Elektrische Eigenschaften der LED

Haben Leuchtdioden seit nunmehr vier Jahrzehnten als Signallämpchen gute Dienste geleistet, so erfolgte auf einmal innerhalb weniger Jahre ein großer Entwicklungssprung hin zu wesentlich größerer Helligkeit und hoher Lichtausbeute, so dass sich LED nun auch zu Beleuchtungszwecken eignen und sich hier eigentlich schon als Standard etabliert haben. Nachfolgend sollen die Eigenschaften dieser Leuchtmittel beleuchtet werden.

Allgemeines

Bei der Leuchtdiode handelt es sich tatsächlich, wie der Name sagt, um eine Halbleiter-Diode. Sie wird jedoch zum Zweck des Leuchtens nur in Durchlassrichtung betrieben. Anders herum würde sie zwar auch leuchten, aber nur ein Mal ganz kurz, und man könnte das Licht vorübergehend auch riechen. Die Sperrspannung der Diode ist vergleichsweise gering, weil diese Diode nicht zum Einsatz als Gleichrichter vorgesehen ist. Wie jede Diode weist sie in Durchlassrichtung eine exponentielle Kennlinie auf. Dies bedeutet, dass statt des ohmschen Gesetzes mit linearem (proportionalem) Zusammenhang zwischen Spannung und Strom ein exponentieller besteht. So errechnet sich der Diodenstrom ID abhängig von der Spannung UD an der Diode und der (absoluten) Temperatur T an der Sperrschicht nach der so genannten Shockley-Gleichung:

Darin ist

n der Emissions-Koeffizient, praktisch ein Korrekturfaktor für die einzelne Diode;

die Temperaturspannung mit:

k = 1,38*10-23 J/K die Boltzmann-Konstante (Naturkonstante);

q = 1,6*10-19 As die Elementarladung (Naturkonstante; die Ladung eines Elektrons);

T die absolute Temperatur der Sperrschicht im Moment der Messung [K];

IS der Sättigungs-Sperrstrom einer Diode, der – weit gehend unabhängig von der Spannung – auch in Sperrrichtung fließt, solange die Sperrspannung nicht überschritten wird. Er liegt bei Germanium-Dioden in der Größenordnung von 100 nA, bei Silizium-Dioden um 10 pA. Das ist immerhin ein Verhältnis von 1:10 000, wenn auch die absoluten Werte in beiden Fällen sehr klein sind. Der Wert ist jedoch von entscheidender Bedeutung zur Errechnung des Verhaltens in Durchlassrichtung, denn hiermit lässt sich die Formel zusammenfassend auch folgendermaßen schreiben:

Bild 5.1: Messung einer LED von 1 µA (leuchten tut sie auch hierbei schon – siehe Bild 6.9) bis zum Nennstrom von 330 mA ohne Kühlung
Bild 5.1: Messung einer LED von 1 µA (leuchten tut sie auch hierbei schon – siehe Bild 6.9) bis zum Nennstrom von 330 mA ohne Kühlung

So wird sie aber in der Literatur nicht angegeben – warum auch immer. Das ist schlecht, denn so wie oben stehend fiele sofort auf, dass die Temperatur im Nenner des Exponenten steht und das exponentielle Anwachsen des Stroms mit steigender Temperatur dämpft. Da wundert sich der Praktiker, der schon viele »thermische Durchbrüche« leidvoll beobachten durfte, bei denen durchweg die Leitfähigkeit von Halbleiter-Bauteilen mit zunehmender Temperatur rapide zunimmt und zur lawinenartigen Zerstörung der Halbleiter führt. Nach langem Suchen findet sich dann die ganze Wahrheit: Auch der Sättigungs-Sperrstrom IS ist – in diesem Zusammenhang leider meist unerwähnt – von der Temperatur abhängig! Diese Abhängigkeit lässt sich mit praxistauglicher Genauigkeit mathematisch beschreiben: Der Sättigungs-Sperrstrom IS verdoppelt sich näherungsweise je 10 K Temperatur-Erhöhung. Nun kann man mit dessen Startwert (von z. B. 20°C) und dem Emissions-Koeffizienten n so lange jonglieren, bis sich eine Kurve ergibt, die wenigstens in grober Näherung einer praktischen Messung entspricht. Mit n = 4,9 und IS (20°C) = 10 pA ergeben sich die Kurven aus Bild 5.2, die zumindest den prinzipiellen Verlauf darstellen. Hierfür wurde eine LED zwei Mal mit zwei Reihen jeweils gleicher Stromwerte gemessen:

Bild 5.2: Charakteristik einer LED für Beleuchtungszwecke (Moonstone ASMT-MY06-NMN00) gekühlt und ungekühlt, gerechnet und gemessen
Bild 5.2: Charakteristik einer LED für Beleuchtungszwecke (Moonstone ASMT-MY06-NMN00) gekühlt und ungekühlt, gerechnet und gemessen
  • Ein Mal einzeln auf ein großes Kühlblech montiert, das auch für 100 LED ausgereicht hätte. Die an der Oberfläche gemessene Temperatur stieg dabei lediglich von 18°C auf 23°C.
  • Ein Mal ohne jede Kühlvorrichtung, »gekühlt« allenfalls durch einen Temperatursensor (Bild 5.1). Die an der Oberfläche gemessene Temperatur stieg dabei bis auf 98°C an.

Bei der Auswertung fällt auf:

  • Die Kurven für Strom und Leistung verlaufen nahezu gleich – was logisch ist, da die Spannung an der Diode sich mit dem Strom nur unwesentlich verändert.
  • Die Mess- und Rechenwerte für den warmen Betriebszustand stimmen ziemlich gut überein.
  • Die Messwerte für den kalten Betriebszustand divergieren hiervon mit steigender Spannung / steigendem Strom, d. h. die Diskrepanz zwischen warm und kalt ist in der Messung wesentlich größer als in der Rechnung. Es sieht so aus, als sei in dem Rechenverfahren die Erwärmung der Diode bereits berücksichtigt: Die Kurven für Strom und Leistung steigen beide Male steil an, gekühlt und ungekühlt. In der Messung ist die Steigung gekühlt wesentlich weniger steil.

Dieser letztgenannte Befund ist im Prinzip unbefriedigend, jedoch für die nachfolgenden Betrachtungen von untergeordneter Bedeutung, da die LED sich im Betrieb stets erwärmt und der warme Betrieb den kritischen darstellt. Eine Abschätzung nach der vorliegenden Theorie wird also immer auf der sicheren Seite liegen.

Innerhalb des im praktischen Betrieb genutzten Bereichs führen also sehr kleine Veränderungen der angelegten Spannung bereits zu extrem großen Veränderungen beim Strom. Dies macht irgendeine Form von Strombegrenzung erforderlich. Das LED-Leuchtmittel muss über ein irgendwie geartetes Betriebsgerät verfügen, das den Wechselstrom nicht nur gleichrichtet, sondern auch das als Spannungsquelle aufgebaute Netz in eine Stromquelle umwandelt. Um eben dies soll es nachfolgend gehen.

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LED-Lampen für Kleinspannung (meist 12 V)

Die Fülle angebotener LED-Leuchtmittel ist mittlerweile unüberschaubar. Endlich geht es auch den unsäglichen »Halogen-Spots« an den Kragen. Da es sich bei Halogen-Glühlampen, wie sie richtig heißen und wie dieser Name schon sagt, um Glühlampen handelt, waren deren Lichtausbeuten niemals nennenswert besser als jene gewöhnlicher Allgebrauchs-Glühlampen. Die impertinente Mode, überall Strahler einzusetzen – auch dort, wo man gar kein gerichtetes Licht gebrauchen konnte – führte dazu, dass die Lichtbündel gegen irgendwelche (hoffentlich) weißen Wände gerichtet wurden, von wo dann (hoffentlich) das meiste Licht reflektiert wurde und sich einigermaßen gleichmäßig im Raum verteilte (Bild 9.5). Im Endeffekt war diese Form der Beleuchtung sogar weniger effizient als der Einsatz konventioneller Leuchten mit konventionellen Glühlampen an diesen Stellen gewesen wäre. Erschwerend kam hinzu, dass sich diese Mode auch im gewerblichen Raum – Büroschreibtische, Verkaufsflächen und Hotels – ausbreitete, wo der Einsatz von Glühlampen zuvor völlig unüblich gewesen war. Auf diese Art wurde die Lichtausbeute natürlich drastisch verschlechtert statt geringfügig verbessert. Zum Teil befinden sie sich dort noch immer im Einsatz – eingeführt, weil es als schick galt und für energieeffizient gehalten wurde. Die Unfähigkeit des Stromzählers, Verbräuche räumlich und zeitlich zuzuordnen, und die Unfähigkeit der KLL, die kleinen Strahler zu ersetzen, zogen diese Mode zeitlich in die Länge. Zwischenlösungen mit LED-Lampen, deren Licht man nicht nur sehen konnte, sondern sich leider auch anhören musste, konnten sich natürlich nicht durchsetzen und sind mittlerweile wieder vom Markt verschwunden. Auch die vollmundige Umbenennung der dort eingebauten Lüfter in »Aktiv-Kühlkörper« konnte diesen zum Glück nicht den Kragen retten (Bild 5.3, Bild 5.4).

Bild 5.3: Im montierten Zustand nicht sichtbar…
Bild 5.3: Im montierten Zustand nicht sichtbar…
Bild 5.4: …aber im eingeschalteten Zustand leider hörbar: LED-Leuchten mit eingebauten Lüftern
Bild 5.4: …aber im eingeschalteten Zustand leider hörbar: LED-Leuchten mit eingebauten Lüftern

Nun endlich sind Leuchtmittel verfügbar, die es u. a. auch ermöglichen, die vorhandenen Systeme auf sehr effiziente Lichtquellen umzurüsten. Die kompletten Leuchtmittel mit integrierten Reflektoren lassen sich jetzt durch LED-Lampen ersetzen. Zum Teil besteht hier aus mehreren Gründen dringender Handlungsbedarf. So kostete die Umrüstung von 17 Strahlern zu je 35 W auf LED-Lampen von je 7 W (Bild 4.1) in einem zum Arbeitszimmer ausgebauten Kellerraum zwar um 50 €, spart dort jedoch auch jedes Jahr rund 50 €. Gleichzeitig erscheint der Raum nach Eindruck der Bewohner – ohne dass ein objektiver Messwert vorläge – deutlich heller als zuvor.

Auch die einzelnen steckbaren kleinen Birnchen lassen sich nun durch LED-Lämpchen ersetzen (Bild 5.7). Die LED-Lämpchen mit GU4- oder GU5,3-Stiftsockel sind dabei nicht wesentlich größer als die Halogenglühlampen, die sie ersetzen sollen – etwas größer aber eben doch, so dass man auf die Abmessungen achten und im Einzelfall prüfen muss, ob der Ersatz (z. B. in Bild 5.5) gelingen wird. Hier nämlich passt das LED-Leuchtmittel 1 W nicht als Ersatz für die Halogenglühlampe 5 W in das dekorative Glasrohr (Bild 5.6).

Die LED-Lämpchen sind in zwei Ausführungen erhältlich:

Bild 5.5: Zumeist passen die Stiftsockel-LED in vorhandene Leuchten,…
Bild 5.5: Zumeist passen die Stiftsockel-LED in vorhandene Leuchten,…
Bild 5.6: …hier jedoch (Bild 5.5) z. B. passen sie nicht in die dekorativen Glasröhrchen, in die sie gehören würden
Bild 5.6: …hier jedoch (Bild 5.5) z. B. passen sie nicht in die dekorativen Glasröhrchen, in die sie gehören würden

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Lampen für Gleichspannung

Bild 5.7: LED-Leuchtmittel 1 W für 12 V Gleichspannung (links) und 2 W für 12 V Gleich- und Wechselspannung (rechts)
Bild 5.7: LED-Leuchtmittel 1 W für 12 V Gleichspannung (links) und 2 W für 12 V Gleich- und Wechselspannung (rechts)

Hier muss auf die richtige Polarität geachtet werden. Brennen sie nicht, so sind sie vermutlich falsch herum eingesteckt. Umdrehen – Lampe brennt. Die Finger verbrennt man sich dabei heute nicht mehr. An Wechselspannung brennen sie nicht oder unzureichend, in der Regel mit halber Leistung und mit 50 Hz flackernd, wie etwa das hier geprüfte Exemplar (Bild 5.7 links). Dabei ist zu berücksichtigen, dass sowohl konventionelle als auch elektronische Halogenlampen-Transformatoren eine Wechselspannung abgeben. Diese Transformatoren müssen also durch spezielle LED-Vorschaltgeräte ersetzt werden; Anderes bewährt sich nicht (Bild 5.12).

Bild 5.8: Typisches LED-Betriebsgerät 12 V; hier mit Nennleistung 100 W
Bild 5.8: Typisches LED-Betriebsgerät 12 V; hier mit Nennleistung 100 W

Eine weiße LED benötigt eine Betriebsspannung von etwa 3 V (Bild 5.2). In den Gleichstrom-Leuchtmitteln kann also nochmals eine mehr oder weniger aufwändige Elektronik untergebracht sein, oder es können einfach jeweils drei LED in Reihe geschaltet sein, und das »Betriebsgerät« besteht lediglich aus einem Vorwiderstand (Bild 3.12). Letzteres reicht vollkommen aus, da vor der gesamten Gruppe noch einmal ein Betriebsgerät mit 12 V stabilisierter Gleichspannung an seinem Ausgang angeordnet ist (Bild 5.8).

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Lampen für Gleich- und Wechselspannung

Bild 5.9: Verhalten einer LED GU4, Nennleistung 2 W, an 10 V, 12 V und 14 V – 50 Hz (für Gleichspannung vgl. Tabelle 5.1)
Bild 5.9: Verhalten einer LED GU4, Nennleistung 2 W, an 10 V, 12 V und 14 V – 50 Hz (für Gleichspannung vgl. Tabelle 5.1)

Üblicher Weise liegt die Nennspannung hier ebenfalls bei 12 V. Ein konventioneller Halogenlampen-Transformator kann in aller Regel weiter verwendet werden. Ein elektronischer dagegen kann Ärger machen, weil diese Geräte – warum auch immer – mit zu geringer Last oftmals nicht umgehen können. Die Lampen brennen dann überhaupt nicht oder fangen an zu blinken. Da die LED-Lampen um 80%, ja, bis zu 90% weniger Leistung aufnehmen, tritt dies nicht nur beim Ausfall eines Teils der Halogenglühlampen, sondern erst recht bei deren Ersatz durch LED-Lampen auf. Die (auch) für Wechselspannung geeigneten Lampen können verschiedene Topologien umfassen:

Tabelle 5.1: Messwerte der für Gleich- und Wechselspannung geeigneten Stiftsockellampe 2 W (Bild 5.9) und der 1-W-Gleichspannungslampe (Bild 5.7)
Tabelle 5.1: Messwerte der für Gleich- und Wechselspannung geeigneten Stiftsockellampe 2 W (Bild 5.9) und der 1-W-Gleichspannungslampe (Bild 5.7)

Üblicher Weise liegt die Nennspannung hier ebenfalls bei 12 V. Ein konventioneller Halogenlampen-Transformator kann in aller Regel weiter verwendet werden. Ein elektronischer dagegen kann Ärger machen, weil diese Geräte – warum auch immer – mit zu geringer Last oftmals nicht umgehen können. Die Lampen brennen dann überhaupt nicht oder fangen an zu blinken. Da die LED-Lampen um 80%, ja, bis zu 90% weniger Leistung aufnehmen, tritt dies nicht nur beim Ausfall eines Teils der Halogenglühlampen, sondern erst recht bei deren Ersatz durch LED-Lampen auf. Die (auch) für Wechselspannung geeigneten Lampen können verschiedene Topologien umfassen:

  • Entweder ist nur ein Brückengleichrichter und wiederum ein Vorwiderstand vorhanden. Dann jedoch sind diese Lampen gemäß der Charakteristik der LED (Bild 5.2) besonders empfindlich gegen Spannungsschwankungen, die unweigerlich zu Flackern führen müssen. Dies muss das Vorschaltgerät verhindern – und tut es in der Regel auch (Bild 5.10).
  • Oder es ist eine irgendwie geartete Stromstabilisierung – noch besser sogar eine Leistungsstabilisierung – vorhanden. Diese kann, wo vorhanden, wie ein Linearregler (ein sich automatisch anpassender Widerstand, ein Strombegrenzer) oder aber – verlustärmer – getaktet arbeiten. Wie ausgeführt, hat eine so weit gehende Verlustreduzierung bei LED-Leuchtmitteln dieser Leistungsklasse jedoch selten Sinn. Schließlich muss die Elektronik in dem Leuchtmittel auch noch Platz finden. In der 2-W-Lampe (Bild 5.7 Mitte und rechts) ist dies offenbar gelungen (Bild 5.11): Die Stromaufnahme steigt bis 10 V und geht oberhalb davon wieder zurück! Der Effekt ist bei Wechselspannung recht unvollkommen (Tabelle 5.1), bei Gleichspannungen zwischen 10 V und 14 V jedoch nahezu perfekt (Bild 5.10)! Zudem hat man dieser Lampe auch noch eine kleine Glättungskapazität spendiert (Bild 5.9): Die Kurvenform bei Betrieb mit Wechselstrom lässt erkennen, dass eine Kapazität vorhanden ist; die Lage der Stromkurve deutlich vor dem Spannungsscheitel verrät, dass die Kapazität nur relativ klein ist. Die Stufen in der absteigenden Flanke des Stroms zeugen von dem Bemühen der Elektronik um einen Ausgleich der schwankenden Spannung – aber unterhalb von 10 V »kann sie halt nicht mehr«. Wäre die Glättungskapazität »riesengroß«, also rein volumetrisch z. B. das 10-Fache der Lampe selbst, dann verhielte diese sich an Wechselspannung ebenso tadellos wie an Gleichspannung – aber man kann nicht alles haben, auch keine winzig kleine Lampe mit dem Verhalten einer großen. Die Nennleistung wird an Wechselspannung nicht erreicht, nicht einmal bei 14 V.

Betriebsgeräte für Kleinspannungslampen

Bild 5.10: Spannung und Strom am Ausgang des Gerätes aus Bild 5.8: Gute Stabilität der Gleichspannung; kaum eine Differenz zwischen Leerlauf und voller Last
Bild 5.10: Spannung und Strom am Ausgang des Gerätes aus Bild 5.8: Gute Stabilität der Gleichspannung; kaum eine Differenz zwischen Leerlauf und voller Last

Von der Ausgangsspannung externer Betriebsgeräte darf man im Allgemeinen eine gute Glättung und gute Stabilität erwarten (Bild 5.10). Ungeklärt ist, warum der Ausgangsstrom hier um 7% schwankt, obwohl die Ausgangsspannung zwischen Leerlauf und voller Last nur um 2,2% abweicht und eine Restwelligkeit von nur 0,5% aufweist – während die Messungen noch nicht einmal mit einer LED-Last, sondern mit KFZ-Glühlampen als Prüflast durchgeführt wurden.

Bild 5.11: Charakteristik der zwei 12-V-GU4-LED-Lampen aus Bild 5.7: Die 2-W-Lampe für Gleich- und Wechselspannung verfügt offensichtlich über eine Stromstabilisierung, die 1-W-Gleichspannungslampe nicht
Bild 5.11: Charakteristik der zwei 12-V-GU4-LED-Lampen aus Bild 5.7: Die 2-W-Lampe für Gleich- und Wechselspannung verfügt offensichtlich über eine Stromstabilisierung, die 1-W-Gleichspannungslampe nicht

Was sich offensichtlich jedoch nicht bewährt, ist der Versuch der »Umnutzung« alter elektronischer 12-V-Betriebsgeräte für Halogenglühlampen zum Betrieb von 12-V-LED-Lampen. Die Belastung mit einem zwischengeschalteten Brückengleichrichter und einer großen Glättungskapazität nehmen die alten, hierfür nicht ausgelegten Geräte mitunter übel (Bild 5.12). Mit einem konventionellen Transformator wäre dies ohne weiteres möglich. Zweckmäßig sind Ringkern-Transformatoren, wo vorhanden, da diese bei der nach der Umstellung sehr geringen Auslastung noch immer gute Wirkungsgrade aufweisen; ansonsten rüstet man besser auf neue adäquate Technik um.

Bild 5.12: Nicht nachmachen: Elektronischer Halogenlampen-Transformator nach dem Versuch, hiermit über Gleichrichter und Glättungs-Elko LED-Lampen zu betreiben
Bild 5.12: Nicht nachmachen: Elektronischer Halogenlampen-Transformator nach dem Versuch, hiermit über Gleichrichter und Glättungs-Elko LED-Lampen zu betreiben

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Dimmen von Kleinspannungslampen

Durch einfache Variation der Spannung oder – noch besser – eine verstellbare Strombegrenzung sind Leuchtmittel mit der einfachen »Widerstandstechnik« stets auch dimmbar, selbst wenn sie nicht explizit als »dimmbar« ausgewiesen sein sollten. Zwar müsste diese irgendwie geartete Dimmbarkeit (Verstellbarkeit von Spannung oder besser Strom) in dem Betriebsgerät vorgesehen sein, doch stellt sich die Frage der Dimmung eher selten, da es sich zumeist um recht kleine Leistungen und dafür eine große Zahl an Lampen handelt, die alternativ auch gruppenweise schaltbar verdrahtet werden können. Im Falle des Restchens LED-Klebstreifen, das zur Beleuchtung der Heiligen Drei Könige (Bilder 3.13 und 3.14) eingesetzt wurde, wurde als »Dimmung« sogar noch ein Vorwiderstand von 1 kΩ in die Anschlussleitung integriert. Der Gleichstrom-Leistungsbedarf für die auf dem Foto dargestellte Helligkeit liegt damit unter 50 mW! Dazu kommen allerdings noch etwa 300 mW Leerlauf-Verlustleistung des (hier nur noch sehr schwach ausgelasteten) Netzgerätes.

LED-Kleinspannungslampen, die sich auch zum Betrieb an Wechselspannung eignen, tendieren eher zu einer komplizierteren Technik, die auf einen Ausgleich der Auswirkungen von Spannungsschwankungen zielt – möglichst auch schon innerhalb der Periode der gleichgerichteten Wechselspannung. Dies arbeitet einer Dimmung entgegen. Gedimmter Betrieb ist hier vom Prinzip her nicht möglich.

Komplette Kleinspannungsnetze für die Beleuchtungstechnik

Von Gleichspannungsnetzen aller Spannungsebenen wird in letzter Zeit vermehrt berichtet. Die DKE erarbeitet eine »Deutsche Normungs-Roadmap Gleichstrom im Niederspannungsbereich« – doch das ist noch nicht alles; auch der Bereich »Fernspeisung in der Nachrichtentechnik« macht wieder vermehrt von sich reden. Hier ist zumeist der Kleinspannungssektor betroffen. Unter »PoE« (power over ethernet) werden Techniken beschrieben, dieselben Adern in einer Kommunikationsleitung gleichzeitig zur Spannungsversorgung von Endgeräten zu nutzen oder ungenutzte Adern im selben Kabel hierfür heran zu ziehen. Wegen des geringen Leistungsbedarfs – zumindest kleiner – LED-Lampen bestehen schon komplette Konzepte, die komplette Beleuchtung ohnehin »verkabelter« Büros über die Datenleitung zu speisen. Allerdings werfen diese Berichte bislang noch Fragen auf:

Unklar ist, wie ein solches »PoE-Netz« denn praktisch aufgebaut sein soll. Eine Übertragungsleistung von 60 W ist bislang möglich; 100 W ist in Planung. Das reicht vorne und hinten nicht aus, um ein ganzes Büro zu beleuchten. Das später noch genauer zu betrachtende LED-Paneel (Bild 6.7) benötigt schon 40 W. Es muss sich also beim »PoE-Netz« um ein echtes (vermaschtes) Netz im engeren Sinne des Wortes mit zahlreichen Einspeisepunkten handeln – was unsere Niederspannungs-Drehstromnetze noch nicht einmal sind. Wie teilen sich denn nun die Ströme auf? Wie sieht es mit dem Leitungsschutz aus? Wie sind die speisenden Geräte abgesichert? Unbedingt kurzschlussfest mit elektronischer Strombegrenzung? Dann geht das gesamte Licht aus, sobald eine Leuchte zu viel angeschlossen wird oder ein Speisegerät »sich verabschiedet«. Oder – noch viel adretter – die gesamte Beleuchtungsanlage fängt an zu blinken. Vieles ist hier noch unklar.

Die Leitungsverluste liegen deutlich über 10% der übertragenen Leistung. Wenn in Niederspannungs-Endstromkreisen ein Spannungsfall von 3% nicht überschritten werden sollte, dann begrenzen sich hiermit auch die Leitungsverluste auf 3%. Das lässt doch wohl nur einen Schluss zu: Die Datenleitung der Zukunft muss 3 Mal so viel Kupfer enthalten wie die gegenwärtige!

LED-Lampen für Netzspannung

Bei LED-Lampen für Netzspannung entfallen alle diese Unwägbarkeiten. Im Prinzip gilt all das zu Kleinspannungslampen Gesagte ebenso für alle LED-Leuchtmittel, doch bestehen LED-Lampen für Netzbetrieb aus einer fertigen Zusammenschaltung eines Betriebsgerätes – ob nun extern oder integriert – und einer Serien- und Parallelschaltung von Anordnungen ähnlich den oben beschriebenen. Lediglich sehr kleine Leuchtmittel bestehen nur aus einer einzigen LED. Fachleute betonen, dass oberhalb einer Nennleistung von etwa 1 W auch Elemente und Module, die sich »eine LED« nennen, im Grunde aus mehreren integriert werden. Der Kombination von Topologien sind hier keine Grenzen gesetzt. Der Nutzer blickt hier nicht mehr durch – und muss es zum Glück auch nicht, weil man Lampen sowie Module hierfür fix und fertig ab Lager bezieht. Bei den Lampen jedoch sind grundsätzlich zwei Fälle zu unterscheiden:

Austauschlampen

Wie für Kleinspannung, so sind mittlerweile erst recht für Netzspannung Leuchtmittel aller gängigen Fassungen verfügbar. Bisweilen erinnern die Probleme mit der räumlichen Kompatibilität noch an jene mit der KLL (Bild 0.2), weil die LED selbst zwar sehr klein ist, aber einen großflächigen Kühlkörper benötigt. Im Allgemeinen jedoch klappt der Austausch der alten Glühlampen gegen LED-Lampen besser als gegen die KLL – und der Austausch dieser gegen LED natürlich erst recht. In aller Regel kann in fast allen Anwendungen in Heim und Garten, in Handel, Gewerbe, Industrie und im öffentlichen Raum, wo derlei Leuchtmittel derzeit noch im Einsatz sind, ein LED-Austausch gefunden werden – und dieser Austausch ist auch zu empfehlen.

Nur mit LED-Leuchtröhren, die Leuchtstofflampen in bestehenden Leuchten ersetzen sollen, ist Skepsis angesagt. Es gibt hier Parallelen zu Präzedenzfällen aus alten Zeiten: Die versprochene »Energie-Ersparnis« wird in der Regel erzielt, indem man eine breit strahlende Leuchte durch eine solche ersetzt, die gerichtetes Licht abgibt – und dies an Stellen, wo man eigentlich breit strahlendes Licht benötigt. Die »Retrofits« stellen hier einen fragwürdigen Fortschritt nach hinten dar und machen so ihrem Namen alle Ehre (lat. retro = zurück).

Integrierte Lampen mit nicht austauschbaren LED-Modulen

Bild 5.13: Mensch, ist das hell hier! LED-Außenbeleuchtung im Handlauf einer Treppe untergebracht
Bild 5.13: Mensch, ist das hell hier! LED-Außenbeleuchtung im Handlauf einer Treppe untergebracht

Daneben ist ein Trend hin zu integrierten Leuchten zu beobachten, bei denen weder LED-Module noch Betriebsgeräte ohne weiteres austauschbar sind. Das mag man kritisieren – oder überdenken. Beim Nachdenken kann sich dann durchaus herausstellen, dass es nur begrenzt sinnhaft ist, unter entsprechendem Mehraufwand die Austauschbarkeit durch den Nutzer vorzusehen. In einer Leuchte, die voraussichtlich 20 Jahre in Betrieb sein wird, ein Leuchtmittel, das unter den gegebenen Umständen ebenfalls eine Lebenserwartung von 20 Jahren aufweist, wird sich dies nicht bezahlt machen. Wir sind es lediglich gewohnt, dass die Leuchtmittel nur einen Bruchteil der Lebensdauer der kompletten Leuchte aufweisen – doch wenn die LED sich nun anschicken, ihre vollmundigen Versprechen auch tatsächlich zu halten, dann ändern sich die Verhältnisse.

Witzig ist es schon, wenn man auch bei vollkommen neu konzipierten Lampen, Leuchten und Beleuchtungsanlagen wieder versucht, die linienförmige Anordnung und Gestalt beizubehalten bzw. wieder zu erlangen, die man von den Leuchtstofflampen her gewöhnt ist (»Lichtbänder«). Nahe liegend oder gar zwingend ist dies nur in einigen Anwendungsfällen (z. B. bei der von einem Elektro-Handwerksbetrieb ausgeführten Lösung in Bild 5.13), meist aber eher eine Ausführung als Paneele von näherungsweise quadratischem, rundem oder elliptischem Format – die natürlich auch erhältlich sind. Die Entwicklung erinnert etwas an die Gründerzeit der Eisenbahn, da die ersten Eisenbahnwagen auch aus Pferdekutschen bestanden, die man mit Schienenrädern umgerüstet hatte. Als dann die ersten »richtigen«, von vornherein als solche konzipierten Eisenbahnwagen hergestellt wurden, diente bei der äußeren Gestaltung noch immer die vertraute Form der Pferdekutschen als Modell. Erst später wurde die Gestalt dem Zweck und nicht mehr der Gewohnheit angepasst. Die Geschichte wiederholt sich.

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Betriebsgeräte für Netzspannungslampen

Eine unter dem Namen »Zhaga« (mehr oder weniger) bekannt gewordene Normenreihe versucht – oder versuchte einmal – LED-Module so zu standardisieren, dass sie gegeneinander austauschbar würden. Man hört jedoch in letzter Zeit erschreckend wenig davon. Die einzelnen »Bücher«, wie sie sich hier nennen, stehen nur in englischer und chinesischer Sprache zur Verfügung – dies allerdings immerhin kostenfrei. Sicher wäre es für Leuchten-Hersteller, die das »aktive« Innenleben einer Leuchte zukaufen, recht attraktiv, zwischen kompatiblen Komponenten verschiedener Hersteller auswählen zu können. Wenn aber das Innenleben – nach der für alle Beteiligten schmerzhaften Reifezeit dieses Marktes – eine ähnliche Lebenserwartung aufweist wie die ganze Leuchte und dann auch noch einen beträchtlichen Anteil am Preis der gesamten Leuchte ausmacht, ist eine solche Austauschbarkeit für den Endkunden uninteressant.

So wird es wohl bei den Individuallösungen bleiben. Neben den integrierten und den externen Netzgeräten tauchen auch Zwischendinge auf, bei denen ein an sich separates Vorschaltgerät mit eigenem Gehäuse mehr oder weniger lose im Leuchtenkörper liegt (Bilder 5.15 und 5.16). Man trifft auf Konstantspannungs- und Konstantstrom-Geräte mit immer wieder etwas unterschiedlichen Werten. Für jede Anwendung gibt es ein spezielles Vorschaltgerät – das aber in aller Regel gleich mitgeliefert wird. Wer das nicht will, muss auf die Kleinspannungs-Leuchtmittel zurückgreifen, die meist für die gängigen Spannungen 5 V, 12 V und 24 V ausgelegt sind. Für diese bekommt man Vorschaltgeräte auch einzeln in reicher Auswahl.

Dimmbarkeit von LED-Lampen für Netzspannung

Bild 5.14: 100-W-Glühlampe endlich ersetzt!
Bild 5.14: 100-W-Glühlampe endlich ersetzt!

Die Dimmbarkeit kompletter integrierter Beleuchtungsanlagen muss im Zuge der Anlagenplanung geregelt werden; allgemeine Aussagen sind hierzu nicht möglich (siehe jedoch die Angaben zu den Dimmern für Raum-Automationssysteme u. ä. in Tabelle 5.2). Bei den Einzelleuchten, insbesondere für Wohnräume (Bilder 5.14 bis 5.16), lassen sich dagegen auch einzelne Angaben machen.

Für die Leuchte in Bild 0.2 wurde schließlich doch eine passende LED-Lampe gefunden (Bild 5.14): Lichtstrom passt, Lichtfarbe passt ungefähr (könnte besser sein), Preis passt (≈ 16 €), Abmessungen passen (knapp), und der alte Phasenanschnitt-Dimmer passte auch noch zur neuen Lampe: Einwandfreie Funktion! Obwohl die Lampe dort weniger als ein Jahr lang im Einsatz war, ehe die komplette Leuchte dem Zeitgeschmack der Benutzerin zum Opfer fiel und durch jene in Bild 5.15 ersetzt wurde, hatte sich die Ausgabe über die Energiekosten bereits amortisiert.

Die neue Leuchte allerdings mochte sich mit dem vorhandenen Phasenanschnitt-Dimmer nicht abfinden und flackerte über weite Teile des Stellbereichs. Zum Glück aber stellte die findige Hausfrau bald fest, dass der Hersteller der Schalterserie mit der Zeit gegangen war und nun zu vertretbaren Preisen auch austauschkompatible Phasenabschnitt-Dimmer für vorhandene Schalterserien anbot – Problem gelöst.

Das Licht wurde anfangs nicht als recht befriedigend empfunden, da es – Farbtemperatur hin, Farbwiedergabe-Index her – grünlich aussah. Nun lässt das Lichtmodul (»light engine«, Bild 5.16) vermuten, man könne es ggf. gegen eines mit einem anderen Farbton austauschen, doch dazu kam es bislang nicht. Man gewöhnt sich an vieles.

Bild 5.15: Dimmbare Deckenleuchte 19 W; 2700 lm; 2900 K
Bild 5.15: Dimmbare Deckenleuchte 19 W; 2700 lm; 2900 K

So muss man auch bei der Dimmtechnik noch mit vielen Unzulänglichkeiten rechnen. In zwei größeren Versuchen in der Schweiz erforschten ein deutscher und ein Schweizer Autor die Kompatibilitäten und Inkompatibilitäten verschiedener (einfacher und aufwändiger) Dimmer mit verschiedenen, als »dimmbar« ausgewiesenen LED-Lampen (Tabelle 5.2, Tabelle 5.3). Die Einzelheiten wurden in der Schweiz veröffentlicht. Als bemerkenswert (und zum Teil in den Tabellen angemerkt) wurde insbesondere festgestellt:

  • Die Ergebnisse eines Leuchtmittels können an einem Dimmer unbefriedigend, an einem anderen jedoch einwandfrei sein.
  • Ebenso kann an einem Dimmer ein Leuchtmittel unzureichend, ein anderes jedoch tadellos funktionieren.
Bild 5.16: Innenleben der Leuchte aus Bild 5.15
Bild 5.16: Innenleben der Leuchte aus Bild 5.15
  • So neigen bei einigen Kombinationen die Lampen in Teilen des Dimmbereichs zum Flackern.
  • Auch sind oftmals die Dimmbereiche zu klein, in einer anderen Kombination jedoch sehr groß, fast bis auf null herunter reichend.
  • Die Dimmwirkung kann sich auch in einem störenden Ausmaß diskontinuierlich über den Stellbereich verteilen, was Bedienung und Handhabung erschwert.

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  • Zwischen den »Netto«-Messungen an Dimmern ohne Neutralleiter (die mit der Lampe in Reihenschaltung verdrahtet werden) und jenen Messungen an Dimmern, die über einen Anschluss des Neutralleiters verfügten (bei denen also die Eigenverluste mit gemessen wurden) fällt kein Unterschied auf.
  • In der untersten Dimmstellung ist die Wirkleistungsaufnahme sehr gering, bei den bis auf 0 dimmbaren Systemen nahezu gleich 0. Sinkt die Leistung nicht beträchtlich, so gilt dies auch für die Helligkeit (Tabelle 5.2, Spalte »Bemerkungen – Lampe«).
  • In Extremfällen kann eine Lampe jedoch im gedimmten Zustand eine höhere Verzerrungs-Blindleistung aufnehmen als ungedimmt (Tabelle 5.2).
  • Im anderen Extrem kann eine Lampe im gedimmten Zustand geringere (relative!) THD-Werte aufweisen als ungedimmt (Tabelle 5.2).
  • In der obersten Dimmstellung entspricht die Leistungsaufnahme durchweg näherungsweise der Nennleistung der Lampe.
  • Aus den letztgenannten fünf Punkten geht hervor, dass die Verlustleistung im Dimmer generell als gering angesehen werden kann. Im Allgemeinen liegt sie unter 1 W.

In beiden Untersuchungen wurden einfache und aufwändige Dimmer erfasst, zum Einbau in Unterputzdosen oder in Schalttafeln, mit Drehknopf oder zur Fernsteuerung durch analoge (z. B. 1…10 V) oder digitale (z. B. DALI) Signale, wie in den Tabellen dargestellt.

Tabelle 5.2: Übersicht der Versuche aus der Schweiz 2013, LED-Lampen zu dimmen, (auffällige Werte farblich hervorgehoben)
Tabelle 5.2: Übersicht der Versuche aus der Schweiz 2013, LED-Lampen zu dimmen, (auffällige Werte farblich hervorgehoben)

Beim zweiten Versuch (Tabelle 5.3) wurden 5 Dimmer an 10 Lampen mit GU10-Fassungen erprobt, darunter zum Vergleich eine kompatible Netzspannungs-Halogenglühlampe. Gemessen wurden auch die Beleuchtungsstärken E0 in einer Höhe von 2,5 m senkrecht unter der Lampe und E20 im Winkel von 20° abseits der Senkrechten. Diese beiden Werte und deren Verhältnis zueinander geben (nicht mehr als) einen Eindruck davon, wie genau – sofern angegeben – die Ausstrahlungswinkel stimmen.

Allerdings müsste man die gesamte Untersuchung beinahe jährlich wiederholen, da sich das Angebot an LED-Lampen und zugehörigen Dimmern rasant verändert. Es fehlt jedoch nach wie vor an einer Norm, wie ein Dimmer mit einer dimmbaren, elektronisch gesteuerten Lampe zu kommunizieren hat. Die Firma Osram versuchte es 2012 unter dem Namen »Ledotron«, doch man hört bedenklich wenig davon. So lange bleibt es bei Versuch und Irrtum im Einzelfall. Osram selbst – bzw. deren ausgegliederte selbstständige LED-Sparte – behauptet zwar, sie sähe das anders, aber noch nicht einmal Wikipedia kennt den Begriff »Ledotron« – auch nicht auf der englischsprachigen Seite. Warum schreibt denn bei Osram weltweit niemand einen Eintrag? Zudem werden einem im Internet verdächtig viele Restposten angeboten. Das ist bedauerlich. Die Welt hätte hier einen Standard gebraucht, der sich auch durchsetzt. Wenn man dann allerdings für eine Ledotron-kompatible »Energiesparlampe« (also eine KLL, noch nicht einmal eine LED-Lampe) schon um 40 € bezahlen soll, der Dimmer noch einmal mit etwa 60 € zuschlägt und der Artikel dann »im Moment« noch nicht einmal verfügbar ist, dann wird jeder potenzielle Kunde zögerlich. Möglicher Weise liegt es daran, dass man bei »Ledotron« – anders als der Name nahe legen soll – mehr an die Dimmbarkeit der KLL gedacht hat, wo dies noch problematischer ist. Die LED macht dies einfacher – und vielleicht geht es dann eines Tages auch ohne Standard. Den höheren Aufwand für eine aussterbende Technik per Standard in jeden Dimmer einzubauen ist sicherlich nicht besonders wirtschaftlich.

Tabelle 5.3: In Tabelle 5.4 verwendete Lampen
Tabelle 5.3: In Tabelle 5.4 verwendete Lampen

Das Dimmen von LED-Lampen zur Einsparung elektrischer Energie jedoch lohnt sich im Wohnraum-Bereich kaum jemals – und ist auch selten das Motiv, sondern es geht darum, situationsabhängig stets ausreichend viel, aber niemals unangenehm viel Licht um sich zu haben (Fernsehen; »Gemütlichkeit«). Im öffentlichen Raum, in Büros und Industriebetrieben wird die recht bequeme, technisch nicht sehr anspruchsvolle Dimmbarkeit der LED häufig propagiert – aber kaum jemals genutzt. Dies hat seine Gründe, denn die LED ist schon sehr effizient, und der Aufwand lohnt sich daher selten. Entweder braucht man das Licht und schaltet es ein, oder man braucht es eben nicht und schaltet es aus. Diese Vorgänge zu automatisieren reicht hin.

Tabelle 5.4: Übersicht der Versuche aus der Schweiz 2015, LED-Lampen zu dimmen
Tabelle 5.4: Übersicht der Versuche aus der Schweiz 2015, LED-Lampen zu dimmen