LED-"Birnen"

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

Einleitung

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

Auf den Packungen der Hersteller sind sowohl bei Kompaktleuchtstofflampen, als auch bei LED-Birnen sehr optimistische Werte für die Lebensdauer und die Helligkeit angegeben.

Seit 1. September 2013 ist die DIM II – EU 1194/2012 EU Verordnung in Kraft, die gewisse Mindestanforderungen an die angegeben Werte gibt. Die Anforderungen werden schrittweise in 3 Stufen verschärft:

- Stufe 1: 1. September 2013, 
- Stufe 2: 1. September 2014
- Stufe 3: 1. September 2016

Die Einhaltung wird durch Marktaufsichtsbehörden zu kontrollieren; Man kann sich nur selber überlegen ob eher die Marken oder Noname-Hersteller sich daran halten werden.

Lebensdauervergleich

Kompaktleuchtstofflampen werden gerne mit bis zu 10.000h - LED-Lampen sogar mit bis zu 50.000h angegeben.

Für LED Lampen fordert die DIM II eine maximale Frühausfallrate von 5% nach 1000h und eine maximale Ausfallrate von 10% nach 6000h. (ab Stufe 1)

Kompaktleuchtstofflampen dürfen maximale 5% Frühausfallrate nach 500h haben und nach 6000h dürfen maximal 50% ausgefallen sein. (Stufe 1; Stufe 3: 70%)

Ein weiterer Punkt ist die alterungsbedingte Lichtstromabnahme: Nach der Richtlinie müssen für Kompaktleuchtstofflampen nach 2000h noch 80% (Stufe 2) bzw 83% nach 2000h und 70% nach 6000h (Stufe 3)

LEDs müssen nach 6000h noch mindestens 80% Lichtstrom haben. (Stufe 2)

Zum Vergleich: 50% der Glühlampen müssten >1000h (Stufe 1), 2000h (Stufe 2) bzw. für Kleinspannungslampen ab Stufe 3 4000h leben. Dabei müssen sie bei 3/4 der obigen Lebensdauerforderung noch mindestens 80% der Helligkeit haben. Frühausfallraten wären <5% bei 200h. Wären, da bekannterweise die Glühlampen die Anforderungen

Leistungsvergleich

Nach der DIM II ist es vorgeschrieben, dass die Lampen oder die Verpackung den Lichtstromwert in Lumen ausweisen. Damit werden die Leuchtmittel direkt vergleichbar in Punkto Helligkeit. Zusätzlich dürfen die Äquivalenzwerte angegeben werden, wobei die Umrechnung vom Lichtstrom vorgegeben ist. In der Regel benötigen hier dann LED-Lampen "mehr" Lumen als herkömmliche Glühlampen um die selbe Äquivalenzleistung zu haben.

Beispiel: eine GU20 40D 35W Halogen hat ca. 140lm. Die selbe Lichtmenge reicht nur für das Labeln von 25W (Äquivalent). 35W würden 230lm brauchen. (Beispiel von hier, Seite 8)

Im direkten Vergleich ist der Lichstrom sinnvoller, da hier die Augenempfindlichkeit schon berücksichtigt ist.

Farbwiedergabe- und Lichtfarbenvergleich

Auch Anforderungen an die Farbwiedergabe und an die Lichtfarbe werden in der DIM 2 formuliert:

Farbwiedergabe

Glühlampen haben per Definition einen Farbwiedergabewert Ra=100. Für LED und Kompaktleuchtstofflampen sind die Mindestanforderungen Ra>85 (bzw. Ra>65 für Aussen- oder Industrieanwendungen). Gute Lampen gibt es aber auch mit Ra>90.

Lichtfarbe

Auch die Lichtfarbe muss angegeben werden. Hier ist die Einheit Kelvin und je kleiner der Wert desto "wärmer" das Licht.

Normalerweise bekommt man hier nur "warmweiss" oder 3000K. Damit sollten die Zeiten vorbei sein wo man vom Chinamann eine 8000K LED-Lampe als warmweiss verkauft bekommt und dann sich über das blaue Licht wundert.

Bei LEDs darf maximale Farbabweichung darf hier nicht mehr als 6 Schwellwerteinheiten sein. Der Wert sollte angegeben sein, gut Lampen erreichen hier weniger als 3 Schwellwerteinheiten.

Vor- und Nachteile der LED-Lampen

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.
Sie enthalten keine leicht freisetzbaren Giftstoffe, wie Quecksilber.
Erreichen bereits nach wenigen Millisekunden nach dem Einschalten die volle Leuchtkraft.
Können eine sehr lange Lebensdauer haben (meist >= 30000 Stunden).
Sind nach Lebensende "nur" als Elektroschrott zu entsorgen (aber kein Sondermüll wie Energiesparlampen).

Jedoch gibt es auch einige Nachteile:

bei birnenähnlichen Designs und höheren Leistungen höherer Preis
Ähnlich wie bei ESLs befinden sich sehr viel billige Produkte am Markt, bei denen die Elektronik rasch kaputt geht.
schlechterer Farbwiedergabeindex Ra=80-95 (Glühbirne als Referenz Ra=100)
Bei Billigprodukten oftmals starke EMV-Probleme (Störungen im Kurzwellenbereich)

Kostenvergleich von Energiesparlampen

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

Hochvolt-LED-Lampen

Niederspannungs-LED-Lampen

Halogenersatzlampen

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

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.

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

von Benutzer:Didi34

Aufbau

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.

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

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

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.

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

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.

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

Schaltung

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

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).