Wissenswertes über Leuchtdioden Weiße Leuchte

Die Jahre 2011 und 2012 werden, so sehen es diverse Marktforscher, entscheidend für die Akzeptanz von Leuchtdioden im Beleuchtungsbereich. Während die Halbleiterlämpchen die Display-Hinterleuchtungen aufgrund ihrer überlegenen Eigenschaften in kurzer Zeit fast komplett übernommen haben, spielen bei der Allgemeinbeleuchtung Fragen sowohl technischer als auch nichttechnischer Natur eine große Rolle.

Es soll ja Menschen geben, für die der Abschied von der Glühlampe einer mittleren Katastrophe gleichkommt - man erinnere sich an Hamsterkäufe von mattierten 100-W-Glühbirnen, nachdem die ersten Stufen der »Ökodesign«-Richtlinie 2005/32/EG in Kraft traten. Ein solches Verhalten hat nicht nur querulatorische Aspekte, sondern ist auch den bekannten Alternativen geschuldet.

Für die meisten Endverbraucher ist der Glühbirnenersatz praktisch ausschließlich die gemeinhin »Energiesparlampe« genannte Kompaktleuchtstoffröhre. Bei deren Einführung als »Alternative« zur Glühlampe wurden von Herstellern und Politik so viele Fehler gemacht, dass der glühbirnentreue »Wutbürger« in ein besseres Licht rückt. Zu Beginn flackerten die Kompaktleuchtstoffröhren derart, dass in ihrem Licht selbst Lesen anstrengend war, außerdem dauerte es viele Jahre, bis endlich warme Weißtöne verfügbar wurden.

Hinzu kommt, dass viel zu spät Richtlinien erlassen wurden, was der Packungsaufdruck »entspricht XY-Watt-Glühlampe« bedeuten soll, denn davon hatte über Jahre jeder Hersteller seine eigene Vorstellung. Darüber hinaus ist es dem Endverbraucher kaum zuzumuten, jede ausgebrannte Lampe in den Wertstoffhof zur Entsorgung zu bringen - nur so ist eine positive Ökobilanz gewährleistet.

Wer lernt denn schon aus Fehlern?

Doch die Probleme fangen schon beim Einkauf an. Ist man es von der Glühbirne her gewohnt, dass es keine große Rolle spielt, ob man das No-Name-Produkt aus dem Drogeriemarkt oder die teure Markenleuchte kauft, so ist das bei der »Energiesparlampe« ganz anders. Selbstverständlich hat ein höherer Preis seine Rechtfertigung: Der Kunde erhält eher ein über eine lange Zeit im gleichen, möglichst angenehmen Farbton, strahlendes Produkt, das sich dimmen lässt und rasch einschaltet.

Dass der Qualitätsunterschied zwischen Billigware und Markenlampe derart groß ist, trägt jedoch kaum zur Beruhigung des Nutzers bei. An sich sind Leuchtdioden sowohl von der Ökobilanz wie auch von der Lichtausbeute her betrachtet der Kompaktleuchtstoffröhre deutlich überlegen (lediglich die Fahrt zum Wertstoffhof bleibt niemandem erspart), das gilt prinzipiell auch für die Lichtqualität.

Nicht nur in Bezug auf letzteren Punkt scheinen sich die von der »Energiesparlampe« bekannten Fehler zu wiederholen. In der EU fehlen noch Richtlinien in Bezug auf Lebensdauer, Helligkeit und Farbtemperatur, die dem Verbraucher einen echten Vergleich ermöglichen, wenn er seine ausgebrannte Glühbirne gegen eine LED-Retrofit-Leuchte austauschen möchte.

Die meisten großen Hersteller von Leuchtdioden richten sich nach dem vom US-amerikanischen »Department of Ener-gy« herausgegebenen »Lumen Maintenance«-Standard (LM). Für LED-Lampen ist das Erreichen der Klasse LM-80 Voraussetzung für das »Energy Star«-Label. Ziel der LM-80-Tests ist es, mit einem verkürzten Test von 6000 Stunden (was in etwa neun Monaten entspricht) zu demonstrieren, dass die LED in einem konsistenten industriellen Testprozedere ihre Eigenschaften hinsichtlich des Helligkeitsverlaufs und der Lebensdauer unter Beweis stellt.

Dazu fordert LM-80 einen LED-Test bei drei verschiedenen Temperaturen, fest vorgegeben sind +55 °C und +85 °C. Zunächst hilft diese Zertifizierung den Herstellern von Endprodukten, also den Anbietern von Retrofit-Lampen, die sich so darauf verlassen können, dass sämtliche Einzel-LEDs beziehungsweise LED-Arrays denselben Anforderungen genügen und nicht etwa unterschiedlich schnell altern, was zu interessanten Farbverschiebungen führen kann (siehe Kasten »Weißes Halbleiterlicht«).

In der EU werden zurzeit Vorschläge für vergleichbare Kriterien diskutiert, ab Ende 2011 sollen »Recommendations« (Empfehlungen) ausgegeben werden. Einer der wenigen Orientierungspunkte: Ein Äquiva-lent zu einer 60-W-Glühlampe muss mindestens 806 lm abgeben, was heute 12 W Leistung entspricht. Hier sind gewisse Optimierungen möglich, denn für eine Einzel-LED liegt die physikalische Grenze für weißes Licht bei 242 lm/W - heute ist gerade einmal die Marke von 100 lm/W erreicht, vereinzelt sind auch schon höhere Lichtausbeuten realisiert.

Für sinnvollen Einsatz in der Beleuchtungstechnik spielt je-doch der Farbwiedergabeindex (CRI, Colour Rendering Index) eine gewichtige Rolle. Momentan liegt die Herausforderung darin, 120 lm/W bei einem CRI > 80 und einer Farbtemperatur von 3000 K günstig in Stückzahlen zu produzieren, was einem warmweißen Ton entspricht.

Das Haitzsche Gesetz

Bereits im Jahr 2000 präsentierte Dr. Roland Haitz, damals Forscher bei Agilent, auf der Konferenz »Strategies in Light« seine Beobachtung, die inzwischen als »Haitzsches Gesetz« bekannt ist und als LED-Gegenstück zum Mooreschen Gesetz gilt (Bild 1).

Die Kernaussage ist, dass alle zehn Jahre die Kosten pro Lumen um einen Faktor 10 sinken, während die pro LED-Package erzeugte Lichtmenge um den Faktor 20 steigt (für eine bestimmte Wellenlänge). Wie das Mooresche Gesetz beruht auch dieses auf der Prozessoptimierung bei der Halbleiterherstellung. Die Vorhersage erwies sich als erstaunlich korrekt - wie prophezeit wurde im Jahr 2010 die Marke von 100 lm/W für die Lichtausbeute weißer LEDs genommen.

Sofern die Kurve Gültigkeit behält, ist allerdings erst 2020 mit 200 lm/W zu rechnen. Natürlich gibt es einen fundamentalen Unterschied zwischen den Faustregeln von Moore und Haitz, denn der Bedarf an Rechenleistung und damit Transistorendichte dürfte praktisch unbegrenzt sein, was auf Lichtmengen sicher nicht zutrifft.

Innen und außen

Wenn einmal 200 lm/W erreicht sind und Leuchtdioden auch als Flutlichter im Fußballstadion fungieren, dürfte, von Spezialanwendungen abgesehen, ein natürliches Ende der Kurve erreicht sein. Auf jeden Fall illustriert das »Gesetz«, dass LEDs auf dem besten Wege zum Effizienzrekord sind. Diese Überlegungen sind besonders für Retrofit-Systeme wichtig, also dort, wo konventionelle Leuchten durch LED-basierte im selben Formfaktor ersetzt werden sollen.

Was hier oft als Nachteil empfunden wird, ist die Tatsache, dass es sich bei Leuchtdioden annähernd um Punktstrahler handelt. Dem steuert man mit ausgefeilten Optiken gegen, die dafür sorgen, dass eine zumindest halbkugelförmige Abstrahlcharakteristik gewährleistet ist. Jedoch nehmen Lampendesigner die Herausforderung inzwischen an und entwerfen Leuchtkörper, die auf den besonderen Charakteristika der LEDs auf-bauen und diesen scheinbaren Nachteil gegenüber Glüh- und Kompaktleuchtstofflampen in Vorteile ummünzen. Auch Künstler haben die Leuchtdiode als Material entdeckt.

Für absehbare Zeit wird jedoch Retrofit den LED-Beleuchtungsmarkt bestimmen, denn wer will und kann schon sämtliche Lampen gegen moderne austauschen?

Für 2014 prognostiziert Strategies Unlimited einen Retrofit-Anteil von 50%.

Ein begrenzender Faktor für den Einsatz im Innenbereich ist jedoch die notwendige Wärmeabfuhr, wofür viele Leuchten nicht ausgelegt sind (Bild 2).

Zumindest dies spielt in der Außenbeleuchtung kaum eine Rolle, wo ab 2016 gewisse Typen von Hochduck-Entladungslampen verboten sind und bis 2015 80% aller Straßenlaternen auf effizientere Leuchtmittel umgestellt werden sollen.

Dank der positiven Entwicklungen bei Leuchtdichte und Lichteffizienz dürften LEDs mit ihren langen Lebensdauern auch hier eine Rolle spielen (Bild 3).

Während Glühlampen etwa 5% der eingespeisten Energie in sichtbares Licht umwandeln, etwa 83% im infraroten Bereich abstrahlen und 12% als reine Wärme abführen, liefern Power-LEDs zwischen 15% und 40% Licht, der Rest wird fast ausschließlich per Wärmeleitung abgegeben.

Generell gilt die Faustregel, dass eine Temperaturerhöhung des Dies um 10 K die Lebensdauer halbiert, wobei das »Wärmeproblem« stark vom verwendeten Substrat abhängt.

LED-Module mit über 100 LED-Dies erzeugen also auf kleinstem Raum extrem viel Wärme, was effiziente Wärmeabfuhr unabdingbar macht - speziell in Retrofit-Designs ist das gar nicht so einfach, wenn die elegante Lampe mit den Kerzenbirnen nicht durch große Kühlkörper verunstaltet werden soll.

Generell sind LED-Module so energieeffizient, dass die Ansteuerungselektronik, die AC/DC-Stromversorgung beziehungsweise die Kombination aus Gleichrichter und Vorschaltkondensator größere Verluste mit sich bringen als das Leuchtmittel.

Besonders für die Innenraum-beleuchtung dürften in Zukunft auch OLED-Module interessant werden.

Noch befinden sich die Flächenstrahler hauptsächlich in Entwicklungslaboren, doch einzelne Designstudien (Bild 4) zeigen bereits, was sich hier für Möglichkeiten eröffnen.

Weißes Halbleiterlicht
Im Wesentlichen existieren zwei Verfahren, um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen. Beide nutzen die additive Farbmischung. Am weitesten verbreitet ist die Luminiszenzmethode - praktisch alle LEDs für Beleuchtungszwecke verwenden diese Technik. Dabei wird eine blaue oder UV-LED mit photolumineszierendem Material kombiniert. Ähnlich wie auch in Leuchtstroffröhren kann so kurzwelliges, höher energetisches Licht in langwelliges, niedriger energetisches Licht umgewandelt werden. Die Wahl der Leuchtstoffe kann variieren. Seltener wird eine UV-LED mit mehreren verschiedenen Leuchtstoffen (rot, grün und blau), häufiger eine blaue LED mit nur einem einzigen Leuchtstoff (gelb, meistens Cer-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) kombiniert. So gefertigte Bauteile verfügen über gute Farbwiedergabeeigenschaften (Farbwiedergabeindex CRI: Ra um 90). Die Verwendung mehrerer Farbstoffe verteuert den Herstellungsprozess und reduziert die Lichtausbeute. Ausschlaggebend für Farbkonstanz und Lebensdauer ist die Qualität des verwendeten Leuchtstoffs. Selten findet die Kombination mehrerer Chips Verwendung. Hier werden Leuchtdioden verschiedener Farben, oft Blau und Gelb (in zwei LEDs) oder Rot, Grün und Blau (RGB), so kombiniert, dass sich ihr Licht gut mischt und damit als weiß erscheint. Zur besseren Lichtmischung sind meist zusätzliche optische Komponenten erforderlich.