Erstellt:08.02.2014
Aktualisiert:09.02.2014

LEDs und Licht

Wir waren schon öfters Zeugen von Diskussionen über Leuchtmittel und LEDs. Dabei haben wir festgestellt, dass kaum jemand weiß von was er überhaupt redet. Es ist auch schwer gute und einfache Beschreibungen zu finden. Meistens sind sie nicht ausführlich genug oder zu abstrakt. Deswegen möchten wir hier das Wichtigste über LEDs und ihre Kennwerte möglichst einfach klären. Wer weiterführende Informationen haben möchte sollte sich bei Wikipedia umsehen.

Da wir bereits sehr viel mit LEDs in Dekorationsleuchten und Zimmerbeleuchtungen eingesetzt haben, möchten wir hier auch ein paar Tipps zur und Auswahl von LEDs und deren Betrieb geben.

 

 

Technische Daten einer LED

Es kann zwischen den elektrischen und optischen Kennwerten unterschieden werden. Wer nicht tiefer in die Materie einsteigen möchte, sollte auf jeden Fall noch die Abschnitte Lichtstärke, Lichtstrom und die Gegenüberstellung lesen.

Die elektrischen Kennwerte sind der Spannung (V) und der Strom (mA). Bei LEDs ist darauf zu achten, dass die Kennlinie nicht linear verläuft, das bedeutet, dass der Strom oder die Spannung nicht wie bei einem Widerstand berechnet werden kann. Wer sich nicht mit der Kennlinie auseinander setzen will, sollte die LED einfach mit der angegebenen Spannung und Strom betreiben.

Die Optischen Kennwerte sind sehr umfangreich. Fast immer sind die Lichtstärke (mcd) und der Lichtstrom (lm) angegeben. Diese Größen sind keine reinen Messgrößen. Sie sind bereits mit der Wahrnehmung der Menschlichen Augen gewichtet. Die Gewichtung wird durchgeführt, da das Auge bestimmte Farben besser wahrnehmen kann und manche Farben nur sehr schwach. So erscheint eine LED mit 1000 mcd immer gleich hell, egal welche Farbe sie hat. Andere interessante Größen sind der Abstrahlwinkel (°), die Farbtemperatur (K) und der CRI (Ra). Bei Leuchtmitteln oder Taschenlampen wird auch oft eine Leistung (W) angegeben. Dabei ist aber darauf zu achten, ob die elektrische oder optische Leistung gemeint ist. Auch wenn die optische Leistung angegeben ist sagt dieser Wert nicht viel aus. Beispiel: Eine UV-Leuchte hat zwar eine hohe optische Leistung, aber der größte Teil des Lichts ist nicht im sichtbaren Wellenlängenbereich. Daher ist eine solche Leute nicht gerade hell (aber dennoch sehr schädlich für die Augen).

Bei allen Angaben ist darauf zu achten, dass die Werte sich nur auf das Leuchtmittel beziehen. Wie hell ein Gegenstand damit beleuchtet wird, hängt logischerweise vom Abstand zur Lichtquelle ab. Daher kann zu einem Leuchtmittel auch keine Angabe zur Beleuchtungsstärke gemacht werden, ohne den Einbauort und die zu beleuchtende Stelle zu kennen. Die Einheit für die Beleuchtungsstärke ist Lux (lx). Die Beleuchtungsstärke kann mit manchen Multimetern recht einfach gemessen werden.

Zum Umrechnen der Einheiten haben wir auch ein kleines Tool für euch (download):

 

Lichtstärke Candela (cd)

Die Lichtstärke ist die Intensität des Lichts. Meistens wird sie in mcd (Millicandela) angegeben. Je größer die Lichtstärke, um so heller ist die LED. Wird das Licht gebündelt, nimmt die Lichtstärke zu. Genau so verhält es sich wenn zwei LEDs in die gleiche Richtung leuchten. Dort wo sich die Lichtkegel decken, addiert sich die Lichtstärke.

Beispiele:

1. Ich nehme eine LED mit 100 lm, 54.000 mcd und einem Abstrahlwinkel von 90°. Bündel ich das Licht mit einer Linse, sodass der Abstrahlwinkel nur noch 45° beträgt, hat meine Lichtquelle 210.000 mcd. Die Helligkeit hat also zugenommen, obwohl die LED nicht mehr Licht abstrahlt (100 lm) als vorher.

2. Ich habe 3 LEDs. Zwei mit 500 mcd und eine mit 1.000 mcd. Ich leuchte mit allen drei LEDs nebeneineánder auf eine Wand. Der Leuchtkreis der 500 mcd LEDs ist nur halb so hell wie der der 1.000 mcd LED. Leuchten die beiden 500 mcd LEDs auf den gleichen Punkt haben sie zusammen 1.000 mcd und sind genau so hell die die 1.000 mcd LED.

 

Lichtstrom Lumen (lm)

Der Lichtstrom beschreibt, wie viel Licht eine Lichtquelle insgesamt abgibt. In welche Richtung und wie stark das Licht gebündelt wird spielt keine Rolle. Dieser Wert ist besonders interessant für eine Raumbeleuchtung. Mit der Annahme, dass das Licht gleichmäßig im Raum verteilt wird (keine Spots), kann ein Raum mit einer Größe von 3x3 m mit ca. 3000 lm hell ausgeleuchtet werden. Ist der Raum größer muss natürlich auch insgesamt mehr Licht in den Raum, also wird ein höherer Lichtstrom benötigt.

Beispiele:

1. Ich habe in einer Lampe eine LED mit 500 lm. Diese ist mir aber zu dunkel. Ich habe allerdings keine Möglichkeit das Licht zu bündeln. Damit die Lampe heller wird baue ich eine zweite LED mit 500 lm ein. Jetzt hat meine Lampe insgesamt einen Lichtstrom von 1.000 lm.

2. Zwei LEDs mit 0,1 lm und 500 mcd leuchen nebeneinander auf eine Wand. Zusammen haben sie einen Lichtstrom von 0,2 lm. Schalte ich eine LED ab wird nur noch die Hälfte der Wand beleuchtet. Der gesamte Lichtstrom hat sich auch halbiert. Die Seite der Wand, die noch beleuchtet wird, ist aber genau so hell beleuchtet wie vorher. Richte ich beide LEDs auf die selbe Wandhälfte wird diese doppelt so hell (1.000 mcd) beleuchtet. Der Lichtstrom beträgt 0,2 lm. Ich kann also mit 0,2 lm entweder die ganze Wand beleuchten oder eine Hälfte der Wand doppelt so hell beleuchten.

 

Gegenüberstellung Lichtstärke - Lichtstrom

Hier noch mal stark vereinfacht der Unterschied zwischen Lichtstärke und Lichtstrom.

Die Lichtstärke ist die Helligkeit einer Lichtquelle. Sie kann erhöht werden, indem ich das Licht bündele.

Der Lichtstrom ist die "Anzahl" des abgestrahlten Lichts. Den Lichtstrom einer Lichtquelle (LED) kann ich nicht ändern (Dimmer ausgeschlossen).

 

Farbtemperatur Kelvin (K)

Die Einheit Kelvin beschreibt eigentlich wie Celsius die Temperatur. Daher kommt es schnell zu Verwirrungen, wie diese Einheit bei einer Farbe angewendet werden kann. Mit der Definition der Farbtemperatur wird es verständlicher. Ein Schwarzer Körper (Schwarzer Strahler) ist ein Gegenstand, der abhängig von seiner Temperatur ein bestimmtes Farbspekturm abgibt. Einfach gesagt: Er verändert seine Farbe wenn er warm wird. Einen idealen Schwarzen Körper gibt es natürlich nicht.

Ist der Schwarze Körper kalt leuchtet er eher rötlich. Mit steigender Temperatur leuchtet er bläulich. Also ist eine Farbtemperatur von 2500 K gelblich und eine Farbtemperatur von 10.000 K bläulich. Zusätzliche Verwirrung schaffen die Begriffe kaltweiß und warmweiß. Hier ist kalt und warm den Empfindungen zugeordnet und gegensätzlich zu verstehen. Die hier aufgeführten Beispiele sind Extrembeispiele. Die Bezeichnungen warm- und kaltweiß haben allerdings auch ein sehr weites Spektrum.

Die Tabelle zeigt die Zusammenhänge:

Farbe Farbtemperatur Bezeichnung
gelblich 2500 K warmweiß
bläulich 10.000 K kaltweiß

Raumbeleuchtungen haben meistens eine Farbtemperatur von 2700 K (Wohnzimmer) bis 5500 K (Arbeitsplatz). Die Farbtemperatur ist aber auch noch nicht aussagekräftig für eine Beleuchtung. Die Farben von den angeleuchteten Gegenständen sehen erst gut aus, wenn die Lichtquelle, wie die Sonne, jede Farbe gleichmäßig abstrahlt.

 

Farbwiedergabeindex (CRI in Ra)

Der Farbwiedergabeindex beschreibt wie genau die Farben von einem angestrahlten Objekt wiedergegeben werden. Genauer gesagt beschreibt der Index die Übereinstimmung der Farbverteilung eines Leuchtmittels mit dem Tageslicht. Damit eine solche Messung reproduzierbar ist, wird natürlich kein echtes Tageslicht genommen. Mehr dazu gibts bei Wikipedia. Der CRI beträgt maximal 100 Ra. Gute LEDs können einen CRI von 95 Ra erreichen. Dabei kann aber die Farbtemperatur variieren. Deshalb kann eine LED mit 3500 K, aber auch eine LED mit 4000 K, einen CRI von 85 Ra erreichen.

Spektralverteilung Nichia NS9W383T
Nichia NS9W383T mit 85 Ra
Spektralverteilung Osram Oslon SSL LCW CQ7P.CC
Osram Oslon SSL LCW CQ7P.CC mit 95 Ra

Die Kennlinien sind aus den Datenblättern zweier LEDs und zeigen die spektrale Verteilung von einer Nichia und einer Osram LED. Es fällt auf, dass die Osram LED eine wesentlich bessere Spektralverteilung besitzt. Die Nichia LED strahlt nur sehr wenig Licht im Bereich zwischen 450 nm und 500 nm ab, hat dafür einen sehr hohen Anteil bei 440 nm. Zum Vergleich zeigt das nächste Bild die spektrale Verteilung des Sonnenlichts, wobei nur der sichtbare Bereich relevant ist.

Spektralverteilung Sonnenlicht
Spektrale Verteilung Sonnenlicht, Quelle: Wikipedia

 

Die richtige LED finden

Da die Anwendungen sehr verschieden sind gibt es hier erst mal nur eine Checkliste an welche Kriterien gedacht werden sollte. Für den Anfang ist es immer am besten ein paar günstige LEDs mit verschiedenen Farben und Helligkeiten zu testen, damit eine Vorstellung für verschiedene Lichtstärken und Farben entsteht.

 

Betrieb von LEDs

Betrieb mit Nennspannung

Die einfachste Betriebsart ist, die Nennspannung anzulegen. Meistens gibt es für die Nennspannung (z.B. 3,2 V) aber kein passendes Netzteil oder Batterie. Es kann auch ein einstellbares Netzteil oder Spannungsregler verwendet werden. Soll eine High-Power LED aber ausgereizt werden ist Vorsicht geboten, da der Strom bei steigender Temperatur ebenfalls zunimmt. So kann sich die LED schnell selbst vernichten.

 

Vorwiderstand

Für kleine Ströme (bis 100 mA) kann ein Vorwiderstand benutzt werden, an dem die überschüssige Spannung abfällt.

Beispiel:

LED: UL = 3,2 V, IL = 50 mA | Betriebsspannung (Ub) = 5 V

An dem Vorwiderstand R muss also eine Spannung von 5 V- 3,2 V = 1,8 V abfallen. Durch Widerstand R fließt der gleiche Strom wie durch die LED. Der Widerstand berechnet sich somit durch R = 1,8 V / 50 mA = 36 Ohm.

Die Formel lautet demnach: R = ( Ub - UL ) / IL

 

Stromregelunung

Die eleganteste Art eine LED mit hoher Leistung zu betreiben, ist eine Stromregelung. Da der Lichtstrom einer LED hauptsächlich vom Strom abhängt leuchtet die LED in dieser Betriebsart auch immer gleich hell.

 

Kühlung

Auch wenn LEDs ein sehr effizientes Leuchtmittel sind produzieren sie Wärme. Die meisten LEDs sollten eine Temperatur von 120 °C an der Sperrschicht (Junction) nicht überschreiten. Bei der Dimensionierung der Kühlung muss darauf geachtet werden, dass weder der Kühlkörper noch das LED Gehäuse 120 °C warm werden darf. Zunächst muss der Wärmewiderstand zwischen Lötpad und Sperrschicht berücksichtigt werden.

Beispiel:

Sperrschichttemperatur max: T = 120 °C
Wärmewiderstand Sperrschicht/Lötpad: Rth,jc = 7 K/W
Spannung: U = 3,2 V
Strom: I = 350 mA

Leistung: P= 3,2 V * 350 mA = 1,12 W

max. Temperatur Lötpad: Tpad = 120 °C - ( 7 K/W * 1,12 W ) = 112,16 °C

Auf die gleiche Art wird der Wärmewiderstand von allen Materialien bis zur Umgebungsluft berechnet. Die Tabelle zeigt die wichtigsten Wärmeleitwerte.

Material

Wärmeleitfähigkeit
k (W/mK)

Spezifische Wärmewiderstand
Rths (mK/W)
Kupfer 355 0,0028169
Aluminium 175 0,0057143
FR4 0,25 4
Lötzinn 63/67 39 0,025641
Luft 0,0275 3,6364
Quelle: Charles Mauney, Texas Instruments "Thermal Considerations for Surface Mount Layouts"

Der Wärmewiderstand wird mit der Querschnittfläche A (Lotrecht zum Wärmestrom) und der Länge l (entlang des Wärmestroms) des Wärmeleiters berechnet.

Rth = l / (k * A)

Die Wärmeleitung durch eine FR4-Platine ist nicht gerade gut. Ohne eine paar Tricks wird dadurch meistens keine ausreichende Kühlung erreicht. Sehr von Vorteil ist es, die Wärme über eine großflächige Kupferschicht zu verteilen. Meistens ist eine Elektrode der LED etwas größer als die andere. Von dieser Elektrode aus kann die Wärme gut in eine Kupferfläche abgeführt werden. Wird bei Eagle in den Eigenschaften eines Polygon der Haken Thermals deaktiviert, wird das Pad flächig an das Polygon angeschlossen. So wird eine optimale Wärmeabfuhr erreicht. Die Wärme verteilt sich also über die Kupferschicht und wird über eine größere Fläche durch das FR4 geleitet. Eine erhebliche Verbesserung der Wärmeleitung kann durch Durchkontaktierungen erzielt werden. Bei selbst gefertigten Platinen besteht jedoch das Problem, die Durchkontaktierungen auf der Rückseite flach abschließen zu lassen.