LED-Lampen Vermessung von Lichtquellen

Vergleicht man die Verpackung einer modernen LED-basierten Retrofit-Leuchte oder einer sogenannten »Energiesparlampe« mit der einer »Glühbirne«, so fällt eine verwirrende Zahl an Angaben auf - ganz anders als die früher üblichen »60 Watt«.

Die einzige Angabe, die man auf herkömmlichen Glühlampen findet, ist die aufgenommene elektrische Wirkleistung, also zum Beispiel 60 Watt. Diese Angabe sagt überhaupt nichts über die abgestrahlte Lichtleistung, die Lichtfarbe und die Lichtverteilung aus. Dennoch hat jeder eine relativ gute Vorstellung von dem sich einstellenden Ergebnis.

LED-Leuchten mit herkömmlicher Fassung sollen in den meisten Fällen diese Lichtqualität nachbilden, »Retrofit« eben (Bild 1). Damit wird es jetzt aber notwendig, die relevanten photometrischen und kolorimetrischen Parameter zu messen und zu vergleichen. Das ist aufwendig und teuer - die erfolgreiche Realisierung eines LED-Projektes erfordert sehr komplexe Messinstrumente. Die kann sich nicht jedes interessierte Unternehmen selbst anschaffen, deshalb gibt es bei EBV das »Lichtlabor«, in dem Kunden ihre LED-Systeme professionell durchmessen können.

Interessantes Licht

Das stößt auf einige Resonanz, denn inzwischen hat es sich he-rumgesprochen, dass der LED wohl die Zukunft gehört. Da ist es konsequent, dass viele Leuchtenhersteller gerne den Sprung von konventionellen Glühfaden- und Kompaktleuchtstofflampen (CFL) hin zur LED-Beleuchtung machen wollen. Immerhin bieten sich auf diesem Gebiet ganz neue Möglichkeiten. Doch um das Beste aus LEDs herauszuholen, sind entsprechendes Know-how und natürlich die passenden Elektronikkomponenten gefragt. Beides findet man bei den großen Distributoren wie EBV Elektronik.

Hersteller finden hier nicht nur die notwendigen Komponenten für LED-Systeme, sondern auch ausführliche Beratung. In diesem Rahmen bieten erfahrene Anwendungsexperten, die sich ausschließlich auf den Einsatz von LED-Technik in der Beleuchtung konzentrieren, Unterstützung bei der praktischen Umsetzung neuer Ideen.

Im »EBV LightLab« in Poing bei München führt EBV radiometrische und lichttechnische Messungen über die gesamte Lichtkette hinweg durch: von Messungen an einzelnen Leuchtdioden oder LED-Modulen über Vergleichsmessungen von Lichtquellen (zum Beispiel Glühlampe gegenüber CFL- und LED-Lösungen) bis hin zur Komplettvermessung ganzer Leuchten. Dadurch erhalten auch kleine Unternehmen Zugang zu hochpräziser Messtechnik.

Die Auswertung übernimmt die Laborsoftware »SpecWinPro«. Das Programm bietet für jede Anwendung separate Messfenster, in denen die kompletten applikationsspezifischen Einstellungsdialoge, Darstellungen und Auswertungen enthalten sind. Für jedes Messfenster ist ein vordefinierter Report hinterlegt, dessen Aufbau individuell angepasst werden kann.

Eine Besonderheit ist die Möglichkeit zur Aufnahme und Dokumentation von Messserien. Die interessanten Einstellungs- und Ergebnisparameter lassen sich aus einer Liste auswählen. Jede Messung wird dann in einer fortlaufenden Tabelle abgelegt, die für weitere Analysen auch nach »Excel« exportiert werden kann. Eine Pass/Fail-Funktion erlaubt die Überwachung einzelner Messbedingungen oder -ergebnisse.

Über ein Add-On lassen sich Laborstromversorgungen einbinden, wobei neben den optischen auch die elektrischen Messgrößen für die weiterführende Analyse und Dokumentation zur Verfügung stehen. Einige Ergebnisse sind frappierend: so ist die Skepsis, die viele Menschen der »Energiesparlampe« entgegenbringen, belegbar berechtigt - Bild 2 stellt die Spektralverteilung von Glühlampe, »Energiesparlampe« und LED-Retrofit gegenüber.

Wo eine Glühlampe ein durchgängiges Spektrum aufweist, liefert die Kompaktleuchtstofflampe einzelne Peaks in verschiedenen Wellenlängenbereichen. Lediglich die Anzahl und die Lage dieser Peaks unterscheiden sich von Modell zu Modell, aber ein kontinuierliches Spektrum ist mit dieser Art Lampe nicht möglich. Das trifft zwar in Maßen auch auf Leuchtdioden zu, hier erlaubt allerdings die Zusammensetzung des Phosphors ein »Zusammenwachsen« der Peaks, sodass zumindest ein weniger löchriges Spektrum entsteht - dies bestätigt den subjektiv positiveren Eindruck, den Licht aus Leuchtdioden macht (Bild 3).

Interessante Messtechnik

Bei der Auswahl des Equipments für das LightLab hat sich der Distributor bewusst für eine ganze Palette hochprofessioneller Geräte entschieden. Die Liste der Messeinrichtungen reicht von zwei Ulbrichtkugeln für 2π- und 4π-Messungen über ein Spektralradiometer für Referenzmessungen und ein Goniophotometer bis zu einem Leuchtdichte-Messgerät und einem Luxmeter.

Ergänzt wird diese Palette durch eine spezielle Mess-/Auswerte- und Steuerungssoftware, Source- und Multimeter, eine Wärmebildkamera sowie ergänzende Werkzeuge. Um das von einer Lampe emittierte Licht zu untersuchen, setzt der Experte sie in den passenden Sockel im Zentrum der großen Ulbricht-Kugel (großes Bild). Diese dient der Bestimmung der Strahlungsleistung beziehungsweise des Lichtstroms von Lichtquellen.

Als Hohlkugel ausgeführt, deren innere Fläche mit einem diffus reflektierenden Material beschichtet ist, sorgt die Ulbricht-Kugel für eine vollständige Integration und Mischung der Strahlung, die zur Messung an einem Detektorport ausgekoppelt wird. Bei der genannten Konfiguration handelt es sich um eine sogenannte 4π-Messanordnung. Das bedeutet, dass die in alle Richtungen (gesamter Raumwinkel) emittierte Strahlung erfasst wird.

Das Messsystem ist so ausgelegt, dass nur Licht auf die Auskoppeloptik (oder den Sensor) trifft, das mehrfach an der inneren Oberfläche der Kugel reflektiert wurde und nahezu ideal diffus ist. Die hier verwendete ISP 1000 mit 1 m Innendurchmesser erfüllt die Anforderungen der CIE (Internationale Beleuchtungskommission, Commission internationale de líéclairage) für Lichtstrommessungen an Lampen und Leuchten. Das ermöglicht die Vergleichbarkeit der Ergebnisse und stellt ihre Zuverlässigkeit sicher.

Wenn die Lampe nun mit Strom versorgt wurde und einige Zeit zur Stabilisierung erhalten hat, beginnt die erste Messung. Dies geschieht nicht direkt an der Kugel, sondern in einem eher unscheinbaren grauen Instrument, dem Spektrometer. Optische Spektrometer bestimmen die spektrale Zusammensetzung von Lichtstrahlung. Zusammen mit Einkoppeloptiken und einer Absolut-Kalibrierung wird ein solches Messgerät zu einem Spektralradiometer.

Da alle radiometrischen, photometrischen und farbmetrischen Größen per Software aus den Spektraldaten errechnet werden, kommt der Qualität und Genauigkeit des Spektrometers eine besondere Bedeutung zu. Herzstück eines solchen optischen Spektrometers ist ein Beugungsgitter, das die zu messende Lichtstrahlung in deren spektrale Anteile räumlich aufspaltet und auf einen Detektor projiziert.

Instrument Systems stellt solche Instrumente in zwei unterschiedlichen Bauweisen her. So gibt es Array-Spektrometer mit feststehendem Beugungsgitter und einer Detektorzeile und scannende Spektrometer mit Einzel-Detektor und einem sich drehenden Beugungsgitter. Im LightLab verwendet EBV das Modell CAS 140CT, ein Gerät vom Array-Typ. Im Inneren arbeitet ein Crossed-Czerny-Turner-Spektrograph mit hinterleuchtetem CCD-Detektor. Dies sorgt für eine besonders effiziente Streulichtunterdrückung, was sich in einer deutlich verbesserten Signaldynamik und Messgenauigkeit niederschlägt.

Besonderheit dieses speziellen Modells ist das im Gerät integrierte Dichtefilterrad, mit dem sich der Intensitätsmessbereich um vier Größenordnungen erweitern lässt. Damit lassen sich sowohl schwache Lichtquellen als auch hohe Strahlungsintensitäten vollautomatisch messen. Im Lichtlabor findet die Variante CAS 140CT-156 Verwendung, die den Spektralbereich von 300 nm bis 1100 nm mit einer Auflösung von 3,7 nm und einem Datenpunktintervall von 0,8 nm abdeckt.

Während es sich bei Leuchtdioden prinzipiell um Punktstrahler handelt, die mittels einfacher Optiken das Licht verteilen, sind »Energiesparlampen« eben Röhren, also Linienstrahler. Die Anbieter biegen sie in Wendel- oder Bogenform, um der Kugelcharakteristik der Glühlampe nahezukommen. Beleuchtet eine Leuchtdiode prinzipiell maximal einen Halbraum, sind einige Entwickler von Retrofit-Lösungen kreativ: Mittels einer speziellen Glaskonstruktion erzeugen sie ebenfalls eine annähernd kugelförmige Abstrahlung.

Doch wie realistisch ist der Kugel-eindruck? Um diese Frage zu klären, eignet sich das Goniophotometer, das ebenso wie die Ulbricht-Kugel mit dem Spektralradiometer verbunden ist (Bild 4). Das verwendete Goniophotometer »LEDGON« von Instrument Systems ist als Typ C mit einer horizontalen Ausrichtung der optischen Achse (Leuchtenwender) konzipiert.

In Kombination mit dem Spektralradiometer lassen sich neben den photometrischen Daten alle spektralen Parameter wie beispielsweise Farbkoordinaten, Farbtemperatur und Farbwiedergabeindex winkelabhängig bestimmen. Das Gerät besteht aus einer optischen Bank, wobei an einem Ende zwei Drehtische für die Winkel φ (360° um die Längsachse des Prüflings) und θ (±100° senkrecht dazu) fest montiert sind.

Der Drehtisch für den Winkel φ weist eine Hohlwelle auf, in die eine LED-Testfassung geschoben wird. Am anderen Ende der optischen Bank ist die Einkoppeloptik angeordnet, wobei ein Abstand von 5 cm bis 70 cm zur LED eingestellt werden kann. Der gesamte Aufbau befindet sich in einem lichtdichten Gehäuse mit aufklappbarem Deckel.

Das Goniophotometer bestimmt die winkelabhängige Abstrahlcharakteristik von LEDs und kleinen LED-Modulen. Messbar ist der gesamte Halbraum in Abstrahlrichtung der LED. Aufgrund der hohen Winkelauflösung von 0,1° ergeben sich auch für engwinklige LEDs exakte Messwerte. Interessant ist beispielsweise die Veränderung der Farbtemperatur von weißen LEDs in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel. Diese Winkelabhängigkeit ist besonders von der Art und dem Auftrag des verwendeten Phosphors vorgegeben. Da können kleine Variationen in der Schichtdicke schon für sichtbare Verschiebungen sorgen.

Subjektive Eindrücke

Mit dieser Ausrüstung und der entsprechenden Erfahrung sind die Lichtspezialisten in der Lage, ihren Kunden bereits in der Entwicklungsphase fundierte Unterstützung zu geben. Das betrifft speziell die Auswahl der richtigen LEDs beziehungsweise LED-Kombinationen in den verschiedenen Anwendungen. Der subjektive Eindruck entscheidet nämlich beim Thema Licht. So kommt es beispielsweise bei der Beleuchtung eines Parkhauses hauptsächlich auf Lichtleistung und Lichteffizienz an, wie dagegen die Farbe des Autolacks vom Auge wahrgenommen wird, spielt eine eher untergeordnete Rolle.

Ganz anders in einem Autohaus: Hier muss der Farbton des Lackes möglichst natürlich erscheinen und darf durch das Kunstlicht nicht verfälscht werden. Daher sind Licht- und Leuchten-Designer sehr an der spektralen Aufteilung des Lichts interessiert. In diesem Zusammenhang stehen besonders die Lage von Intensitätsspitzen sowie die spektrale Verteilung, aber auch der Farbwiedergabeindex CRI und die Farbtemperatur im Fokus der Untersuchungen. So besagt der CRI-Wert, wie ein Objekt bei der Bestrahlung mit einem bestimmten Licht wirkt.

Leuchtdioden weisen gewisse farbtechnische Kompromisse auf, die sich allerdings mittlerweile sehr gut kompensieren lassen. So können LED-Leuchten bei geschicktem Design heutzutage durchaus Licht mit einem Farbwiedergabe-Index von erheblich über 90 erzeugen. Eine Schwierigkeit bei Leuchtdioden ist die Wärmeabfuhr, da aufgrund des physikalischen Prinzips praktisch sämtliche erzeugte Wärme abgeleitet wird und nicht abgestrahlt. Das sorgt für zusätzliche Herausforderungen beim Leiterplattenentwurf. Auch dabei hilft das LightLab.

So gestattet es eine Wärmebildkamera des Typs »TI25« von Fluke, Hot-Spots auf Leiterplatten rechtzeitig zu erkennen, um auf Basis dieser Daten das thermische Management, also die sinnvolle Ableitung von Verlustwärme, zu optimieren. Diese Dienstleistungen können Kunden von EBV zurzeit einmal im Quartal kostenlos nutzen. Lediglich arbeitsintensive Serien-messungen werden angemessen in Rechnung gestellt.