Wunschbeleuchtungen erfüllen Designerträume Intelligente Lichtsysteme mit LEDs #####

Ist eine so simple Anwendung wie Beleuchtung überhaupt einen Bericht in einer Industriezeitschrift wert? Wie sich bei näherem Hinsehen zeigt, sehr wohl! LEDs bieten ein sehr breites Spektrum an Gestaltungsmöglichkeiten. Wenn man ihre Vorteile voll nutzen will, müssen aber Ansteuerung und Montage sorgfältig durchdacht sein. Wer die nötige Sachkenntnis dafür selbst nicht hat, der kann sich von kompetenten Fachleuten beraten lassen.

Wunschbeleuchtungen erfüllen Designerträume

Ist eine so simple Anwendung wie Beleuchtung überhaupt einen Bericht in einer Industriezeitschrift wert? Wie sich bei näherem Hinsehen zeigt, sehr wohl! LEDs bieten ein sehr breites Spektrum an Gestaltungsmöglichkeiten. Wenn man ihre Vorteile voll nutzen will, müssen aber Ansteuerung und Montage sorgfältig durchdacht sein. Wer die nötige Sachkenntnis dafür selbst nicht hat, der kann sich von kompetenten Fachleuten beraten lassen.

Die rasante Weiterentwicklung der elektronischen Bauelemente bringt es oft mit sich, dass sich die Anwendungsbereiche stark verschieben. Sie können damit auf einmal für ganz neue Märkte interessant werden, für die sie früher aus technischen oder Kostengründen nicht in Betracht kamen. So bei den LEDs: Während sie in ihrer Anfangszeit mehr oder weniger nur als Kontrolllämpchen oder Kleindisplays dienten, ziehen sie dank der enormen Wirkungsgradsteigerung jetzt immer mehr in den Beleuchtungsbereich ein. Mit Erfolg finden sie bereits in Taschenlampen, Fahrradscheinwerfern, Auto-Bremslichtern und Verkehrsampeln Verwendung, und sie erobern ständig neue Felder.

Ihre Vorteile sind überzeugend: Wo sie Glühlampen ersetzen, vermindert sich die Wärmeerzeugung drastisch. Farbige Typen erreichen heute eine Effizienz bis etwa 65 lm/W, bald sogar 80 lm/W, während Meister Edisons Altprodukt gerade auf 7 bis 10 lm/W oder in Niedervolt-Halogenlampen auf 15 bis 20 lm/W kommt. Weiße LEDs liegen im Bereich 32 bis 40 lm/W, damit stehen sie den Leuchtstofflampen schon nicht mehr viel nach, die zwischen 50 und 80 lm/W liegen. Den höchsten Wirkungsgrad aller gängigen Lichtquellen haben die Natriumdampf-Lampen (Hochdruck 100 bis 120 lm/W, Niederdruck 170 lm/W), aber mit ihrer ungünstigen Lichtfarbe scheiden sie für viele Anwendungen aus.

Beim Vergleich genügt es nun allerdings nicht, sich auf Zahlen zu beschränken. Es ist auch zu berücksichtigen, dass die konventionellen Lichtquellen in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlen und ein großer Teil des Lichtes nicht auf das zu beleuchtende Objekt fällt. Mit Reflektoren versucht man es zu bündeln, aber dabei geht immer noch einiges verloren, und es steigen die Kosten. LEDs emittieren ihr Licht nur in eine Richtung, so verbleibt im Endeffekt eine mindestens ebenso hohe, wenn nicht bessere optische Effizienz. Wesentliche Vorteile gegenüber den Leuchtstofflampen sind die sehr viel kleineren Bauformen und der Betrieb mit Niederspannung.

Ein anderer Pluspunkt der LEDs ist ihre lange Lebensdauer. Glühlampen halten in Standardausführungen bis zum Durchbrennen des Fadens typischerweise 1000 Stunden, Niedervolt-Halogenlampen rund 3000 Stunden. Gasentladungslampen und LEDs geben ihren Geist meist nicht plötzlich auf, sondern degradieren im Laufe der Zeit. Hier ist die Lebensdauer als die Zeit definiert, bis zu der die Helligkeit bis auf einen bestimmten Prozentsatz des Anfangswertes abgefallen ist. Bei diesem Punkt heißt es aufzupassen: Manche Hersteller setzen hier 50 % an, andere 70 %. Bei 50 % wird die Lebensdauer natürlich weitaus länger. Leuchtstofflampen erreichen damit im Durchschnitt 10 000, Natriumdampf-Lampen 30 000, LEDs 10 000 bis 100 000 Stunden.

Farbtöne nach Wunsch steuern

Ein drittes Argument für LEDs: Die Lichtfarbe ist innerhalb von weiten Grenzen wählbar. Sie stehen in an-nähernd allen Spektralfarben zur Verfügung. Die verwendeten Chips basieren auf Verbindungshalbleitern aus zwei verschiedenen Familien: InGaAlP deckt den Bereich von 570 nm (grün) bis 632 nm (rot) ab, die Durchlassspannung ist 1,8 bis 2,3 V je nach Farbe. InGaN reicht von 460 nm (blau) bis 528 nm (grün) bei 3,2 bis 3,8 V und ermöglicht mit aufgebrachten Leuchtstoffen auch weiße LEDs. „Weiß“ ist dabei nicht gleich „Weiß“, vielmehr stehen hier verschiedene Töne mit differierenden Blauanteilen zur Wahl, ähnlich wie bei den Leuchtstofflampen: „Kalt-Weiß“ (Farbtemperatur 5600 K), „Neutralweiß“ (4200 K) oder „Warmton“ (3250 K).

Es gibt verschiedene Wege, mit LEDs weißes Licht zu erzeugen (Bild 1): Man kann einen blauen Chip mit einem Phosphor (gelb) oder einen UV-Chip mit drei Phosphoren (rot, grün, blau) beschichten, oder man kann einen blauen und einen gelben oder einen roten, einen grünen und einen blauen Chip in ein Gehäuse setzen. Bei den letzteren („RGB-LEDs“) sind alle drei Chips getrennt ansteuerbar; damit lässt sich die erzeugte Lichtfarbe annähernd beliebig einstellen, um besondere Effekte zu erzielen, z.B. in Werbung und Architektur. Die Richtcharakteristiken der LEDs sind unterschiedlich und lassen sich den Anforderungen anpassen. Viele Typen haben aufgesetzte Linsen zur Strahlbündelung.

Wo LEDs früher wegen zu hoher Kosten und auch wegen zu niedrigem Wirkungsgrad nicht in Frage kamen, sind sie heute eine höchst interessante Alternative. Nützlich sind sie vor allem dort, wo lange Lebensdauer und hoher Wirkungsgrad gefordert sind: beleuchtete Notausgangs-Schilder, Rolltreppen (Bild 4), Informationstafeln, veränderbare Verkehrszeichen, Straßenbeleuchtung. Bei Verkehrsampeln fällt damit viel weniger Wartung an, es gibt fast keine Ausfälle mehr und auch keine „Phantomlichter“ – Reflexion von Sonnenlicht am Reflektor hinter der Filterscheibe, weil LEDs weder einen Reflektor noch Filter benötigen. In vielen Autos arbeiten die Heckleuchten schon mit LEDs, und auch erste damit ausgestattete Frontscheinwerfer waren auf der Internationalen Automobil-Ausstellung in Frankfurt schon zu sehen. Mittlerweile enthalten neue Mittelklassewagen bereits bis zu 400 LEDs.

Ökonomisch sind sie an schwer zugänglichen Stellen, wo Wartung schwierig oder teuer ist: etwa in Kirchturmuhren oder als Positionslichter auf den Turbinen von Windkraftanlagen. Umweltfreundlich sind sie in der Hinterleuchtung von LC-Displays, weil sie im Gegensatz zu den bisher verwendeten Leuchtstoffröhren kein giftiges Quecksilber enthalten; auch kommen sie mit Niederspannung aus. Vor allem bei farbigen Beleuchtungen bieten LEDs reichhaltige Möglichkeiten, etwa Leuchtreklamen und Effektbeleuchtungen mit wechselnden Farben (Bild 5).

Designern eröffnen sich damit völlig neue Welten. So lässt sich beispielsweise jedem Stockwerk eines Hauses, Hotels, Büros, Parkhauses oder öffentlichen Gebäudes eine individuelle Farbe zuweisen. Um Besuchern die Orientierung zu erleichtern, kann der Fahrstuhl bereits vor dem nächsten Stopp die Farbe seiner Innenbeleuchtung an die jeweilige Stockwerksfarbe anpassen. LEDs sind für solche Anwendungen geradezu prädestiniert; die individuell gewünschte Farbe lässt sich durch die Programmierung der Ansteuer-Elektronik festlegen.

Auch in Wohnräumen haben LEDs gute Einsatzchancen (Bild 6). Menschen reagieren bekanntlich stark auf unterschiedliche Beleuchtungen – auf Intensität wie Farbton. Beide lassen sich mit LEDs gezielt gestalten und leicht manuell oder rechnergesteuert variieren. Architekten, Designer, Werbeleute können damit Stimmungen erzeugen und gezielt verändern – auch mit automatischem Ablauf, etwa angepasst an das Sonnenlicht: morgens rötlicher, mittags bläulicher und abends wieder rötlicher. Glühlampen mit vorgesetzten Filtern würden in solchen Anwendungen sehr viel Abwärme erzeugen, was unter beengten Platzverhältnissen oft Probleme bereitet. LEDs erzeugen ihre Lichtfarben direkt, hier wird keine Energie vergeudet.