LED Binning

Seitdem LEDs auch in der Allgemeinbeleuchtung, also z.B. zu Hause im Wohnzimmer eingesetzt werden, gibt es eine ganze Reihe Mythen, die sich um die Beleuchtungstechnik ranken. Übertrieben positive Eigenschaften genauso wie unbelegte negative Effekte werden den LEDs aus verschiedenen Richtungen angedichtet. So geht es auch den LEDs nicht anders, wie jeder neuen Technologie, sei es Mobilfunk, E-Mobilität oder Online-Banking.

Wir möchten hier einmal mit den 5 am weitesten verbreiteten Mythen aufräumen.

  1. LEDs erzeugen keine Wärme
  2. LEDs erzeugen ein unnatürliches Licht
  3. LEDs haben eine schädlichen Blaulichtanteil
  4. LEDs flimmern und stören so das Wohlbefinden
  5. LEDs sind viel effizienter als herkömmlich Lampen

1) LEDs erzeugen keine Wärme

Moderne LEDs sind in der Tat sehr effiziente Lichtquellen, die einen guten Teil der eingebrachten Energie in Licht umwandeln. Schaut man sich das Spektrum z.B. einer hochwertigen LED an, erkennt man, dass diese keinerlei Infrarotanteile (also keinerlei Wärme) emittiert. Ganz anders, als z.B. eine Glühlampe, die sehr viel Infrarotanteile in Ihrem Spektrum hat (dunkelroter Bereich):

LED Spektrun
Glühlampen Spektrum

Das Licht von LEDs ist also in der Tat nahezu wärmefrei.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass LEDs keine Wärme erzeugen. Diese wird nur nicht mit dem Licht emittiert. Selbst modernste LEDs erreichen kaum Effizienzwerte von über 50%. Dies bedeutet, dass etwa die Hälfte der eingebrachten Energie eben nicht in Licht, sondern nach wie vor in (Verlust-)wärme umgewandelt wird.

Diese Verlustwärme muss abgeführt werden, da sonst die LEDs mit der Dauer Schaden nehmen. LED-Streifen z.B. sollten daher stets auf einem Aluprofil montiert werden, dass die Verlustwärme aufnehmen kann.

Hochwertige LED-Lampen und Spots haben einen eigenen Kühkörper, der die Wärme aufnehmen und an die umgebende Luft abgeben kann. Berühren Sie einmal diesen Kühlkörper während des Betriebs oder kurz danach. Dann spüren Sie die Verlustwärme, die auch moderne LEDs erzeugen, sehr deutlich!

LED Spot mit Alu-Gehäuse

Dennoch sind die rund 50% Effizienz moderner LEDs ein nach wie vor sehr guter Wert. Zum Vergleich erreichen herkömmliche Glühlampen nur rund 5%.

2) LEDs erzeugen ein unnatürliches Licht

Einige Menschen lehnen LED-Beleuchtung generell ab, da Sie das von LEDs erzeugte Licht als unnatürlich oder „hässlich“ empfinden. Woher genau kommt das und was ist der physikalische Hintergrund?

Das, was wir als „Licht“ bezeichnen, ist nichts anderes, als ein eher schmaler Strahlungsbereich zwischen ca. 380 und 780nm Wellenlänge, den unsere Augen wahrnehmen können. Wie das Licht wirkt, wie Farben darunter wirken und wie wir diese wahrnehmen, wird von der spektralen Verteilung innerhalb dieses Strahlungsbereichs bestimmt. Jede Lichtquelle hat eine spezifisches Lichtspektrum und hier kann es sehr große Unterschiede geben:

Das Licht von Glüh- oder Halogenlampen hat z.B. ein sehr gleichmäßiges, ansteigendes Spektrum mit viel mehr Spektralanteilen im roten als im blauen Bereich. Das Licht der Sonne hingegen weißt viele kleine Spitzen im Spektrum auf und hat deutlich mehr Anteile im blauen Bereich. Daher wirkt das Licht, dass z.B. durch unser Fenster fällt, auch viel bläulicher als das der Wohnzimmerlampe, die ggf. mit Glühlicht arbeitet.

Was bedeutet nun überhaupt „natürliches Licht„?

Streng genommen kann nur das Licht der Sonne oder ggf. des Himmels als „natürlich“ bezeichnet werden. Eine Glühlampe z.B. ist immer ein künstlich bzw. technisch erzeugtes Licht. Ein Lagerfeuer oder eine Kerzenflamme mag man ggf. noch als „natürlich“ ansehen.

Dies ist aber nicht der entscheidende Punkt. Menschen sehen das als natürlich an, was Sie kennen und was im Vergleich dann anders aussieht, wird als „unnatürlich“ bewertet. Da in Innenräumen seit Generationen schon Glühlicht eingesetzt wird, vergleichen viele Menschen neue Lichttechnologien – seien es Energiesparlampen oder jetzt LED – mit Glühlicht.

Die allerersten LED-Lampen für den Allgemeingebrauch waren oft bläulich und kaltweiß (da warmweißes LED-Licht noch nicht in hohen Helligkeiten herstellbar waren) und damit klar „unnatürlich“ im Vergleich zum warmen Glühlicht.

Seit langem gibt es aber nun auch sehr helle, effiziente warmweiße LEDs, die in der Lichtfarbe vergleichbar zum Glühlicht sind. Mit den Jahren wurden die Spektren der LEDs immer weiter verbessert und dem Glühlicht angenähert.

Spektrale Unterschiede sind aber nach wie vor vorhanden, z.B. die deutliche Ergebung im blauen Bereich und der starke Abfall bei tiefem Rot (bis Infrarot).

Warmweiße LED mit CRI>90

Die Frage ist nun, welche Auswirkungen diese verbleibenden spektralen Unterschiede haben?

Es gibt hierzu viele Untersuchungen und etablierte Bewertungsmethoden. Die bekannteste ist sicherlich der sogenannte Color Rendering Index (CRI). Hierbei werden mit 2 unterschiedliche Lichtquellen – also eine LED und als Referenz i.d.R. Glühlicht – diverse Testfarben beleuchtet und es wird geschaut, wie sich die Farben unter dem Testlicht im Vergleich zur Referenz verändert. Wie diese Abweichungen im Schnitt wahrgenommen werden, wurde mit diversen Testpersonen ermittelt. Ein CRI-Wert >90 gilt als sehr gut, d.h. hier werden dann so gut wie keine Unterschiede mehr wahrgenommen.

Moderne LEDs erreichen sehr häufig CRI-Werte >90. Auch >95 ist verfügbar.

Vergleich Farbwiedergabe LED
Farbabweichungen durch Lichtquellen mit schlechtem CRI

Man kann sehr lang über die Aussagekraft der CRI-Methode diskutieren, auch neuere Methoden wie TM-30-15 usw. zu Rate ziehen. Nach meiner nun 15-jährigen Erfahrung im Bereich LED-Beleuchtung, sind die Unterschiede, die bei einem CRI>90 noch übrig bleiben, für die allermeisten Anwendungen irrelevant und würde von den meisten Menschen selbst im direkten Vergleich nicht einmal wahrgenommen werden.

Es ist daher absolut möglich, ein „natürlich“ wirkendes Licht auch mit LEDs zu erzeugen. Entscheidend ist hierbei (neben dem CRI>90) vor allem das Binning, d.h. dass die LEDs auch so selektiert sind, dass ihr Farbort nah am Glühlicht – präziser am Planck’schen Kurvenzug der Farbtemperaturen – liegt. So gibt es nach wie vor viele (günstige) LEDs, die farblich deutlich Richtung Grün oder auch Rosa tendieren und dies ist viel störender, als z.B. ein CRI von knapp unter 90.

Händler, die auf Qualität setzen, geben Farbortwerte oder am besten spektrale Messungen für Ihre Produkte mit an. Nachfolgend die Messwerte des CCT-LED-Bandes LK04-9g von LED-Studien mit Farbortdiagramm. Die schwarze Kurve ist der Planck’sche Kurvenzug (für natürliches Weißlicht), die blauen & gelben Punkte sind die gemessenen Farborte dieses LED-Streifens.

Spektralmessung mit CRI, TM-30-15 sowie x,y & u,v-Angaben im Farbdiagramm

3) LEDs erzeugen schädliches, blaues Licht

Ein Mythos, der direkt an das Thema LED-Lichtspektrum anschließt, ist das Thema Blaulichtgefährdung.

Korrekt ist, dass nahezu alle weißen LEDs einen blauen LED-Chips als Basis nutzen, dessen Licht dann von einem Phosphor konvertiert wird, so dass in Summer weißes Licht entsteht. Dieses Verfahren ist altbekannt und wurde z.B. seit jeher auch bei Leuchtstoffröhren eingesetzt (hier allerdings mit UV-Licht anstatt blauem Licht als Basis). Je mehr Phosphor eingesetzt wird, desto wärmer wird i.d.R. das Licht und es gibt auch verschiedene Phophor-Arten.

Was bleibt ist jedoch immer ein mehr oder weniger deutlicher Blauanteil im Spektrum:

Spektrum warmweiße LED
Spektrum weiße LED

Wie gefährlich ist dieser Blaulichtanteil nun?

Es gibt unzählige Studien dazu, wie der Blauanteil bei LEDs den Menschen beeinflussen und gefährden kann. Vermutlich findet jeder mindestens eine Handvoll Studien, die den einen oder anderen Standpunkt unterstützen. Insgesamt lässt sich aber festhalten, dass die Studien, die eine zu vernachlässigende Gefährdung sehen, deutlich überwiegen. Dazu gehören Studien der LiTG (Deutsche Lichttechnische Gesellschaft), BAuA (Bundesanstalt für Arbeitsschutz), BfS (Bundesamt für Strahlenschutz) DGUV (Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung), der TU Ilmenau oder auch SCENHIR und SCHEER der europäischen Kommission.

Hier einige Links:

Insgesamt bleibt festzuhalten, dass die Einwirkung von Blaulicht an einem typischen sonnigen Tag die einer normalen LED-Beleuchtung bei weitem übersteigt.

Eine typische LED-Beleuchtung, sie es LED-Panels, Downlights, Linienleuchten oder indirekt mit LED-Streifen ist daher absolut unbedenklich.

Natürlich gibt es Ausnahmen, indem etwa über längere Zeit mit einer hellen LED-Taschenlampe direkt in die Augen geblendet wird oder jemand direkt unter seinem Monitor ein LED-Band anbringt, dass ihn über Stunden frontal blendet. Nur wie realistisch sind derartige Beispiele?

Sonderfälle der Gefährdung gibt es am ehesten in der Produktion von LED-Leuchten und Lampen, wo die Mitarbeiter sehr lange Zeit einer hellen Bestrahlung von LED-Licht ausgesetzt sind. Für den normalen Alltag, sei es privat oder auf Arbeit liegt die Gefährdung von LEDs jedoch weit unter dem, was z.B. nur die Sonne an blauer Strahlung emittiert.

4) LEDs flackern und stören damit das Wohlbefinden

Den meisten Mythen liegt eine Wahrheit zu Grunde, aber es ist absolut falsch, diese als generelle Regel anzunehmen. So ist es auch hier.

Woher kommt die Annahme, dass LED-Licht flickert oder flimmert?

(Anm.: Der Begriff „Flackern“ bezeichnet eine eher unregelmäßige Helligkeitsschwankung, also wie z.B. das Flackern einer Kerze)

In der Tat gibt es eine Reihe LED-Lichtquellen, die störend flickern können. Hierzu gehören insbesondere Retrofit-Leuchtmittel, also LED-Lampen für die Standard Glühlampenfassungen E27 und E14. Woher kommt das Flickern? Unser Stromnetz arbeitet mit einer 230 Volt Wechselspannung mit 50Hz. D.h. 50 mal in der Sekunde wird eine Sinuswelle beschrieben. Auch eine Glühlampe zeigt an einer solchen Sinuswelle Helligkeitsschwankungen, da der Glühfaden aber sehr träge ist, sind die Schwankungen sehr gering und werden vom Menschen nicht wahrgenommen.

Anders ist es bei LEDs, denn diese reagieren überhaupt nicht träge, sondern setzen jede Veränderung in der Spannung sofort in einen veränderten Helligkeitswert um. Das Flickern von LEDs an einem 50Hz Sinus ist also wahrnehmbar! I.d.R. wird der Sinus durch die LED-Elektronik gleichgeschaltet, d.h. es entstehen 100Hz Halbwellen, aber auch dies ist noch als Flickern wahrnehmbar.

Links: 50Hz Wechselpannung | Rechts: Gleichgerichteter Sinus (100Hz)

Hochwertige LED-Leuchtmittel setzen komplexere Elektronik ein, die z.B. durch Kondensatoren die Halbwellen noch etwas glätten, aber generell ist in den kleinen E27 und besonders E14-Sockeln sehr wenig Platz für hochwertige Elektronik.

Viele LED-Retrofit-Lampen aber auch andere günstige LED-Leuchtmittel, wie Tubes, Panels, LED-Lichtschläuchen usw. können also durchaus flickern, insbesondere wenn Sie direkt an 230V betrieben werden.

Es gilt aber mit Sicherheit nicht generell, dass LEDs flickern. Im Gegenteil. Eine LED – als Diode – kann in nur einer Richtung betrieben werden und wird daher sehr oft über eine einfache Gleichspannung versorgt. Z.B. werden LED-Streifen oft direkt an einer Konstantspannungsquelle (24V oder 12V) betrieben und da kann nichts flickern. Es ist ein konstante Spannung, ein konstanter Strom und damit auch eine konstante Helligkeit.

Soll eine solche LED – oder LED-Streifen – nun gedimmt werden, kann z.B. einfach der Strom reduziert werden und nach wie vor gibt es keinerlei Helligkeitsschwankungen. Da die Stromregelung aber weniger präzise ist und technisch etwas aufwendiger, wird häufiger die sogenannte Pulsweitenmodulation (kurz PWM) eingesetzt. Dabei werden die LEDs sehr schnell ein und ausgeschaltet und damit die Illusion einer Helligkeitsreduzierung erreicht.

PWM Ansteuerung mit unterschiedlich hoher Frequenz

Die LEDs reagieren, wie gesagt, sofort auf eine Änderung des Stromes und daher ist dieses harte Ein / Aus Schalten in Sachen Flickern natürlich noch einmal viel deutlicher als z.B. eine Sinuswelle wie oben beim Wechselstrom beschrieben. Eine 100Hz PWM würde z.B. ein derartig deutlichen Flickern erzeugen, dass es als Stroboskopeffekt sofort unerträglich wäre. Sehr billige PWM-LED-Controller arbeiten mit 200Hz, was immer noch ein deutlich störendes Flickern verursacht. Als Minimum sollten daher 400Hz angesehen werden, moderne Controller arbeiten mit >1.000Hz.

LED Funk-Controller
Modernen LED-Controller mit 1.500Hz PWM

Ein 1.000Hz Flickern ist technisch natürlich immer noch ein Flickern. Allerdings kann eine derart hohe Frequenz nicht mehr vom Auge aufgelöst werden und es sind hier wissenschaftlich keinerlei Beeinträchtigungen oder gar Schädigungen festgestellt wurden. Das LED-Streifen an modernen LED-Controllern durch Ihr Flickern also das Wohlbefinden stören, kann demnach als Mythos eingeordnet werden.

Auch dazu einige Links:

5) LEDs sind viel effizienter als herkömmlichen Lampen

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