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Grundlagen Beleuchtungstechnik Mit welchen Konzepten sich LED-Licht messen lässt

Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG
HTV Halbleiter-Test & Vertriebs-GmbH
N & H Technology GmbH
Just Normlicht GmbH Vertrieb und Produktion

Mit geeigneten Messmethoden lassen sich LEDs charakterisieren. Doch auf welche Parameter muss geachtet werden und welche Hardware hilft beim Ausmessen?

Lichtbewertung: Das GL SPECTIS 5.0 ist ein kompaktes Spektrometer mit Laborqualität.
Lichtbewertung: Das GL SPECTIS 5.0 ist ein kompaktes Spektrometer mit Laborqualität.
(GL Optic)

Für allgemeine Beleuchtungszwecke verwendet die Lichtindustrie verschiedene Lichtquellen. Dabei sollte eine optimale Balance zwischen höchstmöglicher Lichtleistung, relativ niedrigem Preis und guter Benutzbarkeit gefunden werden. Um der Vielfalt an Beleuchtungsprodukten bestmöglich zu begegnen, sind geeignete Messsysteme erforderlich.

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In den letzten Jahren werden vermehrt Leuchtdioden in der Allgemeinbeleuchtung verwendet. Mit LEDs lassen sich völlig neue Designfreiheiten erzielen. Allerdings unterscheiden sich LED-Leuchtmittel aufgrund unterschiedlicher Fertigungstechniken und Methoden zur Erzeugung der optischen Strahlung im sichtbaren Spektralbereich erheblich voneinander.

Um Leuchtprodukte entsprechend zu charakterisieren, sind zuverlässige und vergleichbare Messdaten notwendig. So sind viele Normen rund um die Lichtmessung entstanden. Der jüngste Ansatz berücksichtigt die Besonderheit der LED als Lichtquelle, die durch schmalbandige optische Strahlung im sichtbaren Bereich gekennzeichnet ist.

Leuchtdioden und die daraus hergestellten Leuchtprodukte weisen einige Besonderheiten auf: So strahlen LEDs aufgrund ihrer Struktur und physikalischer Eigenschaften in einem schmalen Spektralbereich und die Lichtfarbe ist vom Betrachtungswinkel abhängig. Das Thema Temperaturänderungen ist ebenfalls nicht zu vernachlässigen, da sich im Betrieb der Lichtstrom und die Farbe ändern. Auch elektrischer Strom und elektronische Treiber können die lichttechnischen Eigenschaften der LEDs negativ beeinflussen.

Präzise Lichtmessungen innerhalb von 25 ms

Deshalb sollten bei einzelnen LEDs die Messungen zügig durchgeführt werden – idealerweise innerhalb 25 ms. Grund ist, dass die Leuchtdiode nicht heiß wird und somit die Ergebnisse mit dem Datenblatt der Hersteller vergleichbar sind. Lampen bzw. fertige Leuchtprodukte werden am häufigsten gemessen, wenn sie eine bestimmte Temperatur erreicht haben. Solche Messergebnisse bilden die technischen Spezifikationen eines Produktes, auf deren Basis Kunden vergleichen können.

Eine präzise Messlösung stellt etwa das GL Spectis 5.0 Touch von GL Optic dar. Es ist ein kompaktes Spektrometer, das Helligkeit und Lichtfarbe mit der Präzision eines Laborgerätes misst. Das Gerät vermisst das Licht einzelner LEDs und Leuchten auf LED-Basis und prüft die photobiologische Sicherheit. Es ersetzt sperrige Tischgeräte ohne Abstriche bei der Genauigkeit oder Auflösung. Auch die Bestimmung der Lichtfarbe erfolgt äußerst präzise: Im sichtbaren Teil des Spektrums liegt der Messfehler der Farbkoordinate (x, y) bei 0,0015.

Was beim Messen von LEDs zu beachten ist

Je nach der Art des gemessenen Elements müssen folgende Punkte beachtet werden:

  • Werden einzelne mit Gleichstrom betriebene LEDs vermessen, muss die Messung zügig durchgeführt werden. Dadurch wird verhindert, dass der LED-Anschluss heiß wird. Standardmäßig werden die Messungen von Herstellern innerhalb von 25 ms mit Hilfe eines Flashs durchgeführt. Als Alternative hilft eine Anlage, welche die Temperatur des Anschlusses stabilisiert. Solche Messungen lassen sich mit dem technischen Blatt von dem LED-Lieferanten vergleichen. Auf diese Weise wird oft das Binning definiert bzw. Helligkeitsgruppen und Farben der hergestellten Dioden.
  • Für Messungen von Leuchten wird empfohlen, die gemessene Leuchte erst zu erhitzen, so dass die Temperatur und der Lichtstrom ein stabiles Niveau erreichen, das den Einsatzbedingungen des Produktes ähnlich ist. Auf diese Weise definiert man die Leistungsmerkmale der Leuchte und die Werte, die den Empfehlungen der Normen zur Kennzeichnung der Leuchtprodukte entsprechen.
  • Da die Lichtfarbe vom Ausleuchtwinkel abhängt, wird eine Messung der räumlichen Verteilung der Leuchten mit einem Spektrometer und einem Goniometer empfohlen. Neben der räumlichen Lichtverteilung kann man dabei die Lichtfarbe in eine bestimmte Richtung messen.
  • Das Set zum Messen soll eine angemessene und stabilisierte Stromversorgung haben. Ansonsten sind die Messdaten wenig zuverlässig.

Generell ist für die komplizierte räumliche Vermessung von Leuchten eine zusätzliche Messung mit einem Goniospektrometer sinnvoll. Dabei handelt es sich um ein Messinstrument mit einer rotierenden Achse, das zur Messung von Lichtstrom und Lichtstärkeverteilung einer Leuchte dient. Die Lichtstärke lässt sich durch die Vermessung der Beleuchtungsstärke (Fernfeld) oder Leuchtdichte (Nahfeld) von einer festen Entfernung zum rotierenden Leuchtkörper aus bestimmen.

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Mit ausreichender Winkel-Schrittweite und Winkelbereich ist es möglich, den Lichtstrom durch das Aufsummieren aller Lichtstärkewerte aus den verschiedenen Messrichtungen zu berechnen. Aus der Lichtstärkeverteilung lassen sich beispielsweise transversale/longitudinale Isolux-Kurven oder Kegeldiagramme erstellen. In Goniospektrometern kommt ein Spektrometer in einer bestimmten Entfernung zur Lichtquelle zum Einsatz. Das Spektrometer führt die Messungen durch, während der Goniometerarm das Leuchtmittel bewegt. Tatsächlich kann solch ein Instrument die räumliche Verteilung aller relevanten photometrischen Größen gleichzeitig messen (E, I, CCT, CRI oder Hauptwellenlänge).

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