Leseprobe

LED-Wohnraumlicht
Band 1
Vom Emitter bis zur fertigen Leuchte
Edle LED-Leuchten
kostengünstig selbst bauen.
Autoren: S. Leuchtenberg & U. Stromfeld
Email: [email protected]
Urheber& © & ®: S. Leuchtenberg & U. Stromfeld, 05/2013
Nachdruck oder elektronische Publikation, auch auszugsweise,
nur mit Genehmigung der Autoren.
2. Auflage
Inhalt
Inhalt
1. Die Autoren
1.01 S. Leuchtenberg
1.02 U. Stromfeld
1.1 Das gemeinsame Projekt
1.2 Ein Team macht erfolgreiche Arbeit erst möglich!
1.3 Auf ein Wort zum Thema: „Informationen aus dem Internet“
1.4 Online-Bild-Archiv
2. Parameter der Beleuchtung (Lumen, Lux & Co.)
2.1 Licht
2.2 Lichtstrom
2.3 Farbtemperatur
2.4 Effizienz
2.5 Lichtstärke
2.6 Beleuchtungsstärke
2.7 Farbwiedergabeindex
3. Ihre Leuchte planen
3.1 Internes oder externes Netzteil?
3.2 Design
4. VDE – Normen und Vorschriften.
3.1 Bedeutung der ersten Ziffer nach der Bezeichnung IP
3.2 Zweite Ziffer und deren Bedeutung
5. Grundlagen der Elektronik und Elektrotechnik
5.1 Strom, Spannung, Widerstand, Leistung
5.2 Reihenschaltung, Parallelschaltung
5.3 Kurze Einführung in die Fehlerbetrachtung beim Messen
5.4 Einige wichtige Begriffserklärungen
5.5 Fazit
6. Die LED – Light-Emitting Diode
6.01 Allgemeines
6.02 Lichtfarbe, Farbwiedergabe, Effizienz
6.03 LEDs für Beleuchtungszwecke
6.04 Eine kleine Auswahl geeigneter LEDs:
6.05 Low-Power-LED Nichia NHSW157BT
6.06 Mid-Power-LED Nichia NF2L757ART
6.07 Mid-Power-LED Nichia NF2W757ART-V1
6.08 Power-LED Samsung 3535
6.09 COB-Modul „Bridgelux“BXRA-30G0800
6.10 LED-SmartArray,12x-Nichia-LED,6W
6.11 LED-SmartArray,6x-Nichia-LED,10W,kaltweiss
6.12 SMD-LEDs – warum, wieso, weshalb?
6.13 LED-Datenblätter lesen und richtig interpretieren
6.14 Beispiel: Wärme-Widerstand einer LED
6.15 Abschließend noch ein Wort zum Vorwärtsspannungsbereich
7. Betriebsarten
7.1 Betrieb mit Vorwiderstand
7.2 Betrieb mit Konstantstromquelle (KSQ)
7.3 Achtung! Wichtiger Hinweis
7.4 Betrieb mit Konstant-Spannungsquelle
7.5 Den Abgleich der Schaltung führen wir wie folgt durch
7.7 Achtung!
7.8 Zusammenfassung
8. Temperatur-Management
8.1 Anwendungsmethode Nomogramm
8.2 Die 3 Grundbedingungen für die Anwendung dieses Nomogramms
8.3 Auch hierzu ein Beispiel
8.4 Abschließend noch einige Beispiele zu Kühlkörper-Bauformen
9. Netzteile auswählen
9.1 Transformator-Netzteile haben zwei gravierende Nachteile
9.2 Schaltnetzteile
9.3 Zwei wichtige Hinweise
9.4 Festspannungsnetzteile, Konstantstromquellen
9.5 Meanwell RS-Serie
9.6 Meanwell LPV-Serie
9.7 Meanwell PLC-Serie
9.8 Meanwell LPC-Serie
9.9 EagleRise-ELP-Serie
10. Benötigte Hilfsmittel
10.01 Lötstationen, Heißluftgebläse, Lötzubehör
10.02 STATION ZD-931, digital-Lötstation, 48 Watt
10.03 ANALOG 60, ERSA Lötstation 60W
10.04 WHS 40D, WELLER-Lötstation, regelbar 150-450°C
10.05 STATION ZD-981, Digitale Prozessor-Lötstation, 60 Watt, ESD
10.06 Generelles zum Thema Lötgerät
10.07 Heißluftgebläse HL 1910E, 2000W
10.08 Microflamm-Brenner MFB/E
10.09 Hilfsmittel beim Löten
10.10 Lötdraht, bleifrei, 250g Rolle, 0,5mm
10.11 "No-Clean" SMD Flußmitteldispenser, bleifrei
10.12 Entlötpumpe
10.13 Kreuzpinzette 120mm, vernickelt, gerade
10.14 Löt-Hilfsmittel-Set
10.15 Einfache Messtechnik.
10.16 PEAKTECH 3690, 5 in 1 Digital-Multitester
10.17 Kleinteile, nützliche Helferlein, Verbrauchsmaterial
10.18 Aderendhülsen, unisoliert 0,5 - 2,5mm²
10.19 Aderendhülsenzange 0,25 - 2,50 mm²
10.20 Verbindungsklemme 0,08-4,0mm²
10.21 Stromdiebe
10.22 Eigenbau Mini-Prüfgerät mit 9 V Blockbatterie.
10.23 Eigenbau Konstantstromquelle (KSQ) mit wählbarem Ausgangsstrom
10.24 Satz Prüfleitungen und Prüfspitzen zur KSQ und Ihrem Multimeter:
10.25 Externer Messwiderstand für präzise Strommessungen.
11. Kurzer Grundlehrgang Weichlöten.
11.1 SMD-Löten (Kupferstreifen, Platine).
12. Der Umgang mit den Werkstoffen
12.1 Eloxiertes Aluminium
12.2 Kleingehäuse aus Aluminium
12.3 Plexiglas, Ausführungen und Verarbeitung
12.4 Klebstoffe, Tempern und Verkleben verschiedener Werkstoffe
12.5 Alu-Profile kleben
12.6 Plexiglas kleben
12.7 Farben auftragen, spritzlackieren, rollen, und streichen.
13. Die Vorbereitung elektrischer Bauteile
13.1 Alu-Profile berechnen, LEDs montieren
13.2 LEDs vorbereiten, Kupferband löten, Profil bestücken.
13.3 Verlöten der Nahtstellen im Kupferband.
13.4 Leuchte vor dem Einbau prüfen.
14. Anleitungen zur Umrüstung auf LED-Leuchtmittel
14.10 Vorhandene Leuchten umbauen.
14.11 Niederspannung – Halogen-Pendelleuchte.
14.111 Die Bauteile
14.112 Wir rechnen kurz zusammen
14.113 Wir teilen das Profil ein
14.114 Bestückung Alu-Profil – Vorbereitung - Ausführung
14.114 Verlöten der Nahtstellen im Kupferband
14.115 Leuchte vor dem Einbau prüfen
14.116 Gehäuse und Seilkabel umrüsten
14.117 Sicherheit muss sein – unbedingt beachten!
14.118 Zusammenfassung
14.119 Noch eine Anmerkung zum Abschluss
14.12 Halogen-Schienensystem– Seilsystem
14.121 Halogen-Schienensystem – Tischleuchte.
14.122 Die Bauteile und deren Vorbereitung
14.123 Führungsschiene und Führung für unsere Leuchte
14.124 Das Plexiglas
14.125 Kunststoffteile zuschneiden
14.126 Aufbau der Leuchte
14.127 Zusammenbau
14.128 Das SNT-Gehäuse mit Schaltplan
14.129 Zusammenfassung
14.1210 Wichtiger Hinweis
14.20 Netzspannung.
14.21 Neon-Leuchten - Leuchtstoffröhren T8
14.211 Umbau durch den Fachhandwerker
14.212 Bevor wir weiter arbeiten, ein wichtiger Sicherheits-Hinweis:
14.22 Neonleuchte –Muster-Umbau.
14.221 Gehäuse ausräumen
14.222 Gehäuse umbauen
14.223 Zusammenstellung der Bauteile
14.224 Zusammenfassung
14.23 Deckenleuchte für E14 oder E27 Sockel mit Glasschirm
14.231 Zuschnitte Plexiglas
14.232 Der Schaltplan
14.233 Vorbereiten des Lampenschirmpapiers
14.234 Zusammenfassung, Preise, Tipps
15. Anleitungen zum Eigenbau von Leuchten
15.10 Wohnraum Wandleuchte „Bogenleuchte“
15.101 Das Gehäuse, die Netzteile, Schalter und Kabel
15.102 Schaltplan für das Gehäuse
15.103 Aufbau der Lichtprofile
15.104 Berechnung der Holz- und Alu-Bauteile
15.105 Schaltplan für das Lichtprofil
15.106 Aufbau des Wandhalters
15.107 Zusammenfassung
15.108 Technische Daten zur Leuchte
15.109 Arbeitsreihenfolge
15.20 LED-Deckeneinbauleuchte für Holz vertäfelte Decken
15.201 Der Aufbau der einzelnen Leuchte
15.202 Die Stromversorgung
15.203 Der Schaltplan
15.204 Gehäuse-Layout
15.205 Lötleiste verarbeiten – Dioden verdrahten
15.206 Profil bestücken und anschließen
15.207 Wichtiger Hinweis.
15.208 Zusammenfassung
15.209 Linkliste zu den Produkten
15.30 LED-Smart-Array, Schreibtischleuchte – Granitlook.
15.301 Sie benötigen
15.40 LED-Leuchte für die Dunstabzugshaube.
15.401 Linkliste zur LED-Leuchte für die Abzugshaube
15.50 LED-Decken-Panel.
15.501 Aufbau der Leuchten
15.502 Achtung!
15.503 Für die große Leuchte benötigen Sie folgende Zuschnitte:
15.504 Für das kleine Panel brauchen Sie
15.505 Der Schaltplan
15.506 Panel mit LEDs bestücken hier große Leuchte
15.507 Der Schaltplan zum kleinen Panel sieht so aus
15.508 Linkliste zum LED-Panel
15.60 Mini-Deckenfluter mit SmartArray, 10 Watt
15.601 Leuchte zusammenbauen
15.602 Sicherheitshinweis
15.603 Linkliste Mini-Deckenfluter
16. Resteverwertung, Akku-Leuchten, Low-Cost-LED-Leuchten
16.1 Kfz-Innenraumbeleuchtung – es werde Licht
16.11 Das Ergebnis wird Sie überzeugen!
16.2 Handleuchte mit Akkubetrieb
16.21 Der Schaltplan
16.23 Linkliste zu den Handleuchten
16.3 Deckenleuchte für die Abstellkammer
16. Zum Schluss und ein Ausblick.
16.1 E-Mail der Autoren: [email protected]
16.2 Ein Wort an Hersteller und Händler (Abmahnung).
18. Bezugsquellen.
18.01 Linkliste zu den benötigten Hilfsmitteln
18.02 Linkliste Hilfsmittel und Verbrauchsmaterial (MVG)
18.03 Linkliste Messtechnik
18.04 Linkliste zum Prüfleitungssatz zur KSQ bzw. zum Messgerät
18.05 Linkliste zu den Bauteilen der KSQ im Eigenbau
18.06 Linkliste zur Niederspannung-Halogen-Pendelleuchte
18.07 Linkliste zu Halogen-Schienensystem – Seilsystem
18.08 Linkliste zu Halogen-Schienensystem – Tischleuchte
18.09 Linkliste Neonleuchten
18.10 Linkliste Neon- praktischen Umbau
18.11 Linkliste zu den Bauteilen zur Bogenleuchte, Couch, Wohnzimmer
18.12 Linkliste zu den Bauteilen für die Leuchten in Vertäflungen, Holzdecken
18.13 Linkliste Schreibtischleuchte mit LED-Smart-Array, 6W, Granitlook
18.14 Linkliste zur LED-Leuchte für die Abzugshaube
18.15 Linkliste zum LED-Panel
18.16 Linkliste Mini-Deckenfluter
18.17 Linkliste zum LED-Panel
18.19 Linkliste zu den Handleuchten
18.20 Linkliste zur Leuchte für die Abstellkammer
19. Abkürzungen – Fachausdrücke
1. Die Autoren
1.01 S. Leuchtenberg
Geboren 1962, heute Rentner im Unruhestand, wohnhaft in einem kleinen Ort
unweit einer Landeshauptstadt, verheiratet, zwei Kinder, kleines Häuschen im
Ortskern. Vor seiner Rente hat er als Inhaber/Geschäftsführer eine Werbefabrik
geleitet und sein Geld mit Werbekonzepten und Produktdesign verdient. Dabei
drangen aus dem Schwerpunktbereich Produktdesign sehr viele Interna
ungewollt an sein Ohr, so dass er genau weiß, welche Ziele die Industrie wirklich
verfolgt:
Produkte nur so haltbar, dass sie eben die Garantiezeit überstehen - entschuldigt
mit stetig verbessernden Innovationen, in deren Genuss der Kunde nur dann
kommt, wenn man ihn zum Neukauf zwingt. Das Stichwort "geplante
Obsoleszenz" umschreibt dieses Verhalten sehr genau.
(Das es diese "Masche" der Industrie bereits seit Anfang des letzten
Jahrhunderts bis heute gibt, wurde im März 2013 mit der Veröffentlichung einer
Studie von Stefan Schridde und Christian Kreiß zu diesem Thema erneut belegt
(http://menschengerechtewirtschaft.de/?s=Obsoleszenz). Zahlreiche InternetPortale beschreiben vergleichbare Erscheinungen und die Ausführungen von
Herrn Prof. Dr. Christian Kreiß, (Volkswirtschaftslehre) machen Ursachen,
Motivation und Ergebnis dieses Handels deutlich und nachvollziehbar.)
Während langer und schwerer Krankheit musste der Leuchtenberg sein
Unternehmen verlassen und kann bis heute, wenn überhaupt, nur wenige
Stunden täglich Leistung erbringen. So hat er eine lange Phase der
Umorientierung erlebt, während der, nicht zuletzt bedingt durch die Krankheit,
seine Einstellung zum Leben und dessen Sinn von ihm grundlegend überarbeitet
wurde.
Deshalb schreibt er heute unter dem Namen S. Leuchtenberg Sachbücher, die
seine Leser unterstützen sollen, sich vom Diktat der Industrie zu befreien. Da sich
zurzeit der Markt für Leuchten und Leuchtmittel in einer Revolution befindet und
es erstmals seit der Erfindung des elektrischen Lichts möglich geworden ist,
hocheffiziente Leuchtmittel selbst zu bauen, hat er sich im ersten Anlauf diesem
Bereich des täglichen Bedarfs gewidmet. Dabei wird ausschließlich mit LEDs
gearbeitet, das derzeit effizienteste bekannte Leuchtmittel.
1.02 U. Stromfeld
In einer sehr angenehmen Zusammenarbeit mit einem Meister IHK für
Elektronik und Elektrotechnik sind inzwischen vier Bücher entstanden, die den
Bau einer LED-Leuchte vom Emitter bis z.B. zur fertigen Pendelleuchte
beschreiben. Der Meister Stromfeld, intern nur mit Ingenieur angesprochen,
versteht sich als Co-Autor, der überwacht und entwickelt, so dass die technischen
Beschreibungen absolut sicher und korrekt verfasst sind. So sind alle Schaltpläne
von Stromfeld entwickelt oder geprüft, berechnet und aufgezeichnet, ob jetzt der
einfache Messaufbau zur Strommessung mit Messwiderstand oder die in Band 1
vorgestellte MINI-KSQ, alles sind eigene Entwicklungen, geprüft und in
umfangreichen Verfahren getestet, bevor selbige als Anleitung erscheinen dürfen.
In den Jahrzehnten Praxis hat Stromfeld in diesem Bereich nahezu alles gesehen
und kann neben seiner fundierten Fachausbildung auf sehr umfangreiche
empirische Erkenntnisse zurückgreifen. Ihm steht auch jetzt im Ruhestand ein
umfangreiches Messlabor der Oberklasse zur Verfügung, sodass er exakte und
verlässliche Angaben zu den Bausätzen und deren elektrischen Eckdaten machen
kann.
1.1 Das gemeinsame Projekt
Es werden Leuchten für jeden Bedarf vorgestellt und die Autoren sind sich nicht
zu fein dazu, gut konzipierte Discounter-Leuchten zu "hacken", um so auch für
den kleinen Geldbeutel ansprechende Leuchten mit hoher Effizienz und
Lichtleistung zeigen zu können. Dabei bieten sie immer mehrere Möglichkeiten,
diesen Leuchten mittels "Upgrade" zu mehr Effizienz, Leistung und verlängerter
Lebensdauer zu verhelfen. Von recht schnell und einfach bis aufwendig bieten die
Autoren verschiedene Lösungen an, so dass jeder Leser nach Bedarf bzw. seinen
Möglichkeiten eigene Leuchten umbauen kann.
Es würde die Autoren sehr freuen, wenn möglichst viele Verbraucher sich von
ihrem Projekt inspirieren lassen. Besonders in Zeiten, in denen die Nutzung von
Energie aus Strom immer mehr zum Luxus wird, ist es wichtig, den Verbrauch in
diesem Bereich so klein wie möglich zu halten bzw. zu entwickeln. Das
Haushaltseinkommen nicht immer wiederkehrend für von geplanter Obsoleszenz
belastete Produkte aufwenden zu müssen, ist für jeden Verbraucher ein weiterer
wichtiger Grund, diesem Projekt aktiv beizutreten. Die Bücher von S.
Leuchtenberg und U. Stromfeld bieten praktische Hilfestellung mit genauen
Beschreibungen, die am Beispiel einen Basisaufbau erläutern und zugleich
möglichst viel Freiraum für die Kreativität ihrer Leser, die sie gerne User nennen,
einräumen. Das Lesen ist das "Vorspiel", diese Autoren möchten zum Bauen
inspirieren. Ob jetzt nachgebaut wird oder jemand seine eigene Idee nach dem
vorgestellten Grundprinzip umsetzt, spielt dabei keine Rolle.
Die verwendeten Baugruppen und Emitter sind von ausgesucht hoher Qualität
und sichern den Betrieb dieser Eigenkreationen für mehrere Jahrzehnte. Hier
gibt es keine geplante Obsoleszenz, ausgenommen die User bauen selbige ein,
was sicher niemand tun wird.
Sehr erfreut sind die Autoren über Vorschläge der User, für welche Leuchten
Anleitungen sinnvoll sind, besonders wenn die User diese Leuchten bereits
besitzen und sich wegen des tollen Designs selbiger nicht trennen möchten. Nur
wegen neuer Leuchtmittel muss ja nicht gleich die Leuchte unbrauchbar werden,
auch wenn es auf den ersten Blick so aussehen mag. Wo immer Lösungen
möglich sind, stellen die Autoren diese auch vor.
Ebenso sinnvoll kann es sein, sich eine Leuchte von Ikea, Möbelfundgrube,
Möbel-Martin oder welchem Anbieter auch immer zu kaufen, deren Design
überzeugt. Schicken Sie uns vorher eine Anfrage, wir schauen die Leuchte im
Netz oder vor Ort an und erläutern Ihnen genau, ob es Möglichkeiten gibt und
wenn ja welche, diese Leuchte auf LED-Leuchtmittel selbst umzubauen ohne auf
kurzlebige LED-Retrofits (LED-Leuchtmittel für E14, E27 bis GU10 bzw. MR16
Allgebrauchslampenfassungen) angewiesen zu sein.
Besonders attraktive Ergebnisse stellen wir in einer unserer nächsten Ausgaben
vor. Natürlich können User auch unsere Facebook-Seiten besuchen und sich dort
mit anderen Usern austauschen und/oder eigene Projekte vorstellen. Auch wir
präsentieren dort die bereits von uns auf Anfrage geprüften Leuchten aus dem
Handel, die einfach auf LED umgerüstet werden können.
In diesem Sinne, bauen Sie los und es werde Licht.
Hinweis
Wer sich für die Grundlagen nicht interessiert, sich mit Lötstation und Werkzeug
auskennt, Grundkenntnisse zu den Fachbereichen Elektronik und Elektrotechnik
hat und nur einige Modelle nachbauen möchte, der kann direkt mit den
Bauanleitungen fortfahren. In jedem Fall sollten Sie aber den Abschnitt „VDE –
Normen und Vorschriften“ lesen.
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1.2 Ein Team macht erfolgreiche
Arbeit erst möglich!
„Danke sagen fällt nicht schwer.“, sagt der Volksmund. Leider irrt gerade der
besonders oft. Es ist enorm schwierig nicht kitschig zu wirken und dennoch allen
angemessen zu danken, die sich mit sehr großem Einsatz und viel Elan an diesem
Projekt beteiligt haben oder auf die Zuwendung ihrer Partner, Väter und Freunde
verzichten mussten, weil diese mit dem vorliegenden Sachbuch beschäftigt
waren. All jenen auf diesem Weg ein herzliches Dankeschön. Auch den
Herstellern und Anbietern der im Buch exemplarisch abgebildeten Produkte ein
herzliches Dankeschön für die Hilfe und Unterstützung, z.B. mit ProduktAbbildungen und umfangreichen Online-Informationen vom Datenblatt bis zur
Maßzeichnung.
1.3 Auf ein Wort zum Thema: „Informationen aus dem Internet“
Leider können Sie Informationen aus dem Internet nicht einfach so verwenden,
ohne sie vorher zu bewerten. Dabei spielt die Quelle einer Information ebenso
eine Rolle wie Fragen nach dem Autor, den Beweggründen und der Qualifikation
desselben und last but not least nach der Relevanz der dargebotenen
Information,
um
nur
einige
wichtige
Bewertungskriterien
exemplarisch
herauszugreifen. Am Beispiel von Wikipedia und Duden können wir das gut
verdeutlichen. Im Fall von Wikipedia ist eine NGO mit vielen qualifizierten
Freiwilligen am Werk, bei Duden steht ein professioneller Anbieter hinter der
Information, der bereits über Jahrzehnte mit sehr hohem Anspruch an die
Richtigkeit derselben tätig ist.
So gesehen ist Wikipedia.org eine ausgezeichnete Wissensdatenbank, von vielen
Autoren hervorragend und ehrenamtlich aufgebaut, aber eben kein Duden. Wir
bedanken uns an diese Adressen herzlich. Dennoch erhebt bei Wikipedia
niemand den Anspruch oder gibt die Gewähr dafür, dass alle Einträge korrekt
sind und keine falschen oder missverständlichen Erklärungen im Wiki
eingepflegt wurden. Das macht es schwierig bis unmöglich, sich bei komplexen
Problemen auf diesem Weg selbst weiterzuhelfen. Dies bedeutet natürlich nicht,
das Wikipedia unrecht hat, aber dort nachzuschlagen kann nur einen ersten
Überblick und Stichworte für neue Suchbegriffe bedeuten, was dem User
ermöglicht, sich selbst weitere Quellen zu erschließen. Erst ein abschließender
Vergleich aller gesammelten Informationen liefert mit hoher Wahrscheinlichkeit
die richtigen Antworten auf gestellte Fragen.
Ihnen diesen Aufwand zu ersparen war für uns mit ein Anreiz dieses Buch zu
verfassen. Auch Ihnen ein herzliches Dankeschön, dass Sie sich für unser Buch
entschieden haben. Sie werden es sicher nicht bereuen. Versprochen!
1.4 Online-Bild-Archiv
Wir haben mit diesem Fachbuch, welches ausschließlich im KINDLE-Format
publiziert wird, in Sachen Publikationsweg absolutes Neuland betreten. Leider ist
dieses Format für die Präsentation hochaufgelöster Bilder meist eher ungeeignet.
Wir haben viele Motive so groß wie möglich abgebildet und sind dennoch mit der
Wiedergabequalität auf dem KINDLE bzw. PC nicht zufrieden. Deshalb bieten wir
unseren Usern ein Bild-Archiv an, das wir auf Anfrage kostenfrei per Mail als
gepackte ZIP-Datei versenden. In diesem Archiv sind alle wichtigen Abbildungen
enthalten, von EK-Listen über Schaltpläne bis hin zu Konstruktionszeichnungen.
Der Datenbestand liegt als hochaufgelöste JPEG-Bilder bzw. PDF-Dateien vor;
diese können Sie unabhängig von Ihrem Kindle am PC mit Ihrer gewohnten
Software sichten, bearbeiten und ausdrucken. So können Sie Ihre Projekte
bearbeiten, ohne Ihren KINDLE mitzunehmen und dem Staub einer Werkstatt
auszusetzen.
Anfrage an: [email protected], Betreff: Bild-Archiv, Band1
2. Parameter der Beleuchtung (Lumen, Lux & Co.)
Noch bis Ende des letzten Jahrhunderts hat sich kaum jemand Gedanken über
die Beleuchtung gemacht. Das am weitesten verbreitete Leuchtmittel war die
Glühlampe – und das seit über 100 Jahren. Daher wusste auch jeder, wie hell
eine 60 W-Glühlampe oder eine 100 W-Glühlampe war. Die Folge: im
allgemeinen Sprachgebrauch wurde Beleuchtungsstärke durch Angabe einer
Leistung ausgedrückt („Da brauchst Du so etwa 200 W.“). Die physikalisch
korrekten Parameter wie Lumen und Lux waren, ausgenommen in Fachkreisen,
weitestgehend unbekannt, weil sie schlicht und einfach nicht benötigt wurden.
Den Leuten, die Energie sparen wollten und deshalb Energiesparlampen (ESL)
einsetzten, wurde es leicht gemacht. Auf der Verpackung einer ESL war zum
Vergleich ausgezeichnet, welche Glühlampe („entspricht 60 W“) durch diese
ersetzt werden kann. Diese Unsitte hat sich bis zum heutigen Tag leider
durchgesetzt.
Leuchtmittel auf LED-Basis waren zu dieser Zeit noch keine ernsthafte
Konkurrenz.
Mit Ankündigung des Glühlampenverbots im Jahr 2007 und dessen schrittweise
Einführung ab 2009 hat sich die Situation grundlegend geändert. Begriffe wie
Lumen und Candela tauchen auf den Verpackungen von Leuchtmitteln auf,
aufgrund steigender Energiepreise hört man von Effizienz und liest eine Angabe
von lm/W (Lumen je Watt).
Doch was verbirgt sich hinter diesen Angaben? Müssen wir jetzt Physik studieren,
um die für unsere Wohnung passenden Leuchtmittel auszuwählen?
Nein, das müssen wir natürlich nicht. Bisher hat uns ganz einfach niemand die
Zusammenhänge erklärt. In diesem Kapitel werden wir dies gründlich nachholen.
2.1 Licht
Zu Beginn sollten wir eine ganz einfache Frage klären:
Was ist eigentlich Licht?
Streng physikalisch gesehen ist die Definition nicht einfach, da es einen
sogenannten „dualen Charakter“ hat. Man kann Licht sowohl als Welle als auch
als Teilchen betrachten.
In der Quantenphysik wird Licht als ein Strom von masselosen Teilchen, den
Photonen, beschrieben. Auch wenn dies die bisher beste Beschreibung bzw.
Berechnung liefert: für unsere Zwecke ist dieser Ansatz völlig unangebracht.
Gleichungen der Quantenphysik zur Berechnung der Beleuchtungsstärke
anzuwenden würde zwar ein korrekteres Ergebnis erzeugen; das wäre aber in
etwa das Gleiche, wie mit einer Cruise Missile auf Entenjagd zu gehen.
Uns genügt der Wellencharakter des Lichts. Licht ist damit für uns nichts anderes
als eine elektromagnetische Welle. Im Spektrum der elektromagnetischen Wellen
ist Licht deutlich über den uns bekannten Funkwellen und Radarstrahlungen
anzusiedeln, aber unter den Röntgenstrahlen.
Das sichtbare Licht hat dabei einen relativ schmalbandigen Wellenlängenbereich
von etwa 380 nm bis 780 nm:
Abbildung: B1-A-001 (© Horst Frank / Phrood / Anony, GFDL)
Jede Wellenlänge entspricht dabei einer bestimmten Farbe. Als Beispiel die
Wellenlängen und zugehörigen Farbbezeichnungen einiger farbiger LeistungsLEDs in Tabelle B1-T-001:
Tabelle: B1-T-001
Erst die Mischung von Licht aller relevanten Wellenlängen in einem bestimmten
Verhältnis ergibt weißes Licht. Das Spektrum des Sonnenlichts entspricht z.B. der
Strahlung eines Schwarzen Strahlers (Black Body, hierzu mehr in Kapitel 2.3) bei
einer Temperatur von 5500 K.
Wir halten fest: für Menschen sichtbares Licht besteht aus elektromagnetischen
Wellen im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm. Weißes Licht besteht
aus einer Mischung elektromagnetischer Wellen mit diesen Wellenlängen.
2.2 Lichtstrom
Sendet ein Körper Licht aus, so gibt er eine Strahlungsleistung Φ e ab. Die Einheit
der Leistung ist das Watt (W). Es wäre also durchaus möglich, bei Leuchtmitteln
die Strahlungsleistung in Watt anzugeben. Sinnvoll ist das aber aus zwei Gründen
nicht:
1. In die Strahlungsleistung fließen auch ultraviolette und infrarote Bereiche ein.
Eine 100 W- Glühbirne erzeugt eine Strahlungsleistung von 100 W. 95% bis 98%
dieser Leistung wird aber im Infrarotbereich (Wärmestrahlung) abgegeben, ist
also für das menschliche Auge gar nicht sichtbar.
2. Im Bereich der sichtbaren Strahlung arbeitet das Auge nichtlinear. Die
maximale Empfindlichkeit des menschlichen Auges liegt bei einer Wellenlänge
von 555 nm (grün). Bei höheren und niedrigeren Wellenlängen nimmt die
Empfindlichkeit
des
Auges
ab.
Die
so
entstehende
Empfindlichkeitskurve wird als V-Lambda-Kurve bezeichnet.
spektrale
Hell-
Anmerkung: die nachfolgend dargestellte Kurve entspricht dem Tagsehen des
Menschen; für die Nachtsicht gilt eine andere Kurve, die im Rahmen dieses
Buches aber uninteressant ist.
Abbildung: B1-A-002
Wie ist diese Kurve zu interpretieren? Nehmen wir z.B. an, eine Lichtquelle
erzeugt eine Strahlungsleistung von 1 W bei einer Wellenlänge von 555 nm
(grün). Dieses Licht erzeugt einen gewissen Helligkeitseindruck. Nehmen wir
jetzt eine zweite Lichtquelle, die die gleiche Strahlungsleistung hat, aber blaues
Licht mit einer Wellenlänge von 470 nm erzeugt. Der Helligkeitseindruck des
blauen Lichts entspricht dann nur noch etwa 10% im Vergleich zum grünen Licht.
Um dieser nichtlinearen Eigenschaft des Auges Rechnung zu tragen, wurde der
Begriff des Lichtstroms mit der Einheit Lumen eingeführt. Der Lichtstrom ist
die photometrische Entsprechung der Strahlungsleistung unter Berücksichtigung
der V-Lambda-Kurve. Anders ausgedrückt: der Lichtstrom normiert die
Strahlungsleistung
abhängig
von
der
spektralen
Empfindlichkeit
des
menschlichen Auges. Dadurch wird der Helligkeitseindruck unabhängig von der
Wellenlänge des Lichts darstellbar.
Für obiges Beispiel bedeutet dies: wenn die grüne Lichtquelle einem Lichtstrom
von 100 Lumen (lm) entspricht, erzeugt die blaue Lichtquelle nur einen
Lichtstrom von 10 lm.
Wir halten fest: der Lichtstrom in Lumen (lm) entspricht der Strahlungsleistung
einer Lichtquelle, berücksichtigt dabei aber die Eigenschaften des menschlichen
Auges. Dadurch wird sichergestellt, dass gleiche Angaben des Lichtstroms
unabhängig
von
der
Wellenlänge
des
Lichts
(Farbe)
dem
gleichen
Helligkeitseindruck entsprechen.
2.3 Farbtemperatur
Nach diesem kurzen Exkurs ins farbige Licht wenden wir uns nun wieder
unserem eigentlichen Anliegen zu, dem weißen Licht für Beleuchtungszwecke.
In Kapitel 2.1 haben wir bereits den Begriff „Schwarzer Strahler“ verwendet.
Hierbei handelt es sich um ein theoretisches Hilfsmittel der Physik, das in der
Realität eigentlich nicht existiert. Dennoch erlaubt der Schwarze Strahler (Black
Body) die Beschreibung physikalischer Vorgänge mit sehr hoher Genauigkeit.
Physikalisch gesehen erzeugt ein Schwarzer Strahler abhängig von der
Temperatur
ein
elektromagnetisches
Spektrum.
Dieses
Spektrum
ist
ausschließlich abhängig von der Temperatur. Wird die Temperatur ausreichend
erhöht, sendet der Schwarze Körper auch elektromagnetische Wellen im Bereich
des Lichts aus. Dabei gilt: je niedriger die Temperatur, desto größer ist der Anteil
roten Lichts, je höher die Temperatur, desto größer wird der Anteil blauen Lichts.
Diesen Effekt können wir z.B. beim Erhitzen von Stahl beobachten. Zunächst
beginnt dieser rot zu glühen. Bei steigender Temperatur wird die Glut
zunehmend gelblich, bis er schließlich weiß glüht.
Eine praktische Anwendung dieses Effekts findet man z.B. bei Glühlampen und
Halogenlampen. Hier wird ein Draht aus Wolfram erhitzt, um Licht zu erzeugen.
Glühlampen und Halogenlampen, aber auch einfache Kerzen und Fackeln sind
sogenannte Temperaturstrahler.
Abbildung: B1-A-003
Jede weiße Lichtquelle lässt sich so aufgrund der spektralen Verteilung des Lichts
einer bestimmten Temperaturkurve eines Schwarzen Strahlers zuordnen. Daraus
ergibt sich der Begriff Farbtemperatur.
So entspricht beispielsweise das Spektrum einer 60 W-Glühlampe annähernd
dem Spektrum eines Schwarzen Strahlers bei einer Temperatur von 2700 K
(Kelvin). Deshalb sagen wir: eine 60 W-Glühlampe hat eine Farbtemperatur von
2700 K.
Technisch wird die Lichtfarbe von Leuchtmitteln in 3 Gruppen eingeteilt:
Tabelle: B1-T-002
Warmweißes Licht wird als gemütlich bzw. behaglich empfunden, neutralweißes
Licht erzeugt eine sachliche Atmosphäre. Tageslichtweißes Licht (auch als
kaltweiß bezeichnet) wirkt technisch und entspricht dem einfallenden Tageslicht.
Hier einige Lichtquellen mit entsprechender Zuordnung der Farbtemperatur:
Tabelle: B1-T-003
Wir halten fest: mit der Farbtemperatur wird das Spektrum einer weißen
Lichtquelle dem Spektrum eines Schwarzen Strahlers bei eben dieser Temperatur
zugeordnet.
2.4 Effizienz
Im Bereich der Technik kennen wir den Begriff des Wirkungsgrades. Dieser
beschreibt das Verhältnis von Nutzleistung zur zugeführten Leistung. Übertragen
auf Lichtquellen würde dies dem Verhältnis der Strahlungsleistung zur
zugeführten elektrischen Leistung entsprechen. Wie wir aus Kapitel 2.2 bereits
wissen, ist die Verwendung der Strahlungsleistung hier aber nicht aussagekräftig.
Deshalb spricht man bei Lichtquellen von der Effizienz (auch wenn Effizienz und
Wirkungsgrad eigentlich das Gleiche beschreiben). Diese errechnet sich aus dem
Quotienten aus Lichtstrom und zugeführter Leistung und wird in Lumen je Watt
(lm/W) angegeben.
Strenggenommen wäre der korrekte Begriff hierfür eigentlich „Lichtausbeute“
(English: luminous efficacy), umgangssprachlich hat sich jedoch der Begriff
„Effizienz“ durchgesetzt.
Zum Vergleich einige typische Werte:
Tabelle: B1-T-004
Die maximal erreichbare Effizienz würde von einer monochromatischen
Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 555 nm (grün) erreicht, die 100% der
zugeführten Leistung in Licht umwandelt. Eine solche Lichtquelle hätte eine
Effizienz von 683 lm/W.
Für Beleuchtungszwecke wäre diese Lichtquelle natürlich völlig ungeeignet. Bei
weißen LEDs ergibt sich aufgrund der V-Lambda-Kurve ein theoretisches
Maximum von 260 bis 300 lm/W (je nach Lichtfarbe).
Hat also die LED eine Effizienz von 100 lm/W, bedeutet dies, dass – ausgehend
von 300 lm/W – ca. 33% der zugeführten Leistung in Licht umgewandelt werden.
Folglich werden 67% der zugeführten Leistung in Wärme umgewandelt.
Die Nichia NS2W757AT-V1 wandelt dementsprechend mit 156 lm/W bereits über
50% der zugeführten Leistung in Licht um.
Wir halten fest: die Effizienz von Lichtquellen wird in lm/W angegeben. Der so
erhaltene
Wert
bezieht
die
V-Lambda-Kurve
und
somit
die
Helligkeitsempfindlichkeit des menschlichen Auges bereits mit ein. Durch diese
Angabe werden Leuchtmittel unabhängig von der Lichtfarbe direkt vergleichbar.
2.5 Lichtstärke
Speziell bei Halogenstrahlern, aber auch bei LED-Retrofits mit den Sockeln GU10
oder GU5,3, findet man auf der Verpackung anstelle des Lichtstroms häufig die
Lichtstärke in Candela (cd) und zusätzlich den Öffnungswinkel des Strahlers in
Grad. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Lichtstrom und Lichtstärke?
Die Antwort ist einfach, die Umrechnung leider nicht. Die Lichtstärke I v ist
nichts weiter als der Lichtstrom bezogen auf einen Raumwinkel. Es gilt:
Dabei ist sr die Einheit des Steradianten. Der Steradiant dient zur Angabe der
Größe eines Raumwinkels Ω. Der Raumwinkel von 1 Steradiant umschließt auf
der Fläche einer Kugel mit 1 m Radius eine Fläche von 1 m².
Abbildung: B1-A-004
Um die Angaben auf der Verpackung umrechnen zu können, muss zunächst der
Öffnungswinkel α in Grad in ein Bogenmaß ω (Radiant, rad) umgewandelt und
anschließend der Raumwinkel Ω berechnet werden. Es gilt:
und:
Mit diesen Gleichungen könnte man jetzt die Lichtstärke in Lichtstrom
umrechnen und umgekehrt. Wesentlich einfacher ist die Verwendung
eines
entsprechenden
Online-Rechners.
Ein
sehr
gutes
Umrechnungswerkzeug finden Sie hier. Beachten Sie dabei aber, dass
sowohl die Gleichungen als auch das Umrechnungswerkzeug nur für
annähernd punktförmige Lichtquellen gelten (1000 mcd entspricht 1 cd).
Wir halten fest: bezieht man den Lichtstrom auf einen Raumwinkel, ergibt
sich daraus die Lichtstärke.
2.6 Beleuchtungsstärke
Mit der Beleuchtungsstärke E v wird ausgedrückt, wie hell eine Fläche
ausgeleuchtet wird. Die Beleuchtungsstärke ist der Quotient aus Lichtstrom und
Fläche, die Einheit ist das Lux (lx). es gilt:
Mit der Angabe der Beleuchtungsstärke kann eine qualitative Aussage über die
Beleuchtungssituation an einem Ort gemacht werden. Eine exakte Vorhersage der
Beleuchtungsstärke und deren Helligkeitseindruck ist allerdings praktisch
unmöglich.
Der Helligkeitseindruck ist von vielen Faktoren abhängig. Hauptgrund ist hierfür
das menschliche Auge. Das menschliche Auge arbeitet in einem sehr großen
Helligkeitsbereich, der Lichtintensitäten von 1 : 10 Milliarden entspricht.
Außerdem arbeitet das Auge annähernd logarithmisch. Um zu veranschaulichen,
was dies bedeutet, hier zunächst eine (unskalierte) logarithmische Kurve:
Abbildung: B1-A-005
Auf die X-Achse übertragen denken wir uns die Beleuchtungsstärke, auf der YAchse sei das Helligkeitsempfinden dargestellt. Beginnend bei der Sehschwelle
bewirkt eine geringe Vergrößerung der Beleuchtungsstärke eine große Änderung
des Helligkeitseindrucks. Je größer die Beleuchtungsstärke wird, desto geringer
wird der Unterschied des Helligkeitseindrucks.
Zur Verdeutlichung hier eine Tabelle typischer Beleuchtungswerte:
Tabelle: B1-T-005
Aus dieser Tabelle wird auch eine weitere Eigenschaft erkennbar. Der
Helligkeitseindruck wird auch maßgeblich von der Umgebung bestimmt; es
macht einen sehr großen Unterschied, ob wir uns im Freien oder in
geschlossenen Räumen befinden.
Ein Operationssaal mit 10000 lx erscheint uns gleißend hell. Halten wir uns aber
an einem Sommertag im Schatten auf, wirken die gleichen 10000 lx eher
angenehm gedämpft. Das Helligkeitsempfinden entspricht in diesem Fall eher
dem gleichen Helligkeitseindruck, den wir in einem geschlossenen Raum bei
einer Beleuchtungsstärke von etwa 300-500 lx haben würden.
Es ist also nicht ganz einfach, eine Raumbeleuchtung zu planen. Grundsätzlich
gilt: je anspruchsvoller die auszuführenden Arbeiten sind, desto größer sollte die
Beleuchtungsstärke sein. Um ein Buch ermüdungsfrei lesen zu können, sind
300 lx völlig ausreichend. Wenn es allerdings darum geht, eines unserer Projekte
mit
SMD-LEDs
nachzubauen,
sollte
am
Arbeitsplatz
eher
eine
Beleuchtungsstärke von 1000-2000 lx herrschen. Dabei ist es natürlich nicht
sinnvoll, diese Beleuchtungsstärke im ganzen Raum zu erzeugen. Wir verwenden
hier einfach zusätzlich zur normalen Raumbeleuchtung eine zusätzliche
Arbeitsplatzleuchte.
Beim annähernden Abschätzen der erzielten Beleuchtungsstärke ist der weiter
oben erwähnte Online-Rechner
hilfreich. Beachten Sie dabei aber
unbedingt, dass die berechneten Werte nur für annähernd punktförmige
Lichtquellen gelten. Die tatsächlich erzielte Beleuchtungsstärke können
Sie nur mit einem Luxmeter messen. Für die meisten Anwendungen ist
das Abschätzen aber völlig ausreichend.
Alternativ hilft diese Tabelle:
Tabelle: B1-T-006-A
Die hier angegebenen Beleuchtungsstärken beziehen sich auf einen Lichtstrom
von 1000 lm. Wenn ihre Lichtquelle einen anderen Lichtstrom hat (was
anzunehmen ist), korrigieren Sie die Luxwerte einfach mit dem entsprechenden
Faktor. Hat ihre Lichtquelle z.B. 2000 lm, multiplizieren Sie die Werte einfach
mit dem Faktor 2, bei 500 lm halbieren Sie die Werte entsprechend.
Hier wird auch der Zusammenhang zwischen Lichtstrom, Öffnungswinkel,
Entfernung und Beleuchtungsstärke deutlich:
Eine
Verdopplung
des
Lichtstroms
bewirkt
eine
Verdopplung
der
Beleuchtungsstärke; der Zusammenhang ist also linear.
Eine Halbierung des Öffnungswinkels bzw. eine Halbierung des Abstands bewirkt
eine Vervierfachung der Beleuchtungsstärke; die Beleuchtungsstärke nimmt also
mit dem Quadrat der Entfernung bzw. des Winkels ab.
Wir halten fest: mit der Beleuchtungsstärke wird angegeben, wie hoch der
Lichtstrom je Flächeneinheit ist. Ein Rückschluss auf die so erzielte Helligkeit ist
nur bedingt möglich.
2.7 Farbwiedergabeindex
Auf der Verpackung von hochwertigen Leuchtmitteln sowie in den Datenblättern
von weißen LEDs der Markenhersteller wird der Farbwiedergabeindex als CRIWert angegeben. CRI steht dabei für Colour Rendering Index.
Der maximal mögliche Wert beträgt 100 Ra, was einer idealen Farbwiedergabe
bei Tageslicht entspricht. Je größer dieser Wert ist, desto besser werden die
Farben eines angestrahlten Objekts wiedergegeben. Eine Angabe von „CRI: 80
Ra“ bedeutet bereits eine gute Farbwiedergabe. Oft wird das „Ra“ auch
weggelassen, womit die Angabe mit gleicher Bedeutung zu „CRI: 80“ wird.
Bevor wir die Zusammenhänge näher erläutern gleich ein Hinweis vorweg:
Kaufen Sie keine Leuchtmittel, bei denen der CRI-Wert nicht angegeben ist! Das
Fehlen dieser Angabe lässt unmittelbar auf eine schlechte Farbwiedergabe
schließen. Mit solchen Leuchtmitteln werden Sie nicht glücklich, ein blauer oder
grüner Farbstich ist sehr wahrscheinlich.
Vereinfacht ausgedrückt wird durch die Angabe des CRI-Wertes angegeben, wie
nah die Spektralverteilung einer Lichtquelle der Spektralverteilung eines
Schwarzen Strahlers mit gleicher Farbtemperatur gleicht. Je identischer die
beiden Spektren sind, desto besser ist der Farbwiedergabeindex.
Um diesen Wert zu bestimmen wird zunächst das Spektrum der zu
untersuchenden Lichtquelle vermessen. Die weitere Bestimmung erfolgt dann
rein rechnerisch.
Zur Berechnung des Farbwiedergabeindex sind 14 Testfarben definiert:
Tabelle: B1-T-007
Die Wiedergabequalität dieser Farben wird nun zu R1 bis R14 berechnet und
anschließend gemittelt. Meist wird nur der Ra-Wert angegeben. „a“ steht dabei
für allgemein und bedeutet, dass nur die ersten 8 Testfarben verwendet werden
(also R1 bis R8).
Dieses Verfahren stammt aus den 1930er Jahren und ist inzwischen umstritten.
Durch die Mittelwertbildung der einzelnen Testfarben und das Auslassen der
gesättigten Farbtöne ist es durchaus möglich, dass ein Leuchtmittel mit einem
CRI von 80 Ra einen deutlichen Farbstich aufweist, während ein anderes
Leuchtmittel mit 75 Ra eine erheblich ausgewogenere Farbwiedergabe erzeugt.
Hier hilft nur: ausprobieren oder Empfehlungen versierter Nutzer folgen.
Es wurden bereits neue, aussagekräftigere Testverfahren entwickelt, zu einer
neuen Norm ist es aber bisher nicht gekommen; nicht unerhebliche Ursache
dürften Meinungsverschiedenheiten zwischen Forschung und Produktion sein.
Folglich müssen wir bis auf weiteres mit dem CRI-Wert leben. Welchen
Farbwiedergabeindex wir für Beleuchtungszwecke anstreben sollten, hängt
natürlich in erster Linie von der Anwendung ab. Im Treppenhaus oder bei
Außenbeleuchtungen ist ein hoher CRI-Wert nicht erforderlich; hier sind 70 Ra
normalerweise völlig ausreichend.
Im allgemeinen Wohnbereich sind 80-85 Ra ein guter Wert. Mit bloßem Auge ist
ein Unterschied zu einem höheren Farbwiedergabeindex praktisch nicht mehr
feststellbar.
Nur bei extrem kritischen Anwendungen sollte ein Wert von 95 Ra oder besser
angestrebt werden. Hierzu zählt natürlich die Fotografie. Eine Fotoleuchte mit
75 Ra macht absolut keinen Sinn. Je nach Persönlichkeit kann hierzu allerdings
auch die Beleuchtung am Schminktisch oder im Bad zählen.
Wir halten fest: mit dem Farbwiedergabeindex (CRI) wird die Fähigkeit einer
Lichtquelle
beschrieben,
unterschiedliche
Farben
möglichst
naturgetreu
wiederzugeben. Der Idealwert ist 100 Ra, Werte ab 80 Ra werden als gut
angesehen.
3. Ihre Leuchte planen
Da Sie einen Überblick gewinnen konnten, welche Beleuchtungsstärke Sie für die
unterschiedlichen Sehaufgaben benötigen und daraus auch den Lichtstrom
ungefähr ermitteln können, kann nun konkret geplant werden.
Haben Sie sich für eine bestimmte LED und Lichtfarbe entschieden, sollten Sie
im nächsten Schritt zur Lichtfarbe in Kelvin die passende Beleuchtungsstärke
ermitteln, dazu kann Ihnen die folgende Abbildung eine Hilfestellung geben.
Abbildung: B1-A-006
Grundlage dieser Grafik ist das Sonnenlicht. Dabei sind die Forscher
(Kruithoff‘scher Behaglichkeitsbereich) davon ausgegangen, dass wir Menschen
an
den
täglichen
Körperfunktionen
Tages-Lichtzyklus
davon
beeinflusst
gewöhnt
werden.
In
sind
und
Abhängigkeit
zahlreiche
von
der
Farbtemperatur des Lichts und der Beleuchtungsstärke ergibt sich eine Zone
(oben grün dargestellt), die als Behaglichkeitsbereich bezeichnet wird. Dabei wird
berücksichtigt, dass bei unterschiedlichen Farbtemperaturen des Lichts
bestimmte Beleuchtungsstärken als natürlich und damit behaglich empfunden
werden. Kurz vor Sonnenuntergang würde ein strahlend blauer Himmel
unnatürlich erscheinen. Umgekehrt wäre es am Mittag, wenn der Himmel
plötzlich in einem dunklen Karminrot leuchten würde. Sicherlich sind das zur
Abwechslung spannende Szenarien, aber auf die Dauer wird es anstrengend und
bringt unseren Biorhythmus durcheinander.
Diesen Bedingungen sollten wir also unbedingt Rechnung tragen, wenn wir eine
eigene Leuchte planen. Wie Sie auf Abbildung B1-A-006 sehen, werden
ausschließlich
Lux
angegeben,
die
korrekte
Bezeichnung
für
die
Beleuchtungsstärke. Für uns ist es jetzt sehr wichtig, dass wir uns genau
überlegen, wo die zu planende Leuchte eingesetzt wird und welche Fläche
ausgeleuchtet werden soll. Jetzt können wir die benötigten Lumen zur passenden
Lichtfarbe kalkulieren und die entsprechende Anzahl LEDs einkaufen. Im
nächsten Schritt planen wir die Stromversorgung. Dabei berücksichtigen wir, was
wir unten zu den Themen Beschaltung von LEDs und SNTs lernen werden
(Kapitel 7 und 9). So kann die Leistung einer KSQ am einfachsten optimal
ausgeschöpft werden, wenn wir mehrere LEDs in Reihe schalten und zugleich
diese Schaltung mehrmals parallel zu einer KSQ anwenden. Bitte beachten Sie die
Musterberechnungen in dem zugehörigen Kapitel 7.
Haben wir uns für eine bestimmte LED entschieden, müssen wir im nächsten
Schritt berechnen, welche Kühlfläche wir benötigen (Kapitel 8), um die Abwärme
der LEDs wirtschaftlich und so umfangreich wie möglich abzuleiten. Diese
Kenngröße müssen wir beim Bau von Leuchten immer zugrunde legen. Oft reicht
bereits der Alu-Rahmen einer Leuchte, um ausreichend Kühlfläche zu erhalten.
Einfache Flächenberechnungen helfen uns bei der Einschätzung. Achten Sie
darauf, das nur thermisch gut verbundene Flächen zusammenhängend betrachtet
werden können. Als Kühlfläche wird üblich nur die größte Fläche des Mantels
eines Körpers betrachtet, soweit dieser von Luft umströmt werden kann.
3.1 Internes oder externes Netzteil?
Externe SNTs haben den Vorteil, dass Sie keinerlei Arbeiten an Netzspannung
ausführen müssen, also auch keine Elektrofachkraft benötigen. Vorteil und
Nachteil zugleich: Sie brauchen und können solche SNT nur an eine Steckdose
anschließen. Deshalb sind solche Modelle für Deckenleuchten nicht geeignet,
zumindest dann nicht, wenn selbige über den vorhandenen Wandschalter
geschaltet werden soll und über dafür vorgesehene Stromkabel aus der
Zimmerdecke verdrahtet werden. Wie Sie sich auch immer entscheiden, beachten
Sie, dass Ihr SNT mit der dafür erdachten Leuchte harmoniert. Unterlastete SNT
verlieren an Effizienz, überlastete SNT haben eine kurze Lebensdauer oder
schalten lastbedingt komplett ab. Je besser ein SNT gekühlt wird umso länger ist
seine Lebensdauer, beachten sie dies bitte bei der Planung Ihrer Beleuchtung.
3.2 Design
Grundsätzlich müssen LED-Leuchten so konstruiert sein, dass der User nicht
direkt in die Emitter schauen kann bzw. einen ausreichenden Abstand zur
Lichtquelle hat (Downlights an der Decke). Eine Plexiglas-Scheibe SATINICE
oder Ähnliches, streut das Licht der Emitter und mindert die Gefahr der
Blendung erheblich.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Lichtstrom nur indirekt in den Raum
abzustrahlen und die Leuchte so aufzubauen, dass ein Blick in die Emitter
erheblichen
Aufwands
bedarf
oder
unmöglich
ist
(Wandleuchte
bzw.
Deckenfluter Kapitel 15.10 und 15.60).
Durch die vielseitigen Eigenschaften von Plexiglas und Folien ist ein völlig freies
Design möglich. Dazu gibt es sehr viele verschiedene Alu-Profile und -Stangen im
Handel, auch das ermöglicht eine große Vielfalt an möglichen Leuchten ganz
ohne Sonderanfertigungen oder Ähnliches. Teilweise macht es auch Sinn, völlig
neue Wege zu gehen. Allein die Materialwahl kann den entscheidenden
Unterscheid ausmachen. Beachten Sie, dass eine moderne Leuchte nicht nur gut
auszusehen hat, sie darf auch zu Ihrer Einrichtung passen.
So kann es durchaus eine Lösung sein, die komplette Decke eines engen
Windfangs im Eingangsbereich zur Leuchte umzubauen. Rundum einfache Holzoder Alu-Leisten ca. 8 cm unter der Decke als Träger für eine Plexiglas-Scheibe
aus SATANICE montieren. Zwei gegenüberliegende Seiten bleiben zunächst ohne
Leisten. Das Plexiglas wird so zugeschnitten, dass es von unten auf die beiden
bereits montierten Leisten aufgelegt werden kann und nach der Montage der
beiden verbleibenden Leisten keine Spalte offen bleiben.
Bevor Sie Plexiglas und Leisten auflegen bzw. montieren, bestücken Sie eine
Anordnung
Alu-Flachstangen
mit
LEDs
Ihrer
Wahl,
montieren
diese
Lichtschienen sowie eine Stromversorgung an die Decke und schließen diese an
die Anschlüsse der früheren Deckenleuchte in diesem Raum an. Werden jetzt die
Leisten an die Decke montiert und die Plexiglas-Platte eingelegt, entsteht eine
komplett leuchtende Decke. So können Sie das Kleingedruckte an der Haustür
auch an trüben Novembertagen bequem lesen und bieten Ihrem Besucher einen
leuchtend hellen und freundlichen Empfang.
zurück zum Inhalt
4. VDE – Normen und Vorschriften.
In Deutschland gibt es klare Vorschriften für den Umgang mit dem
Niederspannungsnetz zwischen 230 und 1000 V AC. So sind sowohl die Leiter
klar gekennzeichnet, (Einzelheiten) sowie die Arbeiten exakt unterteilt in solche,
die jeder User ausführen darf und solche, die nur ein Fachhandwerker
(Definition) erledigen darf. Grundsätzlich darf der User nur den Stecker in die
Steckdose stecken, mehr nicht. Alle anderen Arbeiten, wie das Anschließen von
Netzteilen an 230 V sowie der Ein- und Anbau von Netzkabeln, darf nur der
Fachhandwerker ausführen. Gleiches gilt beim Anschießen von Zimmerleuchten
an 230VNetzspannung.
Es mag jeder über diese Vorschriften denken was er möchte, eines ist sicher, es
gibt beim Umgang mit Strom eine Menge zu beachten. Immerhin liegen auf einer
normalen Schuko-Steckdose (Steckdose mit Schutzkontakt) 230 V bei 16 A an,
also eine Leistung von 3680 Watt oder 5 PS. Fünf Pferde wollen anständig
eingespannt sein, damit sie nicht durchgehen. Das gleiche gilt für jede elektrische
Verbindung im Umfeld von 230 V. Deshalb nehmen Sie dies bitte nicht auf die
leichte Schulter. Überall wo wir Angaben zum Umgang mit 230V-Netzspannung
machen, machen wir diese nur, damit Sie wissen, was Sie beim Fachmann Ihres
Vertrauens anfragen bzw. bei der Kostenberechnung berücksichtigen sollten.
Unsere Schaltungen sind alle erprobt. Wir haben kein Projekt vorgestellt, das
nicht seit längerer Zeit fehlerfrei seinen Dienst tut. Dennoch lehnen wir jede
Haftung für Schäden ab, die unter Umständen durch falsche Beschaltung
und/oder fehlerhaften Umgang mit Netzspannung und Leuchten entstehen
könnten. Wenn Sie nicht sicher wissen, was zu tun ist, ziehen Sie einen
Fachmann hinzu oder kaufen fertige Leuchten, was in jedem Fall preisgünstiger
ist als einen Brandschaden selbst zahlen zu müssen, weil die Versicherung die
Haftung ablehnt, nachdem der Gutachter als Brandursache „laienhafte
Elektroarbeiten an 230VNetzspannung“ ermittelt hat. „Laienhaft“ ist in diesem
Zusammenhang nach den VDE-Normen ein sehr dehnbarer Begriff. Bitte
beachten Sie das (Definition).
Sie sollten auch bei der Wahl Ihrer Netzteile immer darauf achten, dass Sie die
passende Schutzart kaufen. Die Schutzarten sind durch zwei Kennziffern
bezeichnet, denen die Buchstaben IP vorangestellt sind. Dabei informiert die
erste Ziffer über den Schutz gegen Berühren bzw. Fremdkörper und die zweite
über den gegen Feuchtigkeit bzw. Wasser. So gibt es Netzteile die zeitweiliges
Untertauchen in Wasser (z.B. IP67) vertragen oder andere, die nur in trockene
und geschlossene Gehäuse eingebaut werden dürfen (z.B. IP20). Wir erkennen
anhand der unten stehenden Tabellen, dass die Schutzart IP67 staubdicht und
gegen zeitweiliges Untertauchen in Wasser gesichert ist. Weiter gibt es eine
vollständige Sicherung gegen das Berührungen stromleitender Bauteile.
3.1 Bedeutung der ersten Ziffer nach der Bezeichnung IP
Tabelle: B1-T-008
3.2 Zweite Ziffer und deren Bedeutung
Tabelle: B1-T-009
Weitere Informationen erhalten Sie unter: Schutzarten, zurück zum Inhalt
5. Grundlagen der Elektronik und Elektrotechnik
In den folgenden Kapiteln beschäftigen wir uns mit Grundlagen der
Elektrotechnik, soweit dies für den Betrieb von LED-Schaltungen notwendig ist.
Wenn Sie bereits Kenntnisse auf diesem Gebiet besitzen, das Ohmsche Gesetz
anwenden können und in der Lage sind, Leistung zu berechnen, lesen Sie bitte ab
Kapitel „Einführung in die Fehlerbetrachtung“ weiter.
Da Sie, abgesehen von LEDs, in unseren Projekten nur Widerstände verwenden
sowie Spannungen und Ströme bestimmen, beschränken wir uns auf den
folgenden Seiten auf diese (ohmschen) Bereiche. Wir können und wollen damit
keinen kompletten Grundlehrgang Elektronik bzw. Elektrotechnik ersetzen.
5.1 Strom, Spannung, Widerstand, Leistung
Die beiden wichtigsten physikalischen Größen in der Elektrotechnik sind
Spannung und Strom.
Die Spannung mit dem Formelzeichen „U“ beschreibt, vereinfacht ausgedrückt,
die Kraft, die auf Ladungsträger ausgeübt wird, um diese vom Pluspol zum
Minuspol zu bewegen. Die Einheit der Spannung ist das Volt (V).
In einem elektrischen Leiter bewirkt die Spannung einen Transport von
Ladungsträgern (bei metallischen oder allgemeinen Festkörperleitern ist das ein
Elektronenfluss), der als Strom (Formelzeichen „I“) bezeichnet wird. Die Einheit
des Stroms ist das Ampere (A).
Ist die Spannung zeitlich unverändert, also konstant, spricht man von
Gleichspannung. Wechselt die Spannung periodisch ihre Polarität, spricht man
von
Wechselspannung.
An
Ihrer
Steckdose
zuhause
liegt
z.B.
eine
Wechselspannung von 230 V mit einer Frequenz von 50 Hz an, d.h. diese
Spannung wechselt 50mal je Sekunde die Polarität. Für den Betrieb von LEDs ist
grundsätzlich Gleichspannung bzw. -strom erforderlich. Wenn im Folgenden
nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, gehen wir deshalb immer von
Gleichspannung aus.
Mit den beiden Größen Strom und Spannung ist es in der Praxis möglich eine
Leistung „P“ (P für Power) zu erzeugen. Im einfachsten Fall kann dies ein
Heizlüfter sein, der elektrische Leistung in Wärme und Bewegung umwandelt, ein
Verstärker, der elektrische Energie in Schall umwandelt, oder in unserem Fall
eine LED, die elektrische Leistung in Licht und Wärme umwandelt.
Die Einheit der Leistung P ist das Watt (W).
Es gilt:
Die Einheit Watt ist in der Elektrotechnik also eine aus den Größen Spannung
und Strom berechnete Einheit (analog zur mechanischen Leistung in Watt,
welche aus den Kenngrößen Zeit in Sekunden, Weg in Meter und Kraft in N
ermittelt wird).
Ein Verbraucher, wie ein Heizlüfter, nimmt z.B. eine Leistung von 2 kW auf, also
2000 W.
Damit haben wir bereits unsere erste Schaltung definiert. Wir benötigen eine
Spannungsquelle, die für den erforderlichen Transport der Ladungen, also den
Strom, sorgt und einen Verbraucher, der diese elektrische Energie in eine von uns
gewünschte Nutzenergie umwandelt. Meistens möchten wir noch in der Lage
sein, diese Funktion zu aktivieren bzw. deaktivieren; wir fügen deshalb noch
einen Schalter ein. Unter einem Schalter verstehen wir hier ein Element, das den
Stromkreis schließen oder öffnen kann:
Schaltbild: B1-SB-001
Bat1 ist unsere Spannungsquelle, in diesem Fall eine Batterie. Der breitere Strich
des Schaltzeichens kennzeichnet den Pluspol. S1 ist der Schalter, hier ein
sogenannter Schließer, der folglich im Ruhezustand geöffnet ist. R1 ist unser
Verbraucher, in diesem Fall ein Ohmscher Widerstand. Die Einheit des
Widerstands ist das Ohm(Ω).
In Schaltplänen ist es üblich die Einheit wegzulassen. Aufgrund des
Schaltzeichens ist ohnehin klar, welche Einheit gültig ist. Stattdessen wird statt
eines Kommas ein Buchstabe verwendet. Bei Widerständen bedeutet dabei der
Buchstabe R Faktor 1, der Buchstabe k Faktor 1000 (Kilo), der Buchstabe M
Faktor 1000000 (Mega). Statt 12,7 Ω schreibt man also 12R7, statt 1,5 kΩ
schreibt man 1k5, statt 1,2 MΩ dementsprechend 1M2. Sinn des Ganzen ist die
eindeutigere Lesbarkeit; je nach Schriftgröße kann ein Kommazeichen schnell
übersehen werden. Nach dieser Regel hat der Widerstand R1 in obigem
Schaltplan den Wert 15 Ω.
Möchte man in einem Schaltplan Spannungen und Ströme einzeichnen, geschieht
dies in Form von Pfeilen:
Schaltbild: B1-SB-002
Dabei weisen die Pfeile immer vom Pluspol zum Minuspol. Die Spannung der
Batterie beträgt also 1,5 V. Der Strom fließt technisch betrachtet von Plus nach
Minus.
Wird der Schalter geschlossen, fließt der Strom I vom Pluspol der Batterie über
den Widerstand zum Minuspol der Batterie. Der Zusammenhang zwischen
Spannung U, Widerstand R und Strom I wird durch das Ohmsche Gesetz
beschrieben:
Um den Strom in obiger Schaltung zu berechnen, müssen wir die Gleichung nach
I umstellen und die vorhandenen Werte einsetzen:
Durch den Widerstand fließt also ein Strom von 0,1 A oder auch 100 mA. Dabei
wird im Widerstand eine Leistung umgesetzt, die wir berechnen können.
Sind von den Größen U, I, R und P zwei Werte bekannt, kann mit Hilfe der
Gleichungen für die Leistung P und des Ohmschen Gesetzes eine dritte Größe
berechnet werden, indem beide Gleichungen über das Einsetzungsverfahren
zusammengefasst werden. Das Herleiten der entsprechenden Gleichungen
möchten wir Ihnen hier ersparen. Die jeweils benötigte Ableitung können Sie aus
dem Formelrad der Elektrotechnik unten entnehmen.
Abbildung: B1-A-007
5.2 Reihenschaltung, Parallelschaltung
Schaltet man mehrere Bauelemente hintereinander, so spricht man von einer
Reihenschaltung, unten am Beispiel von drei Widerständen gezeigt.
Schaltbild: B1-SB-003
Der Gesamtwiderstand berechnet sich aus der Summe der Einzelwiderstände.
Wir berechnen im Beispiel den Gesamtwiderstand der Reihenschaltung.
Schaltbild: B1-SB-004
Wird an die Reihenschaltung eine Betriebsspannung (im Beispiel 12 V) angelegt,
ist die über den einzelnen Widerständen abfallende Spannung direkt
proportional zu den Widerstandswerten. Die Summe der Einzelspannungen ist
gleich der Betriebsspannung.
Schaltbild: B1-SB-005
Allgemein ausgedrückt gilt also:
Damit ist auch der Strom in allen Widerständen gleich groß.
Von einer Parallelschaltung spricht man, wenn jeweils die gleichen Anschlüsse
der Bauteile miteinander verbunden sind. Eine Parallelschaltung dreier
Widerstände sehen sie unten.
Schaltbild: B1-SB-006
Wird an diese Schaltung eine Betriebsspannung angelegt, verteilen sich die
Ströme und Spannungen wie folgt:
Schaltbild: B1-SB-007
Da je ein Anschluss eines Widerstandes mit dem Pluspol der Betriebsspannung
und der jeweils andere Anschluss mit dem Minuspol verbunden ist, gilt:
Der Gesamtstrom verteilt sich hingegen auf alle drei Widerstände. Folglich gilt:
Aus dem Ohmschen Gesetz können wir ableiten, das sich die Einzelströme
umgekehrt proportional zu den Widerständen verhalten, d.h. je größer der
Widerstandswert desto kleiner der Strom und umgekehrt.
Den Gesamtwiderstand der Schaltung ermitteln wir mit nachstehender Formel:
Der Gesamtwiderstand der Schaltung ist damit immer kleiner als der kleinste
Einzelwiderstand.
Für die Parallelschaltung von 2 Widerständen lässt sich die Formel für die
Berechnung des Gesamtwiderstandes vereinfachen:
Eine interessante Anwendung dieser Formel ergibt sich, wenn Sie die Formel
nach R2 umstellen:
Nehmen wir an, Sie benötigen einen Widerstand von genau 310 Ω. Dieser Wert
ist aber in den Normreihen der Widerstände nicht erhältlich. In diesem Fall
nehmen Sie einfach einen etwas größeren Normwert, hier 324 Ω. Jetzt können
Sie mit obiger Gleichung berechnen, welchen Widerstandswert Sie parallel
schalten müssen, um genau auf 310 Ω zu kommen. Der gewünschte
Gesamtwiderstand beträgt 310 Ω; R1 hat einen Wert aus der Normenreihe von
324 Ω.
Sie müssen also einen Widerstand mit 7174 Ω bzw. 7,174 kΩ parallel schalten, um
den gewünschten Wert zu erhalten. Diesem Wert am nächsten kommt der
Normwert 7,15 kΩ.
Setzen wir die Werte zur Kontrolle in die Gleichung zur Berechnung des
Gesamtwiderstandes ein:
Nach diesem Prinzip können Sie praktisch jeden gewünschten Widerstandswert
erreichen. Beachten Sie, dass Widerstände meist einer Toleranz von wenigstens
1% unterliegen. Also darf man sagen, der Widerstand mit 309,95 Ω bedient exakt
unsere Anforderung. Um einen Widerstand tatsächlich auf diese Genauigkeit zu
bestimmen, müssen Sie allerdings zuvor den niederohmigen Wert ausmessen.
Zum Thema Messen erfahren Sie im nächsten Kapitel mehr.
5.3 Kurze Einführung in die Fehlerbetrachtung beim Messen
Die meisten Menschen, die ein Digitalmultimeter besitzen, vertrauen blind auf
die Anzeige ihres Messinstruments. Der Messwert wird ja digital im Klartext
angezeigt, Fehlinterpretationen sind dadurch praktisch ausgeschlossen. Folglich
muss der Messwert ja stimmen. Richtig? Nein, falsch! Durch den Messvorgang
beinflussen wir die Messgröße; wir schalten ja unser Messgerät parallel zu
unserem Messobjekt, erzeugen also eine Parallelschaltung. Dadurch liegt am
Messobjekt während der Messung ein anderer (meist niedrigerer) Wert an, als
dies ohne Messung der Fall wäre.
Es ist deshalb grundsätzlich unmöglich, den wahren Wert einer Größe durch eine
Messung zu bestimmen. Man kann sich nur bemühen, möglichst nah an den
wahren Wert heranzukommen. Je genauer das verwendete Messgerät ist und je
geringer der tatsächliche Wert verfälscht wird, desto näher kommt der Messwert
an den wahren Wert heran.
Diesen Sachverhalt wollen wir hier am Beispiel des PEAKTECH-3335Multimeters verdeutlichen. Im Handbuch des Multimeters finden Sie auf Seite 31
unter „Function and Ranges“ in den Tabellen in der Spalte „Accuracy“ die
Genauigkeit des Gerätes für die verschiedenen Messbereiche. Der korrekte Begriff
wäre an dieser Stelle „Messunsicherheit“.
5.4 Einige wichtige Begriffserklärungen
Bei Fehlerangaben unterscheiden wir zwischen absoluten Fehlern und
prozentualen Fehlern. Der absolute Fehler hat immer die gleiche Einheit wie der
Messwert. Haben wir bei einer Spannung von 1,000 V eine Abweichung von
0,02 V, so beträgt der absolute Fehler 0,02 V. Bezogen auf den Sollwert der
Messung beträgt die Abweichung 2%, deshalb könnten wir auch sagen, wir haben
eine prozentuale Abweichung (einen prozentualen Fehler) von 2%.
Die größte Zahl, die das Multimeter anzeigen kann, ist 1999. Hierzu sagt man
auch: Das Multimeter hat einen Anzeigeumfang von 1999 Digits.
Nehmen wir nun an, wir messen mit dem Multimeter eine Spannung von 1,500 V.
Die Messunsicherheit im Messbereich 2 V DC beträgt bei diesem Multimeter:
Die Angabe 0,5% ist ein prozentualer Fehler und bezieht sich auf den angezeigten
Messwert (rdg = Reading). Die Angabe 2 Digit (dgt. = Digit) ist eine absolute
Angabe und bezieht sich auf den Anzeigeumfang des Multimeters. Im
Messbereich 2 V kann das Multimeter maximal 1,999 V anzeigen. In diesem Fall
entsprechen 2 Digit also 2 mV.
Um die tatsächliche Unsicherheit berechnen zu können, müssen wir den
prozentualen Fehler in einen absoluten Fehler umrechnen:
Hierzu addieren wir den Digit-Fehler. Die absolute Messunsicherheit bei dieser
Messung beträgt daher ± 0,0095 V. Wir können also festhalten, dass die
tatsächlich am Multimeter anliegende Spannung irgendwo zwischen 1,491 V und
1,510 V liegt. Die letzte Stelle müssen wir runden, da das Multimeter nur einen
Anzeigeumfang von 4 Stellen hat.
Um vom absoluten Fehler auf den prozentualen Fehler umzurechnen, benutzen
wir diese Gleichung:
Wir rechnen also:
Die prozentuale Messunsicherheit bei dieser Messung beträgt also immerhin
schon 0,67%. Um die Auswirkungen des Digit-Fehlers zu verdeutlichen, nehmen
wir jetzt an, dass wir eine Spannung von 0,210 V messen. Diese Messung können
wir im 2V-Messbereich durchführen. Rechnen wir auch hier zunächst den
prozentualen Fehler in eine Spannung um:
Dieses Ergebnis runden wir auf 0,001 V, und addieren den Digit-Fehler von
2 mV. Die mögliche absolute Unsicherheit beträgt in der Summe 0,003 V! Damit
kann die tatsächliche Spannung irgendwo zwischen 0,207 V und 0,213 V liegen.
Die prozentuale Messunsicherheit dieser Messung beträgt deshalb:
Wie wir sehen, hat der unscheinbare Digit-Fehler bei erwarteten Messwerten am
unteren Ende des gewählten Messbereichs erhebliche Auswirkungen auf die
Messgenauigkeit.
Die gravierendsten Messfehler werden vom User beim Messen in den StromMessbereichen eines Multimeters gemacht. Im folgenden Beispiel beschreiben
wir warum. Nehmen wir an, eine einfache Schaltung, bestehend aus einer 1,5-VBatterie und einem parallel geschalteten 10Ω-Widerstand. Mit dem Multimeter
möchten wir nun den Strom messen, der durch den Widerstand fließt. Hierzu
schalten wir das Multimeter zwischen Pluspol der Batterie und den Widerstand.
Nach dem Ohmschen Gesetz erwarten wir einen Strom von ca. 150 mA, deshalb
schalten wir das Multimeter in den Bereich 200 mA DC.
Schaltbild: B1-SB-008
Die Messunsicherheit in diesem Messbereich wird im Handbuch angegeben mit:
Wie wir diese Angabe, bezogen auf 150 mA, in eine absolute Messunsicherheit
umrechnen, haben wir weiter oben bereits gesehen. Wir erhalten einen Wert von
4,25 mA, gerundet also 4,3 mA um die das Messergebnis schwanken kann. Wenn
wir weiterhin von einer Genauigkeit des Widerstandes von 1% ausgehen, kann
dieser eine zusätzliche Abweichung von 1,5 mA verursachen. Deshalb erwarten
wir also eine Anzeige zwischen 144,2 mA und 155,8 mA.
Tatsächlich zeigt das Multimeter aber 132mA an. Wo ist der Rest?
Um dies zu verstehen, müssen wir uns das Funktionsprinzip eines Multimeters
vor Augen führen. Der IC in einemDigital-Multimeter kann grundsätzlich nur
Gleichspannungen messen. Für alle anderen Messfunktionen muss intern eine
Umwandlung der Messgröße in eine Gleichspannung stattfinden. Für eine
Widerstandsmessung wird vom Multimeter ein konstanter Strom durch den zu
messenden Widerstand geschickt und der Spannungsabfall am Widerstand
gemessen. Es wird also im Multimeter sozusagen das Ohmsche Gesetz in
analoger Form angewendet.
Bei einer Strommessung fließt der zu messende Strom durch einen MessWiderstand. Der Spannungsabfall über demselben wird gemessen und als Strom
zur Anzeige gebracht. Dieser Messwiderstand ist jetzt aber in Reihe zu unserem
10Ω-Widerstand geschaltet. Bei obigem Beispiel sind wir von einem MessWiderstand mit einem Wert von 1 Ω ausgegangen. Dieser Wert ist bei guten
Multimetern üblich. Die Batterie sieht also jetzt statt einem 10 Ω-Widerstand
einen Widerstand von 11 Ω, was einem Strom von 136 mA entspricht. In
Verbindung mit der Messunsicherheit in diesem Messbereich ist eine Anzeige von
132 mA folglich korrekt.
Dieser extreme Messfehler tritt immer dann auf, wenn an sehr niederohmigen
Schaltungen Messwerte erhoben werden. LED-Schaltungen sind immer
niederohmig. Hier ist es deshalb besser, den Messbereich 20 A DC zu wählen. Der
Messwiderstand hat hier normalerweise einen Wert von 0,1 Ω und beeinflusst die
Messung erheblich geringer. Allerdings wird, bedingt durch den Digit-Fehler, die
Messunsicherheit größer und liegt in einem Bereich von 10 bis 15%.
Die beste Lösung, auch mit einem preisgünstigen Multimeter zu genauen
Messergebnissen zu kommen, ist die Verwendung eines externen MessWiderstand. Mit dem Multimeter messen wir den Spannungsabfall am
Messwiderstand.
Dadurch
wird
der
Digit-Fehler
des
10A-Messbereichs
umgangen und eine Messgenauigkeit von ca. 2% erreicht. Im Kapitel “Externer
Messwiderstand für präzise Strommessungen“ haben wir das Prinzip genau
erläutert.
5.5 Fazit
Der altbekannte Satz „Wer viel misst, misst Mist“ entspricht leider viel zu häufig
der Wahrheit. Selbstverständlich müssen Sie nun nicht bei jeder Messung
Handbuch und Taschenrechner aus der Schublade holen. Sie sollten sich aber
zumindest einmal das Handbuch Ihres Multimeters genau anschauen und ein
paar Fallbeispiele durchrechnen. Wenn Sie wissen, wo die Grenzen Ihres
Multimeters liegen, führen Sie hochwertige Messungen durch und können die
gewonnenen Werte entsprechend angemessen und richtig interpretieren.
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6. Die LED – Light-Emitting Diode
6.01 Allgemeines
LEDs sind Halbleiter-Dioden. Der Unterschied zu anderen Dioden liegt im
Halbleiter-Material. Während z.B. bei Gleichrichter Dioden Silizium verwendet
wird, besteht die Halbleiterschicht bei LEDs aus einer Gallium Verbindung.
Wenn bei Leuchtdioden eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt wird,
erzeugen die Elektronen beim Durchfließen der Halbleiterschicht Licht.
Die ersten Leuchtdioden kamen 1962 auf den Markt und zwar in Form von roten
Leuchtdioden basierend auf Galliumarsenidphosphat. Bis 1970 waren dann auch
LEDs in den Farben rot-orange, gelb und schließlich grün erhältlich.
Der Durchbruch in Form von effizienten blauen LEDs gelang der Nichia
Corporation erst im Jahr 1992. Ein Jahr später folgten die ersten weißen LEDs.
Grundsätzlich
senden
LEDs
monochromatisches
Licht
aus,
d.h.
das
Halbleitermaterial erzeugt immer Licht mit der gleichen Wellenlänge und damit
Farbe. Dabei ist die Farbe von der verwendeten Gallium Verbindung abhängig,
der unterschiedliche Elemente zugesetzt werden.
Weiße LEDs sind eigentlich blaue LEDs, bei denen über dem Halbleiterkristall
zusätzlich eine Phosphorschicht aufgetragen ist. Diese Phosphorschicht wandelt
das blaue Licht in weißes um. Die Phosphorschicht, in welcher die
Photolumineszenz stattfindet, hat eine gelbe Farbe, leuchtet unter Lichtstrom
aber weiß.
Abbildung: B1-A-008
6.02 Lichtfarbe, Farbwiedergabe, Effizienz
Erst um das Jahr 2008 erreichten weiße LEDs einen Wirkungsgrad, der mit dem
einer Leuchtstoffröhre vergleichbar war. Aktuelle LEDs erreichen inzwischen
einen Wirkungsgrad von über 50%. Zum Vergleich: Glühbirnen haben einen
Wirkungsgrad von maximal 2-5%, d.h. wenigstens 95-98% der Leistung werden
in Form von Wärme abgegeben. LEDs geben bei gleicher Leistung also
wenigstens achtmal soviel Licht ab.
Bei LEDs spricht man – wie weiter oben erwähnt - nicht vom Wirkungsgrad
sondern von der Effizienz. Angegeben wird diese mit der physikalischen Einheit
lm/W (Lumen je Watt), also Lichtstrom je Leistungseinheit. Erreichbar sind
inzwischen circa 200 lm/W. Damit ist die Lichtausbeute mehr als doppelt so
hoch wie bei den besten Leuchtstofflampen.
Allerdings darf man bei der Auswahl der LEDs für Beleuchtungsanwendungen
nicht nur die Effizienz als Kriterium betrachten.
Je nach Anwendungszweck ist zunächst die Farb-Temperatur wichtig. Die FarbTemperatur wird in Kelvin (K) angegeben und ist ein Maß für den Farbeindruck
einer Lichtquelle (siehe auch Kapitel 2):
Abbildung: B1-A-009
Die Farb-Temperatur wird für Lichtquellen technisch in drei Gruppen unterteilt:
Tabelle: B1-T-010
Eine 60Watt-Glühbirne hat eine Farb-Temperatur von 2700 K, was von den
meisten Menschen als warm und gemütlich empfunden wird. Diese FarbTemperatur wird man deshalb eher für eine Wohnzimmer-Beleuchtung wählen
als für eine Werkhalle.
Der Farbwert für die Vormittags- bzw. Nachmittagssonne liegt per Definition bei
5500 K. Für Arbeitsplatz-Beleuchtungen oder Leselampen wird man deshalb eine
Farb-Temperatur von etwa 5000 K wählen. Dies wirkt sachlich und anregend,
was Ermüdung entgegenwirkt. Um im Kinderzimmer gewünschte Aktionen zu
unterstützen wäre es deshalb auch am sinnvollsten für warmes Licht am Abend
und kaltes Licht am Morgen zu sorgen.
Neben Effizienz und Farb-Temperatur besonders wichtig für die Auswahl der
LEDs ist der Farbwiedergabeindex oder CRI (Color Rendering Index). Dieser
Wert gibt an, wie natürlich die Farben angestrahlter Gegenstände wiedergegeben
werden. Ideal wäre ein Wert von 100 Ra.
Leider sind die Parameter Effizienz und CRI gegenläufig. Ein hoher Wert für den
Farb-Wiedergabe-Index bedeutet gleichzeitig eine relativ niedrige Effizienz der
LED und umgekehrt. Ein CRI von 90 Ra oder besser bewirkt eine Effizienz von
60 lm/W bis 85 lm/W.
Hier ist es notwendig einen Kompromiss einzugehen. Ein CRI von mehr als
80 Ra bietet für Wohnraum-Beleuchtungen schon eine sehr gute FarbWiedergabe und weist eine annehmbar hohe Effizienz auf. Wir stellen Ihnen hier
einige LEDs vor, die mit 82 Ra bzw. 85 Ra eine Effizienz von deutlich über
100lm/W anbieten.
6.03 LEDs für Beleuchtungszwecke
Weiße LEDs, die für Beleuchtungszwecke geeignet sind, lassen sich grob in zwei
Gruppen einteilen: Low- und Mid-Power-LEDs sowie Leistungs- oder auch
Power-LEDs. Die Grenze liegt bei etwa einem Watt, d.h. LEDs, die bei ihrem
Nennstrom mehr als ein Watt aufnehmen, werden als Power-LEDs bezeichnet.
Beide Gruppen haben ihre Vor- und Nachteile. Prinzipiell gilt: Je höher die
Leistung einer LED, desto schlechter die Effizienz. Möchten wir also Leuchtmittel
mit möglichst großer Effizienz konstruieren, sollten wir zu Mid-Power-LEDs
greifen. Das bedeutet natürlich auch, dass wir eine größere Anzahl an LEDs
benötigen, um einen entsprechend hohen Lichtstrom zu erreichen. Mid-PowerLEDs haben einen Abstrahlwinkel von meist 120 Grad. Damit sind sie ideal für
Flächenstrahler geeignet. Auf Mid-Power-LEDs können Sie die Linsen
verschiedener Hersteller montieren, und so auch einen kleineren Abstrahlwinkel
realisieren, leider sind die Ergebnisse nicht so gut wie bei den dafür
vorgesehenen Power-LEDs.
Power-LEDs liefern einen hohen Lichtstrom auf kleiner Fläche. Außerdem sind
für die meisten Power-LEDs Linsen erhältlich. Dadurch ist es möglich, Leuchten
mit einem engeren Abstrahlwinkel als die üblichen 120° zu konstruieren
6.04 Eine kleine Auswahl geeigneter LEDs:
Abbildung: B1-A-010
6.05 Low-Power-LED Nichia NHSW157BT
Diese LED hat eine sehr hohe Effizienz, liefert aber aufgrund der geringen
Leistung nur einen schwachen Lichtstrom (150 lm/W bei 20 mA und 9 lm bzw.
192 lm/W bei 10 mA und 5 lm). Mit einem CRI von 75 Ra ist sie für WohnraumBeleuchtungen weniger geeignet, für die Beleuchtung von z.B. Flur oder Keller
jedoch ideal.
Abbildung: B1-A-011
6.06 Mid-Power-LED Nichia NF2L757ART
Die Farb-Temperatur von 2700 K lässt das Licht dieser LED angenehm gemütlich
erscheinen. Beim Nennstrom von 100 mA liefert sie mit einer Effizienz von
108 lm/W einen Lichtstrom von 65 lm. Die neutralweiße Variante NF2W757ART
hat eine Farb-Temperatur von 5000 K und liefert bei 100 mA mit einer Effizienz
von 133 lm/W einen Lichtstrom von 80 lm. Bei einer Größe von 3x3mm bieten
diese LED-Typen das mit Abstand beste Preis-Leistungs-Verhältnis und sind mit
einem CRI von 85 Ra ideal für Wohnraum-Beleuchtungen geeignet. Deshalb
finden sie auch in einigen unserer Projekte Anwendung.
Abbildung: B1-A-011-B
6.07 Mid-Power-LED Nichia NF2W757ART-V1
Diese LED ist sowohl als Single Chip als auch als Duo Chip erhältlich. Je
nachdem, welche Bauform ausgesucht wird, liegt die Vorwärtsspannung zwischen
2,6 – 3,5 V bei einem Durchlassstrom von 50 – 180 mA (21- 72 lm und 171 – 115
lm/W) oder 5,6 – 7,0 V bei einem Durchlassstrom von 50 – 200 mA (121 – 144
lm und 171 – 115 lm/W). Auch diese LED ist mit 5000 bzw. 2700 K erhältlich,
wobei hier die Werte für das Modell mit 5000 K vorgestellt werden.
Abbildung: B1-A-012
6.08 Power-LED Samsung 3535
Die Samsung 3535-LED ist sowohl in einer warmweißen Variante mit einer FarbTemperatur von 2700 K und einem CRI von 80 Ra, als auch in einer
neutralweißen Variante mit 5000 K und 70 Ra erhältlich. Der Nennstrom beträgt
350 mA; dabei liefert die warmweiße LED bei einer Effizienz von 121 lm/W einen
Lichtstrom von 140 lm, die neutralweiße bei 138 lm/W einen Lichtstrom von
160 lm. Der maximale Betriebsstrom beträgt bei beiden LED-Typen 1500 mA. In
normalen Anwendungen wird diese LED eher mit einem Strom von 700 mA
betrieben, wodurch sich der Standard-Lichtstrom annähernd verdoppelt.
Diese LEDs sind auch vormontiert auf einer 10x10mm großen Alukern-Platine
erhältlich:
Abbildung: B1-A-013
In dieser Version ist die Verarbeitung der LED besonders einfach.
Abbildung: B1-A-014
6.09 COB-Modul „Bridgelux“BXRA-30G0800
Auf einer Fläche von 2,3x2,6cm setzt dieses Modul bei einem Strom von 500mA
eine Leistung von 10,5W um. Mit einem CRI von 90 Ra liefert es eine
hervorragende Farb-Wiedergabe bei einem Lichtstrom von 880 lm. Allerdings
wird der gute CRI-Wert mit einer Effizienz von „nur“ 83 lm/W erkauft.
Ein gutes Preis-Leistung-Verhältnis bei gleichzeitig sehr einfacher Verarbeitung
bieten die sogenannten „SmartArrays“. Hierbei handelt es sich um AlukernPlatinen, auf denen bereits mehrere SMD-LEDs von Nichia aufgelötet sind. Mit
50x7 mm sind diese Module sehr kompakt; der Anschluss erfolgt über Lötpads an
den Schmalseiten. Hier zwei Beispiele:
6.10 LED-SmartArray,12x-Nichia-LED,6W
Abbildung: B1-T-015
Dieses Modul erreicht, bei einem Strom von 700 mA und einer Effizienz von
98 lm/W, einen Lichtstrom von 660 lm.
6.11 LED-SmartArray,6x-Nichia-LED,10W,kaltweiss
Abbildung: B1-T-016
Mit diesem Modul erreichen Sie bei einem Strom von 350 mA und einer Effizienz
von 109°lm/W einen Lichtstrom von 1050 lm. Dieses Modul kann bei
entsprechendem Wärmemanagement mit einem Strom von bis zu 700 mA
betrieben werden; der Lichtstrom beträgt in diesem Fall 2100 lm.
Beide SmartArray-Typen sind in mehreren Varianten bezüglich Bestückung und
Lichtfarbe erhältlich.
6.12 SMD-LEDs – warum, wieso, weshalb?
Allen oben aufgeführten LEDs ist die SMD-Bauweise gemein („surface-mounteddevice“ - SMD, deutsch: oberflächenmontiertes Bauelement). Üblicherweise
wurden in den Anfängen der Elektrotechnik die Bauteile mit Mounting-Drähten
versehen, also Kontakte in Form von Drähten, die fest mit dem Bauteil
verbunden sind. Diese Drähte wurden durch Bohrungen in der Platine gesteckt,
bevor mittels Löten eine leitende Verbindung zu den Leiterbahnen auf der Platine
hergestellt werden konnte.
Mit zunehmender Miniaturisierung wären die Drähte zu dünn und die
Bohrungen
zu
fein
maschinenfreundliches
geworden,
weshalb
Bauteile-Mounting
man
ein
entwickeln
neues,
möglichst
musste.
Zusätzlich
beschränkt die Bauweise mit Draht und Bohrung die Platinen auf eine einseitige
Bestückung. Heute werden Platinen meist vollautomatisch mit Bauteilen vom
Gurt bestückt (wenn Sie mehrere Emitter vom gleichen Typ bestellen, erhalten
Sie diese auf einem gelochten Kunststoffstreifen, dem Gurt). Da es erheblich
aufwendiger ist, sehr kleine Bauteile durch zwei oder mehr kleine Bohrungen in
einer
Platine
zu
schieben,
statt
sie
an
einer
vorgegebenen
Position
daraufzusetzen, hat man SMD-Bauteile entwickelt.
Dies macht, neben der beidseitigen Bestückung von Platinen, auch weit höhere
Packdichten und damit kleinere Bauweisen möglich. Damit diese sehr kleinen
Bauteile auf der Platine auch nach dem Bestücken an der vorgesehenen Stelle
bleiben, wird ein Haftmittel benötigt. Es wurde folgerichtig eine SMD-Lötpaste
entwickelt, welche im Wesentlichen aus Flussmittel und Zinnpulver besteht. Es
gibt eine Reihe weiterer Beimengungen wie Silber, Kupfer oder Blei. Diese Paste
wird auf die bestückungsfertige Platine, häufig im Sieb- oder Schablonendruck,
aufgebracht.
In die aufgebrachte Paste werden die Bauteile gesetzt und dadurch schwach
fixiert bis das Reflow-Löten abgeschlossen ist. Selbst Bauteile, welche sich auf der
Unterseite der Platine befinden, werden durch die Kohäsion des im Reflow-Ofen
aufgeschmolzenen Lots gehalten und müssen nicht verklebt werden. Dadurch
konnte die Fertigung von Platinen in den 1980er Jahren revolutioniert werden,
was erhebliche Preissenkungen für elektronische Produkte bis heute zur Folge
hat.
Speziell auf die LED bezogen gelten natürlich die gleichen Vorteile als
beachtenswert. Aber ein großer Vorteil kommt hinzu. LEDs werden verwendet,
um Licht zu emittieren, also Beleuchtungen zu bauen. Deshalb wurde es mit der
Entwicklung der Power-LEDs nötig, einen Transportweg für die produzierte
Abwärme zu finden.
Da es absolut kontraproduktiv wäre, die LED mit einem dicken Kühlkörper zu
bestücken,
weil
dieser
den
Lichtstrom
bzw.
Abstrahlwinkel
erheblich
einschränken würde, blieb als mögliche Lösung nur die Wärmeabfuhr über die
„Bodenfläche“ der LEDs, als mögliche Lösung. Mit den dünnen MountingDrähten wären die anfallenden Mengen an Abwärme aus einer Power-LED nicht
zu bewältigen. Deshalb werden heute Leistungs-LEDs ausschließlich in SMDBauweise oder als Chip-on-Board-Lösung angeboten. Dort kann über die
verhältnismäßig große Bodenfläche die Verlustleistung in Form von Wärme
abtransportiert werden. Das macht es natürlich für den Bastler schwierig diese
Bauteile zu verarbeiten. Mehr dazu erfahren Sie unten.
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6.13 LED-Datenblätter lesen und richtig interpretieren
Auf den Produktseiten der Anbieter sind einige Kenndaten der angebotenen
LEDs angegeben. Hierbei handelt es sich jedoch nur um typische Werte, die in
der Praxis einer nicht unerheblichen Streuung unterliegen.
Zur korrekten Berechnung und Optimierung von Eigenkonstruktionen ist es
deshalb
unerlässlich,
das
Hersteller-Datenblatt
der
verwendeten
LEDs
hinzuzuziehen. Die Datenblätter findet man auf den Herstellerseiten, bei seriösen
Anbietern ist bereits ein Link zum Datenblatt auf der Produktseite zu finden. Eine
einfache Art, jedes gesuchte Datenblatt zu finden, ist, bei Google als Suchbegriff
die Typenbezeichnung der LED mit dem Zusatz <datasheet> einzugeben.
In diesem Kapitel zeigen wir Ihnen anhand des LED-Typs Nichia NF2L757ART,
welche Daten bzw. Diagramme für uns wichtig, und wie sie zu interpretieren sind.
Hier der Link zum Datenblatt auf der Herstellerseite der Nichia Corporation:
Datenblatt Nichia
Auf Seite 2 finden wir in Tabelle 1 zunächst die absoluten Grenzwerte der LED:
Tabelle: B1-T-011
Hierbei sind für uns die Angaben <Forward Current>, <Operating
Temperature> und <JunctionTemperature> wichtig. Die dort angegebenen
Werte sind Maximalwerte, die nicht überschritten werden dürfen.
Forward Current ist der Strom, der durch die LED in Durchlassrichtung, also
von Anode nach Kathode maximal fließen darf. Bei der Konstruktion einer
Leuchte mit diesen LEDs müssen wir sicherstellen, dass der Strom auch unter
den ungünstigsten Umständen den Wert von 200 mA nicht überschreiten kann.
Ein höherer Strom würde unweigerlich zu frühzeitiger Zerstörung der LED
führen.
Unter Operating Temperature ist die erlaubte Betriebstemperatur der LED
ausgewiesen. Diese Angabe darf nicht mit der Raumtemperatur verwechselt
werden! Vielmehr ist damit die Temperatur gemeint, die der Kathoden-Anschluss
der LED sieht. Über diese Fläche wird die Wärme, die beim Betrieb der LED
entsteht, abgeleitet. In einigen der von uns vorgestellten Projekte sind die LEDs
auf Aluminiumprofilen montiert, deren Temperatur den angegebenen Wert von
maximal 100oC nicht überschreiten darf. Warum wir bestrebt sind, die
Betriebstemperatur auf einem erheblich niedrigeren Wert zu halten, werden wir
später in diesem Kapitel erläutern.
JunctionTemperature ist die Sperrschichttemperatur der LED, d.h. die
Temperatur, die der Halbleiterkristall bzw. -chip innerhalb der LED maximal
verträgt.
In Tabelle 2 des Datenblatts finden wir die Kenndaten der LED:
Tabelle: B1-T-012
Alle in dieser Tabelle aufgeführten Kennwerte beziehen sich auf einen Strom von
100 mA. Dies ist gleichzeitig der vom Hersteller empfohlene Betriebsstrom.
Forward Voltage ist die Vorwärtsspannung oder auch Durchlassspannung der
LED. Der typische Wert bei 100 mA ist 6 V.
LEDs werden in verschiedenen sogenannten Rankings (Klassifizierungen)
angeboten. Mit diesen Rankings werden LEDs mit ähnlichen Eigenschaften
zusammengefasst. Wir verwenden hier ausschließlich den Rank R8000.
Hinweis:
Viele andere LED-Hersteller verwenden statt des Begriffs Ranking den Begriff
Binning. Die Bedeutung ist die gleiche. Wenn Sie also in anderen Datenblättern
auf den Begriff „Bin“ stoßen, wissen Sie, dass damit das Gleiche gemeint ist wie
mit dem Begriff „Rank“.
LuminousFlux ist der Lichtstrom, den die LED bei einem Strom von 100 mA
abgibt, beim Rank R8000 sind dies typischerweise 65 lm.
Color Rendering ist der Farb-Wiedergabe-Index. Der typische Wert ist hier 85
Ra.
Thermal Resistance ist der Wärme-Widerstand zwischen Sperrschicht und
dem T S -Messpunkt:
Abbildung: B1-A-017
Als typischer Wert wird 11oC/W angegeben, maximal kann er aber auch 17oC/W
betragen. Bei dem Entwurf von Leuchten rechnen wir sicherheitshalber
grundsätzlich mit dem Maximalwert. Mit dieser Angabe können wir die
tatsächliche Sperrschichttemperatur berechnen.
6.14 Beispiel: Wärme-Widerstand einer LED
Nehmen wir an, wir haben einen Strom von 100 mA anliegen und die
Vorwärtsspannung der Leuchtdiode beträgt dabei genau 6 V, dann wird in der
LED eine Leistung von 0,6 W umgesetzt. Diese Leistung, multipliziert mit dem
Wärme-Widerstand, ergibt die Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und
Ts Point bzw. Kathodenfläche:
ΔT = 0,6W • 17oC/W = 10,2oC
Messen wir also am Ts Point z.B. eine Temperatur von 80oC, beträgt die
Sperrschichttemperatur maximal 90,2oC. Damit wären wir auf jeden Fall im
sicheren Betriebsbereich, da die erlaubte Sperrschichttemperatur für diesen LEDTyp 120oC betragen darf.
Auf Seite 3 des Datenblatts finden wir eine für uns sehr wichtige Tabelle. Dort
werden die Bereiche der für die einzelnen Ranks spezifischen Kennwerte
angegeben:
Tabelle: B1-T-013
Gleich der erste Wert, die Vorwärtsspannung, ist für Design und Berechnung bei
Leuchten von entscheidender Bedeutung. In Tabelle 2 wurde die typische
Vorwärtsspannung mit 6 V angegeben. Erst mithilfe obiger Tabelle wird deutlich,
dass die tatsächliche Vorwärtsspannung bei 100 mA irgendwo zwischen 5,3 V und
6,7 V liegen kann. Dies entspricht einer Toleranz von ±11,5% und gilt für alle
Ranks. Wichtig ist die Berücksichtigung dieser Toleranz bei der Auswahl von
Netzteilen und KSQs sowie zur Berechnung von Vorwiderständen. Hierzu später
mehr.
Mit den folgenden drei Ranks (P14 bis P16) erfolgt eine Unterteilung der LEDs in
Lichtstrom-Bereiche. Welcher dieser Ranks zur Auslieferung kommt, kann beim
Anbieter erfragt werden. Die scheinbar großen Unterschiede im Lichtstrom
sollten wir allerdings nicht überbewerten. Das menschliche Auge arbeitet nicht
linear, sondern logarithmisch. Um einen Helligkeitsunterschied überhaupt
wahrnehmen zu können, muss der Lichtstrom um 10% verringert bzw. erhöht
werden.
Mit den jetzt bekannten Werten kann die Effizienz der LED berechnet werden.
Die typische Effizienz berechnet sich aus den typischen Werten von
Vorwärtsspannung, Strom und Lichtstrom:
Für Rank P15 ergibt sich die theoretisch maximal mögliche Effizienz aus der
Kombination der minimalen Vorwärtsspannung bei maximalem Lichtstrom, also:
Dementsprechend wäre die minimale Effizienz bei Rank P15:
Beide Extremfälle würden das gegenläufige Verhalten zweier Parameter erfordern
z.B. das bei LEDs mit sinkender Vorwärtsspannung gleichzeitig der Lichtstrom
steigt.
Gemäß
Datenblatt
wäre
dies
zwar
möglich,
aber
doch
eher
unwahrscheinlich. Deshalb gehen wir bei unserem Leuchten-Design einfach von
der Effizienz aus, die sich aus den typischen Kennwerten errechnet. Damit liegen
wir ziemlich nahe an der Realität. Exaktere Aussagen wären hier nur durch
aufwändige Messungen – außerhalb unserer Möglichkeiten - an den fertigen
Leuchten möglich.
Da es umfangreicher Tabellen bedürfte, alle möglichen Werte der LED
aufzulisten, und auch dabei immer nur ein kleiner Teil möglicher Kombinationen
aufgezeigt würde, werden Diagramme zur Darstellung dieser Eckdaten
verwendet. Das hat zur Folge, dass wir den gesamten Verlauf möglicher Werte
überblicken können, was mit erheblichen Vorteilen verbunden ist. Dazu später.
Das erste Diagramm auf Seite 12 des Datenblatts zeigt den Verlauf der
Vorwärtsspannung in Abhängigkeit zum Strom:
Abbildung: B1-A-018
Auf der Y-Achse (vertikal) kann der Strom abgelesen werden, der durch die LED
fließt, wenn über der LED die auf der X-Achse (horizontal) angegebene Spannung
angelegt wird.
Aber Vorsicht! Auch die hier dargestellte Kurve gibt nur den typischen Verlauf
des Zusammenhangs zwischen Strom und Vorwärtsspannung an! Die Kurve
kreuzt den Schnittpunkt 100 mA / 6,0 V, also die aus Tabelle 2 bekannten
typischen Werte. Der Verlauf der Kurve gilt also ausschließlich für LEDs, die bei
einem Strom von 100mA eine Vorwärtsspannung von 6 V aufweisen!
Mit diesem Diagramm soll vielmehr ausgedrückt werden, welche Stromänderung
sich durch eine Spannungsdifferenz ergibt. Eine Spannung von 5,75 V –also eine
Differenz von -0,25 V zur üblichen Durchlassspannung– bewirkt einen Strom von
60 mA. Verringert man die Spannung um weitere 0,25 V (also auf 5 V), fließt nur
noch ein Strom von 30 mA.
Umgekehrt bewirkt eine Erhöhung der Spannung um 0,5 V (also auf 6,5 V)
bereits einen Strom von 200 mA. Wir stellen fest: Eine geringe Änderung der
Vorwärtsspannung bewirkt eine große Änderung des durch die LED fließenden
Stroms! Der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung verhält sich bei
einer LED nichtlinear und lässt sich deshalb auch nicht ohne weiteres berechnen.
Durch die Exemplar-Streuungen (V F = 6 V± 0,7 V) ist eine Vorhersage des
tatsächlichen Stromflusses nicht möglich.
Deshalb können sich Strom und Spannung im gelb (bzw. grau) hinterlegten
Bereich befinden:
Abbildung: B1-A-019
Abgesehen davon, wird sich jede LED –unabhängig von der tatsächlichen
Vorwärtsspannung bei 100mA– analog (bzw. parallel) zur Idealkurve verhalten.
Auch hierzu erfahren Sie unten mehr.
Das nächste Diagramm zeigt die Abhängigkeit der Vorwärtsspannung von der
Temperatur der Kathodenfläche auf:
Abbildung: B1-A020
Was wir aus diesem Diagramm ableiten können:
Bei steigender Temperatur sinkt die Vorwärtsspannung der LED bei gleichem
Strom
(100mA).
Kathodentemperatur
Die
von
6,0 V
25oC
Durchlassspannung
erreicht.
Temperatur und Strom ist nichtlinear. Bei
gegenüber dem
25o-C-Wert
Der
100oC
werden
Zusammenhang
bei
einer
zwischen
beträgt die Spannungsdifferenz
etwa 0,25 V. Diese Aussagen wollen wir uns merken;
unten wird dieser Zusammenhang wichtig.
Das folgende Diagramm dient der Bemessung des Lichtstroms unter geändertem
Durchlassstrom in Relation zu den typischen Werten und gilt für alle LED-Typen.
Abbildung: B1-A-021
Es zeigt die Abhängigkeit des Lichtstroms vom LED-Strom. Auch hier kreuzt die
Kurve die typischen Werte. Ein Strom von 100 mA bewirkt einen Lichtstrom von
100% (Y-Achse=1). Eine Verdoppelung des Stroms bewirkt einen Lichtstrom von
ca. 180%, also das 1,8-fache. Eine Halbierung des Stroms bewirkt eine Reduktion
des Lichtstroms auf etwa 55% des typischen Wertes.
Wenn wir hier zusätzlich die Abhängigkeit des Stroms von der Vorwärtsspannung
berücksichtigen (Leistung = Spannung x Strom), ergibt sich die simple
Erkenntnis: Je geringer der Strom, der durch die LED fließt, desto höher die
Effizienz.
Hier wird der Lichtstrom in Abhängigkeit zur Kathodentemperatur beschrieben.
Abbildung: B1-A-022
Der typische Lichtstrom wird bei einer Kathodentemperatur von 25oC erzeugt.
Bei
steigender
Temperatur
nimmt
der
Lichtstrom
ab.
Bei
einer
Kathodentemperatur von 100oC (oberer Grenzwert) beträgt er nur noch etwa 85%
des typischen Wertes, bei 25oC gemessen. Statt 65 lm (typisch bei 25oC) werden
also nur etwa 55 lm erreicht. Ziel eines eigenen Designs sollte deshalb eine
möglichst geringe Betriebstemperatur an der LED-Kathode sein.
Eine geringere Betriebstemperatur verlangt allerdings eine größere Kühlfläche
pro LED. Hier gehen wir einen Kompromiss zwischen Aufwand für Kühlung und
erreichbarem Lichtstrom ein. Wir entwerfen unsere Leuchte so, dass die
Kathodentemperatur im normalen Betrieb maximal 60oC erreicht. Damit
erreichen wir einen Lichtstrom von mindestens 93% des Sollwertes, in obigem
Beispiel also 60,5 lm.
Deshalb bauen wir Leuchten mit mehreren Leistungsstufen. Wird eine LED bei
180mA durch das vorhandene Temperaturmanagement ausreichend gekühlt, ist
davon auszugehen, dass bei 50 mA die Betriebstemperatur nur wenig über der
Raumtemperatur liegt und ca. 99-100% des Lichtstromsollwertes emittiert
werden.
6.15 Abschließend noch ein Wort zum
Vorwärtsspannungsbereich
Die Vorwärtsspannung unterliegt einer nicht unerheblichen Streuung. Wenn wir
allerdings z.B. 100 LEDs vom Typ NF2L757ART bestellen, werden diese
normalerweise in einem Streifen verpackt geliefert. Daran erkennen wir, dass
diese LEDs aus der gleichen Charge stammen. Für uns bedeutet dies zunächst,
dass diese LEDs das gleiche Ranking (Binning) haben. Wir dürfen also davon
ausgehen, dass die Vorwärtsspannungen der einzelnen LEDs nur minimal
voneinander abweichen. In mehreren Meßreihen unterschiedlicher Bestellungen
konnten wir nachweisen, dass einzelne LEDs nur um maximal 20 mV differieren.
Das bedeutet: Haben wir die Vorwärtsspannung einer LED aus einer Charge
gemessen,
werden
alle
anderen
dieser
Charge
nahezu
die
gleiche
Vorwärtsspannung aufweisen. Messen wir z.B. bei einer LED, an der 100 mA
anliegen, eine Vorwärtsspannung von 5,63 V, dann wird diese bei allen anderen
LEDs aus derselben Lieferung zwischen 5,61 V und 5,65 V liegen. Bei einer
anderen Lieferung kann es sein, dass wir pro LED 6,12 V messen, legen wir
100 mA an. Alle anderen Produkte aus dieser Lieferung sollten dann zwischen
6,10 V und 6,14 V liegen.
Es ist daher nicht notwendig, alle LEDs einer Lieferung auszumessen, um die
jeweilige tatsächliche Vorwärtsspannung zu bestimmen.
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