Lichttechnische Grundlagen

Was sind / ist Lumen ?

Der Lichtstrom beschreibt die von einer Lichtquelle abgegebene gesamte Lichtmenge, d.h. egal in welche Richtung das Licht überall hin abgestrahlt wird.

Der Lichtstrom ist die von einer Lichtquelle gesamt abgegebene Lichtmenge mit der Einheit Lumen [lm]



Bild: Lichtquelle, Abstrahlung in alle Richtungen

Was ist die Farbtemperatur?

Das emittierte Licht einer Lichtquelle kann ganz unterschiedlich sein, über Zebrastreifen ist meist ein sehr rötliches Licht, beim Arzt ein sehr kaltes, weißes Licht. Diese Licht-Farbe wird mit der Farbtemperatur in °K (Kelvin) angegeben.

Abgeleitet wird dies vom sogenannten schwarzen Strahler. Man stelle sich ein Stück Metall im Feuer vor. Je höher die Temperatur eines erwärmten Körpers ist, umso kürzer ist die Wellenlänge der emittierten Strahlung - das emittierte Licht geht ins Blau.

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Bespiele für typische Farbtemperaturen sind:
 

  • Kerze = ca. 1500 °K
  • Glühlampe mit 40 W = ca. 2200 °K
  • Glühlampe mit 60 W = ca. 2680 °K
  • Glühlampe mit 100 W = ca. 2800 °K
  • Halogenlampe = ca. 3000 °K
  • Leuchtstofflampe = ca. 4000 °K  
  • Vormittags-/Nachmittagsonne = ca. 5500 °K
  • Mittagssonne, Bewölkung = ca. 5500 bis 5800 °K

Was beschreibt die Effizienz?

Effizienz beschreibt das Verhältnis aus eingebrachter elektrischer Energie in Watt, welche wir in Form des elektrischen Stroms in die LED einbringen und dem emittiertem sichtbaren Licht, Lichtmenge in Lumen, welches aus der LED austritt.

Effizienz = Lumen / elektrische Leistung = lm / W

Je effizienter eine LED ist, desto größer ist das obige Verhältnis aus lm/W

50lm/W ist schlechter als 100lm/W, bzw. 100lm/W sind doppelt so hell wie 50lm/W bei gleichem Energieinput

Tabelle: Typische Effizienzen verschiedener Leuchtmittel

Beleuchtungsmittel Lichtausbeute
Glühlampe 10-15 lm/W
Halogenlampe 14-26 lm/W
Leuchtdiode 55-85 lm/W
Quecksilberhochdrucklampe 35-60 lm/W
Halogen-Metalldampflampe 80-100 lm/W
Leuchtstofflampe 80-100 lm/W
Natrium-Niederdrucklampe 173 lm/W

 

Wie werden LEDs miteinander verglichen, über die Leistung [W] ?

Der Vergleich über die Effizienz könnte ein Ansatz sein, vernachlässigt aber die „Qualität“ des Lichtes, bestehend aus Lichtfarbe und Farbwiedergabe. Insbesondere bei weißen LED, wird gänzlich vernachlässigt, ob die vorliegende LED eine gute Farbwiedergabe hat oder nicht. Denn, je höher die Farbwiedergabe ist, desto mehr Licht muss mittels Konversationsmaterialien in andere Wellenlängen verschoben werden und dies geschieht leider nicht ohne Verluste.

Eine LED mit großer Farbwiedergabequalität hat zur Zeit noch eine schlechtere Effizienz, als eine LED mit sehr schlechter Farbwiedergabe, denn in der Konversationsschicht geht Licht verloren.

Im Lichtstrom-Vergleich der Lichtfarben WW zu DL eines LED-Typs wird dies deutlich. Für WW muss mehr blaues Licht konvertiert werden, als bei der kaltweißen LED, die Ausbeute lm/W ist dadurch bei der warmweißen LED schlechter als bei kaltweißen LED.

Bei der richtigen Betrachtung verschiedenster LED-Typen müssen wir folgerichtig miteinander vergleichen:

a) Lichtqualität objektiv, also die messbaren lichttechnischen Angaben zu
 

  1. Lichtmenge → lm
  2. Farbtemperatur → K°
  3. Effizienz → lm/W 


b) Lichtqualität subjektiv, gefällt mir was ich sehe, passt der Farbort?    



 

Warum ist die Angabe W/m keine Angabe zur Helligkeit?

Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, je mehr Leistung, desto heller muss es sein. Für fast alle anderen Leuchtmitteltypen stimmt dies sogar.

Die Angabe der elektrischen Anschlussleistung, z.B. bei einer LED-Leuchte in W/m gibt keine Auskunft über die Helligkeit. Ergänzend fehlt nämlich immer die Angabe über die Effizienz, also die lm/W.

Nur unter Angabe der Leistung in W und der Effizienz in lm/W können wir errechnen, wie viel Licht tatsächlich aus der LED-Leuchte kommt.

Was beschreibt der Farbwiedergabeindex, CRI oder Ra ?

CRI steht für „color rendering index“, oft auch in alter Literatur zu finden ist die Bezeichnung Ra in %.

Der Color Rendering Index (CRI) ist der Farbwiedergabeindex, der zur Charakterisierung von Leuchtquellen dient. Er ist ein Index für die Natürlichkeit der Farben. Je größer der Farbwiedergabeindex, der als CRI- oder Ra-Wert bezeichnet wird, desto natürlicher werden Farben wiedergegeben und desto angenehmer werden diese empfunden. Die Größe des CRI-Wertes kann zwischen 0 und 100 liegen und ist maßgeblich für die Farbwiedergabe von beleuchteten Gegenständen. Anders ausgedrückt, nur die Lichtfarben, die in der Lichtquelle auch enthalten sind, können auch auf dem beleuchteten Körper reflektiert werden. Wenn z.B. rot fehlt, wirkt z.B. ein rotes Handtuch grau.

Bild: Farbwiedergabequalität
Quelle:Tridonic
 

Der Farbwiedergabeindex ist ein Vergleichswert mit dem das Beleuchtungsspektrum von Lampen oder Leuchtdioden verglichen werden kann. Sonnenlicht hat den Farbwiedergabeindex 100. Also 100% aller Farben, quasi der komplette Regenbogen ist enthalten. Sichtbar werden diese Farben durch ein Prisma, es erfolgt die Aufspaltung der Farben.

Es gibt eine Klassifizierung für den Farbwiedergabeindex; so wird ein Ra-Wert von 95 als hervorragend, einer von 90 als fair und einer von 80 als schlecht eingestuft. Der Farbwiedergabeindex unterscheidet sich von der Farbtemperatur, die zwischen kaltem und warmem Licht unterscheidet.

Alle Leuchten von FLASHAAR sind grundsätzlich ab „fair“, also CRI > 85% aufwärts zu bekommen.

Der Farbwiedergabeindex wird nach DIN in sechs Stufen mit den bereits erwähnten Klassifizierungen angegeben. Meistens wird mit dem Farbwiedergabeindex auch die Lichtfarbe angegeben.
 

Warum ist ein hoher Ra Wert, z.B. Ra >90%, noch keine Aussage über die Qualität des Lichts?
Der Farbort spielt noch eine große Rolle, d.h. wo genau der Farbort der weißen LED auf dem blankschen Kurvenzug im Farbdreieck liegt.

 

Bild: Farbdreieck
Quelle: https://en.fh-muenster.de/fb1/downloads/persona

Wie man sieht gibt es auf der Linie 3000°K viele denkbare Punkte, Farborte mit der Farbtemperatur 3000°K.

3000°K sind insbesondere subjektiv nicht 3000°K, den 3000°K ergeben sich je nach Farbort aus unterschiedlichen prozentualen Anteilen der Grundfarben Rot, Grün und Blau. Je nach Anteil der enthalten Farben wirkt das reflektierte Licht auf der beleuchteten Fläche ganz unterschiedlich.

Was bedeutet die Angabe in nm (RGB)?

[nm] ist die Einheit für die elektromagnetische Wellenlänge. Licht sind elektromagnetische Wellen und eben in einem bestimmten Wellenlängen-Bereich für das menschlich Auge beim Auftreffen auf Oberflächen sichtbar, im Bereich von ca. 400nm bis 700nm.


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Bild: Spektrum elektromagnetischer Wellenlängen
Quelle: Tridonic

 

RGB steht für die Farben Rot, Grün und Blau

Übliche [nm] Angaben am Beispiel des FLASHAAR® NauticProfil - oder der FLASHAAR® MiniLine Discovery sind:

Rot      624nm
Grün    528nm
Blau     467nm


Elektrotechnische Grundlagen

Was ist Spannung, Volt, [V] ?

Die elektrische Spannung mit dem Formelzeichen [U] hat die Einheit Volt, Einheitszeichen [V].
Die elektrische Spannung [U] gibt den Unterschied der Ladungen zwischen zwei Polen an. Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole, mit unterschiedlichen Ladungen. Auf der einen Seite ist der Pluspol mit einem Mangel an Elektronen. Auf der anderen Seite ist der Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen. Diesen Unterschied der Elektronenmenge nennt man die elektrische Spannung. Entsteht eine Verbindung zwischen den Polen, kommt es zu einer Entladung, quasi einem Ausgleich. Bei diesem Vorgang fließt dann ein elektrischer Strom.
Wenn Ladung fließt spricht man von einem geschlossenen Stromkreis. In den Stromkreis lassen sich elektrische Verbraucher einbauen, z.B.  eine LED.

Quellen: „Fachkunde Elektrotechnik“, 21. Auflage, Verlag Europa Lehrmittel, Wikipedia

Was ist der elektrische Strom, Ampere, [A] ?

Der elektrische Strom oder die elektrische Stromstärke wird kurz Strom genannt. Damit ist die Übertragung elektrischer Energie gemeint, dem Fluss von Elektronen zwischen Plus- und Minus-Pol einer Spannungsquelle, oder anders gesagt, vom Überschuss an Elektronen zur Seite wo ein Mangel an Elektronen besteht. Ziel ist ein Gleichgewicht.

Der elektrische Strom ist die gezielte und gerichtete Bewegung von freien Ladungsträgern, z.B. den Elektronen. Der elektrische Strom kann nur dann fließen, wenn zwischen zwei unterschiedlichen elektrischen Ladungen genügend freie und bewegliche Ladungsträger vorhanden sind. Zum Beispiel in einem leitfähigen Material wie z.B. Kupfer, also dem Kabel.

Der Stromfluss wird gerne mit fließendem Wasser in einem Rohr verglichen. Je mehr Wasser im Rohr ist, desto mehr Wasser kommt am Ende des Rohres an. Genauso ist es auch beim elektrischen Strom. Je mehr freie Elektronen vorhanden sind, desto größer ist die elektrische Stromstärke durch den Leiter.

Das Formelzeichen des elektrischen Stroms bzw. der elektrischen Stromstärke ist das große [I] und dem Einheitszeichen [A]

Quellen: „Fachkunde Elektrotechnik“, 21. Auflage, Verlag Europa Lehrmittel, Wikipedia

Was bedeutet AC / DC?

AC steht für Englisch; alternating current und bedeutet Wechselspannung
DC steht für Englisch; direct current und bedeutet Gleichspannung

Was ist ein Konverter?

Ein Konverter arbeitet ähnlich wie ein elektronischer Trafo. Gleich wie ein elektrischer Trafo verringert oder erhöht er die elektrische Spannung, z.B. von 230V Netzspannung auf z.B. 6V, 12V oder 24V usw..

Der wesentliche Unterschied im direkten Vergleich ist: der elektronische Trafo erzeugt eine Wechselspannung, der Konverter eine Gleichspannung.

Man unterscheidet Gleichspannungskonverter, z.B. 12V oder 24V usw.
und Gleichstromkonverter, z.B. 350mA oder 700mA usw.

Was ist der elektrische Widerstand (Ohm)?

Die Bewegung freier Ladungsträger im Inneren eines Leiters hat zur Folge, dass die freien Ladungsträger, die Elektronen, gegen Atome stoßen und in ihrem Fluss gestört werden. Diesen Effekt nennt man einen Widerstand! Durch diesen Effekt hat der Widerstand die Eigenschaft, den elektrischen Strom innerhalb einer Schaltung zu begrenzen, bzw. den elektrischen Strom, der durch das Bauteil LED fließen muss, zu begrenzen, auf z.B. 350mA. Eine LED hat keinen eigenen nennenswerten Widerstand, sodass eine LED im Stromkreis wie ein Kurzschluss wirken würde, der max. Strom der Spannungsquelle würde durch die LED hindurch fließen und diese zerstören.
Durch einen vorhergehenden elektrischen Widertand wird der Strom durch die LED begrenzt.

Der elektrische Widerstand wird auch als ohmscher Widerstand bezeichnet. In der Elektronik spielen Widerstände eine sehr große Rolle. Neben den klassischen Widerständen hat jedes andere Bauteil einen Widerstandswert, der Einfluss auf Spannungen und Ströme in Schaltungen nimmt.

Das Ohmsche Gesetzt beschreibt diesen Zusammenhang:

R = U/I

R = ohmsche Widerstand in (Ohm)
U = elektrische Spannung in [V]
I  = elektrischer Strom in [A]

Quellen: „Fachkunde Elektrotechnik“, 21. Auflage, Verlag Europa Lehrmittel

Was ist die PWM?

PWM ist die Abkürzung für Pulsweitenmodulation. LEDs werden durch einen/eine pulsweitenmodulierten Strom oder Spannung gedimmt. Im Prinzip wird die LED sehr schnell ein und ausgeschaltet und die Anzahl der Schaltvorgänge ist die sogenannte Frequenz. Üblicherweise werden LEDs mit einer Frequenz von 200-300 Hz geschaltet bzw. gedimmt, d.h. 200-300 mal in der Sekunde wird die LED ein- und ausgeschaltet. Der Zustand „Eingeschaltet“ bedeutet immer 100% ein.

Je größer die Zeit zwischen den beiden eingeschalteten Zuständen ist, also die Zeit, in der die LED ausgeschaltet ist, desto weniger Licht wird emittiert. Das träge menschliche Auge nimmt die LED dann als gedimmt war. Möglich ist dies, weil die LED trägheitslos auf dieses Ein- und Ausschalten reagiert, d.h. sie glimmt nicht, wie z.B. der Wendel einer Glühlampe, nach.



Bild: PWM moduliertes Signal 
Quelle: Tridonic

Was ist ein PWM Dimmer?

Ein PWM-Dimmer ist das notwendige, elektronische Betriebsgerät zum Dimmen von LEDs.
Es gibt Kombinationen aus Konverter und PWM-Dimmer → der aktive PWM-Dimmer, hier ist ein Konverter bereits integriert.

Passive Geräte benötigen zusätzlich eine Stromversorgung, also einen Konverter.
Vorteil der passiven PWM-Dimmer ist, dass mehrere Geräte an einem Konverter betrieben werden können. Dies reduziert den Installationsaufwand und natürlich die Kosten.

Es gibt Konstantstrom-LED-PWM-Dimmer (z.B. 350mA) und Konstantspannungs-LED-PWM-Dimmer (z.B. 24V).

Was ist der Spannungsabfall?

Jedes Kabel verbraucht im Grunde auch Strom. Wenn der elektrische Strom durch ein Kabel fließt, entsteht leider auch Reibung, die Elektronen kommen sozusagen nicht reibungslos durch das Kabel und dabei geht Energie verloren, denn es entsteht Reibungswärme. Je mehr Strom, desto mehr Reibungswärme. Durch eine Erhöhung des Leitungsquerschnitts, quasi mehr Platz, kann mehr Strom fließen. Ähnlich wie beim Wasser durch ein Rohr. Je dicker das Rohr desto mehr Wasser kommt durch. Grundsätzlich gilt, je größer der Leitungsquerschnitt, desto geringer ist der Spannungsabfall.

Je länger ein Kabel wird, desto größer wird der Spannungsabfall. Je größer die angeschlossene Leistung an einem Kabel ist, desto größer wird der Spannungsabfall.

 

Der Spannungsabfall in einem elektrischen Leiter lässt sich wie folgt berechnen:

 

dU = (2 x L x P) / (kappa x A x Uin)

 

dU = das ist der Spannungsabfall im Kabel in [V]
L = das ist die Länge des Kabels einfach in [m]
P =das ist die elektrische Leistung des angeschlossenen Verbrauchers in [W]
kappa = das ist der spezifischer Widerstand des Leiters, bei Kupfer 56
A = Leitungsquerschnitt in [mm²]
Uin = das ist die anliegende Versorgungsspannung

 

Rechenbeispiel:

 

Die Kabellänge sind 100m
Das Kabel ist ein Standard-Kupferkabel vom Typ NYM 3x 1,5mm²
Der Verbraucher, also die Leuchte oder die LEDs haben in der Summe 50W Leistung
Die LED benötigen mind. 24V, max. 26V, das Spannungsfenster liegt somit bei 2V
Der Konverter bringt max. 26V

 

Frage:  Ist der Betrieb der LED möglich?

Wir wissen, Kupferkabel kappa = 56
 

dU = (2 x L x P) / (X x A x Uin)
dU
= (2 x 100m x 50W) / (56 x 1,5mm² x 26V)

 

→ dU = 4,58 V

 

Also, Ergebnis ist, geht nicht. Denn im Kabel würden 4,58V verloren gehen, d.h. an der ersten LED liegen nur noch 21,42V an, viel zu wenig für den richtigen Betrieb der LED.

 

Was tun?

 

Zwei Möglichkeiten:

  1. Konverterspannung erhöhen.
  2. Kabelquerschnitt erhöhen.

Praktisch betrachtet wird i.d.R. beides getätigt.
Wir erhöhen den Kabelquerschnitt auf 2x 5mm², dann ist der Spannungsabfall nun berechnet nur noch dU = 1,37V  → perfekt!!

Warum gibt es eingeschränkte Kabellängen?

Jedes Kabel verbraucht im Grunde auch Strom. Wenn der elektrische Strom durch ein Kabel fließt, entsteht leider auch Reibung, die Elektronen kommen sozusagen nicht reibungslos durch das Kabel und dabei geht Energie verloren, denn es entsteht Reibungswärme. Je mehr Strom, desto mehr Reibungswärme. Durch eine Erhöhung des Leitungsquerschnitts, quasi mehr Platz, kann mehr Strom fließen. Ähnlich wie beim Wasser durch ein Rohr. Je dicker das Rohr desto mehr Wasser kommt durch. Grundsätzlich gilt, je größer der Leitungsquerschnitt, desto geringer ist der Spannungsabfall.
Je länger ein Kabel wird, desto größer wird der Spannungsabfall. Je größer die angeschlossene Leistung an einem Kabel ist, desto größer wird der Spannungsabfall, weil mehr Strom durch den elektrischen Leiter fließen muss.


Steuerungstechnik

Was ist 1..10V?

Die z.Zt. am meisten genutzte Steuerung für Lampen ist vermutlich die 1..10V Regelung bzw. Schnittstelle.
Dieses System benötigt elektronische EVG’s mit 1..10 V Regelung. Das Prinzip dieser Steuerung ist die Regelung mittels einer Spannung zwischen 1V bis 10 V am Steuereingang des EVG, z.B. mit Hilfe eines Potentiometers. Eine analoge Steuerungstechnik.

Das 1..10V Signal regelt im EVG dann die Lampenleistung bzw. die Ausgangsleistung.

Elektronische Transformatoren mit 1..10V Schnittstelle für NV-Halogen-Leuchten und EVG's für Leuchtstofflampen sind ebenso erhältlich, wie zum Beispiel LED-PWM-Dimmer zum Dimmen von LEDs.

Vorteile:
Das System ist standardisiert und die meisten Vorschaltgeräte-Hersteller bieten die 1..10V Technik an.

Nachteile:
Obwohl es sich um ein standardisiertes System handelt, gibt es Abweichungen zwischen den Herstellern. Dieses kommt besonders dann zum Tragen, wenn verschieden große Lampenwattagen mit einer Steuereinheit betrieben werden müssen. Die Leuchtstärken können dann zwischen den einzelnen Lampen erheblich variieren.

Da es sich bei 1..10V Technik um ein analoges System handelt, können Spannungsverluste in langen 1..10V Steuerleitungen auftreten. Dies kann dann ebenfalls sichtbare Helligkeitsdifferenzen zwischen der ersten und der letzten Leuchte eines Regelkreises zur Folge haben.

Es ist auch nicht möglich, die Leuchte mit 1..10 V Signal ein- bzw. auszuschalten, dazu ist ein zusätzlicher Schalter oder z.B. ein zwischengeschaltetes Relais erforderlich, um das EVG vom Stromnetz zu trennen.


EVG = elektronisches Vorschaltgerät

Was ist DALI?

DALI = digital adressable lighting interface

DALI ist ein Protokoll für digitale Kommunikation zwischen Komponenten einer lichttechnischen Anlage. In Installationen organisiert und verwaltet ein DALI-Controller den Informationsfluss und den Zugriff aller Komponenten auf die Datenleitung.

Da im Lichtmanagement keine schnellen Prozesse gesteuert werden müssen, ist eine langsamere Datenübertragung, wie bei DALI, absolut ausreichend und trägt zusätzlich zur Kostenreduktion der DALI-Komponenten bei. Trotz dieser bewussten Beschränkungen bietet DALI eine erhebliche Funktionalität, die über das Schalten und Dimmen einzelner DALI-Komponenten weit hinaus geht. So können beispielsweise über Helligkeitssensoren Konstantlicht- Regelkreise aufgebaut werden und attraktive Lichtszenen zusammengestellt, abgelegt und wieder aufgerufen werden.

Ein besonderes Interesse kommt in diesem Zusammenhang auch der Statusrückmeldung der peripheren DALI-Komponenten an den zentralen DALI-Controller zu. Sie ermöglichen eine gezielte Fehlerdiagnose oder die Definition sinnvoller Wartungsintervalle für Vorschaltgerät und Lampentechnik. Als Medium zur Datenübertragung wird in erster Linie eine Zweidrahtleitung, wie in bisherigen Beleuchtungsinstallationen, genutzt. Diese kann sowohl als separate Leitung aber auch als Nutzung von freien Adern in einer Netzleitung ausgeführt sein. Ein großer Vorteil.

Um die Austauschbarkeit zwischen DALI- Komponenten verschiedener Hersteller sicherzustellen, wird das DALI- Protokoll international gemäß IEC 929 genormt.

Quellen: Tridonic, Osram, Wikipedia

Was ist DMX?

Die Abkürzung DMX steht für Digital Multiplex.
DMX ist eine digitale Steuerungstechnik.

Bei DMX werden Steuerinformationen übertragen, vergleichbar mit dem Computer-Netzwerk (LAN).

Eine Steuerung findet statt vom Leitrechner, z.B. einem Panel hin zum Empfänger, z.B. einem (PWM-) Dimmer.

Das Steuersignal „DMX-512“ ist vollständig digital.

Informationen werden nicht mehr durch analoge Spannungswerte repräsentiert, wie z.B. bei 1..10V, sondern als digitale Datenworte übertragen.

DMX-512 ist eine Absprache über die Verbindung zwischen Steuergerät (z.B. einem Panel, PC,…) und einem Empfänger, z.B. einer (LED-)Leuchte.

Die vereinbarte Standardisierung von „DMX512“ beinhaltet die folgenden Grundregeln:
 

  1. der Kabeltyp ist standardisiert
  2. der Steckverbindertyp ist standardisiert: 5-Pol XLR (heute wird oftmals 3-Pol XLR verwendet)
  3. ein einziges Kabel das Steuerinformation für maximal 512 Kanäle
  4. das Kabel einfach verdrahtet wird vom Controller zum 1. Gerät, weiter zum 2. Gerät,…. bis
    alle Geräte miteinander verbunden sind


Die Verwendung des DMX-512 Standards ermöglicht dem Anwender 512-Kanäle über nur ein dreiadriges Datenkabel zu senden. Die Information des Steuerkanals wird in digitaler Form, Kanal für Kanal, also nacheinander (Multiplextechnik/Seriell) über das Kabel gesendet. Die Schnelligkeit, womit dies stattfindet, ist so hoch, dass es „wie gleichzeitig“ geschieht. Ideal für die Bühnetechnik, wo sehr viele Szenen und Sequenzen in schellen Abfolgen abgerufen werden.

DMX ist ein zentraler Bus. Jeder Anwender darf DMX installieren und programmieren. DMX kann zum Beispiel über verschiedenste Softwarelösungen programmiert werden. Mittlerweile gibt es diverse Apps für mobile Endgeräte wie z.B. das i-Phone von Apple.
 
DMX-512 steht nicht für 512 Geräte!

Max. 32 Geräte sollten pro Universum (DMX-Leitung) angeschlossen werden. Der Grund ist, jedes Gerät belastet die gemeinsame Datenleitung, und irgendwann kann der DMX-Sender nicht mehr alle Empfänger versorgen. Dann werden Splitter oder Booster benötigt. Diese Geräte verstärken oder regenerieren das Signal erneut und können dann wieder weitere bis zu 32 Geräte betreiben.

Quelle: Wikipedia


Normierungen und Klassifizierungen

Was ist die IP Schutzart und was bedeuten die Zahlen?

Die  IP-Schutzart definiert (IP = International Protection) den Schutz gegen
Berührung, Fremdkörper und Wasser.

Eine Leuchte z.B. mit Schutzklasse IP65 ist vollständig gegen Fremdkörpereindringung geschützt,
staub- (1. Ziffer =6) und spritzwassergeschützt aus allen Richtungen (2. Ziffer = 5).

Daraus ergibt sich:

Je höher die geforderte Schutzklasse ist, umso dichter muss die Leuchte gefertigt sein.

Aber, eine hohe Schutzart ist nicht zwangsläufig immer erforderlich und sinnvoll. Leuchten müssen atmen können.

Die nachfolgende Tabelle zeigt auf, unter welchen Bedingungen ein solcher Schutz stattfindet.

 

Erste Kennziffer

Berührungsschutz

Fremdkörperschutz

Zweite Kennziffer

Wasserschutz

0

Kein besonderer Schutz

 

0

Kein besonderer Schutz

1

Gegen große Körperflächen

Große Fremdkörper Durchmesser > 50 mm

1

Gegen senkrecht fallendes Tropfwasser

2

Gegen Finger oder ähnlich große Gegenstände

Mittelgroße Fremdkörper Durchmesser > 12 mm

2

Gegen schräg fallendes Tropfwasser (bis 15° Abweichung von der Senkrechten)

3

Gegen Werkzeuge, Drähte und ähnliches mit einer Dicke von > 2,5 mm

Kleine Fremdkörper Durchmesser > 2,5 mm

3

Gegen Sprühwasser (beliebige Richtung bis 60° Abweichung von der Senkrechten)

4

Gegen Werkzeuge, Drähte und ähnliches mit einer Dicke von > 1 mm

Kornförmige Fremdkörper Durchmesser > 1 mm

4

Gegen Spritzwasser aus allen Richtungen

5

Vollständiger Schutz

Staubgeschützt; Staubablagerungen sind zulässig, dürfen aber in ihrer Menge nicht die Funktion des Gerätes gefährden

5

Gegen Strahlwasser aus einer Düse aus allen Richtungen

6

Vollständiger Schutz

Staubdicht

6

Gegen Überflutung

 

 

 

7

Gegen Eintauchen

 

 

 

8

Gegen Untertauchen

Quelle: Wikipedia


Aufbau und Funktionsprinzip der LED

Was ist eine LED?

Eine LED ist ein optoelektronisches Bauteil. Im Vergleich zur Leuchtstofflampe gehört die LED zu den Festkörperstrahlern. Leuchtdioden wandeln den elektrischen Strom innerhalb des PN-Überganges in sichtbares Licht um. LED bestehen aus Halbleitern bzw. Mischkristallen. Die Wahl des Halbleitermaterials bestimmt die emittierte Wellenlänge und damit die Farbe des Lichts.

Weißes (LED)Licht entsteht mittels Konversationsmaterialien über einer blauen LED. Leuchtdioden werden immer in Durchlassrichtung betrieben, d.h. der Strom fließt nur in eine Richtung durch das „Bauteil“ LED, in die andere Richtung sperrt die LED. Damit der Strom fließt muss die sogenannte Schleusenspannung bzw. Schwellspannung überwunden werden. Deswegen spricht man im Zusammenhang mit LED oft von der Schwellspannung und einem bestimmten Betriebsstrom, z.B. 350mA und 3.5V bei HighPowerLED. Bei tapes wird i.d.R. jeder LED-Punkt mittels einer integrierten Stromquelle auf dem tape mit ca. 25mA bestromt.

Beispiel für typische Werte einer PowerLED:

Hersteller Tridonic, Typ LED P211-3, Schwellspannung ca. 3,5V, Betriebsstrom zischen 350-700mA, daraus ergibt sich dann ein Leistungsbereich zwischen 1,2W bis max. 2,45W





Bild: Einordnung der Lichtquellen nach Ihrem Funktionsprinzip 

Quelle: Tridonic

 

Wie funktioniert eine LED?

Das Licht einer LED kommt aus dem Halbleiterkristall. Dieser Halbleiterkristall wird elektrisch zum Leuchten angeregt. Im Kristall existieren 2 unterschiedliche Bereiche, ein n-leitender Bereich mit einem Überschuss an Elektronen und ein p-leitender Bereich mit einem Mangel an Elektronen. In diesem Übergangsbereich, dem sogenannten PN-Übergang oder auch Sperrschicht, entsteht Licht in einem Rekombinationsprozess, bei dem ein Ausgleich zwischen dem Elektronenüberschuss auf der einen Seite und dem Elektronenmangel auf der anderen Seite erfolgt. Dies geschieht immer dann, wenn eine Gleichspannung an den Kristall angelegt wird. Die bei diesem Prozess aufgenommene Energie wird wieder abgegeben in Form von Photonen, also Licht wird emittiert. Nur wenige Photonen schaffen es wirklich den Rekombinationsbereich zu verlassen (sichtbares Licht), der Rest geht in Reibung unter, es entsteht die Verlustwärme. Diese Verlustwärme erfordert insbesondere bei Hochleistungs-LED aufwändige Kühlungen. Wird die LED nicht gekühlt bzw. kann die Verlustwärme nicht abgeführt werden wir der Halbleiterkristall zerstört.


Bild: Aufbau des Mischkristalls einer LED / Quelle: Tridonic
 


Wird der Betriebsstrom variiert, lässt sich der abgegebene Lichtstrom proportional beeinflussen. Im praktischen Betrieb wird die LED von einem definierten Gleichstrom (z.B. 350mA) durchflossen, den wie auch bei der Entladungslampe ein externes Betriebsgerät liefert.

Wie entsteht weißes Licht?

Das Emissionsspektrum der LED, also der Bereich der abgegebenen Wellenlängen, ist immer schmalbandig, man spricht auch von monochromatisch. Die dominante Wellenlänge und damit die Farbe des Lichts, ist abhängig von den zur Herstellung des Halbleiterkristalls verwendeten Materialien.  

Weißes Licht kann durch Mischung aller Wellenlängen (RGB) erzeugt werden, zum Beispiel durch 3 farbige LED in einem LED-Gehäuse (SMD) oder unter einem Glop-Top (COB). Weißes Licht entsteht dann durch additive Farbmischung der drei RGB-Farben Rot, Grün, Blau. Die Mischung ist allerdings schwierig und die Qualität des weißen Lichtes sehr schlecht bzw. unregelmäßig.

Alternativ wird weißes Licht mit dem von der Leuchtstofflampe bekannten Konversationsprinzip erzeugt, man spricht auch von der Luminiszenskonversation. Dabei regt das Licht einer blauen LED Leuchtstoff an, der einen Teil des blauen Lichts in gelberes Licht wandelt. Durch die Überlagerung des nicht absorbierten blauen Lichts mit dem emittierten gelben Licht des Leuchtstoffes ergibt sich weißes Licht. Hierzu muss die Konzentration, bzw. die Menge und Mischung des Leuchtstoffes über der blauen LED sehr genau gesteuert werden, damit das gewünschte Weiß, insbesondere mit reproduzierbar, gleichbleibender Qualität realisiert werden kann. Die Leuchtstoffe werden permanent weiterentwickelt, insbesondere um die Farbwiedergabequalität zu verbessern.

Verwendung findet dieses Prinzip bei SMD- und COB-LED-Technik.


Bild: Prinzip der Farbkonversation – Aufbau einer weißen LED
Quelle: Tridonic
 

SMD = surface mounted device
COB = chip on board
RGB = red, green, blue bzw. Rot, Grün, Blau

Was sind die Vorteile einer LED ?

Stichpunktartig hat die LED die folgenden wesentlichen Vorteile:

  • hohe Robustheit, vibrationsfest und stossfest
  • hohe Lebensdauer
  • keine IR- und  UV-Abstrahlung
  • kompakte Abmessungen, sehr kleine Bauformen
  • gute Systemeffizienz, hoher Wirkungsgrad, meint lm/W
  • Farbvielfalt
  • Montagefreundlichkeit und Sicherheit aufgrund der Schutzkleinspannung
  • einfacher Betrieb und unkomplizierte Steuerung
  • niedriger Energieverbrauch
  • über den Hausmüll entsorgbar


IR = Infarot (Strahlung)
UV = Ultravialett (Strahlung)

Was sind die Nachteile einer LED?

Wenn es überhaupt Nachteile gibt, sind dies meist der höhere Anschaffungspreis gegenüber herkömmlichen Leuchtmitteln bei vergleichbarer Lichtqualität und zum anderen der weitverbreitete Anspruch an die LED, mit Ihr alle anderen Leuchtmittel zu ersetzen. Das kann die LED noch nicht leisten.

Für das Leuchtmittel LED gibt es leider noch nicht normierte Fassungen, was den flexiblen Tausch defekter Leuchtmittel innerhalb der Leuchte ermöglichen würde. Ansätze hierfür sind vorhanden.
Leider wird heute deswegen oft die ganze Leuchte entsorgt.

Wie lange lebt eine LED bzw. wie viel länger ist die Lebensdauer einer LED im Vergleich zu einem herkömmlichen Leuchtmittel?

Theoretisch geht eine LED nicht kaputt, aber auch ein Halbleiterkristall kann sich quasi Zersetzungsprozessen nicht gänzlich widersetzen. Wir altern eben alle!

Ein großer Feind eines jeden Halbleiters, wir kennen es aus dem PC von zu Hause, ist Wärme. Jeder Prozessor im Rechner muss gekühlt werden, sonst geht er kaputt. Die LED auch. Grundsätzlich, je niedriger die Arbeitstemperatur, desto länger die Lebensdauer. Eine LED geht aber nicht 100% defekt, wie eine Glühbirne, quasi kaputt gleich aus.

Der Lumenstrom einer LED nimmt mit der Zeit einfach ab. Man spricht von Degradation des Lumenstroms. Typische Lebensdauerangaben sind: 70% des Lumenstroms erreicht nach 50.000 Betriebsstunden. Vergessen wird hierbei, bei welchen Umgebungsbedingungen bzw. bei welchen Betriebstemperaturen, die Verantwortung hierfür hat immer der Kunde bzw. der Leuchtenhersteller.

Zusammenfassend. Eine LED hält länger wie jedes andere bekannte Leuchtmittel, aber nur, wenn es richtig betrieben wird. Verbindliche Angaben gibt es noch nicht, nur Richtwerte.

Es zeichnet sich ab, dass es in den kommenden Jahren hierzu eine Normierung geben wird.