„Möglichkeiten und Grenzen beim Einsatz von LED in der ... · Pressestimmen zur LED :-Die...

VDI –Tagung „Innovative Beleuchtung mit LED“ 17. + 18.11.2003

Gall, D.

„Möglichkeiten und Grenzenbeim Einsatz von LED in der Beleuchtungstechnik“

Technische Universität IlmenauLichttechnikGall, Dietrich

Pressestimmen zur LED :

-Die „ultrahellen Chips“, die sich nun mit ihren 100 000 Betriebsstunden anschicken, die .... Glühlampe abzulösen. (Welt am Sonntag)

-Vor der Lichtrevolution „Verglichen mit der Effizienz von LED sind Glühlampen nichts weiter als Heizkörper, die nochwenig leuchten.“(Siemens Heft – Herbst 2003)

_„In 10 bis 20 Jahren werden die LED‘s die Führung in der Haus- und Industriebeleuchtung übernehmen“.(MORAN, R. 2003)

Pressestimmen zur LED :

-„Die LED‘s sind nach der Glühlampe und Leuchtstofflam-pe die dritte große Revolution in der Beleuchtung“.(HAITZ, R.)

-„Mit LED‘s könnten bis zum Jahr 2020 in den USA Energie-einsparungen von 0,6 Tera-Watt-Jahren realisiert werden.Das entspricht 113 Mrd. € oder 600 Mio. Tonnen Steinkohle.“

.

.

.-Die alten Beleuchtungstechnologien werden in der Zukunft

aber zurückschlagen. Die alten Technologien werden uns nochlange begleiten.“(BERGH, A. 2003; Präs. Der optoelektronischen Industrie der USA)

Anwendungsbereiche von LED

40 %

23 %

18 %

5 %

2 %

12 %

Mobilanwendungen

Ampeln + Signale

Andere Anwendungen

Beleuchtung

Fahrzeuge

Anzeigetafeln

Lichterzeugungsprinzipien

Mittel-, Hoch- u. Höchst-

drucklampen

warmb

Glühlampe, IR-Strahlerwarmb

Niederdrucklampen (Leuchtstoff-, Excimer-lampen u.a.)

kaltaII Plasma

LED, LeuchtstoffekaltaI Festkörper

Beispiele

Anforderungen an die Lampen

große Lichtstrompakete 1.

ökologische Verträglichkeit8.

niedriger Lampenpreis7.

hohe Lebensdauer6.

zeitlich stabile Lichtemission5.

geringe Strahlungs- und Lichtbelastung4.

angepasste Lichtfarbe + Farbwiedergabe3.

hohe Effizienz der Lichtwirkung2.

Anforderungen/ Wünsche

Effizienzanforderungen

optische

Zwecke

LeuchtzweckeBeleuchtungs-zwecke

untergeordnetgroßgroßLichtausbeute

sehr großangepasstuntergeordnetLeuchtdichte

untergeordnetuntergeordnetgroßLichtstrom,

Beleuchtungs-stärke

FunktionZielpara-

meter

Anforderungen an Lichtfarbe und Farbwiedergabe

optische

Zwecke

Leucht-zwecke

Beleuchtungs-zwecke

Projektor:

aufgefüllt

Beamer:

selektiv

selektivaufgefülltSpektrum

gutnicht

relevant

gutFarbwieder-

gabe

weißvariabelweißLichtfarbe

Lampenzweck





hohe Lebensdauer6.






Lampenlichtströme im Vergleich zu LEDs

2404 80035Na-Niederdruck-Lampe

1 30026 000250Na-Hochdruck- Lampe

3106 200125Hg-Hochdruck-Lampe

250 5 00058Leuchtstofflampe

701 400100Allgebrauchsglühlampe

LED-Anzahl

bzw. Leistung

N [lm]P [W]Lampenart

Parameter: NLED = 20 lm / 0v = 20 lm/W

Erforderliche Lichtströme für Beleuchtungsanlagen

5 100 lmE = 10 lx; ηB = 0,5,

A2 = 30 x 8,5m²

= 255 m²

Strassenbeleuch-

tung

3 800 lmE = 750 lx; ηB = 0,1,

A2 = 0,5 m²

Schreibtisch

33 000 lmE = 500 lx; ηB = 0,3,

A2 = 20 m²

2 Mann-Büro

Erforderlicher Lichtstrom (φLa)

ParameterAnwendungsfall

B

La

AEη

φ 2⋅=Berechnungsformel:E – Beleuchtungsstärke ( ) A2 – beleuchtete FlächeηB - Beleuchtungswirkungsgrad

lxmlm =

²





hohe Lebensdauer6.






Die Hellempfindlichkeitskurven

(VOLKENAND 2002)

Lichtausbeute u. Lebensdauer einiger Lampenarten

24 000150 - 200Natrium - Niederdrucklampen

bis > 24 00040 - 60Quecksilberdampfhochdruck-

Lampen

bis > 24 000100 - 150Natrium - Hochdrucklampen

bis 15 00060 –100Halogen - Metalldampflampen

bis 16 00060 - 104Stabförmige Leuchtstoff-lampen

bis 12 00060 - 80Kompaktleuchtstoff-

lampen

bis 400015 - 25Halogenglühlampen

100010 - 15Glühlampen

Mittlere Lebens-dauer

(Std)

Lichtausbeute

lm/W

Lampenart

Unspezifische Lichtwirkungen (retino-hypothalamische Bahn)

-circadiane Rhythmik

- Wachheitsgrad

- SAD-Wirkung

- Melatonin-Supression

Schierz 2002

gemittelte circadiane Wirkungskurve c(8)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

c()λ

380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600

λ [nm]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600

Thapan u.a. (2001)

Brainard u.a. (2001)

Photometrisches Grundgesetz

Leuchtdichten einiger Lampen (Lampen hoher Leuchtdichte)

0,3 - 3Luminszenzdiode (weiß)

300 – 1 000Keramiklampe

20Kurzbogenlampe VIP/UHP

30 – 400HMI; HTI (MSI; HSR)

Halogenmetalldampf-

lampe

65D2-Autolampe (Xe-Hg)

300 – 1 700Hg-Höchstdruck

200 – 2 600Xe-Höchstdruck

10 – 50Glühlampe

1 500 Sonne

Leuchtdichte

Mcd/m²

Lampe





hohe Lebensdauer6.






Na-Niederdruck-lampe

Dreibanden-Leuchtstofflampe

Tageslicht

Natrium-Niederdrucklampe Tageslicht

Farbwiedergabe

Spektralverlauf (normiert) weiße LED

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,0038

0

410

440

470

500

530

560

590

620

650

680

710

740

770

800

Wellenlänge [nm]

0°20°45°-20°-45°

Richtungsbedingte Lichtfarbenvariation von weißen LED

400045005000550060006500700075008000

-45 -20 0 20 45

CC

T [K

]

Ausstrahlungswinkel [°]

4000

4200

4400

4600

4800

5000

5200

-45 -20 0 20 45

CC

T [K

]

Ausstrahlungswinkel [°]

CCT – ähnlichste Farbtemperatur

Ergebnisse der Helligkeitsvergleiche bei benachbarten Quadraten

(VOLKENAND 2002)

Grenzwerte der maximal tolerierten Leuchtdichteunterschiede (in Prozent ausgedrückt %)

Blaue Quadrate

GelbeQuadrate

Grüne Quadrat.

Rote Quadrate Weiße Quadrate

9,5 4,8 5,8 6,1 5,3

Aufgeteilt in Felder mit einer Leuchtdichte (cd/m²) von:

12-11

90-80

80-70

31-30

4,6 7,4 3,5 5,5 6,4 5 9,5 9,5 5,8 3,511,5

120-

110

110-

100

<11 >31 <30 >120 <120

Ergebnisse

(VOLKENAND 2002)

Einstellung auf gleiche Helligkeit gelingt mit einermittleren Genauigkeit von 0,2%-10,5%.

Bei Überprüfung auf Erkennbarkeitsschwelle keine Bestätigung der Ergebnisse.

Leuchtdichteunterschiede von ca. 10% wurden nicht erkannt!

Leuchtdichteunterschiede bis zu ca. 20%-30% wurden noch toleriert.

Farbwiedergabe-Index (Ra) von Lampen

60 - 80Universalweiß

80 – 95Dreibanden (weiß)

80 – 95weiß – de Luxe

20 – 40Hochdruck

25

60

80

RGB – (Low)

RGB – (High)

weiß

LED

80 – 90KompaktLeuchtstofflampe

NiederdruckNatriumdampflampe

80 - 90Halogen-Metalldampflampe

40 – 60Quecksilberhochdrucklampe

98Glühlampe

Farbwiedergabe-Index ( Ra )

Lampe

Einschätzung der Farbwiedergabe-Eigenschaften (allgemein)

(NARENDRAN u.a. 2002)

RGB-LED

RGB-LED

LED-"Amber Weiß"

LED-"Weiß"

Halogenglühlampe

Glühlampe

25

63

81

83

98

98

4270

4140

4120

5031

2840

2640

Lampe Ra CCT FWG-Präferenz (allgemein)

200 lx

0,5

1,1

0,6

0,05

- 0,4

- 1,4

CCT –ähnl.Farbtemperatur in Kelvin

Ra – allg. Farbwiedergabeindex

Einschätzung der Farbwiedergabe-Eigenschaften der Haut

+ 0,8

+ 0,6

- 0,25

- 0,4

- 0,5

- 1,2

RGB-LED

RGB-LED

LED-"Amber Weiß"

LED-"Weiß"

Halogenglühlampe

Glühlampe

25

63

81

83

98

98

4270

4140

4120

5031

2840

2640

Lampe Ra CCT FWG-Präferenz der Hautfarbe

200 lx

(NARENDRAN u.a. 2002)CCT in Kelvin (ähnl.Farbtemperatur)

Ra – allg. Farbwiedergabeindex





hohe Lebensdauer6.






Wellenlängenabhängigkeit – Thermische Netzhautgefährdung

B (λ)

R (λ)

Wellenlängenabhängigkeit der thermischen Netzhautgefährdung R(8) und der Photochemischen Netzhautgefährdung durch blaues Licht B(8) [SUTTER]





hohe Lebensdauer6.






LED – Kostenvergleich mit Hochspannungsröhren („Neon“)

GrünRot

8,40,65LED in 10 Jahren

846,5LED – Anlagen

11„Neon“ - Anlagen

Farbe

(5 Jahre Nutzungszeit)(nach THIELEN)

LED für Beleuchtungszwecke

Vor- und Nachteile

-Vorteil: großes tN, flache Leuchten

- Nachteil: - kleine Lichtstrom-Pakete-thermische Probleme- FWG und Spektrum- hohe Lampenströme- Streuung der lichtt. Parameter

Anwendungsfelder

-kleinflächige Beleuchtung (maschinelles Sehen)- dekorative Akzentbeleuchtung- farbige Beleuchtung- Kfz-Innenbeleuchtung- Sonderbeleuchtung (Vitrinen u. ä.)- Notbeleuchtung- flache und kleine Leuchten

LED für optische Zwecke

Vor- und Nachteile

-Vorteil: direkte Lichtfarbenerzeugung, gute Einkopplungsmöglichkeit in Lichtleiter, zeitliche Lichtvariabilität

- Nachteil: geringe Leuchtdichte, geringer Nutzlichtstrom

Anwendungsfelder

- in Kombination mit Lichtleitertechnik- Kleinprojektoren

LED für Leuchtzwecke

Vor- und Nachteile

-Vorteil: großes tN, Lichtfarbe einstellbar, Leuchtdichte anpassbar, gute zeitliche Variabilität, kleine Leuchtkörper

- Nachteil: thermische Probleme

Anwendungsfelder

Displayanlagen, Signale, optische Sicherheitsleitsysteme, Piktogramme, Konturenbeleuchtung, Notbeleuchtungs-schilder, adaptive Leuchtfelder, Orientierungsbeleuchtung,Orientierungsscheinwerfer, kleine oder mittlereLichtwerbe-anlagen

LED (weiß) – Lichtstrom und Lichtausbeute (Prognose)

10

1

100

1 000

10 000

100 000

2000 2005 2010 20152008

Beleuchtung

Beleuchtung

Lichtstrom/Lampe (lm)Faktor: 20 pro Dekade

Lichtausbeute (lm/W)Faktor: 2 pro Dekade

Jahr

(Quelle: HEINZ, R. aus Siemens Heft 2003)


LED (weiß) – Lichtstrom und Lichtausbeute (Prognose)

0,1

0,01

0,0012000 2005 2010 2015

Jahr

(58 W-LL)

€/lm Faktor: 1/10 pro Dekade


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