Innovative Beleuchtung - LED
LED – Energetische und qualitative Eigenschaften Sebastian Amrhein Labor für Aufbau- und Verbindungstechnik 13.05.2014
Agenda 1. 2. 3. 4. 5.
Arten elektrischer Lichtquellen Eigenschaften von LEDs Lichttechnische Größen Retrofitkonzepte - Hinweise Quellen
Sebastian Amrhein
Labor für Aufbau- und Verbindungstechnik
1. Arten elektrischer Lichtquellen Glühlampe (1906)
Leuchtstofflampe (1938) Halogen-Glühlampe(1958) Kompaktleuchtstofflampe(1980) High Flux LED (1999)
OLED GaN LED (blau) (1994) NatriumdampfNiederdrucklampe Metalldampflampe (1964) / QuecksilberHochdrucklampe GaAsP LED (rot) (1962) (1932) Sebastian Amrhein
Quelle: [hei12]
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1. Arten elektrischer Lichtquellen Thermische Strahler – Glühlampen, Halogenglühlampen – Kohlebogenlampen – Nernstlampen
Nicht thermische Strahler – Gasentladungsröhren – Leuchtdioden
Sebastian Amrhein
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1. Arten elektrischer Lichtquellen Funktionsweise thermischer Strahler – Edelgasfüllung – Filament aus W – Sublimation – 95 % Wärmeverl. – 750 – 1000 h (Ld.)
Quelle: [eid14] Sebastian Amrhein
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1. Arten elektrischer Lichtquellen Funktionsweise Gasentladungsröhren
– – – – – – – –
LeuchtstoffMetalldampfSparlampen Quecksilber Quelle: [hdi14] Hohe Spannung (10.000 V) Argon, Krypton (Leuchtstoffe) Einschaltverzögerung (temperaturabhängig) 26 % Licht, 74 % Wärme
Sebastian Amrhein
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1. Arten elektrischer Lichtquellen Funktionsweise Leuchtdioden (LED) Kristall
Kunststofflinse
Draht Trägerplatte
Anode
Kathode
Pluspol
Minuspol Stromrichtung
– – – –
Substrat Phosphorschicht LED-Chip Bond-Draht Quelle: [min12], [wil14]
Halbleiterschichten untersch. Dotierung Kleine Spannungen Wellenlänge abhängig vom Material Lichtstärke wächst proportional zur Stromstärke
Sebastian Amrhein
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1. Arten elektrischer Lichtquellen Leistungsaufnahme Lebensdauer
Lichtfarbe Wärmeverlust Sofortstart Stoßempfindlichkeit Zyklenempfindlichkeit CO2 Emission * Entsorgung
LED 3W 50.000 h kalt – warm sehr gering ja gering keine 82, 12 kg Hausmüll
Gasentladung 9W 6.000 h kalt 75 % nein hoch sehr hoch 246, 37 kg Sondermüll
Glühbirne 40 W 2.000 h warm 95 % ja sehr hoch keine 1095 kg Hausmüll
* 0,5 kg/kWh; 6 h/Tag; t=25 Jahre Quelle: [lwl14] Sebastian Amrhein
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2. Eigenschaften von LEDs Typen von LEDs – Bedrahtete LEDs • Einfache Signalanzeigen
– COB-LEDs (Chip-on-Board) • Leistungsstarke, eng bepackte LED-Module
– SMD-LEDs (Surface Mounted Devices) • Geklebt, kontaktiert und verkapselt (häufig)
– Retrofit LED-Module • Steck oder Schraubsockel für bestehende Leuchten Sebastian Amrhein
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2. Eigenschaften von LEDs Farben von LEDs
LEDs
Glühbirne
gelborange blau blaugrün grün rot rotorange
Tageslicht 400 nm 400 nm
500 nm
600 nm
500 nm
600 nm
700 nm
700 nm Quelle: [osr14], [uwg14]
Sebastian Amrhein
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2. Eigenschaften von LEDs Farben von LEDs Farbe
Infrarot Rot Orange Gelb Grün Blau Violett Ultraviolett
Werkstoff
GaAs, AlGaAs AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, GaP GaAsP, AlGaInP, GaP GaAsP, AlGaInP, GaP InGaN, GaN, GaP, AlGaInP, AlGaP ZnSe, InGaN, SiC InGaN C (Diamant), AlN, AlGaN, AlGaInN Quelle: [mes08]
Sebastian Amrhein
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2. Eigenschaften von LEDs Farben von LEDs – Photolumineszenz Weißes Licht Leuchtschicht LED Chip
Konversionsschicht Blaues Licht Quelle: [osr14]
– Additive Farbmischung
Sven Killing 2009
Sebastian Amrhein
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3. Lichttechnische Größen • • • • • • • • •
Lichtstrom Lichtstärke Beleuchtungsstärke Leuchtdichte Lichtfarbe / Farbtemperatur Lebensdauer Leistung Lichtausbeute/Effizienz Farbwiedergabeindex
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I E L
P
[lm] [cd] [lx] [cd/A] [K] [h] [W] [lm/W]
Ra
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3. Lichttechnische Größen Lichtstrom
[lm (Lumen)]
– Vom Auge wahrgenommene Helligkeit – Lichtleistung Lichtquelle in alle Richtungen – Art des Lichtes wird nicht beschrieben – Nicht aussagekräftig bei gerichtetem Licht – 100 W Glühbirne: ~1400 – 1600 lm – Einzel-LED: ~18 – 30 lm Quelle: [rie14] Sebastian Amrhein
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3. Lichttechnische Größen Lichtstärke I [cd=lm/sr=Lumen/Steradiant] – Lichtstrom bezogen auf Raumwinkel – Berücksichtigt Abstrahlcharakteristik – 100 W Glühbirne ~90 cd (→) – 160 cd (↓) – Lichtverteilung wird oft grafisch angegeben
Sebastian Amrhein
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3. Lichttechnische Größen Leuchtdichte [cd/A] – Lichtstärke die von einer bestimmten Fläche – Wie hell empfindet man eine Lichtquelle (Blenden) Leuchtdichte [cd/m²] Sonne am Mittag
1.600.000.000
100 W Glühlampe klar
10.000.000
100 W Glühlampe matt
200.000
Kerze
5.000 Quelle: [fsc14]
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3. Lichttechnische Größen Beleuchtungsstärke E [lx=lm/A] – Lichtstrom bezogen auf eine Fläche – Lux-Richtwerttabellen für versch. Lokalitäten E [lx] Sonnenlicht
100.000
Arbeitsplatz
1.000
Straßenbeleuchtung
10
Mondlicht
1
Quelle: [pre14] Sebastian Amrhein
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3. Lichttechnische Größen Farbe / Farbtemperatur [K]
Quelle: [sol14] Quelle: [sol14]
Sebastian Amrhein
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3. Lichttechnische Größen Farbwiedergabeindex Ra – Qualität der Farbwiedergabe im Licht – Idealer Wert 100 (nicht unter 80 im Innenbereich)
Quelle: [llb89] Sebastian Amrhein
Quelle: [whc14]
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3. Lichttechnische Größen Lebensdauer [h oder y] – Umrechnung oft 1y=1000h – Zyklen – Netzteile!
Leistung P [W] Lichtausbeute / Effizienz [lm/W] Quelle: [fvo14] Sebastian Amrhein
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3. Lichttechnische Größen Beispiele
Sebastian Amrhein
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3. Lichttechnische Größen Beispiele
Sebastian Amrhein
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4. Retrofit Konzepte Nachteile – Abstrahlwinkel nicht berücksichtigt – Blende / Optik passt nicht zum Leuchtmittel – Dimmfunktion eingeschränkt oder inaktiv – Wärmeabfuhr der Elektrik evtl. nicht gegeben – Bei Röhren gibt es vorgetäuschte Retrofits – Gewichtsunterschiede (Grenzen – Aufhängung) – Geräusche und Flimmern bei Dimmfunktion
Sebastian Amrhein
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4. Retrofit Konzepte Vorteile – Geringerer Stromverbrauch – Lange Lebensdauer – Keine Einschaltverzögerung – Zyklenunabhängigkeit – Lichtspektrum beliebig wählbar – Vergleichsweise geringe Investition – Es gibt zertifizierte und geprüfte Lampen VDE, EMC, CE, RoHS, IP20 Sebastian Amrhein
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4. Retrofit Konzepte Hinweise – Nur echte Retrofit-Modelle sind geeignet – Kein Umbau der Lampe (Starter)! – Vorschaltgeräte NICHT entfernen / überbrücken – Schutzklassendeklaration – Gleiche Spannungswerte – P (LED)