LED (LICHTEMITTIERENDE DIODE)

LEDs sind derzeit die effizienteste Lichtquelle, sehr klein, bruchsicher und zerstörungsfrei (bei richtigem Betrieb) und werden heute praktisch überall in vielen verschiedenen Wattstärken und Größen eingesetzt.

Konventionell vs. HI-CRI

Der CRI-Index bezieht sich auf die Qualität des Lichts, d. h. darauf, wie getreu es die Farben der beleuchteten Objekte wiedergibt. Er reicht von 0 bis 100. Konventionelle LEDs haben einen CRI-Wert von. 70, HI-CRI-LEDs haben in der Regel einen Index von mindestens 90. Zugleich haben sie eine etwas geringere Lichtleistung. Sie eignen sich für die Arbeit, für bestimmte Tätigkeiten, für Menschen mit Sehschwäche, aber natürlich nicht nur für diese.

Liste der derzeit von uns verwendeten LEDs

• CREE XP-L2 LED - die effizientesten LEDs in der Größe 3x3mm, die bis zu 220lm/W erreichen. Wir verwenden ein Modell mit einer Farbtemperatur von 4500K oder 4000K (neutralweiß) und T6-, W2- und W3-Bins. Diese LED-Serie ist effizienter als die beliebten und verwendeten Cree XP-G3 oder Cree XM-L2 und XM-L3.
• Samsung LH351D - wir verwenden eine Variante mit einer Farbtemperatur von 5000K und einem CRI-Index von 93. Sie haben nur 12 % weniger Lichtleistung als die XP-L2, T6, erzeugen aber ein absolut schneeweißes, schattenfreies und farbgenaues Leuchten. Bei gleicher TIR-Optik erzeugen sie ein engeres und definierteres Zentrum als die Cree XP-L2, weshalb sie oft mit breiteren Optiken kombiniert werden.

Viele verschiedene Varianten

LED-Elemente werden von mehreren großen Herstellern produziert, neben Cree auch von Osram, Nichia, Lumileds (Phillips), LG, Samsung und Seoul Semiconductor. Es gibt große Leiterplattenchips und kleine Chips, weiße und farbige, schwache und die stärksten in Größen von 1x1mm bis 25x25mm. Das bedeutet natürlich nicht, dass eine größere LED besser ist oder mehr leuchtet. Jede hat eine andere Anwendung.

Quadratische LED-Chips in den Größen 3-5mm eignen sich für kleine Stromversorgungen. Reflektoren oder TIR-Optiken sind für diese LEDs noch klein genug. Größere LED-Chips benötigen größere optische Elemente. Bei größeren LEDs ist es bereits ein großes Problem, das Licht in einen ausreichend engen Strahl zu lenken, der keine Artefakte (Kreise, scharfe Übergänge) erzeugt.

LED-Lebensdauer

CREE, dessen LEDs der XP-L2-Serie wir in unseren Scheinwerfern verwenden, gibt eine Lebensdauer von 50.000 Betriebsstunden an, nach denen der ursprüngliche Lichtstrom auf 70 % abfällt. Diese Zeit wird nach einer Methode berechnet und geschätzt, die auf einer Stichprobe von 6000 Stunden basiert, und bezieht sich auf einen Strom von 3 A. Bei niedrigeren Strömen ist die Lebensdauer noch höher. D.h. wenn jemand mit einer Stirnlampe jeden Tag eine Stunde lang leuchtet, würde diese Abnahme der Leuchtkraft nach etwa 99 Jahren eintreten. Also müssen weder Sie noch wir uns darüber Sorgen machen. LEDs halten, wenn sie gut gekühlt werden, ewig.

Vielleicht haben Sie schon einmal schlechte Erfahrungen mit LED-Leisten in Ihrer Küche gemacht, die nach und nach nicht mehr funktionierten, bis sie ganz aufhörten zu leuchten. Das ist etwas ganz anderes als bei den LEDs in Scheinwerfern. Die Leisten haben in der Regel minderwertige Chips, der Durchlassstrom ist zu hoch eingestellt, die Leiste selbst hat große Wärmetransienten und ist schlecht gekühlt. Die LEDs werden durch die Hitze allmählich degradiert und gehen dann nach einer Weile aus. Darüber muss man sich bei Scheinwerfern keine Gedanken machen.

LED-Wirkungsgrad

Die Effizienz einer LED - also wie stark sie leuchtet - hängt vor allem von der Stromstärke ab, mit der man sie versorgt: Jede LED ist bei einem niedrigen Strom am effizientesten. Je mehr Lumen Sie von ihr benötigen, desto schlechter wird ihre Effizienz (ihre Fähigkeit, die durchlaufende Energie in Licht umzuwandeln).

Wenn zum Beispiel ein Strom von 100 mA durch eine Cree XM-L2, bin T6 LED geleitet wird, erzeugt sie einen Lumen-Output mit einer Energie-zu-Licht-Effizienz von 180lm/W. Bei 1 A jedoch nur 145 lm/W und bei maximalem Strom von 3 A nur 102 lm/W. Das Spitzenmodell unter den LEDs ist die XP-L2-Serie, die wir in allen unseren Leuchten verwenden. Diese erreichen Rekordwirkungsgrade von bis zu 200lm/W bei niedrigem Strom.

Unter diesem Gesichtspunkt ist es also sehr vorteilhaft, mehr LED-Chips in der Leuchte zu haben, die nicht an ihrer Leistungsgrenze arbeiten. Und zwar genau so, dass ihre Effizienz am höchsten ist.

Der zweite, weniger wichtige Faktor ist die Temperatur der LED. Je niedriger die Temperatur der LED ist (= je besser die Wärme abgeführt wird), desto effizienter arbeitet sie.

Dies ist ein Druckbild einer XP-L2-LED von der Website pct.cree.com, auf der Sie die Spannung, die Lumen und die Effizienz (lm/w) dieser LED bei verschiedenen Stromstärken und Chiptemperaturen leicht erkennen können.

Lichtkegel und Lichtfokussierungsmöglichkeiten

Die LED selbst erzeugt einen 125°-Lichtkegel. Dieser ist sehr groß, so dass das Licht durch eine Optik oder einen Reflektor gelenkt werden muss. Mit beidem lässt sich eine vernünftige Kegelbreite erreichen und gleichzeitig die Reichweite in die Ferne deutlich verbessern. Eine breitere Ausleuchtung erleichtert die Orientierung im Raum, und eine große Reichweite ist nützlich für sicheres Fahren bei höheren Geschwindigkeiten. Herkömmliche Reflektoren haben in der Regel eine reflektierende Schicht aus Aluminium mit einem Wirkungsgrad von etwa 70 %. Das Deckglas lässt je nach Material und Anzahl und Zusammensetzung der Antireflexschichten ebenfalls nur 92 % bis 96 % durch. Besser ist die Verwendung von TIR-Optiken, die einen Wirkungsgrad von bis zu 93 % haben und kein zusätzliches Deckglas vor sich haben müssen. TIR-Optiken werden aus PMMA hergestellt, das selbst recht hart ist. Der Kegel dieser Optiken ist von der Mitte bis zu den Rändern viel glatter und hat keine scharfen Übergänge. Viele aktuelle Leuchten - auch Markenleuchten - verwenden Reflektoren, und der daraus resultierende Lichtkegel reicht zwar weit, hat aber nicht die notwendige Randausleuchtung.

Wir haben uns für eine TIR-Optik entschieden, die einen Kegel mit weichen Übergängen und ohne Artefakte liefert. Der Wirkungsgrad und die Größe sind höher als bei Reflektoren, bei denen es zusätzliche Verluste auf dem Deckglas gibt. In Scheinwerfern kombinieren wir mehrere verschiedene Streuer, um eine perfekte Ausleuchtung sowohl der Ränder als auch des Fernbereichs zu erreichen. Gleichzeitig verwenden wir keine zusätzlichen Abdeckfolien und trotzdem sind die Scheinwerfer wasserdicht. Möglich wird dies durch unser Know-how, das wir nicht einmal mit verrückten englischen Namen benennen. Unsere Lösung ist ideal für den Sport- und Freizeitgebrauch und der resultierende Lichtkegel ist großartig.

Die Farbe des Lichts

DieFarbe (Temperatur) des Lichts ist ein weiterer wichtiger Punkt. Die Hersteller produzieren mehrere so genannte Tönungen - also die Farbnuancen der Dioden. Die effizientesten Dioden sind immer blau oder grün (6500K oder mehr) und das ist auch der Grund, warum viele billige Taschenlampen bläulich leuchten. Dioden mit einem neutralen Farbton kommen erst viel später mit der gleichen Effizienz auf den Markt. Die Farbtemperatur des Lichts wirkt sich jedoch dramatisch auf die Fähigkeit aus, naturgetreue Formen und Farben zu erkennen. So lassen sich beim Radfahren oder Laufen im Gelände Felsen, Äste und andere Hindernisse erkennen.

Derzeit verwenden wir in unseren Stirnlampen XP-L2-LEDs des amerikanischen Herstellers Cree mit einer Farbtemperatur von 4500 K. Wir halten diese für völlig farbneutral und mit hoher Anzeigequalität, und das Feedback unserer Kunden bestätigt dies. Wir haben in der Vergangenheit auch 4000K und 5000K LEDs verwendet, und wir halten die aktuellen für die besten.

Farbwiedergabe - CRI (Farbwiedergabe-Index)

Ein häufiges Problem bei LEDs ist ein niedriger Farbwiedergabeindex (CRI). Der CRI hat Werte von 0 bis 100 und gibt an, wie originalgetreu das Licht Farben wiedergibt. Eine Glühbirne hat einen CRI von 100. LEDs haben einen CRI zwischen 65 und 95, die über 90 liegen, werden als HiCRI bezeichnet. Zum Fotografieren oder Filmen werden ausschließlich Leuchten mit einem CRI über 90 verwendet. Die folgende Abbildung zeigt die Unterschiede zwischen den verschiedenen CRI-Werten.

Abbildung 4: Bild von https://ledspots.org/color-rendering-index/

Die schlechtere Darstellung einiger Farben ist darauf zurückzuführen, dass die LED nicht bei allen Wellenlängen gleich starkes Licht erzeugt. Das menschliche Auge kann Wellenlängen von 390nm bis 700nm wahrnehmen, so dass die Extreme dieses Spektrums die Farbwiedergabe wahrscheinlich nicht beeinflussen werden. Problematisch ist jedoch der Abfall der Emission um 480 nm (blau) und die Ungleichmäßigkeit des gesamten Spektrums.

Abbildung 5: Bild aus dem Datenblatt der Cree XM-L2.

Herkömmliche Ein-Chip-Dioden (XP-L2, XM-L2, XP-G2 usw.) haben diesen Index von 70-75 bei einer Farbtemperatur von 5000 K. Kältere Farbtöne können einen Wert von nur 65 haben, und das ist zu wenig und führt zu Farbauswaschungen (Entsättigung). Die Hersteller sind in der Lage, LEDs mit hohem Farbwiedergabeindex zu produzieren (Cree produziert mit CRI 90), aber leider nicht so leistungsstark. Ein Beispiel. XM-L2 mit einer Farbtemperatur von 3000K und HiCRI (CRI=90) leuchtet mit 1/3 weniger Intensität als die 5000K Variante.

In unserer Lucifer-Scheinwerferlampe verwenden wir die leistungsstärksten XP-L2-Dioden von Cree. Wir verwenden jetzt eine Farbtemperatur von 4500K, was wir als eine schöne neutralweiße Farbe mit einem CRI-Index von 70 betrachten. Früher haben wir Dioden mit einem CRI90 angeboten, aber jetzt nicht mehr. Das liegt daran, dass diese vorhandenen Dioden einfach großartig sind und wirklich gut leuchten. Wir schließen nicht aus, dass es in Zukunft wieder eine CRI90-Option geben wird, und werden alle neuen LEDs, die auf den Markt kommen, beobachten.

Der CRI-Ra-Index ist jedoch unvollkommen, denn er wird nur auf der Grundlage einer Verschiebung von 8 Pastellfarben berechnet. Er berücksichtigt also zum Beispiel nicht die tiefrote Farbe R9, die für Film, Fotografie, Kunst oder Medizin wichtig ist. Daher wurden nach und nach andere Farbqualitätsindizes entwickelt, z. B. CRI2012 oder CQS. Der CRI2012 wird aus 17 gesättigten Farben berechnet. CQS (Color Quality Score) berechnet seinen Qa-Index auf der Grundlage von 15 Farben

Hier sehen Sie ein typisches spektroskopisches Messergebnis einer Cree XP-L2, 4000K, CRI90, bin U5 LED.

LEDs werden in mehrere Leistungsklassen eingeteilt, je nachdem, wie viel Lichtleistung sie bei einem bestimmten Strom erzeugen. Wir verwenden derzeit die höchste verfügbare Klasse V6. Es gibt natürlich auch die viel billigeren Klassen V5 und V4, die 93 % bzw. 85 % Lichtleistung haben, aber das wollen wir nicht. Wir versuchen immer, Scheinwerfer mit der neuesten Technologie zu verkaufen, auch wenn das etwas kostet.