Farbkonsistenz, MacAdam, SDCM: Wie unterschiedlich leuchten LEDs?

by Wolfgang Messer | 18.9.2013 21:56

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[1] in einer weißen Decke. Nominell haben beide 240 Lumen Lichtstrom[2] und eine Farbtemperatur[3] 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[4] – 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[5], der Zusammensetzung und beim Auftragen der Luminiszenz-Konversionsbeschichtung[6] 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“[7] – 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“[8] erzeugen viel Helligkeit auf kleiner Fläche und vereinfachen das Design – etwa von kompakten „Downlights“ mit Richtwirkung. So hat die neue „Duris S 8“-Reihe[9] von Osram Opto Semiconductors wahlweise sechs oder acht Chips in einem gemeinsamen, verlötbaren SMD-Rahmen[10] zur Oberflächenmontage auf einer Platine (PR-Bild rechts). Die Module liefern mit weniger als 6 mm Kantenlänge bis zu 390 bzw. 500 Lumen Lichtstrom[2] bei einer Farbtemperatur[3] 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[11] 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[12] 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[13] mit den Wellenlängen der Farben (außen herum in Nanometer) und der Schwarzkörperkurve[14] („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[15])

Inzwischen geht es bei seriösen Herstellern wesentlich ausgefuchster zu, zumal das die neue EU-Ökodesignverordnung[16] 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[17] (nicht MacAdams, wie ihn und seine Ellipse diverse deutschsprachige Veröffentlichungen[18] auch namhafter Unternehmen[19] falsch schreiben[20]) 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[21] 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[22], Lizenz: CC BY-SA 3.0[15]).

Die Farbtemperatur verrät nicht alles

Aufmerksame Leser werden feststellen, dass das menschliche Auge nicht nur Abweichungen entlang der Schwarzkörperkurve[14] (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[3] 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.

Fastvoice-Eigenwerbung neu[23]

Wesentlich genauer ist deshalb die neue EU-Pflichtangabe der Standardabweichung vom Ziel-Farbort, bezogen auf Stufen der MacAdam-Ellipsen[24]. 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[25].

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[26]. Im Innern der Chips – an der Dioden-„Sperrschicht[27]“ – 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[28]!). 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[29] 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[30]

LED-Lampen: Jede leuchtet etwas anders[31]

LED-Licht: Der Schein kann trügen[32]

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Links/Quellen:
  1. „Delock Lighting“-Baureihe: http://fastvoice.net/2012/09/03/led-schlachtbank-im-fastvoice-studio/
  2. Lumen Lichtstrom: http://fastvoice.net/2013/02/23/die-lumen-falle-wie-lichtstrom-werte-hinters-licht-fuhren/
  3. Farbtemperatur: http://fastvoice.net/2012/06/06/led-licht-der-schein-kann-trugen/
  4. mehr oder weniger unterschiedlich erscheinen: http://fastvoice.net/2012/01/10/led-lampen-jede-leuchtet-etwas-anders/
  5. LED-Chips: http://fastvoice.net/2012/03/05/wie-leds-zum-gluhlampen-ersatz-werden/
  6. Luminiszenz-Konversionsbeschichtung: http://fastvoice.net/2013/04/03/silicone-valley-leds-arbeiten-mit-silikon-und-silizium/
  7. LED-Spots von „Lumixon“: http://fastvoice.net/2012/01/10/led-lampen-jede-leuchtet-etwas-anders/
  8. „lamps“: http://fastvoice.net/2013/04/20/osram-duris-s-5-led-module-fur-retrofits-flachenleuchten-downlights/
  9. „Duris S 8“-Reihe: http://catalog.osram-os.com/catalogue/catalogue.do;jsessionid=A56CA587440BEEC1DFEFE1691DE71C33?act=showBookmark&favOid=0000000c000380e5012b0023
  10. SMD-Rahmen: http://de.wikipedia.org/wiki/Surface-mounted_device
  11. Pressemitteilung: http://www.osram-os.com/osram_os/en/press/press-releases/led-for-general-illuminationsolid-state-lighting/2013/compact-multi-chip-led-for-interior-lighting/index.jsp?mkturl=pr-Duris-S8
  12. Sperrschichttemperatur: http://de.wikipedia.org/wiki/Raumladungszone
  13. CIE-Normfarbtafel: http://de.wikipedia.org/wiki/CIE-Normvalenzsystem#CIE-Normfarbtafel
  14. Schwarzkörperkurve: http://de.wikipedia.org/wiki/Schwarzer_K%C3%B6rper
  15. CC BY-SA 3.0: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en
  16. neue EU-Ökodesignverordnung: http://fastvoice.net/2012/12/20/okodesign-eu-verscharft-regeln-fur-led-beleuchtung/
  17. David MacAdam: http://en.wikipedia.org/wiki/David_MacAdam
  18. deutschsprachige Veröffentlichungen: http://www.wila.com/page.php?pid=173
  19. namhafter Unternehmen: http://www.zumtobel.com/led/de/23643_22960.html#/led/de/23643_22960.html
  20. falsch schreiben: http://www.licht.de/de/info-und-service/licht-specials/led-das-licht-der-zukunft/qualitaetsmerkmale-von-leds/leds-binning-und-macadams/
  21. CIE-Normfarbtafel: https://de.wikipedia.org/wiki/CIE-Normvalenzsystem
  22. PAR@Wikimedia Commons: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CIExy1931_MacAdam.png
  23. [Image]: http://www.fastvoice.de/audio-demos.html
  24. MacAdam-Ellipsen: http://de.wikipedia.org/wiki/MacAdam-Ellipse
  25. 5 SDCM noch okay: http://megamanlighting.com/de/Technik/Farbhomogenitat
  26. 80 Grad warm werden: http://fastvoice.net/2012/08/11/hier-wirds-heis-der-tc-punkt-von-led-lampen/
  27. Sperrschicht: http://de.wikipedia.org/wiki/Raumladungszone
  28. LED-Chips lieben Minustemperaturen: http://fastvoice.net/2012/03/05/wie-leds-zum-gluhlampen-ersatz-werden/
  29. eine Lichtquelle anders wahrnimmt: http://fastvoice.net/2012/06/06/led-licht-der-schein-kann-trugen/
  30. Osram-„TEN°“-Binning: Farbkonsistenz von weißen LEDs im neuen Licht: http://fastvoice.net/2016/03/14/osram-ten-degree-binning-farbkonsistenz-von-weissen-leds-im-neuen-licht/
  31. LED-Lampen: Jede leuchtet etwas anders: http://fastvoice.net/2012/01/10/led-lampen-jede-leuchtet-etwas-anders/
  32. LED-Licht: Der Schein kann trügen: http://fastvoice.net/2012/06/06/led-licht-der-schein-kann-trugen/

Source URL: http://fastvoice.net/2013/09/18/farbkonsistenz-macadam-sdcm-wie-unterschiedlich-leuchten-leds/