LEDs: Neue Ära in der Lichttechik

Das Ende der Glühbirne naht: Seit September 2009 werden alle Glühbirnen ab 100W Stromaufnahme aus dem Verkehr gezogen. Das endgültige Aus kommt im September 2012. Es geht um einen großen Markt: weltweit sind rund 15Mrd. Glühbirnen installiert mit einem jährlichen Stromverbrauch von insgesamt 723TWh. Davon verpuffen rund 95% in Abwärme. Alternativen sind bereits verfügbar: Moderne Leuchtmittel wie Leuchtstoffröhren, Halogenlampen, Natrium- und Quecksilberdampflampen etc. benötigen in etwa die Hälfte der Energie herkömmlicher Glühlampen. Zu den Lichtquellen mit der höchsten Energieeffizienz gehören Leuchtdioden. Mit einer Lichtausbeute von bis zu 105 Lumen pro Watt verbrauchen die LEDs von z.B. Sharp nur 11% des Stroms verglichen mit normalen Glühbirnen.
Zudem haben LEDs speziell gegenüber Leuchtstoffröhren und Metalldampflampen weitere Vorteile: Sie sind frei von Quecksilber, und sie sind leicht dimmbar, wodurch sich Beleuchtungen z.B. von Büros abhängig von Tageszeit oder Nutzung einfach herunter fahren lassen, was zusätzlich zur Energieeinsparung beiträgt.

Lichtqualität Entscheidungskriterium für Lichtdesigner und Verbraucher

Trotz aller Nachteile: Der Abschied von der Glühbirne fällt Verbrauchern und Lichtdesignern gleichermaßen schwer. Ein wichtiger Punkt ist dabei die Lichtqualität. Naturgemäß besitzt die Edisonglühlampe einen hohen Rot-Anteil, was für einen warmen Farbton sorgt, der vor allem im Wohnbereich bevorzugt wird. Weißlicht-LEDs kommen hingegen von der anderen Seite des sichtbaren Wellenspektrums, da sie in der Regel auf einer blauen Leuchtdiode basieren, die mit gelbem Phosphor beschichtet ist. Das Resultat ist ein ins bläuliche gehender, kühler Farbton. Allerdings, mit Mischungen aus rotem und grünem Phosphor lassen sich LEDs in einer großen Bandbreite verschiedener Farbtemperaturen herstellen, wobei spezifische Farbtemperaturen durch die Veränderung der Anteile von rotem und grünem Phosphor eingestellt werden können. Sharp bietet Weißlicht LEDs mit Farbtemperaturen im Bereich von 2.200 bis 11.500K an und deckt damit das gesamte Anwendungsspektrum von Wohnraumbeleuchtung bis hin zu verschiedenen kommerziellen Beleuchtungsanwendungen ab. Über die unterschiedlichen Phosphormischungen erreichen Weißlicht LEDs auch sehr hohe Color Rendering Indizes (CRI), die überall da von Bedeutung sind, wo Kunstlicht die Darstellung der beleuchteten Objekte nicht verfälschen darf, wie z.B. bei der Fotografie, bei der Schaufensterdekoration und Warenpräsentation aber auch in der Medizintechnik u.a. bei OP-Leuchten. Für diese Art von Anwendungen bietet das Unternehmen eine Reihe von ‚High Colour Rendering‘ LED-Modulen mit CRI-Werten von 80 und mehr an – ein bedeutender Sprung vor allem bei den Warm Weißlicht LEDs, deren CRI-Werte sich bislang im Bereich von 60 bis 70 bewegten.

LED Leuchtmittel mehr als leuchtendes Silizium

Hersteller wie Sharp begreifen LED-Module als komplexes System bestehend aus Leuchtdioden, Optiken, Kühlelementen und Treibertechnologie, die einen ganz entscheidenden Einfluss auf die Lichteffizienz von LED-Leuchtmitteln haben. Besonders über die Optiken, sprich Reflektoren, Linsen und Diffuser, lässt sich der Abstrahlwinkel für unterschiedliche Anwendung optimieren und durch gezielte Streuung des ausgestrahlten Lichts bei gleicher Leistungsaufnahme mehr Helligkeit im gewünschten Bereich erzielen. Partner von Sharp bieten daher für das LED- Leuchtmittelportfolio optimierte Optiken an. Unter anderem wurde für die Zenigata Serie eine optische Lösungen realisiert, bei denen die Module vollständig von einer konvexen Linse eingeschlossen sind. Diese bündelt das Licht unter einem präzisen Abstrahlwinkel zu einem klar umrissenen Lichtspot.

Modularer Aufbau für hohe Produktflexibilität

Die hohe Flexibilität im Leuchtmitteldesign erreicht Sharp durch den modularen Aufbau seiner LED-Komponenten. Grundbausteine dabei sind einzelne blaue mit Phosphor beschichtete LED ‚Dies‘, die entweder einzeln oder in einer Matrix zusammengeschaltet auf eine Trägerplatte aufgebracht werden. Die 6,7W-Variante aus der Zenigata-Serie bestehen beispielsweise aus 48 ‚Dies‘ und erreichen damit eine Helligkeit äquivalent zu herkömmlichen 40 bis 60W Glühlampen. Bei anderen Modellen sind weniger ‚Dies‘, je nach Model in Serie oder parallel, miteinander geschaltet. Insgesamt beinhaltet das LED Lighting Portfolio von Sharp rund 50 unterschiedliche Typen mit sehr kompakten Abmessungen. Dies verschafft Designern neue Freiheiten bei der Gestaltung von Leuchtkörpern, denn anstatt Lampen als Schirm um vergleichsweise großformatige Leuchtmittel herum zu designen, können LEDs sehr Platz sparend eingesetzt werden und bestimmen daher nicht notwendigerweise die Gesamtform der Leuchtapplikation.

Temperaturmanagement für lange Lebensdauer

Auch bei LEDs entsteht, trotz ihrer geringen Leistungsaufnahme, eine beträchtliche Abwärme. Anders als bei einer Glühbirne, die Wärme in Form von Wärmestrahlung abgibt, müssen bei LEDs diese von der LED über das Trägersubstart auf einen Kühlkörper abgeführt werden. Da Temperaturen von deutlich über 100°C die Leuchtdioden ohne zusätzliche Wärmeabfuhrmöglichkeit zerstören. Die Dimensionierung der Kühlkörper hängt dabei von Anzahl und Leistungsaufnahme der verwendeten LEDs ab, die auf dem Trägersubstrat montiert sind. Fast alle LED-Module von Sharp haben eine Lebensdauer von 40.000 Betriebsstunden bei einer Substrattemperatur von 80°C. Obwohl es auch auf dem Markt frei verfügbare Standardkühlkörper gibt, sind Kühlelemente in der Form frei wählbar, solange sie die benötigte Wärmeabfuhrleistung gewährleisten. Kühlkörper lassen sich daher auch gezielt als Designelement bei der Gestaltung von LED-Lampen einsetzen.

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