Blog-Leserfrage (21): Warum sind LED-„Birnen“ effizienter als LED-Spots?

by Wolfgang Messer | 31.10.2016 00:11

Diese Frage taucht im Blog immer wieder auf, wenn es um die Effizienzwerte von LED-Spots geht: Warum hinken Lampen für Akzentbeleuchtung beim Lumen-pro-Watt-Vergleich teils massiv hinter den größeren, rundstrahlenden LED-Retrofits her? Meine bisherigen Erklärungsversuche waren zwar wohl nicht komplett falsch, aber auch nicht wirklich fachkundig. Deshalb habe ich Experten verschiedener LED-Hersteller und -Anbieter um Auskunft gebeten; einige lieferten mir dazu verblüffende Messwerte.

ledon-g120-gu10-leuchtbilder
Beispiel für die Effizienzunterschiede: Links eine G120-„Globe“-LED-Lampe von LEDON[1] mit über 250 Grad Halbwertswinkel[2] und einer gemessenen Effizienz von knapp 92 Lumen[3]/Watt; rechts ein LEDON-GU10-Spot[4] mit 38 Grad und nur ca. 66 (bezogen auf den Gesamtlichtstrom) bzw. 55 lm/W (Nutzlichtstrom im 90-Grad-Bemessungswinkel). Beide sind mit Ra >90 sehr farbtreu und leuchten „warmweiß“ – die „Globe“ sogar noch etwas „wärmer“ als der Akzentstrahler. (Fotos: W. Messer)

Zuletzt gab es diesen Oktober eine entsprechende Leserfrage[5] und ein paar muntere Spekulationen dazu in den Kommentaren unter dem Test von zwei besonders farbtreuen „MeLiTec“-LED-Spots[6]:

„Gibt es eigentlich einen vernünftigen Grund, warum so ziemlich alle Strahler bei der Effizienz[7] deutlich hinter ,Birnen’ hinterherhinken, selbst wenn man Gesamtlumen statt derer im definierten Lichtkegel ansetzt?

Ich kann mir nicht vorstellen, dass der Reflektor schlechter ist als die üblichen weißlackierten Platinen in dem nachgemachten Obst, und die Linse wird auch keine schlechtere Transmission haben als eine milchige oder mattierte Haube. Ist es einfach die fehlende Konkurrenz?“

Osram-Superstar-Spot-Treiber

Mögliche Gründe gäbe es eigentlich schon: Zum Beispiel weniger Platz in GU10- und GU5.3-LED-Spots für eine effiziente Vorschaltelektronik[8] (im Foto oben in einem vollgepackten Osram-GU10-„LED Superstar“-Strahler[9]) und ausreichende Hitzeabfuhr[10], häufig schwierige thermische Verhältnisse[11] in den typischen Einbausituationen und Leuchtentypen (enge Gehäuse ohne ordentliche Durchlüftung) – oder, wie ein Leser mutmaßte[12]:

„GU10 werden normalerweise nach unten hängend montiert, d. h. die Wärme steigt zumeist in den Sockel hoch. Erschwerend kommt hinzu, dass GU10 auch gerne als Einbaustrahler genutzt werden; da wird es dann nochmal wärmer. All das limitiert die Lichtleistung.“

Weniger „Saft“ heißt nicht weniger Effizienz

Klingt erstmal schlüssig. Laut Auskunft meines Blog-Kooperationspartners „David Communication“[13] erklärte ein Hersteller dazu:

„Die Ansteuerung bei Spots ist aufgrund des kleineren Kühlköpers/Platzes geringer, damit eine höhere Lebenserwartung erreicht werden kann.“

Das bedeutet also, dass die Chips in LED-Spots mit weniger Strom versorgt werden und deshalb auch weniger Hitze[14] entwickeln. Ineffizienter werden sie allerdings dadurch nicht – im Gegenteil: Leuchtdioden setzen bei geringerer Auslastung und Betriebstemperatur einen größeren Anteil der Leistung in Licht um als bei sehr hohen Stromstärken und Wärmegraden. Für Glüh- und Halogenlampen gilt die Regel genau anders herum: Je mehr Watt, desto effizienter – aber meistens halt auch entsprechend heißer und kurzlebiger.

Je kleiner der Winkel, desto größer die Verluste

Wahrscheinlich den besseren Ansatz zur Effizienz-Diskussion – wenn auch sprachlich nicht ganz korrekt – lieferte ein Hersteller von großen LED-Tunnelstrahlern, die von „David Communication“[15] mit verschiedenen Halbwertswinkeln[16] angeboten werden:

„The beam angle of chips itself is in 120°, if with smaller reflector cover which will absorb more light than the reflector cover which is more close to the beam angle of the chip.”

david-tunnelstrahler-60-120-grad
Die Beispielrechnung bei ansonsten identischen Treibern und LED-Chips: Mit 60 Grad Abstrahlwinkel (PR-Foto oben links) beträgt die Gesamteffizienz einer solchen Tunnelleuchte 85 Lumen[3]/Watt; mit 120° (oben rechts) – dem optisch weitgehend unbeeinflussten Original-Lichtkegel der LEDs – sind es 90 lm/W. Noch größer würden die Unterschiede natürlich, wenn Chip-Typen mit verschiedenen Farbtemperaturen[17], Farbwiedergabeindizes[18] und damit auch Effizienzen eingesetzt würden.

Ein Teil des Lichts geht im Spot einfach „verloren“

Das lassen wir jetzt aber aus dem Spiel, weil es primär wohl um Reflexions- und Transmissions[19]-Verluste geht. Ein „MeLiTec“[20]-Techniker gab mir auf Anfrage diese Erklärungen:

Wirkungsgrad der Optik entscheidet mit

Da wird’s richtig dramatisch: Bis zur Hälfte des LED-Lichts kann demnach bei stark fokussierten Strahlern (<36°) im Nirwana verschwinden! Was sagt die technische Abteilung von „Müller-Licht“[23] dazu?

„In Leuchtmittel gerichteten Lichts werden entweder COB[24] oder mehrere Einzel-SMD-Packages[25] verbaut. Das optische System richtet sich nach der LED-Platine und den darauf befindlichen Packages: Mehrere Einzeloptiken oder eine zentrale Optik. Es ist richtig, dass diese Optiken mehr Licht schlucken als die Cover für nicht gerichtete Leuchtmittel.

Bei der Vorschalttechnik kommen alle Typen an Vorschaltgeräten zum Einsatz: Konstantstrom (isoliert oder nicht isoliert), lineare Treiber-Versionen, RC-Treiber-Versionen. Die Treiberversionen haben nach unserer Erfahrung keinen nennenswerten Einfluss auf die Effizienz.

Bei den gerichteten Lampen wird nur der Nutzlichtstrom in 90 bzw. 120 Grad gemessen. Dieser muss mind. 80% des Gesamtlichtstroms in 120° betragen, sonst wären es keine gerichteten Lampen. Angegeben wird grundsätzlich nur der Nutzlichtstrom. Egal, ob Sie eine gerichtete oder ungerichtete Lampe haben, die Nutzlichstrom-/Wattagenbewertung ist immer gleich. Bei z. B. 6 W und 470 lm (Nutzlichtstrom in 90 oder 360°) bleibt es immer bei einem Energieeffizienzindex[26] von 0,1425.

Das Problem ist eben nur, dass Sie bei 6 W Reflektoren eben keine 470 lm bei völlig gleicher Licht-Engine herausbekommen, sondern eben nur 470 minus 20% = 376 lm und noch weniger, da dies durch den Wirkungsgrad der verschiedenen optischen Materialien und des Reflektors und der Optik noch weiter nach unten geht. Deshalb die zwangsläufig notwendige unterschiedliche Bewertung.“

Bis zu 20% Verlust bei Totalreflexion

Megaman/LightMe[27]-Pressesprecher Christoph Seidel stößt auf Anfrage mal kurz ins gleiche Horn …

„So beeinflussen z. B. Abstrahlwinkel, Reflexionsverluste und Baugröße die Energieeffizienz von Leuchtmitteln.“

… und verweist dabei auf ein Diskussionspapier des Umweltbundesamtes[28] (kurz UBA, pdf-Download[29]) zur geplanten Neuregelung und Vereinheitlichung aller bisherigen EU-Beleuchtungsverordnungen ab September 2018 („Single Lighting Regulation“[30]). In dem steht beispielsweise:

„Je nach Beleuchtungssituation kann der Einsatz einzelner Techniken unumgänglich sein, bei denen Verluste auftreten. Eine Ursache für solche Verluste ist Totalreflexion[31]. Diese tritt auf, wenn Licht in einem optisch dichteren Medium, zum Beispiel Glas, unter einem bestimmten Winkel auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium, zum Beispiel Luft, trifft. Sofern das Licht senkrecht auf die Grenzfläche trifft, geht alles Licht in das optisch dünnere Medium über. Trifft das Licht jedoch schräg auf die Grenzfläche auf, wird ein Teil an der Grenzfläche reflektiert: je größer der Winkel zur Senkrechten, um so mehr.

Mit dem Winkel sinkt damit der Anteil des Lichtes, das in das optisch dünnere Medium gelangt, also beispielsweise von der Abdeckung einer Leuchte in die umgebende Luft und damit zu der zu beleuchtenden Fläche. Ab einem bestimmten Winkel, Grenzwinkel der Totalreflexion genannt, wird das gesamte Licht reflektiert. Die Verluste durch Totalreflexion können 10 bis 20 v. H. betragen. Totalreflexion tritt vor allem dann auf, wenn das Licht unter sehr flachen Winkeln abgestrahlt wird.“

Optische Hilfsmittel schwächen die Effizienz erheblich

Bei der Effizienzbewertung müssten laut UBA auch die negativen Einflüsse optischer Hilfsmittel wie Blendschutzkappen und -schirme, Kopfspiegel und Mattierungen eines Teils oder der gesamten Lichtabgabefläche berücksichtigt werden.

Das Labor von „David Communication“[13] hat das für mich mal beispielhaft mit zwei seiner „warmweißen“ GU5.3-LED-Spots ausprobiert und sie in die Ulbricht-Kugel[32] gesteckt. Einer holte aus rund 5 Watt und mit 30 Grad Halbwertswinkel[33] knapp 390 Lumen insgesamt und etwa 300 lm innerhalb des 90°-Bemessungswinkels (pdf-Download des Messprotokolls[34], im PR-Foto unten links).
david-gu5-3-spot-30-120-nackt
(Foto: M. Stöcken/David Communication)

Die matte Streuscheibe hatte den größten Einfluss

Die Helligkeit sinkt jedoch dramatisch, wenn eine matte Streuscheibe vor die vier SMD-Chips gesetzt wird, um blendarmes, stark gestreutes Licht mit einem breiten Halbwertswinkel von mindestens 120 Grad[35] zu erzeugen (oben Mitte): Dann sind’s insgesamt nur noch 324 lm (Messprotokoll[36]) – gegenüber dem Fokussierlinsen-bestückten Spot ein Verlust von 17%.

Sogar knapp 22% Lichtstrom schluckt die Scheibe im Vergleich zu einem komplett „gestrippten“ Strahler (oben rechts): Ohne optische „Bremse“ der LED-Chip-Leistung reichen die 5 Watt nämlich für knapp 413 Lumen und eine durchaus ordentliche Effizienz von 82,6 lm/W (Messprotokoll[37]). Dass der Effizienznachteil des 30°-Spots dagegen nur rund 6% beträgt, spricht für die verlustarme Ausführung seiner Optik und dürfte nicht die Regel sein.

Auch die Abmessungen spielen eine Rolle

Bei der Stellungnahme des Umweltbundesamtes spielt außer diesen teils herben Transmissionsverlusten noch was anderes eine Rolle, nämlich das von mir schon ganz oben ins Spiel gebrachte Größen-Thema:

„Das Verhältnis zwischen den Abmessungen einer Lichtquelle und dem von ihr abgegebenen Lichtstrom kann die Stromeffizienz beeinflussen. So kann beispielsweise bei ALED-Lichtquellen (ALED = anorganische LED (Leuchtdiode), im Gegensatz zur OLED = organische LED) der volumenbezogene Lichtstrom dadurch erhöht werden, daß die die einzelnen ALEDs dichter gepackt werden und/oder der Strom erhöht werden. In beiden Fällen steigt aber die Temperatur und sinkt damit der Wirkungsgrad.

Ein weiteres Beispiel zeigt der Vergleich von Lampen mit R7s-Sockel: Für Lampen mit einer Länge von rund 118 mm können – dies zeigt zumindest die UBA-Datensammlung – folgende Lichtstromwerte erreicht werden:

Okay – das ist inzwischen nicht mehr aktuell, weil es durchaus schon einige[38] (vor allem nicht dimmbare) R7s-LED-Lampen mit über 1000 Lumen[39] gibt osram-r7s-led-9w-ww-1055lm(Osram-PR-Foto links). Ändert aber nichts daran, dass sie um Größenordnungen hinter den ebenfalls 118 mm langen Halogenstäben[40] herhinken und das auch in Zukunft tun werden, weil ihre Lichtleistung und Effizienz halt physikalisch begrenzt ist.

Noch schwerer tut sich die LED-Technik[41], wenn sie 78-mm-R7s-Halos[42] mit ca. 1500 Lumen ersetzen soll. Deshalb hat das UBA mit dieser Aussage recht:

„Es dürfte unmöglich sein, Lichtstromwerte wie bei Halogenglühlampen mit der ALED-Technik zu erreichen. Ähnliche Ergebnisse kann man für andere Sockel/Bauformen erwarten.“

Auch Halogenspots haben Effizienz-Nachteile

Bei diesem Vergleich können wir allerdings das Optik-Thema fast völlig vergessen:  Halogenstrahler[43] haben nämlich wegen Totalreflexions- und Transmissions-Verlusten mindestens so große Effizienznachteile gegenüber ihren „Birnen“-Technologie-Schwestern[44] wie LED-Spots gegenüber rundstrahlenden LED-Retrofits.

ISY-GU10-3W-Platine Der US-LED-Marktführer „Cree Inc.“ hatte mir schon vor vier Jahren vorgerechnet[45], dass bei einem herkömmlichen Glüh-Fluter mit 40 Grad Halbwertswinkel 20 bis 40% des Lichtstroms in der Leuchte verloren gehen können, weil die ursprünglich ziemlich rund strahlenden Lichtquellen durch Reflektoren etc. aufwendig fokussiert werden müssten.

Die meisten LED-Chips leuchten ja immerhin schon von Haus aus mit nur ca. 120 Grad Abstrahlwinkel (in meinem Foto rechts auf der Platine eines „ISY“-Spots[46]); da braucht’s weniger optische Bündelung. Es wäre also völlig falsch, die schwächeren Lumen/Watt-Werte von LED-Akzentbeleuchtung im Vergleich zu LED-„Birnen“ allein den tatsächlichen oder vermeintlichen Schwächen der LED-Technik oder gar dem Unwillen der Retrofit[47]-Hersteller anzulasten.

Mehr zum Thema:

Wie effizient ist LED-Beleuchtung?[48]

Blog-Leserfrage (19): Wie sparsam ist die LED-Vorschaltelektronik wirklich?[49]

Werden Lampen-Käufer in der EU wirklich systematisch betrogen?[50]

Halogen- contra LED-Strahler: Vorsicht bei Vergleichen![51]

„Downlights“: Wie viel Licht bleibt in der Leuchte?[52]

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Links/Quellen:
  1. G120-„Globe“-LED-Lampe von LEDON: http://fastvoice.net/2016/06/07/im-test-dimmbare-globe-led-lampe-von-ledon-heller-als-versprochen/
  2. Halbwertswinkel: http://fastvoice.net/2013/02/12/led-lampen-und-das-winkel-dilemma/
  3. Lumen: http://fastvoice.net/2013/02/23/die-lumen-falle-wie-lichtstrom-werte-hinters-licht-fuhren/
  4. LEDON-GU10-Spot: http://fastvoice.net/2015/08/01/doppeltest-neue-ledon-spots-weisse-led-strahler-mit-premium-licht/
  5. eine entsprechende Leserfrage: http://fastvoice.net/2016/09/29/doppeltest-neue-helle-melitec-led-spots-mit-sehr-hoher-farbtreue/#comment-109035
  6. Test von zwei besonders farbtreuen „MeLiTec“-LED-Spots: http://fastvoice.net/2016/09/29/doppeltest-neue-helle-melitec-led-spots-mit-sehr-hoher-farbtreue/
  7. Effizienz: http://fastvoice.net/2013/01/28/wie-effizient-ist-led-beleuchtung/
  8. effiziente Vorschaltelektronik: http://fastvoice.net/2015/06/13/blog-leserfrage-19-wie-sparsam-ist-die-led-vorschaltelektronik-wirklich/
  9. Osram-GU10-„LED Superstar“-Strahler: http://fastvoice.net/2013/02/10/neuer-osram-superstar-spot-das-led-fernlicht/
  10. Hitzeabfuhr: http://fastvoice.net/2012/08/11/hier-wirds-heis-der-tc-punkt-von-led-lampen/
  11. schwierige thermische Verhältnisse: http://fastvoice.net/2012/09/03/led-schlachtbank-im-fastvoice-studio/
  12. wie ein Leser mutmaßte: http://fastvoice.net/2016/09/29/doppeltest-neue-helle-melitec-led-spots-mit-sehr-hoher-farbtreue/#comment-109042
  13. „David Communication“: http://led-lichtmesstechnik.de/
  14. Hitze: http://fastvoice.net/2012/08/11/hier-wirds-heis-der-tc-punkt-von-led-lampen/
  15. „David Communication“: http://david-led-flutlichtstrahler.de/
  16. Halbwertswinkeln: http://fastvoice.net/2013/02/12/led-lampen-und-das-winkel-dilemma/
  17. Farbtemperaturen: http://fastvoice.net/2012/06/06/led-licht-der-schein-kann-trugen/
  18. Farbwiedergabeindizes: http://fastvoice.net/2012/02/19/auf-treue-achten-auch-bei-led-lampen/
  19. Transmissions: https://de.wikipedia.org/wiki/Transmission_(Physik)
  20. „MeLiTec“: http://www.melitec.de/ueber-uns/
  21. niedrigen Betriebsspannung: http://fastvoice.net/2012/03/15/niedervolt-led-lampen-lieben-konstanz/
  22. EU-konformen Bemessungswinkels: http://fastvoice.net/2012/12/20/okodesign-eu-verscharft-regeln-fur-led-beleuchtung/
  23. „Müller-Licht“: http://www.mueller-licht.de/unternehmen/
  24. COB: https://de.wikipedia.org/wiki/Chip-On-Board-Technologie
  25. Einzel-SMD-Packages: https://de.wikipedia.org/wiki/SMD-LED-Modul
  26. Energieeffizienzindex: http://fastvoice.net/2012/10/17/neues-eu-energie-label-auch-fur-led-beleuchtung/
  27. Megaman/LightMe: http://www.megaman.de/ueber-uns/index.html
  28. Umweltbundesamtes: http://www.umweltbundesamt.de/
  29. pdf-Download: http://www.fastvoice.de/Lichtquellen_UBA_Hintergrundtext.pdf
  30. „Single Lighting Regulation“: http://superefficient.org/Events/~/media/2C1724BA6E9C428C9A210F894A50A312.ashx
  31. Totalreflexion: https://de.wikipedia.org/wiki/Totalreflexion
  32. Ulbricht-Kugel: http://de.wikipedia.org/wiki/Ulbricht-Kugel
  33. rund 5 Watt und mit 30 Grad Halbwertswinkel: http://www.green-power-led.de/index.php/produkte/product/view/163/53
  34. pdf-Download des Messprotokolls: http://fastvoice.net/wp-content/uploads/2016/10/LED4S53SD-30%C2%B0.pdf
  35. einem breiten Halbwertswinkel von mindestens 120 Grad: http://www.green-power-led.de/index.php/produkte/product/view/163/1077
  36. Messprotokoll: http://fastvoice.net/wp-content/uploads/2016/10/LED4S53SD-120%C2%B0-Linse.pdf
  37. Messprotokoll: http://fastvoice.net/wp-content/uploads/2016/10/LED4S53SD-ohne-Linse.pdf
  38. einige: https://www.bauhaus.info/led-lampen/voltolux-led-leuchtmittel-/p/23217010
  39. R7s-LED-Lampen mit über 1000 Lumen: https://www.led.de/led-lampen/led-lampen-r7s/led-lampe-osram-r7s-9w-ersatz-fuer-75-watt-1055-lumen-warmweiss-laenge-118-mm
  40. 118 mm langen Halogenstäben: https://www.bauhaus.info/halogenlampen/osram-halogenstab-haloline-eco-superstar-/p/12214605
  41. die LED-Technik: https://www.bauhaus.info/led-lampen/voltolux-led-leuchtmittel-/p/24570071
  42. 78-mm-R7s-Halos: https://www.amazon.de/Halogenstab-Watt-Halogen-ersetzt-Strahler/dp/B00IBDBMLE
  43. Halogenstrahler: https://www.amazon.de/dp/B00AGL352S?psc=1
  44. „Birnen“-Technologie-Schwestern: http://www.gluehbirne.de/Philips-Eco-Halogen-Gluehbirne-42W-55W-60W-E27-Gluehlampe-klar-EcoClassic-2000h-dimmbar
  45. schon vor vier Jahren vorgerechnet: http://fastvoice.net/2012/07/25/downlights-wie-viel-licht-bleibt-in-der-leuchte/
  46. „ISY“-Spots: http://fastvoice.net/2015/05/28/led-deals-bei-media-markt-sehr-guenstig-und-meist-versandkostenfrei/
  47. Retrofit: http://fastvoice.net/2014/01/07/was-genau-sind-led-retrofits/
  48. Wie effizient ist LED-Beleuchtung?: http://fastvoice.net/2013/01/28/wie-effizient-ist-led-beleuchtung/
  49. Blog-Leserfrage (19): Wie sparsam ist die LED-Vorschaltelektronik wirklich?: http://fastvoice.net/2015/06/13/blog-leserfrage-19-wie-sparsam-ist-die-led-vorschaltelektronik-wirklich/
  50. Werden Lampen-Käufer in der EU wirklich systematisch betrogen?: http://fastvoice.net/2015/12/18/werden-lampen-kaeufer-in-der-eu-wirklich-systematisch-betrogen/
  51. Halogen- contra LED-Strahler: Vorsicht bei Vergleichen!: http://fastvoice.net/2012/05/11/halogen-contra-led-strahler-vorsicht-bei-vergleichen/
  52. „Downlights“: Wie viel Licht bleibt in der Leuchte?: http://fastvoice.net/2012/07/25/downlights-wie-viel-licht-bleibt-in-der-leuchte/

Source URL: http://fastvoice.net/2016/10/31/blog-leserfrage-21-warum-sind-led-birnen-effizienter-als-led-spots/