VDI –Tagung „Innovative Beleuchtung mit LED“ 17. + 18.11.2003
Gall, D.
„Möglichkeiten und Grenzenbeim Einsatz von LED in der Beleuchtungstechnik“
Technische Universität IlmenauLichttechnikGall, Dietrich
Pressestimmen zur LED :
-Die „ultrahellen Chips“, die sich nun mit ihren 100 000 Betriebsstunden anschicken, die .... Glühlampe abzulösen. (Welt am Sonntag)
-Vor der Lichtrevolution „Verglichen mit der Effizienz von LED sind Glühlampen nichts weiter als Heizkörper, die nochwenig leuchten.“(Siemens Heft – Herbst 2003)
_„In 10 bis 20 Jahren werden die LED‘s die Führung in der Haus- und Industriebeleuchtung übernehmen“.(MORAN, R. 2003)
Pressestimmen zur LED :
-„Die LED‘s sind nach der Glühlampe und Leuchtstofflam-pe die dritte große Revolution in der Beleuchtung“.(HAITZ, R.)
-„Mit LED‘s könnten bis zum Jahr 2020 in den USA Energie-einsparungen von 0,6 Tera-Watt-Jahren realisiert werden.Das entspricht 113 Mrd. € oder 600 Mio. Tonnen Steinkohle.“
.
.
.-Die alten Beleuchtungstechnologien werden in der Zukunft
aber zurückschlagen. Die alten Technologien werden uns nochlange begleiten.“(BERGH, A. 2003; Präs. Der optoelektronischen Industrie der USA)
Anwendungsbereiche von LED
40 %
23 %
18 %
5 %
2 %
12 %
Mobilanwendungen
Ampeln + Signale
Andere Anwendungen
Beleuchtung
Fahrzeuge
Anzeigetafeln
Lichterzeugungsprinzipien
Mittel-, Hoch- u. Höchst-
drucklampen
warmb
Glühlampe, IR-Strahlerwarmb
Niederdrucklampen (Leuchtstoff-, Excimer-lampen u.a.)
kaltaII Plasma
LED, LeuchtstoffekaltaI Festkörper
Beispiele
Anforderungen an die Lampen
große Lichtstrompakete 1.
ökologische Verträglichkeit8.
niedriger Lampenpreis7.
hohe Lebensdauer6.
zeitlich stabile Lichtemission5.
geringe Strahlungs- und Lichtbelastung4.
angepasste Lichtfarbe + Farbwiedergabe3.
hohe Effizienz der Lichtwirkung2.
Anforderungen/ Wünsche
Effizienzanforderungen
optische
Zwecke
LeuchtzweckeBeleuchtungs-zwecke
untergeordnetgroßgroßLichtausbeute
sehr großangepasstuntergeordnetLeuchtdichte
untergeordnetuntergeordnetgroßLichtstrom,
Beleuchtungs-stärke
FunktionZielpara-
meter
Anforderungen an Lichtfarbe und Farbwiedergabe
optische
Zwecke
Leucht-zwecke
Beleuchtungs-zwecke
Projektor:
aufgefüllt
Beamer:
selektiv
selektivaufgefülltSpektrum
gutnicht
relevant
gutFarbwieder-
gabe
weißvariabelweißLichtfarbe
Lampenzweck
Anforderungen an die Lampen
große Lichtstrompakete 1.
ökologische Verträglichkeit8.
niedriger Lampenpreis7.
hohe Lebensdauer6.
zeitlich stabile Lichtemission5.
geringe Strahlungs- und Lichtbelastung4.
angepasste Lichtfarbe + Farbwiedergabe3.
hohe Effizienz der Lichtwirkung2.
Anforderungen/ Wünsche
Lampenlichtströme im Vergleich zu LEDs
2404 80035Na-Niederdruck-Lampe
1 30026 000250Na-Hochdruck- Lampe
3106 200125Hg-Hochdruck-Lampe
250 5 00058Leuchtstofflampe
701 400100Allgebrauchsglühlampe
LED-Anzahl
bzw. Leistung
N [lm]P [W]Lampenart
Parameter: NLED = 20 lm / 0v = 20 lm/W
Erforderliche Lichtströme für Beleuchtungsanlagen
5 100 lmE = 10 lx; ηB = 0,5,
A2 = 30 x 8,5m²
= 255 m²
Strassenbeleuch-
tung
3 800 lmE = 750 lx; ηB = 0,1,
A2 = 0,5 m²
Schreibtisch
33 000 lmE = 500 lx; ηB = 0,3,
A2 = 20 m²
2 Mann-Büro
Erforderlicher Lichtstrom (φLa)
ParameterAnwendungsfall
B
La
AEη
φ 2⋅=Berechnungsformel:E – Beleuchtungsstärke ( ) A2 – beleuchtete FlächeηB - Beleuchtungswirkungsgrad
lxmlm =
²
Anforderungen an die Lampen
große Lichtstrompakete 1.
ökologische Verträglichkeit8.
niedriger Lampenpreis7.
hohe Lebensdauer6.
zeitlich stabile Lichtemission5.
geringe Strahlungs- und Lichtbelastung4.
angepasste Lichtfarbe + Farbwiedergabe3.
hohe Effizienz der Lichtwirkung2.
Anforderungen/ Wünsche
Die Hellempfindlichkeitskurven
(VOLKENAND 2002)
Lichtausbeute u. Lebensdauer einiger Lampenarten
24 000150 - 200Natrium - Niederdrucklampen
bis > 24 00040 - 60Quecksilberdampfhochdruck-
Lampen
bis > 24 000100 - 150Natrium - Hochdrucklampen
bis 15 00060 –100Halogen - Metalldampflampen
bis 16 00060 - 104Stabförmige Leuchtstoff-lampen
bis 12 00060 - 80Kompaktleuchtstoff-
lampen
bis 400015 - 25Halogenglühlampen
100010 - 15Glühlampen
Mittlere Lebens-dauer
(Std)
Lichtausbeute
lm/W
Lampenart
Unspezifische Lichtwirkungen (retino-hypothalamische Bahn)
-circadiane Rhythmik
- Wachheitsgrad
- SAD-Wirkung
- Melatonin-Supression
Schierz 2002
gemittelte circadiane Wirkungskurve c(8)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
c()λ
380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600
λ [nm]
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600
Thapan u.a. (2001)
Brainard u.a. (2001)
Photometrisches Grundgesetz
Leuchtdichten einiger Lampen (Lampen hoher Leuchtdichte)
0,3 - 3Luminszenzdiode (weiß)
300 – 1 000Keramiklampe
20Kurzbogenlampe VIP/UHP
30 – 400HMI; HTI (MSI; HSR)
Halogenmetalldampf-
lampe
65D2-Autolampe (Xe-Hg)
300 – 1 700Hg-Höchstdruck
200 – 2 600Xe-Höchstdruck
10 – 50Glühlampe
1 500 Sonne
Leuchtdichte
Mcd/m²
Lampe
Anforderungen an die Lampen
große Lichtstrompakete 1.
ökologische Verträglichkeit8.
niedriger Lampenpreis7.
hohe Lebensdauer6.
zeitlich stabile Lichtemission5.
geringe Strahlungs- und Lichtbelastung4.
angepasste Lichtfarbe + Farbwiedergabe3.
hohe Effizienz der Lichtwirkung2.
Anforderungen/ Wünsche
Na-Niederdruck-lampe
Dreibanden-Leuchtstofflampe
Tageslicht
Natrium-Niederdrucklampe Tageslicht
Farbwiedergabe
Spektralverlauf (normiert) weiße LED
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,0038
0
410
440
470
500
530
560
590
620
650
680
710
740
770
800
Wellenlänge [nm]
0°20°45°-20°-45°
Richtungsbedingte Lichtfarbenvariation von weißen LED
400045005000550060006500700075008000
-45 -20 0 20 45
CC
T [K
]
Ausstrahlungswinkel [°]
4000
4200
4400
4600
4800
5000
5200
-45 -20 0 20 45
CC
T [K
]
Ausstrahlungswinkel [°]
CCT – ähnlichste Farbtemperatur
Ergebnisse der Helligkeitsvergleiche bei benachbarten Quadraten
(VOLKENAND 2002)
Grenzwerte der maximal tolerierten Leuchtdichteunterschiede (in Prozent ausgedrückt %)
Blaue Quadrate
GelbeQuadrate
Grüne Quadrat.
Rote Quadrate Weiße Quadrate
9,5 4,8 5,8 6,1 5,3
Aufgeteilt in Felder mit einer Leuchtdichte (cd/m²) von:
12-11
90-80
80-70
31-30
4,6 7,4 3,5 5,5 6,4 5 9,5 9,5 5,8 3,511,5
120-
110
110-
100
<11 >31 <30 >120 <120
Ergebnisse
(VOLKENAND 2002)
Einstellung auf gleiche Helligkeit gelingt mit einermittleren Genauigkeit von 0,2%-10,5%.
Bei Überprüfung auf Erkennbarkeitsschwelle keine Bestätigung der Ergebnisse.
Leuchtdichteunterschiede von ca. 10% wurden nicht erkannt!
Leuchtdichteunterschiede bis zu ca. 20%-30% wurden noch toleriert.
Farbwiedergabe-Index (Ra) von Lampen
60 - 80Universalweiß
80 – 95Dreibanden (weiß)
80 – 95weiß – de Luxe
20 – 40Hochdruck
25
60
80
RGB – (Low)
RGB – (High)
weiß
LED
80 – 90KompaktLeuchtstofflampe
NiederdruckNatriumdampflampe
80 - 90Halogen-Metalldampflampe
40 – 60Quecksilberhochdrucklampe
98Glühlampe
Farbwiedergabe-Index ( Ra )
Lampe
Einschätzung der Farbwiedergabe-Eigenschaften (allgemein)
(NARENDRAN u.a. 2002)
RGB-LED
RGB-LED
LED-"Amber Weiß"
LED-"Weiß"
Halogenglühlampe
Glühlampe
25
63
81
83
98
98
4270
4140
4120
5031
2840
2640
Lampe Ra CCT FWG-Präferenz (allgemein)
200 lx
0,5
1,1
0,6
0,05
- 0,4
- 1,4
CCT –ähnl.Farbtemperatur in Kelvin
Ra – allg. Farbwiedergabeindex
Einschätzung der Farbwiedergabe-Eigenschaften der Haut
+ 0,8
+ 0,6
- 0,25
- 0,4
- 0,5
- 1,2
RGB-LED
RGB-LED
LED-"Amber Weiß"
LED-"Weiß"
Halogenglühlampe
Glühlampe
25
63
81
83
98
98
4270
4140
4120
5031
2840
2640
Lampe Ra CCT FWG-Präferenz der Hautfarbe
200 lx
(NARENDRAN u.a. 2002)CCT in Kelvin (ähnl.Farbtemperatur)
Ra – allg. Farbwiedergabeindex
Anforderungen an die Lampen
große Lichtstrompakete 1.
ökologische Verträglichkeit8.
niedriger Lampenpreis7.
hohe Lebensdauer6.
zeitlich stabile Lichtemission5.
geringe Strahlungs- und Lichtbelastung4.
angepasste Lichtfarbe + Farbwiedergabe3.
hohe Effizienz der Lichtwirkung2.
Anforderungen/ Wünsche
Wellenlängenabhängigkeit – Thermische Netzhautgefährdung
B (λ)
R (λ)
Wellenlängenabhängigkeit der thermischen Netzhautgefährdung R(8) und der Photochemischen Netzhautgefährdung durch blaues Licht B(8) [SUTTER]
Anforderungen an die Lampen
große Lichtstrompakete 1.
ökologische Verträglichkeit8.
niedriger Lampenpreis7.
hohe Lebensdauer6.
zeitlich stabile Lichtemission5.
geringe Strahlungs- und Lichtbelastung4.
angepasste Lichtfarbe + Farbwiedergabe3.
hohe Effizienz der Lichtwirkung2.
Anforderungen/ Wünsche
LED – Kostenvergleich mit Hochspannungsröhren („Neon“)
GrünRot
8,40,65LED in 10 Jahren
846,5LED – Anlagen
11„Neon“ - Anlagen
Farbe
(5 Jahre Nutzungszeit)(nach THIELEN)
LED für Beleuchtungszwecke
Vor- und Nachteile
-Vorteil: großes tN, flache Leuchten
- Nachteil: - kleine Lichtstrom-Pakete-thermische Probleme- FWG und Spektrum- hohe Lampenströme- Streuung der lichtt. Parameter
Anwendungsfelder
-kleinflächige Beleuchtung (maschinelles Sehen)- dekorative Akzentbeleuchtung- farbige Beleuchtung- Kfz-Innenbeleuchtung- Sonderbeleuchtung (Vitrinen u. ä.)- Notbeleuchtung- flache und kleine Leuchten
LED für optische Zwecke
Vor- und Nachteile
-Vorteil: direkte Lichtfarbenerzeugung, gute Einkopplungsmöglichkeit in Lichtleiter, zeitliche Lichtvariabilität
- Nachteil: geringe Leuchtdichte, geringer Nutzlichtstrom
Anwendungsfelder
- in Kombination mit Lichtleitertechnik- Kleinprojektoren
LED für Leuchtzwecke
Vor- und Nachteile
-Vorteil: großes tN, Lichtfarbe einstellbar, Leuchtdichte anpassbar, gute zeitliche Variabilität, kleine Leuchtkörper
- Nachteil: thermische Probleme
Anwendungsfelder
Displayanlagen, Signale, optische Sicherheitsleitsysteme, Piktogramme, Konturenbeleuchtung, Notbeleuchtungs-schilder, adaptive Leuchtfelder, Orientierungsbeleuchtung,Orientierungsscheinwerfer, kleine oder mittlereLichtwerbe-anlagen
LED (weiß) – Lichtstrom und Lichtausbeute (Prognose)
10
1
100
1 000
10 000
100 000
2000 2005 2010 20152008
Beleuchtung
Beleuchtung
Lichtstrom/Lampe (lm)Faktor: 20 pro Dekade
Lichtausbeute (lm/W)Faktor: 2 pro Dekade
Jahr
(Quelle: HEINZ, R. aus Siemens Heft 2003)
(Quelle: HEINZ, R. aus Siemens Heft 2003)
LED (weiß) – Lichtstrom und Lichtausbeute (Prognose)
0,1
0,01
0,0012000 2005 2010 2015
Jahr
(58 W-LL)
€/lm Faktor: 1/10 pro Dekade
(Quelle: HEINZ, R. aus Siemens Heft 2003)