08. September 2011

Ungebrochene Faszination

Jeder, der sich heute mit Licht beschäftigt, wird mit dem Thema LED konfrontiert. Die Faszination, die von dem inzwischen gar nicht mehr neuen Leuchtmittel ausgeht, ist ungebrochen. Die Vorbehalte, dass es sich bei LEDs um funzelige, blaustichige Spielereien handelt, sind endgültig ad acta zu legen. Die LED avanciert langsam aber sicher zum seriösen Leuchtmittel. Wie ist der aktuelle Stand bei Leuchten mit LED in der Allgemein- und Architekturbeleuchtung?

LED-Straßenleuchte DL 10 [Bild: Siteco GmbH]

Hella EcoStreetline [Bild: pressebox.de]

Spot LED I, Wandmontage mit Flexschlauch [Bild: Philips GmbH]

Modul Q 36 TT Aufbau [Bild: Nimbus Group AG]

LED-Schreibtischleuchte Line Z [Bild: Nimbus Group AG]

DaySign projector [Bild: Philips GmbH]

LED-Außenstrahler S1068 [Bild: Simes S.p.A.]

Aufbaustraler StyliD micro [Bild: Philips GmbH]

MiniModena LED Straßenleuchtenmodul [Bild: Philips GmbH]

LED-Modul Streetlight Advanced [Bild: Osram AG]

LED-Modul Streetlight Protect [Bild: Osram AG]

LED Tube [Bild: DIAL GmbH]

LED-Reflektor Lampe AR111 [Bild: Megaman - IDV GmbH]

Parathom Deco R50 [Bild: Osram AG]

QR-CBC-51 mit LED [Bild: ledmeile]

Master LEDbulb [Bild: Philips GmbH]

Kollimator für LED. Das Bild zeigt eine Licht sammelnde Linsenoptik, welche das Licht einer diffus abstrahlenden LED eng bündelt, bzw. parallelisiert. Die Linse wird später aus glasklarem PMMA gefertigt [Bild: DIAL GmbH]

LED-Reflektor. Strahlverfolgung in einem LED-Reflektorsystem. Zur besseren Übersicht wurde hier mit nur 20 Strahlen simuliert, in der finalen Simulation werden 30 Mio. Strahlen bewertet [Bild: DIAL GmbH]

Falschfarbendarstellung der Lichtwirkung auf einer Messfläche. Simulation der Lichtwirkung eines LED-Scheinwerfers. Am oberen Bildrand sieht man deutlich die geforderte Hell-Dunkel-Grenze [Bild: DIAL GmbH]

Falschfarbensimulation einer Displaybeleuchtung: Wir sehen eine Plexiglasscheibe, in deren Längsseiten Licht von LEDs eingespeist wird. Es befinden sich 9 LEDs mit Lambert-Verteilung auf jeder Seite. Die roten Flecken zeigen, dass hohe Lichtverluste im Einkoppelbereich bestehen, die es zu optimieren gilt [Bild: DIAL GmbH]

Dem Zögern folgt Euphorie
Die Entwicklung des LED-Marktes in der Allgemeinbeleuchtung schritt anfänglich, also Ende der 1990er Jahre, als die ersten weiß strahlenden LEDs am Markt auftauchten, sehr viel langsamer voran, als von den LED-Herstellern propagiert. Dieses Zögern hatte zunächst vielfältige Gründe, wobei wirtschaftliche Überlegungen sicher zu den bestimmenden gehörten. Der Preis, gemessen in EUR pro Lumen, erlaubte den Einsatz von LED nur im Hochpreissektor, bei dem es um Prestige ging und bei dem die Veröffentlichung eines Projektberichtes in der Fachpresse ganz sicher war.



Viele der mutigen Akteure mussten auch Tiefschläge einstecken, z. B. dass Frühausfälle von ganzen LED-Modulen die zuvor propagierte Lebensdauer als leere Versprechungen entlarvten.

Dieser Zeit des Abwartens, folgt nun, rund 10 Jahre später, eine Trendwende. Es kommt ordentlich Fahrt in das LED-Geschäft. Inzwischen gibt es (fast) keinen Leuchtenhersteller mehr, der keine Aktivitäten im Bereich der LED unterhält. Selbst klassische und eher konservativ orientierte Unternehmen, nehmen LED-Produkte in ihr Portfolio auf.

Lichtquelle oder elektronisches Bauteil
Die LED mischt den Markt der etablierten Leuchtenhersteller auf. Nicht nur, dass diese umdenken müssen. Die Erfahrungen, die man über viele Jahre bei der Konstruktion von Leuchten mit konventionellen Lampen gewonnen hat, sind kaum auf LED-Leuchten übertragbar. Es strömen zudem jede Menge neue Markteilnehmer hinzu, z. B. Unternehmen, die aus dem Bereich der Elektronik kommen. Diese haben zwar kaum Know-how in Sachen Licht, wissen dagegen, wie sie die elektronischen Lichtquellen ansteuern und dimmen können.

Alles ist möglich
Wir spüren derzeit ein Umdenken in der gesamten Leuchtenbranche. War die LED lange Zeit nur Nischenanwendungen vorbehalten, wie in Signalleuchten, der Notbeleuchtung oder im Bereich von farbdynamischen Anwendungen, so können wir uns heute die LED in fast allen Spielarten der Allgemein- und Architekturbeleuchtung vorstellen. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis es auch die entsprechenden Produkte gibt.

Viele Probleme noch ungelöst

Trotze aller Euphorie sind viele technische Probleme der LED noch weitgehend ungelöst. Zwei Beispiele: 1. Lichtfarbe. Trotz aufwändiger Bauteilselektion mit Einteilung in Farbklassen, dem Binning, lassen sich bei mehreren LEDs aus demselben Bin desselben Herstellers visuell Farbunterschiede erkennen. 2. Ersatzbeschaffung. Was ist, wenn LEDs zur Nachbestückung wegen Ausfall benötigt werden. Höchstwahrscheinlich wird die Ersatzbeschaffung nicht so einfach sein, wie bei konventionellen Leuchtmitteln. Vielleicht wird man die LED auch -mangels Verfügbarkeit- gar nicht mehr ersetzen können. Wie gehen die Hersteller mit diesen Aspekten um? Wie immer, werden die unliebsamen Produkteigenschaften konsequent verschwiegen, während die Kataloge und Prospekte die zahlreichen Vorzüge von LED-Leuchten herausstellen.

Lichtausbeute und Lichtströme steigen
Das Geschäft mit LED war von Anfang an geprägt von Mythen und Märchen. Verlässliche Daten und Fakten zu Lebensdauer, Lichtausbeute und Lichtfarbe waren die Ausnahme. Bei DIAL vermessen wir in unserem photometrischen Labor jährlich etwa 500 Lampen und Leuchten, im Jahr 2010 waren davon mehr als die Hälfte LED-Lampen und Leuchten. Wir wissen deshalb stets sehr genau, wie gut die Produkte wirklich sind. Dabei stellen wir fest, dass die Angaben der Chiphersteller immer zu hoch sind. Meistens werden die Minimal-Werte der angegebenen Lichtströme nur knapp erreicht. Schließlich messen wir unter realistischen Praxisbedingungen, die sich von den Laborbedingungen, bei denen Lichtausbeuten von bis zu 200 lm/W erreicht werden, deutlich unterscheiden. Dennoch stellen wir aber auch fest, dass die Lichtausbeute in den letzten Jahren deutlich gestiegen ist. Die durchschnittliche Leuchtenlichtausbeute von derzeit auf dem Markt erhältlichen Produkten beträgt 55 - 60 lm/W. Einige wenige Produkte erreichen sogar eine Leuchtenlichtausbeute von bis zu 80 lm/ W.

Im Vergleich zu konventionellen Leuchtmitteln steht man damit schon ganz ordentlich da. Wenn man gar den Beleuchtungswirkungsgrad als Vergleichsmaßstab heranzieht, sind LED-Leuchten mit ihrem meist geringen Streulichtanteil den üblichen Lampen sogar überlegen. Ebenfalls kräftig zugelegt haben die elektrischen Leistungen, die pro LED-Chip gefahren werden. Damit haben auch die Lichtströme pro LED-Chip massiv zugelegt. Mehrere Hundert Lumen pro LED sind heute an der Tagesordnung. Damit ist man den kompakten Leuchtstofflampen deutlich auf den Fersen. Lediglich für Hochdruck-Entladungslampen mit etlichen Tausend bis Hunderttausend Lumen pro Lampe, wird es nach unserer Einschätzung in absehbarer Zeit keine Pendants im LED-Bereich geben.

Bei OLEDs wenig Neues
Ganz im Gegensatz zu den anorganischen LEDS ist bei den organischen LEDs – im Hinblick auf deren Einsatz in der Allgemeinbeleuchtung- noch nicht viel geschehen. Deshalb spielt auch im Jahr 2011 die OLED in der Allgemeinbeleuchtung noch gar keine Rolle. Lichtströme, Leuchtdichten, Lichtausbeuten und Flächengrößen sind noch weit von dem entfernt, was ihren Einsatz in der Architektur rechtfertigen ließe. Wir sehen auch für die nächsten Jahre keinen Durchbruch dieser Technologie, jenseits ihrer heute angestammten Anwendung, wie z. B. als Displays portabler, elektronischer Geräte aller Art oder im dekorativen Bereich.

LED-Leuchten und Retrofit
In der Allgemeinbeleuchtung finden LEDs gegenwärtig auf drei sehr unterschiedliche Weisen ihren Weg zum Einsatz.

1. Viele Leuchtenhersteller unternehmen einige Anstrengungen, um Produkte zu entwickeln, die von vorneherein auf das Leuchtmittel LED ausgelegt sind. Thermomanagement, Optikauslegung und Leuchtendesign sind speziell auf LED abgestimmt. Dadurch können sich völlig neue Formen ergeben, die auch der Vermarktung des Produktes förderlich sein können. Allerdings entstehen durch die Entwicklung auch hohe Kosten, die zu dem ohnehin schon hohen Preis für die LED-Komponenten hinzukommen.

2. Die deutlich einfachere Variante des Einsatzes von LED besteht darin, bereits existierende Leuchten, die ursprünglich für konventionelle Leuchtmittel konzipiert wurden, auf LED umzurüsten. Auch hier versucht man, das vorhandene Produkt möglichst optimal zu „LEDisieren“, also z. B. das Gehäuse für die Kühlung der LEDs einzubeziehen. Aufgrund der Einsparungen an Neuentwicklungen von Komponenten im Vergleich zu Variante 1 ist dieser Weg für den Hersteller deutlich risikoloser. Nachteilig wirkt sich hier jedoch aus, dass die Leuchte auf den ersten Blick eben nicht neu aussieht. Dennoch lassen sich die meisten LED-Produkte, die heute auf dem Markt sind, dieser Variante zuordnen.

3. Der dritte Weg setzt an einer ganz anderen Stelle an. Er beruht auf dem einfachen Tausch eines bestehenden Leuchtmittels gegen ein LED-Leuchtmittel. Hier handelt es sich nicht um die Erstbestückung, sondern eine Ersatzbestückung beim ohnehin notwendigen Austausch konventioneller Leuchtmittel. Die zahlreichen Anbieter solcher LED-Substitute haben dabei einen besonderen Focus auf die stabförmigen 26 mm Leuchtstofflampen (auch T8 genannt) sowie auf Reflektorlampen, wie Niedervolt-Halogenlampen vom Typ QR-CBC 51 gelegt.

Das Hauptargument für diesen Weg liegt in der propagierten Energieeinsparung, die sich durch einen Austausch ergeben soll. Die Leuchtenhersteller lehnen mehrheitlich diesen Weg ab und auch die großen Lampenhersteller haben nur wenige „Retros“ in ihren Portfolios, die sich zudem mehr an den privaten Endverbraucher, als an den professionellen Anwender richten.

Optik-Entwicklung für LED-Leuchten
Immer wenn Applikationen für das Leuchtmittel LED entwickelt werden, muss aus der gegebenen Lichtverteilung des LED-Chips die gewünschte Abstrahlcharakteristik generiert werden.

Hier gilt dasselbe, was auch für alle anderen Leuchtmittel gilt: Es gibt keine anspruchsvolle Anwendung, in der man ohne zusätzliche optische Elemente auskommt, egal ob es sich um Lichtsysteme für Arbeitsplätze, Straßenbeleuchtung, Anstrahlungen oder faseroptische Systeme handelt. Nur in einfachsten Anwendungen können LEDs ohne weiteres Zutun verwendet werden. Ganz ähnlich wie etwa nackte Leuchtstofflampen für Voutenbeleuchtungen verwendet werden, können natürlich auch LEDs ohne weitere Optik für Hinterleuchtungen eingesetzt werden.

DIAL als Entwicklungspartner
Um dem großen Entwicklungsbedarf für neue LED-Applikationen gerecht zu werden, haben wir unsere Aktivitäten im Bereich optischer Entwicklungen und Simulationen verstärkt. Die Anforderungen des Marktes sind dabei sehr unterschiedlich. Typische Kundenwünsche sind die Erhöhung des Wirkungsgrades, die Begrenzung der direkten Blendung, die Optimierung der Lichtverteilung oder die Beseitigung von Farbschlieren in der Lichtabbildung. Es gibt jedoch keine Aufgabenstellung, der wir nicht gewachsen sind. Alles, was physikalisch möglich ist, machen wir. Wir haben bereits vielen Kunden unseres photometrischen Labors durch unsere Entwicklungsleistung zu einer deutlichen Verbesserung der lichttechnischen Eigenschaften ihrer Produkte verholfen. Uns kommt dabei der Erfahrungsschatz aus 20 Jahren Photometrie ebenso zu Gute, wie unser jahrelanges Entwicklungs-Know-how aus der automobilen Beleuchtung. Dort haben wir ebenfalls schon vor 20 Jahren LED-Optiken für KFZ-Signalleuchten entwickelt, als LEDs in der Allgemein- und Architekturbeleuchtung noch gänzlich unbekannt waren.

Simulation
Bei Neuentwicklungen mit dem Leuchtmittel LED kommt der Simulation des optischen Konzepts eine noch wichtigere Rolle zu. Da die Produktionszyklen im Vergleich zu anderen Leuchtmitteln deutlich kürzer sind, müssen viel häufiger Anpassungen vorgenommen werden.
Zudem eignen sich viele LEDs hervorragend zur Kombination mit Lichtscheiben, vorzugsweise aus Kunststoffen wie PMMA. Da die Fertigung der Werkzeuge deutlich aufwändiger ist, als solche für klassische Aluminiumreflektoren, will man sich vor der Investition in das Werkzeug von der lichttechnischen Konzeption virtuell überzeugen. Neben der Erfahrung des Optikentwicklers ist auch der Einsatz von leistungsfähiger Software zur Strahlverfolgung unabdingbar. Mit klassischen Entwicklungswerkzeugen lassen sich Freiformoptiken kaum handhaben.

Perspektive
Der LED-Markt wächst rasant. Dadurch werden die Kosten pro Lumen, derzeit noch eines der Haupthemmnisse, weiter sinken.
Während die OLED, die wir mehr in großflächiger Anwendung in der Architektur sehen, sich sehr langsam entwickelt, wird die LED fast alle Bereiche der Lichtanwendung für sich erobern. Wir sehen zwar auch künftig noch die konventionellen Leuchtmittel, insbesondere die effizienten und langlebigen, allerdings werden deren Marktanteile zu Gunsten der LED langsam sinken.

[Autor: Dipl.-Ing. Innenarchitekt Jürgen Spitz]




 
 

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