die am meisten für Beleuchtungsanwendungen in Europa verwendet werden) haben<br />
durchgängig eine geringere Effizienz. Bei diesen Farbtemperaturen sind ab Mitte 2013 Wirkungsgrade von 120 lm/W und mehr im Handel<br />
erhältlich.<br />
Lichtausbeute (lm/W)<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
Warmweiß<br />
Kaltweiß<br />
K9 (1. Gen.)<br />
K9 (2. Gen.)<br />
Flare (1. Gen.)<br />
R8<br />
UM2<br />
U7/R7/E1<br />
Flare (2. Gen.)<br />
Diese Kurven basieren auf der tatsächlichen<br />
Leistung der <strong>LED</strong>s in der konkreten<br />
Anwendung. Sie können von den Herstellerangaben<br />
bezüglich des produktspezifischen<br />
elektrischen und thermischen Verhaltens<br />
abweichen.<br />
0<br />
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012<br />
2014<br />
Abb. 7: Entwicklung der Lichtausbeute von <strong>LED</strong>s für 2 Farbtemperaturen,<br />
mit Angabe des jeweiligen <strong>ETAP</strong>-Produktes bei einer<br />
Junction-Temperatur im normalen Gebrauch („heisse“ Lumenwerte)<br />
Spezifischer Lichtstrom (lm/W)<br />
Wir beziehen uns hier immer noch auf lm/W der „Lampe“ (wie bei der Leuchtstofflampe) unter Referenz-(Labor-) Bedingungen (25°C Junction-<br />
Temperatur Tj für <strong>LED</strong>s). Unter realen Bedingungen ist der Wirkungsgrad niedriger. Die durch die Leuchte realisierte Effizienz ist noch geringer.<br />
Zur Veranschaulichung ein Beispiel der R7 mit <strong>LED</strong>:<br />
<strong>LED</strong> Pulstest bei 85°, vergleichbar<br />
mit Werten in der Praxis<br />
<strong>LED</strong><br />
mit handelsüblichem Treiber<br />
<strong>LED</strong>-Leuchte<br />
inklusive Optik und Linse<br />
120 lm/W<br />
108 lm/W<br />
95 lm/W<br />
0 20 40 60 80 100 120 140<br />
Lumen/Watt<br />
Abb. 8: R7<br />
Zum Vergleich: Die leistungsfähigste Reflektorleuchte U5 mit Leuchtstofflampe 1x 32 Watt<br />
Leuchtstofflampe<br />
Leuchtstofflampe mit Vorschaltgerät<br />
Leuchte mit Leuchtstofflampe<br />
97 lm/W<br />
89 lm/W<br />
87 lm/W<br />
0 20 40 60 80 100<br />
Lumen/Watt<br />
Abb. 9 U5 Reflektor Leuchte<br />
8 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
<strong>LED</strong>s mit einer hohen Farbtemperatur, also mit kälterem Licht, besitzen einen höheren Wirkungsgrad als die gleichen <strong>LED</strong>s mit einer niedrigeren<br />
Farbtemperatur. Der Leuchtstoff, der gebraucht wird, um die warmweiße Farbe zu erzeugen, enthält nämlich mehr Rot, und die Effizienz dieser<br />
roten Komponente ist geringer, als die der gelben. Dadurch nimmt der Gesamtwirkungsgrad der <strong>LED</strong>s ab. Dieses Phänomen ändert sich bei<br />
5000K. Bei höheren Farbtemperaturen stellen wir keine Zunahme mehr fest. 5000K ist derzeit also die effizienteste Farbtemperatur.<br />
Zum Vergleich:<br />
<strong>LED</strong><br />
2013-2015<br />
Metalldampflampe<br />
Leuchtstofflampe<br />
Quecksilber-Hochdruck-<br />
Gasentladungslampe<br />
Halogenlampe<br />
Glühlampe<br />
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220<br />
Abb. 10: Typische Werte für die Effizienz verschiedener Lichtquellen<br />
lm/W<br />
Vorteil 3: Gute Farbwiedergabe, Auswahl der Farbtemperatur<br />
Farbtemperatur<br />
Die Farbtemperatur einer Lichtquelle für weißes Licht ist definiert als „die Temperatur eines definierten schwarzen Körpers, von dem das<br />
ausgestrahlte Licht den selben Farbeindruck wiedergibt, wie die Farbe der betreffenden Lichtquelle“. Die Farbtemperatur wird in Kelvin (K)<br />
ausgedrückt. Blaues Licht hat eine höhere Farbtemperatur und wird daher als „kälter“ empfunden, als Licht mit einer geringeren Farbtemperatur.<br />
Es gibt verschiedene Unterteilungen und Benennungen, jede mit Verweis zu den erkennbaren Farbtemperaturen:<br />
10,000<br />
9,000<br />
8,000<br />
7,000<br />
Nordlicht (blauer Himmel)<br />
bewölkter Tag<br />
y<br />
0.9<br />
0.8<br />
0.7<br />
0.6<br />
520<br />
540<br />
560<br />
Blaue Blue Led <strong>LED</strong>chip<br />
Phosphor 6000K<br />
Phosphor 3000K<br />
6,000<br />
5,000<br />
4,000<br />
3,000<br />
2,000<br />
1,000<br />
Mittagslicht, direktes Sonnenlicht<br />
Elektronisches Blitzlicht<br />
konventionelle Glühlampe<br />
früher Sonnenaufgang<br />
Glühlampenlicht<br />
Kerzenlicht<br />
500<br />
0.5<br />
0.4<br />
0.3<br />
490<br />
0.2<br />
0.1<br />
0.0<br />
0.0<br />
480<br />
10000<br />
0.0<br />
T c (°K)<br />
6000<br />
580<br />
0.0<br />
5000 3000 2000 1500<br />
600<br />
620<br />
700<br />
470<br />
460<br />
380<br />
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8<br />
x<br />
Abb. 11: Benennung von Farbtemperaturen<br />
Abb. 12: Erzeugung von weißem Licht durch<br />
Leuchtstoff<br />
Bei weißem Licht von RGB-<strong>LED</strong>s (in denen die Farben Rot, Grün und Blau gemischt werden) sind alle Farbtemperaturen möglich, jedoch ist die<br />
Steuerung und Kontrolle im Laufe der Zeit komplex, da alle drei Farben eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit haben. Daher werden<br />
diese seltener für Beleuchtungszwecke eingesetzt.<br />
Bei <strong>LED</strong>s mit Lumineszenz-Konversion wird die Farbtemperatur durch die Wahl des Leuchtstoffs bestimmt.<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
9 | <strong>ETAP</strong>
Wie verhält sich das bei der Sicherheitsbeleuchtung?<br />
Bei der Sicherheitsbeleuchtung setzt <strong>ETAP</strong> ausschließlich <strong>LED</strong>s mit hohen Farbtemperaturen ein. Sie sind<br />
effizienter (bis 5000K) und benötigen aus diesem Grund weniger Akku-Kapazität. Darüber hinaus reagiert das<br />
menschliche Auge bei schlechten Lichtverhältnissen sensibler auf bläuliches Licht.<br />
Farbwiedergabe<br />
Der Farbwiedergabe-Index (CRI - Color Rendering Index) einer Lichtquelle gibt die Qualität der Farbwiedergabe der durch die Lichtquelle<br />
beleuchteten Objekte wieder. Um diesem Index zu ermitteln, vergleichen wir die Farbwiedergabe von Objekten, die durch die Lichtquelle<br />
angestrahlt werden, mit der Farbwiedergabe der selben Objekte, wenn sie durch einen Schwarzlichtstrahler (mit der selben Farbtemperatur)<br />
angeleuchtet werden.<br />
Die Farbwiedergabe von <strong>LED</strong>s ist mit der von Leuchtstofflampen vergleichbar und variiert – abhängig von der Farbtemperatur – zwischen 60 und 98.<br />
• Für normale Beleuchtungsanwendungen in Warmweiß oder Neutralweiß verwendet <strong>ETAP</strong> <strong>LED</strong>s mit einer Farbwiedergabe von 80<br />
(der Norm DIN EN 12464-1 entsprechend)<br />
• Für batteriebetriebene Notbeleuchtungssysteme ist die Effizienz wichtiger als die Farbwiedergabe (die Norm fordert hier eine<br />
Farbwiedergabe von 40). Daher setzen wir in der Notbeleuchtung hocheffiziente, kaltweisse <strong>LED</strong>s mit einer Farbwiedergabe von ca. 60 ein.<br />
Bei weißen <strong>LED</strong>s mit Umwandlung durch einen Leuchtstoff wird die Farbwiedergabe auch durch die Wahl des Leuchtstoffes (Phosphor)<br />
beeinflusst. Bei der RGB-Farbmischung werden die drei gesättigten Primärfarben gemischt und ermöglichen so eine hervorragende<br />
Farbwiedergabe. Allerdings sind in diesem Fall die Steuerung und Kontrolle komplizierter.<br />
Zum Vergleich:<br />
Leuchtstoff-Lampen: Ra von 60 bis 98<br />
<strong>LED</strong>s : Ra von 60 bis 98<br />
Glühlampen: Ra von 100<br />
CDM: Ra von 80 bis 95<br />
Natriumdampflampe: Ra von 0<br />
Gut zu wissen…<br />
Eine <strong>LED</strong> mit einer niedrigeren Farbtemperatur (also Warmweiß) hat in der Regel eine höhere (bessere) Farbwiedergabe, als eine <strong>LED</strong><br />
mit höherer Farbtemperatur (Kaltweiß).<br />
UPDATE<br />
Vorteil 4: Stabile Leistung über einen großen Temperaturbereich<br />
Im Vergleich zu Leuchtstofflampen sind <strong>LED</strong>s<br />
weniger empfindlich für die Umgebungstemperatur.<br />
Während der relative Lichtstrom bei Leuchtstofflampen<br />
bei Umgebungstemperaturen über<br />
oder unter 25°C drastisch abnimmt, zeigen <strong>LED</strong>s<br />
nur eine allmählich Abnahme bei höheren Umgebungstemperaturen.<br />
Dies ist ein wichtiger Vorteil<br />
in Umgebungen mit außergewöhnlichen<br />
Temperaturen (< oder > 25°C) oder bei starken<br />
Temperaturschwankungen (z. B. in der Industrie).<br />
Nichtsdestotrotz ist das thermische Konzept von<br />
großer Bedeutung: Ein durchdachter Temperaturhaushalt<br />
ist äußerst wichtig, um eine maximale<br />
Lebensdauer und Lichtleistung zu erreichen<br />
(siehe auch Kapitel 2.4).<br />
Relativer Lichtstrom %<br />
115,0<br />
110,0<br />
105,0<br />
100,0<br />
95,0<br />
90,0<br />
85,0<br />
80,0<br />
75,0<br />
70,0<br />
65,0<br />
60,0<br />
55,0<br />
50,0<br />
45,0<br />
40,0<br />
-30,0 -25,0 -20,0 -15,0 -10,0 -5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0<br />
Umgebungstemperatur °C<br />
Leuchtstofflampe<br />
<strong>LED</strong><br />
Abb. 13: Einfluss der Umgebungstemperatur auf den relativen Lichtstrom<br />
10 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
Vorteil 5: Unmittelbare Lichtleistung beim Einschalten<br />
Leuchtstofflampen geben unmittelbar nach dem<br />
Starten noch nicht den vollen Lichtstrom ab. <strong>LED</strong>s<br />
dagegen reagieren sofort auf Veränderungen in der<br />
Stromzufuhr. Unmittelbar nach dem Einschalten<br />
erreichen sie den maximalen Lichtstrom. Sie sind<br />
daher auch sehr gut geeignet für Bereiche, in denen<br />
oft geschaltet wird und das Licht oft nur kurze Zeit<br />
leuchtet.<br />
Das gilt auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen,<br />
in denen <strong>LED</strong>s sogar noch besser funktionieren. Von<br />
diesem Vorteil macht zum Beispiel die E1 mit <strong>LED</strong> für<br />
Tiefkühlanwendungen Gebrauch.<br />
Darüber hinaus können <strong>LED</strong>s – im Gegensatz<br />
beispielsweise zu CDM-Lampen – auch ohne Probleme<br />
wieder eingeschaltet werden, obwohl sie noch warm<br />
sind. Auch häufiges Schalten hat in der Regel keinen<br />
negativen Einfluss auf die Lebensdauer.<br />
Rel. Lichtstrom in Abh. von der<br />
Umgebungstemperatur = 20°C (%)<br />
140,0<br />
120,0<br />
100,0<br />
80,0<br />
60,0<br />
40,0<br />
20,0<br />
0,0<br />
0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00<br />
Zeit (h:mm)<br />
E1 <strong>LED</strong><br />
E1 LEUCHTSTOFFLAMPE MIT ANGEPASSTEN LAMPEN UND VORSCHALTGERÄT FÜR KÜHLRÄUME<br />
E1 MIT VORSCHALTGERÄT FÜR KÜHLRÄUME<br />
Abb. 14: Vergleich des Startverhaltens von <strong>LED</strong>s und Leuchtstofflampen bei -30°C<br />
Vorteil 6: Gut dimmbar über eine große Bandbreite<br />
<strong>LED</strong>s können sehr effizient und über eine große Bandbreite hinweg gedimmt (nahezu von 0% bis 100%), oder dynamisch angesteuert werden.<br />
Dies kann auf Basis standardisierter Dimm-Methoden wie DALI, 1-10 V oder TouchDim erfolgen.<br />
Die Dimmverluste von <strong>LED</strong>s im unteren Dimmbereich sind vergleichbar mit den Verlusten bei Leuchtstofflampen mit modernsten dimmbaren<br />
Vorschaltgeräten. Bei voller Dimmung beträgt der verbleibende Stromverbrauch noch ca. 10% der Nennleistung.<br />
Eingangsleistung (W)<br />
<strong>LED</strong>-Strom (mA)<br />
Abb. 15: Effekt der Dimmung auf die Leistung<br />
<strong>LED</strong>s eignen sich hervorragend zur Integration in programmierte, dynamische Regelsysteme.<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
11 | <strong>ETAP</strong>
Vorteil 7: Umweltfreundlichkeit<br />
LCA-Studien (Life Cycle Analysis Studien – sie betrachten die ökologischen Auswirkungen eines Produktes von der Herstellung bis zum<br />
Recycling und zur Wiederverwertung) zeigen, dass <strong>LED</strong>s im Vergleich zu anderen Lichtquellen das Potential haben, in der Zukunft den kleinsten<br />
ökologischen Fingerabdruck zu hinterlassen. Obendrein enthalten sie kein Quecksilber, wie es z. B. bei Leuchtstofflampen der Fall ist.<br />
* Assessment of Ultra-Efficient Lamps; Navigant Consulting Europe; 5. Mai 2009.<br />
Vorteil 8: Keine IR- oder UV-Strahlung<br />
<strong>LED</strong> entwickeln keine ultavioletten (UV-) oder infraroten (IR-) Strahlen.* Das macht sie sehr geeigent für Anwendungen, in denen solche<br />
Strahlungen vermieden werden sollten, wie zum Beispiel Museen, Lebensmittel- oder Bekleidungsgeschäfte.<br />
Die <strong>LED</strong> selbst erzeugt zwar Wärme, aber die wird nach hinten, von dem zu beleuchtenden Objekt weg, geleitet (hierauf kommen wir noch<br />
zurück – siehe Kapital 2 .4). Auch das ausgestrahlte Lichtbündel stellt Energie dar, die bei Absorption in Wärme umgesetzt wird.<br />
* Das Gehäuse selbst generiert IR-Strahlung (durch die Wärme).<br />
4. <strong>LED</strong>-HERSTELLER<br />
Derzeit ist eine kleine Anzahl “dominierender Anbieter” mit eigener Halbleiter-Produktion (für weiße <strong>LED</strong>) auf dem Markt: Zum Beispiel Cree<br />
(US), Philips Lumileds (US), Osram (DE), Nichia (JP) und Toyoda Gosei (JP). Zusätzlich gibt es eine große Anzahl von Herstellern, die Halbleiter-<br />
Materialien und Leuchtstoffe ankaufen und selbst zu Typ 1- oder Typ 2-<strong>LED</strong>-Komponenten zusammen bauen. Beispiele hierfür sind Citizen,<br />
Bridgelux, Luminus, GE, Edison, Seoul Semiconductor, Samsung, Panasonic, Toshiba und LG.<br />
Bei <strong>ETAP</strong> nutzen wir eine Reihe von Kriterien, um die Hersteller auszuwählen, mit denen wir zusammen arbeiten können. Die wichtigsten<br />
Kriterien sind: Leistungsfähigkeit, Preis, Dokumentation (nachweisbare Daten mit Bezug auf die aktuellen Normen) und langfristige<br />
Verfügbarkeit (wichtig für die Kontinuität in unserer Leuchten-Produktion). <strong>ETAP</strong> arbeitet, abhängig von der Anwendung, mit mehreren der<br />
oben genannten Lieferanten zusammen.<br />
5. DIE ZUKUNFT DER <strong>LED</strong>s<br />
Die <strong>LED</strong>-Technologie entwickelt sich schnell.<br />
• Der spezifische Lichtstrom von <strong>LED</strong>s erhöht sich rasant. Heute lassen sie in Sachen Lichtleistung Halogen-, Glüh- und<br />
Kompaktleuchtstofflampen weit hinter sich. In Bezug auf Effizienz und/oder spezifischer Leistung übertreffen einige <strong>LED</strong>-Leuchten<br />
(wie beispielsweise die U7- oder die R7-Reihe) sogar schon die effizientesten Leuchten mit Leuchtstofflampen. Man kann in etwa<br />
sagen, dass in den vergangenen Jahren der Preis für das gleiche Lumenpaket um 25% zurückgegangen ist, oder dass man für den<br />
gleichen Preis 10% mehr Lichtausbeute erhält. Im Allgemeinen ist jedoch ein Limit von 180 bis 200 lm/W für warme Farben zu<br />
erwarten.<br />
• Es werden ständig neue Technologien entwickelt, um Effizienz und Wirtschaftlichkeit auf lange Sicht zu verbessern.<br />
• Es gibt eine immer bessere Kontrolle der Farbe und somit ein engeres Farben-Binning, wodurch einige Hersteller sogar nur noch ein<br />
Bin anbieten (3 SDCM). (Weitere Informationen zum Binning in Kapitel 2.5)<br />
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UPDATE<br />
6. O<strong>LED</strong>S, EINE NEUE ART VON BELEUCHTUNG<br />
O<strong>LED</strong> steht für Organic Light Emitting Diode. Wie der Name bereits sagt, handelt es sich dabei um eine Variante der traditionellen <strong>LED</strong>. <strong>LED</strong>s<br />
basieren allerdings auf kristallinem, anorganischem Material (z. B. Galliumnitrid), wohingegen O<strong>LED</strong>s organische Makromoleküle auf Basis von<br />
Kohlenwasserstoffverbindungen nutzen, um Licht zu erzeugen.<br />
O<strong>LED</strong>s in verschiedensten Formen (z.B. Philips Lumiblade)<br />
Punkt contra Oberfläche<br />
Der Unterschied zwischen O<strong>LED</strong> und <strong>LED</strong> besteht aber nicht nur im Material, sondern auch in der Art der Beleuchtung. Während die <strong>LED</strong><br />
eine typische Punktlichtquelle ist, werden O<strong>LED</strong>s eingesetzt, um Licht über eine vorgegebene Oberfläche zu verteilen. Konkret werden die<br />
organischen, lichterzeugenden Teilchen in einer hauchdünnen Schicht auf einer Platte aus Glas oder einem anderen transparenten Material<br />
aufgebracht und mit einer Kathode und einer Anode verbunden. Diese Schicht leuchtet auf, wenn an Kathode und Anode Spannung angelegt<br />
wird. Durch eine Kombination der entsprechenden Materialien können O<strong>LED</strong>s Licht in einer bestimmten Farbe erzeugen.<br />
Abdeckplatte aus Glas<br />
Metallkathode<br />
organische Schicht<br />
transparente Anode<br />
Glasträger<br />
Licht<br />
Abb. 16: Aufbau einer O<strong>LED</strong><br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
13 | <strong>ETAP</strong>
UPDATE<br />
Komplementär zur <strong>LED</strong><br />
Aus diesem fundamentalen Unterschied zwischen <strong>LED</strong> und O<strong>LED</strong> wird sofort klar, warum die beiden Technologien als komplementär angesehen<br />
und auch in Zukunft nebeneinander Verwendung finden werden. O<strong>LED</strong>s produzieren ein ruhiges, diffuses und nicht blendendes Licht über<br />
eine bestimmte Oberfläche, wohingegen <strong>LED</strong>s sich perfekt zur Erzeugung von Lichtbündeln eignen, die dann ausgerichtet und verteilt<br />
werden können. Die O<strong>LED</strong>s als Oberflächen-Lichtquelle mit einer perfekt gleichmäßigen Ausleuchtung eignen sich natürlich äußerst gut für<br />
Anwendungen wie Rettungszeichenleuchten. Außerdem sind sie auch vielversprechend für Anwendungen in der allgemeinen Beleuchtung,<br />
wie zum Beispiel als lichtspendende Flächen.<br />
Leistungsfähigkeit<br />
Die O<strong>LED</strong>-Technologie befindet sich heute noch in der Entwicklung. Hinsichtlich Leistung und Lebensdauer können sie heute sicher<br />
noch nicht mit <strong>LED</strong>s mithalten. So erzielen O<strong>LED</strong>s eine Lichtleistung von 60 lm/W im Vergleich zu 140 lm/W bei <strong>LED</strong>s. Für den Einsatz in<br />
Rettungszeichenleuchten sind sie allerdings schon nah genug an der Leistung bestimmter <strong>LED</strong>-Produkte, da sie für diese Art der Anwendung<br />
naturgemäß einfach besser geeignet sind. Genau wie bei den <strong>LED</strong>s wird erwartet, dass die Leistung von O<strong>LED</strong>s durch neue Entwicklungen noch<br />
stark zunimmt.<br />
O<strong>LED</strong> Roadmap<br />
Jahr 2013 2015 2018<br />
Spezifischer Lichtstrom 60 lm/W 90 lm/W 130 lm/W<br />
Lebensdauer (L70) 15 000 u 20 000 u 40 000 u<br />
Helligkeit 4 500 cd/m 2 5 000 cd/m 2 > 5 000 cd/m 2<br />
Lichtausbeute 12 000 lm/m 2 15 000 lm/m 2 >15 000 lm/m 2<br />
Farbwiedergabe (CRI) > 90 > 92 > 95<br />
Max. Abmessungen 120*120 mm 170*170 mm 400*400 mm<br />
Abb. 17: O<strong>LED</strong> Roadmap. Aktuelle und erwartete Leistung von O<strong>LED</strong>s (Quelle: Philips)<br />
Auch die Oberfläche, die mit einem einzigen O<strong>LED</strong>-Modul beleuchtet werden kann, befindet sich noch in der Entwicklung. Bei Fernsehern<br />
besteht der Bildschirm aus verschiedenen O<strong>LED</strong>-Pixeln, weil dort die Bildauflösung eine Rolle spielt. Bei Beleuchtungsanwendungen haben wir<br />
hingegen das Ziel, mit einem Modul eine möglichst große Oberfläche auszuleuchten. Die Vorteile dabei sind, dass wir diese einfach ansteuern<br />
können und keine Verpixelungs-Effekt entsteht. Heute sind Lichtpaneele mit einer Größe von 15 cm x 15 cm bereits standardmäßig erhältlich,<br />
in der Zukunft gehören Oberflächen von bis zu 1 m 2 sicher zu den Möglichkeiten.<br />
Der Einsatz von organischen Materialien – die relativ schnell altern und sehr empfindlich gegen Luft und Feuchtigkeit sind – hat eine<br />
relativ begrenzte Lebensdauer zur Folge. Heute geht man von 15.000 Betriebsstunden aus (bei um 30 % verringerter Lichtleistung und einer<br />
kontinuierlichen Ansteuerung von 4500 cd/m 2 ). Die Weiterentwicklung der verwendeten Materialien, Schutzschichten und Produktionstechniken<br />
wird hier große Verbesserungen mit sich bringen.<br />
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UPDATE<br />
Flexibel und transparent?<br />
Heute werden O<strong>LED</strong>s noch fast ausschließlich auf Glas aufgebracht. Die<br />
Forschung konzentriert sich jetzt aber auf die Möglichkeiten, wie O<strong>LED</strong>s<br />
auf flexiblere Materialien aufgebracht werden können, um verformbare<br />
Beleuchtungspaneele zu erlauben. Damit würde jede Oberfläche – ob<br />
eben, gebogen oder sogar elastisch – zur potentiellen Lichtquelle. Stellen<br />
Sie sich leuchtende Wände, Möbel, Gardinen oder Kleidungstücke vor.<br />
Ein anderer Forschungsbereich ist die Entwicklung von transparenten<br />
O<strong>LED</strong>-Paneelen. Derzeit bilden nicht leuchtende O<strong>LED</strong>s noch eine<br />
reflektierende Oberfläche. Transparente Paneele könnten dann zum<br />
Beispiel tagsüber als Fenster fungieren und bei Dunkelheit für eine<br />
angenehme Beleuchtung sorgen. Das macht die O<strong>LED</strong>s zu einer<br />
besonders vielversprechenden Beleuchtungstechnologie mit nahezu<br />
endlos vielen Anwendungsgebieten.<br />
O<strong>LED</strong>s als interaktiver Spiegel<br />
<strong>ETAP</strong> führt die O<strong>LED</strong>-Technologie in die Sicherheitsbeleuchtung ein<br />
Ende 2013 stellt <strong>ETAP</strong> als Erster eine Rettungszeichenleuchte auf der Grundlage von<br />
O<strong>LED</strong>s vor. Dank der niedrigen Beleuchtungsstärken und der homogenen Ausleuchtung<br />
sind O<strong>LED</strong>s hierfür besonders geeignet.<br />
K4, Rettungszeichenleuchtenreihe<br />
mit O<strong>LED</strong><br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
15 | <strong>ETAP</strong>
Kapitel 2: Leuchten mit <strong>LED</strong>s konstruieren<br />
1. CHANCEN UND HERAUSFORDERUNGEN<br />
<strong>LED</strong>s sind im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen, wie Leuchtstofflampen, sehr klein. Mit anderen Worten, die <strong>LED</strong>-Lichtquelle einer<br />
Leuchte kann, anders als z. B. bei Leuchtstofflampen, über die gesamte Oberfläche angeordnet werden. Das ermöglicht ein schlankeres<br />
Leuchtendesign und einen viel kreativeren Umgang mit Formen.<br />
Aber beim Entwerfen von <strong>LED</strong>-Leuchten stehen wir vor mehr als nur einer Herausforderung. Wir müssen zuerst die richtigen <strong>LED</strong>s für den<br />
jeweiligen Anwendungszweck auswählen. Leistung, Lichtausbeute, Temperaturverhalten, Lebensdauer, Farbtemperatur und Preis sind dabei<br />
wichtige Parameter. Das Design und die Integration von Optiken (Linsen, Diffusoren, Reflektoren) sorgen für die gewünschte Lichtverteilung.<br />
Der Wärmehaushalt von <strong>LED</strong>-Leuchten ist ausschlaggebend für ihre Leistungsfähigkeit. Und das alles möchten wir auch noch in einem<br />
ansprechenden Design verpacken.<br />
Mechanisches<br />
Design<br />
Elektrisches<br />
Design<br />
Optisches<br />
Design<br />
Thermisches<br />
Design<br />
Ästhetisches<br />
Design<br />
Neues 3D-Design +<br />
Herstellungsverfahren<br />
Abb. 18: D4 Downlight Design<br />
16 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
2. DIE RICHTIGE LICHTVERTEILUNG<br />
Die meisten <strong>LED</strong>s haben eine breite Lichtverteilung und strahlen das Licht in einem Winkel von 80 bis 140° aus (voller Winkel). Mit der Hilfe von<br />
sekundären und tertiären Optiken (Linsen, Diffusoren, Reflektoren oder Kombinationen dieser drei) lassen sich spezifische Lichtverteilungen<br />
erreichen. Die richtige Lichtverteilung ist wichtig, um in jeder Anwendung die spezifische Leistung und damit auch den Energieverbrauch so<br />
gering wie möglich zu halten.<br />
a. Refraktoren und Linsen<br />
Handelsübliche Linsen-Optiken<br />
Beispiel: Flare Spots mit einer sehr fokussierten Lichtverteilung.<br />
<strong>ETAP</strong>-spezifische Linsen<br />
Beispiel aus der Beleuchtung:<br />
<strong>LED</strong>+LENS TM Serien z.B. R7 mit breit strahlenden Linsen.<br />
Beispiel aus der Sicherheitsbeleuchtung:<br />
K9 Antipanikleuchte, extrem breitstrahlend<br />
b. Reflektoren<br />
Beispiel: D1 mit <strong>LED</strong>-Modul<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
17 | <strong>ETAP</strong>
c. Diffusoren und lichtleitende Folien<br />
Beispiel: UM2 <strong>LED</strong> mit MesoOptics TM<br />
Beispiel: R8 <strong>LED</strong> mit HaloOptics® Diffusor.<br />
d. Lichtleiter<br />
Beispiel aus der Beleuchtung: UW<br />
Beispiel aus der Sicherheitsbeleuchtung: K7<br />
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3. DIE LEUCHTDICHTEN UNTER KONTROLLE<br />
Mit der stetigen Zunahme der <strong>LED</strong>-Leistung und Wattage steigt auch die Leuchtdichte der Lichtquellen rasch an. Diese Leuchtdichten können<br />
schnell 10 bis 100 Millionen cd/m² betragen, denn je kleiner die Licht emittierende Oberfläche ist, desto größer kann die Leuchtdichte der<br />
Lichtquelle werden.<br />
Einige Beispiele von Leuchtdichten:<br />
• Lineare Leuchtstofflampe - T8 14.000 cd/m²<br />
• Lineare Leuchtstofflampe - T5 15.000 - 20.000 cd/m² 17.000 cd/m² (HE) und 20.000 - 33.000cd/m² (HO)<br />
• Kompaktleuchtstofflampe 26 W 50.000 cd/m²<br />
• “Nackte” <strong>LED</strong> 3 W (100 lm) 100.000.000 cd/m²<br />
• Sonne 1.000.000.000 cd/m² (=10 x <strong>LED</strong>!)<br />
Ein durchdachtes optisches Design ist deshalb absolute Notwendigkeit, um das Licht dieser hellen Punktquellen zu streuen, direkten Einblick<br />
zu vermeiden und Blendung zu verringern. Hierfür können wir sowohl Linsen, als auch Reflektoren und Diffusoren einsetzen. Einige Beispiele:<br />
• Flare Downlights (UGR
Aber es ist nicht nur der Lichtstrom, der in Abhängigkeit von der Temperatur sinkt. Auch die nutzbare Lebensdauer wird negativ beeinflusst,<br />
wenn die Temperatur einen kritischen Wert übersteigt. Deshalb ist eine gute Wärmeableitung wichtig.<br />
relativer Lichtstrom<br />
Betriebsdauer (h)<br />
Abb. 20: Abnahme des Lichtstroms im Verhältnis zur Zeit bei verschiedenen Junction-Temperaturen<br />
Ein gutes Temperatur-Management ist daher essentiell. Die Wärmeableitung der <strong>LED</strong> in die Umgebung<br />
erfolgt in aufeinander folgenden Stufen (durch verschiedene thermische Widerstände):<br />
• Die von der <strong>LED</strong> erzeugte Wärme wird durch das Substrat bis an den Lötpunkt geleitet.<br />
(1, in der <strong>LED</strong>).<br />
4<br />
• Von da aus wird die Wärme über die <strong>LED</strong>-Leiterplatte verteilt (2).<br />
• Durch die thermisch leitende Schnittstelle (3) oder TIM (Thermal Interface Material) für<br />
die Wärmeübertragung zwischen Leiterplatte und Kühlkörper wird die Wärme über den<br />
Kühlkörper verteilt (4).<br />
3<br />
• Durch Konvektion und Strahlung wird die Wärme in die Umgebung abgeleitet.<br />
Freie Luftströmung rund um die Leuchte ist für eine gute Wärmeableitung sehr wichtig. Darum ist das<br />
thermische Verhalten einer <strong>LED</strong>-Leuchte bei einer Anbau-Leuchte anders als bei einer Einbau-Leuchte. Bei der Einbau-Version muss immer<br />
ausreichend freier Raum um die Leuchte zur Verfügung stehen (Achtung: Deshalb keine Isolierung direkt oberhalb der Leuchte!). Auch die<br />
Wartung (staubfrei halten) des Kühlkörpers trägt zu einem guten Temperatur-Management bei.<br />
1<br />
2<br />
Abb. 21-22: Wärmestudien für D3 (links) und E7 (rechts)<br />
20 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
5. BINNING FÜR EINE KONSTANTE LICHTQUALITÄT<br />
Bei der Herstellung zeigen <strong>LED</strong>s aus der gleichen Charge oder Serie verschiedene<br />
Eigenschaften, zum Beispiel bezüglich Intensität und Farbe. Der Einsatz eines Mix<br />
verschiedener <strong>LED</strong>s in einer Leuchte würde daher zwangsläufig zu verschiedenen<br />
Lichtstärkeniveaus und verschiedenen Lichtfarben führen. Deshalb müssen wir<br />
ein „Binning“ durchführen, also die <strong>LED</strong>s nach Klassen einteilen oder gruppieren.<br />
“Binning” ist das Sortieren der <strong>LED</strong>s nach bestimmten Kriterien, wie<br />
BIN 2<br />
BIN 1<br />
• Colour Binning: Das Sortieren nach Farbkoordinaten (x; y), rund um<br />
eine individuelle Farbtemperatur;<br />
• Flux Binning: Das Sortieren nach Lichtstrom, gemessen in Lumen (lm);<br />
• Voltage Binning: Das Sortieren nach der Durchlass-Spannung,<br />
gemessen in Volt.<br />
Durch die Auswahl eines bestimmten „Farb-Bins“ wird eine gleichbleibende<br />
Farbqualität des Lichts garantiert. <strong>LED</strong>s aus dem selben „Bin“ haben also das<br />
gleiche Erscheinungsbild. Unterschiede in den „Farbbins“ fallen beispielsweise<br />
bei der gleichmäßigen Beleuchtung einer Wand stark auf.<br />
Bei der Betrachtung der Farbwahrnehmung wird die sogenannte „Mc Adam-<br />
Ellipse“ verwendet (siehe Abbildung*) Diese Ellipse ist ein Bereich im CIE-<br />
Diagramm, der alle Farben umfasst, die das menschliche Auge nicht von der<br />
Farbe im Zentrum dieser Ellipse unterscheiden kann. <strong>LED</strong>-Hersteller verwenden<br />
SDCM (Standardabweichung Colour Matching), wobei 1 SDCM gleich 1 McAdam<br />
ist.<br />
y<br />
0.9<br />
0.8<br />
0.7<br />
0.6<br />
500<br />
0.5<br />
0.4<br />
0.3<br />
490<br />
0.2<br />
0.1<br />
0.0<br />
0.0<br />
520<br />
480<br />
Abb. 23: Prinzip des Binnings<br />
540<br />
560<br />
580<br />
BIN 3<br />
600<br />
620<br />
700<br />
470<br />
460<br />
380<br />
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8<br />
Abb. 24: Darstellung der McAdam-Ellipsen<br />
(Quelle: Wikipedia)<br />
x<br />
Wie führt <strong>ETAP</strong> Binning durch bei allgemeiner Beleuchtung?<br />
<strong>ETAP</strong> verwendet einen systematischen Ansatz, um die Einheitlichkeit auf allen Ebenen zu gewährleisten:<br />
• Für jede Leuchte verwenden wir ausschließlich <strong>LED</strong>s mit<br />
einer Abweichung von weniger als 2 SDCM. Für einige<br />
Optiken kann dieser Wert abweichen. Für Diffusoren<br />
gilt zum Beispiel ein Variation von 4 SDCM, weil die<br />
<strong>LED</strong>s in dieser Optik nicht einzeln sichtbar sind.<br />
• Wir kennzeichnen die verschiedenen, bestückten<br />
Leiterplatten gemäß ihrer Farbbins und notieren<br />
diesen, so dass wir immer wissen, aus welchem Farbbin<br />
die jeweilige <strong>LED</strong> stammt.<br />
• Innerhalb einer Teillieferung von <strong>LED</strong>-Leuchten liefern<br />
wir immer Leuchten mit dem gleichen Farbcode.<br />
• Bei Teillieferungen, die über einen längeren Zeitraum<br />
hinweg erfolgen, kann das nicht garantiert werden. In<br />
diesem Fall sind Farbabweichungen von bis zu 4 SDCM<br />
möglich.<br />
Colour bin<br />
Flux bin<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
21 | <strong>ETAP</strong>
25 V RMS<br />
< V < 60 V RMS<br />
< 60 V DC<br />
< V < 120 V DC<br />
Abb. 25: Darstellung von Bins bei verschiedenen Farbtemperaturen<br />
(grün 2 SDCM; rot 7 SDCM)<br />
6. ELEKTRISCHE SICHERHEIT<br />
<strong>LED</strong>s arbeiten bei niedriger Spannung (typischerweise etwa 3V): Daher wird oft angenommen, dass man sich um die elektrische Sicherheit keine<br />
besonderen Gedanken machen muss. In heutigen <strong>LED</strong>-Leuchten kann Spannung bis zu 100V und mehr gemessen werden. Dementsprechend<br />
müssen zusätzliche Maßnahmen zur Betriebssicherheit ergriffen werden.<br />
Schaltet man <strong>LED</strong>s in Reihe, erhöht sich die Spannung<br />
<strong>LED</strong>s in Leuchten für die Allgemein-Beleuchtung werden, soweit möglich, in Reihe geschaltet. Die logische Konsequenz daraus ist ein Anstieg<br />
der Spannung. Einer der Vorzüge von <strong>LED</strong>s ist die niedrige Spannung von durchschnittlich 3V mit der jede einzelne <strong>LED</strong> arbeitet. Schaltet man<br />
aber innerhalb einer Leuchte 30 <strong>LED</strong>s in Reihe, dann liegt die Spannung schon bei 90V. Es gibt sogar Betriebsgeräte für <strong>LED</strong>s, die eine Spannung<br />
von mehr als 200V bereitstellen. Diese Betriebsgeräte müssen zusätzlich elektrisch abgesichert werden.<br />
Ab 24V ist eine zusätzliche Isolierung notwendig<br />
Internationale Normen (IEC 61347) verlangen, dass bei Spannungen über 24V* zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, um die Leuchte<br />
betriebssicher zu machen. In erster Linie muss sichergestellt werden, dass die <strong>LED</strong> und alle stromführenden Teile von außen nicht zugänglich<br />
sind. Die Lösung muss so aussehen, dass die <strong>LED</strong> erst nach dem Öffnen der Leuchte mit einem speziellen Werkzeug zugänglich ist. Darüber<br />
hinaus muss eine gute Basisisolierung zwischen allen berührbaren, leitfähigen Teilen der Leuchte und allen spannungsführenden Teilen<br />
bestehen. Wir stellen in jedem Fall genug Luft und Raum für Wartung sicher und nutzen elektrisch isolierendes Material, ohne das der<br />
Wärmehaushalt darunter leidet.<br />
AC<br />
DC<br />
V< 25 V RMS<br />
(I RMS<br />
< 0,7 mA) < 60 V DC<br />
(I DC<br />
< 2 mA)<br />
60 V RMS<br />
< V < 120 V RMS<br />
Abb. 26: Entsprechend dem internationalen Standard IEC 61247 besteht bis zu 24V (AC) oder 60V (DC) kein Berührungsrisiko (grün).<br />
Bei <strong>LED</strong> Leuchten mit höherer Ausgangsspannung (rot) sind zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen zu treffen.<br />
*Auch die Schutzklasse des Treibers kann evtl. zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich machen.<br />
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7. VERÖFFENTLICHUNG DER KORREKTEN DATEN<br />
Über viele Jahre wurde die Effizienz von Leuchten mit Leuchtstofflampen in Prozentwerten ausgedrückt; ein Hinweis darauf, wie gut eine<br />
Leuchte das von der Lampe erzeugte Licht nutzt. Mit dem Beginn des <strong>LED</strong>-Zeitalters spricht man von Lumen pro Watt, also Lichtstrom der<br />
Leuchte im Verhältnis zur eingesetzten Leistung. Es ist wichtig, dass die Effizienz der gesamten Leuchte in Betracht gezogen wird: Sowohl die<br />
Effizienz der Lichtquelle, als auch die der Leuchte.<br />
Die Effizienz einer Leuchte mit Leuchtstofflampe wurde durch den Vergleich des Lichtstroms der Leuchte mit dem der “nackten” Lampe ermittelt.<br />
Eine Angabe der Effizienz in Prozent ist sehr anschaulich. Sie verdeutlicht, wie effizient eine Leuchte mit einer bestimmten Menge an Licht umgeht.<br />
Das ist auch der Grund, warum diese Angabe zum Standard für Beleuchtungslösungen mit Leuchten mit Leuchtstofflampen geworden ist. Dieser<br />
Prozentwert ist sehr leicht zu ermitteln: Man misst den Lichtstrom der Leuchte mit Lampe und vergleicht ihn mit dem der „nackten“ Lampe.<br />
Eine „nackte“ <strong>LED</strong> ist keine brauchbare Referenz<br />
Bei Beleuchtungslösungen mit <strong>LED</strong> ist die Vorgehensweise wie bei Leuchtstofflösungen nicht möglich, da die „nackte“ <strong>LED</strong> keine absolute<br />
Referenz darstellt. Zum einen gibt es unterschiedliche Typen von <strong>LED</strong>s. Das Produkt ist nicht standardisiert. Des Weiteren gibt es (ab Werk)<br />
Unterschiede im Lichtstrom und der Farbtemperatur. Momentan existiert keine einheitliche Standardmessmethode für den Lichtstrom einer<br />
„nackten“ <strong>LED</strong>. Am wichtigsten ist jedoch die Tatsache, dass der Lichtstrom extrem temperaturabhängig ist. Eine <strong>LED</strong> emittiert bei 25°C sehr viel<br />
mehr Licht, als innerhalb einer Leuchte bei wesentlich höheren Temperaturen. Das ist der Grund, warum eine Angabe der Effizienz in Prozent<br />
in den meisten Fällen zu falschen Angaben führen würde.<br />
Lichtausbeute von Lampe und Leuchte<br />
Deshalb setzt sich im Beleuchtungsmarkt ein anderes Effizienzkonzept durch. Wir schauen heute nicht mehr nur auf die Leuchte alleine,<br />
sondern auf die Kombination von Lampe und Leuchte. Es wird zunehmend mit lm/W gearbeitet, basierend auf der Menge an Energie die<br />
nötig ist, um einen bestimmten Lichtstrom zu erzeugen. Das ist vielleicht nicht so anschaulich wie die Angabe in Prozent, dafür aber genauer.<br />
Man darf auch nicht vergessen, dass die Leistung einer <strong>LED</strong>-Lösung von einer Vielzahl von Faktoren wie der Kühlung, dem Betriebsgerät, der<br />
Energiedichte und dem Warm-Kalt-Faktor (der Abfall des Lichtstroms wenn die Temperatur steigt) abhängt. Eine gute Kühlung ist wesentlich<br />
und die lm/W Angabe berücksichtigt das: Je besser die Kühlung, desto höher der Lichtstrom bei gleicher Leistung. Bei <strong>ETAP</strong> versuchen wir mit<br />
unseren <strong>LED</strong>-Leuchten stets optimale Werte zu erzielen. Derzeit können 80 lm/W für eine Leuchte als sehr energieeffizient angesehen werden.<br />
Aber da sich <strong>LED</strong>s fortlaufend weiterentwickeln, werden sich auch die Standards ändern.<br />
Abb. 27: Im Produktdatenblatt auf der <strong>ETAP</strong> Website sind beide Werte, sowohl der Leuchtenlichtstrom,<br />
als auch der spezifische Lichtstrom aufgeführt. (Website Screenshot)<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
23 | <strong>ETAP</strong>
Neben dem spezifischen Lichtstrom, können weitere Informationen über <strong>LED</strong>s auf der <strong>ETAP</strong>-Website abgerufen werden:<br />
• Fotobiologische Sicherheitsklasse<br />
• Farbtemperatur<br />
• Stromverbrauch<br />
• Typ des Betriebsgeräts: dimmbar oder nicht dimmbar<br />
• Leistungsfaktor<br />
• Wartungsfaktor<br />
8. OBJEKTIVE INFORMATIONEN ZUR QUALITÄT<br />
Die europäische Beleuchtungsindustrie hat einen Katalog mit objektiven Kriterien für die Publikation vergleichbarer Leistungsdaten von <strong>LED</strong>-<br />
Leuchten fertig gestellt. Denn Verbraucher können nur Aussagen von Herstellern beurteilen, wenn diese die Leistungsdaten ihrer <strong>LED</strong>-Leuchten<br />
auf einheitliche Art und Weise messen und veröffentlichen.<br />
Aussagen nicht nachvollziehbar oder vergleichbar<br />
Bisher gibt es in Europa noch keinen gesetzlichen oder normativen Rahmen für die Beurteilung der Qualität von <strong>LED</strong>-Leuchten. Bislang<br />
veröffentlichten die Hersteller zwar Leistungsdaten, aber es war kaum möglich, diese miteinander zu vergleichen. Ein Beispiel: Einige Hersteller<br />
publizieren gute Werte für die Lebensdauer ihrer <strong>LED</strong>-Leuchten, erklären jedoch nicht, wie sie auf diese Werte kommen. Oder sie veröffentlichen<br />
Werte zur Lichtausbeute und Lebensdauer der <strong>LED</strong>-Lichtquelle, obwohl beide extrem von der verwendeten Optik und dem Design der Leuchte<br />
abhängen. Diese uneinheitlichen Angaben machen es Benutzern schwer, weil sie oft „Äpfel mit Birnen“ vergleichen müssen.<br />
Europäische Qualitäts-Charta ausgearbeitet<br />
Der Dachverband der Vereinigung nationaler Hersteller von Leuchten und elektrotechnischen Komponenten für Leuchten in der Europäischen Union<br />
(<strong>Lighting</strong> Europe) hat einen Leitfaden zur Beurteilung von Qualitätskriterien und Leistungsdaten von <strong>LED</strong>-Leuchten, den so genannten “Äpfel-und-Birnen-<br />
Leitfaden” veröffentlicht, an dessen Erarbeitung <strong>ETAP</strong> aktiv mitgewirkt hat. <strong>ETAP</strong> kämpft mittlerweile seit einigen Jahren für eine bessere Transparenz<br />
und Struktur bei der Veröffentlichung von Qualitätsindikatoren für <strong>LED</strong>-Leuchten. In den Vereinigten Staaten und einer Reihe von einzelnen (Nord-)<br />
europäischen Ländern, ist man da schon weiter. In den letzten Jahren hat <strong>ETAP</strong> intern eine eigene Richtlinie verfasst, die weitgehend vom skandinavischen<br />
Modell inspiriert ist. Diese Elemente wurden nun auch von der <strong>Lighting</strong> Europe aufgegriffen. Die <strong>Lighting</strong> Industry Liaison Group hat ebenfalls einen<br />
Leitfaden für die Spezifikation von Leuchten mit <strong>LED</strong>-Technologie (Guidelines for Specification of <strong>LED</strong> <strong>Lighting</strong> Products 2011) herausgegeben.<br />
Qualitätsindikatoren für die komplette Leuchte<br />
Die neue Richtlinie enthält erstmals einheitliche Kriterien für die Messung und Veröffentlichung von Leistungsdaten und Qualitätsmerkmalen<br />
der kompletten Leuchten:<br />
- Die gesamte Leistungsaufnahme (W) der Leuchte inklusive Betriebsgerät (Driver), den abgegebenen Lichtstrom (lm) und die Effizienz<br />
= Output/Input (lm/W)<br />
- Darstellung der Lichtstärke (cd) im Polardiagramm<br />
- Eine photometrische Kodierung, die eine Aussage über die Lichtqualität macht (Farbtemperatur, Farbwiedergabeindex, Farbsättigung<br />
und Lichtstrom)<br />
- Einen Wartungswert, der die Lichtstromabnahme über die Zeit, die zu erwartende Lebensdauer, den verbleibenden Lichtstrom in<br />
Prozent und die Ausfallrate angibt (siehe unten).<br />
- Die Umgebungstemperatur (°C) für die die veröffentlichten Werte gelten.<br />
Verwendet Ihr Lieferant einen verlässlichen Wartungsfaktor?<br />
Die oben erwähnte Richtlinie für den Wartungsfaktor bezieht sich auf überprüfbare und messbare, qualitative Attribute einer Leuchte.<br />
In der Praxis ist diese Richtlinie normaler Weise für eine Zeitspanne von 6.000 Stunden, oder im besten Fall 12.000 Stunden ausgelegt. In<br />
24 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
Beleuchtungsstudien arbeiten wir aber mit einem Leistungsverlust nach 25.000 (entspricht in den meisten Standardanwendungen in etwa 10<br />
Jahren), 35.000 oder sogar 50.000 Brennstunden. Dafür müssen die Daten hochgerechnet werden. Da die Richtlinie hierzu keine Aussage trifft,<br />
wendet <strong>ETAP</strong> die amerikanische Vorschrift TM21 an. Basierend auf dieser Vorschrift rechnet <strong>ETAP</strong> seine Angaben so hoch, dass für jedes Projekt<br />
der entsprechende Wartungsfaktor verwendet wird. So kann man sicher sein, dass eine Beleuchtungslösung die Erwartungen auch am Ende der<br />
Lebensdauer noch erfüllt. Die Lebensdauer einer Leuchte wird immer durch ihr schwächstes Glied bestimmt, das nicht die <strong>LED</strong> selber sein muss,<br />
sondern beispielsweise auch die Spannungsversorgung sein kann. <strong>ETAP</strong> berücksichtigt das auch in den Berechnungen.<br />
allgemeine Daten LLMF (%)<br />
F (lm) P (W) lm/W 25.000 h 35.000 h<br />
UM2**/<strong>LED</strong>W45 3107 38 82 95 89<br />
UM2**/<strong>LED</strong>N45 3295 38 87 95 89<br />
Abb. 28: Um Daten zu extrapolieren, verwendet <strong>ETAP</strong> die amerikanische Richtlinie TM21 (zB. UM2 <strong>LED</strong> mit Lamp Lumen Maintenance Factor)<br />
UPDATE<br />
9. FOTOBIOLOGISCHE SICHERHEIT<br />
Der Europäische Standard für fotobiologische Sicherheit EN 62471 beschreibt eine Klassifizierung, die angibt, ob eine Lampe oder Leuchte ein<br />
Risiko für Augen- oder Hautverletzungen darstellt. Auf Grund der hohen Leuchtdichten, die High Power <strong>LED</strong>s erzeugen, besteht ein potentielles<br />
Risiko für Augenverletzungen. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die fotobiologische Sicherheit korrekt gemessen und klar publiziert wird.<br />
Das Licht aus der <strong>LED</strong> enthält nahezu keine Anteile aus dem ultravioletten oder infraroten Spektrum und ist daher für die Haut absolut unbedenklich.<br />
Allerdings enthält es eine starke Spitze im blauen Spektrum, die beim direkten Blick in eine helle Lichtquelle (über einen längeren Zeitraum) zu<br />
irreversiblen Schäden an der Netzhaut, der so genannten Photoretinitis (Blaulichtgefährdung) führen kann (Blue Light Hazard - BLH).<br />
100<br />
4000K<br />
80<br />
Relative Relative Radiant Strahlung Power (%) (%)<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
400 450 500 550 600 650 700 750<br />
Wellenlänge Wavelength (nm)<br />
Abb. 29: Da Licht aus <strong>LED</strong>s eine starke Spitze im blauen Spektrum beinhaltet,<br />
müssen ausreichende Schutzmaßnahmen ergriffen werden.<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
25 | <strong>ETAP</strong>
UPDATE<br />
Vier Risikogruppen<br />
Ob tatsächlich ein Risiko besteht, hängt von vielen Faktoren ab: Leistung der <strong>LED</strong>, Farbtemperatur, aber auch die Lichtverteilung und die<br />
Entfernung zur Leuchte spielen eine entscheidende Rolle.<br />
Um es dem Nutzer zu ermöglichen sein Risiko einschätzen zu können, legt die Norm EN 62471 vier verschiedene Risikogruppen fest. Für die<br />
Blaulichtgefährdung werden diese Gruppen folgendermaßen definiert:<br />
• Risikogruppe 0 (“Ausnahme”-Gruppe): Auch bei einem unbegrenzt langen Blick in die Lichtquelle besteht keine Gefahr.<br />
• Risikogruppe 1: Das Risiko ist begrenzt, mehr als 10.000 Sekunden Blickkontakt sind nicht zulässig (knapp unter 3 Stunden).<br />
• Risikogruppe 2: Bis zu 100 Sekunden Blickkontakt sind erlaubt.<br />
• Risikogruppe 3: Bis zu 0.25 Sekunden Blickkontakt sind erlaubt. Zum Vergleich: Das ist weniger Zeit, als der unwillkürliche<br />
Abwehrreflex (Lidschlussreflex) des menschlichen Auges braucht, um das Auge zu schließen und zu schützen.<br />
Da es bei der Norm EN 62471 um eine theoretische Einteilung geht, definiert für einen festen Sichtabstand, wurde daneben auch eine<br />
Praxisrichtlinie entwickelt (IEC/TR 62477). Die Gefahr von BLH hängt nämlich auch von dem Sichtabstand ab (Abstand zwischen Augen und<br />
<strong>LED</strong>). Normalerweise schaut man nicht aus kurzer Distanz in eine Leuchte, aber kürzere Sichtabstände können zum Beispiel auftreten, wenn ein<br />
Techniker eine Wartung durchführt. IEC/TR 62477 beschreibt, innerhalb welcher Abstände eine Leuchte zu einer bestimmten BLH-Risikogruppe<br />
(RG) gehört (sogenannte Grenzabstände).<br />
Einige Beispiele bei <strong>ETAP</strong>:<br />
- Diffusoren gehören zu RG 0, ganz gleich, von<br />
welchem Abstand aus man diese ansieht, z. B.<br />
Kardó , R8, UM2.<br />
- Downlights und <strong>LED</strong>+LENS TM Leuchten gehören<br />
zu RG 1, egal bei welchem Sichtabstand.<br />
- Für die Rettungszeichenleuchte K7* gilt<br />
RG 1/RG 2 mit einem Grenzabstand von 60<br />
cm. Das bedeutet, dass K7 bei Sichtabständen<br />
kleiner als 60 cm zu RG 2 gehört.<br />
RG 2 RG 1<br />
...<br />
0 cm<br />
60 cm<br />
Sichtabstand<br />
Abb. 30: Darstellung der Grenzabstände bei der <strong>ETAP</strong>-Rettungszeichenleuchte K7*<br />
In welchem Maße Schutzmaßnahmen notwendig sind, hängt von der Anwendung ab. Haben Lichtquellen einen Grenzabstand RG 1/RG 2, muss<br />
dieser angegeben werden, zusammen mit der Warnung, nicht direkt in die Lichtquelle zu schauen.<br />
Nackte weiße <strong>LED</strong>s (die in der allgemeinen Beleuchtung verwendet werden) gehören im schlechtesten Fall zu Gruppe 2, niemals Gruppe 3.<br />
Bei den meisten Leuchten befinden sich die <strong>LED</strong>s hinter einer Linse oder einem Diffusor, die/der das Bild der Quelle optisch vergrößern und so<br />
Spitzenleuchtdichten abflachen. Hierdurch nimmt die Risikoklasse in den meisten Fällen weiter ab.<br />
* Ausführung mit Fresnellinse: Sicherheitsbeleuchtung für Rettungswege mit Aufhängehöhe > 3,5m<br />
Korrekt messen, klar publizieren<br />
Zu welcher Gruppe eine Leuchte gehört, wird durch ein definiertes<br />
Messverfahren mit speziellen Instrumenten (Spektrometer) bestimmt.<br />
<strong>ETAP</strong> hat die geeigneten Voraussetzungen und Instrumente, um<br />
Messungen im eigenen Haus durchführen zu können. Das bedeutet, dass<br />
<strong>ETAP</strong> alle Leuchten gewissenhaft auf ihre photobiologische Sicherheit<br />
hin überprüft. Die Risiko Gruppe in die die jeweilige Leuchte gehört<br />
wird sowohl auf der Website als auch in der Produkt Dokumentation<br />
veröffentlicht.<br />
<strong>ETAP</strong> hat die geeigneten Instrumente, um Messungen<br />
im eigenen Haus durchführen zu können.<br />
26 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
UPDATE<br />
Abb. 31: Sie finden die exakten Informationen über die fotobiologische Sicherheit und Gruppenzugehörigkeit von <strong>ETAP</strong> Leuchten<br />
auf dem Produkt-Datenblatt auf unserer Website. (Screenshot Website, Status September 2013).<br />
10. <strong>LED</strong>-RÖHREN<br />
<strong>LED</strong>-Röhren sind fertige <strong>LED</strong>-Lampen, die in die Fassungen von auf Leuchtstofflampen ausgelegten Leuchten passen. <strong>ETAP</strong> warnt vor einigen dieser<br />
Lösungen: Die Sicherheit ist nicht immer in vollem Umfang gewährleistet und Qualität und Komfort sind selten optimal. Wenn die Leuchten speziell<br />
hierfür entwickelt wurden, können <strong>LED</strong>-Leuchtröhren auch eine Reihe von Vorteilen aufweisen.<br />
Unsichere <strong>LED</strong>-Tubes wurden von der EU verboten<br />
Über ihr Schnellwarnsystem hat die Europäische Union den<br />
Verkauf von verschiedenen <strong>LED</strong>-Tubes (siehe Website der<br />
Europäischen Kommission http://ec.europa.eu) gestoppt,<br />
weil sie nicht der Niederspannungsrichtlinie 2006/95/EG<br />
und der Norm EN 60598 für Leuchten entsprechen. Bei<br />
diesen Produkten besteht unter anderem das Risiko eines<br />
elektrischen Schlags während der Installation, da einige<br />
externe Komponenten elektrisch geladen sein können.<br />
Daher sind <strong>LED</strong>-Röhren nicht immer zuverlässig und sicher.<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
27 | <strong>ETAP</strong>
Leuchtenhersteller haften nicht<br />
Beleuchtungsqualität<br />
Leuchtstofflampen können nicht einfach gegen <strong>LED</strong>-Tubes<br />
ausgetauscht werden. Oftmals muss die Verdrahtung in<br />
der Leuchte geändert, und Komponenten getauscht oder<br />
überbrückt werden. Das bedeutet jedoch auch, dass die<br />
Haftung des ursprünglichen Leuchtenherstellers hinfällig<br />
wird. Es liegt in der Verantwortung desjenigen, der die<br />
Leuchten umrüstet, nach einer solchen Umrüstung die<br />
Konformität nachzuweisen und die Ausstellung einer<br />
neuen CE-Erklärung zu veranlassen, was in der Praxis<br />
jedoch nie geschehen wird.<br />
Und letztendlich genügt auch die Beleuchtungsqualität meist nicht den Anforderungen. Jede Leuchte ist für eine ganz bestimmte Lichtleistung<br />
und Lichtverteilung entwickelt worden. <strong>LED</strong>-Tubes haben eine völlig andere Leistungscharakteristik als Leuchtstofflampen und das Resultat sind<br />
oftmals niedrigere Beleuchtungsstärken, eine schlechtere Gleichmäßigkeit, höhere Blendung, kurz gesagt, ein Verlust an Beleuchtungskomfort.<br />
Auch muss man sich über die Abnahme des Lichtstroms über die Lebensdauer einer <strong>LED</strong>-Tube im Klaren sein, der am Ende 30% oder mehr<br />
betragen kann. Schlussendlich sollte man sich gut über die gewünschte Lichtfarbe und Ausstrahlungscharakteristik informieren, da sich in<br />
diesen Bereichen auch häufig Qualitätsprobleme ergeben.<br />
Abb. 32: Während eine E12/136HFW (mit einer 1x 36W Leuchtstofflampe) einen Lichtstrom von 3350 lm, und einen Wirkungsgrad<br />
von 72 lm/W erreicht, bleibt beim Einsatz einer <strong>LED</strong>-Tube nur noch ein Lichtstrom von 1340 lm und 61 lm/W übrig. Auch ist die<br />
Ausstrahlungscharakteristik mit einer <strong>LED</strong>-Tube (rechts) eine völlig andere, als die mit einer Leuchtstofflampe (Mitte).<br />
Vorteile von <strong>LED</strong>-Tubes<br />
Wenn eine Leuchte für die Verwendung von <strong>LED</strong>-Tubes entwickelt wurde, kann diese Lichtquelle auch<br />
einige einzigartige Vorteile vorweisen. <strong>LED</strong>-Tubes haben nicht nur einen niedrigen Energieverbrauch<br />
und eine lange Lebensdauer, sie zeichnen sich auch durch eine einfache Wartung aus. Es gibt auch<br />
<strong>LED</strong>-Tubes in einem komplett abgeschlossenen Gehäuse, geeignet für chemische Umgebungen. Bei<br />
Reflektorleuchten erlauben es <strong>LED</strong>-Tubes, eine Luftabsaugung über dem Reflektor anzubringen, was<br />
einen selbstreinigenden Effekt hat.<br />
Die <strong>LED</strong>A-Reihe wurde für die Verwendung von <strong>LED</strong>-Tubes entwickelt.<br />
28 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
Kapitel 3: Betriebsgeräte für <strong>LED</strong>-Leuchten<br />
1. QUALITÄTSMERKMALE FÜR <strong>LED</strong>-BETRIEBSGERÄTE<br />
Das Betriebsgerät, der sogenannte „Driver“, ist eine der wichtigsten Komponenten jeder <strong>LED</strong>-Lösung. Die Qualität einer <strong>LED</strong>-Leuchte hängt nicht alleine<br />
von der <strong>LED</strong>-Lichtquelle und der Konstruktion der Optik ab, sondern maßgeblich auch von der Effizienz und Zuverlässigkeit des Betriebsgerätes. Alle<br />
hochwertigen Betriebsgeräte für <strong>LED</strong>s müssen sieben Qualitätsmerkmale aufweisen:<br />
Lebensdauer. Das Betriebsgerät muss mindestens für die gleiche Lebensdauer<br />
ausgelegt sein wie die <strong>LED</strong>s selbst; also normaler Weise rund 50.000 Stunden (bei<br />
70% des möglichen Lichtstroms).<br />
Effizienz. Einer der Erfolgsfaktoren von <strong>LED</strong>s ist ihre Energieeffizienz. Aus diesem<br />
Grund muss die Umwandlung von Netzspannung in Strom so effizient wie möglich<br />
erfolgen. Ein hochwertiges Betriebsgerät hat mindestens eine Effizienz von 85%.<br />
Leistungsfaktor. Der Leistungsfaktor ist ein technischer Indikator der anzeigt, wie dicht die<br />
Wellenform des Stroms an der Referenz-Sinuskurve der anliegenden Spannung liegt. Der<br />
Leistungsfaktor () besteht aus zwei Teilen: Dem Wechsel zwischen Spannung und Strom<br />
(cos phi) und den Oberwellen der harmonischen Gesamtverzerrung des Stroms. Je geringer<br />
der Schaltweg und die Verschiebung von der Referenz-Sinuskurve, desto geringer sind<br />
die Verluste und Rückwirkungen (Verschmutzungen) ins Netzwerk des Energieversorgers.<br />
<strong>ETAP</strong> <strong>LED</strong>-Betriebsgeräte müssen einen Leistungsfaktor von mehr als 0.9 haben.<br />
Abb. 33: Bei Betriebsgeräten mit einem hohem Leistungsfaktor (links) zeigt die Kurve des Stroms (blau) wenig Abweichung zur Kurve für<br />
die Spannung (gelb). Die Kurven von Betriebsgeräten mit niedrigem Leistungsfaktor (rechts) zeigen größere Abweichungen.<br />
Elektromagnetische Kompatibilität (EMC). Das Betriebsgerät sollte selbst so wenig elektromagnetische Interferenzen in seine Umgebung<br />
abgeben wie möglich, gleichzeitig aber auch so immun wie möglich gegen Einflüsse aus der Umgebung sein. Eine gute elektromagnetische<br />
Verträglichkeit in beide Richtungen ist äußerst wichtig.<br />
Einschaltstrom. Wird ein <strong>LED</strong>-Betriebsgerät unter Spannung gesetzt, entsteht für den Bruchteil einer Millisekunde eine Spannungsspitze im<br />
Netz. Das kommt daher, dass am Anfang Kondensatoren aufgeladen werden. Durch ein kontrolliertes Aufladen werden diese Spannungsspitzen<br />
abgefangen. Das Betriebsgerät muss so eingestellt sein, dass die Leitungsschutzschalter des Raumes oder Gebäudes nicht ausgelöst werden.<br />
Stromfrequenz: Eine gute Qualität des Ausgangsstroms sorgt dafür, dass es keine Fluktuationen in der Intensität gibt, so dass kein Flackern<br />
oder stroboskopische Effekte auftreten.<br />
Filterung der Netzspannung. Probleme im Elektrizitätsnetz können niedrigfrequentes Lichtflackern (+/- 10Hz) verursachen. Durch die schnelle<br />
Schaltleistung von <strong>LED</strong>s sind diese gut sichtbar, was als sehr störend empfunden wird. Ein gutes <strong>LED</strong>-Betriebsgerät sorgt dafür, dass diese<br />
Probleme im Elektrizitätsnetz nicht in den Ausgangsstrom durchgelassen werden, so dass der Lichtstrom stabil bleibt.<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
29 | <strong>ETAP</strong>
Technische Datenblätter<br />
Das Betriebsgerät ist eine entscheidende Komponente bei jeder <strong>LED</strong>-Beleuchtungslösung.<br />
Qualitativ hochwertige Betriebsgeräte erkennt man durch einen Blick in die Produktdatenblätter<br />
des Herstellers. So kann man prüfen, ob die oben genannten Qualitätsmerkmale erfüllt sind. <strong>ETAP</strong><br />
benutzt nur hochwertige Betriebsgeräte, die sorgfältig in unseren Laboren getestet werden.<br />
<strong>ETAP</strong> Testlabor<br />
2. STROM- UND SPANNUNGSVERSORGUNG IM VERGLEICH<br />
<strong>LED</strong>s sind stromgesteuerte Komponenten. Der Strom ist direkt ausschlaggebend für die Lichtleistung und muss daher vorsichtig gesteuert<br />
werden. Es gibt zwei Möglichkeiten der Ansteuerung:<br />
• Konstante Stromquellen<br />
Diese wandeln die Netzspannung sofort in konstanten Strom um. Die Methode bringt die höchste Effizienz und ist die kosteneffektivste<br />
Anwendung. Nachteilig ist, dass die Module mit einer konstanten Stromquelle nur in Reihe geschaltet werden können, was bei der<br />
Installation schwieriger ist. Zudem addiert sich bei höheren Leistungen die erforderliche Spannung schnell auf (>100 V).<br />
Beispiele:<br />
Flare Spot 500mA, DIPP4,…<br />
Flare D4 Downlight<br />
Konstantstrom<br />
230 V AC<br />
• Konstante Spannungsquellen<br />
Das sind Versorgungen, die die Netzspannung in genau geregelte Spannung umwandeln. Wenn sie für <strong>LED</strong>s oder <strong>LED</strong>-Module<br />
eingesetzt werden, müssen diese Versorgungen immer mit einem Strombegrenzer (z. B. Widerstand), oder einem DC-<strong>LED</strong>-Treiber<br />
(Gleichstrombetriebsgerät für <strong>LED</strong>), der Gleichspannung in konstanten Strom umwandelt, ausgestattet sein. Spannungsquellen<br />
haben den großen Vorteil, dass man verschiedene Module sehr einfach parallel anschliessen kann.<br />
Beispiel:<br />
Flare Spot 24V (Gleichstrom <strong>LED</strong>-Betriebsgerät ins Kabel integriert)<br />
Konstantspannung<br />
Gleichstrom <strong>LED</strong>-Betriebsgerät<br />
230 V AC<br />
<strong>LED</strong>-<br />
Betriebsgerät<br />
Spannungsversorgung<br />
Die Artikelnummern der Leuchten für konstante Stromquellen enden bei <strong>ETAP</strong> auf “C” (von “Current”), die Leuchtenbezeichnungen für konstante<br />
Spannungsquellen enden auf “V” (von “Voltage”).<br />
30 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
Auch für dimmbare Leuchten<br />
Das Betriebsgerät sollte nicht nur zuverlässig und effizient sein, es muss auch flexibel genug sein, um in jeder modernen Beleuchtungslösung<br />
zu funktionieren. In vielen Fällen muss die Lichtstärke regelbar sein, beispielsweise über eine tageslichtabhängige Regelung wie ELS oder einen<br />
externen Dimmer. Wichtig dabei ist, dass die Effizienz und der Leistungsfaktor immer gleich bleiben, wenn ein Dimmer benutzt wird.<br />
Der maximal mögliche Wirkungsgrad eines<br />
Betriebsgeräts bestimmt sich über die Nennleistung<br />
für die es entwickelt wurde (siehe Grafik<br />
34). Bei Betriebsgeräten mit einer Nennleistung<br />
von 35W kann ein<br />
Wirkungsgrad von 90% und mehr erreicht<br />
werden.<br />
Effizienz des Betriebsgerätes<br />
1,00<br />
0,90<br />
0,80<br />
0,70<br />
0,60<br />
0,50<br />
0,40<br />
0,30<br />
0,20<br />
25W<br />
75W<br />
0,10<br />
0,00<br />
0% 50% 100%<br />
Belastung des Treibers als Prozentwert des Nennstroms<br />
Abb. 34: Einfluss der Belastung des Betriebsgerätes auf die<br />
Effizienz für einen Low Power Driver (blau) und<br />
einen High Power Driver (gelb)<br />
Die obige Grafik zeigt, dass der tatsächliche Wirkungsgrad eines Betriebsgeräts auch von der Last abhängt. Bei einem qualitativ hochwertigen<br />
Betriebsgerät bleibt der Wirkungsgrad bis zu einer minimalen Last von 50-60% konstant. Bei einer geringeren Last sinkt der Wirkungsgrad<br />
rapide ab. Daher ist es so wichtig, das Betriebsgerät und die <strong>LED</strong> gut auf einander abzustimmen, damit das Betriebsgerät immer im<br />
optimalen Bereich arbeiten kann.<br />
In der Praxis gibt es zwei Möglichkeiten zu dimmen: Entweder reduziert man die Stromstärke, oder man setzt den Strom in Impulse von<br />
immer kürzerer Dauer um (PWM oder Pulsdauermodulation). Welche Technik sich am besten eignet, hängt von der jeweiligen Anwendung<br />
ab. Hier helfen unsere Experten bei dieser Entscheidung.<br />
Alle bekannten Systeme für die Dimmung sind im Prinzip auch bei <strong>LED</strong>-Beleuchtung einsetzbar:<br />
• DALI<br />
• 1-10V (eher selten)<br />
• TouchDim<br />
• DMX (weniger für Beleuchtung verwendet, hauptsächlich in der Theaterwelt<br />
eingesetzt)<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
31 | <strong>ETAP</strong>
Kapitel 4: Beleuchtung mit <strong>LED</strong>s - Lichttechnische Aspekte<br />
UPDATE<br />
1. ALTERUNG UND WARTUNGSFAKTOR<br />
Ein korrekt berechneter Wartungsfaktor ist die elementare<br />
Grundlage für die richtige Dimensionierung Ihres Beleuchtungssystems.<br />
Allgemeine Wartungsfaktoren, die die<br />
besonderen Eigenschaften der <strong>LED</strong>s nicht ausreichend berück<br />
sichtigen, führen oft zu ungenauen Berechnungen und<br />
Beleuchtungsplanungen.<br />
Relatiever Lichtstrom (%)<br />
Warum verwendet man einen « Wartungsfaktor »?<br />
Im Laufe der Lebensdauer eines Beleuchtungssystems “altert”<br />
30<br />
die Anlage, und die Menge des Lichts auf dem Arbeitsplatz<br />
20<br />
reduziert sich. Der Lichtstrom der Leuchtmittel sinkt, und<br />
10<br />
die Lampen und Leuchten verschmutzen durch Staub und<br />
0<br />
andere Verunreinigungen. Und auch der Raum verschmutzt<br />
1<br />
im Laufe der Zeit, so dass der Reflektionsgrad von Wänden,<br />
Zeit (H x 1000)<br />
Decke und Fußboden abnimmt. Deshalb wird diese Abnahme<br />
bei Beleuchtungsplanungen durch den sogenannten<br />
Abb. 35: Abnahme des Lichtstroms im Laufe der Zeit<br />
Wartungsfaktor in der Berechnung berücksichtigt (siehe<br />
Infokasten). So kann man sicher sein, dass seine Beleuchtungsanlage auch nach 5, 10 oder mehr Jahren noch immer die erforderliche<br />
(normgerechte) Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz einhält.<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
10 100<br />
Der Wartungswert (Maintenance Factor - MF) wird mit vier Parametern errechnet :<br />
MF = LLMF x LSF x LMF x RSMF<br />
LLMF: Lampen-Lichtstrom-Wartungsfaktor (Lamp Lumen Maintenance Factor)<br />
Rückgang des Lampenlichtstroms<br />
LSF:<br />
Lampen-Lebensdauer-Faktor (Lamp Survival Factor)<br />
Häufigkeit des Lampenausfalls ohne sofortigen Ersatz<br />
LMF:<br />
Leuchten-Wartungsfaktor (Luminaire Maintenance Factor)<br />
Lichtstromrückgang durch Verschmutzung der Leuchte<br />
RSMF: Raum-Wartungsfaktor (Room Surface Maintenance Factor)<br />
Raumverschmutzung<br />
32 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
UPDATE<br />
Bei Leuchtstofflampen gibt es eindeutige Regeln<br />
Bei herkömmlichen Lichtquellen wie Leuchtstofflampen gibt es klare Regeln und internationale Standards, um den Wartungsfaktor einer Anlage<br />
zu ermitteln. Typischerweise werden vier Elemente berücksichtigt: Die Reduzierung des Lampenlichtstroms, die Ausfallrate der Lampen,<br />
die Verschmutzung von Lampen und Leuchten und die Verschmutzung des Raumes. Für Leuchtstofflampen besteht allgemeiner Konsens über<br />
die Ermittlung der Wartungsfaktoren. Der Rückgang des Lichtstroms und die Lebensdauer der Lampen haben sich bewährt und unterscheiden<br />
sich bei den unterschiedlichen Herstellern kaum. Ausserdem ist die Reduktion des Lichtstroms der Lampe unabhängig vom Leuchtendesign, und<br />
beim Lampenwechsel legt man einen regelmäßigen Austausch zugrunde, so dass es in der Regel wenig Diskussionen über Wartungsfaktoren von<br />
Leuchtstofflampen gibt.<br />
<strong>LED</strong>s sind anders<br />
Bei <strong>LED</strong>s hängt der Wartungswert von einer Vielzahl von Faktoren ab. Das<br />
beginnt schon bei der Wahl der <strong>LED</strong>s. Es gibt heute große Qualitätsunterschiede<br />
zwischen den unterschiedlichen Herstellern. Und auch die Art der <strong>LED</strong>s – „low<br />
power“ oder „high power“ – ist für die Entwicklung des Rest-Lichtstromes und<br />
die Lebensdauer entscheidend. Darüber hinaus handelt es sich bei <strong>LED</strong>s um eine<br />
ganz neue Technologie, die rasend schnell weiter entwickelt. In Ermangelung der<br />
erforderlichen Kenntnisse und Informationen verwenden heute viele <strong>LED</strong>- und<br />
Leuchtenhersteller der Einfachheit halber immer noch einen allgemeinen LLMF-<br />
Wert von 70% nach 50.000 Stunden Brenndauer. Sie gehen also davon aus,<br />
dass die <strong>LED</strong>s nach 50 000 Stunden, nur 70% ihrer ursprünglichen Lichtleistung<br />
erbringen - unabhängig von der Qualität der <strong>LED</strong>s.<br />
Im Gegensatz zu Leuchten mit Leuchtstofflampen spielt bei <strong>LED</strong>s die<br />
Leuchtenkonstruktion eine wesentliche Rolle. Lichtausbeute und Lebensdauer<br />
von <strong>LED</strong> hängen sehr stark von ihrer Betriebstemperatur ab. Je besser sie gekühlt<br />
werden, umso geringer die Reduzierung des Lichtstroms und umso höher die<br />
Lebensdauer. Die Wärmeableitung ist hier wesentlich. Das Leuchtendesign<br />
wird heute jedoch nur selten bei der Ermittlung des Wartungsfaktors von <strong>LED</strong>-<br />
Leuchten berücksichtigt. In der Praxis hat jede <strong>LED</strong>-Leuchte ihren eigenen,<br />
spezifischen Wartungsfaktor. Das macht es unmöglich, einen allgemein gültigen<br />
Wert zu definieren.<br />
Relative Beleuchtungsstärke (%)<br />
100<br />
95<br />
90<br />
85<br />
80<br />
75<br />
70<br />
65<br />
<strong>LED</strong><br />
60<br />
0 10 20 30 40 50 60<br />
Brenndauer (1.000 Std.)<br />
U7-Leuchte mit L97 @50.000 Std. (<strong>ETAP</strong>)<br />
<strong>LED</strong>-Leuchte mit L70 @50.000 Std.<br />
T5-Leuchtstofflampe<br />
Abb. 36: LLMF für <strong>LED</strong> Beleuchtung im<br />
Vergleich zu Leuchtstofflampen<br />
Beleuchtungssysteme mit Leuchtstofflampen erfordern einen regelmäßigen Lampenwechsel (blaue Kurve). Bei <strong>LED</strong>s wird die “Lampe” nicht ausgewechselt,<br />
sondern die Qualität der verwendeten <strong>LED</strong> und die Leuchtenkonstruktion spielen eine entscheidende Rolle: Während der grobe Richtwert für <strong>LED</strong>s<br />
(LLMF) in der Literatur meist mit 70 % angegeben wird (gelb), liegt der entsprechende Wert bei einer <strong>ETAP</strong> U7-Leuchte zum Beispiel bei 97 % (grün).<br />
Große Auswirkungen für die Beleuchtungsanlage<br />
Diese verallgemeinernden Berechnungen führen in der Praxis zu schwerwiegenden Konsequenzen. Wird der Wartungsfaktor zu optimistisch<br />
eingeschätzt, wird die Anlage nach ein paar Jahren nicht mehr das erforderliche Beleuchtungsniveau erreichen. Umgekehrt kann ein zu pessimistisch<br />
bemessener Wartungsfaktor zu einer Überdimensionierung der Beleuchtung führen. Dadurch werden mehr Leuchten und/oder mehr Leistung<br />
installiert als erforderlich, was die Kosten für Investition und Energieverbrauch unnötig in die Höhe treibt.<br />
Z.B. Einfluss des Wartungsfaktors auf eine Beleuchtungsplanung mit U7-Leuchten in einem Großraumbüro von 9 x 14,4 m:<br />
LLMF 97% nach 50.000 Std. (Wartungsfaktor 87%)<br />
500<br />
500<br />
9.00 m<br />
8.50<br />
LLMF 70% nach 50.000 Std. (Wartungsfaktor 63%)<br />
500<br />
500<br />
500<br />
500<br />
9.00 m<br />
8.50<br />
500<br />
500<br />
500<br />
500<br />
500<br />
500<br />
500<br />
500<br />
500<br />
500<br />
500<br />
500 500<br />
0.50<br />
0.00<br />
0.00 14.40 m<br />
500<br />
500 500 500<br />
0.50<br />
0.00<br />
0.00 14.40 m<br />
Die Beleuchtungsplanung mit dem korrekten Wartungsfaktor erfordert für diesen Raum 18 U7-Leuchten und eine installierte Leistung von<br />
1,35 W / m² / 100 lx (links). Die Verwendung des allgemeinen Wartungsfaktors (rechts) führt zu einer deutlichen Überdimensionierung der<br />
Beleuchtungsanlage: 24 U7-Leuchten mit einer installierten Leistung von 1,96 W / m² / 100 lx.<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
33 | <strong>ETAP</strong>
UPDATE<br />
Hoher Wartungswert durch intelligentes Design<br />
Die Wartungsfaktoren, die <strong>ETAP</strong> in Beleuchtungsplanungen anwendet, wurden exakt auf Basis internationaler Richtlinien ermittelt. In der<br />
Praxis stellen wir fest, dass unsere Wartungsfaktoren meistens deutlich höher sind, als die allgemein verwendeten Werte. Wir beachten<br />
nämlich zwei entscheidende Punkte. Zum einen verwenden wir in unseren Leuchten ausschließlich <strong>LED</strong>s von Herstellern, die konkrete und<br />
nachprüfbare Informationen über die Lichtleistung und Lebensdauer ihrer <strong>LED</strong>s liefern. In der Praxis basieren diese Daten auf den LM80- und<br />
TM21-Standards, die von der Illuminating Engineering Society (IES), einer internationale Autorität auf diesem Gebiet, validiert wurden. Dies<br />
liefert uns objektive Kriterien für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit der <strong>LED</strong>s.<br />
Zum zweiten berücksichtigen wir auch die Kühlung der <strong>LED</strong>s in unseren Berechnungen. In unseren Laboren verfügen wir über die erforderlich<br />
Infrastruktur, um die Junction Point Temperatur zwischen Leiterplatte und <strong>LED</strong> exakt zu bestimmen. Dadurch kennen wir die genaue<br />
Betriebstemperatur der <strong>LED</strong>s, und können so den effektiven Lichtstromrückgang und die Lebensdauer der <strong>LED</strong>s exakter einschätzen. Diese<br />
Informationen verwenden wir dann zur Ermittlung des korrekten Wartungsfaktors für unsere Lichtberechnungen.<br />
Wie erstellt man eine korrekte Berechnung?<br />
<strong>ETAP</strong> stellt eine Tabelle mit dem jeweils richtigen Wartungsfaktor für alle <strong>LED</strong>-Leuchten, in Abhängigkeit der Anwendung und der vorgesehenen<br />
Lebensdauer der <strong>LED</strong>-Leuchte, zur Verfügung. Auf dieser Basis können wir eine zuverlässige Beleuchtungsplanung bieten, mit der Gewähr, dass<br />
die Beleuchtung auch langfristig die erforderlichen Beleuchtungsniveaus erfüllt.<br />
Ein Beispiel:<br />
In einer Beleuchtungsstudie mit U7 in einer Büroumgebung wird der Wartungsfaktor wie folgt kalkuliert: 99% (LLMF oder Wartungsfaktor<br />
Lampe) x 1 (Lampenfehler sind bei <strong>LED</strong>s quasi ausgeschlossen und haben daher keinen Einfluss) x 0.94 (Luftverschmutzung im Raum) x 0.95<br />
(Wartungsfaktor einer geschlossenen Leuchte) = 88%. Das bedeutet, dass nach 25.000 Betriebsstunden immer noch 88% des ursprünglichen<br />
Lichtstroms verbleiben. Nach 50.000 Betriebsstunden verbleiben noch 87% des Lichtstroms, was deutlich mehr ist als die standardmäßig<br />
angenommenen 70% nach 50.000 Betriebsstunden (siehe Kasten auf Seite 7).<br />
U7-Leuchten in einem Büro haben einen Wartungsfaktor von 87% nach 50.000 Stunden (siehe Tabelle).<br />
<strong>LED</strong>-Typ <strong>LED</strong>-Leuchte 25kh 35kh 50kh LLMF (%)<br />
25kh 35kh 50kh<br />
High Power U7 88 87 87 99 98 97<br />
Abb. 37: Auszug aus Tabelle mit Wartungsfaktoren und LLMF bei einer U7-Leuchte für 25.000, 35.000 und 50.000 Stunden<br />
(Stand Mitte 2013).<br />
Die vollständige Tabelle mit Wartungsfaktoren finden Sie in Anlage 1 oder in den Produktdatenblättern auf unserer Website.<br />
34 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
2. INTEGRATION ENERGIESPARENDER SYSTEME<br />
<strong>LED</strong>s sind nicht nur eine energieeffiziente Lichtquelle, sie arbeiten<br />
auch perfekt mit Lichtregelsystemen zusammen. Diese Kombination<br />
verspricht nicht nur ein hohes Sparpotenzial, sie sorgt auch noch<br />
für einige andere Vorteile: <strong>LED</strong>s können viel effizienter gedimmt<br />
werden als Leuchtstofflampen und ihre Lebensdauer leidet nicht<br />
unter häufigem Schalten.<br />
Die bekanntesten Lichtregelsysteme sind Bewegungsmelder, die die<br />
Beleuchtung dimmen oder schalten, wenn Nutzer einen Bereich<br />
betreten oder verlassen sowie die tageslichtabhängige Regelung,<br />
die die Beleuchtung in Abhängigkeit zum einfallenden Tageslicht<br />
dimmt. Die Kombination beider Systeme kann in bestimmten<br />
Anwendungen bis zu 55% und mehr Energie einsparen.<br />
Derzeit ist jede sechste von <strong>ETAP</strong> vertriebene Leuchte mit einer<br />
leuchtenspezifischen tageslichtabhängigen Regelung ausgestattet.<br />
U7 mit tageslichtabhängiger Regelung (ELS)<br />
<strong>LED</strong>s sind schaltfest<br />
<strong>LED</strong>s haben eine ganze Reihe Eigenschaften, mit denen sie sich<br />
besonders für den Einsatz mit Lichtregelsystemen eignen. Beispielsweise hat häufiges Schalten keinen Einfluss auf die Lebensdauer von <strong>LED</strong>s.*<br />
Ganz im Gegensatz zu Leuchtstofflampen, die bei jedem Schaltvorgang einen kleinen Teil ihres Emittermaterials in der Lampe verlieren. Dieser<br />
Effekt zeigt sich dann zum Beispiel an schwarzen Lampenenden. In Bereichen mit kurzen Anwesenheitsintervallen, wie zu Beispiel sanitäre<br />
Bereiche oder Flure, lässt sich eine erhöhte Ausfallrate von Leuchtstofflampen beobachten.<br />
* Mit Ausnahme von Anwendungen, bei denen <strong>LED</strong>s extremen Temperaturschwankungen unterliegen.<br />
<strong>LED</strong>s kennen solche Probleme nicht, da sie als elektronische Bauteile unempfindlich gegenüber häufigem Schalten sind. Zusätzlich geben <strong>LED</strong>s<br />
sofort nach dem Einschalten ihren vollen Lichtstrom ab, was beim Betreten eines dunklen Raumes wesentlich angenehmer ist.<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
35 | <strong>ETAP</strong>
Kapitel 5: Frage und Antwort<br />
Frage: Wo finde ich die international gültigen Standards für <strong>LED</strong>s?<br />
Antwort: Auf www.lightingeurope.org finden Sie die neuesten Richtlinien zu <strong>LED</strong>-Standards im Bereich „Library“ unter: “Joint CELMA/ELC<br />
Guide on <strong>LED</strong> related standards”.<br />
In Übereinstimmung mit den Richtlinien der <strong>Lighting</strong> Industry Liaison Group sind dies die Standards in Bezug auf <strong>LED</strong>-Beleuchtung:<br />
Produkttyp Sicherheitsstandard Leistungsstandard<br />
<strong>LED</strong>-Lampen mit eingebautem<br />
Betriebsgerät für<br />
Allgemeinbeleuchtung >50V –<br />
Sicherheitsanforderungen<br />
IEC 62560<br />
IEC 62612/PAS öffentlich erhältliche<br />
Spezifikation<br />
Betriebsgeräte für<br />
<strong>LED</strong>-Module<br />
<strong>LED</strong>-Module für die<br />
Allgemeinbeleuchtung –<br />
Sicherheitsanforderungen<br />
IEC 61347-2-13 IEC 62384<br />
IEC 62031 IEC/PAS 62717<br />
<strong>LED</strong>-Leuchten IEC 60598-1 IEC/PAS 62722-2-1 Ed. 1:<br />
Leuchtenleistung - Teil 2-1:<br />
Besondere Anforderungen für <strong>LED</strong><br />
<strong>LED</strong>s und <strong>LED</strong>-Module<br />
CIE Technischer<br />
Fachausschuss<br />
IEC TS 62504 Begriffe und Definitionen für <strong>LED</strong>s und <strong>LED</strong>-Module in der<br />
Allgemeinbeleuchtung<br />
TC2-46 CIE/ISO Standards für <strong>LED</strong>-Intesitätsmessungen<br />
TC2-50 Messung der optischen Eigenschaften von <strong>LED</strong> Clustern und Arrays<br />
TC2-58 Messung der Strahlung und Leuchtdichte von <strong>LED</strong>s<br />
TC2-63 Optische Messung von High-Power <strong>LED</strong>s<br />
TC2-64 Schnellprüfverfahren für <strong>LED</strong>s<br />
Frage: Welche Garantie gibt <strong>ETAP</strong> auf <strong>LED</strong> Leuchten?<br />
Antwort: Auf jede Leuchte gewähren wir fünf Jahre Garantie. Angesichts der langen Lebensdauer von <strong>LED</strong>s ist ein Ersatz sicherlich die<br />
Ausnahme; er ist aber auch von der Garantie abgedeckt. <strong>ETAP</strong> nutzt universelle <strong>LED</strong>s (in Bezug auf ihre Bauform und den ökologischen<br />
Fingerabdruck). Es ändert sich lediglich die Effizienz und die Lichtausbeute. Im unwahrscheinlichen Fall, dass die <strong>LED</strong>s ausfallen, kann die <strong>LED</strong>-<br />
Platine ohne Probleme getauscht werden. Falls gewünscht, kann dabei die Lichtausbeute auf das ursprüngliche Niveau eingestellt werden. (Für<br />
weitere Informationen, lesen Sie bitte die Bedingungen zur Herstellergarantie auf unserer Website www.etaplighting.com)<br />
Frage: Ist das Licht aus <strong>LED</strong>s besser als das aus Leuchtstofflampen?<br />
Antwort: Nein, sie sind beide identisch. Doch bei sehr niedrigen Beleuchtungsstärken (z. B. bei Sicherheitsbeleuchtung oder Outdoor-<br />
Anwendungen), reagiert das menschliche Auge empfindlicher auf grüne / blaue Farbtöne, auch mesopische Vision genannt. Unter diesen<br />
Umständen ist es daher günstiger, Lichtquellen zu verwenden, die mehr Licht aus dem grün-blauen Spektrum abgeben, wie beispielsweise<br />
Cyan-farbige <strong>LED</strong>s oder weiße <strong>LED</strong>s mit hohem Blauanteil (Kaltweiß, 6500K).<br />
36 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
Terminologie<br />
Binning<br />
Das Sortieren / Klassifizieren von (in diesem Fall) <strong>LED</strong>s in Gruppen<br />
mit gleichartigen Charakteristiken, z.B. auf dem Gebiet der Farbtemperatur.<br />
CDM<br />
Ceramic Discharge Metalhalide Lampe<br />
Chromaticity<br />
Farbkoordinaten<br />
CIE<br />
Commission Internationale de l’éclairage / Internationale Kommission<br />
für Beleuchtung<br />
Diode<br />
Halbleiter, der elektrischen Strom in eine Richtung sehr gut leitet,<br />
aber in die andere Richtung praktisch nicht.<br />
Gamma oder Abschirmwinkel<br />
Winkel in Bezug zur Vertikalen wie in einem Polardiagram<br />
Junction<br />
Aktiver Bereich im Halbleiter, in dem das Licht erzeugt wird.<br />
Junction-Temperatur<br />
Dies ist die interne Temperatur im Halbleiter-Material (am PN-<br />
Übergang, siehe unten).<br />
„Heiße“ Lumenwerte<br />
Lichtstrom gemessen bei einer typischen Anwendungstemperatur<br />
(in der Regel gemessen bei etwa 85°C Junction Temperatur)<br />
„Kalte“ Lumenwerte<br />
Lichtstrom gemessen bei 25°C Junction Temperatur<br />
<strong>LED</strong><br />
Abkürzung von Light Emitting Diode.<br />
<strong>LED</strong>-Chip:<br />
Licht erzeugende Halbleiterkomponente<br />
<strong>LED</strong>-Komponente<br />
Die Kombination von <strong>LED</strong>, Gehäuse und Primäroptik.<br />
<strong>LED</strong>-Modul<br />
Das <strong>LED</strong>-Äquivalent zu einer traditionellen Lampe, aber in <strong>LED</strong>-<br />
Ausführung. Laut <strong>ETAP</strong>’s Terminologie entspricht dies Typ 3 (siehe<br />
Kapitel 1)<br />
Lumineszenz<br />
Prozess, bei dem ein Lichtteilchen (Photon) generiert wird, wenn<br />
ein Atom von einem höheren zu einem niedrigeren Energiezustand<br />
wechselt.<br />
Nutzungsdauer<br />
Wirtschaftliche Lebensdauer, die für die spezifische Anwendung<br />
relevant ist. Sie ist niedriger als die durchschnittliche Lebensdauer.<br />
PCB<br />
Printed Circuit Board: Leiterplatte<br />
Remote-Phosphor-Technologie<br />
Technologie, bei der der Phosphor, der benötigt wird um weißes<br />
Licht zu erzeugen, nicht direkt auf die blaue <strong>LED</strong>, sondern in oder<br />
auf einem (Glas oder Kunststoff) Träger in einigem Abstand zur<br />
<strong>LED</strong> aufgebracht wird. Im Ergebnis arbeitet der Phosphor bei einer<br />
niedrigeren Temperatur, was in einigen Fällen zu mehr Effizienz<br />
führen kann.<br />
Stromleistungsdichte<br />
Das Verhältnis zwischen dem Strom, der durch die <strong>LED</strong> fließt und<br />
seiner Oberfläche.<br />
Substrat<br />
Trägermaterial auf dem die <strong>LED</strong> samt dem inneren Reflektor befestigt<br />
ist.<br />
UGR<br />
Unified Glare Rating – Ein auf Schätzung beruhendes Model des<br />
Blendungsrisikos. Die Standard-Werte reichen von UGR 16 (geringes<br />
Blendungsrisiko) bis UGR 28.<br />
Unterhemisphärisches Licht<br />
Der Anteil des totalen Lichtstroms, der bei einer horizontal<br />
aufgehangenen Lichtquelle nach unten geleitet wird.<br />
Wartungsfaktor<br />
Faktor, der eine Verschmutzung, Alterung und Lichtstromabnahme<br />
von Lichtquellen bei Beleuchtungsberechnungen berücksichtigt.<br />
4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com<br />
37 | <strong>ETAP</strong>
UPDATE<br />
Anlage 1: Wartungsfaktoren von <strong>LED</strong>-Produkten<br />
Anwendungsbezogener Wartungsfaktor % (Maintenance Factor, MF)<br />
LEUCHTENTYP ANWENDUNG 25.000h 35.000h 50.000h<br />
D42 BÜRO 88 87 86<br />
E10 / E11 / E12 INDUSTRIE 84 83 83<br />
E7 INDUSTRIE 84 83 83<br />
FLARE BÜRO 87 86 84<br />
R7 BÜRO 88 87 87<br />
U7 BÜRO 88 87 87<br />
V2M11 BÜRO 88 87 87<br />
V2M17 BÜRO 83 80 77<br />
R8 BÜRO 80 72 TBD<br />
UM2 BÜRO 84 80 TBD<br />
V2M1F / J BÜRO 83 78 TBD<br />
D1 / D2 / D3 BÜRO 63*<br />
<strong>LED</strong>A BÜRO 63*<br />
Begriffserklärungen<br />
• Alle Leistungsdaten bezogen auf eine Umgebungstemperatur<br />
von 25°C<br />
• Anwendungsbezogener Leistungsfaktor: Ändert sich in<br />
Abhängigkeit zum Verschmutzungsgrad und zur Reinigungshäufigkeit<br />
• MF = LLMF * RSMF * LSF * LMF<br />
(CIE97: Veröffentlichung für die Innenbeleuchtung)<br />
LLMF: Lampenlichtstrom-Wartungsfaktor<br />
LSF: Faktor für Lampenlebensdauer<br />
RSMF: Raum-Wartungsfaktor<br />
LMF: Leuchten-Wartungsfaktor<br />
• LLMF auf Basis LM80**/TM21***<br />
LLMF (%)<br />
LEUCHTENTYP 25.000h 35.000h 50.000h<br />
D42 98 98 96<br />
E10 / E11 / E12 99 98 97<br />
E7 99 98 97<br />
FLARE 97 96 94<br />
R7 99 98 97<br />
U7 99 98 97<br />
V2M11 99 98 97<br />
V2M17 93 90 86<br />
R8 90 81 TBD<br />
UM2 95 89 TBD<br />
V2M1F / J 93 87 TBD<br />
D1 / D2 / D3 70*<br />
<strong>LED</strong>A 70*<br />
* Quelle: Philips<br />
** IES LM-80-08: Zertifiziertes Testverfahren zur Bestimmung der Lumen Wartungsfaktoren<br />
von <strong>LED</strong> Lichtquellen<br />
** IES TM-21-11: Verfahren zu langfristigen Hochrechnung von Lumen Wartungsfaktoren<br />
von <strong>LED</strong> Lichtquellen<br />
38 | <strong>ETAP</strong> 4. Ausgabe, Oktober 2013. Neueste Version auf www.etaplighting.com
Notizen<br />
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39 | <strong>ETAP</strong>
<strong>ETAP</strong> Beleuchtung, NL der <strong>ETAP</strong> NV • Maybachstraße 31 • 51381 Leverkusen • Deutschland<br />
Tel. +49 (0)2171/7075-5 • Fax +49 (0)2171/7075-75 • e-mail: info.de@etaplighting.com<br />
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