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Bild 1: Das "Product Characterization Tool" (PCT) von Cree simuliert die elektrischen und thermischen Werte von Crees XLamp-LEDs, außerdem den Lichtstrom. Dies hilft dem Entwickler dabei, ein Beleuchtungssystem mit den gewünschten Eigenschaften zu desig
Bild 2: Cree hat Test-Boards mit LEDs bestückt, die in unterschiedlichen Abständen angebracht sind.
Bild 3: Ein Diffusor streut das Licht der LEDs in nahezu perfekter Weise. Dadurch entsteht für den Betrachter der Eindruck, es stamme von einer Leuchtstoffröhre.
Bild 4. Ein Problem bei Beleuchtungssysteme mit mehreren Lichtquellen: Es kann zu Interferenzen bei Schatten kommen.
Bild 5. Der Schattenwurf lässt sich mithilfe der richtigen Anordnung der LEDs sowie durch den Einsatz von Diffusoren und optischen Resonatoren optimieren.
Tabelle 1. Leistungsdaten unterschiedlicher Beleuchtungskomponenten im Vergleich.
Tabelle 2. Details der Ergebnisse, die das PCT-Tool von Cree zur Verfügung stellt.

Für die indirekte und dekorative Beleuchtung von Räumen oder Objekten werden zwar oft Leuchtstoffröhren eingesetzt – allerdings bieten sich hier kompakte Arrays von Leuchtdioden an. Kein Wunder, schließlich lassen sich mithilfe von LEDs Effizienzwerte von 50 bis 90 Lumen/Watt erzielen – und das bei einem überschaubaren Aufwand für den Entwickler. Wie sehen nun die allgemeinen Anforderungen an eine indirekte Beleuchtung aus? Im Allgemeinen besteht eine Lichtquelle für eine indirekte Beleuchtung aus einer leuchtenden Oberfläche, die in ein Beleuchtungssystem integriert ist. Diese Lichtquelle gibt 5 bis 50 lm/cm ab. Bezieht man diese Werte auf die angestrahlte Fläche, liegen diese bei 1,5 bis 40 lm/cm2. Die Vorgaben erfüllen Leuchtstoffröhren (LFL), Kompaktleucht-stofflampen (Compact FL) sowie kleinformatige Glühlampen, etwa Halogenleuchten mit einem G5.3-Sockel und 12 Volt Spannung.

Machen indirekte Beleuchtungssysteme effizienter: die X-Lamp-LEDs.

Machen indirekte Beleuchtungssysteme effizienter: die X-Lamp-LEDs.Cree

Ist eine solche Lichtquelle verdeckt angebracht, etwa bei einer indirekten Wandbeleuchtung oder einer Unterbauleuchte, spielt es nur eine untergeordnete Rolle, ob die Lichtquelle ein gleichförmiges Licht abstrahlt. Anders sieht es jedoch aus, wenn die Lichtquelle sichtbar ist. In diesem Fall ist es aus ästhetischen Gründen wünschenswert, wenn das Beleuchtungssystem mit Lichtquellen ausgestattet ist, die ein homogenes Licht abgeben.

Den traditionellen Ansatz mit Glühlampen oder Leuchtstoffröhren betrachten

Neben LFL-Lampen kommen bei solchen Anwendungen häufig kleine Glühlampen zum Einsatz. Sie liefern ein warmes weißes Licht. Der Nachteil ist jedoch die niedrige Lichtausbeute. Diese beträgt etwa 15 lm/W. Zum Vergleich: Lineare Leuchtstofflampen der Kategorie T8 erreichen mehr als 90 lm/W. Ein gut designtes komplettes Beleuchtungssystem erzielt Werte zwischen 70 und 90 lm/W. Sollen LFL bei einer verteilten Beleuchtung eingesetzt werden, müssen sie zudem ein weiches Licht abgeben.

In den meisten Fällen greifen Entwickler bei Unterbauleuchten oder Systemen für das indirekte Ausleuchten von Decken, Wänden oder Nischen zu Glühlampen. Kommen in einem solchen Anwendungsszenario F32T8-Leuchtstoffröhren zum Einsatz, liefern diese 2460 „Roh“- Lumen pro Meter, bei Röhren der Spezifikation F28T5 sind es 1230 lm/m. Werden die Leuchtmittel in einem Beleuchtungssystem verbaut, betragen die Einbußen rund 30 Prozent. Das heißt, nach der Installation vor Ort liegen die Werte für eine T8-Leuchstoffröhre bei etwa 1720 lm/m, bei einem T5-Modell sind es 1490 lm/m. Wegen der hohen Effizienz und des relativ niedrigen Preises bilden LFL-Systeme den Maßstab für vergleichbare Beleuchtungssysteme auf Basis von LEDs.

Anforderungen von ANSI/IESNA und Energy Star SSL erfüllen

Die Illuminating Engineering Society of North America, kurz IESNA gibt in zwei Dokumenten Empfehlungen für lineare Beleuchtungssysteme und Komponenten, die für das Ausleuchten von Flächen vorgesehen sind. Die „IESNA Recommended Practices“ enthalten zudem detaillierte Vorschläge für spezielle Einsatzfelder. Vergleichbare Vorgaben finden sich in den Energy Star Program Requirements for Solid-State Lighting Luminaires. Sie wurden 2008 vom amerikanischen Energieministerium (DOE, Department of Energy) und der US-Umweltschutzbehörde EPA (Energy Protection Agency) veröffentlicht. Diese Dokumente bilden de facto die Norm für die Effizienz und Qualität von Beleuchtungssystemen.

T8-Emulation

Wie bereits angesprochen, setzen lineare Leuchtstoffröhren (LFL) der Kategorien T5 und T8 den Standard in Bezug auf Kosten, Effizienz und Lichtqualität. In den „Performance Specification Series: T8 Replacement Lamps“ hat das DOE folgende Leistungswerte für solche Produkte fixiert:

  • Minimale Dauer-Lichtleistung: 2700 Stunden
  • Lebensdauer (L70): mindestens 35.000 Stunden
  • CRI-Wert: mindestens 80

Tests von Leuchtdioden, die das DOE im Rahmen des Programms „Commercially Available LED Product Evaluation and Reporting“ durchführte, ergaben, dass Beleuchtungssysteme auf Basis von LEDs in Bezug auf den Lichtstrom und den Lichtwirkungsgrad um den Faktor 2 bis 3 zulegen müssen, wenn sie diese Werte erreichen wollen. Systeme mit den XLamp-ML-E-LEDs erfüllen bereits diese Vorgaben. Bild 1 zeigt einige Beispielkonfigurationen. Ermittelt wurden sie mithilfe von Crees „Product Characterization Tool“ (PCT). Diese Software simuliert die elektrischen und thermischen Werte der XLamp-LEDs, außerdem den Lichtstrom. Folgende Basiswerte wurden dabei zu Grunde gelegt:

  • ein CCT-Wert (Correlated Color Temperature) von 2700 K,
  • eine optische und elektrische Effizienz von jeweils 90 Prozent,
  • ein Wärmewiderstand zwischen Gehäuse der LEDs und Umgebung von 50 C/W.

Effiziente LED-Systeme ermöglichen

Wählt der Entwickler einige Bins aus der ML-E-Serie, die einen passenden Lichtstrom aufweisen, bekommt er als Ergebnis eine Reihe von Konfigurationsmöglichkeiten. Die T8-Simulation zeigt, dass die Vorgaben der Spezifikation sogar übererfüllt werden. Selbst bei einer konservativen Herangehensweise lassen sich Systeme mit 60 bis 80 LEDs bei 150 mA designen, die zwischen 60 und mehr als 80 lm/W aufweisen sowie 33 bis 43 Watt pro System verbrauchen. Die LEDs werden in diesem Fall in einer Reihe mit einem Abstand von 1,5 cm bis 2,5 cm platziert. Kommen zudem effiziente Treiber und optische Komponenten zum Einsatz, lassen sich Beleuchtungssysteme entwickeln, die einen vergleichbaren Lichtwirkungsgrad aufweisen wie diejenigen auf Basis von Leuchtstoffröhren. Ohne Hochleistungstreiber und optische Bausteine sind ein niedrigerer Treiberstrom und zusätzliche LEDs erforderlich. Sie müssen in einem Abstand von 1,25 cm platziert werden. In diesem Fall lassen sich die Leuchtdioden XLamp M-LE mithilfe eines Lichtdiffusors abdunkeln.

Demo-Boards mit LEDs bestücken

Zu Demonstrationszwecken hat Cree mehrere Leiterplatten mit LEDs der XLamp-ML-E-Baureihe bestückt. Die Abstände zwischen den Leuchtdioden betragen 0,95, 1,25 cm und 2,54 cm (Bild 2). Auf diesen Boards platzierte der Hersteller warm-weiße Komponenten. Dazu kommt ein halbzylinderförmiger Diffusor mit einem Durchmesser von 2,54 cm. Wie Bild 3 zeigt, wird das Licht durch den Diffusor bei der LED-Reihe, die in einem Abstand von 0,95 cm angeordnet ist, optimal gestreut. Der Diffusor kostet zwar 9,1 Prozent Lichtleistung. Dennoch liegt die optische Effizienz des Systems noch über der 90-Prozent-Marke, wie Tabelle 1 verdeutlicht.

Design-Techniken erläutern

Stromversorgungen für größere LED-Arrays: In Beleuchtungssystemen kommen häufig Dutzende oder Hunderte von LEDs zum Einsatz. Daher ist es wichtig, bereits beim Systemdesign die Stromversorgung mit zu berücksichtigen. Eine Lösung sind Mehrkanal-Stromversorgungen, die in Reihe oder parallel geschaltete LEDs versorgen. Eine andere Möglichkeit sind Einkanal-Power-Supplies, die das bei parallelen LED-Gruppen, die in Reihe geschaltet sind.

Leiterplatten-Layout: Bei Leuchtdioden mit mittlerer Lichtstromstärke fällt relativ wenig Abwärme an, wenn diese in Arrays verbaut werden. Dennoch sollte der Faktor Wärme nicht außen vor bleiben. Bei FR-E-Leiterplatten, die in der Regel bei solchen Designs Verwendung finden, können Thermal-Vias implementiert werden. Alternativ dazu lassen sich kleine Metal Core Printed Circuit Boards (MCPCBs) am Metall- oder Aluminium-Gehäuse des Beleuchtungssystems befestigen, um die Wärme abzuleiten.

Optische Resonatoren: Eine indirekte Beleuchtung kommt oft dort zum Einsatz, wo es an Platz fehlt. Bei Unterbauleuchten sind die Blenden ein limitierender Faktor. Bei Systemen, die konventionelle T8-Leuchten ersetzen, ist es der maximale Durchmesser von 2,54 cm. Um die besten Resultate zu erzielen, sollten optische Resonatoren in Verbindung mit Diffusoren eingesetzt werden. Zudem bietet es sich an, den Abstand zwischen LEDs zu variieren. Das gilt vor allem für Systeme, die sich im Blickfeld von Betrachtern befinden.

In Tabelle 2 sind weitere Details der Ergebnisse abgebildet, die das PCT-Tool liefert. Aufgelistet sind die Lichtstromwerte im Verhältnis zum Abstand zwischen den LEDs. Dabei kamen Leuchtdioden mit warmem und kühlem Weiß zum Einsatz, die aus zwei Produktlinien von Cree stammten: der CLA1A- und der XLamp-ML-E-Serie. Lumen-Werte über 2000 sind grün unterlegt, solche unter 1600 in Rot gehalten und Werte zwischen 1600 und 2000 in Gelb. Resümee: das Nachfolgemodell XLamp-ML-E weist eine erheblich höhere Effizienz.

Einsatz in Unterbauleuchten

In Unterbau-Installationen kommen in der Regel 30 bis 60 cm lange T5- oder T8-Leuchtstoffröhnen zum Einsatz. Alternativ dazu werden Niederstromlampen mit 12-Volt-Xenon- oder -Halogen-Leuchten verwendet. Deren Effizienz liegt durchschnittlich bei 15 bis 16 lm/W, die der LFL mit 25 bis 30 lm/W.

Solche Systeme erreichen eine lineare Leuchtstärke von 656 bis 856 lm/m. Bei einer Montagehöhe von 45 bis 60 cm entspricht das Werten zwischen 100 und 500 Lux. Bezogen auf den Lichtstrom sind diese Systeme den Kategorien D, E und F gemäß IESNA zuzuordnen. Einsatzgebiete: das Ausleuchten von kleinen Räumen oder Objekten bei niedrigem Kontrast bis hin zu großen Räumen bei hohem Kontrast.

Um die Leistungswerte dieser Beleuchtungssysteme zu quantifizieren, hat Cree Messungen mit Ulbrichtkugeln durchgeführt. Als Testobjekte dienten eine 45,7 cm große Standard-Unterbauleuchte mit herkömmlichen Leuchtmitteln sowie entsprechende Konfigurationen mit LEDs der Reihe Cree XLamp MX-6 und ML-E. Eines der Resultate: LEDs ermöglichen flache Beleuchtungssysteme. Die Leuchte Utilitech 29112 ist beispielsweise 1,5 cm dick. Das ist im Vergleich zu Leuchten, die mit T8-Leuchtmitteln und Glühbirnen oder Halogen-Strahlern bestückt sind, ein erheblicher Vorteil.

Den Schattenwurf mildern

Bei Unterbauleuchten wird oftmals ein Problem übersehen: der Schattenwurf, den mehrere Lichtquellen verursachen. Je nach Design eines Beleuchtungssystems kann das zu Interferenzen zwischen den Schatten führen. Dieses Phänomen tritt bei Leuchtstoffröhren durch deren gleichmäßig strahlender Oberfläche nur in kleinem Maße auf. Bei LEDs lässt sich dieser Effekt mit einem Diffusor mildern, aber nicht ganz eliminieren. Dazu ist eine Kombination aus optischem Resonator und Diffusor erforderlich.

Probates Mittel, um Mehrfachschatten bei Unterbauleuchten zu vermeiden: der Einsatz mehrerer kompakter LEDs mit niedrigem Lichtstrom, beispielsweise die XLamp ML-E. Dadurch ist es möglich, einen schwächeren Diffusor einzusetzen beziehungsweise den Abstand zwischen LED und Diffusor extrem klein zu halten. Wie sich diese Maßnahmen auswirken, zeigen die Bilder 4 und 5.

LEDs können Leuchtstoffröhren ablösen

Leuchtdioden, die in indirekten Beleuchtungssystemen zum Einsatz kommen sollen, müssen folgende Anforderungen erfüllen:

  • Homogene Chromatizität. Sie stellt sicher, dass über das das gesamte Beleuchtungsstärke-Profil eines Systems oder Leuchtmittels hinweg ein homogenes Farbspektrum bereitgestellt wird.
  • Hoher Wirkungsgrad von 40 bis 100 Lumen bei kompaktem Design.
  • Exzellente Farbstabilität und ein hervorragendes Lichtstromverhältnis.
  • Enge Farbklassifizierung („Color Binning“), damit sich Leuchtsysteme mit identischen Eigenschaften in großen Stückzahlen fertigen lassen.

Die LEDs der Reihe XLamp ML-E von Cree erfüllen diese Forderungen. Die Komponenten wurden insbesondere für Systeme entwickelt, die für die indirekte Beleuchtung vorgesehen sind. Mithilfe der XLamp-ML-E-Leuchtdioden können Entwickler Systeme mit einem Wirkungsgrad von mehr als 60 lm/W designen. Diese Werte können leicht um 5 bis 10 Prozent höher ausfallen, wenn ein Entwickler eine Optimierung auf Systemebene vornimmt.

Fazit: Beleuchtungssysteme auf Basis von LEDs verfügen über das Potenzial, die vorherrschende Technologie bei Unterbauleuchten und Komponenten für die indirekte Beleuchtung zu werden. Zu den Vorzügen von Leuchtdioden zählt, dass sie das Design von schlanken Leuchten ermöglichen, die sich zudem durch hervorragende Lichtstrom-Werte auszeichnen.