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LED-Technologie

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Die Revolution der Lightquellen

LEDs (Licht emittierende Dioden) sind die Lichtquelle der Gegenwart und der Zukunft: Sie zeichnen sich durch sehr geringe Größe, hohe Effizienz, lange Lebensdauer und große Steuerungsfreundlichkeit in Bezug auf Intensität, Ton und Farbe aus.

Außerdem bieten sie Leistung, geringen Verbrauch und Flexibilität in der Anwendung; im Gegensatz zu Entladungslampen können sie im heißen Zustand wieder eingeschaltet werden und sind in der Lage, sofort nach dem Einschalten die volle Helligkeit abzugeben; all diese Eigenschaften machen sie für eine sehr breite Palette von Anwendungen im Beleuchtungsbereich geeignet.

Innovative Technik

Obwohl sie Licht wie herkömmliche Lichtquellen aussenden, haben LEDs wenig mit den bekannten Lampen wie Glüh- oder Gasentladungslampen gemeinsam.

Konstruktiv handelt es sich um elektronische Chips, die aus nebeneinander liegenden Schichten spezieller Halbleiterbauelemente bestehen. Wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt, geben LEDs in einem als "Elektrolumineszenz" bezeichneten Prozess Lichtstrahlung ab.

Die Lichteffizienz profitiert davon, dass die Emission im 180-Grad-Bereich stattfindet; außerdem wird bei LED-Modulen die Lichtstrahlung in eine Richtung emittiert, während die Wärmestrahlung in die entgegengesetzte Richtung abgeleitet wird.

Globaler Erfolg

Weltweit hat der Einsatz von LEDs in den letzten Jahren deutlich zugenommen, von einem Marktanteil von 5 % im Jahr 2013 auf fast die Hälfte der Verkäufe im Jahr 2019, mit einem zunehmenden Anteil an integrierten LED-Leuchten.

Sehr schnell haben sich LEDs zur führenden Lichtquelle entwickelt, eine Dynamik, die in den Ländern der Europäischen Union durch das schrittweise Verbot anderer, wenig effizienter Leuchtmittel wie Glüh- und Halogenlampen noch verstärkt wurde.

Der Erfolg der LEDs wurde auch durch den kontinuierlichen Preisverfall erleichtert, dank der Skaleneffekte, die durch die sehr hohen Verkaufsvolumina entstehen: es wird geschätzt, dass in nur fünf Jahren 38 Milliarden LED-basierte Produkte verkauft worden sind. Im Jahr 2019 erreichte der LED-Absatz auf internationaler Ebene einen historischen Meilenstein und überschritt 10 Milliarden Einheiten zwischen Lichtquellen (Lampen, Röhren, Module) und Leuchten.

OLEDs erscheinen am Horizont

Während LEDs Punktlichtquellen sind, bietet die OLED-Technologie (organic light emitting diode) mit flächigen Lichtquellen eine weitere Innovation. Damit lassen sich - wie bei einem Baumaterial - extrem dünne OLED-Schichten in andere Bauteile einbauen, was völlig neue Wege für die Entwicklung von Displays und Leuchten eröffnet.

Bereits in Designleuchten eingesetzt, wird davon ausgegangen, dass OLEDs aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften in den kommenden Jahren verstärkt für die Großflächenbeleuchtung eingesetzt werden: Sie bieten eine gleichmäßige, hohe Farbwiedergabe und nahezu blendfreies Licht; die volle Lichtleistung wird sofort erreicht; das Dimmen ist durch Variation des Betriebsstroms einfach möglich und es besteht eine maximale Flexibilität bei der Farbsteuerung. Nicht zuletzt sind OLEDs umweltfreundlich, da sie kein Quecksilber oder andere schädliche Substanzen enthalten und vollständig recyclingfähig sind.

Effizienz als entscheidender Faktor

Basierend auf Daten, die bereits besser waren als die anderer Technologien, wurde die Effizienz von LEDs in den letzten Jahren weiter verbessert.

Je nach Modell haben die auf dem Wohnungsmarkt erhältlichen LEDs eine Effizienz von mehr als 100 Lumen pro Watt, und seit 2010 hat sich die durchschnittliche Effizienz von LEDs um 6-8 lm/W pro Jahr verbessert.

Es gibt Länder, in denen die Effizienz der für den Hausgebrauch verfügbaren LEDs bereits zwischen 110 lm/W und 130 lm/W liegt; um die ehrgeizigen Ziele des Sustainable Development Scenario (SDS) zu erreichen, haben sich die Hersteller bereits verpflichtet, bis 2030 Werte von 160 lm/W zu erreichen.

Um den Fortschritt zu verstehen: die Effizienz von Kompaktleuchtstofflampen liegt bei ca. 60 lm/W und die von Halogenlampen bei unter 20 lm/W; Glühlampen verpuffen den größten Teil ihrer Energie in Wärme, was erklärt, warum sie als erste vom EU-Markt verbannt wurden (Quelle: IEA).

Farbvariation und Lichtfarbe

Revolutionär ist, dass mit Hilfe von LEDs jede beliebige Lichtfarbe erzeugt werden kann, im Gegensatz zu herkömmlichen Lichtquellen.

LEDs gibt es in verschiedenen Farben, abhängig von der Art des verwendeten Halbleiters, der die dominante Wellenlänge und damit die Farbe des emittierten Lichts bestimmt. Außerdem kann das von einer LED emittierte weiße Licht je nach Zusammensetzung und Wellenlänge der dominanten Farbe verschiedene Farbtöne annehmen.

Bei einem hohen Anteil an Blautönen im Spektrum wird das Licht als "kühles Weiß" wahrgenommen; je höher der Anteil an langwelligen Farben ist, desto "wärmer" erscheint das Licht.

Die Norm CEI EN 12464-1 gibt einen numerischen Hinweis auf die verschiedenen Lichttöne, die nach ihrer "Farbtemperatur", ausgedrückt in Grad Kelvin (K), klassifiziert werden. Generell gilt: Je höher die Farbtemperatur, desto kälter das Licht. Es wird unterschieden zwischen

  • Warmweiß: Temperatur unter 3.300 Kelvin;
  • Neutralweiß: Temperatur zwischen 3.300 und 5.300 Kelvin;
  • Tageslichtweiß / Kaltweiß: Temperatur über 5.300 Kelvin.
Vorteile der Steuerung

Auch LED-Leuchten bieten Funktionen, die konventionelle Steuerungs- und Überwachungsprozesse verändern.

Bei der automatischen präsenzabhängigen Regelung in Büroumgebungen kann z. B. die Ausschaltverzögerung von Leuchtstoffröhrenleuchten nicht zu kurz sein: Ein Wert von mindestens 15-20 Minuten vermeidet zu häufiges Schalten, das die Röhren beschädigen würde.

Mit dem Aufkommen der LED-Deckenleuchten ist es möglich, die Ausschaltverzögerung deutlich zu verkürzen, ohne negative Auswirkungen auf die Lebensdauer der Leuchtmittel.

Dimmbare LED-Leuchten

Dimmbare LED-Leuchten müssen für das Dimmen vorbereitet sein. Dimmbare LED-Treiber und LED-Quellen sind durch entsprechende Symbole gekennzeichnet.

Farbwiedergabe

Der Farbwiedergabewert (meist als Ra angegeben) hängt hauptsächlich von der spektralen Zusammensetzung des Kunstlichts ab und beurteilt, wie gut die Beleuchtung im Vergleich zu einer Referenzlichtquelle natürliche Farben wiedergibt. Werte von Ra = 100 kennzeichnen eine sehr gute Farbwiedergabe: Moderne LED-Quellen zeichnen sich durch sehr gute Werte aus.

Einzelne Beleuchtungsregelung

Im Dezember 2019 ist die EU-Verordnung 2019/2020 in Kraft getreten, die alle Elemente der Ökodesign-Gesetzgebung für Produkte im Beleuchtungssektor, die bis dahin durch verschiedene Verordnungen (EG 244/2009, EG 245/2009 und EU 1194/2012) abgedeckt waren, in einem einzigen Text - der Single Lighting Regulation - zusammenfasst. Die neuen Kriterien treten am 1. September 2021 in Kraft bei gleichzeitiger Aufhebung der bisherigen Verordnungen. Das Hauptziel der Verordnung ist die Vereinfachung, um die Anwendung und Überprüfung der Rechtsvorschriften durch die nationalen Behörden zu erleichtern. Unter Berücksichtigung der laufenden Umstellung auf die LED-Technologie ist es das Ziel, langlebige und innovative Produkte in Europa zu haben, die sich einer Reparatur und einem Austausch der Lichtquelle unterziehen können.

In Art. 4 wird die Frage der Entfernung von Lichtquellen und separaten Netzteilen durch die Definition von Merkmalen wie:

  • die Austauschbarkeit ohne dauerhafte Beschädigung des Gehäuses;
  • Zugänglichkeit zu Prüfzwecken
  • Abnehmbarkeit am Ende ihrer Nutzungsdauer.

 

Die Entwicklung hin zur LED-Technologie hat einige genauere Definitionen erforderlich gemacht:

  • eine "Lichtquelle" ist das elektrische Bauteil, das Licht aussendet oder, bei nicht-glühenden Lichtquellen, so geregelt wird, dass es Licht aussendet (oder beides). Nicht als Lichtquellen gelten: LED-Chips, LED-Dies oder LED-Gehäuse; Produkte, die eine oder mehrere Lichtquelle(n) enthalten, die zur Inspektion entfernt werden können; lichtemittierende Teile, die in einer Lichtquelle enthalten sind, aus der sie nicht zur Inspektion als Lichtquelle entfernt werden können;
  • "Enthaltendes Produkt" umfasst eine oder mehrere separate Lichtquelle(n) oder separate Versorgungseinheit(en) oder beides. Dies ist der Fall bei Leuchten, die zum Zweck der separaten Überprüfung der Lichtquelle zerlegt werden können, oder bei Haushaltsgeräten, die eine Lichtquelle enthalten. Kann ein Container-Produkt jedoch nicht zerlegt werden, um die Lichtquelle und das separate Vorschaltgerät zu überprüfen, wird es als Lichtquelle betrachtet;
  • ein "Vorschaltgerät" ist ein Gerät, das physisch in die Lichtquelle integriert ist oder nicht, das die Netzstromversorgung in das von der Lichtquelle benötigte elektrische Format umwandelt. Dies kann die Transformation der Versorgungs- und Ansteuerspannung, die Begrenzung des Betriebs- und Vorheizstroms, die Vermeidung von Kaltstart, die Korrektur des Leistungsfaktors und/oder die Reduzierung von Funkstörungen beinhalten.

 

Mit dem Inkrafttreten der Single-Light-Regelung werden andere Lichtquellen schrittweise abgelöst, und zwar insbesondere

  • ab 1. September 2021 Halogenlampen mit R7s-Sockel mit einer Leistung von mehr als 2.700 lm;
  • ab 1. September 2023 18, 36 und 58W Leuchtstoffröhren mit G13-Lampensockel und Halogenlampen mit G9-, G4- und GY6,35-Sockel.

Die Maßnahme umfasst auch höhere Effizienzschwellenwerte für LED-Quellen und die Einführung von Anforderungen zur Begrenzung des Flackerns von Lichtquellen.

Standzeit

Für Lichtquellen des Typs LED (und OLED) definiert die EU-Verordnung 2019/2020 die "Lebensdauer" mit dem Parameter L70B50, d. h. die Anzahl der Stunden, die zwischen dem Beginn der Nutzung und dem Zeitpunkt vergehen, an dem für 50 % der Lichtquellenpopulation die Leistung allmählich auf einen Wert unter 70 % des ursprünglichen Lichtstroms zurückgegangen ist. Ab dem 1. September 2021 muss die Lebensdauer obligatorisch auf der Quelle selbst angegeben werden.

Situation und Ausblick

In den letzten Jahren hat es eine große Entwicklung im Bereich der Lichtquellen gegeben. Die europäische Richtlinie 2005/32/CE und die folgende EG-Verordnung

Nr. 244 der Kommission haben den schrittweisen Ausstieg aus dem Markt der Lampen mit niedrigem Wirkungsgrad bestimmt; nach mehr als 100 Jahren Marktpräsenz bedeutete dies das Ausscheiden der Glühlampentechnologie und zum großen Teil auch der Halogentechnologie; ein notwendiger Schritt für Leuchtmittel, die den größten Teil der eingesetzten Energie in Wärme abführten und nur einen kleinen Teil in Lichtstrahlung umwandelten.

Absatz nach Art der Energiequelle im Szenario der nachhaltigen Entwicklung 2010-2030 (Quelle: IEA)

Diese Entscheidung hat für die EU-Länder zu einer geschätzten Reduzierung der CO2-Emissionen von 32 Millionen Tonnen und zu einer Einsparung bei den Energierechnungen von etwa 11 Milliarden Euro geführt. Außerdem wurde berechnet, dass die Reduzierung des Stromverbrauchs bis 2020 80 Milliarden KWh betragen würde, was dem Gesamtbedarf von 23 Millionen europäischen Familien und der Jahresproduktion von zwanzig 500 MW-Kraftwerken entspricht.  Selbst im Bereich der technischen Beleuchtung für große Gebäude ist der Übergang im Gange; die IEA schätzt in ihrem Szenario für nachhaltige Entwicklung, dass bis 2030 die LED-Technologie etwa 80 % des Marktes ausmachen wird, während der Anteil der Leuchtstoffquellen bei etwa 20 % liegt.

Referenzen

Verordnung (EU) 2019/2020 der Kommission vom 1. Oktober 2019 zur Festlegung von Ökodesign-Anforderungen an Lichtquellen und separate Vorschaltgeräte gemäß der Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates und zur Aufhebung der Verordnungen (EG) Nr. 244/2009, (EG) Nr. 245/2009 und (EU) Nr. 1194/2012 der Kommission