LED-Lampen
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 | AllgemeinesLED-Lampen (LED = Light Emitting Diode) sprich Leuchtdiodenlampen sind der aktuelle Stand der Beleuchtungstechnik. Sie bestehen üblicherweise aus mehreren zusammengeschalteten LEDs (= Light Emitting Diodes), die Licht mit weiß oder gelb-orange erscheinender Farbe aussenden und damit als Ersatz für Glühlampen Halogenlampen LeuchtstofflampenViele Jahre lang waren Leuchtdioden, die Licht im sichtbaren Bereich abstrahlen, nur in den Farben rot, grün und gelb verfügbar. Sie werden auch heute noch als farbige Anzeige"lämpchen" mit langer Lebensdauer verwendet. Für allgemeine Beleuchtungszwecke waren solche LEDs untauglich, weil sie kein weißes Licht abgeben, ihr Wirkungsgrad gering war und sie nur mit geringer Strahlungsleistung zur Verfügung standen. Inzwischen gelang es, LEDs herzustellen, die weiß bzw. gelb-orange erscheinendes Licht mit vergleichsweise hohem Wirkungsgrad abstrahlen. Der größte Vorteil gegenüber den unsäglichen Energiesparfunzeln Leuchtstofflampen.Aufbau und Wirkungsweise von Leuchtdioden (LED)Lampen in Leuchtdiodentechnologie machen es sich zu Nutze, daß bei in Flußrichtung betriebenen speziellen Dioden
Bei der Erzeugung von weißem Licht führen viele Wege nach Rom. Der naheliegendste ist sicherlich, 3 Leuchtdioden zu kombinieren, die die 3 Grundfarben Blau, Grün und Rot aussenden, was durch additive Mischung Weiß ergibt. Nachteilig ist dabei nicht nur, daß der Preis durch die Notwendigkeit, drei statt nur einer LED verwenden zu müssen, vergleichsweise hoch ist. Aus technischer Sicht fällt zusätzlich die Tatsache ins Gewicht, daß LEDs für grünes und rotes Licht nicht den gleichen hohen Wirkungsgrad besitzen wie solche für blaues Licht. Daher ist der Gesamtwirkungsgrad vergleichsweise gering. Man verwendet solche Systeme vorzugsweise dann, wenn die Lichtfarbe vom Benutzer einstellbar sein soll ("Farbwechsel-LEDs"). Aus Wirkungsgrad- und Kostengründen basieren die meisten Weißlicht-LEDs auf einer einzigen LED, die originär blaues Licht mit einer Wellenlänge von meistens 450 nm erzeugt. Hierbei ist vor der lichterzeugenden Sperrschicht (p-n-Übergang) eine Leuchtschicht/Konversionsschicht aufgebracht, die dünn genug ist, daß das blaue Licht teilweise direkt nach außen strahlen kann (siehe  Bild 1: Prinzipieller Aufbau einer LED mit weißer Lichtfarbe Der Nachteil der Erzeugung weiß erscheinenden Lichts auf diese Art ist, daß das Lichtsppektrum im sichtbaren Bereich zwei Höcker besitzt, siehe Bild 2. Der schmale bei ca. 450 nm wird durch das Spektrum der blauen LED verursacht und der breite bei typischerweise um die 600 nm durch den Leuchtstoff. Bitte beachten Sie, daß es sich auf 100% normierte Kurven handelt. Dadurch liegen die Kurven naturgemäß nicht weitgehend deckungsgleich übereinander.  Bild 2: Spektrum einer warmweißen LED Zum Vergleich ist das Spektrum eines Temperaturstrahlers mit 3000 K (Glühlampe) eingezeichnet. Wie man sieht, gibt es teilweise große Unterschiede im abgestrahlten Spektrum zwischen der warmweißen LED und der Glühlampe. Insbesondere fehlt der LED das langwellige rote Licht im Wellenlängenbereich ab ca. 650 nm, während sie im blauen Farbbereich um ca. 450 nm deutlich zu viel Licht abstrahlt. Dies äußert sich in einer schlechten Farbwiedergabe. In solchem Licht sieht beispielsweise menschliche Haut fahl und ungesund aus.  Bild 3: Spektrum einer neutralweißen LED Neutralweiße LEDs verhalten sich bezüglich der Farbwiedergabe kaum besser, wie Sie in Bild 3 erkennen können. Hier ist zum Vergleich ein Temperaturstrahler mit 5600 K (Sonne) eingezeichnet. Zwar fehlt hier nicht ganz so viel langwelliges rotes Licht wie bei den warmweißen LEDs, weil davon auch der Temperaturstrahler prozentual weniger abstrahlt und dadurch die Latte tiefer liegt, aber trotzdem gibt es deutliche Abweichungen. Während die Sonne einen Wert von 100 erreicht und Glühlampen nur ganz wenig darunterliegen, liegt der Farbwiedergabeindex CRI (bzw. veraltet Ra) bei den meisten LED-Lampen und -Leuchten Stand 2020 nur bei 80. Ein gutes Stück verbessern kann man die Farbwiedergabe, indem man zur Lichterzeugung LEDs verwendet, die kein blaues Licht sondern UV-Licht aussenden. Das Wirkungsprinzip incl. Leuchtschicht ist zwar identisch, aber der durch das direkt erzeugte Licht hervorgerufene schmale Höcker befindet sich dann außerhalb des für das Auge sichtbaren Bereichs. Durch eine dicke Konversionsschicht/Leuchtschicht wird zudem der UV-Höcker gering gehalten, und das gesamte sichtbare Licht wird durch die Konversionsschicht/Leuchtschicht abgestrahlt. Solche LEDs besitzen einen etwas geringeren Wirkungsgrad als Standard-Weißlicht-LEDs. Auch bei auf blauen LEDs basierenden Weißlicht-LEDs kann man die Farbwiedergabe verbessern, schlicht indem man andere Leuchtstoffe verwendet. Bei ihnen ist der Wirkungsgradverlust etwas geringer. Eine andere Methode, die vor allem die Rotschwäche korrigiert, ist der zusätzliche Einsatz roter LEDs. Leider findet man LED-Lampen, die mit LEDs guter Farbwiedergabe ausgestattet sind, nur selten im örtlichen Handel. Ein Grund ist sicher der Wirkungsgradfetischismus ("Energieeffizienzklasse A+++"), dem offenbar alle anderen Auswahlkriterien geopfert wurden. Ein anderer Grund könnte sein, daß sie ein gutes Stück teurer als die Standard-LED-Lampen sind. Insofern wird man das Gemaule etlicher Leute, die die Unterschiede nicht kennen, über die schlechte Farbwiedergabe von LED-Lampen auch weiterhin ertragen müssen. Wer sich nicht mit schlechtem Licht herumplagen will, findet im Internet LED-Lampen mit einem respektablen Farbwiedergabeindex CRI von 95 oder noch höher. Allerdings haben diese leider ihren Preis. Gerade bei Leuchten mit fest installierten LEDs lohnt sich die Suche und die Mehrausgabe, da man damit vermeidet, ein paar Jahre später dann doch eine Leuchte mit höherem CRI zu kaufen, da insbesondere die Wiedergabe von Farbtönen, die Rot beinhalten, bei dem üblichen CRI von 80 einfach zu schlecht ist. LED-Lampen / LeuchtdiodenlampenLeuchtdioden kann man nicht ohne weitere Maßnahmen direkt an einer Spannungsquelle betreiben, und für Wechselstrom und Spannungen des 230-V-Netzes sind sie schon gleich garnicht geeignet. Man muß vielmehr dafür Sorge tragen, daß sie mit einem richtig gepolten Gleichstrom (nicht Gleichspannung!) betrieben werden, der dem Nennstrom der Leuchtdiode entspricht. Man braucht dazu eine sogenannte Konstantstromquelle, also eine elektronische Schaltung, die unabhängig von der Betriebsspannung und der Exemplarstreuung bzw. Temperatur der LED diese möglichst mit exakt dem Nennstrom beaufschlagt. Besteht eine LED-Lampe aus mehreren LEDs, werden diese üblicherweise in Reihe geschaltet; dann genügt eine einzige, entsptrechend ausgelegte Konstantstromquelle für alle LEDs. Bei Betrieb am 230-V-Wechselstromnetz ist zusätzlich eine Spannungsanpassung ("Transformator") und eine Gleichrichtung erforderlich. Aus Effizienzgründen wird statt eines konventionellen Trafos und einer linear geregelten Konstantstromquelle ein sogenannter Schaltwandler verwendet, der beide Aufgaben übernimmt und im Vergleich zur herkömmlichen Schaltungstechnik viel kleiner ist und vor allem einen deutlich höheren Wirkungsgrad besitzt. Ein solcher Schaltwandler ist üblicherweise auf einer kleinen Leiterplatte aufgebaut und in die LED-Lampe integriert. Durch eine ausreichend hohe Schaltfrequenz (meistens weit oberhalb von 20 kHz) wird vermieden, daß das Licht sichtbar flackert oder sich mit dem Licht von Fernsehgeräten oder Computermonitoren sichtbare Schwebungseffekte ergeben. Bei extrem billigen Lampen (z.B. von chinesischen Anbietern über eBay oder Amazon angeboten) kann es jedoch vorkommen, daß der Schaltregler aus Kostengründen entfallen mußte und die Strombegrenzung lediglich über einen Kondensator gelöst ist. Solche Lampen flackern selbstverständlich mit 100 Hz. Bild 4: Prinzipieller Aufbau einer 230-V-LED-Lampe Den Schaltwandler packt man in den Bereich des Schraubsockels und ein wenig darüber. Dies ist auch der Grund dafür, warum das "Glas", d.h. der Diffusor nicht wie bei einer konventionellen Glühlampe ganz bis an den Sockel heranreicht. Der milchige kuppelförmige Diffusor sorgt dafür, daß die LED-Lampe äußerlich so ähnlich wie eine konventionelle Glühlampe aussieht. Zu beachten ist, daß der Diffusor nur eingeklebt ist. Beim Einschrauben in die Lampenfassung sollte man unbedingt die Lampe nicht wie bei Glühlampen gewöhnt relativ weit vorne (d.h. am Diffusor) sondern am Plastik greifen, welches den Schaltwandler beherbergt (im Foto unten u.a. mit dem CE-Symbol bedruckt). Andernfalls kann es passieren, daß sich der Diffusor durch die Einschraubkräfte löst. In den nachfolgenden Bildern können Sie sehen, wie eine typische "LED-Glühbirne" innnen aufgebaut ist.
Konventionelle Glühlampen (damit sind diejenigen in Birnenform gemeint) geben bekanntlich Licht in alle Richtungen ab. Die Lichtabstrahlung wird technisch lediglich durch den Lampensockel behindert, wodurch der Winkel der Lichtabgabe nur ganz wenig unter 360° liegt und weitgehend rotationssymmetrisch ist. LEDs strahlen im Gegensatz dazu Licht nur nach vorne ab. Je nach innerem Aufbau der LED geschieht das entweder in einem 180°-Winkel oder aber mehr oder minder gerichtet. Wenn man LED-Lampen bauen will, mit der man konventionelle Glühlampen ersetzen kann, muß man daher mehrere LEDs kombinieren, die in verschiedene Richtungen strahlen oder einen Diffusor verwenden, um in Summe eine ähnliche Rundstrahlcharakteristik zu erreichen. Als Glühlampenersatz gedachte LED-Lampen erreichen aber trotzdem nicht die Rundstrahlcharakteristik einer Glühlampe, weil der oben erwähnte Schaltregler Platz benötigt und dadurch die Abstrahlung nach hinten d.h. in Richtung Sockel behindert. Ob dies störend ist oder nicht, hängt vom jeweiligen Einsatzzweck ab. Bild 8 zeigt den Unterschied zwischen einer echten Glühlampe und einer als Glühlampenersatz gedachten LED-Lampe. Wie man sieht, strahlt die altehrwürdige Glühlampe Licht sowohl nach vorn, seitlich und auch nach hinten ab. Durch das nach hinten abgestrahlte Licht ist in diesem Foto auch die die Fassung recht deutlich sichtbar. Im wesentlichen wird die Abstrahlung nur durch den Sockel und die Lampenfassung begrenzt. Die LED-Lampe strahlt hingegen das Licht fast ausschließlich nach vorn und seitlich ab. Wenn man sich ihren Aufbau ansieht, ist das auch kein Wunder: Die Abstrahlung nach hinten ist durch die im Kunststoff eingebettete Elektronik sowie durch den Aufbau der Lampe limitiert, und die LEDs strahlen durch ihre Anordnung nur nach vorne und zur Seite, sodaß lediglich durch den Diffusor in sehr beschränktem Rahmen Licht nach hinten umgelenkt wird. Bei Leuchten, in denen auch das seitlich und nach hinten abgestrahlte Licht genutzt wird wie z.B. den typischen Kellerleuchten vermindert sich dadurch die ausgeleuchtete Fläche mitunter beträchtlich. Das Abstrahlverhalten kann man verbessern, indem man die LEDs anders anordnet, wie dies in Bild 9 am Beispiel einer 12-V-LED-Lampe ohne Diffusor zu sehen ist.  Bild 9: LED-Lampe mit verbessertem Abstrahlverhalten Klicken Sie auf das Bild, um es größer zu sehen. Relativ neu auf dem Markt sind sogenannte Filament-LED-Lampen, zu deutsch Leuchtfadenlampen. Bei diesen werden viele kleine Weißlicht-LEDs in Reihenschaltung auf ein schmales, langes und transparentes Trägermaterial aufgebracht, das mit einer Fluoreszenzschicht umhüllt wird. Das Endergebnis sieht dann wegen der winzigen LEDs aus wie ein gelber (=Farbe der Fuoreszenzschicht) dicker Faden. Aus diesen LED-Fäden kann man dann LED-Lampen bauen, die abgesehen von der Position der "Glühwendeln" genauso aussehen wie eine konventionelle Glühlampe und auch das Licht tatsählich in alle Richtungen
Nachteilig bei diesen Lampen ist, daß man die Leuchtfäden naturgemäß nicht mit einem Kühlkörper versehen kann, sondern die Wärmeableitung über das Füllgas und den Glaskolben erfolgen muß. Daher ist die Leistung solcher Lampen geringer als bei den weiter oben beschriebenen LED-Lampen. Ein anderer Nachteil ist, daß bei vielen Filament-LED-Lampen aufgrund des geringen Bauraums kein Schaltnetzteil verwendet wird sondern nur ein Kondensator zur Strombegrenzung ("Kondensatornetzteil"). Daher variiert bei solchen Lampen aufgrund der Netzfrequenz von 50 Hz und der Gleichrichtung das Licht im 100-Hz-Rhythmus die Helligkeit. Dies kann ggf. als Flackern wahrgenommen werden. Der größte Nachteil ist aber, daß es Filament-LED-Lampen Stand 2020 noch nicht mit guter Farbwiedergabe sondern nur mit einem CRI von lediglich 80 gibt. Limitierungen von LED-Lampen beim Ersatz von GlühlampenDer Königsweg sind zwar Leuchten mit integrierten LEDs, thermische Glühlampen
Noch ein Tipp: Auch wenn sie teurer und eher schlecht erhältlich sind, sollten Sie gleich zu LED-Lampen mit guter Farbwiedergabe greifen. Deren Licht wirkt gleich eine ganze Ecke gemütlicher, und man muß sich nicht jeden Tag über eine ungesund wirkende Hautfarbe ärgern. Wenn sie unter den richtigen Bedingungen (s.o.) betrieben werden, halten LED-Lampen sehr lange und sind eher als Investitionsgut denn als Verbrauchsgut zu betrachten. Der Mehrpreis gegenüber den Standard-LED-Lampen mit schlechter Farbwiedergabe relativiert sich daher über die Jahre, und die Stromkostenersparnis gegenüber thermischen Glühlampen ist immer noch sehr hoch. Auch wenn es für manche Autobesitzer verlockend erscheinen mag, gibt es für Automobilscheinwerfer keine LED-Lampen mit Straßenzulassung, mit denen man sehr preiswert von Halogenlicht auf LED-Licht umrüsten könnte. Prinzipbedingt ist dies unmöglich: Scheinwerfer sind nämlich immer so gebaut, daß sie das linienförmige Licht der Glühwendel per Reflektor und ggf. zusätzlich per Linse gemäß optischen Gesetzen auf die Straße abbilden. Dazu ist es erforderlich, daß sich die Glühlampe sehr genau im Brennpunkt des Hohlspiegels bzw. der Linse befindet. Andernfalls würde die Glühwendel unscharf auf der Straße abgebildet, d.h. das Licht würde zu weit aufgefächert. Dies führt nicht nur zur Blendung entgegenkommender Fahrzeuge, sondern es sorgt auch für eine deutlich dunklere Ausleuchtung, schlicht weil das Licht nicht gebündelt dort landet, wo man es braucht, sondern weil man den Mond anstrahlt. Selbst leistungsschwache LED-Chips sind deutlich größer als eine Glühwendel, von ausreichend leistungsstarken garnicht erst zu reden. Zwar kann man als billigen China-Import LED-Lampen kaufen, die mit einem in der Automobiltechnik üblichen H1-, H3-, H4-, H7-Sockel etc. ausgestattet sind und vielleicht zum Ersatz von Halogenlampen verleiten, aber sie sind keineswegs funktionsidentisch mit für den Straßenverkehr zugelassenen Halogenlampen. Vielmehr beinhalten sie zahlreiche LEDs, die üblicherweise so angeordnet sind, daß sie in alle Richtungen außer dem Sockel strahlen. Davon, eine Glühwendel nachzuahmen, könnten sie nicht weiter entfernt sein, weshalb sie für den Straßenverkehr grundsätzlich nicht zulassungsfähig sind (sollte mit einer E-Nummer geworben werden, ist diese immer eine Fälschung). Ein damit ausgerüsteter Scheinwerfer strahlt lapidar gesagt in alle möglichen LED-LeuchtenLED-Lampen in Glühlampenform sind lediglich als Übergangslösung zu sehen, um vorhandene Leuchten trotz des EU-weiten Glühlampenverbots weiterverwenden zu können. So richtig kann man die Vorteile von LEDs aber nur in LED-Leuchten nutzen, die bereits ab Werk mit diesen ausgerüstet sind. Die LED-Chips sind dabei in die Leuchte eingelötet und daher nicht durch den Endanwender austauschbar. Ein Austausch ist allerdings auch nicht notwendig, weil die Lebensdauer von LEDs, die innerhalb ihrer zulässigen Parameter betrieben werden, extrem lange ist. Der Hersteller kann bei diesen speziell auf LEDs abgestimmten Leuchten leicht dafür Sorge tragen, daß insbesondere die beim Betrieb anfallende Wärme ordnungsgemäß abgeführt wird, damit weder LEDs noch der Schaltregler überhitzen, was bei LED-Lampen in Glühlampenform insbesondere beim Einsatz in geschlossenen Leuchten oft nicht gegeben ist und damit zum frühzeitigen Ausfall der Lampe führt. Sofern die LED-Lampe ausreichend gekühlt wird, spricht aber überhaupt nichts dagegen, die alte Leuchte ressourcenschonend bis zum Sankt-Nimmerleins-Tag weiterzubenutzen.Abgesehen von der Kühlung kann der Hersteller die LEDs so in der LED-Leuchte plazieren, wie es den jeweiligen lichttechnischen oder designerischen Erfordernissen entspricht, und nicht wie bei Glühlampen dort, wo er die recht voluminöse Glühlampe unterbringen kann. Beispielsweise sind in LED-Technologie infolge der sehr dünnen LED-Chips extrem flache Leuchten möglich, in denen zahlreiche LEDs über eine relativ große Fläche verteilt sind. Das abgestrahlte Licht ist dadurch angenehm weich, sprich damit beleuchtete Objekte werfen keine harten Schlagschatten. Andererseits kann man bei Einsatz einer einzigen relativ leistungsstarken LED mit entsprechender Optik (d.h. Linse vor der LED) mit kleinem Aufwand eine wirkungsvolle Akzentbeleuchtung erzielen ("Spotlight"). Dadurch, daß der Bauraum von LED-Leuchten weit weniger limitiert ist als der von LED-Lampen in Glühlampenform, hat man darüberhinaus auch mehr Freiheiten bzgl. des Netzteils/Schaltreglers. Zumindest theoretisch sollte er eine höhere Lebensdauer haben, weil es hierbei einfach ist, die dahingehend kritischen Elektrolytkondensatoren ("Elkos") kühl zu halten, was sie mit einer längerer Lebensdauer danken. Da Leuchten normalerweise nicht gerade billig sind und eine lange Lebensdauer besitzen, sollte man sie als Investitionsgut ansehen und nicht am falschen Ende sparen, da man sonst zweimal kauft. Daher ist es sinnvoll, beim Kauf auf eine gute Farbwiedergabe zu achten. Der heute übliche CRI von lediglich 80 oder knapp darüber (Stand 2020) wird sicherlich in einigen Jahren überholt sein, weil insbesondere die Farbwiedergabe von roten Gegenständen einfach zu schlecht ist, während blaue überbetont werden. Um dann nicht die teuer gekaufte Leuchte mit der bescheidenen Farbwiedergabe durch eine neue ersetzen zu müssen, ist es sinnvoll, entweder für mehr Geld und einigem Suchaufwand lieber gleich eine Leuchte mit einem CRI von mindestens 95 zu kaufen oder aber zu warten, bis dieser Wert zum neuen Standard und damit preiswerter wird. Bis dahin kann man sich damit behelfen, daß man seine alte Leuchte mit einer LED-Lampe ausstattet, die einen ausreichend hohen CRI besitzt. Eine spezielle Ausformung von LED-Leuchten sind Automobilscheinwerfer, die bei neuen Automodellen die Nachfolge der nicht ganz unproblematischen Xenon-Lampen angetreten haben. Auch bei diesen sind die LED-Chips fest eingelötet und damit nicht austauschbar. Und auch hier kann man durch die Verteilung der Lichterzeugung auf mehrere LED-Chips besondere Effekte erzielen wie z.B. Kurvenlicht ohne mechanisch bewegte Teile oder Matrix-Licht, bei dem mit Fernlicht gefahren werden kann, ohne entgegenkommende Fahrzeuge zu blenden. Erreicht wird das dadurch, daß über ein Sensorsystem (Kamera) die Position entgegenkommender Fahrzeuge detektiert wird und dann diejenigen LEDs ausgeschaltet werden, die dieses Fahrzeug direkt anstrahlen und damit zur Blendung führen würden. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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