LED: Funktionsweise, Typen & Vorteile der Light Emitting Diode

Wie funktioniert LED? Welche LED Typen gibt es? Wie lange ist die Lebensdauer von LED und was ist der Vorteil von LED Scheinwerfern? Diesen und zahlreichen weiteren Fragen geht Fachmann und Wiki-Autor Herbert Bernstädt in diesem Grundlagenartikel auf den Grund. LED steht übrigens für Light Emitting Diode (LED). 

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Übersicht:

Physikalische Betrachtung: Funktionsweise der Diode
Von Chargen und Binning
LED-Typen
LED und Temperatur
LED und ESD
LED-Optik
Weißlicht mit bunten LEDs
LED-Weißlicht
Farbwiedergabe von LEDs
Lebensdauer
Kalibrieren
LED-Ansteuerung
LED-Treiber
LED Konstantstrom-Versorgung
PWM
Flicker
EMV
LED, das andere Leuchtmittel
LED-Scheinwerfer vs. Halogen/Entladungslampe

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Physikalische Betrachtung: Funktionsweise der Diode

Die LED (Light Emitting Diode) entspricht prinzipiell dem Aufbau einer Diode und wird in Durchlassrichtung betrieben.

Dioden senden grundsätzlich bei der Rekombination Wellen aus, nur waren sie bisher im infraroten Bereich und wurden zudem durch den undurchsichtigen Stoff absorbiert. Circa 1963 wurde dieses Phänomen zur Signallichterzeugung erstmals genutzt. Nebenstehend ist das Schaltbild der Diode und ihr P-N Aufbau dargestellt.

Ein P-N-Übergang entsteht durch das Aneinanderfügen von zwei unterschiedlich dotierten Halbleitern. Ein Halbleiter wird dadurch charakterisiert, dass er vier Elektronen auf der äußeren Elektronenbahn aufweist. Damit kann er sich perfekt mit vier weiteren Atomen verbinden. Leider sind dann keine Ladungsträger frei, die einen Stromfluss erlauben würden.

Wenn man aber einen Halbleiter wie Silizium mit einem Atom, das fünf Elektronen auf der äußeren Bahn aufweist, verunreinigt, so ist ein Elektron zum Stromfluss verfügbar. Solche Atome nennt man Donatoren.

Verunreinigt man den Siliziumkristall mit einem Atom wie Bor (Akzeptoren) mit nur drei Bindungsarmen, so fehlt ein Ladungsträger. Man spricht von Löchern. Auch positive Ladungsträger, wie dieses Loch, können einen Stromfluss ermöglichen.

Treffen nun beide Stoffe aufeinander, so werden sich in der Grenzschicht die freien Elektroden in die Löcherplätze einfinden und somit ist dieser Körper elektrisch neutral und auch nichtleitend.

Beaufschlagt man eine Spannung in Sperrrichtung, so wird diese Schicht immer breiter. Ein Strom kann sich nicht einstellen, bis die Spannung wesentlich größer wird und dann ein „Überschlag“ auftritt. Wird die Spannung in Flussrichtung angelegt, benötigt man eine kleine Spannung, um die Sperrschicht zu überwinden. Danach stellt sich ein Stromfluss ein.

Kennlinie einer Diode

Anhand des Ersatzschaltbilds der Diode lassen sich das Bauteil und die Kennlinie gut erklären. Ist einmal die Spannung der Quelle (Sperrschicht) überwunden, kann ein Strom abhängig vom Widerstand des Halbleitermaterials Rs fließen. In Sperrrichtung verhindert das als ideal angenommene Ventil den Stromfluss.

In der Sperrschicht (P-N-Übergang) werden durch Rekombination der Ladungsträger Photonen freigesetzt. Dabei ist die Wellenlänge proportional zur Schichtdicke der verbotenen Zone des P-N-Übergangs.

Da diese Zone in den Abmessungen konstant ist, ist auch die Wellenlänge konstant, was bedeutet, dass es sich hier um einen monochromatischen Strahler handelt.

Im Gegensatz zu einer Laserdiode mit ihren Resonatorspiegeln und entarteten Dotierungen ist das Licht der LED inkohärent.

Um unterschiedliche Farben zu erhalten, werden verschiedene Halbleiterkristalle ausgewählt, die durch die Stoffzusätze verschieden große, verbotene Zonen ausbilden, denn die abgegebene Frequenz des Lichtes ist ja davon abhängig. Dadurch müssen verschieden große Energien für die Rekombination der Ladungsträger aufgebracht und damit letztendlich verschiedene Licht-Wellenlängen abgegeben werden. Charakteristisch ist das Emittieren eines sehr schmalen Bandes. Folglich emittiert eine LED Licht nur in einem sehr engen Band einer bestimmten Farbe. Um weißes Licht, also die Summe vieler Farben zu erzeugen, muss man andere Wege beschreiten. Aber ein Vorteil der LED ist, dass keine anderen Strahlungen wie IR oder UV auftreten und sie als kompakt aufgebauter Festkörper stoß- und vibrations-unempfindlich ist. Dazu muss nicht nur die Dotierung entsprechend genau vorgenommen oder andere Stoffe verwendet werden, sondern auch der prinzipielle Aufbau der Diode ändert sich. Und wenn man bedenkt, dass wenige Atome, die in das Material einfließen, die Charakteristik verändern können, macht dies deutlich, dass trotz Reinst-Räumen und konstanter Umgebungsparameter die LEDs bei der Herstellung mehr oder weniger großen Streuung unterliegen. Doch dazu im nächsten Abschnitt mehr.

 

 

 

So unterscheidet sich der physikalische Aufbau von roten und den blau-grünen LEDs entscheidend. Jetzt können wir auch das Phänomen erläutern, warum bei den Kollimatoren (System zur Richtung des Lichtes) bei engabstrahlenden Strahlern oftmals eine Farbe am Rand dominiert, da kein LED-Scheinwerferhersteller für die LED-Gruppen unterschiedliche Kollimatoren fertigen lässt. Folgerichtig ist auch, dass die elektrischen Parameter wie auch die fotometrischen Parameter sich unterschiedlich verhalten. So kann z.B. die Leuchtdichte einer grünen LED geringer oder stärker sein als die der blauen und wieder anders als der roten. Jedoch wird meist, egal für welchen Typ, die gleiche Treiberelektronik eingesetzt. Auch die Alterung verläuft unterschiedlich. Dies kann man mit Algorithmen in der Ansteuerungssoftware oder durch Abgleichsmessungen korrigieren bzw. anpassen, so wie es z.B. bei LED-Videowänden auch oft gemacht wird.

 

Charakteristisch ist das Emittieren eines sehr schmalen Bandes wie die Tabelle noch mal untermauert. Diese schmalen Bänder sind auch der Grund, weshalb die LED-Beleuchtungsstärke nicht einfach mit einem Luxmeter gemessen werden kann. Siehe dazu auch den Artikel Messtechnik: Licht richtig messen

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Von Chargen und Binning

Aus dem zuvor gezeigten Bild werden die Farborte als weißer Kreis gezeigt. Dies verdeutlicht die große Streuung, die bei der Herstellung einer LED-Farbe durch den Fertigungsprozess bedingt ist. Diese Unterschiede sind auch deutlich zu sehen.

Zur Herstellung einer Diode wird erst einmal ein Kristall gezüchtet. Alleine das Züchten des Kristalls mit am besten homogener Anordnung des Kristallgitters ohne Störstellen ist schon problematisch genug. Dann müssen die gewonnenen Kristallschichten mit den entsprechenden Atomen dotiert werden. Und wenn man bedenkt, dass wenige Atome, die in das Material einfließen, mehr oder weniger die Charakteristik verändern können, macht dies deutlich, dass trotz Reinst-Räumen und konstanter Umgebungsparameter die LEDs bei der Herstellung großer Streuung unterliegen. Es ist also gar nicht möglich eine und dieselbe LED mit exakt den gleichen Parametern herzustellen, sondern jede LED weicht ein wenig von der produzierten Schwester LED ab. Noch größer werden die Abweichungen, wenn man die LEDs verschiedener Produktionsdurchläufe vergleicht. Den Produktionsdurchlauf nennt man auch Charge. Als LED-Verarbeiter versucht man deshalb, alle benötigten LEDs aus möglichst einer Charge einzukaufen bzw. sich einen so großen Vorrat davon anzulegen, dass alle Produkte, die ein ähnliches Licht abgeben sollen, von dieser Produktionscharge stammen. Denn man weiss nicht, wie weit die nächste Produktion von LEDs mit ihren Parametern von den vorigen entfernt sein wird.

Aber auch innerhalb einer Charge sind nicht alle LEDs gleich. Für das Verhalten der LED innerhalb einer Leuchte oder Gruppe von Leuchten sind drei Arten von Parameterschwankungen zu berücksichtigen.

1. Die Lichtfarbe
2. Die Helligkeit
3. Elektrische Parameter

Nach der Produktion der LEDs vermisst der Hersteller jede einzelne LED. Nun kann der Hersteller diese LEDs sortieren und jene LEDs, die eng bei einander liegen, zusammenlegen, bzw. in einen Container (eng. Bin) bzw. Rank einordnen. Jetzt lassen sich verschieden große Bins anbieten, wobei sich die Produzenten natürlich die besten Farben, die nah an der Plankschen Kurve liegen, besser bezahlen lassen, als jene mit großen Abweichungen. Auch wie eng die Toleranzen gesetzt werden, obliegt dem Hersteller und dessen Preisgestaltung. Es gibt auch genormte Farborte und Toleranzen wie z.B. das ANSI Binning für die Lichtfarbe, aber der Hersteller ist ja frei, seine Definitionen anzuwenden. Die Lichtfarbe ist immens wichtig, wenn die bestrahlten Flächen nicht „bunt“ aussehen sollen – wenn von Lampe zu Lampe eine andere Farbe wiedergegeben werden soll. In der Praxis sieht man dies, wenn warmes Weiß neben einem kälteren Weiß leuchtet. Hier hat man keine Chance nachträglich den Farbort zu ändern – Man muss die LED auswechseln, um einen gleichen Farbort zu erreichen. Besonders ärgerlich wird dies, wenn nur nach einer geringen Zeit die LED in dieser Lichtfarbe abgekündigt wird, und dann nur noch LEDs mit einer ähnlichen Lichtfarbe angeboten werden.

Die Helligkeit ist vor allem bei Farbmischenden Systemen sehr auffällig. Denn hier reichen bei Mischfarben oft geringste Abweichungen von 0,5 % bei der Ansteuerung, um einen Farbunterschied auszumachen. Wenn nun aber die LED schon Schwankungen von mehreren Prozent aufweist, dann wird schnell deutlich, wie „bunt“ es werden kann. Zum Glück kann man an der Helligkeitsschraube drehen, indem man die LED eindimmt. Der Nutzer wendet das Eindimmen bei der Ansteuerung an, wird dagegen die Lampe vom Werk eingestellt, so spricht man vom Farb-Kalibrieren. Dabei werden nur die Helligkeiten der roten, grünen und blauen LEDs zueinander angepasst, die Farbe der einzelnen LED kann man nicht ändern. Hier ist die Frage inwieweit man als Nutzer die Lampe Nachkalibrieren kann, oder es vom Werk aus zu geschehen hat oder eben auch evtl. gar nicht möglich ist. Bei Array-LED-Feldern kann man auch durch gemischte Bestückung eine Mittelung erreichten, was gerne auch bei Weisslicht-Arrays praktiziert wird.

Die elektrischen Parameter treten oftmals in den Hintergrund. Die meisten LED-Hersteller geben nur ihre Toleranzwerte an, in dem die elektrischen Parameter variieren können. Werden LEDs nur an und ausgeschaltet, treten diese Toleranzen nicht in Erscheinung. Wird jedoch ein sanftes Aufdimmen von null heraus erwartet, was zum Eindunkeln von Saallicht durchaus auch gefordert sein kann, ist es ärgerlich, wenn die eine LED noch leuchtet, während die andere LED bereits dunkel ist. Generell scheint das Dimmen von LEDs von vielen Leuchtenherstellern untergeordnet behandelt zu werden. Lösungen, die auch große Lichtfelder synchron unmerklich von Null hochdimmen können, ohne dass man einzelne Lichtsprünge ausmachen kann, gibt es genügend auf dem Markt. Die Frage muss erlaubt sein, warum man dann bei den benötigten Lösungen für die Leistungs-LED so oft mit Lichtsprüngen im untersten Steuerbereich, bis hin zum plötzlichen ausknipsen des Lichtes, nachdem die 10 % Marke der Ansteuerung unterschritten wurde, konfrontiert wird. Vermutlich weil es einfacher ist bei den Parameterschwankungen einen Mindeststrom einzusetzen, bei denen alle LEDs zu leuchten beginnen, um so das hintereinander beginnende Einsetzen des Lichtstromes zu vermeiden.

Nun kann der Kunde wählen, ob er Dioden aus mehreren Gruppen mit großen Parameterabweichungen bevorzugt, da diese sehr günstig zu erstehen sind, oder ob man sich einen engen Parametersatz leisten wird, um die optimale Qualität zu gewährleisten. Das hat natürlich seinen Preis. So gesehen ist es nicht unerheblich, welcher Typ von LED verwendet wird, sondern auch aus welchem Binning Batch sie stammt. So kann man z.B. bei Elektronikläden eine Luxeon K2 erhalten, die recht preisgünstig ist, da hier auf das Binning keinen Wert gelegt wird, oder aber wie bei einem LED-Videowall-Hersteller, der zwar große Mengen abnimmt, aber deren Toleranzgrenzen viel enger liegen, damit er bei der anschließenden Kalibrierung nicht noch mehr Ausschuss zu verzeichnen hat.

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LED-Typen

Beim T-Type handelt es sich um bedrahtete Dioden, die mit ihrem meist durchsichtigen Kunststoffgehäuse und dem linsenfömigen Lichtaustritt einen definierten engen Austrittswinkel leisten. Dieser Typ ist der älteste und meist verbreitetste. Aufgrund seines geschlossenen Gehäuses kann er nicht gut Wärme ableiten und deshalb nicht in Leistungsregionen wie ein COB-Typ vorstoßen. Zum Zwecke der Kühlung werden oftmals die Leiterplatten zwangsbelüftet und die LEDs mit einem gewissen Abstand zur Leiterplatte aufgebracht, damit die Wärme über die Anschlussbeinchen abgegeben werden kann.

 

Die SMD (Surface Mount Device) entspricht weitgehend dem Aufbau diskreter Bauelemente. Aber damit Leiterplatten nicht durchbohrt werden müssen, was ein erheblicher Aufwand ist, hat man eine Technik entwickelt, die eine Verlötung und Anbringung der Bauteile direkt auf der Leiterplattenoberfläche erlaubt.

Mit dem COB (Chip on Board) ist es möglich, die Temperatur optimal aus dem Halbleiterkristall nach außen zu leiten, da hier der Chip auf einen Leiterplattenträger direkt aufgebracht wird. Deshalb können mit diesem LED-Typ größtmögliche Leistungsklassen erreicht werden. Dieser LED-Typ (COB) wird in der Veranstaltungsbranche die stärkste Verbreitung finden.

 

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LED und Temperatur

Zunächst klingt es paradox: Die LED benötigt weniger Energie und wird bei weitem nicht so heiß wie ein konventionelles Leuchtmittel. Und dennoch ist die Temperatur das größte Problem bei der LED-Leuchte. Bevor wir diesen scheinbaren Widerspruch beleuchten, betrachten wir zunächst noch einmal die Metall-Halogen-Bogenlampen und Halogen-Glühlampen. Bei diesen Leuchtmitteln werden Lichtphotonen herausgeschleudert, weil es sehr heiß ist. Je heißer, umso bläulicher, kann man bei Halogenlampen zu Recht sagen. Bei der Entladungslampe ist die Lichtfarbe zwar von den zugemischten Stoffen abhängig, aber auch dort ist das Plasma (Gemisch aus Ionen und freien Elektronen) des Lichtbogens sehr heiß und hauptsächlich für das Aussenden der Photonen zuständig. Wenn also die Umgebungstemperatur ansteigt, ist das durchaus günstig für das Leuchten. Bei der LED dagegen werden die Photonen durch den Strom, der die Sperrschicht überquert, herausgeschleudert. Dazu wird keine Wärme benötigt; sie ist sogar hinderlich, denn der Wirkungsgrad nimmt mit Erhöhung der Sperrschichttemperatur ab. Und zu allem Überfluss sind Halbleiter in ihrer Kristallstruktur bei weitem nicht so temperaturfest wie ein Wolframfaden: Die Sperrschichttemperatur des Halbleiter-Kristalls sollte maximal 120° nicht überschreiten. Empfohlen wird meist, dass im Betrieb die Sperrschichttemperatur 25% darunter liegen soll. Die Sperrschichttemperatur ist ein errechneter Wert, denn sie kann nicht direkt gemessen werden – es lässt sich schwerlich ein Temperatursensor in die Sperrschicht einbringen. In der Praxis misst man oft die Temperatur am Lötkontakt und überschlägt die Differenz zur Sperrschicht, so dass man dort noch einmal beispielsweise 30° abzieht, je nach Leistung und Wärmewiderstand der LED. Wir sollten also an den Lötpunkten circa 60° C messen, wenn die LED ein langes leuchtendes Leben vor sich haben soll. Um möglichst viel Licht aus der LED herauszuholen versucht man einen hohen Strom hindurchfließen zu lassen, da die rekombinierenden Ladungsträger Lichtphotonen aussenden. Folglich wäre die Lichtstärke ungefähr proportional des Stroms wenn die Lichtstärke mit zunehmender Sperrschichttemperatur kleiner werden würde. Die Höhe der Sperrschichttemperatur wiederum ist vom Durchlassstrom abhängig, denn je höher der Strom, umso größer ist die Erwärmung bzw. Verlustleistung. Ab einer bestimmten Temperatur degeneriert der Kristall überproportional bis hin zur vollständigen Zerstörung. So ist es dem Wirkungsgrad sehr zuträglich, einen konstanten abgestimmten Strom zur Verfügung zu stellen und gleichzeitig den Halbleiterkristall so kühl wie möglich zu halten. Deshalb sind der Aufwand der Vorbeschaltung und eine Wärme abführende Platzierung des Chips ebenfalls extrem wichtig für einen vernünftigen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer.

 

Wir sehen, das Wärmemanagement bei einer LED-Leuchte immens wichtig. Damit die Wärme aus dem LED-Chip möglichst schnell abgeführt wird, versucht man daher, die sogenannten Wärmewiderstände so klein wie möglich zu halten. Der Wärmewiderstand ist ein Maß für die Temperaturdifferenz, die ein Wärmestrom beim Durchqueren eines Körpers entstehen lässt. Die Wärmewiederstände addieren sich ähnlich wie die Widerstände in der Elektrotechnik. So ist der erste Wärmeübergang derjenige von der Grenzfläche zur äußeren LED-Begrenzung. Es folgt der Wärmewiederstand der Leiterplatte. Diese kann aus Epoxidharz oder einen anderen Kunststoff bestehen, der einen sehr hohen Wärmewiderstand aufweist, oder aus Aluminium mit einem geringen Wärmewiederstand. Ist das Leiterplattenmaterial sogar aus Kupfer, so wird die Wärme noch besser abgeführt. Nach dem Wärmewiderstand der Leiterplatte folgt meist der Wärmewiderstand des Kühlkörpers. Hierbei werden sehr oft massive Gussgehäuse bzw. Kühlkörperbleche verwendet. Diese bringen eine ganze Menge Gewicht auf die Waage, denn die thermische Leistung der Kühlkörper ist in erster Linie von der Wärmeleitfähigkeit des Materials, der Größe der Oberfläche und der Masse des Kühlkörpers abhängig. Bei der freien (natürlichen) Konvektion wird ausgenutzt, dass bei steigender Temperatur die Luft leichter wird und nach oben steigt (Kamineffekt). Im Hinblick darauf wird die Geometrie des Kühlkörpers entwickelt – einmal um die Oberfläche zur Luft größtmöglich zu gestalten, zum anderen, um eine möglichst gute Luftdurchströmung zu erhalten.

 

Material	Wärmeleitfähigkeit
Silber	429
Kupfer	401
Aluminium	236
Silizium	163
Expoxidharz	0,2
Luft	0,02

Tabelle: Das Material eines Kühlkörpers ist wichtig für die Wärmeleitfähigkeit. Diese ist reziprok zum Wärmewiederstand -je höher der Wert ist, umso besser leitet das Material die Wärme.

Reicht die natürliche Konvektionskühlung bei der bevorzugten Baugröße nicht aus, so kann dann die Luftzirkulation erzwungene werden, z. B. durch zusätzliche Lüftermotoren. Leider haben Lüfter die Eigenschaft Bewegungs- und Luftgeräusche zu produzieren. Je nach Aufwand kann dies kaum hörbar geschehen; oder es ist deutlich erkennbar, dass an dieser Stelle Luft umgewälzt wird. Setzt man Lüfter ein, kann der Kühlkörper kleiner und damit die Lampe leichter gehalten werden. Je nach erzwungener Luftgeschwindigkeit kann das schon mal einen Faktor 5 ausmachen – der Kühlkörper kann also fünf Mal so klein sein. Dafür muss die Luftgeschwindigkeit auch mal 6m/s betragen, was dagegen zu erheblichen Windgeräuschen führen kann. Um die Wärme von der Platine an weiter entfernte Positionen zu übertragen, werden auch Heatpipe-Systeme eingesetzt, wie man sie aus der Computertechnik kennt. In diesen hermetisch abgeschlossenen Rohrsystem fließt ein Kühlmittel, das durch die Wärme verdampft. Dieses wird dann als Dampf abgeführt, um dann an den Kühlrippen wieder zu kondensieren, wieder zurückzufließen, um an der heißen LED-Boardseite wieder erneut zu verdampfen. So kann die Wärme von der LED sehr schnell wegtransportiert werden.

Meist wird auch an den Übergängen geschludert. Idealerweise sollten die Wärmeleitende Stoffe plan aufeinander sitzen, so dass keine Lufteinschüsse vorhanden sind, denn Luft ist ein guter Wärmeisolator. Dementsprechend könnten die Flächen des LED-Boards zum Kühlkörper sehr exakt plan geschliffen sein, was natürlich die Kosten erhöht. Wärmeleitpasten haben die Aufgabe Lufteinschlüsse zwischen den beiden Flächen zu verdrängen. Aber in der Regel wird die Wärme von der Paste nicht so gut weitergeleitet wie von Fläche zu Fläche bei direkten Kontakt. Deshalb sollte man einen möglichst planen, hohen und vor allem gleichmäßig verteilten Anpressdruck auf die gesamte Fläche einsetzen und plan abgezogene Wärmeleitpaste verwenden.

Betrachten wir einmal die eben genannten Temperaturen im Vergleich zur Raumtemperatur. Gehen wir von einer durchschnittlichen Raumtemperatur von 21°C aus und betrachten diese im Verhältnis zu der Temperatur eines Halogenbrenners mit 3200K bzw. 2927° C. Nun erhöhen wir die Umgebungstemperatur auf z.B. 45°, weil wir uns nun unterhalb der Decke befinden, wo das Downlight letztendlich seinen Dienst erfüllen soll: Die Temperaturerhöhung von 24 Grad wird keinen nennenswerten Einfluss auf das Verhalten des Halogenleuchtmittels haben. Bei der LED sieht das ganze schon deutlich anders aus. Wenn wir nun von 21°C Umgebungstemperatur auf 45°C erhöhen, dann ist der Einfluss auf 60° der LED beträchtlich. Es ist dabei von erheblicher Bedeutung, welche Wärmewiederstände vorhanden sind, um die Wärme von der LED weg zu leiten und in die Umgebung abzugeben. Sollte dies nicht gelingen, so befinden sich bei hochwertigen LED-Leuchten Temperatursensoren auf der LED-Platine die der Steuerung mitteilen, dass die LED zu warm wird. In diesem Fall wird die LED meist mit der PWM-Dimmer-Steuerung herunter getaktet, damit sie nicht den Hitzetod erleidet. Das Licht wird also dunkler, die LED wird nicht geschädigt.

Werden schwere Gusskühlkörper eingesetzt, kann die Masse schnell viel Wärme über die Zeit aufnehmen. So das der Lichtstromabfall der LED verlangsamt wird. Dünne Bleche die mit einer Zwangskühlung ausgestattet sind, reagieren dafür viel schneller auf Lüfteränderungen und können so sehr geziehlt die Temperatur aus dem System holen ohne großer Hysterese, dafür kann das System sleber kaum Wärme “speichern” sprich puffern bzw. aufnehmen. Während Billige Geräte einfach einen Kühlkörper erhalen, weil man das eben so macht, bzw. weil das “Vorbild” ja auch einen aufweist, werden Scheinwerfer die richtigt entwickelt werden entsprechend der Wärmemenge und Kühlkörper-Wärme-Abführ-Qualität aufeinander abgestimmt. Möchte man an die Grenze gehen um möglicht langlebige Produkte zu entwickeln, die jadoch nicht hörbar sein sollen, weil Sie z.B. im Theater eingesetzt werden sollen, dann erfolgt meist eine Optimierung über eine Temperaturfluss und fließsimulation um das System zu optimieren. Wie die Ergebnisse einer Simulation aussehen können ist in den folgendne Bildern zu sehen. Überprüft man diese Ergebniss mit dem Produkt in der Praxis mit einer Wärmebildkammera, kann man weitere Schwachstellen, wie z.b. nicht durchgängigen Anpressdruck zur Wämetauschplatte erkennen, welche man z.B. mit weiteren anpressschrauben begegnen kann.

Hat man der LED ein vernünftiges Wärmemanagement spendiert, ist die Kuh leider noch nicht ganz vom Eis. Und wieder unterscheidet sich hier die LED vom Konventionellen Leuchtmittel, denn sie benötigt in der Regel eine Treiber- und Steuerelektronik sowie ein Schaltnetzteil für die Versorgungsspannung. Und überall wo größere Ströme fließen, haben wir es auch mit Wärmeentwicklung zu tun. Das bedeutet: Auch die Elektronikkomponenten werden heiß und müssen die Wärme an die Umwelt abgeben. Dabei ist die Wärmeverträglichkeit von Bauteil zu Bauteil verschieden – so verträgt zum Beispiel eine Spule mehr Wärme als ein Halbleiter oder ein Elektrolytkondensator. Allerdings können elektronische Bauteile wie z. B. Elektrolytkondensatoren sehr robust auf Langlebigkeit und für einen großen Temperaturbereich hergestellt werden – oder auch sehr kostengünstig, mit der Gewissheit, dass bei Wärmebelastung der Elko sehr stark Elektrolytenflüssigkeit verdampft und spätestens nach zwei Jahren erheblich an Kapazität verloren hat. Damit kann sich der Arbeitspunkt so verändern, dass die Schaltung funktionsunfähig wird. Hier sollte nicht gespart werden, denn: Wer billig kauft, kauft zweimal.

 

Anwendungsbereich	Temperaturbereich
kommerziell, z.B. Unterhaltungselektronik	0 bis 70°C
industriell, z. B. Regelungstechnik	–40 bis 85°C
erschwerte Industrie	–40 bis 105°C
Automobil	–40 bis 125°C
Militär	–55 bis 125°C

Tabelle: Betriebstemperaturbereiche nach Einsatzgebiet.

So hart das klingt: Einen Tod muss man beim LED-Wärmemanagement in Kauf nehmen: Entweder man hat ein konvektionsgekühltes System, welches dann unter Umständen sehr groß und schwer sein wird. Oder man entscheidet sich für kompakt und muss deshalb für einen Luftzirkulation sorgen, die mit einem Lüfter realisiert (die sogenannte Zwangslüftung), und nimmt mehr oder weniger starke Lüftergeräusche in Kauf. Ist das Geräusch eines Musters bei der Begutachtung noch vertretbar, so sollte man in Betracht ziehen, dass viele davon unter der Decke hängen und je nach Aufhängsituation und Umgebung Resonanzen oder andere geräuschverstärkende Faktoren hinzukommen. Auf der anderen Seite sind gerade durch die Büro-PCs immer leiser arbeitende Lüfterkonstruktionen entwickelt worden, so dass auch wir heute Lüfter gekühlte LED-Scheinwerfer auf dem Markt sind, die man praktisch nicht mehr hören kann. Da, wie bereits erwähnt, dieser Festkörper sein Licht nicht über Temperatur erzeugt, sondern durch Rekombination der Ladungsträger Photonen freisetzt, kann man durchaus auch von kaltem Licht sprechen. So erlauben LEDs auch dort einen Einsatz, wo bisherige Leuchtmittel aufgrund ihrer Wärmeabgabe nicht zur Diskussion standen.

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LED und ESD

Die erhöhte Temperatur ist die häufigste Ursache für ein verfrühtes Ableben der LED. Aber auch elektrostatische Aufladungen sind des Öfteren Ursache eines plötzlichen LED-Black-Out. So zum Beispiel bei einer Neuinstallation: Am vorletzten Abend vor der Eröffnung – alle Vitrinen sind bestückt und stehen an ihrem vorbestimmten Plätzen; die Beleuchtung ist installiert und kontrolliert. Zuletzt werden die Schutzfolien vom Plexiglas der Vitrinen gezogen, denn man will ja nicht während der Installation das empfindliche Kunststoff mit einem Kratzer verschandeln. Als an die nächsten Tag die Vitrinen eingeschaltet werden, ist die Hälfte der Beleuchtung ausgefallen. Oder es wurden Lichtröhren mit LED-Streifen installiert, die immer freitags nicht mehr die gewohnte Farbe zeigen, sondern Kunterbunt durcheinander leuchten – viele der Einzelfarben-Chips sind defekt. Was ist jeweils passiert? Die Ursache war jedes Mal die Zerstörung der LED, also des Halbleiterchips, durch ein ESD (Elektrostatisch Discharge), also einer elektrostatischen Entladung. Diese kennen wir , wenn wir über den Teppich schlurfen, dann etwas Metallenes anfassen und einen kleinen Schlag verspüren. Hier wurden extrem hohe statische Spannungen erzeugt, in unseren Beispielen einmal durch das Abziehen der Schutzfolie vom Plexiglas, bei dem auch Ladungsträger getrennt werden. Im Falle des pünktlich freitags ausgefallenen Systems war es der Staubwedel der Reinigungskraft, die sich donnerstags abends daran belustigt hat, mit dem Abwedelns der LED-Röhren irgendwie die Farben beeinflussen zu können.
Abhilfe schafft hier eine Schutzbeschaltung. Diese sorgt dafür, dass bei der ESD entstandene Energie über ein anderes Bauteil abgeleitet wird und die LED vor der Überspannung schützt. Diese Schutzbeschaltung gibt es zum einen als diskrete Schaltung im Gerät oder ist in der Platine selbst integriert. Die Hersteller gehen aktuell vermehrt dazu über, eine Schutzbeschaltung direkt an der LED zu integrieren. So sind z.B. SMD-LEDs auch mit integriertem ESD-Schutz erhältlich.

 

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LED-Optik

Zoom, Kollimatore, Farbschatten

Mit Kollimator wird ein Gerät beschrieben, das parallele Strahlen erzeugt. Sie werden bei hochenergiereichen Teilchen mittels Spalt oder Lochblenden realisiert oder in der Optik mittels Linsensystemen erzeugt. Deshalb findet man Kollimatoren in Zielfernrohren für Schützen oder für astronomische Geräte. Mit Entwicklung der LED-Technik wurde jedoch ein optischer Vorsatz für die LED benötigt, der ein wenig komplexer ist als eine einfache Linse. Einen großen Vorteil haben die LEDs für den Bau von Optiken: Sie strahlen nicht diese immense Hitze von konventionellen Leuchtmitteln ab, so dass auch Kunststoffe wie Epoxydharz für eine Optik verwendet werden, die direkt vor der Lichtquelle eingesetzt werden können, ohne die Gefahr zu schmelzen. Und diese Kunststoffe kann man in beliebigen Formen herstellen, im Gegensatz zur Bearbeitung von z.B. Quarzglas, das bei einigen Kondensoroptiken von Profilscheinwerfern eingesetzt wird, was zudem auch sehr kostspielig ist.

Aber zunächst gehen wir noch einen Schritt weiter zurück zur Lichtquelle, denn der Siliziumkristall, der Licht aussendet, muss noch gegen Umwelteinflüsse abgeschottet werden. Dazu verwendet man ebenfalls Kunststoffe. Der Wirkungsgrad einer LED wird auch durch den Übergang des Lichtes vom Chip mit dem Brechungsindex von n = 3,5 zum Medium Luft n = 1 bestimmt. Hier spielt die Art der Ankopplung eine wichtige Rolle, wobei ein Einsatz von Kunststoffen wie Epoxydharz mit dem Brechungsindex von n = 1,5 helfen, den Grenzwinkel der Totalreflexion an der Chipoberfläche herabzusetzen. Der Kunststoffkörper, der den Chip einer Hochleistungs-COB-LED abschließt, wird z.B. für einen Abstrahlwinkel von etwa 110 Grad geformt. Also die LED selbst kann bereits in verschiedenen Abstrahlwinkeln geordert werden. Bekannt sind dabei Namen wie Lambertain, Batwing oder Side Emitter. Das kann von LED zu LED Hersteller völlig unterschiedlich ausfallen. Wenn man mit den Fingern über den LED-Kopf streicht, kann man die unterschiedlichen Formen leicht spüren.

 

Um einen engen Abstrahlwinkel, der für einen Scheinwerfer geeignet wäre, zu erreichen, werden optische Lichtführungsplastiken aus Acryl dem Leuchtkörper vorgesetzt. Dabei werden wie bei einem Spiegel schräg auftreffende Lichtstrahlen mit einer Totalreflexion an der Grenzfläche des Acrylkörpers in die gewünschte Lichtaustrittsrichtung geführt. In der gewünschten Abstrahlrichtung muss der Winkel wiederum so flach sein, dass nur die gewünschte Ablenkung erfolgt. Und so helfen die komplexen Formen, das Licht in die richtige Abstrahlcharakteristik überzuleiten, und da dieses Element eigentlich mehrere optische Funktionen wie ein Objektiv integriert, um paralleles Licht erzeugen zu können, wird es ebenfalls Kollimator genannt. Bei der Positionierung bzw. Ausrichtung des Kollimators zum LED-Körper ist große Präzision nötig. Oftmals werden auf dem Board einer COB-LED schon Justierhilfen für einen Kollimatorträger vorgesehen, um die bestmögliche Ausrichtung der Optik zu erlangen. Die Auswirkungen kleinster Unterschiede sind oft mit dem bloßen Auge bei engen Abstrahlwinkeln zu erkennen, wenn man den Lichtwurf eines RGB abstrahlenden Scheinwerfers betrachtet. Dann kann gerade bei eng abstrahlenden Optik das Rot von der roten LED am Rand noch deutlich vorhanden sein, während die grünen und blauen LED mit der roten nach diesem Rand ein Weiß zusammenmischen. Das liegt daran, dass sich die Bauform der roten LED von der Bauform der grünen und blauen Siliziumkristalle unterscheidet, was sich prompt mit einem anderen Abstrahlverhalten auswirkt und somit bei der eingestellten Farbe Weiß (Rot, Grün und Blau aufgezogen) das Rot ein wenig mehr ausbricht.

 

So werden Austrittswinkel von bis zu ca. 8° erreicht. Üblich sind aber auch alle anderen breiter abstrahlenden Winkel, wie auch ovale, nicht rotationssymmetrische Abstrahlwinkel.

 

So wie bei einem ETC S4 PAR ein Auswechseln der Linsen verschiedene Abstrahlwinkel erwirkt, so wird es auch bei den LED-Strahlern realisiert. Jedoch werden meist die Kollimatoren ausgetauscht. Dazu muss man schon einige Schrauben bewegen und den Kollimatorträger austauschen.

 

Farbschatten

Die Leuchtfläche einer einzelnen LED liegt bei 0,01 mm² bis zu 1 mm² und kann damit auch als Punktquelle angesehen werden. Meist wird, um die Lichtleistung zu erbringen, eine größere Anzahl von einzelnen LEDs zusammengeschaltet und so entsteht eine inhomogene Leuchtfläche, die nicht mehr für Projektionen geeignet ist. Dies hat weiterhin zur Folge, dass ein bestrahlter Körper im Hintergrund verschiedenfarbige Schatten produziert, die umso stärker ausgeprägt sind, wie die einzelnen Farb-LEDs zueinander entfernt liegen. Für profilgebende LED-Scheinwerfer müssten bei drei Farb-LEDs die Lichtstrahlen ähnlich eines Videobeamers optisch zusammengeführt werden, damit dies als Punktquelle zur Projektion verwertbar wird, oder als Filament-Ersatz in einem Facetten-Ellipsenspiegel überlappend ausgerichtet sein.

Deutlich zu erkennen sind drei Lichtquellen bei diesem Ayrton Easycolor kopfbewegten Scheinwerfer. Das Licht mischt sich für den Betrachter beim Auftreffen auf den Körper. Die Lichtquelle sowie auch das von Staubpartikeln (Kondensationströpfchen bei Nebeleinsatz) reflektierte Licht wird bei geringem Betrachtungsabstand noch in den Grundfarben differenziert wahrgenommen.

 

Full Color

Jetzt gilt es also Farben zu mischen. Entweder, indem die LED-Quellen immer näher zusammenrücken oder mittels spezieller Optik, die einzelne Quellen zu einer gemischten Farbe überlagern. Somit hat der Betrachter den resultierenden Farbeindruck nicht nur auf der bestrahlten Fläche, sondern bei nebliger Luft auch als Strahlengang bzw. bei direktem Blick auf den Scheinwerfer.

Verdichten

Wenn man die Pixel so eng beieinander anordnet, kann unser Auge das einzelne Pixel nicht auflösen. Das beste Beispiel hierzu ist unser Fernseher, der auch nur drei Pixel anbietet, aber vom Abstand zu weit weg ist gegenüber den Pixelabständen (Pixelpitch), das unser Auge den einzelnen Pixel auflösen kann.

 

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Überlagern

Eine andere Methode ist das Überlagern der einzelnen Farben, so dass sie im Endeffekt aus einer optischen Achse herauszukommen scheinen. Das hatte man bei Videoprojektoren schon angewandt. Die prismatischen Bauteile dazu sind kostspielig und das Ankoppeln erfordern Ingenieurserfahrung.

Mittels Prisma:

 

Mittels Reflektor:

 

Mittels Reflexionsröhre:

 

Zoom

Die einfache Lösung ist das Austauschen einer weiteren Vorsatzlinse oder eines Frostfilters, wie man es bei den S4-PAR auch kennt.

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Holografische Filter

Gegenüber üblichen Frostfiltern, die einen schlechten Wirkungsgrad verursachen, sind neue holografisch arbeitende Filterstrukturen entwickelt worden, die einen wesentlich besseren Wirkungsgrad aufweisen.

Motorischer Zoom

Variable Abstrahlwinkel werden ebenfalls realisiert wie im Folgenden ersichtlich ist.

 

Roter Rand

Der physikalische Aufbau von roten und blau-grünen LEDs ist unterschiedlich. Folglich findet man bei engabstrahlenden Strahlern die rote Farbe oft am Rand dominant, da kein LED-Scheinwerferhersteller für die LED-Gruppen unterschiedliche Kollimatoren fertigen lässt. Andere optische Lösungen, die eine stärkere Durchmischung der Farben vor Optikaustritt bewirken, haben weniger rote Ränder.

 

 

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Weißlicht mit bunten LEDs

Eine LED ist von Haus aus nur ein einfarbiger Strahler. Mit einem additiven Farbwechselsystem, das aus roten, grünen und blauen LED besteht, ist es möglich, weißes Licht durch die Summe der einzelnen Farben zu erzeugen. Man macht sich die Eigenschaft zunutze, dass ein Betrachter nicht unterscheiden kann, ob z.B.Gelb aus einer reinen Spektralfarbe besteht (Gelb 589 nm) oder aus der additiven Mischung von einem Rot 671 nm und einem Grün 535 nm, also damit einer „bedingt“ gleichen Farbe. Bei dem gleichen Gelbeindruck trotz unterschiedlicher Zusammensetzung spricht man von gleicher Farbvalenz. Obwohl beide Gelbs den gleichen Farbeindruck hinterlassen, besitzen sie eine unterschiedliche spektrale Zusammensetzung. Würde man nun die Spektral gleiche Farbe auf eine grüne Dekoration werfen, so erscheint die Dekoration unbunt (grau). Wirft man aber die „bedingt gleiche Farbe“ auf dasselbe grüne Dekorationsobjekt, so erscheint diese grün. Ergo sind LED-Farbmischsysteme interessant, wenn es gilt, auf weißen Flächen oder mit dem Lichtstrahl selbst eine Farbe zu kreieren, aber sehr kritisch wenn farbenbehaftete Objekte angestrahlt werden sollen.

 

 

16 Millionen Farben möglich?!

Bei den fotometrischen Daten von LED-Farbwechsel-Scheinwerfern werden meist 16,7 Milionen Farbvariationen beschrieben. Diese Zahl rührt daher, dass ein DMX-Kanal 256 Werte unterscheidet. Diesem standardisierten Regelstellbereich wurde meist die Ansteuerung der LED-Treiberelektronik untergeordnet. Demnach folgt für die drei Wertebereiche Rot, Grün und Blau 256 hoch drei, also 16.777.216 Kombinationsmöglichkeiten. In der Praxis machen wir aber oft die Erfahrung, dass man selbst beim %-weisen Ändern eines Farbkanals keine Veränderung erkennen kann. Dies liegt daran, dass unser Sehsystem, bestehend aus Auge und Gehirn, nur in der Lage ist, ca. 200 Farben zu unterscheiden. Werden hellere und dunklere Farbabstufungen berücksichtigt, so sind es immerhin ca. 20.000 Farbunterschiede, die der Mensch erkennen kann. So ist es verständlich, dass meist erst ab zwei Prozentpunkten eine Veränderung erkennbar ist. Im unteren Regelbereich aber sind Prozentveränderungen und sogar einzelne Bitsprünge durchaus erkennbar, ähnlich wie bei Leuchtstofflampen. Hier könnten die Hersteller ähnlich den Dimmerkurven das Ansprechverhalten der Farbmischsysteme anpassen, zumal im oberen Stellbereich mehrere Prozentpunkte keine sichtbare Veränderung hervorrufen. Ein Vergleich mit den Angaben bei PC-Grafiksystemen erlaubt aber dort keinen Rückschluss zur Eingrenzung auf 20.000 Farbnuancen. Dort sind 16,7 Millionen oder gar mehr Farbkombinationen sinnvoll, obwohl wir sie am Monitor nicht auseinanderhalten können. Aber die Bildbearbeitung erlaubt bei einer hohen Farbtiefe wesentlich mehr Differenzierungsmöglichkeiten zur Bildmanipulation, so dass bestimmte Ergebnisse erst über den Umweg des tiefen Farbraumes ermöglicht werden.

Mehr als 3-mal bunt

Die Notwendigkeit mehr als nur die drei Grundfarben zu verwenden ist offensichtlich, wenn man sich an die schmalbandige Emittierung der Lichtfarbe einer LED erinnert. Um das Lichtspektrum möglichst breitbandig wiederzugeben, womit automatisch der Farbwiedergabeindex steigt, muss man die Lücken im Frequenzband auffüllen. Das kann man erreichen, indem weitere Farbfrequenzen den drei schmalbandigen Grundfarben hinzugefügt werden. Jedoch kann eine LED nicht einfach in jeder gewünschten Farbe hergestellt werden.

Beide Effekte – Mehrfarbigkeit für größeren Farbraum und Frequenzband auffüllen für bessere Farbwiedergabe – sind keine neue Erfindung von LED-Strahlern. So wurde die Vergrößerung des Farbraums z.B. beim Seachanger bereits bei der subtraktiven Farbmischung durch vier Farbfilter statt der üblichen drei erreicht, oder wie bei der VL7 durch einen Filterbandpass und einen Notfilter. Die Erzielung von besserer Farbwiedergabe mit vielfarbigen LEDs wurde bereits bei einer Museumsleuchte vor über 10 Jahren realisiert, als es darum ging, eine Beleuchtung für Exponate zu schaffen, die keine IR-und UV-Strahlung aufweist, aber dennoch möglichst die Farben des Exponates wiedergeben zu können. Aber auch das Anreichern von weiteren Spektren mittels Wellenkonvertierung verwendet man bei Leuchtstofflampen genauso wie bei weißen oder auch amberfarbenen LEDs.

 

LED einzeln

… und in Kombination:

Pulte und Fixtures mit mehr als RGB-Farben

Wenn ein LED-Strahler mehr als nur RGB aufweist, wird von den meisten Lichtsteuersystemen deren Colorpicker, die nur auf RBG basieren, nicht richtig unterstützt. Auch ist eine 16 Bit Behandlung von Farben auf Steuerpultseite mehr die Seltenheit. Und da sich abzeichnet, dass eher mehr verschiedene Kombinationen von RGB + weitere Farben ihren Weg auf den Markt finden werden, sollte man als Scheinwerferhersteller vielleicht umdenken und die Farbsteuerung in den Scheinwerfer selbst integrieren.

Natürlich ist es eine algorithmische Herausforderung zum RGB nun noch einen vierten Parameter hinzuzuziehen. Aber vielleicht wäre ein weiterer Ansatz ebenfalls hilfreich. Anstatt dem Pult die exakte Farbmischung zu überlassen, wäre es doch auch denkbar, dass die Scheinwerfer selber die Algorithmen und Tabellen zur Farbmischung beinhalten. So könnte man z.B. drei Byte, sprich drei Steuerkreise aufwenden, um mit einem Steuerkreis die Auswahl des Farbfolienherstellers wie Rosco, Lee, Gam usw. durchzuführen, um dann mit den nächsten zwei Kreisen 65.536 verschiedene Farben auszuwählen, wie z.B. eine 102. So könnten die Paletten auf den Pulten leichter realisiert werden, da der Scheinwerferhersteller bereits die Abstimmungswerte definiert hat.

Drei Kanäle würden auch ein HSI-System (Hue-Farbton, Saturation-Sättigung, Intensity-Dimmer) benötigen. Hier können dann in der Software des Scheinwerfers die zusätzlichen Farbquellen einbezogen werden, so dass für das Lichtstellpult immer nur HSI verwendet werden braucht, um den Colorpicker ähnlich der Farbe des Scheinwerfers abbilden zu lassen. So hat zwar der Entwickler des Scheinwerfers mehr Programmieraufwand, jedoch ist der Anwender dankbar, da er dann unabhängig der verwendeten Konsole immer die gleichen gewohnten Farben erhält und das Bilden der Bibliotheken ist auch einfacher, abgesehen davon, dass eben viele Lichtstellpulte das Verwenden von zusätzlichen Farben zu RGB erst gar nicht erlauben.

 

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R+G+B 100% = Weiß?

Das Verhalten verschiedener LED-Strahler ist auch beim Ansteuern des Weißpunktes unterschiedlich. Wird von einigen LED-Strahlerelektroniken bei 100 % RGB am Stellpult auf den optimalen x=y=0,33 Weißpunkt gesteuert, müssen bei anderen Systemen die RGB-Anteile vom Operator prozentweise eingedunkelt werden, um den Weißpunkt zu treffen. Letzteres bietet aber bei Vollansteuerung eine höhere Lichtleistung. Dass dabei nicht unbedingt eine weiße Farbe herauskommt, wird klar, wenn man bedenkt, dass die einzelnen LEDs je nach Farbe einen sehr unterschiedlichen Wirkungsgrad haben und unsere Augen für verschiedene Farben unterschiedlich empfindlich sind. Deshalb sind einige LED-Scheinwerfer mit unterschiedlicher LED-Anzahl je Grundfarbe ausgestattet, um allein durch den Aufbau den optimalen Weißpunkt zu erreichen. Andere Hersteller versuchen das mit ihrer Ansteuerungselektronik zu kompensieren. Manche erlauben auch eine Modeänderung, bei der einmal für maximale Lichtleistung bei Ansteuerung der drei Farben mit 100 % alle LED-Farben mit z.B. 350 mA gleich optimal angetrieben werden. Im anderen Mode dagegen werden die heller strahlenden Farben mit weniger Strom versorgt, so dass bei Ansteuerung von allen drei Farben der Weißpunkt versucht wird zu treffen.

Dimmen von gemischten Farben und gemischtem Weiß

Aufgrund der Tatsache, dass die unterschiedlichen Farben auch unterschiedliche elektrische Parameter und Kennlinien haben, aber meist dieselbe Ansteuerelektronik mit den gleichen Dimmerkurven zum Einsatz kommen, verhalten sich die unterschiedlichen Farben beim Dimmen auch unterschiedlich. Zieht man dann den Summensteller, um eine Lichtszene einzudunkeln, kann es durchaus sein, dass sich der eingestellte Farbort des LED-Strahlers verschiebt. Im Folgenden sieht man einen Dimmverlauf eines LED-Strahlers.

Farbige LEDs und Phosphor

So wie man eben weiße LEDs herstellen kann, ist es auch möglich eine LED mit einer bestimmten Farbe herzustellen. Dazu wird über dem Blau abstrahlenden LED-Chip Phosphor in der gewünschten Farbrichtung in die Chip abdeckende Harzschicht mit eingelassen. Je nach Menge der Beimischung kann somit auch das Farbmischungsverhältnis verändert werden, so dass die unterschiedlichsten Farben hergestellt werden können.

Phosphorbeimischungen haben zudem noch den Vorteil, dass das Abstrahlspektrum breiter als bei einer reinen LED ist.

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LED-Weißlicht

Spricht man von weißem Licht bei LEDs, sollte man zwei Gruppen unterscheiden: So gibt es weiß abstrahlende LEDs sowie weiß wahrgenommenes Licht aus einem RGB- (Rot, Grün, Blau) Farbmisch-System. Letzteres wird im Themenkreis „Buntweiß“ besprochen. Hier beschäftigen wir uns nur mit den weißen LEDs.

Bei einer empfundenen Farbe, wie z.B. beim Gelb, kann ein Betrachter nicht unterscheiden, ob diese Farbe aus einer reinen Spektralfarbe besteht (Gelb 589 nm) oder aus der additiven Mischung von einem Rot 671 nm und einem Grün 535 nm, also damit einer „bedingt“ gleichen Farbe. Bei dem gleichen Gelbeindruck, trotz unterschiedlicher Zusammensetzung, spricht man von gleicher Farbvalenz.

Die „weiße“ LED wurde mithilfe der Lumineszenz-Wellenlängenkonversion entwickelt. Dieses Verfahren ist uns in ähnlicher Form bereits von den Leuchtstoffröhren bekannt, bei denen die emittierte UV-Strahlung der Quecksilberniederdruck-Lampe durch die Schlämmung an der Glasbande in sichtbares Licht umgewandelt wird. Bei weißen LEDs nutzt man die emittierten blauen Strahlungsanteile, um es mit einer Phosphor-Beimischung anteilig in das energieärmere gelbliche Licht umzuwandeln. In der Summe der Spektren ist das Ziel der Weißpunkt mit einer möglichst gleichmäßigen Amplitudenverteilung aller Frequenzen entsprechend dem Tages- bzw. dem Halogenlicht.

 

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Farbwiedergabe von LEDs

RGBW, ROGGBC oder doch RGB

Die Problematik der Farbwiedergabe von LED-Leuchtmitteln ist hinsichtlich bekannt. Dennoch reicht für bestimmte Anwendungen eine nur auf rot, grün und blau basierende Farbmischung aus. Warum das so ist, wollen wir hier kurz darstellen.

Das Spektrum einer farbigen LED ist sehr schmalbandig und ein LED-Chip kann nur eine einzige Farbe wiedergeben. Bei weißen LEDs wird in der Regel eine blaue LED verwendet, um mithilfe von Phosphor zu der energiereichen kurzen Wellenlänge weitere langwelligere Strahlung im gelblich, roten und in geringen Maßen noch grünen Spektrum hinzuzufügen. Kurz – bei der LED handelt es sich um einen Linienstrahler. Je nach ausgestrahlter Lichtfarbe kürzen wir diese LED auch mit dem entsprechenden Buchstaben ab. R wie Rot, G für Grün, B für Blau, C für Cyan, A für Amber und W für Weiß, was auch als WW für Warmweiß und KW für Kaltweiß definiert wird. Die verschiedenen Farborte innerhalb einer LED-Grundfarbe werden meist nicht mit einer Buchstabenkombination abgekürzt, sondern wie in unserem Beispiel einfach als Grün und ein anderes Grün bezeichnet – GG.

Im Gegensatz zum Linienstrahler steht der Kontiniuumstrahler, wie z.B. das Halogenleuchtmittel. Der Kontiniuumstrahler strahlt alle sichtbaren Lichtspektren in einer kontinuierlich mehr oder weniger absteigenden bzw. aufsteigenden Intensität. Jetzt müsste man meinen, dass man nur gutes Licht bzw. gute Farben sehen kann, wenn möglichst alle Lichtfrequenzen emittiert werden können. Dem ist aber nicht zwangsläufig so, denn hatten wir uns soeben über die Quelle – dem Leuchtmittel – beschäftigt, so müssen wir uns einmal den Weg zum Empfänger und dem Empfänger selbst – dem Zuschauer – beschäftigen. Denn unser Lichtempfangssystem ist ein wenig komplex, und unser Gehirn bildet auch eine Farbe, welche im Lichtspektrum nicht vorkommt. Folglich können wir in bestimmten Fällen mit einfachen RGB-Linienstrahlern unseren Zuschauern auch 100 % gutes Licht bieten.

Hinterleuchten oder beleuchten

Nachdem das Licht ausgesendet wird, betrachten wir nun den Weg des Lichtes. Strahlt es auf direkten Weg zum Betrachter oder auf indirektem Weg über eine Reflexion. Wird ein Körper bestrahlt, kann er Lichtfrequenzen absorbieren und eine andere Lichtfarbe erscheint, als jene die den Körper anstrahlt. Somit müssen wir zwei, beinahe drei Fälle unterscheiden. Einmal bestrahlen wir mit einer Lichtquelle ein Objekt. Dieses Objekt reflektiert diese Bestrahlung zum Betrachter. Hierbei sprechen wir von Beleuchten. Auf der anderen Seite wird das emittierte Licht ohne Umwege einer reflektierenden Fläche vom Betrachter empfangen. Eigentlich müsste man dies direktes Leuchten nennen, aber in der Praxis hat man meist eine Anordnung, so dass das Licht durch einen transluzenten Körper, wie z.B. satiniertes Plexiglas oder Opera Folie, zum Betrachter gesendet wird. Einmal abgesehen vom Rock’n’Roll wo 70 % des Lichtes als Rücksetzer entweder als Beamshow – streng genommen wäre der Nebel dann auch ein transluzenter Stoff – oder mit dem LED-Screen direkt auf das Auge des Betrachters fällt. Deshalb sprechen wir dann vom Hinterleuchten, bestes Beispiel ist der hinterleuchtete Horizont in einem Fernsehstudio. Der beinahe dritte Fall gehört eigentlich zum Beleuchten, jedoch mit der Besonderheit, dass das beleuchtete Objekt alle Lichtfrequenzen gleichmäßig reflektiert, so wie es bei weißen Gegenständen vorzufinden ist. Denn in diesem Fall werden wie beim Hinterleuchten alle emittierten Lichtfrequenzen zum Betrachter reflektiert und wir haben trotz Beleuchtung die Eigenschaft der Hinterleuchtung.

Beleuchten wir Objekte wie z.B. das Szenenbild, das Kostüm oder das Gesicht, so weist jeder Körper mit seiner Oberfläche eine bestimmte Eigenschaft auf. Lassen wir hier die Oberflächenstrukturen wie matt oder glänzend außer Acht. Interessant ist eher mit, welchen Farbpigmenten eine Oberfläche ausgestattet ist oder auch im naturellen  Zustand, welche Lichtfrequenzen von diesem Körper reflektiert werden. So sehen wir eine Zitrone gelb, weil die Oberfläche der Zitrone keine blauen Farbspektren reflektiert. Jede Körperoberfläche reflektiert die Lichtspektren, die wir dann als wahrgenommene Farbe des Objektes interpretieren. Und so wird auch gerne geschummelt, denn das weißere Weiß eines frisch gewaschenen Hemdes liegt nicht an der Waschkraft des Waschmittels, sondern an den zugesetzten optischen Aufhellern, sprich den Phosphaten, die man dem Waschmittel zusetzt. Durch den UV-Anteil des Sonnenlichtes oder in der Disco von Schwarzlicht (UV-Strahler) angeregt, werden weit sichtbare blaue Lichtanteile emittiert, wodurch wir das blauere Weiß als das hellere, strahlendere Weiß empfinden.

Lassen wir die optischen Aufheller und andere Winkelzüge außer Acht, bleibt festzustellen, dass ein Körper jedoch nur dann eine Lichtfarbe reflektieren kann, wenn er auch mit dieser Lichtfarbe bestrahlt wird. Und damit haben wir die Begründung, dass man beim Bestrahlen möglichst alle Lichtspektren auf einen Körper senden sollte. Wir sprechen dann auch von einer guten Farbwiedergabe, doch dazu später mehr. Emittiert das Leuchtmittel bestimmte Lichtfrequenzen nicht, so können sie nicht reflektiert werden und stehen damit dem Betrachter nicht zur Verfügung. Das Fleisch sieht fahl aus, das Gesicht leblos, das Kostüm und die Maske entwickeln nicht ihre Brillanz und Ausdrucksstärke, das Set ist quietschend bunt – oder? Gerade Hauttöne, deren Beige-Braun eine Mischung aus vielen Frequenzen ist, benötigt dementsprechend eine Lichtquelle, die möglichst viele Frequenzen abgibt. Wenn man dann schon mit LEDs leuchten will, dann sind LEDs mit ARGGBCWW die bessere Wahl. Bestrahlt man mit RGB eine Person, so fehlen einfach zu viele Spektren, um die Haut in einer schönen Gesichtsfarbe erscheinen zu lassen.

Selbst viele Bühnenbilder werden mit ihren holzfarben oder grauen Flächen mit RGB nicht befriedigend zum Strahlen gebracht. Hier können die GRBW-Strahler punkten, die mit ihrer weißen LED mit der Ausstrahlung der zusätzlichen breitbandigen Phosphoranteile für eine bessere Farbwiedergabe sorgen. Diese Phosphoranteile sind auch für die Haut-Farbwiedergabe sehr vorteilhaft. RGB-Strahler haben eigentlich nur dann eine Bedeutung, wenn man weiße Objekte beleuchten will. Aber selbst der Versuch, weiße Körper mit RGB in einem schönen Weiß erstrahlen zu lassen, ist meist nicht von Erfolg gekrönt. Es wird meist als fahl und dreckig empfunden. Die weißen LEDs sorgen hierbei für ein weitgehend zufriedenstellendes Ergebnis.

Bei Hinterleuchtung ist RGB oft genug

Hinterleuchten wir mit LED-Lichtquellen, so sind in der Regel RGB-Lichtquellen völlig ausreichend. Denn unser Auge wie auch die Fernsehkamera weist für die Farbinterpretation drei Farbsensoren auf. Praktischerweise sind es die Farbsensoren für Rot, Grün und Blau. Treffen jetzt die emittierten schmalbandigen LED-RGB-Lichtfarben auf unsere Sensoren, werden diese entsprechend angeregt und es entsteht die Farbinterpretation durch unser Gehirn entsprechend der Anregung der drei Zellen. Regen wir die grünen und roten Sinneszellen mit grüner und roter LED-Farbe an, so nehmen wir in unserem Gehirn Gelb wahr, obwohl gar kein gelbes Lichtspektrum emittiert wird. Ein gelbes Licht, das mit der Wellenlänge von (ca. 590 nm) abstrahlt, also aus dem physikalischen Spektrum kommt, nennt man deshalb auch Spektralfarbe. Dagegen ist das gelb gesehene Licht aus Rot und Grün eine bedingt gleiche Farbe. Wir sehen jeweils das gleiche Gelb, allerdings ist die spektrale Zusammensetzung unterschiedlich. Das ist auch der große Unterschied zum Beleuchten, da nun die Objekte, die beleuchtet werden, bestimmte Frequenzen wegfiltern, die uns dann in der Betrachtung fehlen und damit zu falschen Farbeindrücken führen.

 

 

Jetzt ist jeder Mensch anders, wir haben keine kalibrierten Messsensoren in unserem Auge. Das, was wir als Farb- und Vergleichswerte auch in Normen definiert haben, sind statistische Mittelwerte von tausenden von Menschen, die man befragt hat wie sie gerade was sehen. Ein hinkender Vergleich dazu wäre, wenn man z.B. Live in einem Fernsehstudio sitzt. Der Zuschauer sieht z.B. die mit LED-RGB-Leuchtmittel Weiß hinterleuchtete Wand in einem Schweinchen-Rosa (höherer Rotanteil). Im Kamerabild bzw. dem Kontrollmonitor selbst ist dagegen das schönste Schneeweiß zu sehen. Hier hat man die RGB-Werte der LEDs auf das Kamerasystem ausgerichtet und ein wenig mehr Rot der LED abverlangt, um den Sensor der Kamera gleichmäßig auszusteuern. Zwar könnte man die Kamera mit einem Weißabgleich auf die LED-Wand abgleichen, so dass dann Zuschauer und Kamera das Gleiche sehen. Im Studio sind jedoch noch viele weitere Lichtquellen im Einsatz, so dass das Hauptaugenmerk erst einmal auf das Halogenlicht gelegt wird, mit dem die Personen ausgeleuchtet werden und darauf wird die Kamera justiert. Erst dann wird das LED-Weiß auf diese Einstellung hingezogen. Das Farbempfinden des Publikums vor Ort ist dabei vom untergeordneten Interesse.

In extrem seltenen Fällen kann es auch vorkommen, dass der Zuschauer eine gedimmt hinterleuchtete Fläche mit weißen LEDs als ein schönes Weiß wahrnimmt, während die Kamera einen erheblichen Gelbstich zeigt. Hier hat man das seltene Phänomen, dass die Abtastung der Kamera das Nachleuchten der Phosphors aufzeichnet, der Shutter aber zum Zeitpunkt des Emittierens der blauen LED-Spektren noch zu ist.

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Farbwiedergabe

Kommen wir wieder zurück zum Bestrahlen von Objekten. Auch hier hat man einen Weg gesucht, um zu beschreiben bzw. zu klassifizieren, wie gut eine Farbwiedergabe ist, wenn man mit Linienstrahlern beleuchtet. Unser Farbsehen ist sehr komplex und neben den Farbsehzellen werden auch die Informationen der schwarzweiß empfangenen Zellen ausgewertet. Nachts sind alle Katzen Grau lautet der landläufige Spruch, der zum Ausdruck bringt, dass bei zu geringer Lichtstärke die Farbzellen keine Informationen liefern und nur noch die Helligkeitszellen arbeiten und somit alles grau gesehen wird. Bei schwindendem Licht lassen die Signale nacheinander für rot, grün und blau nach. Von Grau differenziert sich Gelb noch am längsten. Mit aus diesem Grund ist Gelb auch eine ideale Signalfarbe.

Zurück zur Farbwiedergabe. Hier hat man sich Gedanken gemacht und kam zum Schluss, dass man mithilfe von Vergleichen realer Farben am besten die Auswirkung von fehlenden Farbspektren und die Auswirkung beim Betrachten, definieren kann. Man hat in der DIN 6169 die folgenden 16 Farben festgelegt: Altrosa, Senfgelb, Gelbgrün, Hellgrün, Türkisblau, Himmelblau, Asterviolett, Fliederviolett, Rot gesättigt, Gelb gesättigt, Grün gesättigt, Blau gesättigt, Rosa Hautfarben und Blattgrün. Nun beleuchtet man die Vergleichsfarben und kann die Qualität der Farben begutachten bzw. anhand des berechneten reflektierten Energiegehaltes aus der Lichtquelle und einer Wichtung zwischen den einzelnen Farben auch die Farbwiedergabe als einen Wert angeben.

Der Farbwiedergabeindex (eng.: color rendering index CRI) kann einmal mit Ra als Zahlenwert zwischen 0 bis 100 angegeben werden, wobei 100 nur Kontiuumstrahler erreichen, oder auch in Stufen zwischen 1 bis 4 charakterisiert werden, wobei die Stufen 1 und 2 jeweils mit Unterstufen A und B verfeinert wurden.

Jetzt kann man als Hersteller von Scheinwerfern hingehen und die Auswahl und Steuerung der LEDs so betreiben, dass ausgerechnet diese Testfarben sehr gut wiederggegeben, um somit einen hervorragenden Farbwiedergabeindex zu erreichen. Auch die Hersteller von Weißlicht-LEDs können ihren Phosphor so mischen, dass sie einen extrem guten RA erhalten. Die gute Farbqualität, also die Wiedergabe eines breit aufgestellten Spektrums, ist leider im Widerspruch zu einer hohen Effizienz. Das Schlagwort Lumen pro Watt diktiert vielerorts das Denken und Handeln. Eine hohe Effizienz erreicht man jedoch mit hohen Peakwerten einzelner Spektren, bei Weißlicht eben Blau und den Gelbanteil. Eine hocheffiziente Weißlicht-LED wird demnach keine gute Farbwiedergabe aufweisen wie auch umgekehrt hocheffiziente LEDs keine gute Farbwiedergabe haben. Und so liegt es wieder am Design, ob man mit möglichst wenig Energie etwas hell haben möchte, oder mit ein wenig mehr Energieaufwand eine bessere Lichtqualität. Denn auch mit LEDs lassen sich gute Farbwiedergabequalitäten erreichen.

Fehlen bei der Lichtquelle die roten Strahlungsanteile, dann werden rote Körper auch nicht mehr farbig dargestellt. Auch das Gelb driftet stärker in den Grün-Bereich ab.

Die Wahl der LED-Lichtquelle ist abhängig von der Aufgabe. Die Beleuchtung von „kritischen“ Farben benötigen weiße LEDs mit gutem Farbwiedergabeindex oder zumindest Farbmisch-LED-Einheiten, die möglichst eine vielbandige Wiedergabe leisten können, wie ARGGBC-Strahler, wobei die genaue Zusammenstellung der Einzelfarben durchaus variiert werden kann. Bei einfachem Beleuchten der meisten Standardveranstaltungen leisten auch RGBW-LED-Engines gute Ergebnisse. Dagegen sind zum Hinterleuchten RGB-LEDs völlig ausreichend.

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Lebensdauer

Auch eine LED altert, aber anders als konventionelle Leuchtmittel. Doch zunächst, was versteht man der Lebensdauer. Von den Allgebrauchs- und Halogenlampen ist uns die Angabe der mittleren Lebensdauer geläufig. Dabei besagt das „mittleren“ beim Begriff mittleren Lebensdauer, das nach Erreichen der angegeben statistisch gesehen Zeit noch die Hälfte der Lampen noch leuchten, während die anderen 50% der Brenner einen Totalausfall erlitten haben. Denn in der Regel ist der Wolframfaden einfach kaputt und der Brenner leuchtet nicht mehr, also ein Totalausfall. Je nach Einsatzgebiet, haben Halogenbrenner eine mittlere Lebensdauer von 20 Stunden wie z.B. eine Fotostudio-Lampe oder 2000 Stunden für z.B. den Longlife-Halogen-Brenner. Natürlich kann im Einzelfall die eine oder andere Leuchte wesentlich länger oder kürzer leuchten, denn es handelt sich ja um ein statistisches Mittel. Aber gemeinsam ist bei dieser mittleren Lebensdauer dass ein Totalausfall des Leuchtmittels erfolgt.

Bei der LED verhält sich das anders, denn der LED-Chip selbst könnte ewig betrieben werden, wenn er innerhalb seiner Betriebsparameter betrieben wird. Einen Totalausfall eines LED-Chips erfolgt nur bei elektrostatischer Überspannung, zu viel Strom oder Überhitzung, was jedoch durch schlechtes Thermomanagement, defekte Treiberelektronik oder eben äußerliche Ereignisse wie Spannungsüberschläge hervorgerufen wird, was uns aber hier nicht weiter interessieren soll. Deshalb werden hier auch keine Schaltzyklen erklärt, da diese hauptsächlich die Elektronik um die LED betrifft. Einen Halbleiter wie die LED welche im Nanobereich ein und ausgeschaltet werden kann bleibt von Strom ein und aus schalten vom Prinzip her völlig unbeeindruckt. Der LED-Chip altert, indem er sukzessive immer dunkler wird. Eine fortlaufende Degeneration des Kristallgefüges, wobei gegen Ende hin die Degeneration sehr stark zunimmt. Folglich kann man die bisherige Definition von 50% Totalausfall bei der LED nicht anwenden. Wenn nun bei einer LED der Wert von z.B. 50.000 Stunden angegeben wird, dann bedeutet dass das nach 50.000st die LED nur noch XX% Licht abgibt. Genau, hier ist schon die erste Hürde, denn eigentlich müsste angegeben werden wieviel % an Licht noch zu erwarten ist. Exakt wäre die Angabe 50.000st L₇₀ wobei L den Lichtstromrückgang kennzeichnet und die ₇₀ besagt das 70% der Lichtleistung erwartet werden darf. Einige geben 50% Lichtleistung an, wodurch sich so eine Lebensdauer im Betrag schnell erhöhen lässt. Wir sprechen bei der LED also nicht mehr von der mittleren Lebensdauer, sondern von der Nutzlebensdauer, also den Bereich wie lange man das Leuchtmittel nutzen kann, bevor es eben zu dunkel wird um die Aufgabe zufriedenstellen zu erfüllen – hell zu machen. Wie eine Nutz-Lebensdauer-Angabe aussehen kann ist unter DIN IEC/PAS 62 717 zu finden. Darin findet man weitere Definitionen, welche die Bertachtungsweise nicht gerade vereinfacht.

So wird neben dem L-Wert, dem Lichtstomrückgang noch ein B-Wert, der die Prozentzahl der Betroffenen LEDs die diesen Lichtstromrückgang erliegen, zugefügt, wie auch der C-Wert der bei einem LED-Array den Ausfall der einzelner LED-Chips beschreibt. Der F-Wert fasst C-Wert und B-Wert zusammen und berücksichtigt so den Lichtwertrückgang incl. evtl. Teilausfälle davon LEDs auf dem Array. So bedeutet der Wert L₇₀ B₁₀ das nur 10% der LEDs unter 70% Anfangs-Lichtstrom leisten liegen. Betrachtet man das nun nicht auf ein Einzelschicksal, sondern für eine Saalausleuchtung, so ergibt sich folgende Betrachtung. Eine LED mit L₇₀ F₁₀ würde nach Ablauf der Lebensdauer noch zu 63% den Saal erhellen, bei einem Leuchtmittel mit der Zusatzangabe L₅₀ F₅₀ wären es dagegen nur von 1/4 der ursprünglichen Helligkeit. Das sollte man bei der Planung bzw. Ausschreibung zu der Veranstaltungsstätte berücksichtigen. Unter anderem sind das auch die Kennzahlen um zwischen der Billig-Baumarktserie und dem Markenprodukt unterscheiden zu können. Zusammengefasst würde bei einem 1000 lm LED-Array mit 20 LED-Chips und die Angabe wie 50.000 Stunden L₇₀ B₁₀ C₁₀ F₁₀ bedeuten dass nach 50.000 Stunden nur noch 700 Lumen abgegeben werden wovon nur 2 LED-Chips unterhalb 35 lm liegen dürfen. Maximal 2 LED-Chips dürften gänzlich ausgefallen sein. Der F Wert fasst den B- und C- Wert zusammen und bestimmt das nur zwei LED-Chips unterhalb 35 lm liege dürfen worunter ja auch ein Totalausfall zählen würde. Natürlich werden die Leuchten nicht 50.000 Stunden oder länger getestet um die Werte der Nutzlebensdauer zu ermitteln. 50.000 Stunden wären ja 2083 Tage bzw. beinahe 6 Jahre. Man Testet die LEDs bei überhöhten Temperaturen, wo die Degeneration wesentlich schneller voranschreitet und damit die Testphase erheblich abkürzt und rechnet dies auf  normale Betriebstemperatur um.

Drift ins Blaue

Wird weißes Licht über Phosphorkonvertierung gewonnen, so haben wir einmal die Degeneration des blauen LED-Chips und einmal die Degeneration des Phosphors. Und kaum hat man den letzten Satz gelesen kommt einem auch schon die Befürchtung, dass die Alterung von LED-Chip und Phosphor nicht gleich ist. Das übliche Phosphormaterial wie z.B. Yttrium Aluminium Granat (YAG) mit Zumischung von Cerium und Erbium ist einer stärkeren Alterung unterlegen. Wir kennen Phänomen von Röhrenfernseher bzw. Röhrenmonitore, bei denen sich Bilder „eingebrand“ haben. So verschwindet über die Zeit mehr die gelbliche Lichtemission als die des blauen LED-Chips. Man kann verallgemeinern, dass wenn der LED-Chip 11% seiner Helligkeit verloren hat, der Phosphor bereits mit 40% Verlust behaftet ist. Die LED wird also im Laufe der Betriebszeit immer bläulicher. Die Farbtemperatur nimmt zu und ob der Farbort weiterhin nah an der planckschen Kurve liegt ist zu bezweifeln, wodurch damit auch die Farbwiedergabe abnimmt. Natürlich sind LED-Hersteller bemüht diesen Umstand zu verbessern, so hat z.B. Osram mit Ihrem Patent bereits wesentliche Verbesserungen bei dem Farbdrift durch die Phosphor-Zusammensetzung erreicht. Aber nicht nur durch den Photonenbeschuss von blauen Wellenlängen durch den LED-Chip altert dass Phosphor. Auch Umgebungseinfluss wie Ausdünstungen von Organischen Verbindungen wie z.B. Sekundenkleber ausdünsten können die Phosphorschichten über die Maßen schädigen.

Multicolor-LED Farbdrift

Großflächig in einer Lichtfarbe homogen auszuleuchten war mit Halogenlicht gar kein Problem. Der „Draht“ der Halogenlampe hat ungedimmt immer in derselben Lichtfarbe emittiert. Jedoch wollte man diese Flächen in farbiges Licht tauchen, dann waren oftmals die Farbfilter unterschiedlich ausgeblichen und es ergab sich meist ein bunter Farbenteppich. Aber legte man Wert auch hohe Farbqualität hatte man entsprechend die Folien oft genug ausgewechselt. Bei den Entladungslampen hat man auch mit unterschiedlichen Lichtfarben, manchmal schon bei der Auslieferung, grundsätzlich bei der Alterung zu kämpfen. Auch hier wurde entsprechend dem Anspruch wie z.B. bei einer Automobilmesse kurzerhand alle Leuchtmittel ausgetauscht und selektiert. Mit der LED haben wir durch die Fabrikationsstreuung bereits Homogenitätsprobleme. Einmal durch die unterschiedlichen Binnings der Intensität und der Lichtfarbe. Das bekommt man aber sehr gut mit Kalibrieren in den Griff. Das setzt natürlich voraus dass man kalibrierte LED-Leuchten verwendet, ansonsten ist hier die Betrachtung bereits am Ende. Denn man muss sich vorstellen, wenn man eine Farbe wie z.B. ein schönes Aquamarin aus drei LED Grundfarben RGB zusammen mischt, dann hört man den Lichtdesigner schon mal halbe Prozentpunkte aufrufen um genau den gewünschten Farbton heraus zu kitzeln. Und nun reden zwar von 50.000 Betriebsstunden bei einer LED. Aber bei dem Zusatz  L₅₀ heißt das auch dass nur noch 50% der Farbe emittiert werden. Wenn wir nun das schöne Aquamarin fordern, dass nur einen halben Prozentpunkt Abweichung erlaubt, müssen wir allein rechnerisch befürchten dass bereits nach 500 Betriebsstunden Farben unterschiedlich dargestellt werden können. Jetzt stellen wir uns einmal den Worst Case vor von einem Verleihbetrieb der 24 Lampen zu einem Stattfest verleiht wo die Stadtmauer 24/7 drei Wochen lang in Grün anleuchtet, und die anderen 24 Lampen leuchten zeitgleich ein Schwimmbad mit der blauen LED an. Anschließend soll auf einem Messestand mit allen 48 Geräten das wunderschöne Aquamarin erstrahlen. Der Operator wird zuerst alle Leuchten gleich ansteuern und sich dann wundern, das sind seine Scheinwerfer, die noch nicht mal 1/2 Jahr alt sind, einen farblichen Flickenteppich liefern. Er wird schon sein Workaround finden wie er dies unentdeckt verschleiern kann, aber Fakt ist das bereits mit einer relativen kurzen Zeitspanne die Farbgleichheit bei Mischfarben auseinander laufen kann wenn man die LED-Scheinwerfer in unterschiedlichen Farben nutzt. Entweder kann der Anwender im Menü die Farben selbst angleichen, oder es sollte eine Nachkalibrierung vom Werk erfolgen. Ansonsten kann es durchaus sein das man sich recht früh von dem homogenen Farbmischung über große Flächen hinweg verabschieden muss. Denn ein Leuchtmitteltausch wie bei einer Entladungslampe ist bei LED-Strahlern erst mal nicht vorgesehen. Aber es gibt auch Aktive Systeme die mit einem Farbsensor aktiv den Scheinwerfer korrigieren um somit der Alterung wie auch Temperaturdrift aktiv entgegen zu wirken. Jedoch sind diese Leuchten aufgrund Ihres hohen Preises meist kurz darauf wieder vom Markt verschwunden.

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Kalibrieren (eng: calibrate)

Um eine homogene farbige Fläche mit mehreren Scheinwerfern gleichen Typs aber unterschiedlicher Alterung zu realiesieren, müsste man jedenm einzelen Scheinwerfer separat entsprechend seiner Helligkeitsabweichung mit dem Pult nachregeln. Dies ist sehr zeitaufwendig. Auch haben wir im Abschnitt Binning gehört das aufgrund der Fertigungstolleranzen nicht immer die gleiche Farbe getroffen wird, sondern sichtbar abweichen kann. So sogt neben einem Kalibrieren aus alterungsgründen auch das Kalibrieren aus produktionsbedingten Farbabweichungen eine Rolle. Aus diesem Grunde findet man sehr oft auch verschiedene Kalibrierungsmöglichkeiten und Begriffe die wir im folgenden beschreiben wollen.

RAW

RAW kennt am als Aufnahmeformat bei Kameras, wo das Bild mit den unkomproimierten Sensordaten abgespeichert weerden. Also roh (eng: raw) – unverarbeitet. Bei unseren Scheinwerfern bedeutet das im RAW-Mode hier jegliche Kalibrierung deaktiviert ist. Man hat also Zugriff auf jede einzelne LED-Farbe so wie sie ist.

User Calibrated

Hier hat der Anwender die Möglichkeit einzelne Lichtfarben am Scheinwerfer in der Helligkeit einzuziehen. Damit kann man dann am Pult alle Scheinwerfer der Gruppe auf eine Farbe stellen, z.B. mit dem Colorpicker, und idealerweise leuchten dann all in der gleichen Farbe. Ein Nachteil ist hierbei das das schwächset Glied in der Kette den Ton angiebt. So müssen alle anderen auf den des schwächsten heruntergezogen werden. Man verlier immens an Helligkeit. Je nachdem wie der Hersteller sein Firmware gestaltet hat, gehen benutzer definierte Kalibrierungen nach einem Firmwareupdate oder Factory default aufruf verloren. Hier ist es sinnvoll die werte vorher aufzuschreiben oder wenn die Lampe es unterstützt als User-default abzuspeichern. Was der Benutzer mit User Calibration nicht erreichen kann sind Farbabweichungen einzelner LED-Farben. Hier ist er dann auf die Selektive Auswahl (Binning der Lichtfarbe) des Herstellers angewiesen.

Calibrated

Aktuelle Farb-Kalibrierung werden als Algorthmis oftmal in einem programmierbaren Chip eingebunden. Sie erlauben nicht nur eine Helligkeitskalibrierung der einzelnen Lichtfarben, sondern können auch den Farbort der einzelnen Lichtfarben verschieben. Umgesetzt wird dies, indem nicht die zu helle Farbe eingezogen wird, sondern die anderen Lichtfarben hinzugezogen werden. Der Vorteil hierbei ist, das im kalibrierten Zustand der Lichtoutput sogar erhöht ist. Erkauft wird der Vorteil das mit der Einbuße des Farbraumes. Man Definiert eine enger gestecken Farbraum, den alle Scheinwerfer die darauf kallibriert werden sollen abdecken müssen. Jedoch wenn das Binning zu weit auseinander läuft, wird der gemeinsamme Farbraum immer kleiner. Wenn nun das Rot eingestellt wird, wird über den Algorithmus und einer Messung entsprechen noch etwas grün oder Blau oder beide Farben hinzugefügt, so das diese Farbecke der neue Farbort des Kaliebrieten Farbraum wird. Da Rot nicht eingezogen wurde und noch etwas blau oder grün hinzugefügt wurde, ist das resultat heller. Mit solchen Algorithmen ist es auch möglich das beim Dimen einer Farbe der Farbort konstant beibehalten wird, oder das bei CCT-Farbänderung die gewünschte Farbtemperatur bei der Plankschen Graden liegt. Nachteil hier ist das man die reinen gesättigten Farben nicht mehr erreicht.

Soft-Calibrated

Mit Kalibrierung trift man mit mehreren Scheinwerfern die gleiche Farbmischung. Jedoch ist der Farbraum abgeschnitten worden. EIne rein gesättigte LED-Grundfarbe ist nicht mehr zu erreichen. Also ein 100% Rot und 0% grün und blau, lassen oft noch ein wenig grün oder blau oder beide mitleuchten. Jedoch mittels Software kann man auch vom Kallibrierten Modus in den RAW Modus umblenden. Diese Überblendung geschied meist im untersten Stellbereich. Wenn die Software erkennt, das nur rot angesteuert wird, so verläßt man auf den letzten %-Schritten immer mehr die KAlibrierfunktion und steuert nur noch die rote LED selber an. So hat man den Vorteil das man trotz Kalibrierung nopch in ide gesättigte Farbe hineinkommt. Jedoch wenn die LED-Farben aus einem Breiten Binning herausgesucht wurden, dann sind die Farbunterschiede eben wider ersichtlich.

Service Kalibrierung

In der Regel erhält der Scheinwerfer, oder die LED-Streifen Ihre Kalibrierung (soweit die Funktion unterstützt wird) ab Werk. Dazu muss jeder Scheinwerfer oder im Falle von LED-Streifen jede LED vermessen werden. Dies ist oft zeitaufwendig, da die LEDs erst nach erreichen Ihrer stabilen Betriebsparameter vermessen werden sollte. Gute Systeme beinhalten auch algorithmen die eine Alterung der LEDs vorrausberechnen. Jedoch sind dies alles theoretische Betrachtungen. So kann eben bei extremen unterschiedlichen Anwendungenaufgrund der unterschiedlichen alterungsbedingungen die Algorithmisch basierende Kalibrierung nicht mehr richtig wirken. Abhilfe schaft hierbei eine Nachkalibrierung, also das wiederholte nachmessen der LEDs und dementsprechend anpassen der Korrekturkurven. Einige Scheinwerferhersteller bieten diesen Service an. Es gibt sogar Systeme, bei den in einem Fernsehstudio die LEDs über die Fernsehkamera kalibriert werden können, und das ohne die Operafolie vor den LEDs zu entfernen. Das sparrt immens Zeit und sichert die Investition über einen sehr langen Zeitraum.

Aktive Kalibrierung

Neben der reinen Software- Chip- Kalibrierung gibt es auch Echtzeit-Regelungen. Dabei nimmt ein Sensor die abgestrahlte Lichtfarbe auf und korrigiert kontinuierlich die Einstellungen. Damit hat man ein wartungsfreies System – zumindest was die Kalibrierung betrifft – geschaffen.

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LED-Ansteuerung

Externe Ansteuerung – Farbmischung

Lichtstellpulte der gehobenen Klasse für Moving Lights sind in der Regel mit einem CMY-Farbmischsystem, oft auch Colorpicker genannt, ausgestattet. Die allgemeine Programmstruktur der Konsolen hat sich auf drei Steuerkreise für drei Grundfarben konzentriert. Mit dem Aufkommen der ersten LED Moving Heads musste nuneine inverse Struktur implementiert werden. Die war jedoch bereits durch die Leuchtstoffwannen bekannt, die ebenfalls mit ihrer additiven Farbmischung vom Lichtstellpult kontrolliert werden mussten. Es ist relativ einfach von einer Cyan-Magenta-Gelb-Farbmischung in eine Rot-Grün-Blau-Farbmischung zu überführen. So wird für jede Farbe ein Steuerkanal verwendet. Weitergehende Entwicklungen haben auch die HSI Steuermöglichkeit zugelassen. Dabei wird die Farbe H für Hue (Buntton) S für die Sättigung und I für die Intensität geregelt. Jedoch sind diese Systeme meist auf drei Steuerkreise beschränkt. Jetzt kommen aber LED Moving Heads auf den Markt, die neben RGB auch noch Weiß aufweisen. Noch komplizierter für die Programmierer wird es, wenn sich zu RGB + W auch noch weitere Farben wie Amber oder evtl. noch ein Cyan oder ein weiteres Grün und/oder ein Orange hinzugefügt werden. In der Regel sind die Lichtstellpulte so flexibel, dass man sich ein Fixture (Scheinwerfer) nach eigenem Gusto anlegen kann. Ganz zur Not behandelt man diese Steuerkreise für die verschiedenen Farben wie Dimmerkreise, die man aber als LTP deklariert. Auch der virtuelle Dimmerkanal darf bei dieser Betrachtung nicht fehlen. Abgesehen davon, dass die Auflösung einer Farbe nicht nur 8 Bit, sondern auch mal 16 Bit betragen kann, was natürlich auch von einem Lichtstellpult dann berechnet werden muss, aber nicht selbstverständlich ist, da viele Pult die 16-Bit-Ausflösung nur für Pan und Tilt vorsehen, ist die Forderung nach vielen Farben für einen LED-Strahler eine Herausforderung an die Programmstruktur von Lichtstellkonsolen, insbesondere wenn sie mit Colorpicker und Fan-Funktionen arbeiten sollen. Die Fan-Funktion ist so zu verstehen, dass mehrere Scheinwerfer angewählt, eine Startfarbe sowie eine Endfarbe definiert werden und alle Scheinwerfer dazwischen nun stufenweise den Farbverlauf nachbilden.

Wenn ein LED-Strahler mehr als nur RGB aufweist, werden von den meisten Lichtsteuersystemen die Colorpicker, die nur auf RBG basieren, nicht richtig unterstützt. Auch ist eine 16-Bit-Behandlung von Farben auf Steuerpultseite mehr die Seltenheit. Und da sich abzeichnet, dass eher mehr verschiedene Kombinationen von RGB + weitere Farben ihren Weg auf den Markt finden werden, sollte man als Scheinwerferhersteller vielleicht umdenken und die Farbsteuerung in den Scheinwerfer selbst integrieren. Natürlich ist es eine algorithmische Herausforderung zum RGB nun noch einen vierten Parameter hinzuzuziehen. Aber vielleicht wäre ein weiterer Ansatz ebenfalls hilfreich. Anstatt dem Pult die exakte Farbmischung zu überlassen, wäre es doch auch denkbar, dass die Scheinwerfer selber die Algorithmen und Tabellen zur Farbmischung beinhalten. So könnte man z.B. drei Byte, sprich drei Steuerkreise aufwenden, um mit einem Steuerkreis die Auswahl des Farbfolienherstellers wie Rosco, Lee, Gam usw. durchzuführen, um dann mit den nächsten zwei Kreisen 65.536 verschiedene Farben auszuwählen, wie z.B. eine 102. So könnten die Paletten auf den Pulten leichter realisiert werden, da der Scheinwerferhersteller bereits die Abstimmungswerte definiert hat. Drei Kanäle würden auch ein HSI-System (Hue = Farbton, Saturation = Sättigung, Intensity = Dimmer) benötigen. Hier können dann in der Software des Scheinwerfers die zusätzlichen Farbquellen einbezogen werden, so dass für das Lichtstellpult immer nur HSI verwendet werden braucht, um den Colorpicker ähnlich der Farbe des Scheinwerfers abbilden zu lassen. So hat zwar der Entwickler des Scheinwerfers mehr Programmieraufwand, jedoch ist der Anwender dankbar, da er dann unabhängig der verwendeten Konsole immer die gleichen gewohnten Farben erhält und das Bilden der Bibliotheken ist auch einfacher, abgesehen davon, dass eben viele Lichtstellpulte das Verwenden von zusätzlichen Farben zu RGB erst gar nicht erlauben.

Ein anderer Weg für Farbrampen, die mit RGB plus Amber plus weiß plus X ausgestattet sind, wären drei weitere Steuerkanäle, die prioritätsmäßig über den Direktfarben stehen. Ein Wunsch wäre z.B. mit einem Steuerkreis den Farbfolienhersteller nebst Zahlenkreis von 0 bis 200 auszuwählen und mit dem zweiten Steuerkreis seine gewünschte Farbe, z. B. 119 (Dark Blue). Dann käme man auch ohne Gerätebibliothek sehr schnell zum Ziel. Mit dem dritten Steuerkreis könnte man dann noch ein CCT-Weiß einstellen, wie z. B. ein 3.200 K oder ein 6.500 K ähnliches Weiß.

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LED-Treiber

Anhand des Ersatzschaltbildes erkennt man, dass in Sperrrichtung die Ideale Diode sperrt. Wird die Diode in Vorwärtsrichtung betrieben, so erkennt man, dass man erst so viel Spannung aufbauen muss, um die interne Spannungsquelle zu überbieten (Durchlassspannung – benötigt um die Sperrschicht zu überwinden).

Dann kann der Strom bei Erhöhung der Spannung beinahe linear ansteigen, entsprechend dem inneren Widerstand R.

Anhand der folgenden Kennlinie sieht man, dass kleine Spannungsänderungen sprunghafte Stromänderungen zur Folge haben können. Deshalb ist es vorteilhaft, eine LED über ihren Stromfluss zu steuern.

Vorwiderstand

Die einfachste Variante, um LEDs mit Strom zu versorgen, ist ein Vorwiderstand vor der LED, der dafür sorgt, dass die anliegende Versorgungsspannung im Stromfluss begrenzt wird. Nachteil ist, dass die Spannungsversorgung extrem stabil sein muss. Ein Akku z.B. weist zwischen voller Ladekapazität und normaler Entladung eine so große Spannungsdifferenz auf, dass die Diode überlastet bzw. nicht optimal arbeiten kann. Betrachten wir die Diodenkennlinie sehnen wir aber auch, das kleinste Spannungsänderungen hohe Stromänderungen zur Folge haben. Also eine Spannungsregelung ist ungünstig. Besser ist es den Stromfluss selbst zu regeln.

Eleganter ist die Regelung über den Strom was dann Constant Current Reduction genannt wird. Eine Überlastung der Diode ist ausgeschlossen. Es besteht sogar die Möglichkeit, weitere Dioden in Reihe zu schalten, wenn die Versorgungsspannung es erlaubt. Betrachten wir aber den Farbort des abgestrahlten Lichts bei niedrigen Strömen gegenüber hohen Strömen, so erkennen wir dass der Farbort leicht von der Stromhöhe abhängig ist. Die negativen Effekte wenn die LED nicht mit dem Nennstrom durchgesteuert wird, kann man z.B. auch dadurch minimieren indem man den LED-Chip z.B. mit einem Peltierelement auf einer konstanten Betriebstemperatur hält. Im Gegensatz zum digitalen PWM spricht man hier auch von analogen Dimmen. Damit ist ein konstanter Lichtstrom vorhanden und hat keinerlei negative Auswirkung auf den Mensch oder elektronischen Aufzeichnungsgeräten selbst bei Hochgeschwindigkeitsaufnahmen bzw. Zeitlupen. Nebenbei ist damit die elektromagnetische Verträglichkeit also die Störstrahlung durch schnelle Wechselfelder ebenfalls beseitigt. Da die negativen Auswirkungen einer Stromregelung sich am stärksten im untersten Regelbereich auswirken, ist es naheliegend, beide Dimmverfahren zu vereinen, so dass die PWM von 0- ca-10% zu Einsatz kommt und darüber die CCR Dimmung eingesetzt wird. Somit hat man aus beiden Welten die Vorteile optimal genutzt, was auch von einigen Leuchten bereits so umgesetzt wird, jedoch ist die Entwicklung einer Analogschaltung zur Regelung der Stromhöhe relativ aufwendig gegenüber einer digitalen Schaltung. Demzufolge hat sich weitläufig die sogenannte PWM Puls weiten Modulation zum Dimmen von LEDs durchgesetzt.

 

 

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Konstantstrom-Versorgung-Selbstgemacht

Einer der Vorteile von LED ist die geringe Oberflächentemperatur gegenüber konventionellen Leuchtmitteln. Damit eignet sich die LED auch hervorragend, um an Dekorationselementen sehr unauffällig integriert zu werden, um z.B. im Theater eine Tischkante zu kennzeichnen gegen die der Schauspieler beim Abgang im Black Out so oft gegengelaufen ist.

Eine oder mehrere LEDs arbeiten am effektivsten wenn sie mit konstantem Strom betrieben werden. Damit man nun eine oder mehrere LEDs simpel mit einer 9-V-Blockbatterie oder anderen Spannungsquellen antreiben kann, wird eine Schaltung benötigt, die dafür sorgt, dass der Strom konstant bleibt. Natürlich bieten diverse Firmen fertige Module für diese Aufgabe an, aber hiermit wollen wir dem Beleuchter eine Anregung bieten – den berühmten Blick über den Tellerrand –, mal selber den Lötkolben zu schwingen, da diese Schaltung schnell zu erstellen ist und selbst auf einer Experimentier-Platine während der „Sprech-Probe“ erstellt werden kann.

Warum nicht einfach R

Nimmt man eine Standard-LED mit einem Nennstrom von 20 mA, so könnte man hingehen und nach U = R x I schnell einen Vorwiderstand für die LED berechnen und einfach in Reihe schalten. Prinzipiell ist das richtig, aber jede Spannungsschwankung, wie sie z.B. je nach Ladezustand des Akkus auftritt, verändert stark die Helligkeit und evtl. bei Überspannung kann die LED auch zerstört werden bzw. degeneriert sehr stark. So ist eine Schaltung, die den Strom konstant hält, einmal ein Schutz auch bei Verwechslung der anzuschließenden Spannungsquelle (12 Volt Akku statt 9 Volt Blockbatterie). Zum anderen erlaubt eine Konstantstrom-Schaltung eine Reihenschaltung von mehreren LEDs, ohne die Spannungsquelle anzupassen. Vorausgesetzt die Summe der LEDs mit ihren charakteristischen Flussspannungen, die ja nach Farbe variieren, übersteigt nicht die Versorgungsspannung. Grundsätzlich sorgt aber ein konstanter Strom auch bei Akku bedingten Spannungsschwankungen immer für eine gleichmäßige Helligkeit.

Nebenbei kann man so sehr schnell LEDs untereinander in der Leuchtstärke vergleichen, testen und selektieren.

 

 

Funktionsweise

Nach dem 2. Kirchhoffschen Satz (Maschenregel) ist bei einem geschlossenen Umlauf in einem Netzwerk bestehend aus Stromzweigen die Summe der Spannungen gleich null. Der PN-Übergang von Halbleitern ist ideal gesehen belastungsunabhängig und beträgt 0,6 Volt. So gesehen hebt sich die Spannung einer Diode mit der Spannung des PN-Übergangs des Transistors auf. Also muss die Spannung der zweiten Diode gleich sein wie die Spannung am Widerstand. Der Widerstandswert ist konstant, so wie die PN-Spannung an der zweiten Diode ideal konstant ist. Folglich ist nach U = R x I der Strom durch den Widerstand ebenfalls konstant. Wir erhalten theoretisch somit bei einem 47 Ohm Widerstand einen konstanten Strom von 12,8 mA (0,6 V / 47 Ohm).

 

Jetzt ein Transistor

Bleibt jetzt die Frage, wie man die Leuchtdioden mit diesem konstanten Strom koppelt. Diese Aufgabe übernimmt der Transistor. Da der Basisstrom durch den hohen Verstärkungsfaktor des Transistors gegenüber dem Kollektor-Emitterstrom verschwindend gering ist, kann er mit 0 angenommen werden. So ist nach dem 1. Kirchhoffschen Satz (Knotenregel) die Summe aller zufließenden Ströme gleich aller abfließenden Ströme.

 

 

So können nun eine oder mehrere Dioden in Reihe mit dem gleichen konstanten Strom angetrieben werden. Vorausgesetzt, dass die Betriebsspannung größer ist als die Summe der Spannungsfälle über den in Reihe geschalteten LEDs, der Transistor Kollektor-Emitter-Strecke und dem Spannungsfall am Widerstand, der für die Größe des konstanten Stromes verantwortlich ist.

Ran ans Werk

So nun den Kolben vorheizen, die Kramkiste nach den Standardbauelementen durchsuchen und ran ans Werk, oder aber man hat jetzt die Gelegenheit wahrgenommen einfach nur mal nachzuvollziehen wie Elektronik funktionieren könnte und sich bei Anforderung ein fertiges Modul bei den diversen Herstellern zu ordern.

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PWM

Die Puls Breiten Modulation (PWM aus dem englischen Puls Wide Modulation) ist die effektivste Art LEDs mit Strom zu betreiben wenn Sie gedimmt werden müssen. Um die LED zu dimmen, schaltet man einfach schnell den konstanten Strom zu bzw. ab. So wird zu jeder Zeit der Nominalstrom gefahren, was den höchsten Wirkungsgrad, den stabilsten Farbtemperaturdrift bzw. allgemein das kleinste Paramaterdriftverhalten aufweist, gegenüber anderen Dimmverfahren. Zum anderen ist ein zyklisch ein- und ausschalten der LED schaltungstechnisch relativ einfach zu realisieren. Dazu wird meist innerhalb einer festen Grundfrequenz ein Stromblock solange eingeschaltet um damit proportional die Leistung der LED zu erreichen. Wenn man also den Block nur 1/10 der Zeit innerhalb der Grundfrequenz einschaltet, wird auch nur ein 1/10 der Leistung von der LED innerhalb dieser Grundfrequenz, wiedergegeben. Das Verhältnis von der Impulslänge und Periodendaur wird auch Tastgrad (eng. duty cycle) genannt.  Die Breite des Pulses regelt die Leistung und ist leider nicht mit der Helligkeit proportional. Denn die Empfindlichkeit unseres Auges in Bezug auf Helligkeitsunterschiede ist nicht linear, sondern eher Logarithmisch. Wenn man den Lichtstrom um den Faktor 10 (also dimmen von 100 % auf 10 %) reduziert, entspricht das etwa gerade einmal einer empfundenen Helligkeitsreduktion auf die Hälfte. Dieser Effekt trägt ebenfalls zu dem Empfinden bei, das im untersten Stellbereich die LEDs meist nur grob geregelt erscheint.

Folgende Bilder: Das Prinzip dimmen mit einer Puls Breiten Modulation abgekürzt Englisch PWM (Puls Wide Modulation). Je schmaler der Puls umso stärker wird die LED scheinbar abgedimmt.

Auflösung mit 16 Bit

Betrachtet man nun die Frequenz einer PWM von 8.000 Hz als Grundfrequenz, was 125 μs entspricht und löst nun die Dimmung mit 8 Bit auf, was 256 einzelne Schritte sind, dann hat das einzelne Bit bzw. der kleinste mögliche Spannungsblock eine Breite von 488 ns. Wird dagegen mit einer 16-Bit-Auflösung gedimmt, dann muss der Prozessor ca. 1,9 ns sprich 0,5 GHz getaktete PWM leisten können. Damit wird deutlich, dass bei der Verwendung von 16 Bit ein schnellerer und damit teurer Prozessor für die Dimmung notwendig ist. 8 Bit sind für viele Anwendungen ausreichend, wenn es nicht um unmerkliches stufenloses Herausdimmen von 0 in den ersten Helligkeitsbereich heraus ankommt. Ein Flickern kann man – hat man ein Produkte, bei welchem man die Basisfrequenz nicht ändern kann – vermeiden, indem man die LED mit 100 % ansteuert, da so bei der normalen PMW ein Gleichstrom herausgegeben wird. Natürlich ist die Farbwahl bei RGB-LEDs dann schon auf die Grundfarben R, G, B, C, M, Y und W eingeschränkt.

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Flicker

„Flickerfrei“ beim Dimmen von LEDs – was bedeutet das wirklich? Wenn wir von Dimmen sprechen, fällt uns oft auch das Gerät „Dimmer“ dazu ein. Betrachten wir die Allgebrauchslampe, so hat in der Regel der Dimmer die 50 Hz Versorgungsspannung, die Netzhalbwellen an- oder abgeschnitten, so das weniger Energie das Leuchtmittel erhitzt hat. Damit wird schon deutlich, dass der Wolframdraht sein Licht durch Erhitzung abstrahlt. Trotz periodischen Schaltvorgängen ist das erhitzen so träge, dass eigentlich immer Licht abgestrahlt wird. Gerade bei großen leistungsstarken Leuchtmitteln kann man beim Abschalten deutlich das Ausglimmen beobachten, das heißt wie über ein Zeitverlauf das Licht immer rötlicher und dunkler wird und nach kurzer Zeit dann erloschen ist. Durch diese Trägheit ist trotz relativer niedriger Frequenz und der beschnittenen Wechselspannung für unsere Augen keinerlei Flickern oder Flackern zu erkennen. Man genießt einen relativen kontinuierlichen Lichtstrom mit nur einer geringen restwelligkeit durch die Wechselspannung. Rein kontinuierliches Licht liefert uns z.B. unseren Tageslicht oder Kerzenschein. Mit der LED haben wir jedoch ein Halbleiter der im Nanosekundenbereich auf angelegte Spannungen bzw. Ströme reagiert und diesen genauso schnell in Licht umsetzt. Die Folge bei schlechter Dimmung – Kopfschmerzen, Unwohlsein oder Konzentrationsschwäche können Auswirkungen auf den Körper sein, während elektronische Aufzeichnungsgeräte mit Rolling Shutter oder Blinken und Flackern auf die schlechte Dimmung reagieren.

Blinken, Flicker, Stroben und der Mensch

Wenn etwas schnell ein und ausgeschaltet wird, und wir beide Betriebszustände klar unterscheiden können dann bezeichnen wir es zunächst als Blinken. Je schneller sich der Zustand Ein und Aus ändert, umso mehr weniger können unsere Augen die Informationen getrennt detektieren es vermischen sich die Zustände Ein und aus zu einem Mittelwert entsprechend dem Tast-Verhältnis von Ein und Aus. An der Grenze der Wahrnehmbarkeit sprechen wir dann auch vom Flackern oder Flimmern (engl. flicker). Die Flimmer-Verschmelzungsfrequenz liegt im Maximalfall bei ca. 80 Hz und so sollte theoretisch eine PWM oberhalb 80 Hz mit ein wenig abstand also 100Hz liegen. Da wir mit 100 Hz bzw. 120 Hz in den USA das doppelte der Netzversorgungsspannungsfrequenz vorliegen haben, lassen sich so auch preiswerte LED-Treiber realisieren. Jedoch ist diese Frequenz zu klein gewählt, denn im Bereich von 100-400 Hz kann das Flickern des Lichtes, auch wenn es nicht bewusst war genommen wird, negative Auswirkungen auf den menschlichen Organismus haben. Dies wird in der IEEE 1789 „Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers“ beschrieben. Dazu unterscheidet man das visuell wahrgenommene Flackern von 1-70 Hz. Frequenzen 1-30 Hz werden in der Veranstaltungstechnik als Stroboskop-Effekt beschrieben und eingesetzt. Ist man einem Flackern von 15-20 Hz ausgesetzt, können auch bei kurzem Aufenthalt in solch einer Lichtumgebung Krampfanfälle bei Epilepsieneigung ausgelöst werden. Ein unrühmliches Beispiel erfolgte bei einer japanische Zeichentrickserie die im Fernsehen übertragen wurde und eine massenhafte Epilepsiewelle bei Kindern auslöste als über 4 min schelle Farbwechsel von Rot zu Blau mit einer Frequenz von 12 Hz ausgestrahlt wurden. Natürlich sind dabei auch Faktoren der weiteren Umgebungslichtverhältnisse bzw. das Sichtfeld und die Leuchtdichte und wie bereits angedeutet die Lichtfarbe eine Rolle. Wenn nur noch die Stäbchen angeregt werden, also bei dem Schwarzweiß sehen im Dämmerungslicht, sinkt die sogenannte Flimmerverschmelzungsfrequenz auf 15 Hz bzw. 6 Hz, während bei normal hellen Umgebung, bei dem die Zapfen Farbe detektieren, erst Oberhalb der 30-80 Hz das Flickern verschwimmt. Dabei ist auch zu beobachten, dass der Mensch im peripheren Bereich der Netzhaut eher ein Flickern wahrnimmt als im Zentrum. Darüber hinaus sind manche Menschen noch sensibler in ihrer Wahrnehmung als der gemeine Durchschnitt. So können einige Menschen sich von dem Flickern gestört fühlen, während es für den daneben stehenden keinerlei Effekt zu beobachten ist. Aber nicht nur die Frequenz der Ein und Aus-Taktung (Flicker Index (FI)) spielt eine Rolle, sondern auch das vorhanden sein einer Grundhelligkeit auf dem diese Taktung aufliegt. Diese Modulation (Mod%) beschreibt den Abstand zwischen Minimum und Maximum dieser Taktung. Ein Rechtecksignal (absolut Dunkel z 100% Hell) hat demnach eine Modulation von 100%, während trotz Trägheit die eingangs erwähnte Halogenleuchte noch eine Restwelligkeit von 10% zu messen sind. Bei einer durchgesteuerten LED also 100% angesteuert, haben wir meist eine durchgehende Gleichspannung und somit auch keine Restwelligkeit und damit eine Modulation von 0%. Der allgemeine Mensch reagiert bei längeren Flackernden Licht innerhalb der eben genannten Frequenzen mit starken Kopfschmerzen oder eingeschränkter Sehfähigkeit. Kommen wir nun zu dem anderen Bereich, dem nicht mehr bewusst gesehenen Flackern, also oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz von ca. 80 Hz. Man konnte den Einfluss auf das Neurologische System sogar noch bei Frequenzen von 160 Hz bzw. Reize auf der Netzhaut bei 200 Hz beobachten. In Studien wurden Auswirkungen wie Kopfschmerzen, Migräneanfälle oder Erschöpfungszustände aber auch verringerte Sehleistung und Einschränkung der Leseleistung  aufgrund des nicht sichtbaren flackerndem Licht nachgewiesen. Man geht also von einem erhöhten Kopfschmerzrisiko bei 100Hz mit einer Modulation über 35% aus.

PWM und die Kamera

Verlassen wir die Physiologie des Menschen und widmen uns elektronische Aufzeichnungsgeräte, die in Ihrer Regelmäßigkeit bei der Abtastung auf  die Lichtblöcken abtasten und zu einem anderen Zeitraum nur den Zustand Aus ablichten. Die Folge ist, dass das Bild blinkt, oder flackert. Weiter Effekte werden verursacht von dem Timing zur Abtastung des Sensors und den Speicherzugriffen. Oftmals reicht es die Lichtquelle über die Kamerafunktion seines Handys zu betrachten um ein Flickern dort erkennen zu können. Um diesen Flickereffekten zu entgehen, kann man die Basisfrequenz der PWM weiter hoch setzen. Für elektronische Kameras sollte man in der Größenordnung von 4.000 Hz denken. Oftmals kann man bei Scheinwerfer für Aufnahmsituationen die Dimmung auch in der Frequenz umschalten. So sind Systeme auf dem Markt, bei der man die Frequenz zwischen 1.500 Hz bis zu 8.000 Hz in mehreren oder sogar in frei wählbaren Stufen umschalten kann. Bei Slow-Motion Aufzeichnungen bzw. Zeitlupen wie sie z.B. bei Boxkämpfen gerne gezeigt werden, können jedoch auch 8.000 Hz zu kurz sein. Hier gibt es Geräte die auch auf 25.000 Hz oder gar 30.000 Hz hochschalten lassen, wobei man bei einem Boxkampf bzw. slow motion immer sehr viel Licht benötigt und man die Scheinwerfer nicht dimmen wird und damit keine PWM vorhanden sein braucht. Scheinbar, denn viele Scheinwerfer wenden zum Schutz der LED ein oft unmerkliches Herunterdimmen mittels PWM an, wenn der Lüfter es nicht schaft die Temperatur am LED-Board niedrig genug zu halten. So können auch bei 100% Ansteuerungen auch ein Duty-Cycel zu erkennen sein. Siehe auch LED und Temperatur.

Im folgenden Bild erkennt man dass wenn die Abtastfrequenz immer wieder auf den dunklen Moment zugreift und dann langsam zum hellen Moment wandert, wird bei der Wiedergabe ein deutliches 100 % Blinken statt einer gedimmten Lichtstimmung sichtbar. In X-Achse ist der Zeitliche verlauf abgebildet. DIe Obere Zeile zwigt die PWM bzw. das pulsende Licht einer LED-Leuchte. In der zweiten Zeile symboliesieren die gelben Linien die in die erste und dritte Zeile hinführen den mechanischen Shutter oder die elektronische Abtastung für eine Bildaufnahme der Kamera. Das ergebnis aus PWM und Abtastung wird in der dritten Zeile dargestellt, das mehrmals hintereinander nur auf die Dunkelphase abgelichtet wurde gefolgt wo einer mehrmaligen ablichtung der Hellphase. Das Bild Bilnkt in der Kamera, währen unser träges Auge ein nur 50% helles stehendes Licht warnimmt.

Alternative Verfahren zur Minimierung von Blink / Flickereffekten

Z.B. kann man die Schwebung mit einer Lehmannmodulation minimieren indem man die Spannungsblöcke bei einem Stellwert in einem quasi zufälligen Muster anordnet. Dabei wird mit einem Bitmuster gearbeitet das sich erst über eine längere Zeit wiederholt. Damit  wird die Grundfrequenz oftmals viel niedriger, da verschieden Musterblöcke hintereinander zusammengestellt werden und damit die Grundfrquenz niedriger ist, was aber nicht die Frequenz der einzelnen Blöcke entspricht, die viel höherfrequent daherkommen. Das heißt, das man z.B. 50% ansteuert, aber die Blöcke mal 25%, dann mal 75%, mal früher, dann mal später auf der Basisfrequenz gesetzt werden, aber im Mittel doch die 50% ausmachen. Damit wird der Gefahr der Schwebung bei der Abtastung immens entgegengewirkt.

Mit Erhöhung der Ansteuerung wird einmal die Dichte der Pulse erhöht und danach folgt noch eine Muster von Pulsen unterschiedlicher Breite.

Ein anderer Lösungsansatz ist, dass man LED-Arrays über mehrere Treiber in Gruppen nicht gleichzeitig, sondern hintereinander aufdimmt. So setzt man über eine durchgesteuerte Gruppe – sprich einer konstanten Helligkeit – eine weitere PWM darüber. Damit ist bereits eine Konstante Helligkeit vorhanden und die aufgesetzte PWM ist vom der Amplitude nicht mehr so hoch. Der modulationsgrad wird so erheblich gesenkt und damit die negativen Effekte deutlich gemindert.

Gelbshift

Da das Flickern von Kameras keine neue Erscheinung ist, sondern auch schon bei den Entladungslampen in Erscheinung getreten ist, gibt es in einigen Studios ein Synchronisierungssignal, damit entsprechend der Lichtblock ansteht, wenn der Shutter der Kamera auf ist. Sollte man sich dieser Idee annehmen wäre bei einer weißen LED noch zu beachten, dass man dann keine so große Latenz bei der Synchronisierung hat und so die Kamera unglücklicherweise nur noch das Nachleuchten des Phosphors aufzeichnet anstatt auch die vorangegangene Anregung der blauen LED-Photonen. Dadurch rutscht die Lichtfarbe ins Gelbliche, obwohl der Zuschauer ein kaltes Weiß sieht.

Boost-Betrieb

Die LED-Leistung kann mit dem Boost-Betrieb nochmals gesteigert werden. Beim Boost werden die LEDs mit einem höheren Stromwert belegt, aber kompensiert wird dies mit längeren Pausenzeiten in jedem Zyklus, so dass der Kristall wieder abkühlen kann.

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EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit)

Betrachtet man einen LED-Strahler, so werden EMV-Probleme durch den Scheinwerferhersteller bzw. durch den In den Verkehrbringer selbst angegangen, denn ansonsten bewegt er sich mit seiner CE-Konformitätserklärung auf dünnen Eis.
Aber wie sieht es im Dekorationsbau aus, wo der Anwender selber seine Leitungen von seinem dimmenden LED-Netzteil zur Dekoration zw. zu den LED-Streifen legt. Denn hier haben wir auf einmal lange freie Kabelwege mit hochfrequenten Strompulse, wobei die Leitungen auch noch wie Antennen fungieren. Dafür haben wir im Artikel “Deko-LEDs richtig und ohne Probleme ins Bühnenbild integrieren”  eine Absatz gewidmet.

 

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LED, das andere Leuchtmittel

Aufgrund der geringen Bautiefe, Gewicht und Flexibilität bieten sich für die Gestaltung von vielfältigen Lichtanwendungen LED-Module an. Verkettete LED-Module, deren Verbindungen untereinander nur aus den Zuleitungen bestehen, sind flexibel wie konventionelle Kleinstleuchtmittel, haben aber keine Temperaturprobleme. Strips zur Kantenbeleuchtung, wie sie gerne bei Treppen oder Fluchtwegen eingesetzt werden, sind extrem leicht zu handhaben und benötigen auch kein Auswechseln der schwer zugänglichen Leuchtkörper. Noch universaler sind z.B. flexible Leiterplattenstreifen mit integrierten LEDs. Damit werden bewegliche und räumliche Leucht-Gestaltungen möglich. Dabei kann das ca. 9 m lange „LED-Lichtband“ nach Wunsch in einzelne Module zerschnitten werden. Mit dem bereits angebrachten Klebeband auf der Rückseite sind so schnell Design-Ergebnisse zu erzielen.

 

Ein Black Out mit 0 Sekunden Überblendung ist mit LED-Strahlern ein wirklich plötzlicher Black Out im absoluten Dunkel, denn Halogenlicht glimmt immer ein wenig nach, da die Wendel sich abkühlen muss. Darüber hinaus ist auch ein Dimmen ohne Änderung der Farbtemperatur für weiße LEDs weitgehend selbstverständlich, während Halogenlampen sich an der Plankschen Farbtemperaturkurve beim Dimmen in Richtung Rot bewegen.

LED-Strahler mit farbigen LEDs wie Rot Grün und Blau, driften dagegen jedoch beim Dimmen in sehr unterschiedliche Farbrichtungen weg und können auch über die Dimmkurve auch verschiedene Farben annehmen. Super ist dagegen, dass man nie ein summendes Filament bei einer LED hört.

 

Nicht nur LED

Durch die Robustheit und extrem lange Lebensdauer, gepaart mit der geringen Wärme-, UV- und vor allem IR-Emission sowie der geringen und flexiblen Baugröße, ist die LED in ihren Einsatzgebieten und ihrer Rentabilität unschlagbar.

Werden weißes Licht und ein hoher Farbwiedergabeindex benötigt, wird extrem viel Lumen zur Ausleuchtung verlangt, haben konventionelle Leuchtmittel nicht nur den Preisvorteil auf ihrer Seite, sondern punkten mit gutem Farbwiedergabeindex sowie die Entladungslampe mit einem hohen Wirkungsgrad beim Weißton.

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LED-Scheinwerfer vs. Halogen / Entladungslampe

LED-Scheinwerfer	Halogen / Entladungslampe
Zurzeit bis 100 lm/W	18 / 80 lm/w
100.000 St/mld	20 – 2000 St/mld
Kein Totalausfall, sondern Degeneration	Totalausfall durch Erschütterung, Entglasung, Wendel-, Elektrodenschwund
Keine UV- oder IR-Strahlung	Entladungslampe benötigt meist UV-Filter
Kaum Oberflächentemperatur	Hoher Abwärmeanteil, Klimaanlage
„Kaltes“ Licht	Latente Brandgefahr
Empfindlich bei hoher Umgebungstemperatur	Umgebungstemperatur unempfindlich
Reine Farben	Alle Farben (Folie)
–	Gutes Weiß, hohe Farbwiedergabe
Keine Einbrennphase	– / Aufwärmen Zünden
Gutes Dimmen	Gutes Dimmen / nur mechanisches Dimmen
Sofort Black Out	Nachglimmen
Weiße LED – dimmen mit konstanter Farbtemperatur	Farbtemperaturdrift / Farbtemperatur Konstant
RGB mit Farbschatten	Nie Farbschatten
Aufbringen auf Deko, Flächen, Körperkonturen	– / –
Energiesparen / Anschlussleistung
Herstellung aufwendig, Globale Energiebilanz incl. Entsorgung nicht so günstig	Europäische Produktion
Installation an schwer zugänglichen Orten	Lagerhaltung
Hohe Anschaffungskosten	Servicekosten

 

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Mehr Thema LED werden auf folgenden Seiten behandelt:

• Deko-LEDs richtig und ohne Probleme ins Bühnenbild integrieren
• LED Allgebrauchslampe (Fadenlampe)
• O-LED

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