Blog-Leserfrage (19): Wie sparsam ist die LED-Vorschaltelektronik wirklich?

by Wolfgang Messer | 13.6.2015 18:25

Wie hoch ist der Wirkungsgrad der LED-Vorschaltelektronik in Lampen und Leuchten? Wie sparsam sind also die Spannungswandler und Treiber? Ein Blogleser wollte das mit eigenen Messungen herausfinden und kam auf viel schlechtere Werte als die offiziellen Daten der Hersteller.

ISY-3W-GU10-Platine-Treiber
Die Innereien eines 3,1-Watt-GU10-LED-Spots von „ISY“[1]: Links die Trägerplatine mit drei SMD[2]-Chips, rechts die Oberseite der LED-Vorschaltelektronik mit Kondensatoren und Widerständen. Unten rechts gehen 230 Volt Wechselspannung ’rein; oben links kommen im „Leerlauf“ ca. 85 V, unter Last knapp 27 V Gleichspannung und 93 Milliampère aus den Verbindungskabeln. Eigenverbrauch der Elektronik, wenn’s leuchtet: 0,6 Watt oder 20% der Gesamtleistung. Ohne angeschlossene LEDs sind’s nur 0,2 W. (Fotos: W. Messer)

Dass Lampen und Leuchten mit Leuchtdioden höchstens rund 30 Prozent[3] der zugeführten Energie in “weißes” Licht[4] umsetzen, liegt zum Teil auch an der LED-Vorschaltelektronik. Sie muss in den meisten Fällen die 230 Volt Wechselspannung (AC) aus dem Haushaltsnetz auf einen niedrigeren Wert herunterregeln, in Gleichspannung (DC) umwandeln und die Chips auch noch mit möglichst konstant geregelter Stromstärke[5] versorgen. Dafür gibt’s verschiedene Schaltungen und Methoden[6], die aber alle was gemeinsam haben: Ganz ohne Leistungsverlust geht’s nicht.

Beziffert wird dieser Verlust mit dem Wirkungsgrad als Faktor. Wenn also der „ISY“-LED-Spot aus dem Bild oben laut Labor insgesamt 3,1 Watt zieht und die Elektronik nach meinen Messungen während des Leuchtbetriebs 0,6 Watt, dann sorgt sie für einen Verlust von gut 20% und somit eine Effizienz von immerhin rund 80% bzw. Wirkungsgrad 0,8. Mit dem elektrischen Leistungsfaktor[7] hat das übrigens nichts zu tun; der beträgt hier nämlich nur 0,5. Das ist für eine nicht dimmbare LED-Lampe zwar weit unterdurchschnittlich, hat aber keinen Einfluss[8] auf Ihren Stromverbrauch und Ihre Stromrechnung.

ISY-GU10-3W-Treiber2
Die Unterseite der „ISY“-Elektronik – unter anderem mit einem Schaltregler, der das LED-Flimmern auf ca. 30% bei 100 Hertz Bezugsfrequenz begrenzt.

Rund 40 Prozent Verlustleistung gemessen

Blogleser Rolf Walsch ist freier Ingenieur, hat eigene Effizienz-Versuche durchgeführt und mir davon berichtet:

„Ich wollte ihnen mal zurückmelden, was ich als Wirkungsgrad der Vorschaltgeräte gemessen habe. Zwei unterschiedliche Systeme, beide an 230 VAC, beide mit PFC (Leistungsfaktor-Korrekturfilter[9], Anm. d. Red.), unterschiedliche LED-Strings und Konstantstrom. Gemessen auf der AC-Seite mit Powermeter und auf der LED-Seite gleichzeitig Strom und Spannung. Bei beiden Systemen gut 60% – hier wird schon mal ca. 40% verbraten.

Ich habe auch “Alte” in Verwendung. Das sind die mit dem kapazitiven Teiler, dann pure Gleichrichtung, nur Vorwiderstand, keinen Konstantstrom. Von diesen fallen manchmal einige aus. Meistens ist der Gleichrichter erschossen, weil zu gering dimensioniert.“

Von diesen Ergebnissen war ich ziemlich überrascht und schrieb zurück:

„Ich weiß jetzt nicht, um welche Treiber es hier geht. Ein Verlust von 40% wäre jedoch unüblich hoch. Schon vor zwei Jahren lag LEDON bei seinen Lampen bei ca. 85% Wirkungsgrad[10]; der damals übliche Schnitt wurde mit 80% geschätzt.

Entweder haben Sie also besonders schlechte Vorschaltgeräte erwischt oder einen kapitalen Messfehler eingebaut – eventuell wegen der AC-Blindleistung[11], die nicht von jedem Messgerät korrekt erkannt wird.“

Der Konter von Rolf Walsch kam postwendend:

„Bin ein alter Entwicklungsingenieur für schnelle digitale Funksysteme und kenne mich ein wenig mit Leistung aus. 😉 Ich habe mich nicht vermessen und ich glaube auch nicht, dass mein Powermeter so einen großen Fehler hat. Ich werde es aber mal mit einem Zweiten gegenmessen.

Zu ihrem Punkt mit LEDON: Das ist nur eine Aussage und es sind keine Messdaten. Wenn sie im Netz nach wirklich guten Konstantstromquellen suchen, werden sie welche finden, die dann nur 86-90% Wirkungsgrad haben und etwas Geld kosten (der beste Wirkungsgrad wurde von einem Fraunhofer-Institut erreicht und die Lösung ist unbezahlbar). Diese haben dann einen sehr kleinen Blindleistungsanteil. Sie benötigen auch ein bestimmtes Volumen. Das geht so nicht in den unteren Teil einer Glühbirne. Also muss man abspecken.

Und man hat aber auch noch den Vorteil:
a) es muss nicht isoliert aufgebaut sein. Das heißt, die Schaltung hängt volle Kanne auf 230 V.
b) die LED kann nicht entfernt werden (dann würde die Spannung der Konstantstromquelle[12] hochlaufen müssen und sich selbst erschießen ) – spart dann mindestens ein Bauteil.

Wenn sie mal herausgefunden haben, wie man von den Daten der Birnen auf den Wirkungsgrad schließen kann – lassen sie es mich wissen.“

Die offiziellen Daten von Sebson und LCTW

Das habe ich natürlich noch nicht, aber dafür einige Hersteller/-Anbieter gefragt, wie effizient denn ihre interne LED-Vorschaltelektroniken oder externe Trafos/Treiber[13] sind. Mein Blog-Werbepartner Sebson[14] meldete sich als Erster und übermittelte mir die von seinem Lieferanten mitgeteilten Werte:

GU10/15SMD5630[15]  >=85%

E14/69SMD3014[16] / E27/69SMD3014[17] / G9/69SMD3014[18]  >=85%

Treiber LED12[19]  >=75%

Treiber LED30[20]  >=81%

Kurz danach kamen einige Daten aus dem Produktmanagement von „LED’s change the world“ (LCTW)[21]:

4006 (GU10 4,8W non dim)[22] „driver efficiency“ ≥72%

4010 (GU10 6,5W non dim)[23]  ≥78%

4011 (GU10 7W dim)[24]  ≥75%

Etwas mager fiel die Antwort der Philips-Presseabteilung aus:

„Mehr als die Angaben in den Datenblättern kann ich dazu leider nicht liefern. Die dortige „Efficiency“ gibt den Wirkungsgrad an, im Beispiel[25] 80 Prozent.“

Einigermaßen repräsentative Daten

Auf weitere Rückmeldungen warte ich noch; die etwas älteren LEDON-Angaben kennen Sie ja von weiter oben. Die offiziell genannten neuen Werte sind jedoch bereits im Rahmen des von mir Erwarteten und vermutlich auch einigermaßen repräsentativ für LED-Lampen, -Leuchten und -Treiber im bezahlbaren „Consumer“-Segment. Ich gehe – im Gegensatz zu Rolf Walsch – prinzipiell erstmal nicht davon aus, dass mich als seriös bekannte Anbieter frech anlügen und Phantasiezahlen publizieren.

Heitronic-5W-GU5.3-LabelZwischen 0,75 und 0,85 Wirkungsgrad halte ich also für glaubhaft; sogar mindestens 0,91 fordert die EU seit September 2014[26] von Vorschaltgeräten für Niedervolt-Halogenlampen bei Volllast.

Schon seit der Einführung des neuen EU-Ökolabels für Leuchtmittel[27] im Herbst 2013 muss bei der 1000-Stunden-Verbrauchsangabe von Niedervolt-LED-Lampen ein zehnprozentiger Aufschlag als angenommene Verlustleistung eines externen Trafos eingerechnet werden (Beispiel rechts: „6 kWh/1000h“ bei einem nominell 5 Watt starken GU5.3-Strahler von Heitronic[28]).

In engen Lampengehäusen ist das nicht so einfach

Wer allerdings eine derart hohe Effizienz von Vorschaltgeräten innerhalb der engen Gehäuse von LED-Retrofits[29] haben will, muss deutlich tiefer in die Tasche greifen oder auf so genannte “treiberlose” Technik[30] zurückgreifen, bei der die Leuchtdioden Wechselspannung vertragen und gleichzeitig als integraler Bestandteil der LED-Vorschaltelektronik dienen.

ISY-3W-GU10-Treiber1
Nochmal ein näherer Blick auf die Oberseite des „ISY“-Treibers: Links auf der schwarzen Anschlussleiste sind die Primäreingänge für 230 Volt, rechts gehen die Sekundärkabel zu den LED-Chips. Bei dimmbaren Marken-Spots geht’s häufig viel enger zu auf der Platine:

Osram-Superstar-Spot-Treiber
Im Innern der Osram-GU10-„LED Superstar“-Spots[31] wurden sogar waschechte Wickelkern-Trafos zur Spannungswandlung untergebracht.

Der Verzicht auf einige leistungshungrige, größer dimensionierte Elektronikbauteile kann jedoch handfeste Nachteile mit sich bringen: Kürzere Lebensdauer[32], schwächerer Leistungsfaktor[33], stärkeres Flimmern[34] und/oder Surren[35], elektromagnetische Störungen[36], schlechte oder gar fehlende Dimmbarkeit[37], kein Schutz gegen zu starke Hitze[38] oder Überspannung[39].

Wegen der paar Prozent Effizienzverlust einer gut ausgestatteten LED-Vorschaltelektronik sollte man also nicht meckern, zumal wir mit sparsamen[40] „Consumer“-LED-Leuchtmitteln sowieso nur im ein- oder zweistelligen Gesamtleistungs-Wattbereich unterwegs sind und die (finanziellen) Einbußen durch einen etwas geringeren Wirkungsgrad in absoluten Zahlen ziemlich mickrig sind.

Mehr zum Thema:

Wie effizient ist LED-Beleuchtung?[41]

Lampen, Trafos, Steuergeräte: EU verlangt höhere Effizienz[42]

Niedervolt-LED-Lampen lieben Konstanz[43]

“Geplante Obsoleszenz“: Auch ein Thema bei LED-Lampen?[44]

Blogleser-Frage (16): Schummeln LED-Hersteller bei den Watt-Zahlen?[45]

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Links/Quellen:
  1. 3,1-Watt-GU10-LED-Spots von „ISY“: http://fastvoice.net/2015/05/28/led-deals-bei-media-markt-sehr-guenstig-und-meist-versandkostenfrei/
  2. SMD: http://de.wikipedia.org/wiki/Surface-mounted_device
  3. höchstens rund 30 Prozent: http://fastvoice.net/2013/01/28/wie-effizient-ist-led-beleuchtung/
  4. “weißes” Licht: http://fastvoice.net/2013/04/03/silicone-valley-leds-arbeiten-mit-silikon-und-silizium/
  5. konstant geregelter Stromstärke: http://fastvoice.net/2012/03/15/niedervolt-led-lampen-lieben-konstanz/
  6. verschiedene Schaltungen und Methoden: http://www.all-electronics.de/texte/anzeigen/50972/LED-Spannungswandler-mit-hohem-Wirkungsgrad
  7. elektrischen Leistungsfaktor: http://fastvoice.net/2014/01/02/wie-led-lampen-das-stromnetz-belasten/
  8. keinen Einfluss: http://fastvoice.net/2015/02/17/blog-leserfrage-16-schummeln-led-hersteller-bei-den-watt-zahlen/
  9. Leistungsfaktor-Korrekturfilter: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Leistungsfaktorkorrekturfilter&redirect=no
  10. ca. 85% Wirkungsgrad: http://fastvoice.net/2013/01/28/wie-effizient-ist-led-beleuchtung/#comment-43116
  11. AC-Blindleistung: http://fastvoice.net/2015/02/17/blog-leserfrage-16-schummeln-led-hersteller-bei-den-watt-zahlen/
  12. Konstantstromquelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Konstantstromquelle
  13. externe Trafos/Treiber: http://fastvoice.net/2012/03/15/niedervolt-led-lampen-lieben-konstanz/
  14. Sebson: https://www.sebson.de/
  15. GU10/15SMD5630: https://www.sebson.de/gu10-frosted-15/gu10-led/a-182/
  16. E14/69SMD3014: https://www.sebson.de/e14-led/e14-frosted-69/a-177/
  17. E27/69SMD3014: https://www.sebson.de/e27-led/e27-frosted-69/a-179/
  18. G9/69SMD3014: https://www.sebson.de/g9-led/g9-69smd3014/a-955/
  19. Treiber LED12: https://www.sebson.de/led-treiber/sebson-treiber-led12/a-172/
  20. Treiber LED30: https://www.sebson.de/led-treiber/sebson-treiber-led30/a-173/
  21. „LED’s change the world“ (LCTW): http://www.leds-change-the-world.com/
  22. 4006 (GU10 4,8W non dim): http://www.leds-change-the-world.com/de/led-gu10-2.html
  23. 4010 (GU10 6,5W non dim): http://www.leds-change-the-world.com/de/led-gu10.html
  24. 4011 (GU10 7W dim): http://www.leds-change-the-world.com/de/led-gu10-dimmbar-2.html
  25. im Beispiel: http://www.lighting.philips.co.uk/subsites/oem/download/xitanium/Xitanium_12W_0.3-1A_16V_I_230V.pdf
  26. die EU seit September 2014: http://fastvoice.net/2014/08/28/lampen-trafos-steuergeraete-eu-verlangt-hoehere-effizienz/
  27. neuen EU-Ökolabels für Leuchtmittel: http://fastvoice.net/2012/10/17/neues-eu-energie-label-auch-fur-led-beleuchtung/
  28. GU5.3-Strahler von Heitronic: http://fastvoice.net/2015/01/23/im-test-farbtreue-12-volt-led-spots-von-civilight-heitronic-und-maxtrack/
  29. LED-Retrofits: http://fastvoice.net/2014/01/07/was-genau-sind-led-retrofits/
  30. “treiberlose” Technik: http://euro-lighting-gmbh.de/de/produkte/eco-x-stripe.php
  31. Osram-GU10-„LED Superstar“-Spots: http://fastvoice.net/2013/02/10/neuer-osram-superstar-spot-das-led-fernlicht/
  32. Kürzere Lebensdauer: http://fastvoice.net/2013/03/21/geplante-obsoleszenz-auch-ein-thema-bei-led-lampen/
  33. Leistungsfaktor: http://fastvoice.net/2015/02/17/blog-leserfrage-16-schummeln-led-hersteller-bei-den-watt-zahlen/
  34. Flimmern: http://fastvoice.net/2014/02/25/blog-leserfrage-12-warum-flimmern-manche-led-lampen/
  35. Surren: http://fastvoice.net/2013/03/05/surrende-led-lampen-der-zufall-spielt-mit/
  36. elektromagnetische Störungen: http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Vertr%C3%A4glichkeit
  37. Dimmbarkeit: http://fastvoice.net/2014/03/07/led-lampe-und-dimmer-immer-noch-kein-traumpaar/
  38. Hitze: http://fastvoice.net/2012/08/11/hier-wirds-heis-der-tc-punkt-von-led-lampen/
  39. Überspannung: http://fastvoice.net/2014/12/06/spannend-schneller-led-tod-wegen-zu-viel-volt-im-stromnetz/
  40. sparsamen: http://fastvoice.net/2012/11/17/led-umrustung-wie-viel-sparen-sie-wirklich/
  41. Wie effizient ist LED-Beleuchtung?: http://fastvoice.net/2013/01/28/wie-effizient-ist-led-beleuchtung/
  42. Lampen, Trafos, Steuergeräte: EU verlangt höhere Effizienz: http://fastvoice.net/2014/08/28/lampen-trafos-steuergeraete-eu-verlangt-hoehere-effizienz/
  43. Niedervolt-LED-Lampen lieben Konstanz: http://fastvoice.net/2012/03/15/niedervolt-led-lampen-lieben-konstanz/
  44. “Geplante Obsoleszenz“: Auch ein Thema bei LED-Lampen?: http://fastvoice.net/2013/03/21/geplante-obsoleszenz-auch-ein-thema-bei-led-lampen/
  45. Blogleser-Frage (16): Schummeln LED-Hersteller bei den Watt-Zahlen?: http://fastvoice.net/2015/02/17/blog-leserfrage-16-schummeln-led-hersteller-bei-den-watt-zahlen/

Source URL: http://fastvoice.net/2015/06/13/blog-leserfrage-19-wie-sparsam-ist-die-led-vorschaltelektronik-wirklich/