Leuchtengröße und Messgenauigkeit in einer Ulbrichtkugel

Leuchtgröße: Ulbrichtkugeln sind Hohlkugeln mit einer innen diffus reflektierenden Oberfläche. Sie werden als Messwerkzeuge für die Erfassung des Lichtstroms von Lichtquellen und Leuchten eingesetzt. Für LED-Messungen gemäß dem CIE-S 025/2015-Standard sind bestimmte Größenanforderungen definiert. So dürfen Messobjekte (DUT = Device Under Test), welche im Zentrum der Ulbrichtkugel (benannt nach dem deutschen Ingenieur Richard Ulbricht) installiert sind – man spricht hier von einer 4π-Messgeometrie – nur eine Gesamtfläche von maximal zwei Prozent der Kugelinnenfläche aufweisen. Das entspricht einem würfelförmigen DUT mit einer Seitenlänge von 1/10 des Kugelinnendurchmessers. Bei einer 2π-Geometrie, das heißt bei der Befestigung des DUT an der Kugelöffnung, darf der Durchmesser der Messöffnung nicht mehr als 1/3 des Kugelinnendurchmessers betragen.

Kurz gesagt, bei einer 4π-Messgeometrie und einer Ulbrichtkugel mit 1 m Durchmesser darf das DUT eine maximale Seitenlänge von 10 cm aufweisen. Folglich können nur sehr kleine Lichtquellen in einer vergleichsweise großen Ulbrichtkugel gemessen werden. Große Lampen und Leuchten benötigen eine noch deutlich größere Ulbrichtkugel, teilweise mit über 3 m Durchmesser, oder die Nutzung von Goniometern, um CIE-konform zu messen. Beide Varianten sind kosten- und platzintensiv und deshalb für viele Unternehmen unrentabel. Was also passiert, wenn die „goldene Regel“ hinsichtlich des Kugeldurchmessers nicht eingehalten wird beziehungsweise werden kann?

Erwartete Messunsicherheit

Wird nicht gerade der Status eines akkreditierten Labors angestrebt, prüfen in der Praxis Unternehmen nach eigenen Richtlinien und Vorgaben. So kommt es vor, dass Leuchten gemessen werden, die bis zu 30 Prozent des Kugeldurchmessers ausmachen. Die erwartete Messunsicherheit bei dieser Vorgehensweise liegt dann zwischen drei bis vier Prozent. Bei vergleichsweise kleinen Kugeln und großen Messobjekten nimmt dieser Messfehler zu, da das DUT die Kugelreflexion und somit die Messgenauigkeit einschränkt.

Die im Folgenden aufgeführten Tests belegen eine geringe Messunsicherheit bei Abweichung der empfohlenen Kugel- und DUT-Größe nach CIE.

Auf der nächsten Seite wird der Messaufbau beschrieben

Tabelle: Für die Messreihe wurden standardisierte Messbedingungen eingehalten: stabile Stromversorgung durch programmierbares TDK Lambda-Netzteil, konstante Diodenintegrations- und -einschaltzeit, Diodenkühlung zwischen den Messungen länger als drei Minuten.

GL Optik

Für die Messreihe wurden mehrere DUT vorbereitet, welche verschiedene Leuchtengrößen darstellten. Bei allen DUT wurde dieselbe Leuchtdiode auf verschiedene, aus Schaumstoff hergestellten, Gehäuseimitationen montiert. Zum Einsatz kam das Spektroradiometer GL Spectis 1.0 mit einem Spektralbereich von 340 bis 780 nm sowie eine Ulbrichtkugel GL Opti Sphere 1100 mit einem Durchmesser von 1100 mm. Das komplette Messsystem wurde zunächst absolut spektral kalibriert. Für die Messreihe wurden relative Messungen durchgeführt. Das Ergebnis der Messung des kleinsten DUT, das heißt die einzelne LED ohne Gehäuse, wurde als Referenzwert genommen. Das Bild zeigt die unterschiedlichen DUT-Konfigurationen.

Die Messungen für jede Konfiguration wurden mehrmals wiederholt. Dabei konnten die Ergebnisse reproduziert werden. Beim Referenz-DUT handelte es sich um eine weiße Leuchtdiode mit einer Verlustleistung von 5,6 W bei I = 0,6 A.

Ergebnisse waren besser als erwartet

Die erzielten Ergebnisse waren besser als erwartet. Obwohl die in der CIE-Norm beschriebenen Vorgaben um ein Vielfaches überschritten wurden, lagen die Abweichungen nur bei zirka zwei Prozent.

Die DUTs in den Größen 15 × 25,15 × 55,15 × 67,15 × 67,15 × 80 und 50 × 67 cm² wurden aus schwarzem Schaumstoff hergestellt, während ein rundes DUT aus einem hellen Karton bestand, der den Großteil des Kugeldurchmessers ausfüllte. Dieser erzeugte dabei einen kleineren Fluxmessfehler als die kleineren schwarzen Schaumstoff-DUTs. In der Tabelle sind die Messergebnisse dargestellt.

Die Messungen ergaben, dass zwar unterschiedlich große Leuchtenkörper in Bezug auf Lichtstrom und Farbwerte korrelieren, jedoch die Unterschiede sehr gering ausfallen.

Mit zunehmender Größe des DUT erhöht sich auch der Lichtstrom-Wert, weshalb signifikante Anpassungen notwendig waren. Nach diesen Neuberechnungen konnten die Messergebnisse reproduziert werden. So liefern Ulbrichtkugel-Messsysteme mit einem Dispersionsschicht-Index von über 97 Prozent dutzende Reflexionen in der Kugel trotz relativ großer DUTs.

Präziser Spektrometer

Dabei muss beachtet werden, dass der Selbstabsorptionskoeffizient des Messsystems für jede Wellenlänge so definiert ist, dass dessen Summe den vom DUT absorbierten Lichtstrom bestimmt. Je nach Messobjektgröße und -farbe, kann der Koeffizient im gesamten Messbereich unterschiedlich sein, sodass ein präzises Spektrometer nötig ist, um wirklich exakte Messungen zu erhalten.

Weitere Rückschlüsse bezüglich des in der Norm definierten Messprinzips erfordern zusätzliche Untersuchungen und Vergleiche unterschiedlicher Messsysteme. Die Ergebnisse belegen jedoch, dass bei der Verwendung eines passenden und präzisen Messsystems, wiederholbare und aussagekräftige Messergebnisse von Lichtquellen erzielt werden, die deutlich größere Dimensionen im Vergleich zur benutzten Ulbrichtkugel aufweisen, als es die Norm vorschreibt.

(ah)