LED-"Birnen"

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Dieser Beitrag beschreibt Aufbau und Funktion von LED-basierten Leuchtmitteln (LED-Lampen), umgangssprachlich auch manchmal als "LED-Birnen" bezeichnet.

Einleitung[Bearbeiten]

Immer häufiger werden neben Kompaktleuchtstofflampen (Quecksilberdampf-Niederdrucklampe) auch LED-Lampen als Ersatz für die herkömmlichen Glühfadenlampen ("Glühbirnen") verwendet. Dabei existieren kostengünstige Versionen mit Gruppen aneinander gereihter Standard-LEDs, sowie Ausführungen, die gezielt in Form klassischer Glühfadenbirnen gestaltet sind und für 230V optimierte Halbleiter enthalten.

Vergleich mit anderen Leuchtmitteln[Bearbeiten]

Auf den Packungen der Hersteller sind sowohl bei Kompaktleuchtstofflampen, als auch bei LED-Birnen sehr optimistische Werte für die Lebensdauer und die Helligkeit angegeben. Diese sind mit Vorsicht zu geniessen und ausdrücklich als Werbeaussage aufzufassen:

Lebensdauervergleich[Bearbeiten]

Kompaktleuchtstofflampen werden gerne mit bis zu 10.000h - LED-Lampen sogar mit bis zu 50.000h angegeben. In der Praxis zeigt sich aber, daß diese Werte nicht einmal von 10% der Lampen erreicht werden. Ein Großteil ist bereits vor Ablauf der halben Periode defekt - nicht wenige sogar schon nach 10% der angegebenen Zeit!

Real sollte man davon ausgehen, dass einfache LED-Lampen ca 1000h-5000h leuchten, bevor die Elektronik defekt geht- bessere Lampen halten etwa das 2-3fache an Zeit.

Leistungsvergleich[Bearbeiten]

Bei der Leistung werden oft subjektive Empfindungen des Menschen, wie die spektale Empfindlichkeit in die gemessenen Spektren eingerechnet und speziell bei den Leuchtstoffröhren die Alterung verschwiegen, um in Lampen mit wenigen Watt eine gewaltige subjektive Leuchtwirkung hineinzurechnen.

Grob gesagt, sollte man bei ESL und besonders bei LED-Lampen 20%-40% auf die Leistung zugeben, um sie mit einer Glühbirne vergleichen zu können.

Farbwiedergabe- und Lichtfarbenvergleich[Bearbeiten]

LEDs haben ihre eindeutige Stärke in farbigem Licht. Während Glühleuchtmittel höchst energiezehrend gefiltert werden müssen erreicht man die gewünschte Lichtfarbe bei einer LED durch Auswahl der Leuchtfarbe der LED selbst.

Vor- und Nachteile der LED-Lampen[Bearbeiten]

LED-Lampen haben einige Vorteile gegenüber den Kompaktleuchtstofflampen und vor allem gegenüber den Glühfadenlampen:

  • Die Energieeffizienz ist in der Regel höher, als bei Kompaktleuchststofflampen
  • Die Kosteneffizienz ist bei einfachen Ausführungen ähnlich gut
  • Die Lichtfarbe bzw. Farbtemperatur der LED-Lampe ist flexibler und kann auf Wunsch der Glühfadenlampenfarbe besser angepasst werden. Dazu gibt es kaltweiße, warmweiße und auch farbige Ausführungen
  • enthält keine leicht freisetzbaren Giftstoffe, wie Quecksilber
  • erreicht bereits nach wenigen Millisekunden nach dem Einschalten die volle Leuchtkraft
  • kann eine sehr lange Lebensdauer haben (meist >= 30000 Stunden)

Jedoch gibt es auch einige Nachteile:

  • begrenzte Maximalleistung: LED-Lampen erreichen bei gleicher Grösse nicht dieselbe Helligkeit wie Kompaktleuchststofflampen
  • hat einen grösseren Platzbedarf bei gleicher Leuchtkraft
  • bei birnenähnlichen Designs und höheren Leistungen höherer Preis
  • enthält schwer zu recycelnde Giftstoffe wie Arsenverbindungen
  • Derzeit noch nicht in allen Elektrogeschäften verfügbar
  • ähnlich wie bei ESLs befinden sich sehr viel billige Produkte am Markt, bei denen die Elektronik rasch kaputt geht
  • schlechter Farbwiedergabeindex Ra=80-95 (Glühbirne als Referenz Ra=100)

Kostenvergleich von Energiesparlampen[Bearbeiten]

Kostenvergleich

Die Grafik zeigt 3 Fälle von Kostenrechnungen für konventionelle Glühlampen, Kompaktleuchtstofflampe (als ESL bezeichnet) und LED-Lampen.

Berechnet werden jeweils die beiden Extremfälle einer Lampe mit niedrigem Preis und hoher Lebensdauer (günstiger Fall) und einer "Montagslampe", die schnell kaputt geht, trotz hohen Preises. Daraus wird ein wahrscheinlichster Mittelwert (geometrische Mitte) - einmal für geringe und einmal für starke Nutzung gebildet.

Aufgeführt ist auch die Unterscheidung der privaten und geschäftlichen Nutzung, bei der die Beschaffungs- und Wartungszeiten viel stärker zu Buche schlagen, da ein Angestellter bezahlt werden muss. Hier zeigt sich der Vorteil der langen Nutzungsdauer der LED-Lampen besonders deutlich.

Es zeigt sich auch, dass Privatnutzer durchaus noch einen geringen Sparvorteil haben können, wenn sie auf LED-Lampen umrüsten.

Excel für eigene Berechnungen: Lampenvergleichsrechner

Externer Link auf Excel: Stromkostenrechner



Bauformen[Bearbeiten]

Hochvolt-LED-Lampen[Bearbeiten]

Niederspannungs-LED-Lampen[Bearbeiten]

Halogenersatzlampen[Bearbeiten]

Üblicherweise werden Niederspannungs-LED-Lampen an einem dezentralen Transformator betrieben, wie z.B mit 24V. Mit einer geeigneten Vorschaltung zur Spannungsherabsetzung im Lampengehäuse, sind sie auch indirekt an 230V-Netzen benutzbar.

Betrieb von Standard-LEDs an 230V[Bearbeiten]

230V-Vorschaltung

Mit der nebenstehenden Schaltung besteht die Möglichkeit, eine normale LED direkt an 230V anzuschließen. Diese Schaltung funktioniert so, dass die Spannung mittels Z-Dioden begrenzt wird; in diesem Fall auf 30V. Diese sind deshalb wichtig, weil die Gleichrichtdioden für hohen Frequenzanteile als Kapazität wirken und der Elko diese nicht aufnehmen kann, wodurch sie direkt auf die LEDs wirken würden. Gfs sollte dem Elko noch eine keramischer Kondensator beigefügt werden.


230V-Schaltung

Statt eines Gleichrichters, kann auch eine Antiparallelschaltung von LEDs verwendet werden. Auch dabei werden beide Halbwellen genutzt. Die Ausfallwahrscheinlichkeit ist geringer, weil weniger Bauteile und vor allem kein Elko genutzt wird. Allerdings muss die Schaltung genau dimensioniert werden, d.h. die strombegrenzende Wirkung des Kondensators ist sehr wichtig. Daher werden zur Sicherheit einige in Serie geschaltet, um das Problem der Alterung oder Defektbildung zu minimieren. Die LEDs leuchten bei dieser Schaltungsform aber etwas dunkler als oben, weil kein konstanter Strom fliessen kann und man mit Rücksicht auf die Lebensdauer der LEDs nicht einfach die Spannung so erhöhen kann, dass der Effektivwert erreicht wird.



Spannungen ab 60V sind lebensgefährlich!

Funktion einer LED-Lampe am Beispiel[Bearbeiten]

von Benutzer:Didi34

Aufbau[Bearbeiten]

Aufbau.JPG

Ich beschreibe in diesem Beitrag den Aufbau eines 4W Philips LED-Leuchtmittels mit E-14 Sockel. Über dem LED-Chip befindet sich ein Glaskolben, der in den weißen Kunststoffsockel geklebt ist. Der Glaskolben ist aus Milchglas, dies dient als Diffusor. Um näher in die Lampe zu kommen, muss der Glaskolben abgenommen werden.


Sockel.JPG

Nun sieht man den LED-Chip in der Mitte der Lampe. Über dem Chip befindet sich eine weitere Abdeckung, die abgenommen werden muss.


Chip anschluss.JPG

Auf dem nächsten Bild sieht man die Aluminium-Platine, worauf sich der LED-Chip befindet. Die beiden Drähte stellen die Versorgung der LED (300V Gleichspannung) dar. Die Platine besteht aus dem Basismaterial Aluminium, um eine bessere Kühlung zu erreichen.


Innenleben[Bearbeiten]

Platine unten.jpg

Im Inneren der LED-Lampe befindet sich folgende Platine:

Man sieht nun auf der Platine eine kleine Gleichrichterschaltung. Die Anschlüsse Blau und Braun sind Neutralleiter(N) und Außenleiter(L1) unserer Energieversorgung mit 230V Wechselspannung.


Platine oben.JPG

Die beiden Drähte Rot(+) und Schwarz(-) sind die Ausgänge der Schaltung. Sie führen eine Gleichspannung von 300V und werden direkt an der Aluminiumplatine der LED angeschlossen, da die LED für diese Spannung ausgelegt ist. Näheres zur Schaltung: Schaltung


LED-Chip[Bearbeiten]

Ledchip dunkel.jpg

Der LED-Chip besteht aus mehreren in Serie geschalteten LEDs. Die in Serie geschalteten LEDs sind um eine warm-weiße Farbe zu erreichen teils rot und teils weiß. Die LED ist für 300V DC ausgelegt. Auf dem LED-Chip befinden sich zwei weiße und zwei rote LED-Arrays. Die gelbe Schicht der weißen LEDs ist ein Phosphor (also ein Leuchtstoff) der aus dem blauen Licht der Kristalle weißes Licht macht.


Ledchip hell.jpg

Eine weitere Ansicht des LED-Chips im Betrieb unter Spannung.


Schaltung[Bearbeiten]

Einfache Gleichrichterschaltung für LEDs
Für den Betieb an Netzspannung wird ein Kondensatornetzteil verwendet, welches aus 230V AC 300V DC macht. Die Schaltung ist mit 1A abgesichert.

Messung[Bearbeiten]

Messung

Es wurde zwischen dem roten und schwarzen Ausgang der oben genannten Schaltung gemessen. CH1 roter Anschluss CH2 schwarzer Anschluss. Die rote Linie am Oszillogramm ist Die Spannung zwischen den beiden Drähten (CH1-CH2).


Spannungen ab 60V sind lebensgefährlich!

Interne Links[Bearbeiten]

Externe Links[Bearbeiten]