Produkt: Professional System 03/2019
Professional System 03/2019
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LED-Grundlagen Teil 3: Retrofit

Was muss beim Austausch von Glühlampen mit LEDs beachtet werden?

Investitionsstau trotz Fördermittel und ein schier unübersichtliches Angebot von LED-Leuchtmitteln. Wir wollen hier aufzeigen, woran man auf der Suche nach dem passenden Ersatzleuchtmittel für das betreffende Gebäude denken sollte.

Glühbirne(Bild: Herbert Bernstädt)

 

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Inhalt dieses Grundlagenartikels:


Selbst bei scheinbar einfachen Lampen mit E27-Schraubfassung gibt es bereits einige Fallstricke, die das Einkaufen im Webshop ohne vorige Bemusterung verbieten. Auch wenn alle technischen Daten abrufbar sind und damit schon zu einem Treffer führen können. Denn zum einen ist die optische Wirkung nicht aus den technischen Daten zu ersehen und zum anderen sind einige seltener angefragte technische Daten eben nicht auf der Website zu finden.

Datenvergleich

Zur Grundlage dieser Betrachtung dient ein praktischer Fall: In einem Foyer sollen die vorhandenen E27-Allgebrauchslampen auf LED-Leuchtmittel umgestellt werden. Bei den Allgebrauchslampen handelte es sich ursprünglich um 200 W Glühfaden-Leuchtmittel, die in eine Einbau-Downlight-Leuchte mit Reflektor eingesetzt werden – 200 W mit E27-Fassung war 1990 noch üblich. Jedoch im Laufe der Zeit waren diese Leuchtmittel nicht mehr verfügbar und wurden erst durch 150 W, später durch 100-W-Leuchtmittel ersetzt, was jedoch eine deutliche Reduzierung der Helligkeit bedeutete. Mit der EU-Regelung über Energieeffizenz waren auch die letzten Quellen für Ersatzleuchtmittel versiegt und auch der vorher angehäufte Vorrat ging zur Neige, so dass letztendlich ein Handlungsdruck entstand, dieses Leuchtmittel zu ersetzen. Für das Ersatzleuchtmittel müssen folgende Kriterien betrachtet werden:

  • Wie hoch ist der abgegebene Lichtstrom des Leuchtmittels?
  • Noch wichtiger: Wie viel Lux erhellen letztendlich die Fläche?
  • Wie verhält sich die Lichtverteilung im Zusammenhang mit dem Reflektor?
  • Welchen Kompromiss geht man bei der Farbtemperatur ein?
  • Wie hoch ist der Farbwiedergabeindex des Leuchtmittels?
  • Ist das Leuchtmittel dimmbar?
  • Ist ein Betrieb über die Gleichstrom-Notversorgung möglich?
  • Passt das Leuchtmittel mit den geometrischen Abmessungen in die vorhandene Leuchte?
  • Ist das Leuchtmittel lüfter- bzw. geräuschlos?

Andere Kriterien wie Temperaturbetrachtung spielen dagegen eine untergeordnete Rolle. Denn: Wo vorher ein 200 W Glühfaden- Leuchtmittel circa 196 W Wärme produziert hat und die Wärme sich nicht im Lampen- Reflektor stauen durfte, wird ein LED-Leuchtmittel, das nur noch etwa ein Viertel der Leistung als maximale Wärme emittiert, wohl kein Problem sein. Sind jedoch bei einer Glühfadenlampe die Farbtemperatur, Farbwiedergabe, Dimmbarkeit, Gleich- oder Wechselspannungsfrequenz konstant bzw. immer erfüllt, zeigt die LED hier völlig unterschiedliche Eigenheiten. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Lebensdauer der LED zwar mit ca. 20.000 h bis 50.000 h um ein Vielfaches höher ist als die der Fadenleuchte; jedoch lassen selbst namhafte Hersteller LEDs in zwei Qualitäten produzieren: einmal als „Baumarktqualität“ und einmal für den Industrieeinsatz. Auch hier spiegelt sich natürlich die Qualität bzw. Langlebigkeit meist im Preis wider. Mehr zur Lebensdauer von LED ist in einem weiteren Artikel zu erfahren …

Downlight
Betrachtung des Leuchtmittels in dem Downlight, hier eine Allgebrauchslampe: Lichtabstrahlung rundum in den Reflektor. (Bild: Herbert Bernstädt)
LED Model 5
Betrachtung des Leuchtmittels in dem Downlight – hier LED Model 5: deutliche Lichtstege an drei Seiten und keine Direktabstrahlung nach unten erkennbar. (Bild: Herbert Bernstädt)
LED Model 4
Betrachtung des LED-Leuchtmittels in dem Downlight , hier LED Model 4: deutliche Lichtstege an drei Seiten erkennbar, jedoch mit Direktabstrahlung nach unten. (Bild: Herbert Bernstädt)

Lichtwurf

Allein in einem Foyer wären zum Beispiel circa 200 Brennstellen auszutauschen; im gesamten Gebäude wäre man bei circa 600 Brennstellen. Deshalb ist auch hier eine genauere Betrachtung anzuraten. So ist etwa zu fragen, wie lange dieser Leuchtmitteltyp auf dem dynamischen LED-Markt noch zur Verfügung stehen wird. Auf der anderen Seite werden von Jahr zu Jahr immer leistungsfähigere Modelle angeboten, so dass man auch im Bereich der hohen Wattzahlen passende Äquivalente finden wird.

In den folgenden Bildern sieht man den Lichtwurf eines realen LED-Leuchtmittels im direkten Vergleich mit dem eines Glühfadenbrenners. Bei manchen LED-Modellen sieht man einen deutlichen Steg bzw. Schatten. Dies liegt daran, dass die Wärme, die im LED-Chip entsteht, möglichst gut an die Umgebung abgegeben werden muss. Zwar spielt Temperatur, wie eingangs erwähnt, eine untergeordnete Rolle, allerdings nur, was die Wärmebelastung der Lampe, sprich Sockel, Reflektor sowie den Einbauort, Zwischendecke, Zu- und Abluft usw. betrifft. Jedoch ist die LED, wie wir in einem anderen Beitrag aufzeigen werden, sehr empfindlich gegenüber der Glühfadenlampe, was die Umgebungstemperatur betrifft. Die LED altert sehr schnell, wenn sie zu warm wird.

Das Verhältnis eines Glühfadens mit ca. 2.500 Grad oder einer LED mit 120 Grad Chiptemperatur zu einer Umgebungstemperatur von etwa 25 Grad zeigt deutlich, dass das Ansteigen der Umgebungstemperatur von z. B. +15° dem Glühfaden eigentlich gar nichts ausmacht, jedoch die LED durchaus ins Schwitzen bringen kann. Aus diesem Grund muss sehr viel Wert auf die Kühlung der LED verwendet werden. Auch weil mit höheren Temperaturen nicht nur die Lebensdauer, sondern auch der Lichtstrom stark zurückgeht. So werden möglichst viele Flächen des LED-Retrofit genutzt, um als Kühlkörper zu fungieren. Das hat zeitweise auch erhebliche Auswirkungen auf das Lichtbild, das von dieser Konstruktion projiziert wird.

Nachdem man den Lichtwurf kritisch betrachtet hat, ist auch noch die Blendwirkung zu beurteilen. Denn aufgrund anderer Geometrien des Retro-LED-Leuchtmittels kann der Blick auf die Lampe im Raum deutlich unterschiedlich ausfallen und evtl. zu einer Entscheidung für oder gegen das Produkt führen.

Statik versus Dynamik (Dimmen)

Die bisherige Betrachtung bezog sich auf konstantes bzw. statisches Licht. Darunter verstehen wir hier, dass das Leuchtmittel zu 100 Prozent angesteuert ist, also nicht gedimmt wird. Wenn wir LEDs dimmen, haben wir gegenüber Glühlicht weitere Effekte bzw. Unterschiede zu beachten. Bei einem Glühlicht verändert sich die Farbtemperatur erheblich, während der LED-Chip Pi mal Daumen seine Farbtemperatur konstant hält.

Dieses wird oft akzeptiert, wenn man auf die wohlig warme Lichtfarbe verzichtet, wie man es von stark gedimmtem Glühlicht her kennt, jedoch meist gefordert, wenn ein Mischbetrieb vorliegt, bei dem nur ein Teilbereich mit LED und ein anderer Teil mit Glühlicht betrieben werden soll, so wie es z. B. unter den Emporen zum Saallicht oder im Zuschauerbereich mit der Bühne zusammen der Fall sein kann. Dann steht oft die Forderung im Raum, dass sich das LED-Licht genauso verhalten soll wie das Glühlicht. Folglich muss nun das LED-Licht beim Herunterdimmen seine Farbtemperatur dem Glühlicht anpassen – man nennt dies Red-Shift oder Dim to warm.

LED Model 4 und Glühlampe
Links LED Model 4, rechts Glühlampe: Deutlich zu sehen sind Abschattungen an der Wand durch die Gehäusegeometrie (Stege), zudem ist wenig Beleuchtungsstärke in Tischhöhe. Die Lichtfarbe ist bereits leicht bläulicher und das Parkett sieht nicht so schön aus wie unter dem Glühlicht. (Bild: Herbert Bernstädt)
Links LED Model 3, rechts Glühlampe
Links LED Model 3, rechts Glühlampe: Kleinerer Abstrahlwinkel bedingt durch die Geometrie, jedoch sehr homogene Ausleuchtung. Die Beleuchtungsstärke ist trotz des engeren Abstrahlwinkels zu schwach, wobei die Tischhöhe gut ausgeleuchtet wird. Die Lichtfarbe ist noch wärmer bzw. geht schon ins Rötliche. Dadurch sieht das Parkett sehr freundlich aus, was auch dem hohen Farbwiedergabeindex geschuldet ist. Die Lichtverteilung erfolgt hier am besten. (Bild: Herbert Bernstädt)
Links LED Model 2, rechts Glühlampe
Links LED Model 2, rechts Glühlampe: Sehr breit abstrahlend im Zusammenspiel mit dem Reflektor. In Tischhöhe ist noch eine akzeptable Beleuchtungsstärke vorhanden. Die Lichtfarbe ist leider zu kalt für die gewünschte Atmosphäre in diesem Foyer, was sich auch im Parkett widerspiegelt. Dafür erscheint der Raum am hellsten. (Bild: Herbert Bernstädt)
Links LED Model 1, rechts Glühlampe
Links LED Model 1, rechts Glühlampe: Sehr ähnlicher Abstrahlwinkel mit einer Überhöhung im zweiten Drittel, betrachtet aus der Rotationsmitte heraus. Folglich wurde in Tischhöhe die größte Lichtstärke von allen zu vergleichenden Retrofits erreicht. Die Lichtfarbe wird sehr gut getroffen, jedoch der mittlere Farbwiedergabeindex gibt dem Parkett einen leichten Graugrün-Stich. (Bild: Herbert Bernstädt)
Links LED Model 5, rechts Glühlampe
Links LED Model 5, rechts Glühlampe: Hier finden sich die stärksten Abschattungen an der Wand und damit natürlich auch auf dem Boden, hervorgerufen durch die Gehäusegeometrie (Stege). Obwohl der Lichtstrom am größten ist, bleibt die Tischhöhe relativ dunkel, da eine Abstrahlung direkt nach unten nicht erfolgt. Die Lichtfarben passen gut zueinander, aber auf dem Parkett erkennt man den Unterschied zur Glühlampe. (Bild: Herbert Bernstädt)

In der letzten Ausgabe hatten wir bereits angeführt, dass man mit Hilfe verschiedenfarbiger LED-Chips die Farbtemperatur dynamisch anpassen kann. Dies kann zum einen realisiert werden, indem durch eine Steuerung bei mehrfarbigen LED-Chips entsprechend dem Dimmwert der entsprechende Farbort zusammengemischt wird. Zum anderen kann man bei Weißlicht LEDs zusätzlich eine Amber LED beim Abdimmen hinzuzufügen, die umso stärker hinzugezogen wird, je mehr die Weißlicht-LED an Intensität verliert. Die dritte Variante kommt ohne Steuerelektronik aus, ähnlich wie bei der Faden-LED, bei der die Kombination aus Weiß- und Rotlicht-LEDs gemeinsam in Reihe bestromt werden. Ein Dimmen bei der letzten Variante kann folglich nicht mit einer Pulsbreitenmodulation erfolgen. Denn hier werden die unterschiedlichen elektrischen Parameter der weißen und roten LED genutzt: Die Weißlicht-LEDs erlöschen beim fallenden Strom zuerst, während die roten LEDs erst später an Helligkeit verlieren.

Damit hat man ohne Ansteuerung immer ein sauberes Herunterglimmen mit der typischen Rotverfärbung. Ein weiterer Effekt ist die Trägheit des Glühfadens, der zum Herunterkühlen eine gewisse Zeit benötigt, um kein Licht mehr zu emittieren. Kleine dünne Drähte kühlen schneller aus als dicke große Drähte, weil sie eben mehr Masse haben. So ist etwa beim Abschalten des Stroms eine 25-W-Glühlampe wesentlich schneller dunkel als ein 5-kWScheinwerfer.

Allgebrauchslampe
Betrachtung im Hinblick auf Blendwirkung, hier Allgebrauchslampe (Bild: Herbert Bernstädt)
Model 2 LED
Betrachtung im Hinblick auf Blendwirkung, hier Model 2 (Bild: Herbert Bernstädt)

Eine LED dagegen reagiert sofort bzw. schaltet im Nanosekundenbereich. Dafür kann man zum Simulieren des Ausglimmens eines Glühdrahtes eine entsprechende Zeitverzögerung implementieren und nennt dies dann Ansprechzeit (Response Time). Oftmals kann man die Trägheit des Glühdrahtes bei der LED getrennt zum Red-Shift einstellen – man spricht dann von einer Response Time. Dazu wird trotz plötzlichem Black- Out-Befehls die LED langsam in der Zeit heruntergedimmt, so wie ein Glühdraht auch erkalten würde.

Zurzeit kein perfektes Retrofit

Das perfekte Retrofit gibt es zurzeit noch nicht. Die Kunst liegt nun darin, festzulegen, welche Eigenschaften die größte Gewichtung erhalten, um sich dann für das passende Leuchtmittel zu entscheiden.

Weblinks zu Demo-Videos

Schaltverhalten ohne Red-Shift und Response-Time-Funktion zwischen einer Halogenleuchte und einer LED-Leuchte:

Simulation des Herunterdimmens mittels amberfarbenen LED:

LED-Strahler im Vergleich zum Glühlicht mit aktiver Response Time und deaktiviertem Red-Shift:

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Produkt: Professional System 07/2019
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