Kaum ein anderes Thema wird derzeit in dem Arbeitsgebiet der Beleuchtung so häufig diskutiert wie deren energetisches Einsparpotenzial und Wirtschaftlichkeit. Konventionelle Lampen wurden aufgrund energetischer Anforderung vom Markt verdrängt und bei den Kompaktleuchtstofflampen treten Schwierigkeiten mit der Entsorgung auf. Daher scheinen sich zurzeit die LED als energieeffiziente Lösung für die Beleuchtung mit längerer Lebensdauer durchzusetzen. Wie sieht es jedoch mit ihrer Beleuchtungsqualität aus? Wie energie- und kosteneffizient sind die LEDs? Die Antwort auf diese Fragen sollte auf einer ganzheitlichen und objektiven Wirtschaftlichkeitsbetrachtung basieren. Die Höhe der tatsächlichen Investitionskosten und der Lichtstromdegradation der LEDs sollte berücksichtigt werden. Daneben ist die tatsächliche Beleuchtungsdauer der Beleuchtungsanlage unter Berücksichtigung der genormten Beleuchtungsstärke zu beachten. Zur Veranschaulichung wird eine Beleuchtungssimulation in einem Raum betrachtet. Zur Diskussion stehen zwei Beleuchtungs-Varianten: eine LED-Variante und eine konventionelle Variante mit Leuchtstofflampen. In der Wirtschaftlichkeitsberechnung werden die Kosten für die Beleuchtung über einen Zeitraum von 18 Jahren verglichen.
Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Degradation des Lichtstroms von LED-Produkten über die Zeit zu verstehen und den Einfluss der Lichtstroms-Degradation von LEDs auf die Wirtschaftlichkeit zu untersuchen.
Inhaltsverzeichnis
Abstract
1 Einleitung und Zielsetzung der Arbeit
2 Geschichte der LED
3 Aufbau und Funktionsweise von LEDs
3.1 T-Type LED
3.2 SMD-LED
3.3 COB-LED
4 Wesentlichen Eigenschaften von LEDs
4.1 Elektrische Eigenschaften
4.2 Optische Eigenschaften
4.3 Thermische Eigenschaften
4.4 Mechanische Eigenschaften
5 Erzeugung von weißem Licht im Halbleiter
5.1 Wellenlängenkonversion mit Phosphoren (Phosphorkonversions-Technologie)
5.2 Multichip-Lösungen (RGB-Technologie)
6 Stand der Technik
7 Zuverlässigkeit von LEDs
7.1 Lebenszyklus
7.2 Lebensdauer
7.2.1 Lebensdauer bei Lichtstromdegradation (LxBy)
7.2.2 Lebensdauer bei Totalausfall (LxCy)
7.2.3 Lebensdauer bei Kombination von Lichtstromdegradation und Totalausfall (LxFy)
7.3 Einflussfaktoren auf die Lebensdauer von LEDs
7.3.1 Temperatur
7.3.2 Betriebsstrom
7.3.3 Weitere Einflussfaktoren
8 Hauptkriterien zur Auswahl der LED-Leuchte
8.1 Lichtausbeute
8.2 Farbwiedergabeindex und Farbtemperatur
9 Aktueller Stand der Normen
10 Wartung von Beleuchtungsanlagen
10.1 Lampenlichtstromwartungsfaktor (LLMF)
10.2 Lampenüberlebensfaktor (LSF)
10.3 Leuchtenwartungsfaktor (LMF)
10.4 Raumwartungsfaktor (RSMF)
11 Vordimensionierung der Beleuchtung
12 Bewertung von Beleuchtungsvarianten in der Bibliothek
12.1 Analyse des Raums
12.2 Analyse der Art der Sehaufgabe
12.3 Festlegung der Parameter für die Energiebewertung
12.4 Auswahl von Leuchten
12.4.1 LED-Leuchte
12.4.2 T16 (T5)-Leuchte
12.5 Vorgehensweise
12.6 Beleuchtungssimulation mit LED-Leuchten
12.7 Beleuchtungssimulation mit T16 (T5)-Leuchtstofflampen
12.8 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
13 Diskussion der Ergebnisse
14 Zusammenfassung
15 Technologie-Ausblick
I Anhang
I.1 Definition des Lichts
I.2 Lichttechnische Größen
I.2.1 Lichtstrom
I.2.2 Lichtstärke
I.2.3 Beleuchtungsstärke
I.2.4 Leuchtdichte
I.3 LED-Lebensdauer-Wartungsfaktortabelle
II Quellenverzeichnis
III Abbildungsverzeichnis
IV Tabellenverzeichnis
Abstract
The rapid and permanent development of the performance of LEDs constantly opens up new fields of application. LEDs have just started being used in the general lighting segment, but they are not a traditional light source. LEDs are electronic components that only emit light and some controversies questioning their lifetime and longevity have been raised. The lack of a clear explanation about the meaning of life LEDs confuses consumers, but the present research paper tries to get a better understanding of the lifetime of LEDs.
Before comparing LEDs to traditional light sources with electronic ballast, the paper will present the various types of LEDs and examine their respective properties. Then the lighting of a library with workstations will be use as case study to analyze if the use of LEDs is cost-efficient in regard of the luminous flux over a period of 18 years.
Keywords: LEDs, cost-efficient, life-time, luminous flux, lumen maintenance
1 Einleitung und Zielsetzung der Arbeit
Kaum ein anderes Thema wird derzeit in dem Arbeitsgebiet der Beleuchtung so häufig diskutiert wie deren energetisches Einsparpotenzial und Wirtschaftlichkeit. Konventionelle Lampen wurden aufgrund energetischer Anforderung vom Markt verdrängt ( [1], [2] ) und bei den Kompaktleuchtstofflampen treten Schwierigkeiten mit der Entsorgung auf. Daher scheinen sich zurzeit die LED als energieeffiziente Lösung für die Beleuchtung mit längerer Lebensdauer durchzusetzen. Wie sieht es jedoch mit ihrer Beleuchtungsqualität aus? Wie energie- und kosteneffizient sind die LEDs? Die Antwort auf diese Fragen sollte auf einer ganzheitlichen und objektiven Wirtschaftlichkeitsbetrachtung basieren. Die Höhe der tatsächlichen Investitionskosten und der Lichtstromdegradation der LEDs sollte berücksichtig werden. Daneben ist die tatsächliche Beleuchtungsdauer der Beleuchtungsanlage unter Berücksichtigung der genormten Beleuchtungsstärke zu beachten. Zur Veranschaulichung wird eine Beleuchtungssimulation in einem Raum betrachtet. Zur Diskussion stehen zwei Beleuchtungs-Varianten: eine LED-Variante und eine konventionelle Variante mit Leuchtstofflampen. In der Wirtschaftlichkeitsberechnung werden die Kosten für die Beleuchtung über einen Zeitraum von 18 Jahren verglichen.
Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Degradation des Lichtstroms von LED-Produkten über die Zeit zu verstehen und den Einfluss der Lichtstroms-Degradation von LEDs auf die Wirtschaftlichkeit zu untersuchen.
2 Geschichte der LED
Im Jahr 1907 entdeckte der englische Forscher Henry Joseph Round Elektrolumineszenzerscheinungen an anorganischen Halbleiterkristallen des Typs SiC (Siliziumkarbid). Eine quantenphysikalische Beschreibung des LED-Effekts gelang allerdings erst 1951 durch Lehovec, Accado und Jamgochian [3]. Lichtemittierende Dioden werden seit den 60-er Jahren des letzten Jahrhunderts in Massenproduktion hergestellt. Anfänglich wurden LEDs wegen ihres geringeren Stromverbrauchs als kleine Anzeigelampen in Elektrogeräten benutzt. Zuerst konnten nur rote LEDs seriell hergestellt werden. Durch die Entwicklung neuer Materialien und neuer Kristallzuchtverfahren gelang es im Jahr 1994 erstmalig, weißes Licht zu realisieren und, unter Verwendung von GaN-Schichtsystemen auf Saphir, welche blaues Licht erzeugen (siehe Abbildung 2.1) Die effiziente blaue LED konnte so entwickelt werden. Seit Mitte der 90-er Jahre konnte die Effizienz und die Leistungsfähigkeit der LEDs kontinuierlich gesteigert werden.
Lag die Effizienz 1996 noch bei ca. 10 lm/W bei LEDs, liegt sie heute für die besten verfügbaren weißen Hochleistungsleuchtdioden bei ca. 140 lm/W [4].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.1: Aufbau der ersten technisch produzierten blauen LED (Nichia, 1994)
3 Aufbau und Funktionsweise von LEDs
Eine LED (Light Emitting Diode) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement aus zwei unterschiedlich dotierten Bereichen. Das N-Gebiet mit einem Elektronenüberschuss und das P-Gebiet mit einem Mangel an Elektronen. In Durchlassrichtung erfolgt ein Ausgleich zwischen Elektronenüberschuss und -mangel im PN-Übergang durch einen Rekombinationsprozess. Aufgrund dieses Vorgangs entsteht das Licht (siehe Abbildung 3.1).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.1: Prinzipieller Aufbau eines Luxeon LED-Moduls [5]
Die Farbe des Lichts, das von der LED emittiert wird, hängt davon ab, aus welchen Materialien die Diode hergestellt wurde und wie sie konfiguriert ist [6]. Um LEDs mit hoher Helligkeit in allen Farben herzustellen, verwendet man heute hauptsächlich:
- Aluminium-Indium-Galliumphosphid (AlInGaP) für Rot und Gelb
- Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) für Grün und Blau [7]
Je nach den zur Herstellung des Halbleiterkristalls verwendeten Materialien leuchten LEDs in rot, orange, gelb, grün oder blau. Um mit LEDs weißes Licht zu erzeugen, müssen entweder mehrere farbige LEDs kombiniert werden, deren Licht durch additive Farbmischung (rot, grün, blau) weiß ergibt oder das blaue Licht einer einzelnen LED muss durch einen Luminiszensfarbstoff ein spektral breites, andersfarbiges Licht umgewandelt werden, so dass die Überlagerung der Emissionen weißes Licht ergibt [8].
Entsprechend ihrer Leistung haben LEDs nicht die dieselbe Architektur. Es gibt daher zwei Hauptarten: eine klassische Architektur (low-power), für LED schwacher Leistung (kleiner als 1 W) und eine Architektur (high power) für leistungsfähige LED (größer oder gleich 1 W).
Die LEDs unterscheiden sich von ihren Bauformen. In Folgenden werden die bedeutsamen Bauarten dargestellt.
3.1 T-Type LED
Die konventionelle Bauart, auch T-Type genannt, die von der Abbildung 3.2 illustriert ist, besitzt eine Kuppel in Epoxid, die keine Rotationssymmetrie um ihre Hauptachse hat, sondern einen flachen Rand auf der Seite der Kathode besitzt. Dieses Merkmal ermöglicht dem Benutzer, die Anode der Kathode unterscheiden zu können, wenn die Identifizierung von der Länge der Pfosten von LED nicht mehr möglich ist. Einerseits schützt diese Kuppel den Halbleiterchip vor der Umwelt und andererseits dient sie als optische Linse für das ausgestrahlten Lichtes.
Die Wärmeabführung, die durch den PN-Übergang hergestellt ist, kommt durch die Kathode.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.2: Aufbau eines T-Typs [9]
3.2 SMD-LED
Ein Beispiel einer SMD-LED (Surface Mounted Device) wird in der Abbildung 3.3 gegeben. Die SMD-LED auch Chip-LED genannt, wird auf eine Leiterplatte geklebt und im Lötbad kontaktiert. Der Vorteil der SMD-LED ist die kompaktere Bauweise und damit einen geringeren Platzbedarf.
Die Stromversorgung des Halbleiterchips wird von zwei Elektroden gesichert. Sie sind mit zwei Fäden verbunden. Im Gegensatz zur T-Type LED gibt es in diese unterschiedlichen Wege der Stromversorgung und der Wärmeableitung. Die Wärmeabführung wird durch einen Basisblock gesichert.
Die bedeutsamen SMD-LEDs sind die SMD 3028 und die SMD 5050. Die SMD 3028 sind LED-Chips mit einer Maße von 3 x 2,8 mm und eine Leistung von ca. 0,2 W. Außerdem sind die SMD 5050 LED-Chips mit einer Maße von 5 x 5 mm und eine Leistung von ca. 0,5 W. Jedoch verfügt ein SMD 3028-Chip über einen einzelnen Lichtpunkten. Dagegen verfügt ein SMD 5050-Chip über drei Lichtpunkte. Mit diesen drei Lichtpunkte können sowohl unterschiedlichen Farben dargestellt werden als auch Drei Mal dieselbe.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.3: schematische Darstellung einer SMD-LED [10]
3.3 COB-LED
COB-LED (Chip on Board) oder LED-Arrays werden für leistungsstarke LED-Module eingesetzt. Bei dieser Bauform werden nicht verkapselte Halbleiter auf das Substrat aufgetragen. Die LED-Arrays basieren auf einer Matrix aus LED (siehe Abbildung 3.4).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.4: exemplarische Schaltskizze eines LED-Arrays mit 30 LEDs
Die Verschaltung von LEDs in Reihe und parallel in einer Matrix sorgt dafür, dass der Stromfluss durch das Array gesichert ist, selbst wenn eine einzelne LED ausfällt. Demzufolge bleibt das gesamte System voll funktionsfähig [11]. Mehrere SMD-LEDs haben einen erheblichen Platzbedarf. Dies ist eine effektive Alternative zum Einsatz mehrerer SMD-LEDs aufgrund der Homogenität der Lichtabstrahlung (siehe Abbildung 3.5).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.5: Sharp Zenigata LED-Arrays
4 Wesentlichen Eigenschaften von LEDs
In diesem Kapitel wird auf die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von LEDs eingegangen, die zum Teil einen signifikanten Einfluss auf die Funktion der LED haben.
4.1 Elektrische Eigenschaften
Die LED ist elektrisch eine Diode, welche in Durchlassrichtung betrieben wird (siehe Abbildung 4.1).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4.1: LED in Durchlassrichtung
Entsprechend zeigt sich auch die Kennlinie der LED (siehe Abbildung 4.2). Diese Kennlinie zeigt an, dass ein minimaler Wert der Spannung (UF) in der Durchlassrichtung erreicht wird. Damit muss ein Strom (IF) in der LED laufen. Die Spannung UF ist die Schwellenspannung. Damit sie LED das Licht ausstrahlt, muss die LED also mit einer minimalen Spannung versorgt werden.
Eine LED besitzt eine exponentielle Kennlinie. Durch kleine Schwankungen in der Spannung werden große Stromänderungen verursacht.
Die rote Linie in der Abbildung 4.2 zeigt eine etwas abweichende Kennlinie. Diese Abweichung ist durch Streuungen der Halbleitereigenschaften und Temperaturerhöhungen verursacht. Ein typischer Temperaturkoeffizient für die Vorwärtsspannung bei konstantem Strom beträgt ca. 1,5 bis 2,5 mV/K. Somit ist bei höheren Temperaturen und konstantem Strom die gemessene Vorwärtsspannung niedriger [12].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4.2: Kennlinie einer weißen LED (schematisch) [13]
4.2 Optische Eigenschaften
Aufgrund der Konstruktion von LEDs (Trägerplatte oder SMD) strahlen LEDs nur in einem Halbraum. Durch die Geometrie des LED-Kristalls und zusätzliche Kunstofflinsen ist das Licht von LEDs oft in eine Richtung gebündelt. Dies unterscheidet LEDs von z. B. Glühlampen und Leuchtstofflampen.
4.3 Thermische Eigenschaften
Mehrere Studien haben einen Einfluss der Temperatur von LED auf die Stabilität der physikalischen und der farbmetrischen Parameter sowie auf die Lebensdauer gezeigt.
Nadarajah Narendran [14] hat den Einfluss der Temperatur von LEDs auf ihre Lebensdauer und ihrer Chromatizität nachgewiesen. Für einen Anstieg der Umgebungstemperatur der LED Ta (hier Tb) (siehe Abbildung 4.3), in der Größenordnung von 30 °C, kann ihre Lebensdauer (in 70% des anfänglichen Lichtstroms definiert) durch einen Faktor von ca. 1,5 bis 15 geteilt werden. Für dieselbe Temperaturänderung entwickeln sich die Chromatizität x und y des Norm-Farbsystems CIE 1931 mit einer Differenz zwischen 0,0007 und 0,04.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4.3: Entwicklung des abgestrahlten Lichts in Abhängigkeit der Zeit für verschiedene Temperaturen von einer Gruppe von LEDs des gleichen Typs [14]
János Schanda( [15], [16]) hat die Auswirkungen der Temperatur des PN-Übergang von LEDs auf ihr Spektrum gezeigt. Die LED wird mit Temperaturen zwischen ca. 23 und 70 °C getestet. Das Maximum der Spektralverteilungsfunktion fällt mit dem Anstieg der Temperatur ab. Die Wellenlänge wird teilweise verschoben (siehe Abbildung 4.4).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4.4: Spektrale Verteilung einer grünen LED bei unterschiedlichen Temperaturen [16]
In den Datenblättern von Herstellern ist interessanterweise zu bemerken, dass die technischen Informationen über eine Sperrschicht-Temperatur im P-N-Übergang im Inneren des LED-Chips fehlen. Jedoch wird die Umgebungstemperatur (Ta = 25 °C) von einigen Herstellern gegeben. In einer normalen Nutzung von LEDs mit einem Kühlkörper ist diese Temperatur nicht mit der Sperrschicht-Temperatur Tj gleich. In Wirklichkeit liegt Tj > Ta bei ca. 110 °C [17].
Die Sperrschicht-Temperatur der LED beeinflusst die Effizienz und die Lebensdauer des gesamten LED-Systems.
Eine direkte Messung der Sperrschicht-Temperatur in dem PN-Übergang einer LED ist nicht einfach, weil diese in einer Schutzkuppel eingekapselt wird. Jedoch ist es möglich, diese Temperatur durch die Strom-Spannungs-Kennlinie zu ermitteln. Der theoretische Ausdruck nach Shockley ist folgende [18]:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abhängig vom Typ des LED-Kristalls, gibt die LED ca. 50-80% der aufgenommen elektrischen Leistung als Wärme ab. Weil das Licht der LED fast keine Wärmestrahlung enthält, muss die Wärme ab 1 W Leistung durch Kühlkörper abgeführt werden. Ansonsten werden die Lebensdauer und der Lichtstrom drastisch abfallen [5].
4.4 Mechanische Eigenschaften
LEDs haben deutlich kleinere Abmessungen als herkömmliche Quellen der künstlichen Beleuchtung wie Glüh- oder Leuchtstofflampen. Sie können in Systemen integriert werden, in denen der Platz sehr begrenzt ist.
Der Hauptbestandteil einer LED ist ein Halbleiterchip. Dieser ist vollständig in einem transparenten Material, in der Regel Epoxydharz, eingebettet. Diese Architektur ermöglicht eine deutlich höhere Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Stöße als die üblichen Beleuchtungsquellen.
5 Erzeugung von weißem Licht im Halbleiter
Um weißes Licht mit Hilfe von LEDs zu erzeugen, sind mindestens zwei Farben notwendig. Diese können direkt von LED-Chips oder von Leuchtstoffen (Phosphoren) abgegeben werden [8].
Weißes Licht ist mit LEDs auf zwei Arten realisierbar: zum einen durch die geeignete Mischung von Einzelfarben (z.B. Rot-Blau-Grün, RGB System) und zum anderen durch die Mischung von blauem mit breitbandigem gelben Licht (Phosphorsystem) [8].
In der Summe erscheint die Mischung aus blau und gelb für das menschliche Auge als weiß.
5.1 Wellenlängenkonversion mit Phosphoren (Phosphorkonversions-Technologie)
Bei dieser Technologie regt das Licht einer blauen LED mit einer Wellenlänge von 460nm, Phosphor zum Leuchten an. Dies ergänzt das kurzwellige blaue Licht um ein breiteres langwelliges Spektrum, erzeugt durch den Phosphor. Durch diese Mischung des Lichtes entsteht weißes Licht [19] (siehe Abbildung 5.1)
Farbtemperatur und Farbwiedergabeindex werden durch die geeignete Kombination verschiedener Farbstoffe eingestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5.1: weiße LED auf Konversionbasis [13]
Durch die Phosphorkonversions-Technologie lassen sich Schwankungen des Weißpunkts über die Lebensdauer der LED fast völlig eliminieren und die Farbwiedergabe auf Ra > 90 erhöhen [3].
Allerdings sind die LEDs mit Phosphor-Konversion weniger effizient als LEDs ohne Phosphor. Bei ähnlicher elektrischer Leistung ist bei Leuchtdioden mit Phosphor-Konversion weniger Lichtstrom zu erwarten [20].
5.2 Multichip-Lösungen (RGB-Technologie)
Die RGB-Technologie bietet durch ihre Eigenschaft, Licht additiv aus den Farben rot, grün und blau zusammenzusetzen, die Möglichkeit, jeden Farbort innerhalb des durch die von den LEDs aufgespannten Farbraumes darzustellen und somit auch Weißlicht entlang der Plank’schen Kurve abzubilden [19] (siehe Abbildung 5.2)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5.2: weiße LED auf RGB-Basis [13]
Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass der Weißpunkt des erzeugten Lichts über die Lebensdauer der LED und in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur schwankt. Außerdem ist die Farbwiedergabe des weißen Lichts relativ schlecht [3].
6 Stand der Technik
Die Effizienz von LEDs ist in den letzten Jahren deutlich gestiegen. LEDs sind heute über 15-mal heller als eine 60 W-Glühlampe. Weiße Leuchtdioden erreichen Ausbeuten von 100 bis 140 lm/W [4]. Somit sind LEDs in der Lichtausbeute mit Halogen-Glühlampen vergleichbar.
Die Brandbreite für Anwendungen von LEDs ist in den letzten Jahren wesentlich größer geworden. Dies hängt mit der sehr deutlich gestiegenen Lichtausbeute und mit einer Verbreiterung der Farbpalette (gelb, orange, grün zu blau und weiß) zusammen. Aus diesem Grund sind Anwendungen möglich geworden, die vor einigen Jahren nicht denkbar waren. Die Steigerung der Lichtausbeute von LEDs hat zu verschiedenen neuen Anwendungen für die Beleuchtung im kommerziellen Bereich, im Büroraum, in der optischen Industrie als auch im Maschinenbau geführt. Mit dem gesteigerten Lichtstrom und der erhöhten Effizienz werden besonders Hochleistungs-LEDs interessant für Beleuchtungszwecke in den Bereichen Medizintechnik, industrieller Bildverarbeitung oder in der Automobilindustrie [21].
7 Zuverlässigkeit von LEDs
„Zuverlässigkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Erzeugnis unter gegebenen Betriebsbedingungen während einer bestimmten Zeit bestimmte Mindestwerte nicht unterschreitet” [22]. Zur Bestimmung der Zuverlässigkeit von LEDs müssen folglich nach der Analyse des Lebenszyklus einer LED die drei Komponenten Lichtdegradation, Ausfallwahrscheinlichkeit und Lebensdauer erläutert und in Bezug gesetzt werden.
7.1 Lebenszyklus
In mehreren Fällen, insbesondere in der Elektronik, ist der Verlauf der Ausfallrate „Badewannenkurve“ genannt (siehe Abbildung 7.1). Dies zeigt, dass es zunächst schnelle Ausfälle aufgrund von Herstellungsfehlern (Frühausfall) gibt. Dann gibt es eine stabile Phase (Nutzungsphase oder Konsolidierungsphase) und schließlich den Verschleiß (Verschleißphase).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7.1: Lebenszyklus eines LEDs [23]
7.2 Lebensdauer
Die Definition der Lebensdauer Lx eines einzelnen LED-Moduls nach DIN EN 62717 lautet: „Zeitdauer, während der ein LED-Modul unter festgelegten Bedingungen mehr als die angegebene Prozentzahl x des Anfangslichtstroms liefert“ [24].
Derzeit liegt die Lebensdauer von hochwertigeren LEDs bei 50.000 h. Diese Lebensdauerangabe gilt für Werte L70, L80 oder L90, die den Restlichtstrom nach 50.000 h definiert. Allerdings ist kein Hersteller in der Lage ein Lebensdauertest von LEDs für 50.000 h durchzuführen, bevor das Produkt auf dem Markt kommt. Da die Lebensdauer einer LED-Leuchte theoretisch sehr lang ist, ist es zeitaufwendig, die Abnahme des Lichtstroms mit der Zeit zu messen. Es ist nicht möglich, den Lichtstromrückgang einer LED durch einfache mathematische Berechnungen zu ermitteln. Um die Lebensdauer von LEDs zu bestimmen, ist eine Extrapolation der Messdaten aus einer relativ kurzen Messzeit notwendig. Die US-amerikanische IES (Illuminating Engineering Society of North America) hat dafür den Standard LM-80 definiert [25], der sich als allgemeines Messverfahren etabliert hat. Es werden dabei LEDs in einem minimalen Zeitraum von 6.000 h getestet. Jedoch sind 10.000 h bevorzugt. Die Messdaten müssen mindestens alle 1.000 Betriebsstunden aufgenommen werden. Die Abbildung 7.2 stellt das Ergebnis eines LED-Test nach IES LM-80 nach 6.000 h Betriebszeit dar.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7.2: Testergebnis einer Reihe LEDs nach IES LM-80 [26]
Zwar testen Hersteller die LEDs unter gleichen LM-80-Messverfahren aber die Auswertung und die Extrapolation der Messdaten werden nach unterschiedlichen Methoden durchgeführt. Daher sind die Ergebnisse nicht vergleichbar. Aus diesem Grund wurde der Standard IES TM-21 [27] mit dem Ziel entwickelt (in Bearbeitung) Daten verschiedener Hersteller besser vergleichbar zu machen. Dabei werden die ersten 1.000 h des LED-Betriebs nicht berücksichtigt, da in dieser Zeitpanne die LEDs eine Art Einschwingverhalten zeigen. Darüber hinaus darf das Ergebnis mit einem Faktor von maximal sechs extrapoliert werden [26]. Mit der Kombination der Messwerte aus dem LM-80-Verfahren mit mathematischen Rechenmodellen aus TM-21 besteht die Möglichkeit, Prognosen über das Verhalten der LEDs in einem größeren Zeitrahmen zu äußern. Außerdem kann auf Basis dieser Berechnung eine Lebensdauerkurve extrapoliert werden. Dank der IES TM-21 sollten die LED-Herstellerangabe besser vergleichbar und vertrauenswürdiger sein.
[...]
- Citar trabajo
- Abdias Mbeusseune (Autor), 2014, Wirtschaftlichkeit von LED-Bürobeleuchtung unter Berücksichtigung des Lichtstromrückgangs aufgrund von Lampenalterung, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/273722
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