Abschied von der Fluoreszenzlampe LED-basierter Ersatz für CCFL-Lichtleisten

Will man Fluoreszenzröhren durch LED-Beleuchtungen ersetzen, um die Vorteile der Halbleiter-Leuchten zu nutzen, muss man viele Randbedingungen beachten. Polymer Optics hat in einer Studie gezeigt, dass sich dennoch eine Beleuchtungslösung mit LEDs entwickeln lässt, die in puncto Effizienz und Wirtschaftlichkeit gegenüber der CCFL die Nase vorn hat.

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Wer in einem Büro arbeitet, kennt das kalte, weiße und schattenlose Licht, das von den meisten Fluoreszenz-Lichtleisten erzeugt wird. Die Fluoreszenzröhre (CCFL) wird heutzutage am häufigsten als Lichtquelle gewählt, wenn hohe Effizienz und annehmbare Farbwiedergabe gefordert sind. Die weithin im Format T5 erhältlichen Fluoreszenz-Lichtleisten sind gleichermaßen für den Einsatz im Arbeits- wie im Privatbereich attraktiv, da sie kostengünstig in der Anschaffung sind und geringe Stromkosten verursachen.

Mit Fluoreszenzröhren sind jedoch signifikante Nachteile verbunden: Sie haben nur eine Lebensdauer von meist weniger als 20.000 h und enthalten toxisches Quecksilber, das speziell entsorgt werden muss. Darüber hinaus sind sie schwieriger zu treiben als Glühlampen und benötigen häufig optisch unelegante Fassungen, um die Lichtverteilung zu optimieren und um die unattraktive Röhre zu verbergen.

Bis vor kurzem gab es keine alternative Lichtquelle, die in Bezug auf Effizienz und Kosten eine Konkurrenz für CCFL darstellen könnte. Aber Hochleistungs-LEDs schicken sich an, in puncto Kosten und Lichtausbeite wettbewerbsfähig zu werden: Verbesserungen der Hochleistungs-LED-Konstruktion und Fertigung bedeuten, dass der Lichtstrom pro Element zunimmt, während die Kosten pro Element verhältnismäßig konstant bleiben. Die Verhältnisse verschieben sich somit immer stärker zugunsten der Hochleistungs-LED.

Es gibt tatsächlich mehrere Gründe, warum der Markt an der Einführung von Hochleistungs-LEDs als alternative Lichtquelle zu Fluoreszenzröhren interessiert ist:

• Effizienz
• Geringe Größe
• Hohe Lebensdauer – Hochleistungs-LEDs können eine Lebensdauer von mehr als 50.000 h erreichen.
• Umweltaspekte – im Gegensatz zu CCFLs enthalten LEDs kein Quecksilber.
• Lichtfarbe – Hochleistungs-LEDs sind in diversen Versionen mit Farbtemperaturen von 2700 bis 10.000 K erhältlich.
• Ansteuerung – LEDs lassen sich mittels Pulsweiten-Modulation dimmen, wobei die Effizienz über das gesamte Leistungsspektrum erhalten bleibt.

Die Forschungsarbeiten der Firma Polymer Optics Limited (POL) zeigen, dass eine LED-basierte Leuchte eine übliche 1,2 m Fluoreszenz-Lichtleiste ersetzen kann. Auf Grundlage der Daten von POL wird dabei gezeigt, dass eine Leuchte, die mit Luxeon Rebel LEDs von Philips Lumileds entwickelt wurde, bei ähnlichem Stromverbrauch eine ähnliche Lichtleistung wie eine Hochleistungs-Fluoreszenz-Lichtleiste erreichen kann.

Der Bezugsmaßstab: Analyse einer typischen CCFL-Lichtleiste

Als Bezugsmaßstab für die LED-Designs von POL wurde ein maßstabgetreues Modell einer typischen Fluoreszenzröhre zugrundegelegt. POL verwendete eine GE 1,2 m lange T5-Standardröhre mit 28 W und einer Farbtemperatur von 6500 K. Diese Röhre hat unter normalen Betriebsbedingungen einen Nennwert von 1450 lm. Zur Erleichterung einer Strahlverfolgungsanalyse (Raytracing) der Lichtausbeute des LED-Systems wurde die 1,2-m-Röhre auf 300 mm verkürzt. Dieses Fluoreszenzröhrenmodell hatte einen Nennwert von 640 lm bei einer Leistungsaufnahme von 7,3 W.

Das Fluoreszenz-Lichtleistensystem zeigte eine Spitzen-Beleuchtungsstärke von 380 Lux im Zentrum des photometrischen Verteilungsmusters, das auf eine 3,6 m × 2,4 m großen, ebene Fläche im Abstand von 1 m projiziert wurde. Die Lichtverteilung zeigt Bild 1. Um mit der Fluoreszenzleuchte konkurrieren zu können, müsste das LED-System bei ähnlichem Stromverbrauch eine ähnliche Leistung und Lichtverteilung erreichen.

Zu den Hauptvorteilen von Hochleistungs-LEDs zählen ihre lange Lebensdauer und ihr hoher Wirkungsgrad. Die Auswahl der Systemkonstruktion spielt für diese beiden Faktoren eine große Rolle. Für die Entwickler ist es wichtig zu wissen, wie die Wirkungen von Temperatur, Treiberstrom, Anzahl der Einheiten und Kosten zueinander ins Verhältnis gesetzt werden müssen, um die Leistung einer CCFL-Lichtleiste zu erreichen.

Ein LED-System muss beispielsweise eine sehr lange Lebensdauer haben, um bezüglich der Kosten mit einer Fluoreszenzlampe konkurrieren zu können: Auf diese Weise werden die höheren Materialkosten der LEDs durch die hohen Reparatur- und Lampenaustauschkosten des Fluoreszenzlampensystems ausgeglichen. Die in dieser Studie verwendete GE-Röhre hat eine durchschnittliche Nennlebensdauer von 20.000 h.

Bei Hochleistungs-LEDs lassen sich Durchschnittslebensdauern nicht einfach auf ähnliche Weise angeben. LEDs fallen nicht total aus, so wie es bei Glühlampen der Fall ist. Statt dessen nimmt die Lichtausbeute im Lauf der Zeit allmählich ab. Deshalb wird für LEDs ein Nennwert für Lichtstromerhalt (Lumen Maintenance) angegeben, der die Zeit angibt, nach der die Lichtausbeute von ihrem anfänglichen Spitzenwert auf einen festgelegten Wert abfällt. Viele LED-Hersteller geben in Datenblättern einen Wert von 70% für Lichtstromerhalt an.

Natürlich können Systemingenieure aber einen höheren oder niedrigeren Wert für Lichtstromerhalt ansteuern, abhängig von der gewünschten Lebensdauer für die Leuchte und der erwarteten Nutzung.

Die Entwickler entscheiden nicht nur über den Prozentwert für Lichtstromerhalt, sondern auch, wie dies erreicht wird. Einfach ausgedrückt, je höher die Sperrschichttemperatur am Siliziumchip, desto schneller nimmt die Lichtausbeute ab. Ebenso führt ein höherer Treiberstrom zu einer schnelleren Abnahme des Lichtstromerhalts, außerdem sinkt die Effizienz.

Praktische Implementierung der LED-Leuchte

Der Beleuchtungskörper, der von POL zur Erzeugung einer Lichtverteilung entwickelt wurde, die einer Fluoreszenzröhre entspricht, hat ähnliche Abmessungen wie eine typische Röhre, damit er in vorhandene Lichtleistenhalterungen eingesetzt werden kann. Der Beleuchtungskörper kann auch modular aufgebaut sein, sodass mehrere Lichtleistenstücke auf Grundlage von Basis-LED-Leuchtenmodulen eingesetzt werden können.

Beim Lichtleisten-Ersatzmodell handelt es sich um einen 300 mm langen Beleuchtungskörper, in den sechs Luxeon-Rebel-LEDs von Philips Lumileds im gleichen Abstand eingebaut sind. Die Herstellerangaben zur Nennleistung der LEDs spezifizieren einen Lichtstrom von 100 lm bei einer Temperatur der Wärmeleitfolie (Thermal Pad) von 25 °C. Der Lichtstrom einer LED variiert jedoch abhängig von der Sperrschichttemperatur des Elements, die wiederum durch Umgebungstemperatur, Gehäusekonstruktion und so weiter beeinflusst wird. Diese Faktoren sind für jede Anwendung unterschiedlich. Der Lichtstrom sinkt bei steigender Temperatur.

Die Konstruktion von POL basiert deshalb auf einer Leistung von 80 lm, was eine konservative Schätzung der Leistung darstellt, die die meisten Konstruktionen in der Praxis erreichen. Die sechs LEDs erzeugen somit insgesamt für das System einen Lichtstrom von 480 lm. Die Wahl der Luxeon-Rebel-LEDs ist wichtig, da der hohe Wirkungsgrad der Elemente von bis zu 100 lm/W dazu beiträgt, dass das LED-System mit dem hohen Wirkungsgrad der Fluoreszenztechnologie konkurrenzfähig ist. Die Strahlverfolgung der Lichtleisten-Ersatzkonstruktion ergibt die in Bild 3 gezeigte Beleuchtungsverteilung. Es ergibt sich eine ähnliche Beleuchtungswirkung wie bei der Fluoreszenzleuchte.

Der Wirkungsgrad dieser LED-Konstruktion beträgt etwa 65%. Die Optik der Lichtleisten-Ersatzlampe streut das Licht über einen weiten Bereich. Obwohl die Streuung zu Lichtverlust führt, erreicht die Lichtleisten-Ersatzlampe eine Spitzen-Beleuchtungsstärke von 320 lx. Sie schneidet also im Vergleich mit der Spitzen-Beleuchtungsstärke von 380 lx der Fluoreszenzröhre gut ab, und dies insbesondere in Anbetracht der Tatsache, dass der Lichtstrom-Nennwert des LED-Systems 25% niedriger ist als der der Fluoreszenzröhre: Der Nennwert des Fluoreszenzsystems beträgt 640 lm, der des LED-Systems 480 lm.

Punktsieg für die LED-Lösung

Als abschließender Aspekt beim Vergleich der Ergebnisse der Konstruktionsanalysen ist anzumerken, dass eine 300-mm-äquivalente Fluoreszenzröhre 7,3 W Leistung aufnimmt, die LED-Leuchten verbrauchen etwa 1,2 W pro LED, also insgesamt 7,2 W.

Die praktische Implementierung von LED-basierten Lichtleisten durch POL zeigt, dass ein LED-System bei gleichem Stromverbrauch für Anwendungen, die gerichtetes Licht erfordern, eine bessere Beleuchtungsstärke als ein Fluoreszenzsystem erreichen kann. Bei Anwendungen, die gleichmäßige Ausleuchtung eines breiten Bereichs erfordern, ist die Beleuchtungsstärke vergleichbar.

Das LED-System vermeidet jedoch die Nachteile der Fluoreszenzbeleuchtung, insbesondere hinsichtlich der begrenzten Betriebslebensdauer und den damit zusammenhängenden Reparatur- und Austauschkosten. Die LED-Lichtleisten enthalten außerdem kein Quecksilber, daher entfallen die mit Fluoreszenzlampen verbundenen Entsorgungsprobleme am Ende der Lebensdauer. Darüber lassen sich die LEDs besser steuern, beispielsweise durch Änderung der Stärke oder Farbe der Lichtabgabe.

*Jaume Tarradellas ist Technical Solutions Manager bei Future Electronics in Spanien.

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