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Die Experten beim Round-Table-Gespräch im Hochhaus des Süddeutschen Verlags in München.
Dr. Christopher Keusch ist Senior Technical Sales Manager bei Everlight Electronics. Er verantwortet die Neukundenakquise und unterstützt die für Distribution und Direktkunden zuständigen Account Manager.
Stefan Grötsch ist Application Engineer im Bereich Optoelektronik bei Osram Opto Semiconductors.
Henning von Lepel ist Technischer Projektleiter für industrielle Produkte im Bereich Wasserdichte Belüftungselemente bei W. L. Gore.
Anja Frohnapfel arbeitet in der Abteilung LED-Pre-Development bei Zumtobel Lighting.
Marcus Oechsle ist als Produktbereichsleiter Optoelektronik bei Rutronik Elektronische Bauelemente tätig.
Michael Gall ist CEO und Geschäftsführer von Just Normlicht. Das Unternehmen ist in der Spektral- und Lichtmesstechnik zu Hause.
Mitch Sayers ist Applikationsingenieur für Europa bei Cree. Er unterstützt Kundenapplikationen und dient als Brücke zu Cree in den USA.
Michael Demel ist Business Developement Manager bei Atlantik Elektronik für die Business Unit System Solutions, Distribution.

Die heiklen Themen Qualität und Effizienz diskutierten die Teilnehmer ausgiebig. Hinsichtlich der Qualität und der Effizienz von LEDs sind viele Variablen offen; aber die Verunsicherung beim Endkunden ist unbegründet.

Eine LED leuchtet hell, lange und mit angenehmem Licht – es gilt aber, im harten Preiskampf die passende Qualität zu liefern und nicht zu viel zu fordern. Hier gibt es zahlreiche Faktoren: Gefragt ist Systemwissen von der Ansteuer-Elektronik, Gehäuse und Kühlung bis hin zu den Linsen und Phosphor-Materialien. Dr. Christopher Keusch von Everlight Electronics sieht einen klaren Fokus auf PLCC-Gehäusen (Plastic Leaded Chip Carrier) mit ihrer verbesserten thermischen Performance. „Wir designen Packages mit einer zusätzlichen Wärmesenke, um die Verlustleistung aus dem Chip besser abzuführen. Bei gleichem Strom ist der LED-Chip kühler, die Lebensdauer länger und es ist mehr Helligkeit möglich.“

Ein praktisches Beispiel zeigt, dass man LEDs mit diesen Gehäuse mit dreifacher Bestromung betreiben könne. Mehr Miniaturisierung aus dem Kostendruck heraus erkennt Stefan Grötsch als Trendthema. Es bestände eine klare Nachfrage nach höheren Lichtpaketen, die zu Gehäusen bis 50 oder 100 Watt gehen, aber 5.000 Lumen liefern: „Durch Silizium- statt Germanium-Träger lassen sich deutlich Performancesteigerungen erzielen.“ Auch Marcus Oechsle von Rutronik bestätigt die Kundennachfrage nach kleinen Bauformen mit bekannten Volumengrößen. Michael Demel von Atlantik Elektronik erkennt einen Umschwung auf Silizium-basierte Träger, „um die Kosten um 50 Prozent senken zu können. Man kann größere Wafer bauen, hat eine größere Ausbeute und das Binning wird entspannter.“

Mitch Sayers von Cree sieht beim Binning hingegen noch keine Entspannung: „Die Ansprüche werden immer höher“. Bei der Lichtausbeute „sind wir bei 180 Lumen pro Watt und haben bereits 276 Lumen pro Watt im Labor erreicht − und es geht weiter. Eine bedeutende Frage ist dabei: Wo liegt der Sättigungsgrad?“ Michael Demel pflichtet bei: „Die Hersteller wollen mehr Lumen pro Watt erzielen, 120 sind Standard und es geht hin zu 140 Lumen.“ Stefan Grötsch sieht je nach angestrebtem Spektrum (warm-, kaltweiss, hohe oder niedrige Farbwidergabe) die Grenze „bei etwa 220 bis 280 Lumen“. Die Lichtausbeute lässt sich nicht unbegrenzt erhöhen, bestätigt auch Dr. Christopher Keusch: „Das Halbleitermaterial bestimmt einen Grenzwert, der durch die Physik bedingt ist. Bei Everlight erwartet man Werte um 284 Lumen pro Watt.“

Die Effizienz sei derzeit noch ein wichtiges Thema, meint auch Anja Frohnapfel von Zumtobel, sie betont aber: „Das Bestreben nach immer höheren Lumen pro Watt geht noch ein bis drei Jahre lang. Dann wird die Lichtqualität eine bedeutende Rolle spielen.“ Die Farbwiedergabe ist auch bei Just Normlicht ein Thema. Michael Gall erläutert: „Wir als Messgeräte-Hersteller können hier die Fragen zu Lichtqualität, Farbtemperatur, Farbwiedergabeindex, Eigenschaften von Lichtquelle über die spektrale Messtechnik beantworten sowie verschiedene Leuchten vergleichen.“

Treiberelektronik als Knackpunkt

Die Lebensdauer eines Produktes definiert sich über die kurzlebigste Komponente im System. Michael Demel bringt es auf den Punkt: „Wenn ich das Gesamtsystem sehe, ist nicht die LED die Schwachstelle, sondern die Elektronik.“ Er sieht in der Treiberschaltung großes Veränderungspotenzial. Die Vorschaltgeräte einfach wegzulassen und direkt einen AC-Anschluss für LEDs zu wählen, sei für viele Anwendungen eine gute Lösung. Mitch Sayers hinterfragt, wie viel Lebensdauer ein System eigentlich benötigt: „Genügen 50.000 oder 100.000 Stunden?“ Die LED schaffe das, wenn die Betriebsbedingungen passen. „Aus Sicht der Leuchtenhersteller stellt sich die Frage: Lässt man eine Leuchte an der Decke für 50 Jahre am gleichen Ort oder möchte der Hauseigentümer nicht lieber irgendwann etwas Neues und Modernes?“ Mitch Sayers ist überzeugt, dass für viele gängige Anwendungen die reguläre Treiber-Lebensdauer von 50.000 Stunden völlig ausreicht.

Es gibt viele Faktoren, die die Funktion der LED negativ beeinflussen. Henning von Lepel nennt chemische Reaktionen als wenig bekanntes Thema: „Ausgasungen haben Einfluss auf LEDs. Zum Beispiel Schwefeldioxid aus EPDM-Dichtungen. Belüftungselemente im Leuchtenkörper verringern die Konzentration der korrosiven Gase durch natürliche Diffusion. Dadurch verlängert sich die  Lebensdauer der LED.“ Mitch Sayers bestätigt: „Es kann alles stimmen mit Thermik und Optik, aber unerwartete chemische Stoffe können einen erheblichen Einfluss haben.“ Dr. Christopher Keusch erklärte, dass Kunden die LED-Lebensdauertests evident vorliegen haben wollen, zum Beispiel „LM80-Tests, die jeder Hersteller durchführt.“ Nach einem standardisierten Verfahren wird 6.000 Stunden lang gemessen und dann hochgerechnet: „Jeder weiß, dass 6.000 Stunden in der Praxis nicht ausreichen, deshalb behilft man sich mit einer Lebensdauer-Extrapolation gemäß Standard TM21, um auf viele Zehntausend Stunden zu kommen.“

Gutes Licht auf der Straße

Bei LED-Straßenleuchten ist die Lebensdauer besonders wichtig. Henning von Lepel von W. L. Gore nennt die Wartungskosten: „Die Servicekosten sind hier sehr hoch, teilweise bei 25 Prozent der gesamten Betriebskosten. Da ist es schon interessant, ob das gesamte System mit der Treiberelektronik die 100.000 Stunden hält. Wenn letztere nicht so lange funktioniert, lässt sich kein komplett geschlossenes Gehäuse realisieren und dann führt das wieder zu höheren Fertigungskosten bei der Leuchte.“ Mitch Sayers führte einen weiteren Punkt ins Feld: „Zusammen mit der Elektronik wird häufig Diagnostik also Kommunikation eingebaut.“ Marcus Oechsle und Michael Demel auf der Distributorenseite bestätigten, dass sie mehr auf Vernetzung und Diagnose setzen. Anhand eines Beispiels erklärte Marcus Oechsle, dass die Rutronik gemeinsam mit Everlight seit fünf Jahren verschiedene Kommunen, Gemeinden und Energieversorger wie die EnBW mit LED-Straßenbeleuchtungssystemen mit Ferndiagnose zur Fehlerermittlung ausgerüstet hat. Michael Demel untermauert das: „Durch intelligente Vernetzung sind Energieeinsparungen von 30 Prozent möglich.“

Die Ansprüche steigen

An einem Punkt waren sich alle Teilnehmer des Round-Table-Gespräches einig: Die Kunden stellen immer höhere Ansprüche an das strahlende goldene Kalb, die Leuchtdiode. Anja Frohnapfel spezifizierte: „Mit LED muss alles besser sein. Unsere Kunden haben an LED Leuchten deutlich höhere Anforderungen als an konventionelle Leuchten.“

“ Mitch Sayers beziffert den erwarteten CRI (Farbwiedergabewert) auf wenigstens 80 für Innenräume mit einer Tendenz zum Wunschwert von satten 90. Museen verlangten sogar einen CRI von 98. Marcus Oechsle ergänzt: „Die LED muss ein Versprechen für die lange Zukunft abgeben. Kunden tendierten dazu, erst einmal abzuwarten, und von Fremdschaden zu lernen und die Technik erst dann, wenn sie sich bewährt hat, zu implementieren.“

Besondere Herausforderungen stellt der Automobilbereich: 150 Grad und mehr im Scheinwerfer. Grundsätzlich gebe es Standard-Lebensdauertests. Osram entwickelte dazu einen Standard der über die gewöhnliche Prüfung herausgehe. „Aus den Erfahrungen im Feld leiten sich neue Kriterien ab, die in den neuen Standard mit einfließen“, erläutert Stefan Grötsch. Allerdings fordert nicht jede Anwendung eine hohe Temperaturbeständigkeit, erwidert Mitch Sayers: Eine Deckenleuchte könne man ganz bequem mit 50 Grad betreiben, bei Downlights seien auch 90 Grad an der Platine zu messen. „Ich denke, es hängt elementar von der Anwendung ab.“ Anja Frohnapfel brachte einen weiteren Punkt in die Diskussion ein: „Teilweise ergeben sich Probleme, dass man riesige Strahldichten hat. Es gibt Chip-on-Board-Module mit 50 oder 100 W. Die LED und die Elektronik überleben es vielleicht, aber wie sieht es mit der Optik aus?“ Stefan Grötsch sieht eine Herausforderung in der Bandbreite: „Einerseits gibt es Kleinleistungs-LEDs, wo man über Jahrzehnte gesehen hat, dass man eine einfache Kunststoffoptik darüber setzen kann. Auf der anderen Seite stehen Hochleistungs-LEDs, die in der Leuchtdichte schon über der von Xenonbrennern, also Entladungslampen liegen; niemand käme da auf den Gedanken in unmittelbarer Nähe von wenigen Millimetern oder weniger Abstand ein Kunststoffelement anzubringen.“

Retrofit: Chancen und Risiken

Viele Endkunden wollen LEDs in vorhandene Lampen schrauben. Doch der 1:1-Austausch mit Leuchtmitteln aus dem Baumarkt ist nicht so einfach: zu den Qualitätsproblemen gesellen sich noch etliche Vorurteile. Michael Demel bestätigt: „Der Run auf die E27-Retrofit-Produkte hat der LED eher geschadet“, und Michael Gall ergänzt: „Das gleiche Problem besteht mit T8-Retrofits für die Leuchtstoffröhren.“ Letztlich weisen die LED-Retrofits immer ein anderes Abstrahlverhalten als die Originale auf, daher passen Schirme und Reflektoren nicht mehr.

Dr. Christopher Keusch sieht dennoch Potenzial bei den Austauschprodukten: „Die Retrofit hat Charme. Der Anwender möchte keinen neuen Fassungstyp; er will dieselbe Leuchte und diese mit dem gleichen visuellen Erscheinungsbild.“ Daraus lässt sich als Rat an Hersteller ableiten, die üblichen Glühbirnen, Kerzen und Halogenlampen besser nachzubilden. Dr. Keusch weiß: „Viele gehen beim Design von Retrofits mit einer gewissen Laxheit an eine neue Technologie heran. Wenn man sich ein kleines kompaktes Retrofit anschaut, da muss man auf eine optimale Kühlung achten, und wenn die nicht gegeben ist, stirbt die LED den Wärmetod.“ Bei der elektrischen Isolation könne man durch unsachgemäßes Design auch die elektrische Sicherheit gefährden. „Diese Faktoren trugen dazu bei, dass das Ansehen der LEDs so einen Schaden genommen hat.“ Dennoch: „Qualitätshersteller in Europa wie auch in Asien legen viel Wert auf ordnungsgemäßes Design, statt mal schnell irgendwas auf den Markt zu werfen“, meint Dr. Keusch. Michael Demel bestätigt: „Es gibt schon Produkte, die man als hochwertigen Ersatz heranziehen kann. Beispielsweise ist bei einem unserer Projekte die LED-Flutlichtbeleuchtung so konzipiert, dass man die vorhandenen Masten und Elektroinstallationen weiter verwenden kann.“ Wenig bekannt ist aber: „Wenn ein Elektriker statt der zugelassenen Leuchtmittel eine LED-Retrofit verbaut, dann haftet er plötzlich selbst“, erklärt Anja Frohnapfel.

Prüfen und Testen

„Das Leben wird nicht einfacher durch LEDs“, meint Mitch Sayers und erntet rundweg Zustimmung. Bei herkömmlichen Leuchtmitteln gab es nur wenige Parameter zu beachten, aber bei der LED sehe das anders aus. Erst im letzen Jahr sind neue Prüfungen entstanden: „Es gibt zusätzliche Anforderungen, die eine LED haben muss, um das CE-Zeichen zu erhalten.“ Michael Gall weiß: „Das sind prinzipiell dieselben Tests, die auch konventionelle Leuchtmittel durchlaufen.“ Zum Beispiel ist das Abstrahlverhalten des Lichts wichtig: „Die LED hat nur 120 Grad und wenn ich ein LED-Retrofit verwende, hat das Auswirkungen. Genau diese Aspekte müssen geprüft, zertifiziert und nachgewiesen werden.“

Dr. Christopher Keusch präzisiert: „Es gibt in Europa Normen wie CE, ENEC, VDE und GS. Das sind aber nur Prüfzeichen, die nichts über die Qualität des Leuchtmittels aussagen. US-amerikanische Labels wie Energy-Star, DLC und LDL beschreiben hingegen die Qualität des Leuchtmittels − in Europa hinken wir da dem Standard hinterher.“ Michael Gall sieht das etwas anders. „Ich kann das nicht 100-prozentig bestätigen, aber das CE- und das GS-Zeichen sagen nur etwas über die Sicherheit der Produkte aus. Über die Lichtqualität wird nicht spezifiziert.“ Allerdings geben die Standardtests die Degradation für alle Parameter an, die einfließen. Stefan Grötsch erläutert: „Neben der reinen Alterung des Halbleiters spielen auch die weiteren verwendeten Materialien eine Rolle.“

Marcus Oechsle brachte einen weiteren Ansatz ins Gespräch ein: „Die Qualitätsmerkmale treffen häufig auf den Chip und das Package zu und letztlich für das ganze System. Es fragt sich aber, wer final Verantwortung für die Produkte und deren Qualität über den gesamten Lebenszyklus hinweg übernimmt.“ Dr. Christopher Keusch stellte dazu die These auf: „Komponentenhersteller wollen zunächst Produkte verkaufen, die wie auf dem Datenblatt angegeben ordnungsgemäß spezifiziert sind. Gemäß LM80-Report ist eine bestimmte Lebensdauer angegeben. Wer die LEDs verbaut, muss eine Sorgfaltspflicht wahrnehmen, damit sie in ihrem Environment auch ordnungsgemäß funktioniert. Er übernimmt formal eine Eigenverantwortung.“ Stefan Grötsch betont: „Wer das Produkt verkauft, der haftet in erster Linie, weiteres ergibt sich aus dem Produkthaftungsgesetz, im Automobilbereich aus den dortigen Standards ISO/TS16949 und darüber hinaus gehende Vereinbarungen. Wenn mir als Hersteller Fehlermechanismen bewusst sind, und ich weiß, der Kunde läuft dahin, da kann ich mich aus der Verantwortung nicht heraus winden.“ Dr. Christopher Keusch sieht 8D-Reports bei einer Reklamation als praktisches Tool. „Anhand der Muster, die bereitgestellt werden, wird analysiert wo der Fehler liegt. Die 8D-Reports unterliegen in der Regel objektiven Kriterien. Da wird keine Schuld zugewiesen, sondern es wird sachlich versucht, die Ursache zu finden, ob es nun ein Fertigungs-, Anwendungs-, Verarbeitungs- oder sonstiger Fehler ist.“

Fehlerbehandlung oder Neuanschaffung

Anja Frohnapfel gibt zu bedenken: „Man stelle sich eine defekte Leuchte vor. Die Bandbreite möglicher Ursachen ist riesig und das defekte Bauteil schwer zu lokalisieren.“ Daher werde bei kleineren Mengen häufig einfach eine neue Leuchte eingesetzt. „Das Problem ist, dass der Vertriebler oder der Elektriker auf der Baustelle keine Idee hat, was defekt ist.“ Nur selten werde noch analysiert welches Bauteil eigentlich fehlerhaft sei. Das hat bei Cree zur Einrichtung einer Testreihe geführt. Schon bei der Entwicklung kann der Leuchtenhersteller sehen, ob ein thermischer Übergang nicht stimmt oder ob eine Stromspitze vorkommt, die die LED beschädigt. „Die Testreihe kann aber nicht alles abfangen, was in einer Leuchte passiert“, relativiert Mitch Sayers. „Wir sehen was geschehen ist; wie es geschehen ist, das ist eine ganz andere Sache.“ Er bestätigt: „Die Ausfallquote bei LEDs lässt sich schwierig beziffern“, was sich mit der TM26 ändern soll. Stefan Grötsch berichtet, dass Osran daran arbeitet, die existierende Siemens-Norm 29500 in den neuen Standard TM26 mit einfließen zu lassen. Viel Verunsicherung herrscht beim Binning. Stefan Grötsch erklärt: „Es gibt Farbort- und Spannungs-Helligkeits-Binning-Schemen, die in IECs definiert sind. Im Automobilbereich ist der Farbwert-Binning-Standard IEC62707 etabliert.“ Dr. Christopher Keusch nennt anhand von LED-Lichtröhren wie die Umsetzung in der Praxis gelingen kann: „Die Kunden können in der Regel über ihren Bestückungsautomaten nicht nur ein bestimmtes Color-Bin laufen lassen, sondern beispielsweise vier, sechs oder acht verschiedene und die dann auf dem PCB mischen. Wenn dann der Diffusor auf die Röhre kommt, sieht man keinen Farbunterschied mehr.“

Marcus Oechsle betonte, wie sinnvoll ein ausgereiftes Mischungskonzept ist: mit Mix-to-Match-Techniken ließen sich gute Ergebnisse für die Lichttemperatur der Gesamtlösung erzielen. Anja Frohnapfel sieht die Binning-Standards kritisch: „Das derzeitige ANSI ist für die Anwendung zu groß, daher unterteilt dies jeder Hersteller in eigens definierte Subbins. Kommende Standards könnten allerdings zu klein ausfallen, damit würden Hersteller dann wieder eigens definierte Bereiche zusammenfassen. Für den Anwender bliebe es dann trotz neuem Standard bei hestellerspezifischen Farbbinnings.“ Dr. Christopher Keusch hält Single-Bin bei COBs für sinnvoll. Es könne aber auch passieren, dass der Kunde nur eine Rolle auf dem Bestückungsautomaten laufen lassen kann, ohne Möglichkeit zum Mischen.