LED ist Licht für das 21. Jahrhundert

F a c h b e i t r ä ge
LED ist Licht für das 21. Jahrhundert
Licht aus Leuchtdioden oder Neudeutsch
LED ist die grösste Entwicklung seit der Erfindung der Glühbirne. LEDs halten länger
als 20 Jahre, lassen sich direkt in Leuchten
einbauen und ermöglichen ganz neue Designs – zu einem Bruchteil des Energieverbrauchs einer herkömmlichen Glühlampe.
LED-Lampen sind eine clevere, nachhaltige
und funktionelle Entscheidung.
LED ist nahezu überall einsetzbar
LED-Lampen zeichnen sich durch eine
enorme Produktvielfalt aus. Verschiedenste Sockeltypen und Lampenformen – von
Schraub- und Stecksockelvarianten über
Hoch- und Niedervoltversionen bis zu Reflektor-, Röhren- und klassischen Glühlampenformen – gehören zum Angebot. Sie
eignen sich daher ideal für den gewerblichen und zugleich privaten Einsatz. Dank
des breiten Angebots sind LED-Lampen in
vielen unterschiedlichen Bereichen eine
ideale Lösung – für Neuinstallationen, aber
auch als Ersatz für klassische Glüh-, oder
Halogenlampen sowie für T8-Leuchtstofflampen. Ob im privaten Gebrauch oder im
gewerblichen Einsatz, beispielsweise in der
Gastronomie oder Hotellerie: LED-Lampen
sind bei der Allgemein- und Ambientebeleuchtung eine perfekte Alternative.
Die Lebensdauer ist ein grosser
Vorteil
Leuchtdioden werden nach und nach
schwächer, fallen aber in der Regel nicht
plötzlich aus. Als Lebensdauer einer LED
wird die Zeit bezeichnet, nach der die
Lichtausbeute im Mittel auf 70 % des Anfangswertes abgesunken ist. Die Alterung
ist annähernd linear. Die Lebensdauer
hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial,
den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom)
und der individuell tolerierbaren Farbtemperaturveränderung ab. Hohe Temperaturen (gewöhnlich durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LEDs
drastisch. 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. Aktuelle
Hochleistungs-LEDs werden, um eine maximale Lichtausbeute zu erreichen, oft an
LED-Lampen könnten das Leben von 1,5 Milliarden Menschen weltweit verbessern.
Arbeitspunkten betrieben, bei denen ihre
Lebensdauer bei 15’000 bis 30’000 Stunden liegt. Gute Hersteller von LED-Leuchten erreichen jedoch durch eine optimale
Auslegung ihrer Systeme deutlich bessere
Werte und garantieren bis zu 100’000
Stunden wartungsfreien Betrieb.
Viele Schaltzyklen trotz spontan
vollen Lichtstroms
Bei den meisten Marken-Leuchtmitteln
wird heute die Lebensdauer in Stunden
(zu erwartende Einschaltzeit über die Lebensdauer) auf der Verpackung angegeben. Glühlampen haben eine Lebensdauer
von ca. 1’000 Stunden, Halogenleuchtmittel von ca. 2’000 Stunden, Energiesparleuchtmittel von ca. 3’000 bis 12’000 Stunden. Werden Energiesparlampen- jedoch
häufiger als 3-mal pro Tag ein- und ausgeschaltet, wie es bei Fluren oder Treppenhäusern mit Bewegungsmeldern und Zeitschaltuhren der Fall ist, wird die auf der
Leuchtmittelverpackung angegebene Lebensdauer in Einschaltstunden häufig
nicht annähernd erreicht, weil normale
Energiesparleuchtmittel ohne Angabe der
Schaltzyklen auf der Verpackung nur für
ca. 3’000 Schaltzyklen gebaut sind. Das die
Lebensdauer limitierende Kriterium ist bei
häufigen Ein- und Ausschaltungen die
Schaltfestigkeit, welche bei Qualitätsleuchtmitteln in Schaltzyklen auf der Verpackung angegeben wird. Bei sehr guten
Energiesparleuchtmitteln wird die Schaltfestigkeit vom Hersteller mit 10’000 bis
20’000 Schaltzyklen angegeben... Dabei ist
ein Schaltzyklus ein manuelles Ein- und
Ausschalten des Netzstromes. Unabhängig
davon kann die LED zudem noch gepulst
sein, wobei die Pulse von der Elektronik
selbst erzeugt werden. Diese Pulse zählen
nicht zu den die Lebensdauer begrenzenden Schaltzyklen, welche bei guten LEDLeuchtmitteln seit 2012 meist mit der Produktspezifikation angegeben werden,
sondern zur normalen Betriebsdauer, welche in Stunden angegeben wird. Eine LED
ist deutlich unempfindlicher gegenüber
Schaltvorgängen als Glühlampen oder
Energiesparleuchtmittel. Der begrenzende
Faktor der Schaltzyklen von LED-Leuchtmitteln ist nicht der LED-Chip selbst, sondern die Vorschaltelektronik, wozu das
eingebaute Netzteil oder die Steuerelektronik gehören. All diese Bauteile sind weitaus empfindlicher gegenüber Schaltungen
und z.B. den damit verbundenen thermischen Wechselbelastungen als die LED
selbst, die viele Millionen Schaltprozesse
problemlos übersteht. LED-Leuchtmittel
sind aber auch inklusive Vorschaltelektro7
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nik meist deutlich schaltfester als normale
Energiesparlampen. Die Herstellerangaben für Qualitäts-LED-Leuchtmittel liegen
meist im Bereich von 50’000 bis 1 Million
Schaltzyklen. Bei billigeren LED-Leuchtmitteln wird die Schaltfestigkeit häufig
noch nicht auf der Verpackung angegeben.
In diesen Fällen muss man von einer
Schaltfestigkeit in der Grössenordnung
von 20’000 Schaltzyklen ausgehen. Dass
LED-Leuchtmittel eine deutlich höhere
Schaltfestigkeit als Energiesparleuchtmittel haben, ist auch – neben der höheren
Lebensdauer in Einschaltstunden und der
höheren Lichteffizienz bzw. Lichtausbeute
in Lumen pro Watt – mit ausschlaggebend
dafür, dass seit 2011 bei langer Einschaltzeit und vielen Ein- und Ausschaltungen
LED-Leuchtmittel in den meisten Fällen,
trotz höherer Anschaffungskosten, insgesamt wirtschaftlicher als ESL oder Glühlampen sind.
P h a s e n a n s c h n i t t s t e u er u n g
oder überhaupt nicht. Erst bei Erreichen
der Durchlass-Spannung steigen der Strom
und damit die Lichtausbeute steil an. Eine
Dimmung wie bei einer Glühbirne würde
damit eine ganz andere Korrelation aus
Eingangsgrösse (Stellung des Regelpotenziometers) und Ausgangsgrösse (Lichtleistung der LED) zur Folge haben.
K e n n l i n i e e i n er we i s s e n L E D
Prinzip der Phasenanschnittsteuerung.
Von einer Wechselspannung (Kurve a)
wird nur ein bestimmter Teil
(Kurven b, c) an den Verbraucher
durchgeschaltet. Damit lässt sich
Moderne Stromversorgungen
ermöglichen das Dimmen von LEDs
Das Dimmen von Lampen ist nicht nur ein
Mittel, um bei gemütlichen Runden am Kamin eine kuschelige Stimmung zu erzeugen. Dimmen verlängert die Lebensdauer
von LEDs und spart Energie. Zusammen
mit dem Einsatz von Bewegungsmeldern
lassen sich massive Einsparungen erzielen.
Denn wenn am Abend oder am Wochenende im Bürohochhaus nicht viel los ist, kann
man sich die volle Festbeleuchtung sparen
und nur dann aufdrehen, wenn ein Mitarbeiter auftauchen sollte.
Glühlampen lassen sich einfach
dimmen
Allerdings lassen sich LED-Beleuchtungen
nicht so leicht stufenlos dimmen wie die
althergebrachten Glühlampen. Betrachten
wir einmal die Funktionsweise eines Dimmers für Glühlampen. Zumeist werden hier
Dimmer eingesetzt, die nach dem Prinzip
der Phasenanschnittsteuerung arbeiten.
LEDs lassen sich nicht direkt über
einen Dimmer steuern
Die Phasenanschnittssteuerung ist ebenso
wie die seltener verwendete Phasenabschnittssteuerung eine Wechselspannungstechnik. LEDs arbeiten aber mit Gleichstrom, sie lassen sich also nicht direkt über
einen solchen Dimmer steuern. Das gilt
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die Leistung des Verbrauchers
variieren.
Strom-Spannungskennlinie einer
weissen LED. Bis zum Erreichen der
auch für LED-Lampen, die sich direkt in
Glühlampenfassungen einschrauben lassen, denn auch sie liegen nicht direkt am
Wechselstromnetz. Vielmehr befindet sich
in der Fassung eine Ansteuerelektronik,
die den für den Betrieb der LED erforderlichen Gleichstrom liefert. Beim Einsatz
einer solchen Retrofit-Lampe würde dann
also nicht die LED gedimmt, sondern das
Vorschaltgerät. Das Ergebnis hängt dann
von der spezifischen Auslegung dieses
Vorschaltgeräts ab. Weil diese für den Anwender nicht per se als bekannt vorausgesetzt werden kann, ist auch das Resultat
nicht vorhersehbar. Selbst wenn das Vorschaltgerät die ihm zugelieferten angeschnittenen Phasen klaglos verarbeitet,
ist aber noch ein weiteres Problem zu lösen:
Die I-U-Kennlinie der LED ist nicht
linear
Um die Helligkeit einer LED kontrolliert zu
steuern, muss sich die Veränderung des
Stroms exakt an der Strom-SpannungsKennlinie der Leuchtdiode orientieren –
und diese ist bekanntlich nicht linear. Die
LED ist eine Diode, und wie alle Dioden
reagiert sie bei steigender Versorgungsspannung zunächst einmal nur minimal
Durchlasss-pannung von hier ca. 3,5 Volt
bleibt die LED nahezu dunkel. Steigt
die Spannung aber darüber hinaus, so
nehmen der Lichtstrom und damit die
Helligkeit rasant zu.
Trennung von Last und Signal
ersetzen herkömmliches Dimmen
Um ein ideales Ergebnis zu erzielen, wird
die Helligkeit von LED-Beleuchtungen daher nicht direkt über die beschriebenen
Dimmverfahren gesteuert. Die Last und
das Dimmsignal werden getrennt. In
dimmfähigen LED-Konvertern wird das
primärseitige Dimmsignal in einen für das
LED idealen Steuer(gleich)strom umgesetzt, dessen Höhe resp. Takt die Helligkeit der LED bestimmt. Als primärseitige
Signalgeber eignen sich konventionelle
Lichttaster, Dimmer 1 – 10 Volt (analog),
oder, für grössere Installationen, DALIBefehle (digital). In der Praxis heisst das:
5 Drähte für die Zuleitung zum LED-Treiber (L,N,PE für die Last plus 2 Drähte zur
Übertragung des Dimmsignals). Das Einund Ausschalten der Leuchte wird entweder über das Steuersignal (Normalfall)
oder durch Trennen des Polleiters (Last)
gewährleistet.
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Dimmen via Pulsweitenmodulation
In Gleichstromkreisen mit konstanter
Spannung wird die Helligkeit vom LEDKonverter oder einem nachgeschalteten
Dimmelement häufig über eine Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert. Es stellt
sich eine gleichmässige Helligkeit ein, deren Wert proportional zum Puls-PausenVerhältnis ist; die Trägheit des Leuchtmittels resp. des menschlichen Auges gleicht
das Pulsieren der Versorgungsspannung
aus, sofern die Grundfrequenz der Pulse
hoch genug ist. Einfach gesagt: Das LED
wird zum (schnellen) Blinken gebracht.
Der Vorteil dieser Dimmmethode liegt in
deren Einfachheit und Energieeffizienz.
Der Nachteil der Pulsweitenmodulation
besteht darin, dass es durch die schnelle
Reaktion der LEDs zu einem Flackern
oder zu stroboskopischen Effekten kommen kann, insbesondere im Zusammenwirken mit anderen nichtkontinuierlichen
Lichtquellen, wie z.B. Bildschirmen oder
schnell rotierenden Maschinen. Je höher
die Frequenz des Pulsweitendimmers,
desto ruhiger das Licht. Frequenzen über
250 Hz sind für Menschen praktisch nicht
mehr wahrnehmbar. Ein weiterer Nachteil
der PWM-Dimmung ist, dass sie mit ihren
Rechteckpulsen breitbandige elektromagnetische Störungen erzeugt, die vom LEDKonverter gefiltert werden müssen (auf
EMV-Kompatibilität achten).
Dimmen via Konstantstrom-Regelung
Konstantstrom-Leuchten werden vom
LED­Treiber mittels Regelung der Stromstärke gedimmt. Der Vorteil der Konstantstrom ­
Regelung besteht darin, dass ein
allfälliges Flackern oder Interferenzen zuverlässig verhindert werden. Ein weiterer,
wesentlicher Vorteil ist: Da nur ein reduzierter Strom das LED durchfliesst, sinkt
die Temperatur der LED und es verlängert
sich deren Lebensdauer. Auch EMV-seitig
treten weder Strom- noch Spannungspulse
auf. Es sei nicht verschwiegen, dass auch
die Gleichstrom-Dimmung einen Nachteil
besitzt: Bei einer Änderung des Stroms
durch die LEDs ändert sich geringfügig der
Lichtort, das heisst, die Lichtfarbe verschiebt sich, und zwar je nach LED-Typ
zum «weissen» oder zum «roten» Ende des
Spektrums. Allerdings kann diese Veränderung in den meisten Anwendungsfällen
als vernachlässigbar bezeichnet werden.
F i rm a u n d Per s o n
Physik-Nobelpreis geht an drei
LED-Forscher
Drei japanische Wissenschaftler werden von der Königlich-Schwedischen
Akademie der Wissenschaften für ihre
Erfindung der blaues Licht emittierenden Dioden geehrt.
Der Nobelpreis für Physik geht in diesem
Jahr an die Japaner Isamu Akasaki, Hiroshi
Amano und Shuji Nakamura für die Entwicklung blaues Licht emittierender Dioden (LED), die eine helle und energiesparende Lichtquelle sind. Das teilte die
Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften in Stockholm mit. «Mit LEDLampen haben wir nun effizientere und
langlebigere Alternativen zu älteren Lichtquellen», schrieb die Akademie in ihrer
Begründung. «Im Geiste Alfred Nobels
zeichnet der Preis eine Erfindung aus, die
der Menschheit wahrhaft grössten Nutzen
bringt.» Als die Preisträger in den 1990erJahren Halbleitern helle blaue Lichtstrahlen entlockten, habe das die Beleuchtungstechnologie umgekrempelt, schreibt die
Akademie weiter. Rote und grüne Dioden
gab es schon lange, aber mit blauem Licht
konnte man nun Lampen herstellen, die
weisses Licht produzieren.
Die national tätige Elektrobedarf Troller AG mit ihren drei Standorten in Zofingen, Luzern und Bern ist auf Solaranlagen, Stromspeicher sowie auf den
Verkauf von Elektromaterial spezialisiert. In den letzten 10 Jahren hat sich
die Firma zu einem namenhaften Anbieter von Solaranlagen entwickelt. Nebst
über 100 realisierten Solaranlagen pro
Jahr installiert Elektrobedarf Troller
Stromspeicher der neuesten Generation und begleitet mit dieser Kombination die Kunden in die Unabhängigkeit
vom Elektrizitätswerk. Am bekanntesten ist die Unternehmung jedoch für
den Geschäftsbereich Elektromaterial.
Seit 1978 wurde ein Sortiment von über
8’000 Produkten aufgebaut. Die ganze
Produktevielfalt kann vor Ort abgeholt
oder ab Katalog oder Online-Shop portofrei bezogen werden. Heute bedient
die Firma an den Standorten Zofingen
und Luzern über 11’000 Kunden aus der
ganzen Schweiz und beschäftigt rund
20 Mitarbeiter.
LED verbessert die Welt
«Ihre Erfindungen waren revolutionär.
Glühlampen beleuchteten das 20. Jahrhundert, das 21. Jahrhundert wird von
LED-Lampen beleuchtet werden», lobt die
Akademie. LED-Lampen könnten ausserdem das Leben von 1,5 Milliarden Menschen weltweit verbessern, die keinen Zugang zum Stromnetzwerk haben. Dank
ihres geringeren Energieverbrauchs könnten sie mit günstigem lokalen Sonnenstrom
betrieben werden.
Patrick Troller ist Geschäftsleiter von
Elektrobedarf Troller und Spezialist
für Energie aus nachhaltigen Quellen.
Elektrobedarf Troller
Zofingen – Luzern – Bern
[email protected]
www.elektrobedarf.ch
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