Farbkonsistenz, MacAdam, SDCM: Wie unterschiedlich leuchten LEDs?

Seit dem 1. September 2013 müssen Hersteller und Händler in der EU unter anderem die Farbkonsistenz ihrer LED-Leuchtmittel verraten. Dazu dient ein Stufenwert namens „SDCM“. Er beziffert die Farbwertabweichung innerhalb einer Serie und darf maximal 6 betragen. Was bedeutet das in der Praxis?

Delock-Differenz
Nur ausgeschaltet und auf dem Datenblatt identisch: Zwei LED-Spots aus einer „Delock Lighting“-Baureihe in einer weißen Decke. Nominell haben beide 240 Lumen Lichtstrom und eine Farbtemperatur von 3000 Kelvin, tatsächlich aber eine unterschiedliche Helligkeit und Lichtfarbe. (Montage aus einem Bild, Weißabgleich „bewölkter Himmel“, Fotos: W. Messer)

Vielleicht haben Sie das auch schon beobachtet, wenn Sie zwei frisch gekaufte LED-Lampen einer Marke und Modellreihe direkt nebeneinander leuchten ließen: Das Licht der beiden kann mehr oder weniger unterschiedlich erscheinen – ein Phänomen, dass Sie bisher von Glüh- und Halogenlampen kaum kannten.

Tatsächlich gab es vor allem in der Anfangszeit der LED-Beleuchtung teils erhebliche Serienstreuungen. Die haben sich zwar vor allem bei Markenlampen auf breiter Front verbessert, sind aber immer noch vorhanden. Schon kleinste Schwankungen bei der Produktion von LED-Chips, der Zusammensetzung und beim Auftragen der Luminiszenz-Konversionsbeschichtung oder Toleranzen bei den Bauteilen der Vorschaltelektronik in der Lampe können den Lichteindruck sichtbar verändern.

LED-Farbvarianz
Inzwischen nicht mehr erhältliche LED-Spots von „Lumixon“ – auch hier ist ein leichter Farbton-Unterschied erkennbar: Der rechte wirkt etwas weißer und heller.

Damit müssen die Hersteller prinzipiell leben. Sie können nur versuchen, den Produktionsprozess zu verbessern und die Chips möglichst streng zu selektieren – innerhalb des vorgegebenen Kostenrahmens eines Lampenmodells. Das nennt sich „Binning“, kostet Zeit und sorgt für teuren Ausschuss. Faustregel: Je billiger das Produkt, desto größer die Differenzen innerhalb einer Serie.

OSRAM_DURIS S 8Noch schwieriger wird’s bei LED-Modulen, in denen mehrere Chips leuchten. Solche „lamps“ erzeugen viel Helligkeit auf kleiner Fläche und vereinfachen das Design – etwa von kompakten „Downlights“ mit Richtwirkung. So hat die neue „Duris S 8“-Reihe von Osram Opto Semiconductors wahlweise sechs oder acht Chips in einem gemeinsamen, verlötbaren SMD-Rahmen zur Oberflächenmontage auf einer Platine (PR-Bild rechts). Die Module liefern mit weniger als 6 mm Kantenlänge bis zu 390 bzw. 500 Lumen Lichtstrom bei einer Farbtemperatur von 3000 Kelvin (Varianten mit 2700 oder 4000 K gibt’s ebenfalls).

Hier birgt aber jedes Exemplar wegen der Multichip-Technologie zahlreiche Chancen für Farbton- und Helligkeits-Abweichungen von seinen Fließband-Kollegen. Es genügt, wenn eine der Leuchtdioden etwas aus der Reihe tanzt – schon strahlt das ganze Modul ein wenig anders.

Individualität ist nicht erwünscht

Leuchten und Retrofit-Lampen mit solchen „lamps“ werden noch dazu sehr gerne im Rudel eingesetzt – etwa in Büros, Empfangsräumen und Fluren. Vor allem bei großen, weißen Oberflächen wären erhebliche Farbunterschiede der einzelnen Lichtquellen fatal – sie würden sich deutlich bemerkbar machen, selbst wenn Sie nicht direkt in die Lampen schauen. Auch die angestrahlten Gegenstände sollen ja im Idealfall unter jeder Leuchte gleich aussehen, so wie in diesem Osram-Werbefoto mit „Duris S 8“-Modulen (vermutlich die „neutral-weiße“ 4000-Kelvin-Version):

OSRAM_DURIS S_8-Buero

Wie Osram das Problem mit der Serienstreuung anpackt? In der Pressemitteilung steht dazu unter anderem:

„Die sehr gute Farbkonsistenz (Farbbinning) in den direktionalen Retrofits ist durch die enge Gruppierung der LED möglich. Diese entspricht der Abdeckung einer 5-step-MacAdam-Ellipse. Für Anwendungen, die eine sehr hohe Farbhomogenität benötigen, ist zudem eine Gruppierung nach 3-step-MacAdam verfügbar. Statt wie üblich bei Raumtemperatur, wird die Duris S 8 bei der Sperrschichttemperatur von 100° C farbortgruppiert.“

Da nickt der Fachmann verständnisvoll und der Laie versteht nur „Bahnhof“. Bisher kannten Sie als Privatkunde aus den Beschreibungen von LED-Lampen doch höchstens die möglichen Abweichungen von der nominellen Farbtemperatur. Dort lasen Sie dann so was wie „+/- 200 Kelvin“. Das bedeutete, dass ein „warm-weißer“ Spot mit offiziell 3000 K durchaus auch 3200 oder nur 2800 K haben konnte – im Extremfall also satte 400 Kelvin Unterschied. Wer den nicht sieht, hat ein ernsthaftes Augenproblem.

CIE-Normfarbtafel
Eine vereinfachte CIE-Normfarbtafel mit den Wellenlängen der Farben (außen herum in Nanometer) und der Schwarzkörperkurve („Black-Body-Kurve“) mit den Farbtemperaturen (in Kelvin). Der Punkt „A“ liegt etwa am Farbort, auf dem Glüh- und Halogenlampen leuchten. (Grafik: Torge Anders alias DiplomBastler@de.wikipedia, Lizenz: CC BY-SA 3.0)

Inzwischen geht es bei seriösen Herstellern wesentlich ausgefuchster zu, zumal das die neue EU-Ökodesignverordnung verlangt. Darin steht, dass die Farbkonsistenz von LED-Lampen so gut sein muss, dass ihre Farbwertanteile innerhalb einer MacAdam-Ellipse nur mit bis zu sechs Stufen abweichen. Von „Kelvin“ lesen Sie da gar nichts. Stattdessen schon wieder „MacAdam“ – wer ist das und was hat der für ’ne Ellipse?

Lange Experimente mit Farbkontrasten

Vereinfacht gesagt: Der US-Wissenschaftler David MacAdam (nicht MacAdams, wie ihn und seine Ellipse diverse deutschsprachige Veröffentlichungen auch namhafter Unternehmen falsch schreiben) veröffentlichte 1942 die Ergebnisse von monatelangen Experimenten mit einem „normalsichtigen“ Durchschnittsmann. Sie sollten Antworten auf die Frage liefern, wie der Mensch Kontraste zwischen nahe beieinander liegenden Farbtönen wahrnimmt.
CIExy1931_MacAdam
Dazu bekam die Versuchsperson unzählige Farbmuster zum Vergleichen und musste angeben, welche ihr jeweils identisch mit dem jeweiligen Bezugsfarbton erschienen und welche nicht mehr.

Daraus übertrug MacAdam Grenzlinien auf die seit 1931 verwendete CIE-Normfarbtafel und erkannte Erstaunliches: Sie bildeten keine gleichmäßig runden Kreise um die Farborte, sondern Ellipsen – auf dem Diagramm links sind einige davon zu sehen, zur Verdeutlichung aber zehnfach vergrößert (Grafik: PAR@Wikimedia Commons, Lizenz: CC BY-SA 3.0).

Die Farbtemperatur verrät nicht alles

Aufmerksame Leser werden feststellen, dass das menschliche Auge nicht nur Abweichungen entlang der Schwarzkörperkurve (mit den Kelvin-Werten) erkennt, sondern – mehr oder weniger stark – auch „Ausreißer“ ober- und unterhalb dieser Linie. Wenn also eine LED-Lampe mit einer Farbtemperatur von 2700 K angegeben ist, ihr Farbort aber nicht direkt auf der Schwarzkörperkurve liegt, kann sie anders wahrgenommen werden als eine andere Lampe mit ebenfalls 2700 K.

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Wesentlich genauer ist deshalb die neue EU-Pflichtangabe der Standardabweichung vom Ziel-Farbort, bezogen auf Stufen der MacAdam-Ellipsen. Die Einheit dafür heißt „SDCM“, eine Abkürzung des englischsprachigen Begriffs „Standard Deviation of Colour Matching“. Farbunterschiede innerhalb einer Stufe der MacAdam-Ellipsen können Sie selbst beim geraden Blick in die Lampe nicht sehen, zwei bis drei Stufen (<= 3 SDCM) gelten als „kaum wahrnehmbar“.

Da Lichtquellen aber meistens nicht direkt angeschaut werden, sondern hauptsächlich durch ihre Reflektionen auf den angestrahlten, verschiedenfarbigen Oberflächen wirken, gleichen sich die subjektiven Unterschiede etwas aus. Deshalb ist bei LED-Lampen schon ein Wert von 3 SDCM überdurchschnittlich gut, für die häufigsten Anwendungen ist 5 SDCM noch okay.

Selektion bei 100 Grad Hitze im LED-Chip

Damit wären wir wieder bei der Osram-Pressemitteilung von oben, die für das „Duris S 8“-Modul eine Standard-Farbortgruppierung „bei der Sperrschichttemperatur von 100° C“ von 5 und auf Wunsch ein Spezialselektion von 3 SDCM verspricht.

Im Gegensatz zu einigen Mitbewerbern sortiert Osram die Chips also nicht bei 25 Grad Raumtemperatur, sondern realitätsnah bei größerer Hitze. Schließlich können die Gehäuse von leistungsstarken LED-Retrofits beim Dauerbetrieb in engen Leuchten auch mal 80 Grad warm werden. Im Innern der Chips – an der Dioden-„Sperrschicht“ – geht’s noch heißer her: 100 Grad und mehr sind dort nichts Ungewöhnliches.

Je heißer die Lampe, desto „kälter“ das Licht

Bei höherer Temperatur leuchten LEDs aber in der Regel mit einem leicht „kälteren“ Farbton und etwas weniger Lichtstrom als direkt nach dem Kaltstart oder gar bei Frost (wirklich wahr: LED-Chips lieben Minustemperaturen!). Deshalb sollten Lampen und -Module vor exakten Tests und Messungen mindestens eine Stunde lang „eingeschwungen“ werden – also mit voller Kraft leuchten. Erst dann sind sie auch nach Labormaßstäben ausreichend Helligkeits- und Farb-stabil.

Eine kleine Schwäche hat diese recht sinnvolle SDCM-Einstufung: Da jeder Mensch eine Lichtquelle anders wahrnimmt und bewertet (die Leserkommentare hier im Blog geben dafür Dutzende Beispiele), MacAdam aber vor über 70 Jahren nur mit einer einzigen Versuchsperson arbeitete, liefern seine Ellipsen nur Anhaltspunkte und keine absoluten Wahrheiten. Womöglich sehen Sie selbst bereits eine Abweichung von nur 2 SDCM überdeutlich, während Ihr Nachbar noch bei 3 SCDM keinen Unterschied zwischen zwei vermeintlich identischen LED-Lampen wahrnimmt.

Mehr zum Thema:

Osram-„TEN°“-Binning: Farbkonsistenz von weißen LEDs im neuen Licht

LED-Lampen: Jede leuchtet etwas anders

LED-Licht: Der Schein kann trügen

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7 Gedanken zu „Farbkonsistenz, MacAdam, SDCM: Wie unterschiedlich leuchten LEDs?

  1. Vielen Dank für diesen Artikel! Dieses Thema wird in den Medien im Zusammenhang mit energiesparender Beleuchtung selten angeschnitten, sondern Farbtemperatur und Farbwiedergabeindex als einzige Kriterien angesehen.

    Anzumerken sei noch, dass die McAdam-Ellipsen eigentlich ein veraltetes Kriterium sind (quasi die ersten Schritte auf dem Weg zur Farbdistanz-Berechnung), und die Brüsseler „Experten“ besser daran getan hätten, einen modernen Farbraum wie CIECAM02 („color appearance model“) oder wenigstens CIELab zu nutzen; diese sind von vornherein so definiert, dass die rechnerischen Distanzen in etwa proportional zu den wahrgenommenen Farbdistanzen sind. Interessant dabei ist, dass selbst die Farbtemperatur für von Planck abweichende Farborte nicht mehr eindeutig ist. Offiziell wird auch hier ein veralteter Farbraum (CIE UCS 1960) verwendet. Möglicherweise rührt auch daher der Effekt, dass zwei Lampen bei gleicher nomineller „korrelierter Farbtemperatur“ aber unterschiedlicher Grün-Magenta-Balance unterschiedlich „warm“ bzw. „kalt“ wirken können.

    Was ich in der Ökodesignverordnung vermisse (oder zumindest nicht gefunden habe), ist ein Kriterium für die mittleren Abweichungen von der deklarierten Farbe, etwa wenn die Serienstreuung zwar gering, die Serie insgesamt aber grünstichig ist. Das schlägt sich im CRI nämlich nur geringfügig wieder, da dieser eine Farbanpassung vornimmt. Dennoch wirkt sich ein Grünstich bei manchen „Chinaböllern“ sehr unangenehm auf die Lichtqualität aus.

    • Eigentlich ist das in der EU-Verordnung doch geregelt: Die nominellen Farbtemperaturen, Spektralverteilungen etc. müssen korrekt sein und werden stichprobenartig nachgeprüft. Bei Abweichungen jenseits gewisser Toleranzen gibt’s die rote Karte.

      • Falls ja, dann finde ich es nicht. Ich finde dort nur die Farbkonsistenz, und die ist im Abschnitt „Begriffsbestimmungen“ unter Punkt i) definiert als die Abweichung der Farbwertanteile vom Mittelpunkt einer Farbart in abgestuften Einheiten der McAdam-Ellipse. Dort steht jedoch nicht, ob mit dem „Mittelpunkt“ der Farbort der deklarierten Farbtemperatur (bei 2700 K also der exakte Farbort der Schwarzkörperstrahlung bei 2700 K) oder der Mittelwert einer Serie gemeint ist. Und ich befürchte, dass eher letzterer gemeint ist (sonst macht der „Mittelpunkt“ keinen Sinn). Damit wäre die Farbkonsistenz lediglich so etwas wie die Standardabweichung innerhalb einer Serie, unabhängig von ihrem Mittelpunkt. Der Begriff der McAdam-Ellipse wird nur im Zusammenhang mit der Farbkonsistenz genannt; einen zusätzlichen Punkt „Einhaltung der deklarierten Lichtfarbe“ finde ich dort nicht. Gibt es evtl. noch ein anderes Dokument als dieses?

        Oder verstehe ich da etwas falsch?

        • Es ging mir um das „Nachprüfungsverfahren zur Marktaufsicht“ (Anhang IV), wo alle genannten Leistungsdaten überprüft werden sollen – nicht nur die SDCM.

          Das von Dir verlinkte Dokument ist schon das richtige.

          • Dennoch erscheint mir das Dokument da etwas zu schwammig zu sein. Z.B. wird die Lichtfarbe dort nur unter „sonstige Parameter“ genannt, und bis zu 10% Abweichung erlaubt (d.h. wenn 3000 K deklariert sind, wären 2700-3300 K noch im Rahmen, während manchen Lesern hier schon 2800 vs 2700 K bei den Aldi-Lampen deutlich ins Auge springt).

            Ob diese neue Richtlinie wirklich dazu beitragen wird, grünstichige Grabbeltischlampen Vergangenheit werden zu lassen, wird die Zukunft zeigen müssen.

  2. Hallo Herr Messer,
    vielen Dank für diesen sehr informativen Artikel.
    Zugegeben: Da hab ich sogar als Fachmann etwas von Ihnen gelernt.

    Ingesamt glaube ich aber, das es abzuwarten bleibt, wieweit diese Werte hilfreich für Kunden sind. Schließlich trauen auch wir (häufig zu recht) kaum einer Angabe, die Sie nicht selber gemessen haben.

    Trotzden werden die „Grabbeltisch“ LED kaum aussterben.

    Der Kauf von Leuchten und Lampen ist nun mal Vertrauenssache.
    – Wer billig kauf kauft 2x

  3. Pingback: Testbericht: Greenline LED Billig-Fluter für € 9,95 | LED-Hilfe

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