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LED-Leuchtmittel

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Typische Bauform mit E27-Edison-Lampensockel
Verschiedene LED-Lampen (2010)

LED-Leuchtmittel sind elektrische Lampen, die zum Erzeugen von Licht Leuchtdioden (kurz LEDs, englisch light-emitting diodes) einsetzen. Wie die Kompaktleuchtstofflampen zählen sie zu den energiesparenden Leuchtmitteln (ESL). Im Jahr 2011 betrug der globale Umsatz an LED-Leuchtmitteln 9,7 Mrd. US-Dollar[1], für das Jahr 2020 wird ein Umsatz von 64 Mrd. US-Dollar vorausgesagt.[2] Ihre Lebensdauer ist um ein Vielfaches höher als bei herkömmlichen Glühlampen und sie verbrauchen bei gleicher Helligkeit nur einen Bruchteil deren Energie. Obwohl sie von Stückpreis deutlich teurer als herkömmliche Leuchtmittel sind, sind sie betrachtet über ihre gesamte Lebensdauer besonders wirtschaftlich, bei gleichzeitig hoher Energieeffizienz. Sie bieten fast nur Vorteile und stellen damit tatsächlich einen großen technologischen Fortschritt dar.

Geschichte

Zwischen 2008 und 2015 sanken die Kosten von LED-Lampen in den USA um 94 %.[3]

Bei Leuchtdioden kam es über den Zeitraum von Anfang der 1970er Jahre, als die ersten Leuchtdioden für Signalisierungsanwendungen auf den Markt kamen, bis Ende der 1990er Jahr zu einem exponentiellen Anstieg der Effizienz, ausgedrückt als Lumen (lm) pro Watt an zugeführter elektrischer Leistung. Dieser exponentielle Zusammenhang in der Steigerung der Effizienz wurde Anfang der 2000er Jahre in einer Forschergruppe um Roland Haitz bei den Sandia National Laboratories beschrieben. Haitz erstellte aus den Daten die Prognose, dass um das Jahr 2010 Leuchtdioden mit rund 100 lm/W und im Jahr 2020 um 200 lm/W erreichbar sind und damit Leuchtdioden für Beleuchtungszwecke grundsätzlich in Frage kommen.[4] Dieser Zusammenhang der exponentiellen Steigerung der Effizienz von Leuchtdioden in diesem Zeitbereich ist auch als Haitzsches Gesetz bekannt.

Einige Jahre später, ab 2007, kamen erste LED-Lampen für die üblichen E27- und E14-Lampensockel auf den Markt, sogenannte LED-Retrofits, auch „Retrofit-LEDs“ genannt. Zunächst hatten sie einen Lichtstrom nur von bis zu 300 lm, was etwa einer konventionellen 30-W-Glühlampe[5] entspricht. Neben der für viele Zwecke ungenügenden Helligkeit wurde auch oft die zunächst bläuliche („kalte“) Lichtfarbe kritisiert. Seit 2010 sind LED-Lampen auch mit warm-weißem Licht verfügbar. Seit dieser Zeit sind auch sogenannte LED-Leuchtfadenlampen am Markt erhältlich, die aus einem klaren Glaskolben bestehen und historischen Glühlampen mit Einfachwendel nachempfunden sind, jedoch aus Dutzenden einzelner LEDs bestehen.

Durch die Massenfertigung sinken die Kosten für die Herstellung von LED-Leuchtmitteln. Zwischen 2008 und 2015 gingen beispielsweise die Kosten von LED-Lampen in den USA um 94 % zurück.[3] In einer Analyse der Unternehmensberatung McKinsey & Company wurde ein Anteil der LED-Beleuchtung bis 2020 von mindestens 70 Prozent prognostiziert.[6]

Aufbau

LED-Leuchtmittel bestehen aus einer oder mehreren Leuchtdioden sowie einer elektronischen Schaltung, welche die LED mit Strom versorgt.

Leuchtdioden

Eine 230-Volt-LED-Fadenlampe mit einem E27-Lampensockel

Für allgemeine Beleuchtungszwecke werden üblicherweise weiße Leuchtdioden verwendet. Das weiße Licht wird mittels Fluoreszenz aus einer blauen Leuchtdiode gewonnen, ähnlich wie der Leuchtstoff bei einer Leuchtstofflampe, nur dass bei jenen das blaue Licht nach außen dringt und die Spektralverteilung mitbestimmt. Das schmalbandige blaue Licht der Leuchtdiode wird in dem davor sitzenden Leuchtstoff in breitbandiges Gelb umgewandelt, um in der Summe weißes Licht zu erhalten. Dabei wird die additive Farbmischung zwischen dem Lumineszenzlicht und dem primären Licht genutzt. Weiße LEDs werden, wie bei Leuchtstofflampen, für unterschiedliche Farbtemperaturen des weißen Lichtes gefertigt. Übliche Kategorien sind das „kaltweiße“, tageslichtähnliche Licht mit einer Farbtemperatur von 5500 bis 6000 K und das „warmweiße“ Licht, ähnlich dem der Glühlampen mit einer Farbtemperatur von 2700 bis 3000 K. Die Farbtemperatur wird durch die Menge des Leuchtstoffes eingestellt oder man setzt zusätzlich rot emittierenden Leuchtstoff ein, wodurch bessere Farbwiedergabeindices erreicht werden.[7]

Schema mit Farbverlauf der in Kelvin angegebenen Farbtemperaturen
Farbverlauf der in Kelvin (K) angegebenen Farbtemperaturen von LED-Leuchtmitteln

Der Leuchtstoff wird, in Kunstharz eingebettet, direkt auf dem LED-Chip aufgebracht. Herausforderungen sind eine hohe Quantenausbeute auch bei hohen Temperaturen, eine geringe Absorption des nicht genutzten blauen Lichtes sowie chemisch-physikalische Langzeitstabilität.

Für Beleuchtungszwecke wird eine blaue LED entweder mit nur einem gelben Leuchtstoff kombiniert, meist Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat-Pulver, oder es wird eine Kombination von grünem und rotem Leuchtstoff eingesetzt. Da blaue LEDs den höchsten Wirkungsgrad haben, ist das die wirtschaftlichste Methode, weißes Licht per LED zu erzeugen. Der Ultraviolett-Anteil, den blaue LEDs am kurzwelligen Ausläufer ihres Strahlungsspektrums aussenden, wird durch die Lumineszenzschicht ebenfalls weitgehend in gelbliches Licht umgewandelt.

Daneben existieren auch LED-Lampen mit farbigen Leuchtdioden, mit Anwendung beispielsweise für die Effektbeleuchtungen oder im Bereich der Pflanzenzucht. Eine Kombination aus beiden Prinzipien sind blaue LED mit gelbem Leuchtstoff zusammen mit einer zusätzlichen roten LED. Auch ultraviolette Chips mit R/G/B-Leuchtstoff sind im Einsatz. Ziel ist in beiden Fällen, einen hohen Farbwiedergabeindex zu erreichen.

Bedingt durch den Herstellungsprozess können bei LEDs eines Typs und Herstellers Farbunterschiede im direkten Vergleich auffallen. Generell geben alle LED-Hersteller Toleranzen an. Das Einteilen in verschieden fein abgestufte Klassen wird als binning bezeichnet. Bei weißen LEDs umfasst dieses hauptsächlich den Lichtstrom oder die Lichtstärke, die Spannung sowie den Farbort bei Nennstrom. Auch farbige LEDs werden mit selektierten spektralen Toleranzen angeboten. Informationen darüber, welchem „Bin“ (Selektionsgrad) welche Eigenschaften zugewiesen sind, kann man den Datenblättern der Hersteller entnehmen.

Eine weitere aufbauabhängige Eigenschaft von LED-Leuchtmitteln ist der Abstrahlwinkel und die spektrale Verteilung der Lichtfarbe in ihm. LED haben prinzipiell keine Rundum-Abstrahlung wie andere Leuchtmittel, sondern strahlen mit einem Raumwinkel von . Ein größerer Abstrahlwinkel muss daher entweder mit einer Anordnung aus mehreren LEDs oder mit Diffusoren erreicht werden.

  • Eine 17-Watt-LED-Lampe als Ersatz für eine Leuchtstoffröhre
    Eine 17-Watt-LED-Lampe als Ersatz für eine Leuchtstoffröhre
  • Weiße LED-Lampen mit unterschiedlichen Farbtemperaturen
    Weiße LED-Lampen mit unterschiedlichen Farbtemperaturen
  • Farbige LED-Lampen
    Farbige LED-Lampen

Integrierte Stromversorgung

Zerlegtes Exemplar mit Versorgungsplatine, Kühlkörper und Edisonsockel
Leiterplatte mit miniaturisiertem Schaltnetzteil aus einem LED-Lampensockel
Stromlaufplan einer 6-Watt-LED-Lampe[8] mit Abwärtswandler

Zusätzlich zu den Leuchtdioden ist das im Lampengehäuse eingebaute Stromversorgungsmodul fester Bestandteil von LED-Leuchtmitteln. Diese in der Lampe in Form einer elektronischen Schaltung integrierte Stromversorgung, manchmal auch als Vorschaltgerät[9] bezeichnet, erzeugt aus der Netzspannung den für den Betrieb der Leuchtdioden notwendigen stabilisierten Gleichstrom, meist mit deutlich niedrigerer Gleichspannung als die Netzspannung.

Bei meist kostengünstigen LED-Lampen wird ein Kondensatornetzteil in den Lampensockel integriert. Der Nachteil ist, dass Netzspannungsschwankungen zu Helligkeitsschwankungen führen. Die Netzstromaufnahme ist nicht sinusförmig, sondern verzerrt. Dimmbarkeit ist nicht mit Phasenanschnittdimmern und schlecht mit Phasenabschnittdimmern möglich.

Es finden sich auch analoge Konstantstromquellenschaltungen in den LED-Leuchtmitteln.[10] Der dazu beispielsweise verbaute IC PT9613[11] erreicht mit einem zusätzlichen Kondensator Flimmerfreiheit und netzspannungsunabhängige Helligkeit. Die Lösung erzeugt zwar Oberschwingungen, ansonsten aber keine Störemissionen. Die Effizienz ist prinzipiell betriebsspannungsabhängig – die Spannungsdifferenz zwischen LED-Kette und Netzspannung, multipliziert mit dem LED-Strom, wird in Wärme umgesetzt. Auch diese Lampen sind mit Phasenab- und -anschnittdimmern nicht dimmbar.

Bei qualitativ besseren LED-Leuchtmitteln und -Leuchten werden spezielle Schaltnetzteile eingesetzt. Übliche Schaltungstopologien sind Sperrwandler, Resonanzwandler und bei Leuchtmitteln insbesondere der nicht galvanisch trennende Abwärtswandler. Diese stellen oft eine stabile Helligkeit der LEDs sicher. Das Sperrwandler-Prinzip erleichtert einen Betrieb über einen weiten Bereich der Netzspannung, beispielsweise von 90 V bis 250 V. Schwankungen der Netzspannung und sogenannte Flicker werden kompensiert, was eine gleichmäßige Helligkeit unabhängig von Netzspannungsschwankungen erlaubt.

Auch der temperaturabhängige Lichtstrom der LED kann kompensiert werden. Manche der verwendeten integrierten Schaltungen erkennen den Steuerwinkel eines vorgeschalteten Dimmers (Phasenanschnitt- oder -abschnittsteuerung) und reduzieren in Abhängigkeit vom gemessenen Winkel den LED-Strom.[12]

Retrofits in Form von Leuchtstoffröhren haben in der Regel auch eine Strombegrenzung integriert. Wegen des Berührungsschutzes beim Einsetzen müssen LED-Retrofit-Röhren eine einseitige Stromzuführung haben – an der anderen Seite sind die Stifte, von der übrigen Schaltung isoliert, miteinander verbunden. Beim Tausch der konventionellen Röhre gegen LED-Röhren muss daher der Starter durch eine Brücke ersetzt werden.[13] Ein konventionelles Vorschaltgerät verbleibt im Stromkreis, dessen strombegrenzende Induktivität wird nun nicht mehr benötigt. Es verursacht zwar Leistungsverluste, die aber wesentlich geringer sind als beim vorherigen Betrieb mit der Leuchtstofflampe, da die LED-Retrofit-Lampe weniger Strom benötigt. LED-Röhren in Leuchten mit elektronischen Vorschaltgeräten oder Tandemschaltungen mit KVG zu betreiben, ist nicht ohne Umbau der Leuchte möglich.[13] Die Vorschaltgeräte werden dabei überbrückt bzw. entfernt, was die Gefahr birgt, dass versehentlich wieder eine Leuchtstoffröhre einsetzt wird, was zu ihrer Zerstörung führt und auch Personenschäden verursachen kann. Die Leuchten müssen daher gekennzeichnet sein und der Ausführende ist als Errichter der Anlage voll verantwortlich auch für die Sicherheit der umgebauten Leuchte.[14]

Weitere Bauformen

Aufgrund der hohen Lebensdauer von LEDs werden sie oft fest installiert bzw. es werden komplette LED-Leuchten angeboten. Aufgrund dessen und auch wegen der geringen Wärmeabgabe sind völlig neuartige Designs und Beleuchtungslösungen möglich. Beispiele:

  • In LED-Klebestreifen oder LED-Modulen sind zum Beispiel Vorwiderstände für den Betrieb an 12 oder 24 V eingebaut. Es können spannungsstabilisierte 12-V-Netzteile verwendet werden. Die Streifen sind oft an gekennzeichneten Stellen teilbar, so dass ganzzahlige Abschnitte, bestehend beispielsweise aus drei LEDs + Vorwiderstand, erhalten bleiben[15]
  • LED-Taschenlampen enthalten manchmal keinerlei Strombegrenzung oder Elektronik. Der Strom wird durch den Innenwiderstand der Batterie begrenzt.[16]
  • Für Hochleistungs-LED oder große Einheiten (zum Beispiel Straßenbeleuchtung) werden LED-Stromversorgungen (Baugruppen mit offener Bauform oder mit geschlossenem Gehäuse) verwendet, die Konstantstrom liefern und oft (fern)gesteuert werden können.
  • Zum Betrieb einer weißen LED (Flussspannung etwa 3,3 V) an einer einzelnen Alkali-Mangan-Zelle (1,5 V) oder einem NiMH-Akkumulator (1,2 V) werden Aufwärtswandler verwendet (z. B. in Solarleuchten).[17]

Es werden auch LED-Konstantspannungs-Netzteile angeboten. An diesen können wie an anderen üblichen Spannungsquellen nur LED-Module mit integrierter Strombegrenzung betrieben werden.

Lichtflimmern

Das Lichtflimmern kann durch unterschiedlich definierte Parameter angegeben werden. Zurzeit werden zwei in der IEEE 1789-2015 empfohlen, einem Standardisierungspapier zur Vorbereitung weiterer Normung.[18][19] Der 'Flicker Index' (FI) basiert auf der Arbeit von Eastman und Campbell 1952.[20][21][22] Die Zahlenwerte liegen zwischen 0 für absolut kein und 0,5 für maximal mögliches Lichtflimmern.[22]

Die zweite Empfehlung ist die 'Modulation', im englischen als 'Percent Amplitude Modulation', 'Mod%', 'Percent AM' oder 'Percent Flicker' bezeichnet, die der 'Michelson Kontrast' als Prozentangabe ist, und Werte zwischen 0 % (kein Lichtflimmern) und 100 % annehmen kann.[18][19][22][23]

Für die Einschätzung von Stroboskopeffekten wurde eine Fünf-Stufen-Skale entwickelt, die von akzeptablen bis inakzeptablen Stufen bei der Betrachtung der Wechselwirkung von Lichtflimmerfrequenz und 'Modulation' reicht.[24][25][20] Stroboskopeffekt bedeutet in diesem Fall, dass ein vom Leuchtmittel angestrahlter heller Stab mit gleichmäßiger Geschwindigkeit vor einem dunklen Hintergrund bewegt wird und das Auge mehrere Stäbe gleichzeitig sieht oder den Stab unterschiedlich hell wahrnimmt als Zeichen für das Lichtflimmern des Leuchtmittels.[20] Beim schlechtesten Wert für Percent Flicker von 100 % wird der Stroboskopeffekt bis 10 kHz Flimmerfrequenz wahrgenommen, wohingegen ab etwa 3 kHz die Stroboskobeffekte als akzeptabel eingeschätzt werden, so dass rotierende Maschinen nicht irrtümlich als stehende Maschinen wahrgenommen werden.[19][24][25][20]

Zum einfachen Handelsgebrauch werden die Erkenntnisse in der IEEE 1789–2015 als Grafiken dargestellt, nach der Leuchtmittel mit ≥ 100 Hz Lichtflimmerfrequenz, die in Europa auch von billigen LED-Leuchtmitteln erreicht wird, bei weniger als 8 % Modulation ein ausreichend geringes Gesundheitsrisiko erreichen.[18][19] Eine zweite Grafik gibt für die niedrigste wissenschaftlich ermittelte Risikostufe 'nicht riskant' bei 100 Hz unter 3,5 % Modulation an.[18][20] Bis zur Unstetigkeitsstelle in der Grafik nahe 100 Hz gilt eine andere Berechnungsformel, die übertragen auf 100 Hz nur weniger als 1 % Modulation als 'nicht riskant' einstufen würde.[18]

Zum Vergleich wurde an einer Hochvolt-Halogenlampe (230 V, 50 Hz, 46 W) eine Modulation von 11,44 % gemessen (entspricht Flicker Index 0,035), eine konventionelle 60-Watt-Glühlampe (Versorgungsspannung 120 V, 60 Hz) wurde mit 6,6 % gemessen (entspricht FI 0,02) und eine 12-Volt-Halogenglühlampe mit 2,45 % (35 W, an 50-Hz-Sinusquelle) bis 3,8 % (35 W, an 60 Hz)[26]. Das entspricht FI 0,008–0,012.[18][19] Demgegenüber zeigen im Handel verfügbare LED-Lampen je nach Typ 0,68 bis 100 % Modulation.[18][19] Es gibt noch Potential zur Verfeinerung, weil die IEEE 1789 2015 noch nicht die Form der Lichtschwankung (sinusförmig, rechteckig, sägezahnartig usw.) berücksichtigt, jedoch macht der Unterschied bei unter 8 % Modulation kaum etwas aus.[18][20]

Im Jahr 2016 gaben erste Hersteller gegenüber dem Fachpublikum den Flicker Index und die Modulation an.[19] In der EU sind Angaben zu Flicker Index und Modulation auf der Verkaufsverpackung oder Retail-Verpackung von LED-Leuchtmitteln nicht zwingend vorgeschrieben (Stand 2017).

Von der California Energy Commission (CEC) wurde der Sockeltyp GU24 entwickelt, der ausschließlich kalifornischen Vorschriften unterliegt. Für diesen Sockeltyp sind Leuchtmittel mit starken Stroboskopeffekten (30–100 % Modulation bei 1–200 Hz Frequenz) nicht erlaubt.[23] Im Jahr 2016 wurde diese Anforderung als Vergabebedingung für die „Low Optical Flicker“-Prüfplakette der UL übernommen.[27]

Leistungsdaten bei LED-Lampen

LED-Lampe mit Edison-Lampensockel

Lichtausbeute

Weiße LED-Leuchtmittel erreichen mit Stand 2015 eine Lichtausbeute von 150 lm/W und mehr. Damit sind sie mehr als 12-mal so effizient wie herkömmliche Glühlampen (ca. 12 lm/W) und auch deutlich effizienter als Fluoreszenzlampen (Leuchtstoffröhren) mit ca. 80 lm/W.[28] Zudem sind sie auch wesentlich effizienter als Halogenlampen (ca. 15 bis 20 lm/W).

Leistung pro Einheit

Ein weiterer Parameter ist die Leistung pro Einheit. Je höher die elektrische Leistung und damit die Stromdichte einer einzelnen LED wird, desto schlechter ist ihr Wirkungsgrad. Das resultiert sowohl aus Quanteneffekten als auch aus einer höheren Temperatur des LED-Chips. Aus diesem Grund werden in vielen Anwendungen die LEDs nicht bei der vom Hersteller angegebenen Nennleistung, sondern darunter betrieben. Dadurch erhöht sich die Energieeffizienz, und durch die reduzierte Temperatur verlängert sich die Lebensdauer der LED. Gleichzeitig vereinfacht die geringere Abwärme die Kühlung und damit die Konstruktion der Leuchte. Allerdings kann es dadurch notwendig werden, mehr LEDs einzusetzen, um die gewünschte Lichtmenge zu erreichen, wodurch gegebenenfalls eine aufwendigere Optik notwendig wird. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen hundert Stunden bei älteren 5-Watt-LEDs bis zu über 100.000 Stunden (11,4 Jahre) bei mit niedrigen Strömen betriebenen LEDs.[29]

Abstrahlwinkel

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 Ein großer Abstrahlwinkel ist nicht immer sinnvoll
Ein großer Abstrahlwinkel ist nicht immer sinnvoll

Die Angabe von Lumen ist zum Teil irreführend, da die EU-Verordnung Nr. 874/2012 (ANHANG VII ;Tabelle 3) [30] die Messung des Lichtstroms je nach Öffnungswinkel anders gestaltet. Die Verordnung unterscheidet Leuchtmittel, die das Licht bündeln, und solche, die es nicht bündeln. Das Kriterium ist hierbei, ob in einem Abstrahlwinkel von 120° 80 % des Lichtstroms der Lampe abgestrahlt werden. Dies hat zur Folge, dass zwei Leuchtmittel, die den gleichen Lichtstrom aussenden, in der Praxis unterschiedlich hell wirken. Beim Vergleich mit herkömmlichen Leuchtmitteln wie Glühlampen oder Leuchtstoffröhren täuscht die Angabe des Lichtstroms erheblich.

Die Beleuchtungsstärke im Zentrum des Lichtkegels wird in Lux gemessen. Bei gleicher Lumenzahl ist die Helligkeit (Beleuchtungsstärke in Lux) einer Lampe mit geringem Abstrahlwinkel größer als bei einer Lampe mit großem Abstrahlwinkel. Eine Aussage über die tatsächliche Ausleuchtung eines Raumes kann damit nicht getroffen werden.

Die herkömmliche E27-Glühlampe verbreitet das Licht in einem Winkel von etwa 280°.[31][32] LED-Lampen mit diesem Sockel strahlen wegen ihres Aufbaus häufig weniger Licht in Sockelrichtung ab; neuere Modelle können jedoch auch mit Glühlampen vergleichbare Abstrahlwinkel erreichen.

Vor- und Nachteile

LED-Leuchtmittel haben folgende Vorteile gegenüber Kompaktleuchtstofflampen, Leuchtstofflampen und Hochdruck-Gasentladungslampen:

  • sofortige volle Helligkeit nach dem Einschalten, auch bei tiefen Temperaturen
  • unempfindlich gegen häufiges Aus- und Einschalten
  • höhere Lebensdauer
  • höhere Lichtausbeute (außer Natriumdampf-Hochdrucklampen)
  • geringere Wärmebelastung der Leuchte aufgrund eines höheren Wirkungsgrads und damit vergleichsweise geringer Abwärme
  • teilweise besserer Farbwiedergabeindex (insbesondere gegenüber Quecksilberdampf-Hochdrucklampen und Natriumdampf-Hochdrucklampen)
  • prinzipiell (jedoch bauartabhängig) von wenigen Prozent bis 100 % dimmbar ohne Effizienz- oder Lebensdauerverlust
  • keine Freisetzung von Quecksilber bei Zerstörung
  • hohe Vibrations- und Stoßfestigkeit, weitgehend bruchsicher[33]
  • niedrigere Gesamtkosten (Investitionskosten und Stromkosten) als bei anderen Leuchtmitteln[34]

LED-Leuchtmittel haben folgende Nachteile:

  • Werden LED-Lampen mit neutral- oder kaltweißer Farbtemperatur im Übermaß eingesetzt, wird durch ihren hohen Blauanteil zur Lichtverschmutzung beigetragen.[35] Warmweiße LEDs emittieren weitaus weniger Blauanteile und werden zur Vermeidung von Lichtverschmutzung empfohlen.[36]
  • Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen schwierig wegen sinkender Lichtausbeute und schnellerer Degradation
  • gegenüber Glüh- oder Halogenlampen höhere Investitionskosten[34]

Für die Anwendung ist zu unterscheiden zwischen ungerichtetem und gerichtetem Beleuchten. Für ungerichtetes Beleuchten ist der Lichtstrom eines Leuchtmittels in Lumen (lm) bedeutsam. Für gerichtetes Beleuchten ist zusätzlich die Angabe der Lichtstärke (Lichtstrom pro Raumwinkel) in candela (cd=lm/sr) wesentlich. Dieselben Informationen enthält die gemeinsame Angabe von Lichtstärke und Öffnungswinkel des Strahlungskegels. Die entsprechenden Angaben der bisher verwendeten Lampen in Watt (W) sind daher kein ausreichender Vergleichsmaßstab.

  • Viele LED-Lampen sind nicht oder nicht mit bisher eingesetzten Dimmern für höhere Strommengen dimmbar.[37]
  • Die Farbwiedergabe ist nicht ident mit Glühlampen. Der oft auf der Packung abgedruckte "color rendering index" CRI wird verwendet um festzuhalten, wie das Licht der LED acht definierte Farben auf einer Skala von 0 bis 100 wiedergeben kann.[38] LED-Lampen mit einem CRI unter 75 sollten nicht im Hausinneren verwendet werden.[39]
  • LED-Lampen können fürs menschliche Auge sichtbar flackern. Dieser Effekt kann in Zeitlupenvideos sichtbar gemacht werden. Inwieweit eine LED-Lampe flackert hängt von der Qualität der Gleichstromwandlers ab. Flackerndes Licht kann zu Kopfschmerzen und Belastung der Augen führen.[40][41][42]
  • Die Lebensdauer von LED-Lampen wird durch höhere Temperaturen verkürzt. Die Abfuhr der Wärmeverluste einer LED-Lampe ist daher ein wichtiger Faktor beim Design einer LED-Lampe. Die Verwendung von LED-Lampen in Umgebungen mit höherer Temperatur (beispielsweise in Saunaräumen) oder in geschlossenen beziehungsweise teilweise geschlossenen Installationen muss daher immer geprüft werden.
  • Die lange Lebensdauer von LED-Lampen ist zwar vorteilhaft für die Konsumenten, reduziert aber den Bedarf an auszutauschenden LED-Lampen und die für die Herstellung und den Austausch notwendigen Arbeitsplätze.[43]

Entsorgung

Defekte oder ausgediente LED-Leuchtmittel müssen in Deutschland aufgrund des ElektroG im Elektronikschrott im Rahmen des Altlampen-Recyclings entsorgt werden. Auf diese Weise kann ein Teil der verwendeten Rohstoffe zurückgewonnen werden, insbesondere Aluminium (Kühlkörper) und Kupfer (Wickelgüter). Wertvolle Inhaltsstoffe wie Indium und Seltene Erden werden derzeit nicht zurückgewonnen, da sie nur in geringsten Mengen verwendet werden. LED-Lampen sind bei Zerstörung weniger gefährlich als Gasentladungslampen, welche dabei meist Quecksilber freisetzen.

Lebensdauer

Die Lebensdauer von LED-Leuchtmitteln ist von den Herstellern nicht einheitlich durch einen Lichtstromrückgang (Degradation) auf beispielsweise 70 % oder 50 % von zum Beispiel 50 % einer statistisch gesicherten Anzahl Lampen gegeben und wird nach dem Schema LxxByy angegeben, wobei xx den Lichtstromrückgang bedeutet und yy den statistische Anteil an Lampen, bei denen dieser Rückgang erreicht wurde. L50B50=100.000 h bedeutet also, dass nach 100.000 Stunden nur noch 50 % aller Lampen einen Lichtstrom von > 50 % des Neuwertes haben. Es gibt jedoch auch Leuchten, die den Lichtstrom konstant halten (Konstant-Lichtstrom-Schaltung, CLO). Diese betreiben die LED konstant mit der Helligkeit, die am Lebensdauer-Ende erwartet wird. Die Lebensdauer wird meist für 25 °C Umgebungstemperatur angegeben.[44]

Die Stiftung Warentest hat in einem Langzeittest festgestellt, dass gut getestete LED-Lampen auch nach mehr als 30.000 Brennstunden zuverlässig funktionieren. Sie strahlen fast gleichbleibend hell, haben eine konstante Farbwiedergabe und überstehen unbeschadet rund eine Million Ein- und Ausschaltvorgänge.[45]

Schlecht abgeführte Wärme (Verwendung in ungeeigneten Leuchten oder auch mangelhafte Verarbeitung) oder hohe Umgebungstemperaturen verringern die Lebensdauer und erhöhen die Spontanausfallrate.

Neben der normalen Alterung gibt es Früh- und Spontanausfälle. Die häufigsten Ursachen dafür sind oft nicht bei den LEDs, sondern in der Stromversorgung und der Konstruktion zu finden, zum Beispiel:

  • Ungenügende Kühlung der LED-Chips, besonders problematisch in geschlossenen Lampengehäusen (höhere Umgebungstemperatur)
  • Schlechte Verarbeitung mit wenig wirksamer Wärmeableitung über das Gehäuse
  • Ungeeignete Klemm- und Federkraft-Kontakte
  • Ungeeignete oder zu heiße Elektrolytkondensatoren

Oft führt der Preisdruck dazu, dass die verwendeten Materialien, Verbindungstechniken und Bauteile nicht für die versprochenen Lebensdauern ausgelegt oder erprobt sind.

Sicherheit

Nicht gegen Berührung geschützte Kontakte einer Maiskolbenlampe mit E27-Sockel für 230 V

Insbesondere bei der Bauform der sogenannten Maiskolbenlampe (corn lamps), aber auch als LED-Ersatz für Halogenstäbe gelangen ab und zu Leuchtmittel auf den Markt, bei denen die geltenden Sicherheitsvorschriften (IEC, VDE) nicht eingehalten werden, indem galvanisch nicht vom Stromnetz getrennte Kontakte berührt werden können. Beim Kauf von LED-Leuchtmitteln für den direkten Netzbetrieb sollte daher darauf geachtet werden, dass alle elektrischen Kontakte durch eine isolierende Abdeckung gegen Berührung geschützt sind.[46][47]

Die photobiologische Sicherheit umfasst unter anderem die photochemische Schädigung der Netzhaut durch kurzwellige Lichtquellen hoher Leuchtdichte. Sie kann bei LED-Leuchtmitteln gegeben sein.[48] Viele LED-Leuchtmittel tragen dagegen opale Abdeckungen und sind daher ungefährlich. Risikoeinstufung erfolgt nach der der Norm DIN EN 62471 (VDE 0837-471:2009-03): Photobiologische Sicherheit von Lampen und Lampensystemen (Ausgabedatum: 2009-03) in vier Gruppen, wobei bei Risikogruppe 2 eine Abwendung wegen Blendung angenommen wird. Dieses Abwenden kann ausbleiben, wenn zum Beispiel ein hoher Blauanteil (typisch für LED mit hohen Farbtemperaturen) vorliegt, den das Auge schlechter wahrnimmt (photopische Hellempfindlichkeit ist bei Blau gering).

Literatur

  • Kapitel 3.10 LED – Light Emitting Diodes. In: Hans Rudolf Ris: Beleuchtungtechnik für Praktiker: Grundlagen, Lampen, Leuchten, Planung, Messung, VDE Verlag/Electrosuisse, 5. überarbeitete und erweitere Auflage, Berlin/Offenbach 2015, ISBN 978-3-8007-3617-1, S. 151–179
  • Kapitel 5 Leuchtdioden (LED). In: C. H. Zieseniß, F. Lindemuth, P. Schmits: Beleuchtungstechnik für den Elektrofachmann: Lampen, Leuchten und ihre Anwendung, Hüthig, 9. völlig neu bearbeitete Auflage, München/Heidelberg 2017, ISBN 978-3-8101-0394-9, S. 65–72
  • Das Licht, das aus dem Halbleiter kommt: Die Leuchtdiode ist Stand der Technik. In: Deutsche Bauzeitung Nr. 1–2/2015, S. 54–59
  • Lebensdauer von LED-Produkten. In: de – das elektrohandwerk Nr. 4/2018, 93. Jahrgang, S. 36–41
  • Deutsche Bauzeitschrift Nr. 7/2016; beinhaltet einen Sonderteil zur LED-Lichttechnik, S. 73–117
  • Dennis Köhler (Hrsg.): LED 2014 – Beiträge zur Technologie. 1. Auflage. Highlight, Rüthen 2014, ISBN 978-3-937873-06-0.
  • Dennis Köhler (Hrsg.): LED 2016 – Beiträge zur Anwendung, Hüthig, Heidelberg, 1. Auflage 2016, ISBN 978-3-8101-0417-5
Commons: LED-Leuchtmittel – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise und Anmerkungen

  1. ↑ Globaler Umsatz mit Leuchtmitteln 2011. Wirtschaftswoche am 10. Juni 2014, abgerufen am 19. April 2015
  2. ↑ Lichtmarkt – Konzernumbau drückt Osram in die roten Zahlen Wirtschaftswoche am 4. Februar 2015, abgerufen am 14. November 2017
  3. ↑ a b Paul Donohoo-Vallett et al.: Revolution Now … The Future Arrives for Five Clean Energy Technologies – 2016 Update. Energieministerium der Vereinigten Staaten, abgerufen am 6. November 2016
  4. ↑ Roland Haitz, Fred Kish, Jeff Tsao, Jeff Nelson: The Case for a National Research Program on Semiconductor Lighting. (PDF) In: Sandia Report. Optoelectronics Industry Development Association, 1999, S. 5; (SAND2000-1612).
  5. ↑ Interpolation zwischen 25 W und 40 W, Lumen-Angaben nach EG-Verordnung Nr. 244/2009 vom 18. März 2009 zur Durchführung der Richtlinie 2005/32/EG des Europäischen Parlaments und des Rates im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Haushaltslampen mit ungebündeltem Licht
  6. ↑ McKinsey Report von 2012. Abgerufen am 8. Januar 2017
  7. ↑ Universität Münster: Optimale Leuchtstoffe für LED-Applikationen. Abgerufen am 8. Januar 2017
  8. ↑ http://www.dianyuan.com/upload/community/2015/03/13/1426227454-46985.pdf sowie Reverse-Engineering
  9. ↑ Das Vorschaltgerät einer LED hat Ähnlichkeit mit demjenigen einer Gasentladungslampe – es begrenzt und stabilisiert den Strom.
  10. ↑ Dominik Schuierer: Test: Retrofit Filament LED von Greens zerlegt. In: zerobrain.info. 6. Januar 2016, abgerufen am 7. Januar 2017.
  11. ↑ http://www.princeton.com.tw/LinkClick.aspx?fileticket=gfIWT4h2QAc%3D&tabid=487&portalid=0&mid=895&language=ja-JP&forcedownload=true Datenblatt des PT9613
  12. ↑ Datenblatt dimmbarer LED-Treiber LM3445. Abgerufen am 8. Januar 2017
  13. ↑ a b Leuchtstoffröhren auf LED-Röhren umrüsten. led-emotion.de, abgerufen am 27. August 2017.
  14. ↑ http://www.ecobility.com/led-technik/led-roehren-norm/ Sicherheitshinweise für LED-Retrofit-Lampen und die Umrüstung von Leuchten der Fa. ecobility GmbH. Abgerufen am 9. Nov. 2017
  15. ↑ Datenblatt: Barthelme LED Streifen. Abgerufen am 8. Januar 2017
  16. ↑ Information über LED-Taschenlampen. Abgerufen am 8. Januar 2017
  17. ↑ Information über LED-Aufwärtswandler PR4401/PR4402. Abgerufen am 8. Januar 2017
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