03. April 2011

LED ist die Zukunft

LED-Lampen werden in den nächsten Jahren die meisten anderen Beleuchtungsarten im privaten und gewerblichen Bereich ersetzen. Sie verringern nicht nur Energiekosten, sie senken auch den Wartungsbedarf und bieten vielfältige kreative und völlig neue Designmöglichkeiten. Dieser Artikel beschreibt, wo die Industrie heute steht und wie sie sich weiter entwickeln wird (von Jeanine Chrobak-Kando, Business Development Manager, LED EUMEA, Verbatim)

Sortiment Verbatim LED-Lampen (Stand Januar 2011) von Mitsubishi Chemical Corporation [Bild: Verbatim Europe Ltd.]

Ökologische und wirtschaftliche Vorteile von LED-Lampen gegenüber Glühlampen [Bild: Verbatim Europe Ltd.]

LED Lampen-Aufbau: Anschlüsse,Kühlkörper, Gehäuse, Linse, Steuerelektronik, LED-Modul [Bild: Verbatim Europe Ltd.]

Was ist eine LED?
Eine „lichtemittierende Diode“, LED, ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement aus einer bestimmten materiellen Zusammensetzung, das Licht abgibt wenn Strom hindurch fließt. Die erste LED, deren rotes Licht für das menschliche Auge sichtbar war, wurde im Jahr 1962 entwickelt. Später wurden grüne, blaue, violette und orangefarbene LED-Chips entwickelt. Die größte technologische Herausforderung bestand darin, die Menge des produzierten Lichts im Verhältnis zur eingesetzten Energie zu maximieren. Und für die Hersteller von LED-Lampen besteht die Herausforderung darin, für die reguläre Beleuchtung in Gebäuden das Lichtspektrum der Sonne bestmöglich nachzuahmen, weil sich das menschliche Sehvermögen an dieses so genannte „weiße“ Licht optimal angepasst hat.



Es gibt zwei Möglichkeiten, um mittels LED-Lampen weißes Licht zu produzieren. Eine Lampe kann aus roten, grünen und blauen LEDs bestehen, die so kombiniert werden, dass der Eindruck von weißem Licht für den Betrachter entsteht. Eine gängigere Methode besteht darin, blaue LED-Chips zu verwenden und sie mit einem Leuchtstoff zu beschichten, um das Lichtspektrum zu verändern. Werden mehrere Schichten unterschiedlichen Leuchtstoffes verwendet, bzw. verschiedene Mischungen, kann das Lichtspektrum dem des Sonnenlichts noch präziser angepasst werden. Jede zusätzliche Leuchtstoffschicht verringert jedoch die Lichtausbeute, also liegt ein Hauptaspekt der laufenden Entwicklung darin, die bestmögliche Balance zwischen Intensität und Qualität des produzierten Lichts zu finden. Violette LED-Lichtquellen wie sie von der Mitsubishi Chemical Corporation unter der Marke Verbatim entwickelt und patentiert worden sind, sorgen für eine erhebliche Verbesserung beider Eigenschaften.

Was unterscheidet LED-Lampen von anderen Lampen?
Eine typische 100-Watt Glühbirne, hat einen Lichtstrom von 17 Lumen pro Watt elektrischer Leistung. Dies beschreibt ihre Effizienz. Halogenlampen sind mit bis zu 30 Lumen pro Watt leistungsfähiger und effizienter. Sie zeichnen sich durch ein sehr breites Lichtspektrum aus, dessen Wellenlänge von rot bis hin zum blauen Ende des Spektrums reicht. Dieses Licht ist für eine relativ niedrige „Farbtemperatur“ bekannt. Lampen mit diesen Spektraleigenschaften werden häufig mit dem Begriff „Warmweiß“ versehen, weil wir Rot als eher warme Farbe empfinden, Blau hingegen als kalte Farbe. Leuchtstofflampen sind in Büros und Industrieanlagen am häufigsten im Einsatz.

Ihre kleinen Geschwister, die Kompaktleuchtstofflampen (CFLs) oder auch Energiesparlampen genannt, wurden als energiesparende Alternativen zu Glühlampen angepriesen, allerdings mit begrenztem Erfolg. Die größte Lichtausbeute liegt normalerweise im Bereich zwischen 60 und 80 Lumen pro Watt. Jedoch sind die meisten Leuchtstofflampen nicht dimmbar, haben ein relativ kalt anmutendes Licht, das Farben nicht natürlich widerspiegelt und benötigen eine Weile, bis sie ihre volle Leuchtkraft erreichen. Darüber hinaus enthalten sie Quecksilber. Zwar gibt es zu höheren Preisen dimmbare und warm anmutende Modelle, jedoch sind auch diese von den beschriebenen Nachteilen betroffen.

Die technischen Herausforderungen in der LED-Lampenentwicklung

Die Herausforderung in der Herstellung liegt darin, LED-Lampen zu einem Preis zu produzieren, den Verbraucher zu zahlen bereit sind. Die Materialentwicklung ist das Herzstück der LED-Leistung. Moderne LED-Lampen für herkömmliche Beleuchtung verwenden fast alle blaue LED-Chips mit gelbem Leuchtstoff, um ein weißes Licht zu schaffen, welches dem Sonnenlicht möglichst ähnlich sein soll, obwohl Teile des Farbspektrums, wie z.B. grün, nicht voll genutzt werden. Natürlich ist die LED-Lampe mehr als nur ein Chip. Jede LED-Lampe besteht aus mehreren LEDs. Jede LED wird mit Gleichstrom betrieben, unsere Stromversorgung hingegen beruht auf Wechselstrom und weist eine viel höhere Spannung auf als für LEDs benötigt wird. In Europa basiert die Spannungsversorgung je nach Region auf 220-240V. Diese muss nun für die meisten LED-Lampen durch eine intelligente elektrische Schaltung an die benötigte Spannung angepasst werden. Es gibt auch LED-Retrofit-Lampen, die 12V-Niedervolt-Halogen-Lampen ersetzen sollen. Hier ist der Aufwand etwas geringer.

Für beide Fälle ist es eine Herausforderung, diese Schaltung auch an die Größe der Lampe anzupassen und über den Kühlkörper dafür zu sorgen, dass die entstehenden Wärme der Elektronik auch abgeführt wird. Die in der Elektronik entstehende Wärme kann bis zu 80 Prozent der aufgenommenen Energie ausmachen. Daher muss für eine ausreichende Wärmeabfuhr über Kühlkörper gesorgt werden, denn zu hohe Temperaturen in der Lampe wirken sich verkürzend auf die Lebensdauer der LED-Lampe aus. Jedoch ist die Größe des Kühlkörpers durch die Lampenform begrenzt. Daher muss die Elektronik auf eine bestmögliche Umwandlung der Energie in Licht bei geringstem Energie- und Wärmeverlust optimiert sein.

Der Grundaufbau einer LED-Lampe besteht des Weiteren aus dem LED-Modul, also den LEDs die auf einer Platine befestigt sind. Zur Lichtverteilung wird entweder ein Glasaufsatz genutzt, welcher dem Produkt die klassische Glühbirnenform gibt oder eine Linse zur gezielten Lichtlenkung. Beide Varianten sorgen durch eine Beschichtung (im Falle der Glühbirnenform) oder durch eine Strukturierung der Linse ebenfalls dafür, dass das Licht sehr gleichmäßig verteilt wird und der Betrachter nicht geblendet wird.

Warum LED-Lampen immer beliebter werden
Viele Verbraucher haben mit Kompaktleuchtstofflampen schlechte Erfahrungen gemacht, wohl auch deswegen hat diese Technologie sehr lange gebraucht um im Markt akzeptiert zu werden. Mittlerweile sind LED-Lampen mit bis zu 50 Lumen pro Watt merklich heller geworden. Sie liefern eine angenehmere Lichtqualität, sind robust und in unterschiedlichen Bauformen verfügbar, so dass sie anstelle herkömmlicher Glühlampen eingesetzt werden können. Außerdem sind die neuesten LEDLampen dimmbar und in Japan sind bereits Lampen mit einer Steuerung zur Wahl des Weißtons verfügbar.

Am wichtigsten ist jedoch, dass die Lampen sich nun wirtschaftlich rechnen, obwohl LED-Lampen von hoher Qualität noch deutlich mehr kosten, als Glühlampen. Doch bei einer Lebenserwartung von 30.000 Stunden oder mehr und 75% bis 80% Energieersparnis zahlt sich die Anfangsinvestition innerhalb eines annehmbaren Zeitraums wieder aus. Das wirtschaftliche Versprechen hält allerdings nur dann, wenn die Lebenserwartung auch erzielt wird. Denn sollte die Lampe nach 15.000 Betriebsstunden ersetzt werden müssen, steigen die Beleuchtungskosten deutlich an.

Wie man Qualität und Zuverlässigkeit bestimmt
Wie beschrieben, sind die bedeutenden Faktoren, die LED-Lampenqualität und -zuverlässigkeit bestimmen, nicht immer äußerlich erkennbar. Die Qualität der Dioden selbst, der Entwurf der Treiber und die Qualität der Komponenten, die in diesen Schaltungen benutzt werden sowie die Wirksamkeit des Kühlkörpers, die Wärme abzuleiten sind letztlich die aussagekräftigen Faktoren über deren Zuverlässigkeit. Vergleicht man die Spezifikationen, besonders in Bezug auf Effizienz und Lebensdauererwartung, hat man einen guten Qualitätsindikator. Wenn eine unbekannte Marke behauptet, überdurchschnittliche Leistungen und Zuverlässigkeit zu erbringen, sollte die Genauigkeit der Daten hinterfragt werden.

LED-Lampenverfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Qualität

Das Angebot an LED-Lampen wird in den nächsten Jahren weiter wachsen. Die meisten großen Hersteller produzieren jedoch Produkte für den Retrofit-Markt, so werden diese Produkte auch den größten Anteil in nächster Zeit stellen. Die Leuchtkraft hat nun einen Punkt erreicht, um die traditionellen 40-W-Lampen zu ersetzen und diese Produkte sind jetzt auch auf dem Markt verfügbar. Alternativen für die Glühbirnen bis 100 W sollten bis 1. September 2012 ebenfalls verfügbar sein, wenn alle Glühlampen schließlich per EU-Gesetzgebung verboten sein werden.

Frühere LED-Lampen waren nicht dimmbar, aber neue Produkte können unter Verwendung der Standarddimmer, die für den Gebrauch mit Glühlampen bestimmt sind, jetzt ebenfalls gedimmt werden. Die gegenwärtige Lebenserwartung einer hochqualitativen LED-Lampe liegt zwischen 15.000 und 45.000 Stunden. Im Allgemeinen haben LED-Lampen in kleineren Formaten, wie Kerzenlampen, eine niedrigere Lebenserwartung, weil sie unter höheren Temperaturen laufen. Wenn eine Lampe sechs Stunden pro Tag betrieben wird, sind 35.000 Stunden mit 16 Jahren gleichzusetzen. Wenige Verbraucher erwarten eine Lebensdauer über diese Zeitskala hinaus – und selbst wenn diese Lampen das 20- bis 30-fache von Glühlampen kosten, sind die LED-Lampen aus rein wirtschaftlicher Sicht einfach unschlagbar.

LED-Lampen werden in den nächsten Jahren die meisten anderen Beleuchtungsarten im privaten und gewerblichen Bereich ersetzen. Sie verringern nicht nur Energiekosten, sie senken auch den Wartungsbedarf und bieten neue Gelegenheiten für Kreativität in Beleuchtungslösungen.




 
 

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