Neun LEDs sind gleichmäßig über die Fläche unterhalb einer Diffusorplatte verteilt.

Neun LEDs sind gleichmäßig über die Fläche unterhalb einer Diffusorplatte verteilt.Future/Philipps

Der Leuchtkasten, der verbreitet für Werbedisplays und bei dekorativer Beleuchtung verwendet wird, ist in der Herstellung einfach, relativ kostengünstig und problemlos im Design. Bisher lag der Schwerpunkt für Hersteller von Plakatkästen im technischen Aufwand der Produktion von Metallrahmen in allen möglichen Größen und Formen. Die Lichtquelle war eine eher einfache Angelegenheit: Herkömmliche Plakatkästen verwenden T5- oder T8-Leuchtstoffröhren, die den Vorteil haben, günstig und technisch unkompliziert zu sein. Die größte Herausforderung ist es, eine gleichmäßig beleuchtete Oberfläche zu erzeugen: dabei ist die Tiefe des Metallrahmens entscheidend, um eine ausreichende Streuung des Lichts zu ermöglichen.

Die Sekundäroptik verteilt das LED-Licht zur Seite.

Die Sekundäroptik verteilt das LED-Licht zur Seite.Future/Phillips

Gibt es für diese bescheidenen Plakatkästen also einen Spielraum für Innovation und neue Technologie, um deren Wert zu erhöhen? Ein neues Referenzdesign, das von Philips Lumileds entwickelt wurde, bietet ein Modell für innovative Plakatkästen, das von Herstellern verwendet werden kann.

Durch die Verwendung von LEDs in ihrem Design können Hersteller von Plakatkästen ihren Kunden wichtige Vorteile im Sinne von Umwelt, Leistung und Kosten bieten: Ein Vergleich zwischen Leuchtstoffröhren und modernen Power-LEDs, wie der Luxeon Rebel-Reihe von Philips Lumileds, wird zeigen, dass ein Design mit LEDs weniger Strom verbraucht und eine längere Lebensdauer bietet als Leuchtstoffröhren, und dabei die gleiche Helligkeit erzeugt. Beleuchtung auf LED-Basis erzielt auch eine höhere Leistung in kälteren Umgebungstemperaturen, wohingegen die Leistung von Leuchtstoffröhren in Kälte nachlässt. Alles in allem versprechen Plakatkästen auf LED-Basis geringere Stromkosten, niedrigere Reparatur- und Wartungskosten und weniger Ausfallzeiten. Dieser letzte Punkt ist besonders für Werbeeinsätze wichtig – ein Plakatkasten mit einer ausgefallenen oder einer flackernden Leuchtstoffröhre hat für den Werbungsbetreiber keinen Wert.

Gleichzeitig haben Produkte auf LED-Basis einen geringeren Kohlenstoffausstoß. Dazu kommt, dass die Entsorgung nach der Nutzungsphase bei Leuchtstoffröhren aufgrund der enthaltenden Gefahrenstoffe kompliziert ist, während das Material in den LED-Systemen deutlich umweltfreundlicher ist (obwohl es den Bestimmungen der WEEE-Richtlinie unterliegt).

Jeder Hersteller wird selbstverständlich seine eigene ökonomische Kostenberechnung durchführen, um den Nutzen der Umstellung auf die LED-Technologie zu bestimmen. Die Kombination aus zuverlässigerem Betrieb, geringeren Wartungskosten und niedrigeren Stromkosten hat jedoch zweifellos das Potenzial, die anfänglich höheren Materialkosten (BoM) für das LED-System zu überwiegen.

Referenzdesign für LED-Plakatkästen

Das Philips Lumileds Referenzdesign zeigt, dass es möglich ist, einen leistungsstarken Plakatkasten zu entwerfen, mit dem ein gleichwertiger Kasten mit Leuchtstoffröhren ersetzt werden kann. Im Sinne von Energie- und Wartungskosteneinsparungen bietet dies den Herstellern einen eindeutigen und langfristigen Vorteil, der auch die höheren Anschaffungskosten (BoM) eines LED-Systems ausgleichen wird. Mit Hilfe der modernen Tools zum Systemdesign können Hersteller das Referenzdesign anpassen, um ein Endprodukt zu erzeugen, das genau den Erwartungen des Kunden entspricht.

Verwendung einer anderen Art der Lichtquelle

Wenn man sich zum ersten Mal mit dem Design eines Plakatkastens auf LED-Basis befasst, ist es zunächst einmal unumgänglich, den Unterschied zwischen einer LED- und einer Leuchtstoffröhre zu verstehen.

LEDs emittieren Licht von einem Punkt in vordere Richtung, während Leuchtstoffröhren Licht entlang der gesamten Länge der Röhre emittieren sowie im gesamten Umfang von 360°. Das bedeutet, dass Leuchtstoffröhren einen Teil des erzeugten Lichts verschwenden, da nicht alles gegen die Vorderseite des Kastens reflektiert wird. Bei LEDs wird Licht effektiv gesammelt und dorthin geführt, wo es gebraucht wird. Mit anderen Worten müssen LEDs weniger Lumen erzeugen, um die gleiche Helligkeit (in cd/m²) zu erreichen wie eine T5-/T8-Röhre.

Da LEDs jedoch eine punktuelle Lichtquelle sind, geht mehr Designaufwand in die gleichmäßige Verteilung des Lichts über die Oberfläche, als es bei Leuchtstoffröhren nötig ist.

Es gibt aber auch mechanische Unterschiede zwischen LEDs und Leuchtstoffröhren: Eine LED ist eine elektronische Komponente, die mit anderen Komponenten, wie Treiberchips (Power) auf eine Leiterplatte aufgebracht werden muss. Eine Leuchtstoffröhre muss lediglich auf elektrische Klemmanschlüsse aufgebracht werden.

Das dritte Problem, das berücksichtigt werden muss ist, dass beide Arten der Lichtquellen Abwärme erzeugen: Die Röhren heizen das Innere des Kastens auf, während eine LED Hotspots auf der Rückseite erzeugt. Diese Wärme muss zerstreut werden, um Schäden an der LED zu vermeiden und die Leistung sowie die Lebensdauer zu maximieren. Bei einem Plakatkasten kann der Kasten selbst als Kühlkörper verwendet und die LEDs können direkt auf das Metallgehäuse aufgebracht werden.

Das Philips Lumileds Referenzdesign

Das Design von Plakatkästen auf LED-Basis setzt ein sorgfältiges Abwägen des Für und Widers voraus. Das wichtigste Entscheidungskriterium ist die Anzahl an LEDs, die verwendet werden soll. Grundsätzlich sind LEDs effizienter und haben eine längere Haltbarkeit, wenn sie mit Schwachstrom betrieben werden. Das emittierte Licht von LEDs, die mit einer höheren Stromstärke betrieben werden, ist jedoch heller. Darüber hinaus kann ein System mit mehreren gedimmten LEDs eine gleichmäßigere Streuung des Lichts in einem dünneren Kasten erzeugen, als ein System gleicher Helligkeit, basierend auf wenigen, aber helleren LEDs.

Zusätzlich hat ein System, dass weniger LEDs verwendet, geringere BoM-Kosten. Aus diesem Grund muss bei dem Design der ideale Ausgleich zwischen Kosten und Leistung gefunden werden. Das Philips Lumileds Referenzdesign zeigt, wie man diesen Kompromiss erzielen kann.

Das grundlegende mechanische Design des Demonstrationsmodells von Philips Lumileds ist ein einfacher Kasten mit Metallrahmen mit den Außenmaßen 230 mm x 230 mm x 37 mm. Die Innenmaße sind 210 mm x 210 mm x 30 mm. Die Leiterplatte  bietet Platz für neun Luxeon Rebel-LEDs LXML-PWN1-0100, die gleichmäßig in quadratischer Konfiguration angeordnet werden (Bild 1). Das Design lässt sich jedoch beliebig anpassen: die Breite und Höhe des Plakats können nach Bedarf verändert werden. Ein Anwendungstechniker von Future Lighting Solutions kann mit dem Hersteller des Plakatkastens zusammenarbeiten, um die Anzahl und das Raster der LEDs sowie deren Betriebsstrom für eine bestimmte Kastengröße zu berechnen.

Der Stromkreis betreibt die LEDs bei 350 mA, um 700 lm bei einem Lichtausbeute von 71,3 lm/W zu erzielen. Unterschiedliche Treiber- und LED-Konfigurationen sorgen für unterschiedliche Lichtausbeuten.

Eine LED hat ein deutlich niedrigeres Profil als eine Leuchtstoffröhre, so dass es möglich ist, den Plakatkasten dünner zu gestalten. Es gibt lediglich eine Lücke von 30 mm zwischen den LEDs und der Diffusorplatte. Normalerweise würde es bei einem derart geringen Abstand nicht möglich sein, die Diffusorplatte gleichmäßig mit der Lichtquelle zu beleuchten. Das Referenzdesign von Philips löst dieses Problem durch die Verwendung der Sekundäroptik F360L-3-RE-OS in Verbindung mit einem hoch reflektierenden Material (MCPET) an den Seiten und der Rückwand des Plakatkastens, zusammen mit einer darüber liegenden Diffusorplatte (Bild 2).

Die Linse emittiert das meiste Licht bei einem Winkel von ungefähr 70°, so dass der Großteil des Lichts nicht direkt auf die Diffusorplatte trifft, sondern von der Innenseite des Kastens reflektiert und vom MCPET-Material Richtung Diffusorplatte gelenkt wird. Das Design bietet den doppelten Vorteil von einer Vermischung des Lichts (wodurch mögliche Unterschiede in der Farb-Temperatur zwischen den LEDs von unterschiedlichen Bins ausgeglichen werden) und der gleichmäßigen Streuung des Lichts über die gesamte Oberfläche des Kastens.

Das System erzielt ein Höchstmaß an Effizienz, da LEDs von Natur aus sparsame Stromverbraucher sind und das optische Design nur wenig der Lichtleistung der LEDs verliert. Einen direkten Vergleich zwischen diesem LED-Design und einem Plakatkasten auf Leuchtstoffröhrenbasis aufzustellen ist jedoch schwierig, da zahlreiche Aspekte des Designs einen Einfluss auf den Gesamtstromverbrauch haben. Ungeachtet davon sollten Designer von Plakatkästen die folgenden Faktoren in Verbindung mit der Leistung von LED-Systemen berücksichtigen:

Systeme auf Basis von Leuchtstoffröhren verwenden für gewöhnlich zu starke Leuchtstoffröhren, um den Verlust der Lichtleistung einer Röhre über die Zeit auszugleichen. Für LEDs ist eine derartige höhere Leistungsverwendung nicht erforderlich, da LEDs eine längere Lumenerhaltung und längere Ersatzzyklen haben und somit auch auf längere Sicht eine stabilere Lichtleistung erzielen.

Die Effizienz von Leuchtstoffröhren fällt in kalten Temperaturen deutlich ab; darüber hinaus kann es bei Leuchtstoffröhren in der Kälte zu Flackern kommen. Die Leistung von LEDs wird jedoch nicht durch die Kälte beeinflusst. Dies ist ein deutlicher Vorteil für Anwendungen im Freien.

LEDs können gedimmt und gesteuert werden. Mit LEDs ist es möglich, die Helligkeit eines Plakatkastens zu verändern, um das Licht an die Helligkeit der Umgebung anzupassen. Damit können weitere Energieeinsparungen erzielt werden.

Durch diese Helligkeitskontrolle wird zudem der Kontrast erhöht und das störende Blendlicht reduziert. Das hilft auch dabei, die Lichtverschmutzung zu senken, die ein immer größeres Problem in Großstädten ist.

Intelligente Tools vereinfachen das Design von LED-Beleuchtungssystemen

Das Philips Lumileds Referenzdesign bietet ein umsetzbares Modell, das Hersteller von Plakatkästen auf ihre jeweiligen Anforderungen anpassen können und das die Sicherheit einer hochwertigen Lichtleistung bietet. Mittlerweile stehen intelligente Tools zur Verfügung, die es Herstellern ermöglichen, virtuelle Prototypen zu entwickeln und mit zahlreichen Parametern zu experimentieren, um ein ideales Design zu erzeugen.

Im ersten Schritt zieht das SSL Designer Tool von Future Lighting Solutions die Ziele für den Plakatkasten – Lichtleistung und Lichtausbeute – der Designer heran und erstellt eine Grundspezifikation im Sinne von Anzahl und Art der LEDs sowie der Betriebsspannung, mit der diese Ziele am besten umgesetzt werden können. Das Tool bietet aber auch eine Finanzanalyse und eine Wirtschaftlichkeitsberechnung, die aufzeigt, ob die Umstellung von einem traditionellen System zu einem LED-System wirtschaftlich sinnvoll ist.

Nach der Erstellung der Grundspezifikation für das System bietet das Usable Light Tool, das ebenfalls von Future Lighting Solutions entwickelt wurde, eine präzise Berechnung der erwarteten Lumenleistung unter realen Einsatzbedingungen (wie Umgebungstemperatur, Temperaturbeständigkeit und Betriebsspannung). Das ermöglicht die Simulation von Variationen im Wärmemanagement, dem Leiterplattenmaterial, der Stromversorgung und so weiter, um die beste Kombination zu finden.

Letztendlich steht aber auch das Personal des technischen Supports von Future Lighting Solutions den Herstellern von Plakatkästen zur Verfügung, um besondere Designanforderungen und Kastengrößen auf Basis des Referenzdesigns auszuarbeiten. Damit kann die Auswirkung von unterschiedlicher Anzahl an LEDs, Betriebsströmen und Ausrichtungsraster besser bewertet werden.

Durch Future Lighting Solutions kann Philips Lumileds den Kunden auch die Designdaten für den Plakatkasten bereitstellen, einschließlich der BoM, mechanischen Zeichnungen und photometrischen Messungen. Sowohl der SSL Designer als auch das Usable Light Tool wurden von Future Lighting Solutions entwickelt und die Techniker können den Herstellern von Beleuchtungen bei der Verwendung dieser Tools und bei der Entwicklung von LED-Beleuchtungssystemen auf Basis der Luxeon-LEDs zur Seite stehen.