Optische Eigenschaften von LED

Bild 3.1: Ein Demo, das zum Einen zeigt…
Bild 3.1: Ein Demo, das zum Einen zeigt…

Zur Quantifizierung der Qualität des Lichtes, wenn man das so sagen kann, dient der Farbwiedergabe-Index. Dessen Herleitung und Definition sind kompliziert genug, um dahinter allerhand zu verstecken: Eine Lichtquelle, die das genormte Spektrum genau nachmachen kann, erreicht rechnerisch die beste Farbwiedergabe; eine mit einer vollkommen »glatten« Verteilung der Wellenlängen dagegen nicht. Eine solche, die exakt das Sonnenlicht nachmachen könnte, würde es auch nicht schaffen. Gerade an dieses – zwar nicht »ideale«, aber normativ so festgelegte – Referenzspektrum kommt man mit LED besonders nahe heran, und natürlich wird davon Gebrauch gemacht.

Bild 3.2: …wie viel blaues Licht man aus einer kleinen 9-V-Blockbatterie bekommt…
Bild 3.2: …wie viel blaues Licht man aus einer kleinen 9-V-Blockbatterie bekommt…

Leuchtdioden erzeugen von Natur aus ein schmalbandiges Licht, das also nur aus einer Farbe besteht. Will man weißes Licht erzeugen, so musste man dies anfangs aus zwei Farben, also zwei verschiedenen LED, mischen (nicht notwendiger Weise drei, wie in älteren Lehrbüchern u. ä fast immer zu lesen). Dazu wurden zwei oder drei solcher LED in einer vereint. Die Farbwiedergabe war miserabel, da z. B. ein »weißes« Licht, das nur aus Blau und Gelb besteht, einen grünen Gegenstand theoretisch schwarz erscheinen lässt. Praktisch wird ein wenig Grün zu erkennen sein, da die gelbe LED, eben weil sie zwar schmalbandiges, aber kein monochromatisches Licht abgibt, etwas Grün beinhaltet. Heute wird diese Methode zur Erzeugung weißen Lichts daher in der Raumbeleuchtung nicht mehr angewendet, seit es gelungen ist, eine Konversionsschicht auf eine einzige blaue LED aufzubringen. Die heutige weiße LED ist also auch eine Leuchtstofflampe. Licht mit größeren Wellenlängen, also niedrigeren Frequenzen und damit niedrigerer Energie je Lichtquant, lässt sich durch »Abbremsung« der blauen Lichtquanten erzeugen. So werden daraus grüne, gelbe und rote Lichtquanten. Nach anfänglichen Schwierigkeiten gelingt es mittlerweile wesentlich besser, die richtige Mischung und damit die gewünschte weiße Farbe zu treffen. Die betreffenden Vorurteile dagegen halten sich über Jahre, wie bei der KLL gehabt. Gelobt wird zum Teil weiterhin das statische, unveränderliche Farbspektrum der Glühlampe, das sich nur durch Dimmung – und auch hier ausschließlich auf eine ganz bestimmte, physikalisch fest liegende Weise – verändern lässt; ansonsten ist hierbei Lampenlicht immer gleich Lampenlicht.

Nach oben

Weiß ist nicht gleich weiß: Vorteil oder Nachteil?

Bild 3.3: …vor allem aber, wie eine Fluoreszenzschicht daraus weißes Licht beliebigen Farbtons macht…
Bild 3.3: …vor allem aber, wie eine Fluoreszenzschicht daraus weißes Licht beliebigen Farbtons macht…

Bei der LED hingegen ist stets ungewiss, was man bekommt. Das kann man als Mangel so formulieren – oder als Chance begreifen. Wie bei Leuchtstofflampen sind heute warmweiße, kaltweiße und tageslichtweiße Lampen verfügbar; allerdings ist das Licht zweier Lampen mit gleichen Daten (gleiche Werte von Farbtemperatur und Farbwiedergabe-Index) nur durch Zufall wirklich gleich. Man muss Leuchtmittel heute eigentlich nach Augenschein beschaffen, also im Betrieb sehen. Die Konversionsschicht macht alles möglich.

Bild 3.5: …oder mit Auflicht
Bild 3.5: …oder mit Auflicht

Dabei muss diese nicht notwendiger Weise in der LED eingearbeitet sein, sondern kann auch ein Teil der Leuchte darstellen. Damit lassen sich flexibel verschiedene Farbtemperaturen aus demselben blauen LED-Element erzeugen (Bilder 3.1 bis 3.5).

Bild 3.6: »Farbdrift« führt mitunter (noch) zu sich unterschiedlich verändernden Farben der einzelnen LED eines Leuchtmittels
Bild 3.6: »Farbdrift« führt mitunter (noch) zu sich unterschiedlich verändernden Farben der einzelnen LED eines Leuchtmittels

So kann auch der manchmal zu beobachtenden »Farbdrift« (Bild 3.6) entgegen gewirkt werden. Der Ausdruck besagt, dass einzelne LED – auch baugleiche, in einem Leuchtmittel zusammen arbeitende – unterschiedlich altern und dadurch ihre Farben ungleich verändern können. Man darf jedoch auch spekulieren, dass diese Störung eine Kinderkrankheit darstellt und sich über eher kurz als lang erledigt haben wird.

Nach oben

Farbige Vielfalt

Optimal geeignet sind LED-Lampen für Verkehrsampeln, Rücklichter und Blinker an KFZ und andere Signalzwecke, da man hier von vornherein nur die gewünschte Farbe erzeugt statt mit ohnehin ineffizienten Glühlampen ein kontinuierliches Spektrum zu erzeugen, aus dem man dann alle anderen Farben heraus filtert. Auffällig ist aber, dass man auch PKW sieht, bei denen zwar die 5-W-Glühbirnen der Rückleuchten durch rote LED ersetzt wurden, die 21-W-Glühbirnen in Blinkern und Bremslichtern jedoch noch blieben. Auch LED-Scheinwerfer lassen noch auf sich warten. Dazu muss man aber anmerken, dass sich der Ersatz im KFZ auf Grund der geringen Betriebszeiten allein aus Gründen der Energie-Effizienz niemals auszahlt. Ein Vorteil durch geringere Wartung entsteht auch nicht, da es gelungen ist, die KFZ-Glühlampen so weit zu verbessern, dass sie zumeist ein Autoleben überdauern. Schließlich ist ein privat genutzter PKW nur etwa 200 h/a in Betrieb und fährt noch nicht einmal ständig mit Licht. Es ist, wie fast alles am Auto, eine Frage des besseren Aussehens oder Ansehens. Das heute auf breiter Front eingeführte Tagfahrlicht dagegen besteht stets aus LED. Eben gerade die LED regte die Einführung an; ansonsten wäre womöglich (bislang) noch niemand auf die Idee gekommen.

Blink- und Blitzlichter

Somit bleiben dort LED-Blinker vorerst noch der Oberklasse vorbehalten, doch nehmen die LED als einzige Leuchtmittel das häufige Schalten in keiner Weise übel. Beim Blaulicht an Einsatzfahrzeugen der Rettungsdienste kommt insofern noch ein weiterer Vorzug der LED hinzu, als sich die LED kurzfristig hoch überlasten lässt. Entscheidend ist, ob die interne Wärmekapazität des Leuchtmittels die Wärme zwischenspeichern kann. Ist dies gegeben, so ist praktisch nur die mittlere Wärme-Entwicklung über einen Betriebszyklus für die Belastbarkeit entscheidend. Auch davon können andere Leuchtmittel nur träumen. Ein Paradebeispiel dafür ist der Fotoblitz – heute auch schon eine Domäne der LED.

Mehr Sicherheit am Fahrrad

Bild 3.7: Heute Standard: LED-Fahrrad-Rücklicht mit Standlichtfunktion
Bild 3.7: Heute Standard: LED-Fahrrad-Rücklicht mit Standlichtfunktion

Vor allem das Fahrrad profitiert mit insgesamt nur 3 W verfügbarer elektrischer Leistung an Bord von der erhöhten Sicherheit durch mehr Licht und durch weniger Ausfälle. Die etwas aufdringliche bläuliche Farbe des »kaltweißen« Lichts, bei dem weiße LED bessere Lichtausbeuten erreichen als bei Warmweiß, dient hier ebenfalls der verbesserten Sicherheit. LED-Licht ist am Fahrrad – zusammen mit dem Nabendynamo – mittlerweile zum Standard geworden. Der Radler von heute spürt es überhaupt nicht mehr, wenn er das Licht einschaltet – oder sich dies bei Dämmerung sogar automatisch einschaltet – während die Inbetriebnahme des Seitendynamos früher bedeutete: Einen Gang zurückschalten! Und sich dann bei Nässe oder spätestens bei Matsch oder Schnee den Reifen zersägen lassen statt Licht zu bekommen. Standlichtfunktionen sind nun – nicht mehr nur für das Rücklicht (Bild 3.7), sondern inzwischen auch in Form einer Spar-Schaltung für den Scheinwerfer – ohne Akkumulator möglich; ein integrierter Kondensator reicht für einige Minuten LED-Licht. Auch wenn während der Fahrt die Kondensatoren nachgeladen werden müssen, lassen die sparsamen LED-Lämpchen noch genügend »Saft« übrig, um das Mobiltelefon aufzuladen! Mit den kleinen Glühbirnchen wäre beides vollkommen illusorisch gewesen.

Bild 3.8: Tagfahrlicht für das Fahrrad ist eine wunderbare Sache, wenn man über einen Nabendynamo verfügt; eine Angabe in »Lux« ohne Nennung der näheren Umstände jedoch bar jeder Aussage
Bild 3.8: Tagfahrlicht für das Fahrrad ist eine wunderbare Sache, wenn man über einen Nabendynamo verfügt; eine Angabe in »Lux« ohne Nennung der näheren Umstände jedoch bar jeder Aussage

Leider besteht hier jedoch noch immer die Unsitte aus den Anfängen der LED-Leuchtmittel, als diese generell noch etwas schwächelten, die »Leistungsfähigkeit« von Fahrrad-Scheinwerfern in Lux anzugeben. Das Lux [lx] ist die Einheit für die Beleuchtungsstärke, die angibt, wie viel Licht auf eine bestimmte Fläche trifft (1 lx = 1 lm/m²). Die blanke Zahl sagt aber weder aus, in welcher Entfernung diese Beleuchtungsstärke erreicht wird, noch wie groß das beleuchtete Flächenstück denn ist – also sprich überhaupt nichts (Bild 3.8)

Nach oben

Dekoratives Licht

Bild 3.9: LED-Klebstreifen
Bild 3.9: LED-Klebstreifen

Am offensichtlichsten sind die herausragenden Vorteile der dekorativen Beleuchtung mit LED. Lichtszenarien mit wechselnden Farben aus einer Vielzahl kleiner, verteilter Lichtpunkte bieten sich geradezu an. Die Lichtausbeute ist um einen Faktor von nahezu 10 besser als etwa bei Verwendung kleiner Kleinspannungs-Glühbirnchen und rückt damit in einen Bereich, in dem man über weitere Verbesserungen nicht mehr nachdenken muss, zumal in der dekorativen Beleuchtung keine großen Lichtströme zum Einsatz kommen. Zu hell wäre ohnehin »ungemütlich«. Durch den Ersatz einer langjährig genutzten Weihnachtsbaum-Beleuchtung mit 85 Glühlämpchen (35 * 1 W + 50 * 0,7 W) durch einen Satz von 320 LED konnte die Wirkleistung um den Faktor 10, die Scheinleistung (Bild 3.10) immer noch um den Faktor 5 gesenkt werden. Die Betriebskosten fielen somit von 2,10 € auf 21 Cent je Saison. Dabei kommt auch und vor allem die Eigenschaft der LED zum Tragen, dass sich die einzelnen Lampen und Lämpchen sehr gut miniaturisieren lassen – und wenn es kleiner nicht mehr geht, lässt sich immer noch die einzelne Lampe mit stark reduzierter Leistung betreiben. Die LED bringt so den Einsatz von auf Batterien beruhenden Techniken in den Bereich des Möglichen, wo dies früher gar nicht erst erwogen zu werden brauchte (Bild 3.11). Der Ersatz der Batterien durch NiMH-Akkumulatoren spart dabei noch einmal in dreifacher Weise: Nicht nur durch Kosten-Ersparnis und Abfall-Vermeidung beim Verbrauch an Batterien, sondern auch die niedrigere Spannung der NiMH-Zellen von 1,25 V statt 1,5 V verlängert die Brenndauer überproportional (Bild 5.2). Die Einbuße an Helligkeit fällt dagegen praktisch nicht auf.

Bild 3.10: Weihnachtsbaum-Beleuchtung mit 320 LED, Nennleistung gesamt 6 W, gemessen brutto mit Vorschaltgerät 7,3 W
Bild 3.10: Weihnachtsbaum-Beleuchtung mit 320 LED, Nennleistung gesamt 6 W, gemessen brutto mit Vorschaltgerät 7,3 W

Prinzipiell bietet die Kleinspannungs-Technik heute auch Laien die Möglichkeit, in gewissem Umfang maßgeschneiderte Beleuchtung selbst einzurichten: Im Handel erhältliche LED-Klebstreifen (Bild 3.9) sind dafür vorgesehen, vom Kunden an bestimmten markierten Stellen auf die gewünschte Länge abgeschnitten zu werden. Jede Packung enthält ein Steckernetzteil zum Betrieb der so »gebastelten« Lösung mit 12 V Gleichspannung (SELV, kurzschlussfest) am Ausgang. Je drei LED sind miteinander und mit einem Vorwiderstand in Reihe geschaltet und bilden so eine abschneidbare Einheit.

Bild 3.11: Dekorative Weihnachtsbeleuchtung für Batteriebetrieb, hier umgerüstet auf Netzgerät – mindestens drei Lampen »schwächeln« jedoch schon nach nur 1000 Betriebsstunden
Bild 3.11: Dekorative Weihnachtsbeleuchtung für Batteriebetrieb, hier umgerüstet auf Netzgerät – mindestens drei Lampen »schwächeln« jedoch schon nach nur 1000 Betriebsstunden
Bild 3.12: Als »Strombegrenzer« genügt hier (Bild 3.11) ein Vorwiderstand
Bild 3.12: Als »Strombegrenzer« genügt hier (Bild 3.11) ein Vorwiderstand
Bild 3.13: Die Heiligen Drei Könige…
Bild 3.13: Die Heiligen Drei Könige…
Bild 3.14: …mit LED-Klebstreifen und einer Netto-(Kleinspannungs-)Anschlussleistung von unter 50 mW) hinterleuchtet (vgl. Abschnitt 5.2)
Bild 3.14: …mit LED-Klebstreifen und einer Netto-(Kleinspannungs-)Anschlussleistung von unter 50 mW) hinterleuchtet (vgl. Abschnitt 5.2)

Nach oben

Bühne frei für die LED

Vielfach haben sich – ungeachtet hoher Anschaffungspreise – auch schon LED-Scheinwerfer in der Bühnentechnik durchgesetzt, da sich hiermit besonders gut Farbwechsel jeder Art inszenieren lassen: Die Kombination verschiedenfarbiger LED in einem Scheinwerfer reduziert die notwendige Anschlussleistung auf vielleicht ein Zehntel der bislang mit Glühlampen notwendigen Werte. Die optional breit strahlende oder gerichtete Charakteristik der LED und das verzögerungsfreie Ein- und Ausschalten, Auf- und Abdimmen bieten die besten Voraussetzungen zur Ablösung der Glühlampen, die bislang als einzige diese Anforderungen erfüllten, aber dafür auch allerhand »Thermo-Management« erforderten. Der Ersatz mechanisch bewegter Farbfilter durch die getrennte elektrische Ansteuerung der verschiedenfarbigen LED erhöht die Zuverlässigkeit und zugleich die Reaktionsgeschwindigkeit. Der Schrecken der – wenn schon, dann auch noch mit einem lauten Knall – mitten in der Vorstellung ausfallenden Lampen ist ebenfalls gebannt. LED sterben, wenn, dann langsam und leise, und ihr rechnerisches Ende erreichen sie bei den paar Betriebsstunden auf der Bühne ohnehin nie. »Ideal« ist ein oft missbrauchtes Wort, doch dieses Leuchtmittel ist für diesen Zweck wirklich nahezu ideal geeignet. Das darf dann schon etwas kosten – unter anderem auch deshalb, weil die »thermische Beanspruchung« der Darsteller nun praktisch ganz entfällt. Man sieht es teilweise sogar daran, dass heute manch ein Selbstdarsteller, der etwas auf sich hält, nur noch unter einer Wollmütze auf Bühnen und in Fernsehstudios auftritt.

Medizintechnik: »OP-timales« Licht

Ganz ähnlich verhält es sich im Operationssaal, wo im Bereich des Operationsfeldes Beleuchtungsstärken eingesetzt werden, die an direkten Sonnenschein heran reichen. Wenn man bedenkt, dass in der Strahlungsleistung der alten Halogenglühlampen im Verhältnis zum Licht weitaus mehr Wärme enthalten ist als in der Sonnenstrahlung, wird vorstellbar, wie sehr die armen Patienten darunter gebraten würden. Von einem Grill zu sprechen wäre nicht übertrieben. Tatsächlich ist von Glühlampen – anfangs konventionelle, später Halogen – ab 1000 W die Rede. Aus der Berliner Charité wird von Hilfskräften berichtet, die den Ärzten regelmäßig den Schweiß von der Stirn wischten. Die heutigen LED-OP-Leuchten weisen jedoch sehr geringe Lebensdauern auf, teilweise nur ein halbes Jahr. Dies spricht für eine »ausgeknautsche« Auslegung zu Gunsten der hohen Leistungsdichte, weil hier andere Kriterien die erste Geige spielen. So bietet der Aufbau aus verschiedenfarbigen LED auch hier wiederum die Möglichkeit, das Licht optimal zu mischen.