Und nun zum Unterschied zwischen Theorie und Praxis. Mit einem Luxmeter
(vgl. ) werden in einem Abstand von 100mm und
316mm die maximalen zentrumsnahen Beleuchtungsstärken von LEDs gemessen
(
) und mit dem theoretischen Wert (
) verglichen. Bei den
Typen HLMP-ED31 und HLMP-EL31 werden in den Datenblättern keine typischen
Strahlstärken angegeben sondern nur die Streubreite minimale und maximalen
Auswahl. Für einen Anhaltswert wird einfach das geometrische Mittel
zwischen Mittelwert Minimum-Auswahl und Maximum-Auswahl
verwendet.3.66 Die LEDs haben alle bei dem Teststrom von 19,78mA einen
burn in von ca. 7 Stunden erhalten. Bei mehreren (
) LEDs wird der
Mittelwert gebildet. Eingeklammerte Werte sind die absoluten Maximalwerte
bei LEDs, deren Maximum nicht im Strahlzentrum liegt; deren
Lichtstärkenverteilung ähnelt eher einem Sattel als einem einfachen Berg.
Herst. | Typ | ![]() |
![]() |
Farbe | ![]() |
10cm | 31cm | ||
[-] | [![]() |
[cd] | E_K | E_gem. | E_K | E_gem. | |||
Agilent | HLMP-ED31-PS000 | 2 | 30 | rot | 1,61 | 161 | 95 | 16 | 13,2 |
Agilent | HLMP-CE23 | 2 | 23 | grün | 1,5 | 150 | 97 | 15 | 15,9 |
Agilent | HLMP-CB30 | 2 | 15 | blau | 1,58 | 158 | 22,3 | 15,8 | 3,1 |
Agilent | HLMP-EL31-QT000 | 2 | 30 | gelb | 2,1 | 210 | 133 | 21 | 17,6 |
Marl | 1 | 60 | weiß | 1,0 | 100 | 65(75) | 10 | 7,6(8,7) | |
Nichia | NSPW500bS R | 1 | 20 | weiß | 5,6_20 | 560 | 319 | 56 | 44,9 |
Nichia | NSSW440 | 2 | 120![]() |
weiß | 0,66_30 | 41 | 4,3 | ||
OSRAM | LW E673-S2 | 1 | 120 | weiß | 0,2-0,32_30 | 11 | 1,4 |
Auch wenn das hier verwendete Beleuchtungsstärkemeßgerät (Minolta)
systembedingt stark mittelt, so fällt hier schon auf, daß anscheinend ein
Diskrepanz zwischen Herstellerangabe und praktischem Wert vorliegt. Mit dem
mit 1,1% geringfügig unter den Nennbedingungen liegendem Strom sind
Abweichungen von 80% nicht erklärbar. Das Meßgerät ist kalibriert.
Eventuell streuen die Dioden generell stark, hier sind Abweichungen von bis
zu 20% feststellbar. Agilent liefert aber auch eng (%) tolerierte
Gebinde, bloß wohl erst zu einem höheren Preis bzw. in größeren
Stückzahlen.
Bei LEDs wird die Angabe für den Sichtwinkel
verwendet.
ist der Winkel zwischen der Achse und dem Bereich, wo die
Lichtstärke nur noch 50% der Lichtstärke in der Achse erreicht. Bei der
Nennlichtstärke ist in der Fußnote ein von 20mA abweichender Nennstrom,
in mA, aufgeführt. Nach Datenblätten von OSRAM zur LW E673 und Agilent zur
HLMP-CW15 kann bei einer Erhöhung des Stromes auf 2
Nennstrom nur von
einer ca. 1,5-1,7-fachen Erhöhung der Lichtstärke ausgegangen
werden.
Anfänglich wurden weiße LEDs durch eine additive Farbmischung von roten,
grünen und blauen LEDs, meist in einem Gehäuse zusammengefaßt, erzeugt.
Inzwisch werden weiße LEDs dadurch erzeugt, daß die Chips von blauen LEDs
(Wellenlänge je nach Hersteller 445-470nm) mit einer Phosphorschicht
überzogen werden. Diese Phosphorschicht wird durch das blaue Licht angeregt
und strahlt relativ breitbandig ab; das Maximum des Spektrums der
Phosphorschicht liegt je nach Hersteller bei 550-560nm bei 40-70% des
blauen Peaks. Bei der NSPW500 kann eine 50%-Bandbreite von 165nm
abgeschätzt werden. Wenn man jetzt berücksichtigt, daß das menschliche
Auge hell-/ dunkeladaptiert das Empfindlichkeitsmaximum bei 555/507nm
aufweist, bei 450nm nach der CIE-Kurve nur noch 3,8/45,5% hat und bei den
hier interessanten Leuchtdichten wohl nicht dunkeladaptiert (vgl. S.
), so ist einsichtig,
daß weiße LEDs meist heller sind als die blauen Basismodelle
vergleichbaren Aufbaus. So schlecht kann die Transmission und der
Floureszenzverlust im Phosphor nicht sein, als daß da der ,,miese``
Wirkungsgrad des menschlichen Auges im entsprechenden Spektralbereich
unterboten werden kann.3.67 Insofern ist es nicht sinnvoll, sich eine
weiße Lampe aus LEDs in den drei Grundfarben rot, grün und blau
zusammenzubasteln. Wenn jetzt noch der Wirkungsgrad der Phosphorschicht und
der blauen Chips ein bißchen erhöht wird, so dürften LEDs Halogenlampen
in absehbarer Zeit bei den lm/W übertrumpfen.3.68 Nach den Datenblättern diverser Hersteller
sind bei weißen LEDs 1999/2000 etwa 3-3,6lm/W erreicht. Zwar haben
Halogenlampen netto eine bedeutend höhere Ausbeute, aber Reflexions- und
Transmissionsverluste der notwendigen Optik sind noch abzuziehen, bei LEDs
z.Zt. nur Transmissionsverluste (es gibt noch keine, die von Haus aus die
Ausleuchtung der TA erfüllen). Nach [He94] kommen in
Leuchtstofflampen die in der Tabelle 3.22 aufgeführten
Kristallphosphore zur Anwendung. Die Anregungsfrequenz beträgt dabei 254nm
(UV). Eine umfassender Liste von Phosphoren findet man auf den W3-Seiten von
OSRAM/Sylvania oder in [Uy38].
Leuchtstoff | Aktivator | Emissionsfarbe |
Zinksilikat | Mangan | grün |
Calciumsilikat | Blei, Mangan | gelb-orange |
Halophosphate | Sb, Mangan | blau-gelb |
Aluminate | seltene Erden | blau, grün, rot |
Für einen guten Wirkungsgrad ist eine hohe Reinheit und der passende Aktivator wichtig. Insofern ist es nicht abwegig, wenn z.B. die Chemiefirma Nichia die LED-Sparte für sich entdeckt. Kleine Randbemerkung: In der ,,Sendung mit der Maus`` vom 20.10.2002 wurde die Herstellung von phosphororisierenden Farben (Zinksulfid, Kupfer als Aktivator) gut erklärt.3.69
Als Randdaten für das häufig in Fahrradscheinwerfern verwendete Polycarbonat (PC) mögen laut [DoHa] folgende Werte gelten: Brechungsindex 1,56-1,65 (abhängig von Temperatur und Molekulargewicht), Die Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich liegt bei 85-90% (ca. 80% für 460nm, das blau der blauen LEDs). Werden PC oder Polymetametylenacrylat (PMMA) (Handelsname z.B. Plexiglas3.70 transparent rot eingefärbt, so ist mit einem Transmissionswirkungsgrad (für weißes Licht) von ca. 20% zu rechnen; von den 3,3lm/W der B2 bleiben also nur noch 0,73lm/W über, dieser Wert ist von roten LEDs inzwischen locker mehrfach überschreitbar!
LEDs, die in HS3/HS4-LED-Scheinwerfern eingesetzt werden sollen, müßten
ein von ca. 1...2
im horizontalen Schnitt
haben.3.71 Der vertikale Schnitt muß asymmetrisch und
enger ausgestaltet sein.
Raumwinkelintegrierende Messungen bei OSRAM haben für aktuelle3.72 (Sommer 2k) Nichia-LEDs NSPW500 inzwischen eine Lichtausbeute von 16lm/W und 55lm/W für die grüne NSPG500S und für rotorange (590nm) von Agilent 21lm/W ergeben. Damit wären inzwischen selbst weiße LEDs besser als HS3-Lampen, von grünen und roten ganz zu schweigen. Wenn jetzt die eventuell notwendige Vorschaltelektronik (Stromkonstanter) noch leistungsarm und der Preis entsprechend gestaltet wird, dann können HS3 und HS4-Lampen einpacken. Aber davor ist noch die geforderte Helligkeitsverteilung zu erfüllen.
In Bild 3.35 sind die Meßdaten, mit dem 9e aufgenommen,
von einigen LEDs wiedergegeben. Der Sensor ist mit dem Abschattungstubus
versehen und 0,6m von den Lichtquellen aufgegestellt. Zwischen Lichtstärke
und Beleuchtungsstärke
kann dann mit
umgerechnet werden.
Der Öffnungswinkel der Sharp GL0ZV042BOS ist schon vielversprechend. Die NSPW500bS 10mm und NSPG500 10mm sind mit dem UP-Harz 258 von R&G in einen Abguß der Sharp-LED eingegossen. Die Brennpunktlage ist ziemlich genau die der Sharp. Bedingt durch die Schrumpfung des Harzes (7%) hat sich ein Teil vom Negativ aus Silikon abgelöst und eine schlierige bzw. stufige Oberfläche erzeugt. Neue Abgüsse3.73 (B) haben bedeutend bessere Werte ergeben, allerdings ist der Fokus so genau, daß selbst die Bondingdrähte in der der Ausleuchtung deutlich wahrnehmbar sind.3.74 Die NSPW500bS 25,4mm ist eine NSPW500bS direkt hinter einem schlanken Konus 3.75 aus PMMA bei dem Durchmesser von 25,4mm.
LED | E | ![]() |
P | 2_1/2 | E/P |
[lx] | [cd] | [mW] | [![]() |
[lx/mW] | |
NSPW500 | 26,7 | 9,61 | 62,3 | 15 | 0,43 |
NSPW500 10mm A | 69,7 | 25,1 | 62,3 | 7 | 1,12 |
NSPW500 10mm B | 127,1 | 45,7 | 62,9 | 6 | 2,02 |
NSPW500 25,4mm | 52,9 | 19,6 | 68,7 | 8,5 | 0,77 |
NSSW440 Glupsch | 82,3 | 30,5 | 60,8 | 6,7 | 1,35 |
NSPG500 | 44,6 | 16,1 | 73,1 | 17 | 0,61 |
NSPG500 10mm A | 108,6 | 39,1 | 76,6 | 7 | 1,42 |
NSPG500 10mm B | 130,4 | 49,9 | 66,7 | nb | 1,95 |
GL0ZV04B0S | 56,9 | 20,5 | 39,8 | 4,5 | 1,43 |
Luxeon Star/O A | 490 | 176,4 | 1323 | 15 | 0,37 |
Luxeon Star/O B | 515 | 185,4 | 1067 | 15 | 0,48 |
Die Lichtstärken der unmodifzierten LEDs stimmen ziemlich genau mit den
Angaben der Hersteller überein. Allerdings streuen Ausleuchtung und
Lichtstärke sowie Lichtfarbe relativ stark, und das, obwohl alle aus je
einer Lieferung und einem Batch stammen. Die Serienstreuung ist nicht zu
vernachlässigen. Die Sortierung der NSPW500BS wird bei Rank S mit
minimal 6,8, typisch 8 und maximal 9,5cd, also % angegeben.
Die Luxeon Star/O (LXHL-NW98) von Lumiled Inc. ist ein Modul
(Grundfläche 2525mm, 16mm hoch), das aus einer Hochleistungs-LED auf
einem Aluminiumblech mit einer zusätzlichen Bündeloptik besteht. Die
Solldaten (laut Datenblätter) betragen typisch
=18lm (abzüglich 10% für die Optik) bzw. Minimum 13,9lm. Die
Farbtemperatur ist mit 4500K angegeben. Der Sichtwinkel
beträgt 10
, die Strahlstärke in der Achse 180cd. Der Nennstrom
beträgt 0,35A, die typische Vorwärtsspannung 3,42V. Daraus ließen sich
inkl. Optik ca. 13,5lm/W errechnen und lägen damit im Bereich von
typischen Halogenlampen im Fahrrad-Bereich (inkl. Optik). Messungen an zwei
direkt nebeneinander liegenden3.76 Exemplaren (Herbst 2001) ergeben in der UK1 12,75 bzw.
16,4lm/W. Labormuster von Luxeon sollen inzwischen bedeutend besser sein.
Genauere und aktuellere Daten sind bei www.luxeon.com zu finden. Analog zu
den Messungen auf Seite
ergeben sich maximale Lichtausbeuten bei ca. 20-50mA,
die 47-74% über denen im Nennpunkt liegen (vgl. Bild 3.40).
Die Messungen sind in der UK1 gegenüber dem Sensor, ganz am Rand platziert,
vorgenommen worden. Auch die Luxon Star'Os sind real noch viel
zu blau (Peak bei 460nm). Der Phosphor hat sein breitbandiges Maximum bei
etwa 570nm mit ca. 83% des Peaks in Blau. Abweichend von bisherigen
weißen LEDs taucht ein extrem heller Peak noch bei 615nm auf, der ca.
11% heller ist als der eigentlich anregende Blauanteil. Diese
Spektralkurven differieren jedoch je nach Datenblatt, anscheinend ist eine
relativ große Streuung bzw. Entwicklung bei den LEDs noch zu verzeichnen.
In Bild 3.36 ist das Zonenlichtstromdiagramm einiger
LEDs wiedergegeben. Der Winkel ist einfach angegeben, und nicht, wie
sonst, als
.
Die Sharp GL0ZJ042BOS strahlt 80% ihres Lichtstromes in einem Winkel von ca.
26
aus. Die Nichia NSPW500 braucht dafür 2
50
, im
Sharp-Gehäuse eingegossen sind es nur noch ca. 2
17
.
Die Zulassungsvorschriften (siehe S. ) sehen im
horizontalen Schnitt ein
von mehr als 8
vor. Im
vertikalen Schnitt werden asymmetrisch mindestens 3
(nach unten) und
deutlich weniger als als 3
(Anforderungen an Zone 1) nach oben
vorgeschrieben. Hier kommt man mit den LEDs alleine noch nicht ganz hin (vgl. Bild
3.35). Zieht man die Begrenzung für das Abblendlicht bei
Kraftfahrzeugen in Zone 3 (vergleichbar der Zone 1 bei Fahrrädern) auf
4,4lx in 10m (ECE-Regelung 20, s. S.
) heran, so erhöht sich der Spielraum.
Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei Kraftfahrzeugen sowohl die
Scheinwerfer besser gegen unbeabsichtigtes Verstellen gesichert sind als bei
Fahrrädern als auch durch den längeren Radstand und bessere Federung eine
geringere Wippneigung vorliegt. Die Blendneigung sollte also geringer sein;
in der Praxis ist dies aber nicht immer der Fall. Ein unvorsichtiges
Aufweichen der Regelung bzgl. Zone 1 wäre aus Sicherheitsgründen
sicherlich nicht sinnvoll, eine leichte Erhöhung des bisherigen Grenzwertes
aber vertretbar.
Je nach Betriebsstrom kann sich bei LEDs eine andere Lichtausbeute
einstellen. Es bringt nicht unbedingt mehr, die Leistung pro LED zu
erhöhen, unter Umständen haben vielen LEDs bei niedriger Stromaufnahme
einen höheren gesamten Lichtstrom zur Folge. Dies zieht aber viel Fläche
und noch mehr Kosten nach sich. Einen groben Überblick mag das Bild
3.37 geben. Die weißen
LEDs von Nichia erzeugen schon merkbar Licht, wenn man an 6V den
Vorwiderstand des menschl. Körpers von ca. 8M verwendet, also nur ca
1µA fließen. Vergleiche dazu auch die Bemerkungen zum PAL-Light auf
Seite ff., welches bei den 33µA in der
niedrigsten Stufe nachts schon zur Orientierung reicht. Mit dem 9e
vermessen ergeben sich folgende Meßwerte (Bild 3.37. Der Sensor
ist dabei 0,6m von den LEDs aufgestellt. Es werden zwei unterschiedliche
NSPW500bS aus einem Batch vermessen. Die Sharp ist die GL0ZV042B0S, die rote
20cd von Conrad. Die LEDs sind wahllos aus der Kiste gegriffen.
Folgerung: Da die weißen LEDs noch einen starken Blauanteil haben kann man noch etwas grün und rot hinzumischen. Um einen effektiven LED-Scheinwerfer zu bauen braucht man einige Sharps bei 30mA, einige NSPG bei 1-2mA und viele NSPW bei 1mA.3.77Dies wird leider teuer und groß. Wo man den Mittelweg bildet ist die eigene Entscheidung.
Ein exemplarischer Verlauf des Stromes über der Spannung von drei Nichias ist in Bild 3.38 aufgeführt.
Zusätzlich ist der Wirkungsgrad noch von der Umgebungstemperatur abhängig. Dies äußert sich ein bißchen bei den Wirkungsgradmessungen bei hohen Strömen, da kann man schlecht drei driftende Meßwerte (Strom, Spannung und Beleuchtungsstärke) gleichzeitig ablesen, es kommt zu leicht sprunghaften Graphen. Aus den Datenblättern zur NSPW kann man das Diagramm 3.39 entwickeln.
Abkühlen bringen nur einen relativ geringen Anstieg des Wirkungsgrades (ca. 3%) aber hohe Temperaturen reduzieren den Wirkungsgrad deutlich um bis zu 12%.
Ein anderer interessanter Ansatz sind die von
OSRAM in Kooperation mit
Siemens hergestellten Power TOPLEDs vom Typ LW 673
. Diese LEDs sind von vorneherein für
Beleuchtungszwecke ausgelegt, wobei die LEDs nach in 6 Auswahltypen von
125...200mcd bis 400...630mcd selektiert werden. Sie werden im
SMD-Gehäuse (P-LCC-2) geliefert und mit 30mA betrieben. Die entstehende
Wärme soll über großzügig dimensionierte Kupferflächen auf der Platine
abgeführt werden. Die Strahlcharakteristik ist die eines Lambertstrahlers,
d.h.
ist im Polarkoordinatendiagramm nahezu ein Kreis. Der
Sichtwinkel
beträgt 120
. Hier wird eine bündelnde Optik
notwendig sein. Das wird interessant und schwierig, da im Prinzip jede
Einzel-LED ein Linse braucht oder der Reflektor bzw. eine einzige Linse für
das LED-Array riesig wird, das gleiche Problem wie bei einer
Leuchtstoffröhre (s. S.
).
Nach einem Versuch mit den ,,Gluppschaugen`` von Conrad (Best.-Nr. 146455) ergeben sich die in der Tabelle 3.24 aufgeführten Meßwerte.
Scheinwerfer | Lampe | ![]() |
Zone1 | HV | L1/R1 | 2 | 3 | L4/R4 | L5/R5 |
Sollwerte | HS3 | ![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
- | |
TA23 | HS4 | ![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
|
Proto1 | 3LW+3NS | 19,78 | 0,57 | 1,14 | 0,29/0,36 | 1 | 0,43 | 0,16/0,16 | 0,03/0,07 |
3LW | 19,78 | 0,16 |
LW sind LW E673-S2, NS die NSSW440. Bei einer Messung sind die drei NSSW abgedeckt. Mit einer etwas besseren Optik als der hier verwendeten ist sicherlich mit 30 LEDs vorbehaltlich des Grenzwertes in Zone 1 ein zulassungsfähiger Scheinwerfer konstruierbar. Damit wäre auch gerade so eben der Punkt erreicht, wo sowohl die Lichtwerte und die Verbrauchswerte eingehalten werden.
Inzwischen (2003) sind die oben beschriebenen Versuche aus 1999/2000 veraltet. Luxeon/Lumileds hat inzwischen leistungsstarke LEDs auf dem Markt.
Die Lichtausbeuten streuen stark. Siehe hierzu auch Bild 3.41, welches die Streubreite der lm/W-Messung fünf verschiedener DW03 zeigt.
Die Meßergebnisser einiger 3W-Dioden sind in Bild 3.42 aufgeführt. Die Dioden der einzelnen Meßreihen stammen i.A. direkt nebeneinander aus einem Gurt.
![]() |
Warum die Sideemitter (DW09) trotz identischen Chips sowohl hier wie nach den diversen Luxeon-Datenblättern einen geringeren Lichtstrom aufweisen als die Lambertstrahler ist noch nicht ganz geklärt. Ein Vermutung legt nahe, daß ein Teil des Lichtstromes nach hinten auf die Fassung fällt und entweder nicht von der Meßtechnik erfaßt und/oder von dem schwarzen Kunststoff adsorbiert wird.
Die Dioden in Bild 3.43 sind direkt nebeneinander aus je einem Gurt.
Bei der ,,deplatzierten `` Q5 ist sowohl der Kupferring wie der Chip gegenüber dem Keramiksubstrat verschoben. Visuell ist der Chip 0,45 mm außerhalb der Mitte des Ringes. Dies ist muß ein extermer Ausreißer sein. In der Lichtausbeute macht sich daß nicht bemerkbar. Die Lichtausbeute der einen Q4 wird eher durch ein zu hohes Spannungsniveau gedrückt (vgl. Bild 3.46).
Wer immer noch meint, daß LEDs an Konstantspannung zu betreiben seien,
möge sich bitte das Bild 3.45 anschauen. Selbst innerhalb
LEDs, die nebeneinander im Gurt geliefert werden, bei identischen
Umgebungsbedingungen betrieben und vermessen werden, streuen locker um
100mV. Oder +100mV in der Flußspannung der LED, ich rede jetzt noch
nicht Spannungskonstanz der Spannungsquelle, macht sich schnell in einer
Verdopplung des Stromes und damit mehr als Verdopplung der Leistungsaufnahme
bemerkbar. Zumal hier auch noch Temperatureffekte mitwirken.
Und da Statistik für große Zahlen gilt...noch mehr Meßarbeit 3.46
Die Crees sind einmal drei und einmal neun nebeneinander in einem Gurt. Die
Luxeons sind ebenfalls meist in fünf bis zehn nebeneinander aus einem Gurt.
Was in Bild 3.45 noch nicht auftaucht: Der
-Shift (s.S.
).
Es ist derzeit eher ein Lotteriespiel, welche Lichtausbeute man
erwischt. Allerdings relativiert sich dies, da im meist verwendeten Bereich
über 300mA die Streubreite nicht mehr so groß ist. Teilt man den Strom
von normalen Fahrraddynamos auf zwei LEDs auf, so liefert der Betrieb bei
ca. 300mA mit 27-35lm/W fast das 1,5-2-fache von Fahrrad-Halogenlampen
bei deutlich größerer Lebensdauer. Da die Betriebsspannung ungefähr der
von Fahrradhalogenlampen entspricht ist auch die aufgenommene Leistung
vergleichbar, der Lichtstrom liegt aber deutlich dadrüber. Zur optischen
Verwertbarkeit siehe dann Seite ff.
Die teureren Versionen/Sortierungen Rank T lohnen sich für Höhlenforscher, wo es auf Lichterzeugung im absoluten Notfall ankommmt, im Straßeneinsatz ist es herausgeschmissenes Geld.
Auch die Luxeons weisen ihr Optimum nicht beim Nennstrom auf. Bei Strömen weit unter dem Nennstrom weisen sie die höchste Lichtausbeute auf. Dann sind erheblich bessere Lichtausbeuten als bei Halogenlampen im Überspannungsbetrieb zu verzeichnen. Mal sehen, was die Zukunft bringt.3.78
Olaf Schultz, Hamburg-Harburg