Wie LEDs zum Glühlampen-Ersatz werden

Genau 50 Jahre nach der ersten kommerziell vertriebenen Leuchtdiode und 17 Jahre nach der Erfindung der „weißen“ LED sind LED-Lampen und -Leuchten kein exotischer Nischenmarkt mehr. Der energiesparende und hochwertige Ersatz für herkömmliche Glühfaden- oder Halogentechnik ist aber trotz Massenfertigung immer noch aufwendig und teuer. Ein Blick ins LED-„Nähkästchen“.

Fraunhofer-LEDs
Eine blaue, grüne und rote Leuchtdiode älterer Bauart – rechts daneben eine aus der blauen entwickelte „kalt-weiße“ LED, wie sie in Lampen eingesetzt wird. (Foto: Fraunhofer IAF/PR)

TI-30-LEDSie kennen vielleicht noch die ersten Armbanduhren, Wecker und Taschenrechner mit LED-Anzeigen (rechts der legendäre TI-30 von 1976, Foto: D. Meyer@Wikimedia Commons, Lizenz: CC by-sa 3.0). Dass sie ausgerechnet rot leuchteten, war kein Zufall: Am 9. Oktober 1962 wurde als erstes kommerziell verwertbares LED-Modul eine rote Leuchtdiode von „General Electric“ vorgestellt; eine bestaunte Exotin, die erst in den 1970er-Jahren in ausreichenden Stückzahlen gefertigt wurde, um in erschwinglichen Konsumprodukten zu landen. Inzwischen gab es zwar auch grüne, orangefarbene und gelbe LEDs; an einen Einsatz als Leuchtmittel dachten aber höchstens Visionäre. Zu ineffezient und teuer waren diese Leuchtdioden noch.

Nach mehreren Entwicklungsschritten gab es Mitte der 1990er drei wesentliche Durchbrüche: Shuji Nakamura entwickelte 1993 für das japanische Unternehmen „Nichia Chemical“ hocheffiziente grüne und blaue LEDs, der US-Konzern „Hewlett Packard“ erreichte 1994 mit einer einfarbigen LED sagenhafte 40 Lumen Lichtstrom pro Watt und 1995 fanden – parallel und unabhängig voneinander – Nakamura und Prof. Dr. Jürgen Schneider, Abteilungsleiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg, einen Trick, wie aus einer blauen LED eine weiße werden konnte.

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Die beiden Forscher beschichteten eine Linse („Globe Top“) über der Diode innen mit einem gelben Leuchtstoff, der zwar die Helligkeit reduzierte, aber das abgestrahlte Licht dank additiver Farbmischung kalt-weiß erscheinen ließ. Zuvor war das nur mit einer Kombination aus mehreren verschiedenfarbigen LEDs möglich – nach dem „RGB“-Prinzip (rot, grün, blau) oder mit blauen und gelben Leuchtdioden. Mit dem von Glühlampen her bekannten Licht hat das so erzielte Ergebnis jedoch wenig zu tun – weder bei der Farbtemperatur noch bei der Spektralverteilung und damit der Farbwiedergabe.

Zwar gibt es auch heute noch „RGB“-LED-Lampen; sie spielen jedoch gegenüber den beschichteten „Lumineszenzkonversions-LED“-Leuchtmitteln keine große Rolle mehr (Update Oktober 2012: … erleben allerdings für spezielle Anwendungen und flexible Lichtfarbensteuerung gerade eine Renaissance). Nach und nach gelang es nämlich mit weiterentwickelten Leuchtstoffen und Produktionsmethoden sowie effizienteren Dioden und Konstantstromversorgungen, wärmere Farbtemperaturen, verbesserte Farbtreue und konsistentes, flackerfreies Licht zu erreichen und dabei die Energieeffizienz von Glüh-, Halogen- und Kompaktleuchtstofflampen immer deutlicher zu übertreffen.

Cree XLamp MC-E
Die „XLamp MC-E Dynamic White“ von „Cree“ mit acht Lötpunkten. Hier können mit je zwei kalt-weißen und warm-weißen LEDs über die Steuerung der Stromversorgung stufenlos Farbtemperaturen zwischen 2700 und 6500 Kelvin erzeugt werden. (Foto: Cree/PR)

Das Ende des Weges ist dabei noch lange nicht erreicht: Alle paar Monate verblüffen die Marktführer Nichia und Cree (USA) mit neuen Lumen-pro-Watt-Rekorden; selbst Werte um 150 sind bei weißen LEDs inzwischen serienmäßig möglich, kurzlebigere Laborexemplare schaffen sogar mehr als 200. Ein Farbwiedergabeindex von 90 (Glühlampen haben in der Regel das Optimum von 100) ist bei LED-Leuchtmitteln bereits mehrfach erreicht worden, aber auch hier wird noch kräftig in den Zauberkasten gegriffen und jeder Produzent hat seine speziellen „Rezepte“. Erik Nielsen, PR-Manager der österreichischen „LEDON Lamp“, erklärte mir dazu:

Die hohen Farbwiedergabewerte sind natürlich ein gut gehütetes Geheimnis innerhalb des Unternehmens. Es liegt in der Zusammensetzung der Phosphorlösung über der blauen LED. Hier ist beispielsweise die Körnigkeit entscheidend. Die warme Farbe bekommt man mit der Kombination blauer und auch roter LED auf einem Modul. Wenn Sie beispielsweise eine 10W-Lampe öffnen, so sieht man gut die Kombination zwischen fünf blauen und vier roten LED.

LEDON-Lampe mit 9 Cree-LEDs
So schaut’s im Inneren einer neu entwickelten 10-Watt-E27-LEDON-Lampe aus: Fünf (gelb beschichtete) blaue und vier rote Einzel-LEDs von „Cree“ liefern zusammen die gewünschte Farbtemperatur von rund 2500 Kelvin (oben). Unten links sehen Sie die LEDON G95 von außen. (Fotos: LEDON-PR, von mir nachbearbeitet)
LEDON G95

Eine Sonderform dieser Technik stellen Lampen dar, bei denen im Innern blaue LEDs leuchten und die Konversion nicht über eine direkte Beschichtung, sondern erst über die Phosphor-Außenschale(n) des Leuchtkörpers erfolgt – zum Beispiel bei einigen Modellen von Philips.

Die vermutlich größten Herausforderungen für die Hersteller sind derzeit der Kostenfaktor und das Thermomanagement. Noch sind hochwertige und wirklich helle LED-Lampen zu teuer für Normalverdiener, die ihren Haushalt komplett auf die neue Technologie umstellen wollen – das kann bis zu vierstellige Summen verschlingen. Die Ursache liegt aber weniger bei den Kosten für die einzelnen LED-Module, sondern bei der notwendigen Peripherie.

LED-Lampen werden zwar als energiesparende Leuchtmittel im Betrieb bei Weitem nicht so heiß wie Glüh- und Halogenlampen (rund 230 Grad Celsius), leistungsstarke Exemplare mit „High Power“-LEDs, 5 Watt Leistungsaufnahme und mehr können jedoch im Dauerbetrieb durchaus eine Temperatur am Kühlkörper entwickeln, die Sie Ihrer Hand nicht zumuten würden: Erst neulich hatte ich eine „Retrofit“-Lampe im Test mit bis zu 75 Grad nach rund zwei Stunden Leuchtdauer.

Das liegt zum Teil an den Dioden selbst und teils an der Vorschaltelektronik (auch „LED-Treiber“ genannt, bestehend aus Transformator und Gleichrichter mit Strom-Stabilisierung), die beide zusammen noch rund 70 Prozent der eingesetzten Leistung in Wärme verbraten (Stand 2012). Verschärft wird das Problem für Retrofit“-Modelle durch enge Lampenfassungen mit wenig Luftdurchsatz (etwa bei Leuchten mit G9-, MR16/GU5.3-, GU10- oder E14-Sockel), bei denen die Wärme schlecht abgeführt wird und zu einem Hitzestau führen kann.

Kurioserweise reagieren aber LEDs gleich doppelt auf Temperaturveränderungen: Je wärmer die Umgebung ist, desto kälter („weißer“ oder gar „blauer“) wird die Farbtemperatur und desto schlechter die Effizienz. Während sich also eine LED-Lampe bei Frost ziemlich wohl fühlt, hell und warmweiß strahlt, gibt sie bei etwa 70 Grad Umgebungstemperatur nur noch rund die Hälfte des Lichtstroms ab, den sie bei 0 Grad schafft. Das wollen aber weder Kunde noch Hersteller und deshalb muss getrickst werden.

Ledino-KühlrippenEine Maßnahme: Die LED-Chips werden nicht mit der maximal möglichen Stromstärke versorgt, sondern „unterfordert“. Das lässt sie kühler bleiben und länger halten – 100.000 Brennstunden sind so durchaus möglich.

Unverzichtbar ist auch die schnelle Entfernung der erzeugten Wärme. Die beginnt am Besten schon mit einer integrierten Hitzeableitung am Chip (integrated heat sink) und setzt sich mit einem möglichst effizienten Kühlkörper im Sockel fort (im Bild rechts die Kühlrippen auf der Rückseite einer integrierten Philips-„Ledino“-Leuchte, Foto: W. Messer).

Osram My AmbianceBei bündig mit der Strahlerfassung eingesetzten LED-Spots werden die Kühlrippen oder die Öffnungen einer Doppelwandkonstruktion nach dem Kaminprinzip bis an die Spitze weitergeführt, um die Wärme ins Freie ableiten zu können (rechts bei einer Osram PAR16, 5,5W-„Superstar“ zu sehen, Foto: W. Messer). Größere Kühlkörper sind im „Retrofit“-Bereich selten möglich, weil die Lampen wegen der begrenzten Platzverhältnisse zwangsläufig sehr kompakt gebaut werden müssen.

Manche Hersteller, etwa Philips, behelfen sich zur Beschleunigung der Kühlung bei einigen Spot-Modellen deshalb sogar mit einem kleinen, integrierten Lüfter. Jedes Grad Verbesserung bei der Wärmeabfuhr erhöht die Leistung und Lebensdauer. Dieser Aufwand verteuert natürlich Entwicklung und Herstellung von leistungsstarken und hellen LED-Lampen.

Dazu kommt aktuell der seit der Tsunami- und AKW-Katastrophe in Japan stark gestiegene, preistreibende Absatz von energiesparender Beleuchtung im asiatischen Raum. Gerade im „High End“-LED-Bereich sind noch keine großartigen Preissenkungen von einer Produktgeneration zur nächsten zu beobachten, obwohl die Stückzahlen stetig steigen.

Tendenziell beobachten Marktforscher aber bei LED-Leuchtmitteln ein „Lumen pro Euro“-Verhältnis (Stand März 2012: etwa 15 bis 35), das dem von traditionellen Leuchtmitteln (über 100 bis ca. 600) immerhin Tag für Tag ein wenig näher kommt.

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3 Gedanken zu „Wie LEDs zum Glühlampen-Ersatz werden

  1. Pingback: Fastvoice-Blog » Blog Archive » Ein paar Hausaufgaben für die LED-Branche

  2. Danke für diesen umfassenden und auch für einen Laien verständlichen Artikel. Mich hat besonders der aktuelle Bezug des Themas am Ende sehr interessiert. Ähnliche Beobachtungen von steigenden Preisen gab es nach dem Tsunami in Thailand – allerdings betrafen die Preiserhöhungen u.a. die externen Festplatten.

    • Danke für das Lob – allerdings ist der Beitrag nun auch schon wieder über ein Jahr alt. Inzwischen leiden die Anbieter insgesamt eher wieder unter einer LED-Überproduktion mit entsprechend sinkenden Endpreisen. Davon profitieren natürlich die Verbraucher.

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