led dossier - ETAP Lighting

DOSSIER
LED
BELEUCHTUNG
MIT EINER NEUEN
LICHTQUELLE
Ausgabe 6, November 2015
Vorwort
LEDs sind der neue Standard des Beleuchtungssektors. Auch wenn die Technologie allmählich das Ende der Entwicklungsphase erreicht, können
wir unser Know-how in Sachen Lebensdauer, Materialien und Eigenschaften von LEDs täglich weiter ausbauen. Dieses Dokument bietet Ihnen
wie gewohnt alle notwendigen Informationen, um in Bezug auf diese komplexe Materie auf dem Laufenden zu bleiben.
Sie möchten mehr über die Lebensdauer von LED-Leuchten erfahren? Sie fragen sich, was die neuesten Trends in Sachen Farbwiedergabe sind?
Sie möchten wissen, welche gesetzlichen Bestimmungen in Bezug auf die fotobiologische Sicherheit bestehen? Antworten auf all diese Fragen
erhalten Sie einmal mehr in der sechsten Ausgabe dieses LED-Dossiers. Updates haben wir für Sie am Seitenrand hervorgehoben. Die jeweils
aktuellste Version dieser Publikation finden Sie auf unserer Website www.etaplighting.com.
6. Ausgabe, November 2015
© 2015, ETAP NV
2 | ETAP
6. Ausgabe, November 2015. Neueste Version auf www.etaplighting.com
BELEUCHTUNG
MIT EINER NEUEN
LICHTQUELLE
INHALT
1. Die LED als Lichtquelle ................................................................................................................................................................................................ 4
1. Wie funktionieren LEDs?.................................................................................................................................................................................... 4
2. LED-Lichtquellen ................................................................................................................................................................................................... 5
3. Vorteile der LEDs ................................................................................................................................................................................................... 9
4. LED-Hersteller ......................................................................................................................................................................................................15
5. Die Zukunft der LEDs ........................................................................................................................................................................................15
6. OLEDs.......................................................................................................................................................................................................................15
2. Leuchten mit LEDs konstruieren...........................................................................................................................................................................18
1. Chancen und Herausforderungen ...............................................................................................................................................................18
2. Die richtige Lichtverteilung ............................................................................................................................................................................19
3. Die Leuchtdichte unter Kontrolle .................................................................................................................................................................21
4. Intelligentes Wärme-Management .............................................................................................................................................................21
5. Binning für eine konstante Lichtqualität..................................................................................................................................................23
6. Elektrische Sicherheit........................................................................................................................................................................................24
7. Veröffentlichung der korrekten Daten .......................................................................................................................................................25
8. Objektive Informationen zur Qualität ........................................................................................................................................................26
9. Fotobiologische Sicherheit .............................................................................................................................................................................27
10. LED-Röhren ........................................................................................................................................................................................................29
3. Spannungsversorgungen für LED-Leuchten ...................................................................................................................................................32
1. Qualitätskriterien für LED-Spannungsversorgungen ..........................................................................................................................32
2. Strom- und Spannungsversorgung im Vergleich..................................................................................................................................33
4. Beleuchtung mit LEDs - lichttechnische Aspekte .......................................................................................................................................35
1. Abnahme des Lichtstroms und Wartungsfaktor....................................................................................................................................35
2. Lebensdauer bei LED-Leuchten .....................................................................................................................................................................39
3. Integration energiesparender Systeme .....................................................................................................................................................41
5. Frage und Antwort.......................................................................................................................................................................................................43
Terminologie .........................................................................................................................................................................................................................44
Anlage 1: Wartungsfaktoren von LED-Produkten...........................................................................................................................................46
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Kapitel 1: Die LED als Lichtquelle
1.
WIE FUNKTIONIEREN LEDs?
LED steht für Light Emitting Diode. Eine LED ist ein Halbleiter (Diode), der Licht
ausstrahlt, wenn Strom durch ihn fließt. Die Halbleiter-Materialien, die in LEDs
eingesetzt werden, setzen elektrische Energie in sichtbare elektromagnetische
Strahlung, also Licht, um.
sichtbares
Licht
Die Anregung des Halbleiters erfolgt dadurch, dass elektrischer Strom durch
die Diode (genauer gesagt durch die Junction) fließt. Die Diode, durch die der
elektrische Strom fließt, ist – wie alle Dioden – nur in eine Richtung wirkend:
Es entsteht nur Licht, wenn der Gleichstrom in die „richtige“ Richtung fließt,
nämlich von der Anode (positiver Pol) zur Kathode (negativer Pol).
Gleichstrom
Anode (+)
Kathode (-)
Abb. 1: Funktionsprinzip einer LED
2.50
2.25
2.00
normalisierter Lichtstrom
Die Menge erzeugten Lichts verhält sich nahezu
proportional zur Menge Strom, der durch die
Diode fließt. Für Beleuchtungszwecke werden
stromgeregelte Versorgungen (Konstantstrom)
eingesetzt. (siehe Kapitel 3).
1.75
1.50
1.25
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
0
200
400
600
800
1000
1200
Strom (mA)
Abb. 2: Einfluss des Stromes auf den Lichtstrom
Die Kombination aus LED (Halbleiter), Gehäuse und der Primäroptik (Linse) nennen wir eine LED-Komponente. Sie umfasst und schützt die LED,
sorgt dafür, dass die intern erzeugte Wärme verteilt wird und enthält ein primäres optisches System, eine kleine Linse, um das erzeugte Licht
der LED zu sammeln und kontrolliert auszustrahlen.
Primäroptik
LED
Junction
thermisch leitende Schnittstelle
elektrischer Anschluss
Abb. 3: Aufbau einer LED-Komponente
4 | ETAP
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Die LED strahlt Licht in einem bestimmten Spektralbereich (monochromatisch) aus. Die Farbe des Lichts ist abhängig von dem HalbleiterMaterial, das zur Herstellung verwendet wurde. Das können alle gesättigten Farben des sichtbaren Spektrums sein, von Violett und Blau über
Grün zu Rot. Um mit LEDs weißes Licht zu erzeugen, gibt es zwei Möglichkeiten:
1. Bichromatisch
- Die am häufigsten vorkommende Methode ist, ähnlich wie bei Leuchtstofflampen, eine blaue LED, mit einem
photoluminiszenten (leuchtenden) Material zu kombinieren, und so einen Teil des blauen Lichts (kurzwelliges, höher
energetisches) in weißes (oder eher gelbliches) Licht (langwellig, nieder energetisch) umzuwandeln. Die Zusammensetzung
der Leuchtstoffe bestimmt die Farbtemperatur des resultierenden Lichts (mehr über die Farbtemperatur später in diesem
Kapitel).
2. Trichromatisch
- Durch das Mischen verschiedenfarbiger LEDs der Farben Rot, Grün und Blau (RGB).
- Durch Kombination weißer LEDs mit roten oder bernsteinfarbenen, nach dem gleichen Prinzip. Diese Technik ermöglicht
unterschiedliche Farbtemperaturen in einem einzigen Modul.
2.
LED-LICHTQUELLEN
Es gibt viele Möglichkeiten, LED-Lichtquellen anzuwenden. Nach der internationalen Norm IEC 62504/CIE TC 2-66 (“Terminology of LEDs and
LED assemblies”) werden die folgenden Integrationsniveaus unterschieden:
1. LED-Package oder LED-Komponente. Dies ist eine einfache Komponente, die aus einem oder mehreren LED-Chips besteht, möglicherweise
mit Optik und thermischer, mechanischer oder elektrischer Schnittstelle.
Z. B.
Cree XP-G LED-Komponente
Bridgelux LED-Komponente
2. LED-Modul. Eine LED-Lichtquelle, die sich aus mehreren LED-Komponenten zusammensetzt, montiert auf einer PCB (Leiterplatte) oder
auch mit integrierter Elektronik.
Z. B.
UM2-Leiterplatte (ETAP)
3. LED-Lampe. Identisch mit einem LED-Modul, aber mit Lampenfassung
Z. B.
TG-Röhrenlampe
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TG-Spotlampe
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4. LED-Light Engine. LED-Modul oder -Lampe mit Betriebsgerät, geeignet für den direkten Anschluss an die Netzspannung.
Z. B.
Osram PrevaLED AC
Um eine LED-Leuchte zu entwerfen, wählt ein Beleuchtungshersteller eines der vier Integrationsniveaus als Arbeitsgrundlage. Ausgehend von
Niveau 1 bleibt die größte Freiheit, eigene Akzente zu setzen, sowohl bezüglich des Designs als auch hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der
Lichttechnik. Beim Arbeiten mit den Niveaus 3 oder 4 ergeben sich andere Vorteile, wie logistische Möglichkeiten des Zulieferers und möglichst
geringe Kosten. ETAP entscheidet sich bei jeder Produktreihe für das passende Niveau, je nach gewünschtem Endergebnis.
2. LED-Modul
1. LED-Komponente
4. LED-Light Engine
LED-Leuchte
3. LED-Lampe
In den meisten Fällen (z. B. DUAL•LENS- oder LED+LENSTM-Leuchten) entwickelt ETAP Light Engines auf Basis von LED-Packages.
Bauformen bei LED-Packages
Innerhalb der Kategorie LED-Packages unterscheiden wir drei verschiedene Bauformen nach Leistung:
- Niedrigleistungs-LEDs () 1W)
- Hochleistungs-LEDs (1-10W)
- Chip-on-Board (5-500W)
Abb. 4: LED-Bauformen (v.l.n.r.): Kunststoffgehäuse, Keramikträger, Chip-on-Board
Bei Niedrigleistungs-LEDs (Abb. 4 - links) wird der LED-Chip zumeist in einem sogenannten „Leadframe“ (Leiterrahmen, siehe Abb. 5)
untergebracht, um den anschließend ein Kunststoffgehäuse angebracht wird. Die zentrale Kavität ist mit einer Silikonschicht aufgefüllt, in
der sich Phosphor befindet. Sowohl der Leadframe als auch das Gehäuse fungieren bei dieser Konstruktion für einen Teil des ausgestrahlten
Lichts als Reflektor. Das ist auch der Grund dafür, warum die optischen Eigenschaften - u.a. Reflexionsleistung und Materialalterung - zu einem
langfristigen Lichterhalt beitragen: Je besser das Material seine reflektierenden Eigenschaften behält, desto geringer der Leistungsverlust.
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UNTEN
OBEN
Kunststoffgehäuse
Wärmeableitung
Leiterrahmen
elektrische Kontakte
Wärmeableitung und Reflektion (optional)
Abb. 5: LED-Leiterrahmen mit Kunststoffgehäuse (bei Niedrigleistungs-LED)
Die Wahl des Kunststoffs wird auf der Grundlage der optischen Eigenschaften abgewogen, aber auch auf der Grundlage des Preises und
der Verarbeitbarkeit. Die meist verwendeten Materialien für das Gehäuse sind thermoplastische Materialien wie PPA (Polyphthalamide) und
PCT (Polycyclohexylendimethylenterephthalat) sowie Duroplaste wie EMC (Epoxy Moulding Compounds) und in einigen Fällen sogar Silikon.
Die meisten Hochleistungs-LEDs (Abb. 4 - Mitte) bestehen aus einem LED-Chip, der auf einem Keramikträger angebracht ist. Darauf werden
eine Phosphorschicht und eine Primäroptik angebracht, zumeist aus Silikon. Diese Bauform weist folgende Eigenschaften auf:
- eine gute Wärmeableitung zur PCB (geringerer interner Wärmewiderstand)
- direkt ausgestrahltes Licht und wenig Reflektion
- eine gute Farbstabilität über den gesamten Ausstrahlungswinkel
Silikonlinse
LED-Chip
Drahtverbindungen
Keramikträger
elektrische Kontakte
Wärmeableitung
Abb. 6: Aufbau einer Hochleistungs-LED
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UPDATE
Das Chip-Scale-Package (CSP – siehe Abbildung 7) ist eine Miniaturisierung der (Niedrig- oder Hoch-) Leistungs-LED. Dieses LED-Package
verfügt über ein minimales Gehäuse und ist besonders kompakt: Sowohl Chip als auch Träger sind nur 1 mm2 groß. In Zukunft werden
wahrscheinlich noch kleinere Formen konzipiert (0,5 mm2).
OBEN
UNTEN
thermischer Kontakt
Silikonschicht mit Phosphor
(keramischer) Träger
LED-Chip
Schutzdiode
elektrische Kontakte
Abb. 7: Aufbau eines Chip-Scale-Package
Bei Chip-on-Board-Technologie (COB; Abb. 4 - rechts) werden mehrere Chips zusammen auf einem Träger angebracht und miteinander
elektrisch verbunden. Darauf wird eine Silikon-Deckschicht mit Phosphor aufgebracht. Der Träger besteht zumeist aus einem keramischen
Material oder aus hochreflektierendem (poliertem) Aluminium.
OFFEN
Träger
(Keramik oder Aluminium)
Drahtverbindungen
GESCHLOSSEN
LED-Chips
Silikon +
Phosphor
reflektierende Schicht
elektrischer
Anschluss
Damm
Abb. 8: Aufbau Chip-On-Board-Technologie (COB)
Der Verlauf der optischen Eigenschaften in Bezug auf die Zeit unter Einfluss von Licht und Wärme wirkt sich in hohem Maße auf den
Wartungsfaktor von LEDs aus. Die Stabilität ist für die Hochleistungskomponenten (z. B. High Power und COB) optimal und für die
Niedrigleistungs-LEDs aus Kunststoff geringer. Aufgrund des intelligenten Designs liefern Niedrigleistungs-LEDs ebenfalls ein gutes Ergebnis.
8 | ETAP
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3.
VORTEILE DER LEDs
ETAP-Anwendung mit
High Power LEDs
Chip-on-Board
Mid Power LEDs
VORTEIL 1: LANGE NUTZUNGSDAUER
100
90
80
relativer Lichtstrom (%)
Die Nutzungsdauer der LEDs wird stark durch die spezifischen
Einsatzbedingungen beeinflusst, wobei der Strom und die
Innentemperatur (und somit auch die Umgebungstemperatur)
die wichtigsten Faktoren sind. Typischer Weise wird von einer
Lebensdauer von 50.000 Stunden ausgegangen. Darunter
verstehen wir die Zeitspanne in der der durchschnittliche
Lichtstrom auf 70% seines Ausgangswertes zurück geht
(siehe Abb. 8). Diese Lebensdauer gilt unter der Bedingung,
dass die LEDs innerhalb der vorgegebenen Temperaturgrenzen
(meist 80-85°C) verwendet werden. Werden qualitativ
hochwertige LEDs in Kombination mit einem professionellen
Leuchtendesign verwendet, dann kann dieser Wert auch
deutlich höher liegen (siehe Kapitel 4).
70
60
50
40
30
20
10
0
1
10
100
Zeit (h x 1000)
Abb. 9: Abnahme des Lichtstroms in Abhängigkeit zur Zeit
Nutzbare LED-Lebensdauer
Bei der Bestimmung der LED-Lebensdauer muss zwischen parametrischen Fehlern (Leistungsverlust) und totalem Versagen (LED
strahlt kein Licht mehr aus) unterschieden werden. Wenn sich Hersteller auf eine Lebensdauer von L70 beziehen, dann ist damit die
Zeit gemeint, in der die Leistung eines bestimmten Prozentsatzes der LEDs auf 70% des ursprünglichen Lichtstroms absinkt. Dieser
Prozentsatz wird mit B bezeichnet, also zum Beispiel B50 = 50%. Bei dieser Art der Bestimmung der Lebensdauer werden jedoch nicht
alle potenziell möglichen LED-Ausfälle berücksichtigt; einige andersartige Ausfälle werden deshalb im Testergebnis nicht angegeben.
Für den Nutzer ist jedoch jede defekte LED, unabhängig vom Ausfallgrund, wichtig. Wenn man bei der Bestimmung der Lebensdauer
auch die möglicherweise fehlerhaften oder defekten LEDs mit einbezieht, dann spricht man von der „F“-Definition der Lebensdauer, die
typischerweise niedriger ist, als die „B“-Definition der Lebensdauer. Zum Beispiel zeigt L70F10 die Zeitspanne, innerhalb derer 10% der
LEDs auf weniger als 70% des ursprünglichen Lichtstroms absinken oder aus einem anderen Grund versagen. Internationale Standards
und Empfehlungen sind daher bestrebt, die “F“-Definition für die Lebensdauer der LEDs zu verwenden, oder sogar verbindlich vorzuschreiben. ETAP gibt keinen L70/B50-Wert für Leuchten an, weil dies keine brauchbare Angabe für Beleuchtungsberechnungen ist.
Wir gehen von der angenommenen Anzahl Betriebsstunden aus (projektabhängig) und berechnen daraus den Lampenlichtstromwartungsfaktor. Bei Büroanwendungen rechnen wir standardmäßig mit 25.000 Betriebsstunden, bei Industrieanwendungen mit 50.000
(siehe auch Anhang 1).
LEDs haben eine lange Lebensdauer, sind aber empfindlich gegen zyklische thermische Spannungen und chemische und elektrostatische
Einflüsse.Das Berühren von LED-Platinen ist darum unbedingt zu vermeiden. Das Gleiche gilt für das direkte Anschließen von LEDs an eine
Stromversorgung, die bereits unter Spannung steht, da die auftretenden Spannungsspitzen die LED völlig zerstören können.
Halogenlampe
LED = 18x Cree XP-G2 4000K @ 350 mA
5000
B50/L70
Kompakt-Leuchtstofflampe
Kompakte Metalldampflampe
(CDM-T)
Betriebsstunden (in 1.000 Std.)
8000
10000
Quecksilber-Hochdrucklampe
12000
20000
Lineare Leuchtstofflampe
LED
50000
0
10000
20000
30000
40000
50000*
Stunden
Abb. 10: Typische Werte für die nutzbare Lebensdauer
(vereinfacht dargestellt)
120
100
80
60
40
20
0
60000
60
70
80
90
100
110
120
LED Junction-Temperatur Tj (°C)
Abb. 11: Einfluss der Junction-Temperatur
auf die Lebensdauer
* Basierend auf mind. 10.000 Stunden Messdaten (TM-21)
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Kaltweiße LEDs mit einer Farbtemperatur von 5.000 K (Kelvin) erreichen heute unter Laborbedingungen schon mehr als 180 lm/W. LEDs mit
einer geringeren Farbtemperatur von 2.700 bis 4.000 K (die am meisten für Beleuchtungsanwendungen in Europa verwendet werden) haben
durchgängig eine geringere Effizienz. Bei diesen Farbtemperaturen sind heutzutage Wirkungsgrade von 130 lm/W und mehr im Handel erhältlich.
140
Spezifischer Lichtstrom (lm/W)
UPDATE
VORTEIL 2: HOHE ENERGIEEFFIZIENZ MÖGLICH
U7/R7 (G3)
120
U7/R7 (G2)
100
80
60
D1 (G1)
D4 (G3)
R8
U7/R7 (G1)
Diese Kurve basiert auf den realen Leistungen der LEDs
in konkreten Anwendungen. Diese Unterschiede der
Herstellerdaten sind auf die produktionsspezifische
elektronische Steuerung und auf das thermische
Verhalten zurückzuführen.
D4 (G2)
D4 (G1)
40
20
0
2010
2011
2012
2013
2016
2015
2014
Abb. 12: Entwicklung des spezifischen Lichtstroms der LED-Leuchten bei 3000 K,
mit Angabe unterschiedlicher Generationen (G1-2-3) des jeweiligen ETAP-Produktes
bei einer Junction-Temperatur im normalen Gebrauch („heisse“ Lumenwerte)
Spezifischer Lichtstrom (lm/W)
Die Lichtausbeute gibt das Verhältnis zwischen Lichtstrom und Leistungsaufnahme an. Ebenso wie bei Leuchtstofflampen muss zwischen
der Lichtausbeute der Lichtquelle (LED-Komponente, gemessen bei 25° oder 85°C Junction-Temperatur und mit standardmäßigem
Steuerstrom) und der einer Leuchte, einschließlich Betriebsgerät und Optik, unterschieden werden.
Zur Veranschaulichung ein Beispiel von U7 mit LED:
LED Pulstest bei 85°, vergleichbar
mit Werten in der Praxis
140 lm/W
LED
mit Treiber (92%)
129 lm/W
LED-Leuchte
inklusive Optik und Linse
120 lm/W
0
20
40
60
80
100
120
140
Lumen/Watt
Abb. 13: U7
Zum Vergleich: Die leistungsfähigste Reflektorleuchte U5 mit Leuchtstofflampe 1x 32 Watt
111 lm/W
T5 High Output ECO (bei 35°C)
Leuchtstofflampe mit Vorschaltgerät
(90%)
89 lm/W
Leuchte mit Leuchtstofflampe
(inklusive HRSilverTM-Reflektor)
87 lm/W
20
40
60
80
100
110
120
Lumen/Watt
Abb. 14: U5-Reflektorleuchte
Anders als bei Leuchtstofflampen wird der Wirkungsgrad einer LED-leuchte durch die Gesamtheit der Konstruktionsmerkmale bestimmt:
Stromdichte, Optik und Wärmehaushalt. Während die Lampen bei Leuchtstofflampen stets für eine Betriebstemperatur von 35° konzipiert
sind (Einfluss des Wärmehaushalts = 1) und die Ansteuerung stets nominal ist (34W-Lampen werden mit 34W angesteuert, somit Einfluss
der Ansteuerung = 1), wird der Wirkungsgrad bei LED-Beleuchtung sehr stark von der Leuchtenkonstruktion bestimmt.
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LEDs mit einer hohen Farbtemperatur, also mit kälterem Licht, besitzen einen höheren Wirkungsgrad als die gleichen LEDs mit einer niedrigeren
Farbtemperatur. Der Leuchtstoff, der gebraucht wird, um die warmweiße Farbe zu erzeugen, enthält nämlich mehr Rot und die Effizienz dieser
roten Komponente ist geringer, als die der gelben. Dadurch nimmt der Gesamtwirkungsgrad der LEDs ab.
Zum Vergleich:
2016-2018
LED
OLED
Metalldampflampe
Leuchtstofflampe
Quecksilber-HochdruckGasentladungslampe
Halogenlampe
Glühlampe
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220 lm/W
Abb. 15: Typische Werte für die Effizienz verschiedener Lichtquellen
Vorteil 3: Gute Farbqualität, Wahl der Farbtemperatur
Farbtemperatur
Die Farbtemperatur einer Lichtquelle für weißes Licht ist definiert als „die Temperatur eines definierten schwarzen Körpers, von dem das
ausgestrahlte Licht den selben Farbeindruck wiedergibt, wie die Farbe der betreffenden Lichtquelle“. Die Farbtemperatur wird in Kelvin (K)
ausgedrückt. Blaues Licht hat eine höhere Farbtemperatur und wird daher als „kälter“ empfunden, als Licht mit einer geringeren Farbtemperatur.
Es gibt verschiedene Unterteilungen und Benennungen, jede mit Verweis zu den erkennbaren Farbtemperaturen:
Blue Led
Blaue
LEDchip
10,000
Phosphor 6000K
Phosphor 3000K
Nordlicht (blauer Himmel)
y
0.9
9,000
520
0.8
540
8,000
7,000
bewölkter Tag
500
2,000
1,000
580
0.5
Mittagslicht, direktes Sonnenlicht
Elektronisches Blitzlicht
4,000
3,000
560
0.6
6,000
5,000
0.7
Abb. 16: Benennung von Farbtemperaturen
5000
3000
0.0
6000
0.4
2000 1500
10000
0.3
konventionelle Glühlampe
früher Sonnenaufgang
Glühlampenlicht
Kerzenlicht
Tc (°K)
490
600
620
700
0.0
0.2
480
0.1
470
460
0.0
0.0
0.1
380
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
x
Abb. 17: Erzeugung von weißem Licht durch
Leuchtstoff
Bei weißem Licht von RGB-LEDs (in denen die Farben Rot, Grün und Blau gemischt werden) sind alle Farbtemperaturen möglich, jedoch ist die
Steuerung und Kontrolle im Laufe der Zeit komplex, da alle drei Farben eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit haben. Daher werden
diese seltener für Beleuchtungszwecke eingesetzt.
Bei LEDs mit Lumineszenz-Konversion wird die Farbtemperatur durch die Wahl des Leuchtstoffs bestimmt.
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11 | ETAP
UPDATE
Wie verhält sich das bei der Sicherheitsbeleuchtung?
Bei der Sicherheitsbeleuchtung setzt ETAP ausschließlich LEDs mit hohen Farbtemperaturen ein. Sie
sind effizienter und benötigen aus diesem Grund weniger Akku-Kapazität. Darüber hinaus reagiert das
menschliche Auge bei schlechten Lichtverhältnissen sensibler auf bläuliches Licht.
Farbqualität
Die Farbqualität wird einerseits durch „Color Fidelity“ (Bereich <0 - 100) und andererseits durch „Color Gamut“ (GAI, Bereich 0 - 100)
bestimmt. Die „Color Fidelity“ einer Lichtquelle – quantifiziert durch einen Farbwiedergabe-Index Ra (CRI – Color Rendering Index) – gibt die
Zuverlässigkeit der Farbwiedergabe eines von der Lichtquelle beleuchteten Objekts an. Um zu diesem Index zu gelangen, vergleichen wir die
Farbwiedergabe der von der Testlichtquelle beleuchteten Objekte mit der Farbwiedergabe derselben, von einer Referenzlichtquelle beleuchteten
Objekte (schwarzer Strahler mit derselben Farbtemperatur).
Der Farbwiedergabe-Index von LEDs ist mit dem von Leuchtstofflampen vergleichbar und variiert zwischen 60 und 98.
•
•
Für normale Beleuchtungsanwendungen in Warmweiß oder Neutralweiß verwendet ETAP LEDs mit einer Farbwiedergabe von 80
(gemäß Norm NEN-EN 12464-1).
Für batteriegespeiste Sicherheitsbeleuchtungssysteme ist der Wirkungsgrad wichtiger als die Farbwiedergabe (hier ist eine minimale
Farbwiedergabe von 40 erforderlich). Deshalb verwenden wir bei der Sicherheitsbeleuchtung hocheffiziente kaltweiße LEDs mit einer
Farbwiedergabe von ca. 70.
Bei weißen LEDs wird der Farbwiedergabe-Index durch die Zusammensetzung des lumineszenten Materials (Phosphor) bestimmt.
Zum Vergleich:
Leuchtstofflampe:
LEDs:
Glühlampe:
CDM:
Natriumlampe:
Ra von 60 bis 98
Ra von 60 bis 98
Ra von 100
Ra von 80 bis 95
Ra von < 0
Color Gamut verweist auf das Farbspektrum, das ein Gerät oder eine Lichtquelle reproduzieren kann, und wird durch den Gamut-Area-Index
(GAI) angegeben. Je größer oder breiter der Gamut, desto reicher die Farbpalette und desto besser die Wiedergabe der gesättigten Farben.
0.56
Gamut Area Referenzlichtquelle
Gamut Area getestete Lichtquelle
0.55
0.54
Schwarze Strahlungskurve
0.53
0.52
3000K CCT
0.51
0.50
0.49
0.48
0.18
0.20
0.22
0.24
0.26
0.28
0.30
0.32
Abb. 18 Beispiel eines GAI für ein „Vibrant white“-Modul (3000 K rosafarbenes weißes Licht). (Quelle: Xicato)
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Seit kurzem beschäftigt man sich in zunehmendem Maße mit Lichtqualität und Farbwiedergabe von LED-Beleuchtung. Vor allem im Einzelhandel
halten neue Trends wie „Specialty Whites“ Einzug. So besteht bei einigen Geschäften Nachfrage nach weißverstärkender Beleuchtung (mit
zusätzlich Blau als Weißmacher – z. B. Philips Crisp White) oder bei Bekleidungsgeschäften nach Beleuchtung mit Rosatönen (z. B. Xicato
Vibrant White), für eine akzeptiertere Farbqualität.
Vorteil 4: Stabile Leistung über einen großen Temperaturbereich
Im Vergleich zu Leuchtstofflampen sind LEDs
weniger empfindlich für die Umgebungstemperatur. Während der relative Lichtstrom bei Leuchtstofflampen bei Umgebungstemperaturen über
oder unter 25°C drastisch abnimmt, zeigen LEDs
nur eine allmählich Abnahme bei höheren Umgebungstemperaturen. Dies ist ein wichtiger Vorteil in Umgebungen mit außergewöhnlichen
Temperaturen (< oder > 25°C) oder bei starken
Temperaturschwankungen (z. B. in der Industrie).
Relativer Lichtstrom %
Nichtsdestotrotz ist das thermische Konzept von
großer Bedeutung: Ein durchdachter Temperaturhaushalt ist äußerst wichtig, um eine maximale Lebensdauer und Lichtleistung zu erreichen
(siehe auch Kapitel 2.4).
115,0
110,0
105,0
100,0
95,0
90,0
85,0
80,0
75,0
70,0
65,0
60,0
55,0
50,0
45,0
40,0
-30,0
-25,0 -20,0 -15,0 -10,0 -5,0
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0
fluorescentielamp
led
Abb. 19: Einfluss der Umgebungstemperatur auf den relativen Lichtstrom
Vorteil 5: Unmittelbare Lichtleistung beim Einschalten
Leuchtstofflampen geben unmittelbar nach dem
Starten noch nicht den vollen Lichtstrom ab. LEDs
dagegen reagieren sofort auf Veränderungen in der
Stromzufuhr. Unmittelbar nach dem Einschalten
erreichen sie den maximalen Lichtstrom. Sie sind
daher auch sehr gut für Bereiche geeignet, in denen
oft geschaltet wird und das Licht oft nur kurze Zeit
leuchtet.
Das gilt auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen,
in denen LEDs sogar noch besser funktionieren. Von
diesem Vorteil macht zum Beispiel die E1 mit LED für
Tiefkühlanwendungen Gebrauch.
Darüber hinaus können LEDs – im Gegensatz
beispielsweise zu CDM-Lampen – auch ohne Probleme
wieder eingeschaltet werden, obwohl sie noch warm
sind. Auch häufiges Schalten hat in der Regel keinen
negativen Einfluss auf die Lebensdauer der LED.
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140,0
Rel. Lichtstrom in Abh. von der
Umgebungstemperatur = 20°C (%)
UPDATE
Die rote Linie der vorhergehenden Abbildung zeigt die IEC-Farbkoordinaten einer Referenzlichtquelle (3000 K) – die blaue Linie zeigt die
Farbkoordinaten der Testquelle. Während CRI/Ra ein Maß für die durchschnittliche Abweichung zwischen den blauen und roten Punkten ist,
ist GAI das Verhältnis der Flächen zwischen den blauen und roten Polygonen. In diesem Beispiel ist der GAI größer als 100, was bedeutet, dass
die Testquelle eine reichere Farbpalette wiedergibt als die Referenzlichtquelle. Ra ist per Definition kleiner als 100.
Ein hoher CRI garantiert nicht immer einen hohen Gamut. Und umgekehrt schließt ein niedriger CRI keine gute Farbqualität aus — dank eines
hohen Gamut-Werts.
120,0
100,0
80,0
60,0
40,0
20,0
0,0
0:00
0:05
0:10
0:15
0:20
0:25
0:30
0:35
0:40
0:45
0:50
0:55
1:00
Zeit (h:mm)
LED
LEUCHTE MIT ANGEPASSTEN LEUCHTSTOFFLAMPEN UND VORSCHALTGERÄT FÜR KÜHLRÄUME
LEUCHTE MIT LEUCHTSTOFFLAMPE MIT VORSCHALTGERÄT FÜR KÜHLRÄUME
Abb. 20: Vergleich des Startverhaltens von LEDs und Leuchtstofflampen bei -30°C
13 | ETAP
LEDs können sehr effizient und über eine große Bandbreite hinweg gedimmt (nahezu von 0% bis 100%), oder dynamisch angesteuert werden.
Dies kann auf Basis standardisierter Dimm-Methoden wie DALI, 1-10 V oder TouchDim erfolgen.
Die Dimmverluste von LEDs im unteren Dimmbereich sind vergleichbar mit den Verlusten bei Leuchtstofflampen mit modernsten dimmbaren
Vorschaltgeräten. Bei vollständigem Dimmen ist die restliche Leistungsaufnahme praktisch vernachlässigbar. Daher eignen LEDs sich
hervorragend zur Integration in programmierte, dynamische Regelsysteme.
100,0
90,0
Energieverbrauch (W)
UPDATE
Vorteil 6: Gut dimmbar über eine große Bandbreite
80,0
500mA
70,0
400mA
300mA
200mA
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Dimmstufe (%)
Abb. 21: Effekt der Dimmung auf die Leistung
Wirkungsgrad und Lichtausbeute sinken in der Regel bei niedrigeren Leistungen. So sind Downlights mit einer Leistungsaufnahme von weniger
als 20 W im Allgemeinen weniger effizient als Leuchten von 40 W oder höher.
Vorteil 7: Umweltfreundlichkeit
LCA-Studien* (Life Cycle Analysis Studien – sie betrachten die ökologischen Auswirkungen eines Produktes von der Herstellung bis zum
Recycling und zur Wiederverwertung) zeigen, dass LEDs im Vergleich zu anderen Lichtquellen das Potential haben, in der Zukunft den kleinsten
ökologischen Fingerabdruck zu hinterlassen. Obendrein enthalten sie kein Quecksilber, wie es z. B. bei Leuchtstofflampen der Fall ist.
* Assessment of Ultra-Efficient Lamps; Navigant Consulting Europe; 5. Mai 2009.
Vorteil 8: Keine IR- oder UV-Strahlung
LED entwickeln keine ultavioletten (UV-) oder infraroten (IR-) Strahlen.* Das macht sie sehr geeignet für Anwendungen, in denen solche
Strahlungen vermieden werden sollten, wie zum Beispiel Museen, Lebensmittel- oder Bekleidungsgeschäfte.
Die LED selbst erzeugt zwar Wärme, aber die wird nach hinten, von dem zu beleuchtenden Objekt weg, geleitet (hierauf kommen wir noch
zurück – siehe Kapital 2 .4). Auch das ausgestrahlte Lichtbündel stellt Energie dar, die bei Absorption in Wärme umgesetzt wird.
* Das Gehäuse selbst generiert IR-Strahlung (durch die Wärme).
14 | ETAP
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4.
LED-HERSTELLER
Bei ETAP nutzen wir eine Reihe von Kriterien, um die Hersteller auszuwählen, mit denen wir zusammen arbeiten können. Die wichtigsten Kriterien
sind: Leistungsfähigkeit, Preis, Dokumentation (nachweisbare Daten mit Bezug auf die aktuellen Normen) und langfristige Verfügbarkeit
(wichtig für die Kontinuität in unserer Leuchten-Produktion).
ETAP arbeitet, je nach Plattform, mit verschiedenen Lieferanten zusammen, wobei die oben genannten Anforderungen zu Grunde gelegt
werden.
5.
DIE ZUKUNFT DER LEDs
Die LED-Technologie erreicht allmählich das Ende der Entwicklungsphase.
•
•
•
6.
Der spezifische Lichtstrom der LEDs nimmt immer noch zu. Heute lassen Sie in Sachen Lichtleistung Halogen-, Glüh- und
Leuchtstofflampen weit hinter sich. Im Hinblick auf Effizienz und/oder spezifische Leistung übertreffen LED-Leuchten selbst die
effizientesten Lösungen mit Leuchtstofflampen bei weitem. Man kann in etwa sagen, dass in den vergangenen Jahren der Preis
für das gleiche Lumenpaket um 25% zurückgegangen ist, oder dass man für den gleichen Preis 10% mehr Lichtausbeute erhält.
Momentan wird jedoch ein Limit bei 200 bis 240 lm/W für warme Farben erwartet.
Neue Technologien werden noch stets entwickelt, um langfristig Farbqualität und Kosten zu optimieren.
Es gibt eine immer bessere Kontrolle der Farbe und somit ein engeres Farben-Binning, wodurch immer mehr Hersteller sogar nur
noch ein Bin anbieten (3 SDCM). (Weitere Informationen zum Binning in Kapitel 2.5)
OLEDS
OLED steht für Organic Light Emitting Diode. Wie der Name bereits sagt, handelt es sich dabei um eine Variante der traditionellen LED.
LEDs basieren auf kristallinem, anorganischem Material (z. B. Galliumnitrid), wohingegen OLEDs organische Makromoleküle auf Basis von
Kohlenwasserstoffverbindungen nutzen, um Licht zu erzeugen.
OLEDs in verschiedensten Formen (z.B. Philips Lumiblade)
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15 | ETAP
Punkt contra Oberfläche
Der Unterschied zwischen OLED und LED besteht aber nicht nur im Material, sondern auch in der Art der Beleuchtung. Während die LED
eine typische Punktlichtquelle ist, werden OLEDs eingesetzt, um Licht über eine vorgegebene Oberfläche zu verteilen. Konkret werden die
organischen, lichterzeugenden Teilchen in einer hauchdünnen Schicht auf einer Platte aus Glas oder einem anderen transparenten Material
aufgebracht und mit einer Kathode und einer Anode verbunden. Diese Schicht leuchtet auf, wenn an Kathode und Anode Spannung angelegt
wird. Durch eine Kombination der entsprechenden Materialien können OLEDs Licht in einer bestimmten Farbe erzeugen.
TFE (Thin Film Encapsulation)
Metallkathode
organische Schicht
transparente Anode
Glasträger
Licht
Abb. 22: Aufbau einer OLED
Komplementär zur LED
Aus diesem fundamentalen Unterschied zwischen LED und OLED wird sofort klar, warum die beiden Technologien als komplementär angesehen und
auch in Zukunft nebeneinander Verwendung finden werden. OLEDs produzieren ein diffuses und gestreutes Licht über eine bestimmte Oberfläche,
wohingegen LEDs sich perfekt zur Erzeugung von Lichtbündeln eignen, die dann ausgerichtet und verteilt werden können. Die OLEDs als OberflächenLichtquelle mit einer perfekt gleichmäßigen Ausleuchtung eignen sich natürlich äußerst gut für Anwendungen wie Rettungszeichenleuchten.
Außerdem sind sie auch vielversprechend für Anwendungen in der allgemeinen Beleuchtung, wie zum Beispiel als lichtspendende Flächen.
Leistungsfähigkeit
UPDATE
Die OLED-Technologie befindet sich heute noch in der Entwicklung. Hinsichtlich Leistung und Lebensdauer können sie heute sicher noch nicht mit
LEDs mithalten. So erzielen OLEDs eine Lichtleistung von 60 lm/W im Vergleich zu 160 lm/W bei LEDs. Für den Einsatz in Rettungszeichenleuchten
sind sie allerdings schon nah genug an der Leistung von LED-Produkten, da sie für diese Art der Anwendung naturgemäß einfach besser geeignet
sind. Genau wie bei den LEDs wird erwartet, dass die Leistung von OLEDs durch neue Entwicklungen noch stark zunimmt.
OLED Roadmap
Jahr
Spezifischer Lichtstrom
2
Lebensdauer (L70 @ 3 000 cd/m )
2015
2016
2018
50 lm/W
90 lm/W
120 lm/W
20 000 u
40 000 u
60 000 u
Helligkeit
3 000 cd/m2
4 000 cd/m2
5 000 cd/m2
Lichtausbeute
10 000 lm/m2
15 000 lm/m2
20 000 lm/m2
Farbwiedergabe (CRI)
Max. Abmessungen
> 90
> 92
> 95
150*150 mm
320*320 mm
400*400 mm
Abb. 23: Aktuelle und erwartete Leistung von OLEDs (Quelle: LG)
16 | ETAP
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Auch die Oberfläche, die mit einem einzigen OLED-Modul beleuchtet werden kann, befindet sich noch in der Entwicklung. Bei Fernsehern
besteht der Bildschirm aus verschiedenen OLED-Pixeln, weil dort die Bildauflösung eine Rolle spielt. Bei Beleuchtungsanwendungen haben wir
hingegen das Ziel, mit einem Modul eine möglichst große Oberfläche auszuleuchten. Die Vorteile dabei sind, dass wir diese einfach ansteuern
können und kein Verpixelungs-Effekt entsteht. Heute sind Lichtpaneele mit einer Größe von 15 cm x 15 cm bereits standardmäßig erhältlich,
in der Zukunft gehören Oberflächen von bis zu 1 m2 sicher zu den Möglichkeiten.
Der Einsatz von organischen Materialien – die relativ schnell altern und sehr empfindlich gegen Luft und Feuchtigkeit sind – hat eine
relativ begrenzte Lebensdauer zur Folge. Heute geht man von 20.000 Betriebsstunden aus (bei um 30 % verringerter Lichtleistung und einer
kontinuierlichen Ansteuerung von 3 000 cd/m2). Die Weiterentwicklung der verwendeten Materialien, Schutzschichten und Produktionstechniken
wird hier große Verbesserungen mit sich bringen.
Flexibel und transparent?
Heute werden OLEDs noch fast ausschließlich auf Glas befestigt. Die
Forschung konzentriert sich jetzt aber auf die Möglichkeiten, wie
OLEDs auf flexiblere Materialien aufgebracht werden können, um
verformbare Beleuchtungspaneele zu ermöglichen. Damit würde jede
Oberfläche – ob eben, gebogen oder sogar elastisch – zur potentiellen
Lichtquelle. Stellen Sie sich leuchtende Wände, Möbel, Gardinen oder
Kleidungstücke vor.
Ein anderer Forschungsbereich ist die Entwicklung von transparenten
OLED-Paneelen. Derzeit bilden nicht leuchtende OLEDs noch eine
reflektierende Oberfläche. Transparente Paneele könnten dann zum
Beispiel tagsüber als Fenster fungieren und bei Dunkelheit für eine
angenehme Beleuchtung sorgen. Das macht die OLEDs zu einer
besonders vielversprechenden Beleuchtungstechnologie mit nahezu
endlos vielen Anwendungsgebieten.
OLEDs als interaktiver Spiegel
ETAP führt die OLED-Technologie in die
Sicherheitsbeleuchtung ein
Ende 2013 hat ETAP als Erster eine Rettungszeichenleuchte
auf der Grundlage von OLEDs vorgestellt. Dank der niedrigen
Beleuchtungsstärken und der homogenen Ausleuchtung sind
OLEDs hierfür besonders geeignet.
K4, Rettungszeichenleuchtenreihe mit OLED
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17 | ETAP
Kapitel 2: Leuchten mit LEDs konstruieren
1.
CHANCEN UND HERAUSFORDERUNGEN
LEDs sind im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen, wie Leuchtstofflampen, sehr klein. Mit anderen Worten, die LED-Lichtquelle einer
Leuchte kann, anders als z. B. bei Leuchtstofflampen, über die gesamte Oberfläche angeordnet werden. Das ermöglicht ein schlankeres
Leuchtendesign und einen viel kreativeren Umgang mit Formen.
Aber beim Entwerfen von LED-Leuchten stehen wir vor mehr als nur einer Herausforderung. Wir müssen zuerst die richtigen LEDs für den
jeweiligen Anwendungszweck auswählen. Leistung, Lichtausbeute, Temperaturverhalten, Lebensdauer, Farbtemperatur und Preis sind dabei
wichtige Parameter. Das Design und die Integration von Optiken (Linsen, Diffusoren, Reflektoren) sorgen für die gewünschte Lichtverteilung.
Der Wärmehaushalt von LED-Leuchten ist ausschlaggebend für ihre Leistungsfähigkeit. Und das alles möchten wir auch noch in einem
ansprechenden Design verpacken.
Thermische Konstruktion
3D-Entwurf und
Produktionsmethoden
Wahl der Lichtquelle
Optische Konstruktion
Mechanische Konstruktion
Abb. 24: Konstruktion von D1-Downlight
18 | ETAP
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UPDATE
2.
DIE PASSENDE LICHTVERTEILUNG
Die meisten LEDs haben eine breite Lichtverteilung und strahlen Licht in einem Winkel von 80 bis 140° (vollständiger Winkel) aus. Mithilfe
von Sekundär- und Tertiäroptiken (Reflektoren, Refraktoren und Diffusoren) können wir spezielle Lichtverteilungen erreichen. Eine passende
Lichtverteilung ist wichtig, um in jeder Anwendung die spezifische Leistung und damit auch den Energieverbrauch so gering wie möglich zu
halten.
a. Reflexion
Man erreicht die gewünschte Lichtverteilung, indem man das Licht an einer Oberfläche reflektieren lässt.
Beispiel: D1 LED
b. Brechung
Das Licht wird durch ein transparentes Material (z. B. Linse) gelenkt und durch die optische Dichte (Brechungsindex) und die Form der
Materialoberfläche gebrochen und anschließend in die richtige Richtung gelenkt.
Beispiel: E4 mit DUAL•LENS-Technologie mit tiefstrahlender Linse
Beispiel: R7 mit LED+LENSTM-Technologie mit breitstrahlenden Linsen
Beispiel: K9-Antipanikbeleuchtung mit extrem breitstrahlender Linse
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19 | ETAP
UPDATE
c. Streuung oder mehrfache Ablenkung
Das Licht wird gestreut.
A. an einer Materialoberfläche mittels einer Oberflächenstruktur
Beispiel: U25 mit MesoOpticsTM-Folie
Beispiel: US mit Micro-Prismenstruktur
B. in einem Materialvolumen mittels Einschlüssen
Beispiel: R8 mit HaloOptics®-Diffusor
20 | ETAP
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3.
DIE LEUCHTDICHTE UNTER KONTROLLE
Mit der stetigen Zunahme der LED-Leistung und Wattage steigt auch die Leuchtdichte der Lichtquellen rasch an. Diese Leuchtdichten können
schnell 10 bis 100 Millionen cd/m² betragen, denn je kleiner die Licht emittierende Oberfläche ist, desto größer kann die Leuchtdichte der
Lichtquelle werden.
Einige Beispiele von Leuchtdichten:
•
•
•
•
•
Lineare Leuchtstofflampe - T8
Lineare Leuchtstofflampe - T5
Kompaktleuchtstofflampe 26 W
“Nackte” LED 3 W (100 lm)
Sonne
14.000 cd/m²
15.000 - 20.000 cd/m² ¬17.000 cd/m² (HE) und 20.000 - 33.000 cd/m² (HO)
50.000 cd/m²
100.000.000 cd/m²
1.000.000.000 cd/m² (=10 x LED!)
Ein durchdachtes optisches Design ist deshalb absolute Notwendigkeit, um das Licht dieser hellen Punktquellen zu streuen, direkten Einblick
zu vermeiden und Blendung zu verringern. Hierfür können wir sowohl Linsen, als auch Reflektoren und Diffusoren einsetzen. Einige Beispiele:
•
•
4.
D4 Downlights (UGR<19, Leuchtdichte <1000cd/m² bei 65°):
ƕ
Verteilung des Lichts über eine größere Fläche, um Leuchtdichten zu begrenzen.
ƕ
Einsatz von Linsen mit texturierter Oberfläche zur Streuung des Lichts und Vermeidung von Spitzenleuchtdichten der einzelnen
Lichtquellen.
U2 mit LED: Die Lichtquellen sind über die gesamte Leuchte verteilt. Der MesoOpticsTM Diffusor reguliert die Leuchtdichten und sorgt
für eine kontrollierte Lichtverteilung.
INTELLIGENTES WÄRME-MANAGEMENT
Dem Temperatur-Management (Kühlung) gilt zweifellos
die größte Aufmerksamkeit bei der Entwicklung qualitativ
hochwertiger LED-Beleuchtung. Abhängig von der LEDLeistung wird ca. 35-40 % der Energie in sichtbares Licht, und
60-65 % in Wärme innerhalb der Komponente umgesetzt
(Verlustfaktor).
35-40 %
LICHT
60-65 %
WÄRME
Zum Vergleich: Leuchtstofflampen strahlen etwa 25 % der
umgesetzten Leistung als sichtbares Licht aus. Aber der
Unterschied ist, dass bei Leuchtstofflampen auch etwa 40 %
der Energie in Form von Infrarot- oder Wärmestrahlung
emittiert wird. Die übrigen 35 % werden in interne Wärme
und UV umgesetzt.
LED
= 18x
Cree
XP-G2
4000K
@ 350
led
= 18x
Cree
XP-G2
R2 R2
4000K
@ 350
mA mA
108%
Bei niedrigeren Temperaturen nimmt der Lichtstrom zu:
LEDs funktionieren immer umso besser, je niedriger ihre
Betriebstemperatur ist.
106%
104%
Lichtstrom (lm)
Die Lichtausbeute von LEDs nimmt mit steigender JunctionTemperatur (das ist die Temperatur im Halbleiter-Material)
ab.
102%
100%
98%
96%
94%
92%
90%
88%
60
70
80
90
100
110
120
LED Junction-Temperatur (°C)
Abb. 25: Einfluss der Junction-Temperatur auf den Lichtstrom
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21 | ETAP
relativer Lichtstrom
Aber es ist nicht nur der Lichtstrom, der in Abhängigkeit von der Temperatur sinkt. Auch die nutzbare Lebensdauer wird negativ beeinflusst,
wenn die Temperatur einen kritischen Wert übersteigt. Deshalb ist eine gute Wärmeableitung wichtig.
Betriebsdauer (h)
Abb. 26: Abnahme des Lichtstroms im Verhältnis zur Zeit bei verschiedenen Junction-Temperaturen
Ein gutes Temperatur-Management ist daher essentiell. Die Wärmeableitung der LED in die Umgebung
erfolgt in aufeinander folgenden Stufen (durch verschiedene thermische Widerstände):
•
Die von der LED erzeugte Wärme wird durch das Substrat bis an den Lötpunkt geleitet.
(1, in der LED).
•
Von da aus wird die Wärme über die LED-Leiterplatte verteilt (2).
•
Eine thermische Schnittstelle (3) oder TIM (Thermal Interface Material) sorgt für eine
optimale Wärmeübertragung zwischen Leiterplatte und Hitzeableitung (4).
•
4
3
Durch Konvektion und Strahlung wird die Wärme in die Umgebung abgeleitet.
2
1
Freie Luftströmung rund um die Leuchte ist für eine gute Wärmeableitung sehr wichtig. Darum ist
das thermische Verhalten einer LED-Leuchte bei einer Anbauleuchte anders als bei einer Einbauleuchte. Bei der Einbauversion muss immer
ausreichend freier Raum um die Leuchte zur Verfügung stehen (Achtung: Deshalb keine Isolierung direkt oberhalb der Leuchte!). Auch die
Wartung (staubfrei halten) des Kühlkörpers trägt zu einem guten Temperatur-Management bei.
Abb. 27-28: Wärmestudien für D1 (links) und E7 (rechts)
22 | ETAP
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5.
BINNING FÜR EINE KONSTANTE LICHTQUALITÄT
Bei der Herstellung zeigen LEDs aus der gleichen Charge oder Serie verschiedene
Eigenschaften, zum Beispiel bezüglich Intensität und Farbe. Der Einsatz eines Mix
verschiedener LEDs in einer Leuchte würde daher zwangsläufig zu verschiedenen
Lichtstärkeniveaus und verschiedenen Lichtfarben führen. Deshalb müssen wir
ein „Binning“ durchführen, also die LEDs nach Klassen einteilen oder gruppieren.
BIN 1
“Binning” ist das Sortieren der LEDs nach bestimmten Kriterien, wie
BIN 2
BIN 3
•
•
•
Colour Binning: Das Sortieren nach Farbkoordinaten (x; y), rund um
eine individuelle Farbtemperatur;
Flux Binning: Das Sortieren nach Lichtstrom, gemessen in Lumen (lm);
Voltage Binning: Das Sortieren nach der Durchlass-Spannung,
gemessen in Volt.
Abb. 29: Prinzip des Binnings
y
0.9
520
0.8
540
0.7
Durch die Auswahl eines bestimmten „Farb-Bins“ wird eine gleichbleibende
Farbqualität des Lichts garantiert. LEDs aus dem selben „Bin“ haben also das
gleiche Erscheinungsbild. Unterschiede in den „Farbbins“ fallen beispielsweise
bei der gleichmäßigen Beleuchtung einer Wand stark auf.
560
0.6
500
580
0.5
0.4
600
620
Bei der Betrachtung der Farbwahrnehmung wird die sogenannte „Mc AdamEllipse“ verwendet (siehe Abb. 28). Diese Ellipse ist ein Bereich im CIE-Diagramm,
der alle Farben umfasst, die das menschliche Auge nicht von der Farbe im
Zentrum dieser Ellipse unterscheiden kann. LED-Hersteller verwenden SDCM
(Standardabweichung Colour Matching), wobei 1 SDCM gleich 1 MacAdam ist.
0.3
490
700
0.2
480
0.1
470
460
0.0
380
0.1
0.0
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
x
Wie passt ETAP das Binning bei seinen Leuchten an?
ETAP folgt der Binning-Politik der LED-Hersteller, die wir unter
hohen Qualitätsaspekten ausgewählt haben. Die Hersteller
entwickeln ihre Politik in Bezug auf technischen Fortschritt,
neue Prozesssteuerung, logistische Aspekte, usw. kontinuierlich
weiter. Für den Endanwender haben diese Änderungen keine
Folgen: Auch die geänderten Verfahren sorgen für eine
einheitliche Farbtemperatur. Die Leuchten von ETAP (sowohl
mit Niedrigleistungs-LEDs und Hochleistungs-LEDs als auch mit
Chip-on-Board-LEDs) entsprechen 3 SDCM.
CCY
0.42
3500K
4000K
0.41
4500K
0.40
0.39
3 SDCM
0.38
0.37
0.36
0.35
0.42
0.41
0.40
0.39
0.38
0.37
0.36
0.35
0.34
0.34
UPDATE
Abb. 30: Darstellung der MacAdam-Ellipsen
(Quelle: Wikipedia)
CCX
Abb. 31: Veranschaulichung des Binningprinzips
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23 | ETAP
6.
ELEKTRISCHE SICHERHEIT
LEDs arbeiten mit Niederspannung (typischerweise etwa 3V): Daher wird oft angenommen, dass man sich um die elektrische Sicherheit keine
besonderen Gedanken machen muss. In heutigen LED-Leuchten kann Spannung bis zu 100V und mehr gemessen werden. Dementsprechend
müssen zusätzliche Maßnahmen zur Betriebssicherheit ergriffen werden.
Schaltet man LEDs in Reihe, erhöht sich die Spannung
LEDs in Leuchten für die Allgemein-Beleuchtung werden, soweit möglich, in Reihe geschaltet. Die logische Konsequenz daraus ist ein Anstieg
der Spannung. Einer der Vorzüge von LEDs ist die niedrige Spannung von durchschnittlich 3V mit der jede einzelne LED arbeitet. Schaltet man
aber innerhalb einer Leuchte 30 LEDs in Reihe, dann liegt die Spannung schon bei 90V. Es gibt sogar Betriebsgeräte für LEDs, die eine Spannung
von mehr als 200V bereitstellen. Diese Betriebsgeräte müssen zusätzlich elektrisch abgesichert werden.
Ab 24V ist eine zusätzliche Isolierung notwendig
AC
DC
V< 25 VRMS (IRMS < 0,7 mA)
< 60 VDC (IDC < 2 mA)
25 VRMS < V < 60 VRMS
< 60 VDC < V < 120 VDC
60 VRMS < V < 120 VRMS
Abb. 32: Entsprechend dem internationalen Standard IEC 61347 besteht bis zu 24V (AC) oder 60V (DC) kein Berührungsrisiko (grün).
Bei LED Leuchten mit höherer Ausgangsspannung (rot) sind zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen zu treffen.
UPDATE
Internationale Normen (IEC 61347) verlangen, dass bei Spannungen über 24V* zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, um die Leuchte
berührungssicher zu machen. In erster Linie muss sichergestellt werden, dass die LED und alle stromführenden Teile von außen nicht
zugänglich sind. Die Lösung muss so aussehen, dass die LED erst nach dem Öffnen der Leuchte mit einem speziellen Werkzeug zugänglich
ist. Darüber hinaus muss eine gute Basisisolierung zwischen allen berührbaren, leitfähigen Teilen der Leuchte und allen spannungsführenden
Teilen bestehen. Wir stellen in jedem Fall genug Luft und Raum für Wartung sicher und nutzen elektrisch isolierendes Material, ohne das der
Wärmehaushalt darunter leidet.
Austauschbare Lichtquelle oder nicht?
Die Neuausgabe der Norm EN 60598 bestimmt, ob die Lichtquelle von LED-Leuchten
A. nicht austauschbar ist (Leuchte muss zerstört werden, um Zugang zur Lichtquelle zu erhalten)
B. durch den Benutzer austauschbar ist (Lichtquelle bequem und sicher austauschbar)
C. durch den Hersteller austauschbar ist (Lichtquelle muss durch eine Abschirmung geschützt sein, die über mindestens
zwei unabhängige Befestigungen verfügt und nicht ohne Werkzeug demontiert werden kann)
Für Leuchten der letzten Kategorie C. muss ab 2017 eine Warnung an den Leuchten angebracht sein, dass sich hinter der Abschirmung eine
gefährliche Spannung befindet.
*Auch die Schutzklasse des Treibers kann evtl. zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich machen.
24 | ETAP
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7.
VERÖFFENTLICHUNG DER KORREKTEN DATEN
Spezifischer Lichtstrom als Maßstab
Über viele Jahre wurde die Effizienz von Leuchten mit Leuchtstofflampen in Prozentwerten ausgedrückt; ein Hinweis darauf, wie gut eine
Leuchte das von der Lampe erzeugte Licht nutzt. Mit dem Beginn des LED-Zeitalters spricht man von Lumen pro Watt, also Lichtstrom der
Leuchte im Verhältnis zur eingesetzten Leistung. Es ist wichtig, dass die Effizienz der gesamten Leuchte in Betracht gezogen wird: Sowohl die
Effizienz der Lichtquelle, als auch die der Leuchte.
Die Effizienz einer Leuchte mit Leuchtstofflampe wurde durch den Vergleich des Lichtstroms der Leuchte mit dem der “nackten” Lampe ermittelt.
Eine Angabe der Effizienz in Prozent ist sehr anschaulich. Sie verdeutlicht, wie effizient eine Leuchte mit einer bestimmten Menge an Licht umgeht.
Das ist auch der Grund, warum diese Angabe zum Standard für Beleuchtungslösungen mit Leuchtstofflampen geworden ist. Dieser Prozentwert
ist sehr leicht zu ermitteln: Man misst den Lichtstrom der Leuchte mit Lampe und vergleicht ihn mit dem der „nackten“ Lampe.
Eine „nackte“ LED ist keine brauchbare Referenz
Bei Beleuchtungslösungen mit LED ist die Vorgehensweise wie bei Leuchtstofflösungen nicht möglich. Zum einen gibt es unterschiedliche
Typen von LEDs. Darüber hinaus sind die Messbedingungen der einzelnen Hersteller nicht immer vergleichbar. Außerdem entsprechen die
Messbedingungen der nackten LED nicht den Nutzungsbedingungen. Der Lichtstrom ist abhängig von Stromdichte und Betriebstemperatur;
eine LED erbringt bei 25°C eine sehr viel bessere Leistung als dann, wenn sie in einer Leuchte heiß geworden ist. Deshalb wäre eine Angabe in
Prozent zumindest irreführend.
Lichtausbeute von Lampe und Leuchte
Der Beleuchtungsmarkt verwendet deshalb ein anderes Konzept. Wir schauen heute nicht mehr nur auf die Leuchte alleine, sondern auf die
Kombination von Lampe und Leuchte. Es wird zunehmend mit lm/W gearbeitet, basierend auf der Menge an Energie die nötig ist, um einen
bestimmten Lichtstrom zu erzeugen. Das ist vielleicht nicht so anschaulich wie die Angabe in Prozent, dafür aber genauer. Man darf auch nicht
vergessen, dass die Leistung einer LED-Lösung von einer Vielzahl von Faktoren wie der Kühlung, dem Betriebsgerät, der Energiedichte und dem
Warm-Kalt-Faktor (der Abfall des Lichtstroms wenn die Temperatur steigt) abhängt. Eine gute Kühlung ist wesentlich und die lm/W Angabe
berücksichtigt das: Je besser die Kühlung, desto höher der Lichtstrom bei gleicher Leistung. Bei ETAP versuchen wir mit unseren LED-Leuchten
stets optimale Werte zu erzielen. Momentan sind Werte bis 130 lm/W auf eine wirtschaftliche Weise realisierbar.
Abb. 33: Im Produktdatenblatt auf der ETAP Website sind beide Werte, sowohl der Leuchtenlichtstrom,
als auch der spezifische Lichtstrom aufgeführt. (Website Screenshot)
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25 | ETAP
Neben dem spezifischen Lichtstrom, können weitere Informationen über LEDs auf der ETAP-Website abgerufen werden:
•
Fotobiologische Sicherheitsklasse
•
Farbtemperatur
•
Stromverbrauch
•
Typ des Betriebsgeräts: dimmbar oder nicht dimmbar
•
Leistungsfaktor
•
Wartungsfaktor
8.
OBJEKTIVE INFORMATIONEN ZUR QUALITÄT
Früher gab es in Europa keine Richtlinie oder Norm hinsichtlich der Publikation von Qualitätsdaten von LED-Leuchten. Die Hersteller
veröffentlichten zwar Informationen, die der Verbraucher jedoch nicht ohne weiteres vergleichen konnte. Beispiel: Man konnte zwar Zahlen
zur Lebensdauer publizieren, jedoch nicht angeben, wie man an diese Zahlen gelangt war. Oder man publizierte nur Daten zu Lichtleistung und
Lebensdauer der LED-Lichtquelle, wohingegen diese jedoch auch von der Optik und der Leuchtenkonstruktion stark beeinflusst werden. Die
fehlende Einheitlichkeit war für den Verbraucher ärgerlich, da dieser oft Äpfel mit Birnen vergleichen musste.
Europäische Vorschriften
Der Verband der europäischen Beleuchtungshersteller Lighting Europe hat deshalb 2012 einen
Leitfaden für Qualitätskriterien für LED-Leuchten veröffentlicht, an dem ETAP aktiv mitgearbeitet hat.
Inzwischen hat auch die Europäische Kommission einen Gesetzestext (Europäische Verordnung
1194/2012: Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Lampen mit gebündeltem Licht,
LED-Lampen und dazugehörigen Geräten) erstellt und genehmigt. Darin sind Anforderungen in Sachen
Energieeffizienz, Funktionalität und Produktinformationen enthalten. Die Verordnung beschreibt u.a.
wie Leistungsdaten und Qualitätsmerkmale von Komplettleuchten gemessen und publiziert werden
müssen, z. B.:
•
•
•
•
•
Die Eingangsleistung (W) der Leuchte einschließlich Netzversorgung, Ausgangslichtstrom (lm) und Effizienz = Output/Input (lm/W)
Darstellung der Lichtstärke (cd) in einer Lichtstärkeverteilungskurve (LVK).
Ein fotometrischer Code, der die Lichtqualität angibt (Farbtemperatur des Lichts, Farbwiedergabe-Index, Chromazität und Lichtstrom)
Ein Wartungscode, der den Leistungsverlust des Lichtstroms nach einer bestimmten Zeit angibt, mit Angabe der erwarteten
Lebensdauer, dem dann verbleibenden Lichtstromanteil und dem Ausfallprozentsatz zu diesem Zeitpunkt (siehe unten)
Die Umgebungstemperatur (°C), für die die veröffentlichten Werte gelten
Die Dokumentation von ETAP erfüllt diese europäischen Anforderungen sowie auch die international geltenden Richtlinien der IEC (International
Electrotechnical Commission) im Hinblick auf Leistungsanforderungen von
•
Leuchten (IEC 62722-1)
•
LED-Leuchten (IEC 62722-2-1)
•
LED-Modulen (IEC 62717)
Ermittelt Ihr Lieferant einen zuverlässigen Wartungsfaktor für seine Leuchten?
Der in der EU-Verordnung erwähnte Code für den Wartungsfaktor zielt auf eine nachweisbare und messbare Qualitätseigenschaft der Leuchte.
In der Praxis ist dieser Code oft für eine Dauer von 6.000 Stunden festgelegt, oder bestenfalls 12.000 Stunden. In Beleuchtungsstudien
arbeiten wir jedoch weiterhin mit Leistungsverlusten nach 25.000 (was bei den meisten Standardanwendungen 10 Jahren entspricht) oder
50.000 Brennstunden. Hierfür müssen zusätzliche Extrapolationen gemacht werden. Da die Verordnung diesbezüglich keine Aussage trifft,
wendet ETAP hierfür die Amerikanische Richtlinie TM21 an. Auf der Grundlage dieser Richtlinie extrapoliert ETAP seine Daten, sodass man
— auf der Grundlage von Zuverlässigkeitsmodelle — für jedes Projekt den korrekten Wartungsfaktor erwarten darf. Auf diese Weise können
Sie sicher sein, dass Ihre Beleuchtung die daran gestellten Erwartungen bis zum geplanten Ende der Lebensdauer optimal erfüllt. Übrigens
wird die Lebensdauer der Leuchte auch von der Schaltung der LEDs (Serie oder parallel) und der Alterung der Optik beeinflusst. Auch dies
wird von ETAP berücksichtigt. Die Europäische Verordnung setzt schließlich keine Mindestanforderungen in Bezug auf Leistungsverlust bei
26 | ETAP
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UPDATE
LED-Leuchten voraus. Dennoch ist ein hoher und genau berechneter Wartungsfaktor von großer Bedeutung. Zum Einen wird dadurch die
Überdimensionierung Ihrer Beleuchtungsanlage so gering wie möglich gehalten, zum Anderen garantiert ein zuverlässiger Wartungsfaktor
eine akzeptable Beleuchtungsstärke am Ende der Lebensdauer (siehe 4.1).
Lichttechnische Daten
U25
F (lm)
P (W)
4047
32
LLMF (%)
lm/W 25.000 Std. 50.000 Std.
126
99
98
Abb. 34: Für die Berechnung des Wartungsfaktors wendet ETAP die amerikanische Richtlinie TM21
in Kombination mit Zuverlässigkeitsmodellen an (z. B. U25).
ENEC+
2014 wurde das Europäische Prüfzeichen ENEC+ eingeführt. Während sich das ENEC-Zertifikat auf die elektrische und fotobiologische
Sicherheit von elektrischen Geräten bezieht, sagt ENEC+ etwas über die Leistung der Leuchten aus. Beachten Sie jedoch: Was bei ENEC+ nicht
berücksichtigt wird, ist der Leistungsverlust und die Lebensdauer von LED-Leuchten: Der Lichtstrom wird lediglich während der ersten 1000
Brennstunden gemessen. Welche Beleuchtungsstärke Ihre Anlage nach 25.000 oder 50.000 Brennstunden erzielt, sind Daten, die ETAP mit hilfe
der oben beschriebenen Methode berechnet und die Sie in Anlage 1 oder auf unserer Website finden.
9.
FOTOBIOLOGISCHE SICHERHEIT
Der Europäische Standard für fotobiologische Sicherheit EN 62471 beschreibt eine Klassifizierung, die angibt, ob eine Lampe oder Leuchte ein
Risiko für Augen- oder Hautschäden darstellt. Auf Grund der hohen Leuchtdichten, die High Power LEDs erzeugen, besteht ein potentielles
Risiko für Augenverletzungen. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die fotobiologische Sicherheit korrekt gemessen und klar publiziert wird.
Das Licht aus der LED enthält nahezu keine Anteile aus dem ultravioletten oder infraroten Spektrum und ist daher für die Haut absolut unbedenklich.
Allerdings enthält es eine starke Spitze im blauen Spektrum, die beim direkten Blick in eine helle Lichtquelle (über einen längeren Zeitraum) zu
irreversiblen Schäden an der Netzhaut, der so genannten Photoretinitis (Blaulichtgefährdung) führen kann (Blue Light Hazard - BLH).
100
4000K
Relative
Strahlung
(%)(%)
Relative
Radiant
Power
80
60
40
20
0
400
450
500
550
600
650
700
750
Wavelength
Wellenlänge(nm)
(nm)
Abb. 35: Da Licht aus LEDs eine starke Spitze im blauen Spektrum beinhaltet,
müssen ausreichende Schutzmaßnahmen ergriffen werden.
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27 | ETAP
Vier Risikogruppen
Ob tatsächlich ein Risiko besteht, hängt von vielen Faktoren ab: Leistung der LED, Farbtemperatur, aber auch die Lichtverteilung und die
Entfernung zur Leuchte spielen eine entscheidende Rolle.
Um es dem Nutzer zu ermöglichen sein Risiko einschätzen zu können, legt die Norm EN 62471 vier verschiedene Risikogruppen fest. Für die
Blaulichtgefährdung werden diese Gruppen folgendermaßen definiert:
•
•
•
•
Risikogruppe 0 (“Ausnahme”-Gruppe): Auch bei einem unbegrenzt langen Blick in die Lichtquelle besteht keine Gefahr.
Risikogruppe 1: Das Risiko ist begrenzt, mehr als 10.000 Sekunden Blickkontakt sind nicht zulässig (knapp unter 3 Stunden).
Risikogruppe 2: Bis zu 100 Sekunden Blickkontakt sind erlaubt.
Risikogruppe 3: Bis zu 0.25 Sekunden Blickkontakt sind erlaubt. Zum Vergleich: Das ist weniger Zeit, als der unwillkürliche
Abwehrreflex (Lidschlussreflex) des menschlichen Auges braucht, um das Auge zu schließen und zu schützen.
Da es bei der Norm EN 62471 um eine theoretische Einteilung geht, definiert für einen festen Sichtabstand, wurde daneben auch eine
Praxisrichtlinie entwickelt (IEC/TR 62778), die ab 2016 die heutige Norm EN62471 ersetzt. Die Gefahr von BLH hängt nämlich auch von dem
Sichtabstand ab (Abstand zwischen Augen und LED). Normalerweise schaut man nicht aus kurzer Distanz in eine Leuchte, aber
kürzere Sichtabstände können zum Beispiel auftreten, wenn ein Techniker eine Wartung durchführt. Die IEC/TR 62778 beschreibt, innerhalb
welcher Abstände eine Leuchte zu einer bestimmten BLH-Risikogruppe (RG) gehört (sogenannte Grenzabstände).
Einige Beispiele:
Diffusoren gehören zu RG 0, ganz gleich, von
welchem Abstand aus man diese ansieht, z. B.
Kardó , R8, U2.
Downlights und LED+LENSTM Leuchten
gehören zu RG 1, egal bei welchem
Sichtabstand.
Für die Lichtquelle in Abbildung 36 gilt
RG 1/RG 2 mit einem Grenzabstand von x
cm. Dies bedeutet, dass die Lichtquelle bei
Sichtabständen kleiner als x cm zu RG 2
gehört.
RG 2
RG 1
...
0 cm
x cm
Sichtabstand
Abb. 36: Darstellung der Grenzabstände
In welchem Maße Schutzmaßnahmen notwendig sind, hängt von der Anwendung ab. Haben Lichtquellen einen Grenzabstand RG 1/RG 2, muss
dieser angegeben werden, zusammen mit der Warnung, nicht direkt in die Lichtquelle zu schauen.
Nackte weiße LEDs (die in der allgemeinen Beleuchtung verwendet werden) gehören im schlechtesten Fall zu Gruppe 2, niemals Gruppe 3.
Bei den meisten Leuchten befinden sich die LEDs hinter einer Linse oder einem Diffusor, die/der das Bild der Quelle optisch vergrößern und so
Spitzenleuchtdichten abflachen. Hierdurch nimmt die Risikoklasse in den meisten Fällen weiter ab.
Korrekt messen, klar publizieren
Zu welcher Gruppe eine Leuchte gehört, wird durch ein definiertes
Messverfahren mit speziellen Instrumenten (Spektrometer) bestimmt.
ETAP hat die geeigneten Voraussetzungen und Instrumente, um
Messungen im eigenen Haus durchführen zu können. Das bedeutet,
dass ETAP alle Leuchten gewissenhaft auf ihre fotobiologische Sicherheit
hin überprüft. Die Risikogruppe, in die die jeweilige Leuchte gehört,
wird sowohl auf der Website als auch in der Produktdokumentation
veröffentlicht.
ETAP hat die geeigneten Instrumente, um Messungen
im eigenen Haus durchführen zu können.
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UPDATE
Abb. 37: Sie finden die exakten Informationen über die fotobiologische Sicherheit und Gruppenzugehörigkeit von ETAP Leuchten
auf dem Produkt-Datenblatt auf unserer Website. (Screenshot Website, Stand Oktober 2015).
10.
LED-RÖHREN
LED-Röhren sind fertige LED-Lampen, die in die Fassungen von auf Leuchtstofflampen ausgelegten Leuchten passen. Wenn die Leuchten speziell hierfür
entwickelt werden, können LED-Leuchten eine Reihe von Vorteilen aufweisen. Wenn man jedoch in bestehenden Leuchten die Leuchtstofflampen
ohne Weiteres durch LED-Röhren ersetzt, geht dies zu Lasten der Qualität, des Komforts und manchmal der Sicherheit.
EU achtet auf sichere LED-Leuchtröhren
Über ihr Schnellwarnsystem hat die Europäische Union den Verkauf von
verschiedenen LED-Tubes (siehe Website der Europäischen Kommission
http://ec.europa.eu) gestoppt, weil sie nicht der Niederspannungsrichtlinie
2006/95/EG und der Norm EN 60598 für Leuchten entsprechen. Bei diesen
Produkten besteht unter anderem das Risiko eines elektrischen Schlags
während der Installation, da einige externe Komponenten elektrisch
geladen sein können.
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29 | ETAP
UPDATE
Vorteile von LED-Leuchtröhren
LED-Leuchtröhren haben zahlreiche praktische Vorteile: Sie haben nicht nur einen
niedrigen Energieverbrauch und eine lange Lebensdauer, sondern sie zeichnen sich
auch durch eine einfache Wartung aus. Bei einem Defekt kann der Benutzer diese selbst
austauschen (siehe 6. Elektrische Sicherheit), ohne Spannungsgefahr. Es gibt auch LEDLeuchtröhren in einem komplett abgeschlossenen Gehäuse, geeignet für chemische
Umgebungen. Bei Reflektorleuchten erlauben es LED-Leuchtröhren, eine Luftabsaugung
über dem Reflektor anzubringen, was einen selbstreinigenden Effekt hat.
Interne oder externe Betriebsgeräte?
LED-Leuchtröhren können über ein internes oder ein externes Betriebsgerät verfügen.
Ein externes Betriebsgerät ermöglicht es, die Lampen zu dimmen und, falls erforderlich,
bequem zu ersetzen.
LEDA-Reihe mit LED-Tubes
Verantwortliche Nutzung von LED-Leuchtröhren
Es ist wichtig zu wissen, dass man Leuchtstofflampen nicht ohne weiteres
durch LED-Leuchtröhren ersetzen kann. Oft muss die Verdrahtung
angepasst werden, oder es müssen Leuchtenkomponenten ausgetauscht
oder überbrückt werden. Damit erlischt die Verantwortlichkeit des
ursprünglichen Leuchtenherstellers, aber auch die Lichtqualität kann
dadurch abnehmen: Jede Leuchte ist für eine bestimmte Lichtleistung
und eine bestimmte Lichtverteilung konzipiert. Indem man einfach
auf LED-Leuchtröhren umstellt, erhält man möglicherweise geringere
Lichtintensitäten, schlechtere Gleichmäßigkeit, Blendung, kurzum
Komfortverlust.
Abb. 38: Während eine E12/136HFW (mit einer 1x 36W Leuchtstofflampe) einen Lichtstrom von 3350 lm, und einen Wirkungsgrad
von 72 lm/W erreicht, bleibt beim Einsatz einer LED-Tube nur noch ein Lichtstrom von 1340 lm und 61 lm/W übrig. Auch ist die
Ausstrahlungscharakteristik mit einer LED-Tube (rechts) eine völlig andere, als die mit einer Leuchtstofflampe (Mitte).
30 | ETAP
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UPDATE
Aber es geht auch anders: Wenn man das komplette Innenleben (Lampe + Reflektor) durch eine angepasste Optik ersetzt, kann man mit
vorhandenen Leuchtstofflampen relativ einfach auf LED umstellen. So kann man beispielsweise in den E1-Leuchten für hohen Schutzgrad
Lampe und Reflektor leicht durch ein Retrofitmodul mit LED-Leuchtröhre austauschen und die alten Leuchten weiterverwenden. Das Ergebnis:
Höhere Effizienz, deutlich weniger (oder kein) Lampenaustausch und unverändert hoher Komfort.
Abb. 39: Wenn man das Beleuchtungsmodul (Lampen und Reflektor) einer breitstrahlenden E1 mit 2 x 58W-Lampen durch ein LED-Modul mit
angepasstem Reflektor und LED-Leuchtröhren ersetzt, erzielt man nahezu den gleichen Leuchtenlichtstrom (6740 statt 6700 lm), während die Effizienz
von 90 lm/W auf 120 lm/W steigt. Auch die Lichtverteilung der LED-Ausführung (rechts) ist ausgeprägter als bei der Leuchtstoffversion (Mitte).
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31 | ETAP
Kapitel 3: Betriebsgeräte für LED-Leuchten
1.
QUALITÄTSMERKMALE FÜR LED-BETRIEBSGERÄTE
Das Betriebsgerät, der sogenannte „Driver“, ist eine der wichtigsten Komponenten jeder LED-Lösung. Die Qualität einer LED-Leuchte hängt nicht alleine
von der LED-Lichtquelle und der Konstruktion der Optik ab, sondern maßgeblich auch von der Effizienz und Zuverlässigkeit des Betriebsgerätes. Alle
hochwertigen Betriebsgeräte für LEDs müssen sieben Qualitätsmerkmale aufweisen:
Lebensdauer. Das Betriebsgerät muss mindestens dieselbe erwartete Lebensdauer wie
die LED haben.
Effizienz. Einer der Erfolgsfaktoren von LEDs ist ihre Energieeffizienz. Aus diesem Grund
muss die Umwandlung von Netzspannung in Strom so effizient wie möglich erfolgen. Ein
hochwertiges Betriebsgerät hat mindestens eine Effizienz von 85%.
Leistungsfaktor. Der Leistungsfaktor ist ein technischer Indikator der anzeigt, wie dicht
die Wellenform des Stroms an der Referenz-Sinuskurve der anliegenden Spannung liegt.
Der Leistungsfaktor (h) besteht aus zwei Teilen: Dem Wechsel zwischen Spannung und
Strom (cos phi) und den Oberwellen der harmonischen Gesamtverzerrung des Stroms.
Je geringer der Schaltweg und die Verschiebung von der Referenz-Sinuskurve, desto
geringer sind die Verluste und Rückwirkungen (Verschmutzungen) ins Netzwerk des
Energieversorgers. Bei ETAP-LED-Betriebsgeräten arbeiten wir ausschließlich mit einem
Arbeitsfaktor von mehr als 0,9.
Abb. 40: Bei Betriebsgeräten mit einem hohem Leistungsfaktor (links) zeigt die Kurve des Stroms (blau) wenig Abweichung zur Kurve für
die Spannung (gelb). Die Kurven von Betriebsgeräten mit niedrigem Leistungsfaktor (rechts) zeigen größere Abweichungen.
Elektromagnetische Kompatibilität (EMC). Das Betriebsgerät sollte selbst so wenig elektromagnetische Interferenzen in seine Umgebung
abgeben wie möglich, gleichzeitig aber auch so immun wie möglich gegen Einflüsse aus der Umgebung sein. Eine gute elektromagnetische
Verträglichkeit in beide Richtungen ist äußerst wichtig.
Einschaltstrom. Wird ein LED-Betriebsgerät unter Spannung gesetzt, entsteht für den Bruchteil einer Millisekunde eine Spannungsspitze im
Netz. Das kommt daher, dass am Anfang Kondensatoren aufgeladen werden. Durch ein kontrolliertes Aufladen werden diese Spannungsspitzen
abgefangen. Das Betriebsgerät muss so eingestellt sein, dass die Leitungsschutzschalter des Raumes oder Gebäudes nicht ausgelöst werden.
Stromfrequenz: Eine gute Qualität des Ausgangsstroms sorgt dafür, dass es keine Fluktuationen in der Intensität gibt, so dass kein Flackern
oder stroboskopische Effekte auftreten.
Filterung der Netzspannung. Probleme im Elektrizitätsnetz können u. a. niedrigfrequentes Lichtflackern (3 … 50 Hz) verursachen. Durch die
schnelle Schaltleistung von LEDs sind diese gut sichtbar, was als sehr störend empfunden wird. Ein gutes LED-Betriebsgerät sorgt dafür, dass
diese Probleme im Elektrizitätsnetz nicht in den Ausgangsstrom durchgelassen werden, so dass der Lichtstrom stabil bleibt. Kürzlich wurde
eine neue Norm publiziert, die das Messverfahren beschreibt, um Lichtschwankungen zu quantifizieren (IEC/TR61 547-1 Ed. 1: An objective
voltage fluctuation immunity test method).
32 | ETAP
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Technische Datenblätter
Das Betriebsgerät ist eine entscheidende Komponente bei jeder LED-Beleuchtungslösung.
Qualitativ hochwertige Betriebsgeräte erkennt man durch einen Blick in die Produktdatenblätter
des Herstellers. So kann man prüfen, ob die oben genannten Qualitätsmerkmale erfüllt sind. ETAP
benutzt nur hochwertige Betriebsgeräte, die perfekt an die Beleuchtungslösung angepasst sind
und sorgfältig in unseren Laboren getestet wurden.
ETAP Testlabor
2.
STROM- UND SPANNUNGSVERSORGUNG IM VERGLEICH
LEDs sind stromgesteuerte Komponenten. Der Strom ist direkt ausschlaggebend für die Lichtleistung und muss daher vorsichtig gesteuert
werden. Es gibt zwei Möglichkeiten der Ansteuerung:
•
Konstante Stromquellen
Diese wandeln die Netzspannung sofort in konstanten Strom um. Die Methode bringt die höchste Effizienz und ist die kosteneffektivste
Anwendung. Nachteilig ist, dass die Module mit einer konstanten Stromquelle nur in Reihe geschaltet werden können, was bei der
Installation schwieriger ist. Zudem addiert sich bei höheren Leistungen die erforderliche Spannung schnell auf (>100 V).
Beispiele:
ƕ
Flare Spot 500mA, …
ƕ
D4 Downlight
Konstantstrom
230 V AC
•
LEDBetriebsgerät
Konstante Spannungsquellen
Das sind Versorgungen, die die Netzspannung in genau geregelte Spannung umwandeln. Wenn sie für LEDs oder LED-Module
eingesetzt werden, müssen diese Versorgungen immer mit einem Strombegrenzer (z. B. Widerstand), oder einem DC-LED-Treiber
(Gleichstrombetriebsgerät für LED), der Gleichspannung in konstanten Strom umwandelt, ausgestattet sein. Spannungsquellen
haben den großen Vorteil, dass man verschiedene Module sehr einfach parallel anschliessen kann.
Beispiel:
ƕ
Flare Spot 24V (Gleichstrom LED-Betriebsgerät ins Kabel integriert)
ƕ
Verteiltes DC-System, z. B. PoE (Power over Ethernet)
Konstantspannung
230 V AC
Gleichstrom LED-Betriebsgerät
Spannungsversorgung
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33 | ETAP
Auch für dimmbare Leuchten
Das Betriebsgerät sollte nicht nur zuverlässig und effizient sein, es muss auch flexibel genug sein, um in jeder modernen Beleuchtungslösung
zu funktionieren. In vielen Fällen muss die Lichtstärke regelbar sein, beispielsweise über eine tageslichtabhängige Regelung wie ELS oder einen
externen Dimmer. Wichtig dabei ist, dass die Effizienz und der Leistungsfaktor immer gleich bleiben, wenn ein Dimmer benutzt wird.
1,00
0,90
0,80
Effizienz des Betriebsgerätes
Der maximal mögliche Wirkungsgrad eines
Betriebsgeräts bestimmt sich über die Nennleistung für die es entwickelt wurde (siehe Grafik
41). Bei Betriebsgeräten mit einer Nennleistung
von <25W wird der maximale Wirkungsgrad nie
höher als bei 80-85% liegen. Bei Betriebsgeräten
mit einer Nennleistung von >35W kann ein
Wirkungsgrad von 90% und mehr erreicht
werden.
0,70
0,60
25W
75W
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0%
50%
100%
Belastung des Treibers als Prozentwert des Nennstroms
Abb. 41: Einfluss der Belastung des Betriebsgerätes auf die
Effizienz für einen Low Power Driver (blau) und
einen High Power Driver (gelb)
Die obige Grafik zeigt, dass der tatsächliche Wirkungsgrad eines Betriebsgeräts auch von der Last abhängt. Bei einem qualitativ hochwertigen
Betriebsgerät bleibt der Wirkungsgrad bis zu einer minimalen Last von 50-60% konstant. Bei einer geringeren Last sinkt der Wirkungsgrad
rapide ab. Daher ist es so wichtig, das Betriebsgerät und die LED gut auf einander abzustimmen, damit das Betriebsgerät immer im
optimalen Bereich arbeiten kann.
In der Praxis gibt es zwei Möglichkeiten zu dimmen: Entweder reduziert man die Stromstärke (AM oder Amplitude Modulation), oder
man setzt den Strom in Impulse von immer kürzerer Dauer um (PWM oder Pulsdauermodulation). Beide Anwendungen haben Vor- und
Nachteile. Hier helfen unsere Experten bei der Entscheidung.
Alle bekannten Systeme für die Dimmung sind im Prinzip auch bei LED-Beleuchtung einsetzbar:
•
DALI
•
1-10V (eher selten)
•
TouchDim
•
DMX (weniger für Beleuchtung verwendet, hauptsächlich in der Theaterwelt
eingesetzt)
34 | ETAP
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Kapitel 4: Beleuchtung mit LEDs - Lichttechnische Aspekte
ALTERUNG UND WARTUNGSFAKTOR
Ein korrekt berechneter Wartungsfaktor ist die elementare
Grundlage für die richtige Dimensionierung Ihres Beleuchtungssystems. Allgemeine Wartungsfaktoren, die die besonderen
Eigenschaften der LEDs nicht ausreichend berücksichtigen, führen
oft zu ungenauen Berechnungen und Beleuchtungsplanungen.
100
90
80
Relatiever Lichtstrom (%)
1.
70
60
50
Warum verwendet man einen « Wartungsfaktor »?
40
Im Laufe der Lebensdauer eines Beleuchtungssystems “altert”
30
die Anlage und die Menge des Lichts auf dem Arbeitsplatz
20
reduziert sich. Der Lichtstrom der Leuchtmittel sinkt und die
10
Lampen und Leuchten verschmutzen durch Staub und andere
0
Verunreinigungen. Und auch der Raum verschmutzt im Laufe
1
10
der Zeit, so dass der Reflektionsgrad von Wänden, Decke und
Zeit (H x 1000)
Fußboden abnimmt. Deshalb wird diese Abnahme bei Beleuchtungsplanungen durch den sogenannten Wartungsfaktor in
Abb. 42: Abnahme des Lichtstroms im Laufe der Zeit
der Berechnung berücksichtigt (siehe Infokasten). So kann man
sicher sein, dass seine Beleuchtungsanlage auch nach 5, 10
oder mehr Jahren noch immer die erforderliche (normgerechte) Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz einhält.
100
Der Wartungswert (Maintenance Factor - MF) wird mit vier Parametern errechnet :
MF = LLMF x LSF x LMF x RMF
LLMF: Lampen-Lichtstrom-Wartungsfaktor (Lamp Lumen Maintenance Factor)
Rückgang des Lampenlichtstroms
LSF:
Lampen-Lebensdauer-Faktor (Lamp Survival Factor)
Häufigkeit des Lampenausfalls ohne sofortigen Ersatz
LMF:
Leuchten-Wartungsfaktor (Luminaire Maintenance Factor)
Lichtstromrückgang durch Verschmutzung der Leuchte
RMF:
Raum-Wartungsfaktor (Room Maintenance Factor)
Raumverschmutzung
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35 | ETAP
Bei Leuchtstofflampen gibt es eindeutige Regeln
Bei herkömmlichen Lichtquellen wie Leuchtstofflampen gibt es klare Regeln und internationale Standards, um den Wartungsfaktor einer
Anlage zu ermitteln. Typischerweise werden vier Elemente berücksichtigt: Die Reduzierung des Lampenlichtstroms, die Ausfallrate der Lampen,
die Verschmutzung von Lampen und Leuchten und die Verschmutzung des Raumes. Für Leuchtstofflampen besteht allgemeiner Konsens über
die Ermittlung der Wartungsfaktoren. Der Rückgang des Lichtstroms und die Lebensdauer der Lampen haben sich bewährt und unterscheiden
sich bei den unterschiedlichen Herstellern kaum. Ausserdem ist die Reduktion des Lichtstroms der Lampe unabhängig vom Leuchtendesign und
beim Lampenwechsel legt man einen regelmäßigen Austausch zugrunde, so dass es in der Regel wenig Diskussionen über Wartungsfaktoren von
Leuchtstofflampen gibt.
100
95
Relative Beleuchtungsstärke (%)
LEDs sind anders
Bei LEDs hängt der Wartungswert von einer Vielzahl von Faktoren ab. Das
beginnt schon bei der Wahl der LEDs. Es gibt heute große Qualitätsunterschiede
zwischen den unterschiedlichen Herstellern. Und auch die Art der LEDs – „low
power“ oder „high power“ – ist für die Entwicklung des Rest-Lichtstromes
und die Lebensdauer entscheidend. Darüber hinaus handelt es sich bei LEDs
um eine ganz neue Technologie, die sich rasend schnell weiter entwickelt. In
Ermangelung der erforderlichen Kenntnisse und Informationen verwenden
heute viele LED- und Leuchtenhersteller der Einfachheit halber immer noch
einen allgemeinen LLMF-Wert von 70% nach 50.000 Stunden Brenndauer.
Sie gehen also davon aus, dass die LEDs nach 50 000 Stunden, nur 70% ihrer
ursprünglichen Lichtleistung erbringen - unabhängig von der Qualität der LEDs.
90
85
80
75
70
65
60
0
10
20
30
40
50
60
Brenndauer (1.000 Std.)
Im Gegensatz zu Leuchten mit Leuchtstofflampen spielt bei LEDs die
Leuchtenkonstruktion eine wesentliche Rolle. Lichtausbeute und Lebensdauer
von LED hängen sehr stark von ihrer Betriebstemperatur ab. Je besser sie gekühlt
werden, umso geringer die Reduzierung des Lichtstroms und umso höher die
Lebensdauer. Die Wärmeableitung ist hier wesentlich. Das Leuchtendesign
wird heute jedoch nur selten bei der Ermittlung des Wartungsfaktors von LEDLeuchten berücksichtigt. In der Praxis hat jede LED-Leuchte ihren eigenen,
spezifischen Wartungsfaktor. Das macht es unmöglich, einen allgemein gültigen
Wert zu definieren.
U7-Leuchte mit L97 @50.000 Std. (ETAP)
LED-Leuchte mit L70 @50.000 Std.
T5-Leuchtstofflampe
Abb. 43: LLMF für LED Beleuchtung im
Vergleich zu Leuchtstofflampen
Beleuchtungssysteme mit Leuchtstofflampen erfordern einen regelmäßigen Lampenwechsel (blaue Kurve). Bei LEDs wird die “Lampe” nicht ausgewechselt, sondern die Qualität der verwendeten LED und die Leuchtenkonstruktion spielen eine entscheidende Rolle: Während der grobe Richtwert für LEDs
(LLMF) in der Literatur meist mit 70 % angegeben wird (gelb), liegt der entsprechende Wert bei einer ETAP U7-Leuchte zum Beispiel bei 97 % (grün).
Große Auswirkungen für die Beleuchtungsanlage
Diese verallgemeinernden Berechnungen führen in der Praxis zu schwerwiegenden Konsequenzen. Wird der Wartungsfaktor zu optimistisch
eingeschätzt, wird die Anlage nach ein paar Jahren nicht mehr das erforderliche Beleuchtungsniveau erreichen. Umgekehrt kann ein zu pessimistisch
bemessener Wartungsfaktor zu einer Überdimensionierung der Beleuchtung führen. Dadurch werden mehr Leuchten und/oder mehr Leistung
installiert als erforderlich, was die Kosten für Investition und Energieverbrauch unnötig in die Höhe treibt.
Z.B. Einfluss des Wartungsfaktors auf eine Beleuchtungsplanung mit U7-Leuchten in einem Großraumbüro von 9 x 14,4 m:
LLMF 97% nach 50.000 Std. (Wartungsfaktor 87%)
500
0
LLMF 70% nach 50.000 Std. (Wartungsfaktor 63%)
9.00 m
8.50
500
5
00
9.00 m
8.50
500
0
500
0
500
0
500
0
500
0
500
50
500
500
0
500
0
500
0
500
5
00
0.00
500
50
0
500
50
0
500
50
0
500
50
0
500
50
00
500
0
500
5
00
0.50
0.00
14.40 m
500
0
500
0
500
0
500
0
0.50
0.00
0.00
14.40 m
Die Beleuchtungsplanung mit dem korrekten Wartungsfaktor erfordert für diesen Raum 18 U7-Leuchten und eine installierte Leistung von
0,86 W / m² / 100 lx (links). Die Verwendung des allgemeinen Wartungsfaktors (rechts) führt zu einer deutlichen Überdimensionierung der
Beleuchtungsanlage: 24 U7-Leuchten mit einer installierten Leistung von 1,25 W / m² / 100 lx.
36 | ETAP
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Hoher Wartungswert durch intelligentes Design
Die Wartungsfaktoren, die ETAP in Beleuchtungsplanungen anwendet, wurden exakt auf Basis internationaler Richtlinien ermittelt. In der
Praxis stellen wir fest, dass unsere Wartungsfaktoren meistens deutlich höher sind, als die allgemein verwendeten Werte. Wir beachten
nämlich zwei entscheidende Punkte. Zum einen verwenden wir für unsere Leuchten stets qualitativ hochwertige (zumeist keramische) LEDs
von Herstellern, die konkrete und verifizierbare Daten über die Lichtleistung und die Lebensdauer veröffentlichen. In der Praxis basieren diese
Daten auf den LM80- und TM21-Standards, die von der Illuminating Engineering Society (IES), einer internationale Autorität auf diesem Gebiet,
validiert wurden. Dies liefert uns objektive Kriterien für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit der LEDs.
Zum zweiten berücksichtigen wir auch die Kühlung der LEDs in unseren Berechnungen. In unseren Laboren verfügen wir über die erforderliche
Infrastruktur, um die Junction Point Temperatur zwischen Leiterplatte und LED exakt zu bestimmen. Dadurch kennen wir die genaue
Betriebstemperatur der LEDs und können so den effektiven Lichtstromrückgang und die Lebensdauer der LEDs exakter einschätzen. Diese
Informationen verwenden wir dann zur Ermittlung des korrekten Wartungsfaktors für unsere Lichtberechnungen.
U7 und UM2 überzeugen in unabhängiger Studie
Eine aktuelle Studie von Laborelec, dem unabhängigen Forschungszentrum von ENGIE (vormals GDF Suez), bestätigt, dass unsere
Konzentration auf ein qualitativ hochwertiges und intelligentes Beleuchtungskonzept Früchte trägt. In einer Vergleichsstudie zu
LED-Beleuchtung für Büros, hat Laborelec sechs Leuchten verschiedener Anbieter auf dem belgischen Markt getestet, darunter U7 und
UM2 von ETAP. Beide Einbauleuchten überzeugten mit maximaler Effizienz und minimaler Alterung.
Die Feststellung der beschleunigten Alterung erfolgte nach zwei Methoden: Eine beschleunigte Alterung in einem Klimaraum bei
45° und 12 000 Brennstunden (UM2 und U7) und eine tatsächliche Alterung bei Raumtemperatur (UM2) und 2000 Brennstunden.
Während bei anderen Leuchten die Werte deutlich sanken, blieben die Ergebnisse bei ETAP absolut stabil, selbst nach 2000 bzw.
12 000 Brennstunden.
ETAP U7
100,0
ETAP UM2
95,0
90,0
Lichtstroom %
UPDATE
In unseren Laboren führen wir verschiedene Tests (z. B. Dauertests und Lichtmessungen) durch, um die lichttechnischen Daten
und den effektiven Leistungsverlust unserer LED-Leuchten genau zu bestimmen.
85,0
HERSTELLER A
80,0
HERSTELLER B
75,0
HERSTELLER C
70,0
65,0
~
60,0
0,0
0
2000
4000
6000
8000
10.000
12.000
Zeit (h)
Abb. 44: Lumenerhalt (LLMF) nach 12.000 Stunden beschleunigter Alterung
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37 | ETAP
Wie erstellt man eine korrekte Berechnung?
ETAP stellt eine Tabelle mit dem jeweils richtigen Wartungsfaktor für alle LED-Leuchten, in Abhängigkeit der Anwendung und der vorgesehenen
Lebensdauer der LED-Leuchte, zur Verfügung. Auf dieser Basis können wir eine zuverlässige Beleuchtungsplanung bieten, mit der Gewähr, dass
die Beleuchtung auch langfristig die erforderlichen Beleuchtungsniveaus erfüllt.
Ein Beispiel:
In einer Beleuchtungsstudie mit U7 in einer Büroumgebung wird der Wartungsfaktor wie folgt kalkuliert: 99% (LLMF oder Wartungsfaktor
Lampe) x 1 (Lampenfehler sind bei LEDs quasi ausgeschlossen und haben daher keinen Einfluss) x 0.94 (Luftverschmutzung im Raum) x 0.95
(Wartungsfaktor einer geschlossenen Leuchte) = 88%. Das bedeutet, dass nach 25.000 Betriebsstunden immer noch 88% des ursprünglichen
Lichtstroms verbleiben. Nach 50.000 Betriebsstunden verbleiben noch 87% des Lichtstroms, was deutlich mehr ist als die standardmäßig
angenommenen 70% nach 50.000 Betriebsstunden.
U7-Leuchten in einem Büro haben einen Wartungsfaktor von 87% nach 50.000 Stunden (siehe Tabelle).
LED-Typ
High Power
LED-Leuchte
25kh
50kh
U7
88
87
LLMF (%)
25kh
50kh
99
97
Abb. 45: Auszug aus Tabelle mit Wartungsfaktoren und LLMF bei einer U7-Leuchte für 25.000 und 50.000 Stunden
(Stand Mitte 2015).
Die gesamte Tabelle mit Wartungsfaktoren finden Sie in Anhang 1, oder in den Produktdatenblättern auf unserer Website.
38 | ETAP
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UPDATE
2.
LEBENSDAUER BEI LED-LEUCHTEN
Die Nutzungsdauer von LED-Leuchten ist keine Bezugsgröße für sich, sondern hängt stets mit einer konkreten Situation oder Anlage zusammen,
und demzufolge auch mit dem Wartungsfaktor. Wenn wir die Formel des Wartungsfaktors (Maintenance Factor – MF, siehe Kasten S. 35)
betrachten, befindet sich das Element Lebensdauer im letzten Parameter LLMF (Lamp Lumen Maintenance Factor).
LLMF als Ausgangspunkt
Der Wert, der die Reduzierung des Lichtstroms der Lichtquelle (LLMF) wiedergibt, berücksichtigt ausfallende LEDs und die zeitlich bedingte
Abnahme der Lichtleistung. Wie bestimmen wir diesen LLMF? Wir unterscheiden zwischen der Lebensdauer von LEDs auf Komponentenebene
und auf Leuchtenebene.
Auf Komponentenebene berücksichtigen wir die die allmähliche Abnahme des Lichtstroms der LEDs (parametrischer Ausfall oder B-Lebensdauer)
und den eventuellen Ausfall von LEDs (katastrophaler Ausfall oder C-Lebensdauer).
Auf Leuchtenebene ist der Komplettausfall einer Leuchte nicht relevant (siehe Luminaire Survival Factor). Der LLMF stimmt mit der B-Lebensdauer
auf Leuchtenebene überein und berücksichtigt somit den parametrischen und den katastrophalen Ausfall der einzelnen LEDs in den Leuchten.
NACH INBETRIEBNAHME
NEU
Parametrischer Ausfall
Katastrophaler Ausfall
KOMPONENTENEBENE
LEUCHTENEBENE
ODER
= LLMF
6. Ausgabe, November 2015. Neueste Version auf www.etaplighting.com
= LSF
39 | ETAP
UPDATE
Relevante und verlässliche Daten
Um zu einem genauen, zuverlässigen LLMF unserer Leuchten zu gelangen, gehen wir wie folgt vor:
•
Die parametrische Lebensdauer auf Komponentenebene stellen wir nach den objektiven Normen LM80/TM21 fest.
•
Die katastrophale Lebensdauer können wir nicht selbst berechnen, aber wir versuchen vorzugsweise mit Herstellern
zusammenzuarbeiten, die genaue Daten zur Verfügung stellen. Wenn keine Messdaten vorhanden sind, greifen wir auf
Zuverlässigkeitsmodelle aus der Elektronik (MIL-HBK-217F) zurück.
LM 80 gemessen
TM 21 extrapoliert
1,200
1,200
1,000
1,000
B50
0,800
LLMF
LLMF
0,800
B10
0,600
0,600
0,400
0,400
0,200
0,200
0,000
B50
0,000
1000
10000
100000
1000
10000
25000
50000
Betriebsstunden
Betriebsstunden
Abb. 46: LLMF wird nach der von IES empfohlenen
LM80/TM21-Methode bestimmt.
Abb. 47: ETAP gibt für alle LED-Leuchten den LLMF
nach 25.000 und nach 50.000 Brennstunden an.
100000
Auf unserer Website finden Sie sowohl den LLMF als auch den Wartungsfaktor unserer LED-Leuchten. Wir haben beide Werte für jeweils
zwei Zeiträume veröffentlicht: 25.000 oder 50.000 Brennstunden. Auf diese Weise wissen Sie, wie viel Licht Ihre Leuchten nach einer für Sie
relevanten Nutzungsdauer noch spenden werden.
WIE WIRD DIE FORMEL LxBy RICHTIG INTERPRETIERT?
Beispiel: Die Lebensdauer von U25-Leuchten nach 50.000
Brennstunden wird als L98B50 angegeben.
Abb. 48: Um einen Büroraum von 29x14 Metern mit
U25-Diffusoren zu beleuchten, sind 50 Leuchten (L98B50)
ausreichend. Wenn Sie den Raum mit Leuchten mit L80B50
beleuchten, benötigen Sie mehr als 60 Leuchten.
40 | ETAP
•
L gibt an, wie viel Prozent des ursprünglichen
Lichtstroms zum angegebenen Zeitpunkt noch
erreicht werden (= LLMF). Die in Figur 48 erwähnten
U25-Leuchten erzielen nach 50.000 Brennstunden
noch 98% ihres ursprünglichen Lichtstroms (L98).
•
B bezeichnet die B-Lebensdauer auf Leuchtenebene.
Die nachfolgende Zahl gibt die Wahrscheinlichkeit
an, dass der angegebene L-Wert nicht erreicht
wird. Grundsätzlich verwendet man den Wert B50:
Durchschnittlich 50% der Leuchten erzielen zum
erwarteten Zeitpunkt den angegebenen L-Wert.
•
Standardmäßig gibt ETAP den Wert nach 25.000 und
nach 50.000 Brennstunden an, zwei Zeiträumen, die
für die Lebensdauer Ihrer Anlage repräsentativ sind.
6. Ausgabe, November 2015. Neueste Version auf www.etaplighting.com
3.
INTEGRATION ENERGIESPARENDER SYSTEME
LEDs sind nicht nur eine energieeffiziente Lichtquelle, sie arbeiten
auch perfekt mit Lichtregelsystemen zusammen. Diese Kombination
verspricht nicht nur ein hohes Einsparpotenzial, sie sorgt auch noch
für einige andere Vorteile: LEDs können viel effizienter gedimmt
werden als Leuchtstofflampen und ihre Lebensdauer leidet
nicht unter häufigem Schalten. Mit einer tageslichtabhängigen
Lichtregelung können Sie schließlich auch den Leistungsverlust Ihrer
LED-Installation kompensieren.
Die bekanntesten Lichtregelsysteme sind Bewegungsmelder, die die
Beleuchtung dimmen oder schalten, wenn Nutzer einen Bereich
betreten oder verlassen sowie die tageslichtabhängige Regelung, die
die Beleuchtung in Abhängigkeit zum einfallenden Tageslicht dimmt.
Die Kombination beider Systeme kann in bestimmten Anwendungen
bis zu 55% und mehr Energie einsparen. Derzeit ist jede sechste
von ETAP vertriebene Leuchte mit einer leuchtenspezifischen
tageslichtabhängigen Regelung ausgestattet.
U7 mit tageslichtabhängiger Regelung (ELS)
LEDs sind schaltfest
LEDs haben eine ganze Reihe von Eigenschaften, mit denen sie sich besonders für den Einsatz mit Lichtregelsystemen eignen. Beispielsweise hat
häufiges Schalten keinen Einfluss auf die Lebensdauer von LEDs.* Ganz im Gegensatz zu Leuchtstofflampen, die bei jedem Schaltvorgang einen
kleinen Teil ihres Emittermaterials in der Lampe verlieren. Dieser Effekt zeigt sich dann zum Beispiel an schwarzen Lampenenden. In Bereichen
mit kurzen Anwesenheitsintervallen, wie zu Beispiel sanitäre Bereiche oder Flure, lässt sich eine erhöhte Ausfallrate von Leuchtstofflampen
beobachten.
* Mit Ausnahme von Anwendungen, bei denen LEDs extremen Temperaturschwankungen unterliegen.
LEDs kennen solche Probleme nicht, da sie als elektronische Bauteile unempfindlich gegenüber häufigem Schalten sind. Zusätzlich geben LEDs
sofort nach dem Einschalten ihren vollen Lichtstrom ab, was beim Betreten eines dunklen Raumes wesentlich angenehmer ist.
Tageslichtabhängige Lichtregelung als intelligente Steuerung
Jede Beleuchtungsanlage verliert mit den Jahren einen Teil ihrer Lichtleistung (siehe 4.1). Deshalb wird die Beleuchtung für professionelle
Umgebungen in der Praxis immer etwas überdimensioniert, sodass diese am Ende der Lebensdauer noch stets die durch die Norm vorgeschriebene
Beleuchtungsstärke erzielt. Durch Verwendung qualitativ hochwertiger LEDs in einer intelligenten Konstruktion mit optimalem Wärmehaushalt
wird der Leistungsverlust auf ein Minimum beschränkt (10 bis 15%).
Es gibt jedoch Verfahren, um auch noch die restliche Überdimensionierung in Höhe von 10 bis 15% zu reduzieren, ohne an Lichtqualität
einzubüßen. Heute sind High-End-Betriebsgeräte verfügbar, die es ermöglichen, zeitlich einen variablen Strom zu programmieren, eine
sogenannte CLO-Funktion (Constant Light Output). Diese müssen jedoch auf der Grundlage der zu erwartenden Abnahme der Beleuchtungsstärke
programmiert werden. Dabei handelt es sich um eine theoretische Projektion, die Unsicherheit mit sich bringt.
Man kann auch mit einem Lichtsensor arbeiten, der die reale Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsfläche misst und das Betriebsgerät stärker
ansteuert wenn das Beleuchtungsniveau sinkt. Und Dies kommt dem sehr nahe, was eigentlich auch eine tageslichtabhängige Lichtregelung
macht. Die tageslichtabhängige Lichtregelung hat demnach - ungeachtet dessen, ob diese auf Leuchten- oder Systemebene angewandt wird einen doppelten Vorteil: Sie sparen nicht nur Energie, sondern Sie können auch einer Überdimensionierung Ihrer Anlage entgegenwirken und
so die anfänglichen Investitionskosten drücken.
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41 | ETAP
115
115
E ohne
110
105
105
Relative Leistungsaufnahme (P, %)
Relative Beleuchtungsstärke (E, %)
110
ELS
E mit ELS
100
95
90
85
80
75
70
65
60
P ohne ELS
100
95
90
85
P mit
Einsparung*
ELS
80
75
70
65
0
10
20
30
40
50
60
0
Brennstunden (h x 1000)
10
20
30
40
50
Brennstunden (h x 1000)
LED-Leuchte ohne ELS
LED-Leuchte mit ELS
Abb. 49: Ein Tageslichtsensor (ELS) sorgt dafür, dass man eine Beleuchtungsanlage nicht überdimensionieren muss.
So bleibt die Beleuchtungsstärke konstant und Sie sparen Energie.
* Zusätzliche Einsparung zur Energieeinsparung, die durch Tageslichteinfall realisiert wird.
Voraussetzung ist, dass genügend Spielraum vorhanden ist, um den Strom zu erhöhen. Leistungs-LEDs arbeiten aufgrund von Effizienz und
Leuchtdichtebeherrschung grundsätzlich nur mit einem Drittel ihrer Maximalleistung. Es gibt also Spielraum, um sie am Ende der Lebensdauer
10 bis 15 % stärker anzusteuern. Das gleiche gilt auch für die Betriebsgeräte, die heutzutage eingesetzt werden.
Und wie sieht es in Bezug auf Stabilität und Zuverlässigkeit der Tageslichtsensoren aus? Denn diese Faktoren werden umso wichtiger, wenn die
tageslichtabhängige Lichtregelung auch für die Leistung der Anlage verantwortlich wird. Auch dabei gibt es kaum Probleme. Tageslichtsensoren
enthalten keine lebensdauersensiblen Komponenten. Es handelt sich um Halbleiterschaltungen, die mit Niederspannung arbeiten. Im Prinzip
verfügen diese über MTBF (Mean Time Between Failure, also die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen) von mehreren hunderttausend
Stunden. Das lässt sie zu einer äußerst stabilen und zuverlässigen Komponente werden, um die Beleuchtungsanlage anzusteuern.
42 | ETAP
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Kapitel 5: Frage und Antwort
UPDATE
Frage: Wo finde ich die international gültigen Standards für LEDs?
Antwort: Auf www.lightingeurope.org finden Sie die neuesten Richtlinien zu LED-Standards im Bereich “LightingEurope Guide for the
application of the Commission Regulation (EU) No. 1194/2012 setting ecodesign requirements for directional lamps, light emitting diode
lamps and related equipment”.
In Übereinstimmung mit den Richtlinien der Lighting Industry Liaison Group sind dies die internationalen Standards in Bezug auf
LED-Beleuchtung:
Produkttyp
Sicherheitsanforderungen
Leistungsanforderungen
Elektronisches Steuersystem für LED-Module
IEC 61347-2-13
IEC 61347-1
IEC 62717
LED-Lampen mit integriertem Vorschaltgerät
für allgemeine Beleuchtung mit einer
Spannung > 50 V
IEC 62560
IEC 62612
LED-Leuchtröhren (mit doppelter Lampenfassung)
IEC 62776-1
IEC 62612
IEC 62031
IEC/PAS 62717
(Public Available Specification)
IEC 60598
IEC 62722-2-1
LED-Module für die Allgemeinbeleuchtung
LED-Leuchten
Fotobiologische Sicherheit von Lampen und
Lichtquellen
IEC 62471
LEDs und LED-Module
IEC 62504 Begriffe und Definitionen für LEDs und LED-Module in der
Allgemeinbeleuchtung
CIE Technischer Fachausschuss
TC2-46 CIE/ISO Standards für LED-Intesitätsmessungen
TC2-50 Messung der optischen Eigenschaften von LED Clustern und Arrays
TC2-58 Messung der Strahlung und Leuchtdichte von LEDs
TC2-63 Optische Messung von High-Power LEDs
TC2-64 Schnellprüfverfahren für LEDs
Frage: Welche Garantie gibt ETAP auf LED Leuchten?
Antwort: Auf jede Leuchte gewähren wir fünf Jahre Garantie. Angesichts der langen Lebensdauer von LEDs ist ein Ersatz sicherlich die
Ausnahme; er ist aber auch von der Garantie abgedeckt. ETAP nutzt universelle LEDs (in Bezug auf ihre Bauform und den ökologischen
Fingerabdruck). Es ändert sich lediglich die Effizienz und die Lichtausbeute. Im unwahrscheinlichen Fall, dass die LEDs ausfallen, kann die LEDPlatine ohne Probleme getauscht werden. Falls gewünscht, kann dabei die Lichtausbeute auf das ursprüngliche Niveau eingestellt werden. (Für
weitere Informationen, lesen Sie bitte die Bedingungen zur Herstellergarantie auf unserer Website www.etaplighting.com)
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43 | ETAP
Terminologie
Binning
Das Sortieren / Klassifizieren von (in diesem Fall) LEDs in Gruppen
mit gleichartigen Charakteristiken, z.B. auf dem Gebiet der Farbtemperatur.
CDM
Ceramic Discharge Metalhalide Lampe (Halogen-Metalldampflampe)
Chromatizität
Farbkoordinaten
CIE
Commission Internationale de l’éclairage / Internationale Kommission für Beleuchtung
Diode
Halbleiter, der elektrischen Strom in eine Richtung sehr gut leitet,
aber in die andere Richtung praktisch nicht.
LED-Komponente
Die Kombination von LED, Gehäuse und Primäroptik.
LED-Modul
Das LED-Äquivalent zu einer traditionellen Lampe, aber in LED-Ausführung. Laut ETAP’s Terminologie entspricht dies Typ 3 (siehe Kapitel 1)
LM-80
Von der IES genehmigte amerikanische Methode, um den Lichtstromerhalt von LED-Komponenten zu messen („Measuring Lumen
Maintenance of LED Light Sources“).
LM-84
Von der IES genehmigte amerikanische Methode, um den Lumenerhalt von LED-Leuchten zu messen („Measuring Luminous Flux and
Color Maintenance of LED Lamps, Light Engines, and Luminaires“).
Gamma oder Abschirmwinkel
Winkel in Bezug zur Vertikalen wie in einem Polardiagram
Lumineszenz
Prozess, bei dem ein Lichtteilchen (Photon) generiert wird, wenn
ein Atom von einem höheren zu einem niedrigeren Energiezustand
wechselt.
„Heiße“ Lumenwerte
Lichtstrom gemessen bei einer typischen Anwendungstemperatur
(in der Regel gemessen bei etwa 85°C Junction Temperatur).
Nutzungsdauer
Wirtschaftliche Lebensdauer, die für die spezifische Anwendung
relevant ist. Sie ist niedriger als die durchschnittliche Lebensdauer.
IEC
International Electrotechnical Commission
PCB
Printed Circuit Board: Leiterplatte
IES
Illuminating Engineering Society: International anerkannte Autorität im Bereich Beleuchtung.
Remote-Phosphor-Technologie
Technologie, bei der der Phosphor, der benötigt wird um weißes Licht
zu erzeugen, nicht direkt auf die blaue LED, sondern in oder auf einem
(Glas oder Kunststoff) Träger in einigem Abstand zur LED aufgebracht
wird. Dadurch funktioniert der Phosphor bei einer niedrigeren Temperatur und es kann in bestimmten Fällen ein Effizienzgewinn und eine
Lebensdauerverbesserung realisiert werden.
Junction
Aktiver Bereich im Halbleiter, in dem das Licht erzeugt wird.
Junction-Temperatur
Dies ist die interne Temperatur im Halbleiter-Material (am PNÜbergang, siehe unten).
„Kalte“ Lumenwerte
Lichtstrom gemessen bei 25°C Junction Temperatur
Leadframe
Basiselement einer Niedrigleistungs-LED, Metallrahmen, der für externe elektrische Verbindungen, Wärmeverteilung und Lichtreflektion sorgt.
LED
Abkürzung von Light Emitting Diode.
LED-Chip:
Licht erzeugende Halbleiterkomponente
44 | ETAP
SDCM (Standard Deviation Colour Matching)
Das Maß für wahrnehmbare Abweichungen der Lichtfarbe.
Stromleistungsdichte
Das Verhältnis zwischen dem Strom, der durch eine Komponente
fließt, und dessen Querschnitt.
Substrat
Trägermaterial auf dem die LED samt dem inneren Reflektor
befestigt ist.
TM-21
Von der IES empfohlene Methode, um die nutzbare Lebensdauer
von LED-Komponenten zu berechnen („Projecting Long Term Lumen
Maintenance of LED Light Sources„“), und zwar auf der Grundlage
von LM80-Messdaten.
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TM-28
Von der IES empfohlene Methode, um die nutzbare Lebensdauer
von LED-Leuchten zu berechnen („Projecting Long-Term Luminous
Flux Maintenance of LED Lamps and Luminaires“), und zwar auf der
Grundlage von LM-84-Messdaten.
UGR
Unified Glare Rating – Ein auf Schätzung beruhendes Model des
Blendungsrisikos. Die Standard-Werte reichen von UGR 16 (geringes
Blendungsrisiko) bis UGR 28.
Unterhemisphärisches Licht
Der Anteil des totalen Lichtstroms, der bei einer horizontal aufgehangenen Lichtquelle nach unten geleitet wird.
Wartungsfaktor
Faktor, der eine Verschmutzung, Alterung und Lichtstromabnahme
von Lichtquellen bei Beleuchtungsberechnungen berücksichtigt.
Wire-Bonding
Verbindung - zumeist aus Gold - zwischen Halbleitern oder zwischen
Halbleiter und Leadframe oder externen elektrischen Kontakten.
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45 | ETAP
Anlage 1: Wartungsfaktoren von LED-Produkten
Anwendungsbezogener Wartungsfaktor % (Maintenance Factor, MF)
LEUCHTENTYP
ANWENDUNG
AUSFÜHRUNG
D1 / D2 / D3
BÜRO
-
D42
BÜRO
-
88%
88%
E1
INDUSTRIE
-
83%
81%
E2
INDUSTRIE
-
83%
81%
E4
E4.0./
84%
83%
INDUSTRIE
E4.1./
83%
80%
E5M - E3M
E5M.0./
84%
83%
INDUSTRIE
E5M.1./
81%
78%
E7
INDUSTRIE
E7.1./ (1 REIHE LEDS)
83%
81%
E7.2./ (2 REIHEN LEDS)
82%
79%
87%
85%
FLARE
BÜRO
-
LEDA
BÜRO
-
R7
46 | ETAP
BÜRO
25.000 Std. 50.000 Std.
63%
63%
ohne Uplight
88%
88%
mit Uplight
88%
86%
mini
87%
84%
-
84%
78%
U25
88%
88%
U21
80%
80%
Standardmaß
88%
87%
mini
87%
84%
-
83%
77%
US./LED.25 - /LED.30
88%
87%
US./LED.35 - /LED.40
87%
83%
R8
BÜRO
U2
BÜRO
U7
BÜRO
UM2
BÜRO
US
BÜRO
UW
BÜRO
-
86%
84%
V2M11
BÜRO
-
88%
88%
V2M17
BÜRO
-
86%
84%
V2M1F / J
BÜRO
-
88%
85%
W1
BÜRO
-
71%
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Erklärungen & Bedingungen
• Alle Leistungsdaten bezogen auf eine Umgebungstemperatur von 25°C.
LLMF (%)
• Anwendungsbezogener Leistungsfaktor (siehe oben): Ändert sich in
Abhängigkeit zum Verschmutzungsgrad und zur Reinigungshäufigkeit.
• MF = LLMF * LSF * LMF * RMF
(CIE97: Veröffentlichung für die Innenbeleuchtung)
LLMF: Lampenlichtstrom-Wartungsfaktor (Lamp Lumen Maintenance
Factor)
LSF:
Faktor für Lampenlebensdauer (Lamp Survival Factor)
LMF: Leuchten-Wartungsfaktor (Luminaire Maintenance Factor)
RMF: Raum-Wartungsfaktor (Room Maintenance Factor)
• Die oben genannte Berechnung des Wartungsfaktors basiert auf folgenden Daten:
LSF = 1 (“spot replacement”: bei totalem LED-Ausfall, werden Betriebsgerät oder Leuchte ersetzt).
LMF = 0,95 für saubere Büroumgebungen; 0,89 für normale industrielle
Umgebungen.
RMF = 0,94 für saubere Büroumgebungen (Reflexionsfaktor 70/50/20)
oder 0,95 für normale Industrieumgebungen (Reflexionsfaktor 50/30/20),
vorausgesetzte dreijährliche Reinigung. Gemäss CIE 97 2005.
• LLMF auf Basis LM80(1)/TM21(2)
LEUCHTENTYP
AUSFÜHRUNG
D1 / D2 / D3
-
D42
-
99%
98%
E1
-
98%
96%
E2
-
98%
96%
E4.0./
99%
98%
E4
E5M - E3M
E7
FLARE
LEDA
R7
R8
U2
25.000 Std.
50.000 Std.
70%(3)
E4.1./
98%
95%
E5M.0./
99%
98%
E5M.1./
96%
92%
E7.1./ (1 Reihe LEDs)
98%
96%
E7.2./ (2 Reihen LEDs)
97%
94%
-
97%
95%
70%(4)
ohne Uplight
99%
98%
mit Uplight
98%
96%
mini
97%
94%
-
94%
87%
U25
99%
98%
U21
90%
90%
Standardmaß
99%
97%
mini
97%
94%
-
93%
86%
US./LED.25 - /LED.30
99%
97%
US./LED.35 - /LED.40
97%
93%
UW
-
96%
94%
V2M11
-
99%
99%
V2M17
-
96%
94%
V2M1F / J
-
98%
W1
-
U7
UM2
US
95%
80%
(1) IES LM-80-08: zertifiziertes Testverfahren zur Bestimmung der Lumen Wartungsfaktoren von
LED Lichtquellen.
(2) IES TM-21-11: Verfahren zu langfristigen Hochrechnung von Lumen Wartungsfaktoren von LED
Lichtquellen.
(3) Quelle: Osram
(4) Quelle: Philips
6. Ausgabe, November 2015. Neueste Version auf www.etaplighting.com
47 | ETAP
ETAP NV ƒ Antwerpsesteenweg 130 ƒ 2390 Malle ƒ Belgien
Tel. +32 (0)3 310 02 11 ƒ Fax +32 (0)3 311 61 42 ƒ e-mail: [email protected]
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