Lichtqualität, Temperaturstabilität und Langlebigkeit von Leuchtdioden

Bild 1: Die Soleriq L 38 ist die erste Filament-LED von Osram Opto Semiconductors. Die längliche Form erinnert an eine traditionelle Glühwendel. Osram Opto Semiconductors

Die Hersteller von LED-Lampen (Retrofits) integrieren die Leuchtdiode zusammen mit Treiberschaltung und Optik so in ein Gehäuse, dass sie in Form und Funktion den klassischen Glüh-, Halogen- oder Leuchtstofflampen ähneln und in die Fassungen der Leuchten passen. Sogenannte Filament-Lampen sind die neueste Ausprägung von Retrofits: In diesen Lampen dient eine längliche LED als Lichtquelle, zum Beispiel die Soleriq L 38 von Osram Opto Semiconductors. Diese LED sieht einer Glühwendel ähnlich (Bild 1).

Der Hersteller montiert die LED-Chips dabei direkt auf ein Substrat und versieht es mit Leuchtstoff, sodass die Konstruktion auf einer Länge von etwa drei Zentimetern homogen weißes Licht in alle Richtungen abstrahlt. Lampen mit diesen LED-Wendeln stehen ihren Glühlampen-Vorgängern bei Aussehen und Abstrahlcharakteristik deshalb in nichts nach.

Retrofit-Varianten

Insgesamt haben Retrofit-Produkte den größten Anteil am LED-Komponenten-Markt inne und sind damit ein wichtiger Anwendungsbereich für die Hersteller. Am häufigsten zum Einsatz kommen die A-Lampen in Birnenform, also die klassische Glühlampe. Hinzu kommen die B-Lampen in Kerzenform sowie gerichtete Lampen. Letztere heißen meist PAR, für Parabolreflektorlampe, im Halogen-Niedervoltbereich ist aber auch die Bezeichnung MR gebräuchlich. Zur genaueren Spezifikation der Lampe kommt noch der Durchmesser in Millimetern dazu, in den USA wird dieser in Achtelzoll angegeben. Eine klassische Glühlampe heißt in Europa deshalb A60 und in den USA A19, ein Niedervolt-Halogenstrahler MR50 oder MR16.

Maße und technische Anforderungen von Retrofits werden in den Normen für klassische Glühlampen geregelt. IEC 60064 gibt die Außenabmessungen der Lampen und IEC 61347 die Anforderungen an die Elektrosicherheit der Treiberschaltungen vor. Diese decken sich weitgehend mit den entsprechenden Normen in den USA. Die genormten Maße beschränken den für Treiberschaltung und Kühlung verfügbaren Raum deutlich. Dabei beträgt die Temperatur an der LED nahezu durchweg 100 °C und mehr. Retrofits stellen daher höchste Anforderungen an die Temperaturstabilität aller Komponenten. Dabei hat sich gezeigt, dass Komponenten und Produkte, die hinsichtlich ihrer Eigenschaften für Retrofits entwickelt wurden, auch in anderen Anwendungen sehr erfolgreich sind.

Tabelle 1: Effizienz und Helligkeit laut einschlägiger Normen. Osram Opto Semiconductors

Im Gegenzug sind die geforderten Effizienzen und die erwartete Lebensdauer relativ moderat: im Allgemeinen etwa 60 bis 80 lm/W und 15.000 bis 25.000 Stunden. Auch die für den Ersatz einer bestimmten Wattage zu erfüllenden Lampenlichtströme sind reglementiert, wie Tabelle 1 zeigt. In Asien, wo solche Vorgaben nicht existieren, haben sich zudem Lichtströme von 400 lm für 40 W und 600 lm für 60 W durchgesetzt. Für gerichtete Reflektorlampen ist die Lichtstärke (Candela) für verschiedene Abstrahlwinkel vorgeschrieben, daher muss man hier die Optik mit einbeziehen. Für Lampen mit 20, 35 und 50 W sind zum Beispiel LED-Lichtströme von etwa 200, 350 und 500 lm nötig.

Die Vorgaben erfüllen

Um diese Vorgaben in reale Produkte zu überführen, gibt es drei Ansätze: Beim modularen Ansatz möchten Kunden mit einer LED-Komponente möglichst viele Lampentypen herstellen können. Das Ziel ist dabei eine hohe Flexibilität bei der Lagerhaltung und der schwankenden Nachfrage nach unterschiedlichen Wattagen. Ein Lichtpaket von etwa 100 bis 130 lm pro LED in einem 3 × 3 mm² großem 1-W-Gehäuse ist deshalb heute Standard bei den Herstellern.

Beim zweiten Ansatz bieten die Hersteller maßgeschneiderte LED-Lichtpakete zur Realisierung von 200 bis 250, 450 bis 500, 800 und 1000 bis 1200 lm. Diese CAS-Packages (Chip-Arrays in SMD) wurden zuerst von Osram vorgestellt und erfreuen sich inzwischen immer größerer Verbreitung. Da pro Lampe ein einzelnes Package ausreicht, ergeben sich Einsparungen bei Material und Montage. Zudem lassen sich so Reflektorlampen mit einer einzigen Lichtquelle realisieren, was der originalen Halogenlampe optisch sehr nahe kommt.

Die dritte Variante sind LED-Filament-Lampen. Noch sind deren Kosten allerdings nicht mit denen von SMD-Leuchtdioden vergleichbar, weswegen sie vorwiegend in dekorativen Lampen zum Einsatz kommen.

Bild 2a: Veränderung der Farbsättigung einer Halogen-Metalldampflampe, gemessen nach TM-30-15. Osram Opto Semiconductors

Brillante Farben

In der Shopbeleuchtung ist die Farbqualität der Lichtquelle ausschlaggebend: Die Betreiber von Läden und Geschäften wollen ihre Produkte bestmöglich präsentieren und bewerben sowie eine angenehme Atmosphäre schaffen. Aufgrund einer charakteristischen Farbverschiebung (Bild 2a) erscheinen die Farben von mit Halogen-Metalldampflampen beleuchteten Objekten und Produkten besonders brillant und kräftig. Auch ihre hohe Lichtausbeute und die gute Farbwiedergabe (CRI > 90) sind Gründe, warum die konventionelle Shopbeleuchtung bevorzugt auf diese effizienten Lampen setzt.

Bei allen Vorteilen haben diese Lampen jedoch auch Nachteile. So weisen sie beispielsweise einen deutlichen Anteil von kurzwelligem, blauem Licht auf, das sich negativ auf die Alterung der damit beleuchteten Objekte auswirkt. Im Vergleich dazu gibt es im LED-Farbspektrum kaum solche Lichtanteile, weshalb damit beleuchtete Objekte länger ihre ursprüngliche Farbe behalten. Zudem geben Leuchtdioden weder ultraviolette noch infrarote Strahlung ab, die beleuchtete Objekte ebenfalls schädigen oder vorzeitig altern lassen kann, und ihre Lebensdauer und Lichtausbeute ist sehr hoch. Ingenieure bei Osram Opto Semiconductors analysierten deshalb das Spektrum der Halogen-Metalldampflampe und optimierten einen LED-Konverter mit dem Ziel, einen ähnlichen Farbsättigungseffekt zu erzielen. Dabei haben sie die Lampe nicht einfach kopiert, sondern versucht, die Farbsättigungseigenschaften auf alle Farbtöne auszuweiten.

Bild 2b: Die Brilliant-Color-Konvertermischung betont alle Farben des beleuchteten Objekts, nicht nur rot und grün wie bei der Halogen-Metalldampflampe. Osram Opto Semiconductors

LED-Konvertermischung

Durch die Optimierung des Konverters hin zu einem „Brilliant-Color-Konverter“ konnten die Ingenieure die Farbsättigung nahezu aller Farbtöne erhöhen, indem das Licht im Vergleich zur Halogenlampe nicht nur grüne und rote, sondern alle Farben betont (Bild 2b). Damit ist die Brilliant-Color-Konvertermischung die ideale Lösung für alle Beleuchtungsanwendungen, in denen die perfekte Inszenierung von farbigen Objekten im Vordergrund steht (Bild 3). Egal ob es sich um die gediegene Beleuchtung im Bekleidungsgeschäft, die Betonung der farbenfrohen Produktverpackungen in Supermärkten oder die frische und appetitanregende Inszenierung von Lebensmitteln (Bild 4) handelt, erstrahlen alle Objekte und Produkte aufgrund der universell verbesserten Farbsättigung in einem reinen und angenehmen Licht.

Bild 3: Der Brilliant-Color-Konverter sorgt für strahlende Farben, hier gezeigt am Beispiel eines Krawatten-Sortiments. Osram Opto Semiconductors

Die Konvertermischung ist derzeit in einer Chip-on-Board-LED (CoB) der Soleriq-Familie verfügbar, die sich insbesondere für hochqualitative Anwendungen mit Strahlern und Downlights eignet. Der Farbort der Brilliant-Color-Variante liegt leicht unter dem Planckschen Kurvenzug und vermeidet somit einen störenden grünlichen oder gelben Farbeindruck. Gleichzeitig bietet die CoB ein klares, schönes Weiß und eignet sich so hervorragend für die Beleuchtung von Shops.

Bild 4: LED-Lichtlösungen sind aufgrund ihrer vielen Vorteile optimal für die Shopbeleuchtung geeignet. Osram Opto Semiconductors

Kostenbewusste Lösungen

Wer bei seiner Lichtlösung eher auf das Preis-Leistungs-Verhältnis achten möchte, kann auf eine Cluster-Alternative mit den bereits erwähnten CAS-LED zurückgreifen. Mit diesen lässt sich, zusätzlich zu den optischen Akzenten, eine kosteneffiziente Grundbeleuchtung realisieren.

Bei den CAS-Clustern handelt es sich um Module, bei denen die in hohen Stückzahlen für Retrofits hergestellten LED der Duris-S-Familie zu mehreren auf Metallkernplatinen gelötet werden. Die Außenmaße der Platinen sowie die elektrischen Kontaktflächen können Anwender derart gestalten, dass das fertige Modul wie eine herkömmliche CoB-LED mit den im Markt verfügbaren passenden Haltern und dem CoB-typischen Zubehör wie Linsen und Reflektoren kompatibel ist. In den meisten Anwendungen ist die Struktur des Clusters dabei keineswegs sichtbar. Die Beleuchtung wirkt äußerst gleichmäßig und nicht etwa punktförmig wie die Anordnung der einzelnen LED im Cluster vermuten ließe.

Die CAS-Cluster-Module sind dabei deutlich günstiger als herkömmliche CoB-LED. Die Ersparnis ermöglicht es gleichzeitig, die Kosten für die Leuchte zu reduzieren oder die Lichtausbeute deutlich zu erhöhen. Damit sind die CAS-Cluster die perfekte Lösung für nichtabbildende Leuchten mit breiterer Abstrahlcharakteristik, wie zum Beispiel Downlights. Eine passende und qualitativ hochwertige LED-Shopbeleuchtung ist also einfach und auf die jeweiligen Ansprüche perfekt zugeschnitten möglich.

(lei)