Licht

Die LED

Einführung

Die Light Emitting Diode (LED)

Physikalische Betrachtung: Funktionsweise der Diode
LED-Typen
LED-Binning
LED und Temperatur
LED-Optik
Weißlicht mit bunten LEDs
LED-Weißlicht
Farbwiedergabe von LEDs
Lebensdauer
LED-Ansteuerung
LED-Treiber
LED Konstantstrom-Versorgung
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.

Schaltbild. Aussehen und Prinzip einer Diode
Schaltbild der Diode und der Leuchtdiode Meist wird die Kathode gekennzeichnet. Merken: Bei der T-Typ Leuchtdiode stellt das längere Beinchen den Pluspol dar und gibt damit die Betriebsstromrichtung vor. (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

Das Silizium-Kristallgefüge, einmal mit Arsen und einmal mit Bor Atomen dargestellt
Silizium mit vier Elektronen auf der Außenschale bildet ein Kristallgitter, da die äußeren Elektronen eine Paarbildung ausführen. Damit stehen keine freien Ladungsträger für einen Stromfluss zur Verfügung. Erst bei Verunreinigung mit Fremdatomen wie Arsen oder Bor, die jeweils ein Elektron auf der Außenbahn zu viel oder zu wenig für das perfekte Kristallgitter aufweisen, sind freie Ladungsträger für den Stromfluss verfügbar. (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

Der PN-Übergang mit beaufschlagter Spannung
PN-Übergang mit beaufschlagter Spannung Treffen 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 irgendwann 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. (Bild: Herbert Bernstädt)

Kennlinie einer Diode

Typische Kennlinie einer Diode und damit im Prinzip auch einer Leuchtdiode.
Elektrisches Verhalten einer Diode in Form einer Kennlinie Bei Anlegung einer Spannung in Durchlassrichtung lässt sich erkennen, dass sich ein Stromfluss erst einstellt, wenn die Durchlassspannung überwunden wurde. Danach wird die Stromhöhe nur noch durch den inneren Widerstand der LED begrenzt. Kleinste Spannungsänderungen haben dann große Stromänderungen zur Folge. Deshalb ist es besser eine LED über die Stromhöhe zu steuern anstatt mit der Spannung. In Sperrrichtung betrieben ist die LED recht robust, so dass Sie bei Verpolung nicht leuchtet, weil kein Stromfluss zustande kommt. (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

Ersatzschaltbild einer Diode
Ersatzschaltbild einer Diode Das Verhalten der realen Diode ist, vereinfacht gesagt, die eines Widerstandes, einer Spannungsquelle, die überwunden werden muss, sowie ein ideales Flussrichtungs-Ventil. (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

Austritt der Photonen beim Wechsel der Elektronen in die "Löcher"
Bei Rekombination der Ladungsträger werden Photonen freigesetzt. Die Wellenlänge der Lichtfarbe ist dabei abhängig von der Größe der verbotenen Zone. (Bild: Physik für Ingenieure Auflage 2002)

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. 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 nur Licht in nur 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.

 

 

 

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 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 noch 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. Bei den LED-Strahlern findet man jedoch solche Anstrengungen bis auf spezielle Applikationen kaum.

Typische Farbbereiche bei der Herstellung von Hochleistungs-LEDs.
Typische Farbbereiche bei der Herstellung von Hochleistungs-LEDs. Produktionsbedingte Streuungen werden im Farbdreieck angezeigt. (Bild: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC)

Damit aber verschiedene Farben erzeugt werden können, muss die verbotene Zone unterschiedliche Abstände aufweisen, denn die abgegebene Frequenz des Lichtes ist ja davon abhängig. 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 mehr oder weniger, 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.

Es wird das Spektrum einzelner LED-Farben gezeigt.
LED-Spektrum Schmalbandige Lichtabstrahlung für schlechte Farbwiedergabe (Bild: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC.)

 

Übersicht der Parameter von farbigen LEDs: Dom. Wellenlänge, Bandbreite und Temperaturshift
Paramenter von farbigen LEDs: Dom. Wellenlänge, Bandbreite und Temperturshift bei farbigen LEDs (Bild: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC.)

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

 

Schlussfolgerung:

  • Eine LED emittiert Licht in nur einem sehr engen Band einer bestimmten Farbe.
  • Weißes Licht kann nur über Umwege erzeugt werden.
  • Es treten keine anderen Strahlungen wie IR oder UV auf.
  • Als Festkörper ist die LED stoß- und vibrationsunempfindlich.

 

Angabe technischer Daten lm/Watt

Mit 100 lm/Watt wird heute eine LED als Energiebilanz angegeben und stellt damit alle anderen Leuchtmittel in den Schatten. Aber warum findet man denn nicht in allen Geschäften bereits schon LED-Leuchten, die die Ware anstrahlen? Die können doch auch alle rechnen oder nicht?

Das schon, aber die Angabe einer Leuchte mit HTI-Leuchtmittel entspricht aber auch dem realen Wert, bis das Licht den Scheinwerfer verlässt.Wir werden meist nur mit den LED-Laborwerten aus der Werbung konfrontiert. Betrachtet man die Werte genauer, ergibt sich nämlich folgendes Bild:

  • 100 lm/W | Laborwert = „Werbewert“ (LED-Hersteller): kaltweiße Lichtfarbe, gemessen bei Teillast (350 mA), 25° Chiptemperatur, ohne externe Stromversorgung
  • 70 lm/W | Bester Praxiswert (Einfluss Modulhersteller): kaltweiße Lichtfarbe, gemessen bei Teillast (350 mA), 80° Chiptemperatur, inkl. externe Stromversorgung
  • 60 lm/W | Warmweißes Licht (Einfluss Modulhersteller) warme Lichtfarbe, gemessen bei Teillast (350 mA), 80° Chiptemperatur, inkl. externe Stromversorgung
  • 50 lm/W | Volllastbetrieb + warmweißes Licht (Einfluss Modulhersteller) gemessen bei Volllast (700 mA), 80° Chiptemperatur, inkl. externe Stromversorgung
  • 40 lm/W | Inkl. Reflektor (Einfluss Leuchtenhersteller) Wie 4, zusätzliche Vorrichtung zur Blendbegrenzung und Lichtlenkung

(Quelle: Schweizerische Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK)

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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.

T-Typ LED auf Platine
T-Typ LED eingebaut in einem Scheinwerfer von Pulsar. Mit einem Lüfter werden die Beinchen der LEDs “zwangsgehüllt”. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

T-Typ LED auf Kuchen
T-Typen findet man noch zuhauf als Signal-Leuchte, aber nicht im Leistungsbereich. Eher selten sieht man sie auf einem Geburtstagskuchen wie hier zum 10-jährigen Bestehen von Schnick Schnack Systems. (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

Chip on Board
Chip on Board (COB) (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

LED-Körper auf der Platine
Beim COB befindet sich der LED-Chip auf der Platine. Diese wird für einen optimalen Temperaturübergang optimiert, um die Hitze aus dem Chip zu holen. (Bild: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC.)

 

COB-LED
Eine andere Form des COB-LEDs (Bild: Osram)
COB LEDs auf Kühlkörper
COB LEDs auf Kühlkörper mit Lambertain-Abschluss (Bild: Herbert Bernstädt)

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LED-Binning

Wenn man bedenkt, dass wenige Atome mehr oder weniger, die in das Material einfließen, die Charakteristik verändern können, macht das deutlich, dass trotz Reinst-Räumen und konstanter Umgebungsparameter die LEDs bei der Herstellung mehr oder weniger großen Streuungen unterliegen.

Bei den LEDs möchte man aber für eine LED-Videowand lieber einige tausend LEDs mit sehr eng beieinanderliegenden Parametern verwenden, um z.B. ein gleichmäßiges Rot über alle Dioden zu erhalten. Dies ist der Hintergrund, weshalb LEDs in sogenannten Binnings angeboten werden. Binnin, (Bin = Behälter) bedeutet, dass der Hersteller jede Leuchtdiode durchmisst und diese dann einer bestimmten Parameterklasse zuteilt.

LED-Streifen mit verschieden farbigem Weiß
Weißlicht LEDs mit unterschiedlicher Lichtfarbe als Folge durchschnittlicher Sortierung (gemischtes Binning und Chargen) (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

Definition der Farborte innerhalb bestimmter Grenzen im Farbdreieck.
Aus dem Datenblatt ein Binning für die Farborte (Bild: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC.)

 

Schlussfolgerung:

  • Homogene Lichtfarbe erfordert enge Toleranzen.
  • Kleine Toleranzen sind zurzeit nur mit Selektion zu erreichen.
  • Eine enge Selektion erhöht den Produktpreis / spiegelt Qualität wider.

 

Ein Bin kommt selten allein:

Neben dem Binning für den Farbort gibt es auch das Binning für Helligkeit der LED. Als dritte Komponente kommt nun noch ein Binning für die elektrischen Parameter hinzu. Es wird versucht große Chargen einer Produktion zu erwerben, da innerhalb eines Produktionszyklus die streuungen näher beianander liegen werden als wenn man LEDs die zu unterschiedlichen Zeiten Produziert wurden.

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LED und Temperatur

Man ist bestrebt möglichst viel Licht aus der LED herauszuholen. Da die rekombinierenden Ladungsträger Lichtphotonen aussenden, ist die Lichtstärke ungefähr proportional des Stroms. Aber die Lichtstärke wird mit zunehmender Sperrschichttemperatur kleiner. 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. Da ein Halbleiter bei ca. 120° C zerstört wird, sind bei einem LED-Strahler auch keine höheren Temperaturen zu erwarten. Da 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.

 

Drei LEDs, wovon die Äußeren durch schwarz verfärbt sind.
Beispiel von zerstörten, roten LEDs Links und rechts: thermische Zerstörung. Mitte: unbeschädigt. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Schaubild: Abhängigkeit der Parameter einer LED
Diagramme zeigen den Einfluss von höherem Strom auf die Lichtleistung, wodurch die Vorwärtsspannung steigt und damit auch die Sperrschichttemperatur. Wird der Strom oder die Temperatur überschritten, wird das Kristallgefüge zerstört. (Bild: Herbert Bernstädt)

Dennoch ist die LED mit einem Temperaturproblem behaftet. Sind bei einem konventionellen Scheinwerfer Temperaturdifferenzen der Umgebungstemperatur unerheblich im Vergleich beim Temperaturgefälle von ca. 3.000° C, an der Wedel bis zu 400° C, am Sockel zu 25° C bzw. 35° C der umströmenden „Frischluft“, so sind diese 10° C Differenz bei einem Halbleiter mit 90° C Betriebstemperatur doch erheblich. Der Kühlungsaufwand des LED-Chips ist von größter Bedeutung und die Umgebungstemperatur hat erheblichen Einfluss auf eine evtl. Überhitzung oder die Verringerung des Lichtstroms. Hierbei sind zum Beispiel große Unterschiede bei den verwendeten Leiterplatten zu beobachten. So kann der gleiche LED-Typ auf einer üblichen Expoxyd-Platte montiert sein oder einer speziellen Leiterplatte mit wärmeableitendem Kern. Diese Unterschiede schlagen sich nicht nur auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer, sondern natürlich auch im Preis nieder.

 

Wärmeübergänge am Beispiel einer COB LED
Der Wärmewiederstand lässt sich ähnlich den elektrischen Widerständen berechnen (Bild: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC.)

 

Schlussfolgerung:

  • LEDs sind erheblich mehr von der Umgebungstemperatur abhängig als konventionelle Scheinwerfer.
  • Schlechtes Kühldesign verringert die Lebensdauer und die Lichtleistung beträchtlich.

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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.

Kollimatoren Auswahl
Unterschiedlichste Kollimatoren für unterschiedlichste Aufgaben (Bild: Herbert Bernstädt)

 

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.

Kollimatorenrahmen
Kollimatorenrahmen Typischer, austauschbarer Trägerrahmen mit Kollimatoren (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

Entstehender Farbschatten durch einen Zollstock im Lichtstrahl
Verschiedenfarbige, räumlich getrennte Lichtquellen verursachen meist Farbschatten, wenn ein Gegenstand beleuchtet wird, obwohl der projizierte Lichtkegel selbst weiß erscheint (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Zeigt einen kopfbewegten Wash mit mehrfarbigen, räumlich voneinander getrennten LEDs
Weit verbreitete Anordnung von einzelnen, farbigen Lichtquellen, das ist das Prinzip hinter der Entstehung von Farbschatten (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

LED-Spot Xilver ohne Farbschatten
LED-Spot Xilver: Eine homogene Farbmischung innerhalb der Leuchte sorgt für farbschattenfreie Ausleuchtung (Bild: Xillver)

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.

Zeigt ein SMD RGB LED auf Streifen, mit einem leuchtenden roten und grünen Chip
Eine enge Anordnung der Chips sorgt für eine gute Vermischung der Farben – bei entsprechender Betrachtungsentfernung. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Farbschatten-Minimierung durch enge Anordnung der verschiedenen Farbschatten
Farb-LEDs werden sehr eng zueinander auf der Platine angeordnet, damit Sie unter einem Kollimator Platz finden. Singlechip mit besserer Leistung als SMD-RGB-Chips. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

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:

Profilscheinwerfer mit homogener Farbmischung
Reveal Prismprojection Profilscheinwerfer mit einem Prisma zur homogenen Farbmischung (Bild: Reveal )

 

Drei Lichtquellen werden über ein Prisma zu einer gemeinsamen Lichtquelle zusammengefügt
Homogene Farbmischung, indem die farbigen Lichtquellen mittels Prisma übereinander gelegt werden. (Bild: Herbert Bernstädt)

Mittels Reflektor:

Coemar Reflection Lamp
Coemar Reflection Lamp Farbmischung durch Überlagerung der Einzelquellen via Reflektor (Bild: Herbert Bernstädt)

 

RGB-Mischung via Spiegelüberlagerung
Prinzip des Übereinanderlegens der Einzelfarben via Reflektor (Bild: Herbert Bernstädt)

Mittels Reflexionsröhre:

Über eine LED-Engine wird ein reflektierender Zylinder angeordnet
Reflexionen innerhalb des Lichtleittunnels sorgen für optimale Farbdurchmischung (Bild: Herbert Bernstädt)

 

COB mit vier Farbtypen in unterschiedlichen Geometrien.
Mehrfarb-COB Damit die Summe aller Einzelfarben bei 100% einen harmonischen Weißton ergibt, sind die LED-Farbflächen entsprechend angepasst. (Bild: Herbert Bernstädt)

Zoom

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

LED-Strahler Spectrawow+ mit LED LAMINA Titan 40W RGB Chip
LED-Strahler Spectrawow+ mit LED LAMINA Titan 40W RGB Chip und einfach auszuwechselnden Vorsatzlinsen (Bild: LDDE)
Linsensatz
Linsensatz für LED-Strahler Spectrawow+ (Bild: LDDE)

 

Holografische Filter

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

Spezielle Filterart für bessere Lichttransmission
Holografischer Filter zur Erzielung weiterer Abstrahlwinkel mit minimierten Lichtverlusten gegenüber herkömmlichen, gefrosteten Filtern (Bild: Herbert Bernstädt)

Motorischer Zoom

Variable Abstrahlwinkel werden ebenfalls realisiert wie im Folgenden ersichtlich ist.

Prinzip eines Zooms für Washlights
Washlight-Zoom Ähnlich diesem System wird der Abstrahlwinkel variiert, so wie man es z.B. von dem Wabenlinsensystem eines VL2000 kennt (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Wabenlinsensystem des VLX von Vari-Lite. Vorne mittig ist der Antrieb mit dem Spindelgewinde zu sehen.
Wabenlinsensystem des VLX von Vari-Lite Real umgesetztes Wabenprinzip für Zoomanwendung (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

Rote LED
Die Geometrie der roten LED-Chips unterscheidet sich … (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Grüne LED
… von der Geometrie des grünen LED-Chips. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Rotrand-Erscheinung. Grüne und blaue LEDs weisen andere Abmessungen auf als rote LEDs
Typische Rotrand-Erscheinung bei Kollimatoren-Optiken, wenn rote und grüne LEDs die gleichen Kollimatoren nutzen. (Bild: Herbert Bernstädt)
Grafik einer Lichtverteilungskurve. Die roten LEDs werden hier enger abgestrahlt, da der Chip kompakter unter dem Kollimator sitzt.
An den Lichtverteilungskurven der einzelnen LED-Farben lässt sich der Einfluss der Chipgeometrie bei gleichen Kollimatoren gut erkennen. (Bild: Herbert Bernstädt)
Hier wird ein gleichmäßiges, weißes Lichtfeld mit einer Multicolor LED-Engine an die Wand geworfen.
Beispiel dafür, dass es auch anders geht Keinerlei Farbrand ist hier zu erkennen, trotz verschiedenfarbiger LED-Chips. Nur durch Einsatz einer anderen Optik. (Bild: Herbert Bernstädt)

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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.

Mit den Grundfarben Rot, Grün und Blau lässt sich auch weißes Licht mischen
Die Mischung machts. Weißes Licht durch RGB-Mischung, jedoch eingeschränkte Farbwiedergabe durch große Lücken im Spektrum, aber mit der Möglichkeit andere Farben zu mischen (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Demonstration. Weiße Farbe gibt alle gemischten Farben gleich gut wieder.
Weiße Farbe gibt alle gemischten Farben gleich gut wieder. Deshalb werden bei LED-Demonstrationen gerne weiße Objekte bestrahlt. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

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.

Platine mit bestückter LED und Kollimatoren
Erweiterte Bestückung mit amberfarbener und weißer LED (Bild: Herbert Bernstädt)
Farbdreieck zeigt die leichte Verbreiterung des Farbraumes mit Hilfe der Amber-LED
Farbdreieck des erweiterten Farbraums mit Amber-LED (Bild: Despar)

 

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.

LED-Fluter zeigt seine sieben einzelnen LED-Farben
Beispiel: LED-Strahler mit sieben verschiedenen Farben (Bild: Herbert Bernstädt)

 

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.

Farbort in Abhängigkeit zum Dimmerwert einer Mehrfarb-LED
Dimmverhalten einer Mehrfarb-LED Es erscheinen viele andere Farben beim Dimmen (aufgenommen bei einem Vortrag des VPT in Zwolle) (Bild: VPT)

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.

Farbaddition: Blau und Gelb ergibt weiß
Farbaddition Mischt man zwei Farben, die gegenüber durch den Weißpunkt und im passenden Verhältnis zueinander verlaufen, nimmt unser Gehirn die resultierende Farbe als weiß wahr. (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

 

Weißlicht aus blauer LED-Farbe und Phosphorgelb
Weißlicht aus Lumineszenz-Wellenlängen-Konversion mittels Phosphat-Zumischung (Bild: Herbert Bernstädt)

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LED und die Farbwiedergabe

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.

Direkte Anregung der farbempfindlichen Zellen erlauben jede Darstellung einer Farbe.
Beim Hinterleuchten treffen die emittierten Farbinformationen direkt auf die drei Farbsehzellen und stimulieren sie. Folglich kann man mit der richtigen Gewichtung mit den drei Grundfarben der Sehzellen rot, grün und blau den gewünschten Farbeindruck beim Zuschauer hervorrufen. (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

Farbfrequenzen, die nicht vorhanden sind, können nicht reflektiert werden
Beispiel Leider ist die Lichtintensität von RGB-Strahlern bei 100 % auf den drei Steuerkreisen meist nicht gleich hoch. Damit verliert man deutlich an Lichtqualität. Das Weiß wirkt „dreckig“, das Blau leuchtet stärker, weist aber auch die größte Anstrahlungsintensität auf. Dementsprechend ist auch das rötlichere Gelb zu erklären. (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

 

Gelbe Lichtfarbe regt die roten und grünen Zapfen an
Schmalbandiges gelbes Licht kann von Natrium-Niederdruck oder von gelben (Amber) LEDs emittiert werden. Es stimuliert die roten und grünen Zapfen unserer Sehzellen und wir interpretieren die gelbe Farbe. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Schaubild für Farbwahrnehmung durch Interpretation im Gehirn
Gelb kann auch aus einer Mischung von rotem und grünem Licht gesehen werden. Hier stimulieren das rote und das grüne Licht ebenfalls die roten und grünen Zapfen. Damit erhält unser Gehirn die gleichen Impulse und interpretiert ebenfalls Gelb. (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

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.

Beleuchten von pigmentierten Körpern hat zur Folge, dass nur die Lichtfrequenzen reflektiert werden, mit den die Pigmente auch bestrahlt werden.
Die Bestrahlung mit einer weißen LED bringt bessere Ergebnisse als eine unkoordinierte RGB-Bestrahlung.  (Bild: Herbert Bernstädt)

Beleuchten von pigmentierten Körpern hat zur Folge, dass nur die Lichtfrequenzen reflektiert werden, mit denen die Pigmente auch bestrahlt werden.

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.

Beleuchten von pigmentierten Körpern hat zur Folge, dass nur die Lichtfrequenzen reflektiert werden, mit denen die Pigmente auch bestrahlt werden.
Noch interessanter verhalten sich die Farben beim Fehlen von Grün. Hier werden gelbe Körper genau so rot dargestellt wie die roten Körper auch. Logischerweise können grüne Körper keine Farbe mehr annehmen. (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

Praxistest.
Austesten der LED-Wirkung bei gleichzeitiger Bestrahlung mit Halogenlicht auf das transluzente Material. Alles muss mit dem Auge und der Kamera überprüft werden (Bild: Herbert Bernstädt)

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Lebensdauer

LED können sich je nach Hersteller und Herstellungsprozess sehr unterschiedlich in der Lebensdauer darstellen. Ein Ereignis, das die Lebensdauer erheblich verkürzt, ist Übertemperatur, – durch schlechte Wärmeableitung oder durch zu hohe kurzzeitige Ströme.

In der Regel sind die Treiberelekroniken mit ihren Kondensatoren und Zwangskühlungen mit den Lüftern in ihrer Lebensdauer nicht so hoch ausgelegt wie die LED selber, insbesondere wenn Sie nicht an Ihrem Maximum betrieben wird. So ist der Ausfall der LED meist als Folge eines Ausfalls der Kühlung oder einem Defekt der Treiberelektronik zu vermuten.

Wurde am Anfang eine mittlere Lebensdauer von 100.000 Stunden angegeben – was für Standard-LEDs durchaus zutrifft – sind die in unserer Branche verwendeten Leistungs-LEDs dagegen meist mit 25.000 Stunden angegeben. Die endliche Lebensdauer wird durch die Degeneration des Siliziumkristalls hervorgerufen, die aber allmählich abläuft. Im Gegensatz zu den mit Glaskolben umhüllten Leuchtmitteln, die mit Wedel- oder Glasbruch plötzlich ausfallen, verliert die LED kontinuierlich ihre Intensität. Immerhin bedeuten ca. 25.000 mittlere Betriebsstunden 2 2/3 Jahre ununterbrochene Lichtleistung. Bei einem realen Einsatz in der Veranstaltungsbranche sind dies bei 5 Stunden am Tag noch ca. 14 Jahre. Wohlgemerkt bedeutet das bei LEDs, dass sie nun nur noch die Hälfte ihrer Lichtenergie aussenden und nicht wie bei konventionellen Leuchtmitteln einen Totalausfall erleiden.

So gesehen leuchten LEDs unendlich lange, eben nur nicht mehr so hell wie am Anfang. Wenn man jedoch bei RGB basierenden Systemen genaue Farbwiedergabe benötigt, dann wird man in der Praxis oft eine Überraschung erleben. Dann leuchten z.B. einige Lampen mit viel mehr Rotstich als die dazu gemieteten. Warum? Weil die zugemieteten Scheinwerfer vielleicht drei Wochen ein Gebäude blau anstrahlen mussten und damit an Intensität verloren haben, da der Hersteller die LED bei Volllast betreibt und nicht für optimale Kühlung gesorgt hat. Die Degeneration des Blau reicht dann aus, schon innerhalb so kurzer Zeit für Farbverschiebungen zu sorgen – schlecht wenn keine Kompensation möglich ist.

Messungen über 3 Jahre Dauerbetrieb bei zwei verschiedenen LED-Leuchtmitteln.
Messungen über 3 Jahre Dauerbetrieb bei zwei verschiedenen LED-Leuchtmitteln. Die Kurve zeigt zwei unterschiedliche LED-Leuchtmittel, wovon eines seine Lichtleistung in der ersten Zeit sogar noch erhöht. (Bild: Schweizerische Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK)

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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.

Darstellung der Farbauswahlmöglichkeiten an einem Lichtstellpult
Farbauswahlmöglichkeiten Je nach Lichtstellpult wird man verschiedene Möglichkeiten finden, um eine Farbe am Scheinwerfer einzustellen. In diesem Beispiel werden als Möglichkeiten ein Colorpicker, RGB und CMY angeboten. (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

Darstellung des verfügbaren Farbraums in Kreisform
Verfügbarer Farbraum in Kreisform Hier wir deutlich aufgezeigt, welche Farben mit diesem LED-Strahler wiedergegeben werden können. (Bild: Herbert Bernstädt)
Ausschnitt einer Farbfolienpalette zur Ansteuerung von LED-Strahlern
Lee-Palette zur direkten Auswahl Je nach LED-Scheinwerfer trifft diese Auswahl sehr gut das Ergebnis von Halogenlampen mit entsprechendem Filter. (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

Ersatzschaltbild einer Diode
Ersatzschaltbild einer Diode (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

Das Bild zeigt eine Diodenkennlinie
Diodenkennlinie Anhand der Kennlinie wird deutlich, das nach Überwinden der Spannung der Sperrschicht, der Strom bei wachsender Spannung steil nach oben schnellt und nur noch über den Innenwiderstand R begrenzt wird. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

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.

Schaltbild der Strombegrenzung per Vorwiderstand
Strombegrenzung per Vorwiderstand (Bild: Herbert Bernstädt)

Eleganter ist die aufwendigere Schaltung mit geregeltem Strom. Eine Überlastung der Diode ist ausgeschlossen. Es besteht sogar die Möglichkeit, weitere Dioden in Reihe zu schalten, wenn die Versorgungsspannung es erlaubt.

Grafik: Prinzip der Stromsteuerung
Prinzip der Stromsteuerung bei einer LED, die mit geregeltem Strom betrieben wird (Bild: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC)
Schaltbild analoger Ansteuerung
Beispiel analoge Stromregelung (Bild: Pulsar)

Den optimalen Wirkungsgrad erreicht eine Diode mit konstantem Strom. Gedimmt wird sie indem der konstante Strom aus- und eingeschaltet wird. Wir sprechen dann von der Puls-Breiten-Modulation, abgekürzt aus dem englischen: PWM Pulse Wide Modulation.

Prinzip der Puls Weiten Modulation (PWM)
Puls-Weiten-Modulation (PWM) Optimaler Wirkungsgrad mit Konstantstrom (Bild: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC.)

 

Diagramm des Spannungsverlaufs einer Pulsbreitenmodulation
Pulse Wide Modulation Diagramm des Spannungsverlaufs einer Pulsbreitenmodulation (Bild: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC.)

 

Flicker

Die PWM ist die effektivste Art LEDs mit Strom zu versorgen, wenn sie gedimmt werden müssen. Denn so wird zu jeder Zeit der Nominalstrom gefahren, was den höchsten Wirkungsgrad sowie den stabilsten Farbtemperaturdrift bzw. allgemein das kleinste Parameterdriftverhalten gegenüber anderen Dimmverfahren aufweist. Der Nachteil dieses Dimmens sind die Dunkelpausen, die bei elektronischen Aufzeichnungsgeräten, die womöglich auf der gleichen Frequenz abtasten, mittels Schwebungen der Frequenzen zu einem Blinken mutieren können. Wenn nun die Abtastfrequenz immer wieder auf den dunklen Moment zugreift und dann langsam zum hellen Moment wandert, so wird bei der Wiedergabe ein deutliches 100 % Blinken statt einer gedimmten Lichtstimmung sichtbar.

 

Darstellung: Warum in der Kamera ein Blinken des LED-Lichts ensteht
Werden LEDs gedimmt, welche vorausgesetzt mittels PWM angesteuert werden, kann durch das Abtasten der Bilder über Kamerasysteme ein Blinken bzw. Flickern entstehen. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Zur Vermeidung dieses Effektes kann man zwischen Frequenzen wie 300 und 1.000 Hz z.B. in 10-Hz-Schritten variieren. Hier ist zu beachten, dass bei Änderung der PWM-Frequenz die Pulsbreite ebenfalls mit angepasst wird. Denn wenn eine Pulsbreite für einen bestimmten Dimmwert eine bestimmte Pulsbreite bedeutet, und dann nur die Frequenz erhöht wird, werden mehr Pulse, wenn auch gleich große, in einer Zeiteinheit abgesendet, was mehr Helligkeit ausmacht. Deshalb ist es wichtig, dass die Pulsbreite mit Erhöhung der Frequenz verringert wird, damit das Verhältnis zwischen An- und Aus-Phasen konstant bleibt (Duty-Cycle), weil ansonsten bei Frequenzänderungen alle Cues in der Helligkeit neu programmiert werden müssten.

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.

Boostbetrieb
Boostbetrieb Manche LED-Hersteller lassen einen erhöhten Strom für noch größeren Lichtstrom zu, wenn nach kurzer Zeit eine “Pausenzeit” zum Runterkühlen des Chips eingehalten wird. In diesem Falle spricht man von einem Boostbetrieb. (Bild: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC.)

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 LED Konstantstrom-Versorgung

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.

 

Schaltbild mit einem Stromknoten
Schaltung einer Konstantstromquelle Knotenregel: die Summe aller Ströme ist Null (Bild: Herbert Bernstädt)

 

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).

Schaltbild mit einem Maschenumlauf
Maschenumlauf Die Summe aller Spannungen ist null (Bild: Herbert Bernstädt)

 

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.

 

Treiber für Konstanstrom zum Betreiben einer LED
Schaltung einer Konstantstromquelle zum Betreiben einer LED (Bild: Herbert Bernstädt)

 

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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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.

 

Gegenüberstellung von LED-Scheinwerfern Begutachtung durch technische Entscheider
Gegenüberstellung von LED-Scheinwerfern Beleuchter aus Theatern und anderen Bereichen begutachten das Licht von LED-Scheinwerfern (Bild: Herbert Bernstädt)

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.

 

Verschiedenste LED-Strahler sind in ein Rig gehängt um sie miteinander vergleichen zu können
Mittlerweile ist eine große Auswahl von LED-Scheinwerfern auf dem Markt verfügbar. Aber welcher ist der Richtige für die jeweilige Anwendung in der Eventbranche? (Bild: Herbert Bernstädt)

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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