Die Effizienz von weißen LEDs

Unter Betrachtung der Umwandlung von Energie in Licht


Bachelorarbeit, 2011
38 Seiten, Note: 1

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Formelverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problembeschreibung
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau der Arbeit

2 Der Lichtstrom
2.1 Licht als elektromagnetische Welle
2.2 Strahlungsleistung
2.3 Spektrale Hellempfindlichkeit
2.4 Lichtstrom und das fotometrische Strahlungsäquivalent
2.5 Lichtausbeute

3 Die LED
3.1 Aufbau und Funktionsweise
3.2 Die neue Technologie weißer LEDs
3.3 Das Lichtspektrum

4 Einflussgrößen
4.1 Stromstärke
4.2 Farbtemperatur
4.3 Multichip-Technologie
4.4 Betriebstemperatur und Lebensdauer

5 Effizienz zu anderen Leuchtmitteln

6 Resümee und Ausblick

7 Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abb. 2-1: Übersicht des Lichtspektrums

Abb. 2-2: V-Lambda Kurve bei Tageslicht

Abb. 2-3: V-Lambda Kurve bei Tages- und Nachtlicht

Abb. 2-4: Darstellung des Raumwinkels

Abb. 3-1: Funktionsweise einer LED

Abb. 3-2: Aufbau einer weißen LED

Abb. 3-3: Übersicht des Lichtspektrums alter LEDs

Abb. 3-4: Übersicht des Lichtspektrums neuer LEDs

Abb. 4-1: Wirkungsgrad

Abb. 4-2: Lichtstrom und Farbtemperatur der Cree XR-E

Abb. 4-3: Lichtstrom und Stromstärke der Cree XR-E

Abb. 4-4: Der Wirkungsgrad von LEDs im Vergleich

Abb. 4-5: Der Lichtstrom von LEDs im Vergleich

Abb. 5-1: Der Wirkungsgrad von Leuchtmitteln im Vergleich

Formelverzeichnis

(1) Fotometrische Strahlungsleistung

(2) Physikalische Strahlungsleistung

(3) Raumwinkel

(4) Fotometrische Strahlungsleistung

(5) Wirkungsgrad

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabellenverzeichnis

Tab. 2-1: Periodendauer und Frequenz der Lichtfarben

1 Einleitung

Neben den bisherigen Lichtquellen findet eine neue Technologie immer mehr Verbreitung. Es handelt sich hierbei um die sogenannte LED - Light Emitting Diode. Neben zahlreichen Anwendungsgebieten wie in der Autoindustrie, als Signalanzeige und in diversen elektronischen Geräten setzt vor allem die Beleuchtungsindustrie auf diese Technologie.1

1.1 Problembeschreibung

Die LED Technologie ist in der Lichtbranche eine noch sehr junge Technologie und erhielt erst in den letzten Jahren zunehmende Bedeutung. Durch die fortschreitende Entwicklung und der damit stetig verbundenen Veränderung der Technologie haben sehr viele Menschen den Überblick verloren. War bei herkömmlichen Leuchtmitteln, welche sich seit Jahrzehnten stetig langsam weiterentwickelten, ein sehr großes Wissen vorhanden, so ist der Vergleich zu den heutigen LEDs nicht immer eindeutig. Besonderes Augenmerk liegt hier auf der Effizienz der LEDs, da genau dieser Punkt eine der oft ausschlaggebenden Kriterien ist.

Zusätzlich sei angemerkt, dass 19% des weltweiten Energiebedarfs durch Licht verbraucht wird.2 Dies war auch Auslöser für die sogenannte ‚Earth Hour‘. An diesem Tag, der einmal im Jahr stattfindet, wird eine Aktion zum Abschalten des Lichts für eine Stunde veranstaltet. Diese Aktion soll auf den ständig steigenden Energieverbrauch hinweisen.3

1.2 Zielsetzung

Das Ziel dieser Arbeit ist, den Aspekt der Effizienz genauer zu untersuchen. Insbesondere wird hier auf die Umwandlung der Energie in Licht eingegangen, um eine eindeutige Aussage über diesen Parameter zu erhalten. Weiters sollen die Leser die am Markt verfügbaren LEDs, betreffend Ihrer Effizienz und den damit verbundenen Kriterien der Lichttechnik, einschätzen können. Die Zielgruppe sind Techniker in der Lichtbranche, ohne Kenntnisse über LEDs und interessierte Techniker anderer Branchen, sowie artverwandte Berufe in der Lichttechnik wie Lichtdesigner oder Architekten.

1.3 Aufbau der Arbeit

Der erste große Teil, Kapitel 1 der Arbeit, beschäftigt sich mit der Betrachtung von der Umwandlung der Energie in Licht. Dazu wird auf die verschiedenen Parameter eingegangen, um am Ende das Gesamtbild für die Effizienz zu verstehen. Danach erfolgt im Kapitel 2 eine Überleitung zu den LEDs, indem die Technologie anhand des Standes der Technik genauer erklärt wird.

Der letzte größere Teil der Arbeit, Kapitel 3, betrachtet verschiedene Kriterien, anhand aktueller LEDs am Markt. Dazu werden auch Kennlinien herangezogen und Kennwerte direkt miteinander verglichen.

2 Der Lichtstrom

Optische Strahlung ist im physikalischen Sinn ein bestimmter wahrgenommener Teil der elektromagnetischen Strahlung. Die Umrechnung der physikalischen Strahlungsleistung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] auf den fotometrischen Wert wird durch die Formel

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ausgedrückt. Die lichttechnische Größe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ist dabei die fotometrische Strahlungsleistung welche durch die elektromagnetischen Wellen verursacht wird. In der Lichtbranche wird dafür der Name Lichtstrom benutzt. Die Einheit hierfür ist Lumen (lm). ist das fotometrische Strahlungsäquivalent in (lm/W). [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ist die spektrale Hellempfindlichkeit und ist einheitslos. ist die physikalische Strahlungsleistung mit der Einheit Watt (W) und wird mit über das sichtbare Lichtspektrum von 380 nm bis 780 nm Wellenlänge berechnet.4

In den folgenden Kapiteln wird auf die einzelnen Größen und ihre Einheiten näher eingegangen.

2.1 Licht als elektromagnetische Welle

Elektromagnetische Wellen werden in verschiedene Bereiche unterteilt. In Abbildung 2-1 auf Seite 4 ist eine Übersicht dieser Bereiche je nach Wellenlänge dargestellt. Im Bereich um 0,01 Nanometer ist die Gammastrahlung zu finden, gefolgt von der Röntgenstrahlung im Nanometer Bereich und der Ultraviolettstrahlung im Bereich von mehreren hundert Nanometer Wellenlänge. In der Mitte ist der sichtbare Bereich der elektromagnetischen Strahlung zu sehen.

Danach folgt die Infrarotstrahlung von 780 Nanometer bis hin zu einem Millimeter, sowie die Mikrowellen mit Wellenlängen von einem Millimeter bis hin zu einem Meter.5

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-1: Übersicht des Lichtspektrums 6

Sichtbares Licht befindet sich zwischen einer Frequenz von 380 THz und 780 THz. Über die Formel [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ! entspricht dies einer Wellenlänge [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] von 400nm bis 750nm. Die Größe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ist dabei die Wellenlänge in Meter, ist die Lichtgeschwindigkeit als konstante Größe von 299.792.458 Meter pro Sekunde und ist die Frequenz in der Einheit Hz. Jede Wellenlänge entspricht hier einem bestimmten Farbbereich.

In Tabelle 2-1 auf Seite 5 ist eine Auflistung der subjektiv wahrgenommenen Farben, hinsichtlich ihrer Wellenlänge und Frequenz, zu sehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 2-1: Periodendauer und Frequenz der Lichtfarben 7

Daraus folgend kann gesagt werden, dass Licht derjenige Teil der elektromagnetischen Strahlung ist, welcher von den Augen wahrgenommen wird.

2.2 Strahlungsleistung

Bevor auf die Effizienz in Lumen pro Watt eingegangen wird, werden einige der Grundgrößen der Lichttechnik zum besseren Verständnis genauer erklärt. In der Lichttechnik werden sogenannte fotometrische Größen zum Vergleich herangezogen, welche sich von den physikalischen Größen ableiten. Der erste Schritt ist hier der Zusammenhang zwischen physikalischen und fotometrischen Größen.

Die fotometrische Strahlungsleistung ist das Äquivalent zur physikalischen Strahlungsleistung. Die physikalische Strahlungsleistung ist eine Größe, welche von einem Senderelement auf ein Empfängerelement wirkt und mit der Formel

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ausgedrückt wird. Diese physikalische Strahlungsleistung ergibt sich aus der Änderung der Strahlungsenergie mit der Einheit Joule (J) und der Zeitdifferenz mit der Einheit Sekunde (s). Diese Strahlungsleistung ist somit eine Energieübertragung einer elektromagnetischen Strahlung mit der Einheit Joule pro Sekunde (J/s) bzw. Watt (W). 8

Um diese physikalische Strahlungsleistung auf die fotometrische Strahlungsleistung umzuwandeln sind noch folgende 2 Variablen relevant 9:

- Die spektrale Hellempfindlichkeit V( )
- Das fotometrische Strahlungsäquivalent Km

2.3 Spektrale Hellempfindlichkeit

Das menschliche Auge nimmt verschiedene Wellenlängen des sichtbaren Lichts unterschiedlich stark wahr. Um diese subjektiv wahrgenommenen Werte genauer zu untersuchen wurde eine empirische Studie für die Hell-Empfindlichkeit bei Tageslicht von der Commission Internationale de l'Éclairage im Jahr 1924 durchgeführt. Das Ergebnis dieser Studie ist in Abbildung 2-2 auf Seite 7 zu sehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-2: V-Lambda Kurve bei Tageslicht 10

In Abbildung 2-2 ist auf der x-Achse die Wellenlänge des sichtbaren Lichts beginnend von 350 nm bis 750 nm aufgetragen. Auf der y-Achse ist die subjektiv wahrgenommene Intensität mit einer Skala von 0 bis 1 aufgetragen. Hier ist zu sehen, dass diese Kurve sehr große Ähnlichkeit mit der einer Gauß’schen Glockenkurve hat. Beginnend im kurzwelligen Bereich bei 400 nm, was der Farbe Violett entspricht, steigt die Kurve an bis zu ihrem Maximum bei genau 555 nm, was grünem Licht entspricht. Danach sinkt die subjektiv wahrgenommene Intensität wieder und erreicht bei 700 nm ihr Minimum, was der Farbe Rot entspricht.

Neben der spektralen Hellempfindlichkeitskurve für Tageslicht gibt es auch eine spektrale Hellempfindlichkeitskurve bei Nachtsehen. In der Nacht werden Farben anders wahrgenommen als am Tag.11

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-3: V-Lambda Kurve bei Tages- und Nachtlicht 12

In Abbildung 2-3 ist auf der x-Achse die Wellenlänge des sichtbaren Lichts beginnend von 400 nm bis 750 nm aufgetragen. Auf der y-Achse ist die subjektiv wahrgenommene Intensität als spektrale Hellempfindlichkeitsgrade mit einer Skala von 0 bis 1 aufgetragen. Die volle Kurve entspricht der subjektiv wahrgenommenen Hellempfindlichkeit bei Tag. Sie steigt bei 400 nm an bis zu ihrem Maxmimum bei 555 nm. Danach sinkt sie wieder bis ihr Minimum bei 750 nm erreicht ist. Die strichlierte Kurve entspricht der subjektiv wahrgenommenen Hellempfindlichkeit bei Nacht, wobei sich das Maximum dabei von 555 nm auf 507 nm verschiebt. Die Kurve beginnt wieder bei 400 nm zu steigen und nachdem das Maximum erreicht wurde, sinkt die Kurve rasch auf die Intensität von 0, welche im Unterschied zum Tagessehen bereits bei 630 nm erreicht wird. Das Maximum entspricht bei Nachtsehen einer Farbe im Blau-Grün Bereich.13

Dieser Aspekt wird in der einheitslosen physikalischen Größe V( ) festgehalten.

2.4 Lichtstrom und das fotometrische Strahlungsäquivalent

In der zu Anfangs angegebenen Formel für ist das fotometrische Strahlungsäquivalent der theoretische Maximalwert des Lichtstroms in der Einheit Lumen pro Watt (lm/W). Er wird als Umrechnungsfaktor für die subjektiv wahrgenommene Intensität von Licht miteinbezogen. Dieser Faktor stellt somit die Proportionalität zwischen der Strahlungsgröße in Watt (W), sowie der lichttechnischen Größe in Lumen (lm) her. Er beträgt 683 lm/W und tritt bei Tagessehen bei der maximalen subjektiv wahrgenommenen Intensität mit einer Wellenlänge von 555 nm auf. 14

Dieser Maximalwert leitet sich aus folgendem Zusammenhang ab15:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eine Umformung ergibt den neuen Zusammenhang

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

für das fotometrische Strahlungsäquivalent, wobei

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ergibt. Dies ist nicht zu verwechseln mit der fotometrischen Strahlungsleistung mit derselben Einheit Lumen (lm) aus der ursprünglichen Formel.

[...]


1 Vgl.: Fördergemeinschaft Gutes Licht (2011): LED - Die neue Lichtquelle. Bd. 17. S. 2.

2 Vgl.: Earth Policy Institute: World Electricity Consumption for Lighting by Sector and Potential Electricity Savings 2005. http://www.earth-policy.org/datacenter/xls/book_wote_ch8_2.xls [Stand 03.02.2011].

3 Vgl.: Sidney Media. Earth Hour - Earth Always. http://www.sydneymedia.com.au/html/3263- earth-hour---earth-always.asp [Stand 06.02.2011]

4 Vgl.: Sidney Media. Earth Hour - Earth Always. http://www.sydneymedia.com.au/html/3263- earth-hour---earth-always.asp [Stand 06.02.2011]

5 Vgl.: Giancoli, Douglas C. (2011): Physik. Gymnasiale Oberstufe. Aus dem Englischen übersetzt von Krieger-Hauwede, Micaela/Lippert, Karen/Pahlkötter, Ulrike/Scholz, Detlef. München: Pearson Education. S. 456.

6 Verändert übernommen aus: Landesakademie für Fortbildung und Personalentwicklung an Schulen (2011): Licht als Welle (Wellenmodell). http://lehrerfortbildung-bw.de/kompetenzen/ gestaltung/farbe/physik/welle/index.html [Stand 25.02.2011]

7 Vgl.: Dobrinski, Paul/Krakau, Gunter/Vogel, Anselm (2006): Physik für Ingenieure. 11. Auflage. Wiesbaden: Teubner B.G. S. 452.

8 Vgl.: Hering, Ekbert/Rolf, Martin (2005): Photonik. Grundlagen, Technologie und Anwendung. 1. Auflage. Heidelberg: Springer. S. 57 ff.

9 Vgl.: Hering/Rolf (2005): Photonik. S. 60

10 Verändert übernommen aus: Ohno, Yoshi (1999): OSA Handbook of Optics, Volume III Visual Optics and Vision Chapter for Photometry and Radiometry. http://www.ecse.rpi.edu/~schubert/More-reprints/1999%20Ohno%20(OSA%20handbook%20of% 20optics)%20Photometry%20and%20radiometry.pdf [Stand 17.03.2011]

11 Vgl.: Ris, Hans Rudolf (2003): Beleuchtungstechnik für Praktiker. 3. Auflage. Berlin: VDE Verlag. S. 20

12 Verändert übernommen aus: OSRAM GmbH (2011): Lichttechnische Größen. http://www.osram.ch/osram_ch/DE/Lichtplanung/Ueber_Licht/Licht_%26_Raum/Lichttechnische_G roessen/Oekonomische/index.html [Stand 11.03.2011]

13 Vgl.: Ris (2003): Beleuchtungstechnik für Praktiker. S. 20

14 Vgl.: Haferkorn, Heinz (2003): Optik. Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen. 4. Auflage. Weinheim: WILEY-VCH. S. 173 ff.

15 Vgl.: Pohl, Robert (2005): Pohls Einführung in die Physik. Elektrizitätslehre und Optik. 22. Auflage. Berlin: Springer. S 426.

Ende der Leseprobe aus 38 Seiten

Details

Titel
Die Effizienz von weißen LEDs
Untertitel
Unter Betrachtung der Umwandlung von Energie in Licht
Hochschule
Campus02 Fachhochschule der Wirtschaft Graz  (Innovationsmanagement)
Note
1
Autor
Jahr
2011
Seiten
38
Katalognummer
V174958
ISBN (eBook)
9783640957217
ISBN (Buch)
9783640957170
Dateigröße
1009 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
LED, effizienz, weiße led, licht, beleuchtung, lampe, leuchtmittel
Arbeit zitieren
Karl Huderz (Autor), 2011, Die Effizienz von weißen LEDs, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/174958

Kommentare

  • Noch keine Kommentare.
Im eBook lesen
Titel: Die Effizienz von weißen LEDs


Ihre Arbeit hochladen

Ihre Hausarbeit / Abschlussarbeit:

- Publikation als eBook und Buch
- Hohes Honorar auf die Verkäufe
- Für Sie komplett kostenlos – mit ISBN
- Es dauert nur 5 Minuten
- Jede Arbeit findet Leser

Kostenlos Autor werden