Planungssicherheit in der LED-Beleuchtung - Leitfaden Begriffe, Definitionen und Messverfahren: Grundlagen für Vergleichbarkeit 3. Ausgabe ...
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Leitfaden Planungssicherheit in der LED-Beleuchtung Begriffe, Definitionen und Messverfahren: Grundlagen für Vergleichbarkeit 3. Ausgabe Fachverband Licht
Leitfaden Planungssicherheit in der LED-Beleuchtung Begriffe, Definitionen und Messverfahren: Grundlagen für Vergleichbarkeit Herausgeber: ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V. Fachverband Licht Lyoner Straße 9 60528 Frankfurt am Main Telefon: +49 69 6302-293 Fax: +49 69 6302-400 E-Mail: licht@zvei.org www.zvei.org Verantwortlich: Dr. Jürgen Waldorf Geschäftsführer Fachverband Licht Redaktion: Projektteam LED-Leitfaden im Lenkungsteam Technik 3. Ausgabe, März 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urhe- berrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Herausgebers unzulässig. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzung, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. 2
Grußwort In der Allgemeinbeleuchtung hat die LED oder neu entstanden. Dies hat den ZVEI- in den letzten Jahren fast alle bisherigen FV Licht veranlasst, seinen erfolgreichen Lichtquellen abgelöst. Mittlerweile werden Leitfaden „Planungssicherheit in der LED- in Deutschland im gewerblichen, industriel- Beleuchtung“ zu überarbeiten und aktuelle len und kommunalen Bereich bei mehr als Informationen für Entscheider, Planer und 85 Prozent der Neuanlagen und bei Sanierun- Nutzer von LED-Licht bereitzustellen. gen ausschließlich LED-Lösungen eingesetzt. In den kommenden Jahren wird sich auch auf- LED-spezifische Begriffe werden zu Lebens- grund gesetzlicher Vorgaben aus der EU der dauer, Wartung, Flimmern usw. verständlich Wert auf nahezu 100 Prozent erhöhen. aufbereitet und in Anwendungsbeispielen erläutert. Damit soll der Leitfaden Orientie- Bedingt durch den nach wie vor rasanten Fort- rung geben und eine einheitliche Sprach- schritt der LED-Technik mit Innovationszyklen regelung für Lichtanwender und Hersteller im Halbjahresturnus hat sich die Lichtwelt schaffen. im professionellen Bereich weit von der jahr- zehntelang üblichen Standardisierung von In dem Zusammenhang möchte ich auch auf elektrischen, lichttechnischen und geometri- unser Portal www.licht.de verweisen. Dort fin- schen Eigenschaften bei Lichtquellen entfernt. den Sie weiterführende praktische Hinweise. Gewonnen wurden dabei deutlich gestiegene Möglichkeiten zur Verbesserung der Lichttech- Wir hoffen, dass Ihnen der Leitfaden hilft, vor nik, der Lebensdauer der Lichtquellen und dem Hintergrund der zunehmenden Komple- des Designs von Leuchten. Eine Rückkehr zu xität der Technik die eigenen Anforderungen mehr Standardisierung ist momentan nicht in an die Planung von LED-Beleuchtungsanlagen Sicht, obwohl die EU mit zukünftigen Anforde- leichter einschätzen und definieren zu kön- rungen an Austauschbarkeit von Lichtquellen nen. Eine hohe Qualität muss auch zukünftig und Nachweis von Performanceangaben einer bei Beleuchtungslösungen im Vordergrund Standardisierung einen Nährboden bereitet. stehen. So wie sich die Technik weiterentwickelt hat, Im Namen des Vorstands des Fachverbands sind auch Erkenntnisse zur Performance und Licht bitte ich Sie, die Inhalte des Leitfadens Applikation von LED-Licht gewachsen. Parallel bei Ihrer täglichen Arbeit und Kommunikation dazu sind technische Standards zur Bewertung zu berücksichtigen. von LED-Lichtquellen weiterentwickelt worden Manfred Diez Vorsitzender des Fachverbands Licht 3
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Inhaltsverzeichnis Grußwort 3 I Gesetzliche Regelungen in der EU und Normen 6 zur Arbeitsweise von LED-Leuchten II Produktinformationen von LED-Leuchten 8 III Kenngrößen von LED-Leuchten 9 1 Bemessungsleistung P (in Watt) 9 2 Bemessungslichtstrom Φv (in lm) 10 3 Lichtausbeute v (in lm/W) 10 4 Lichtstärkeverteilung 11 5 Farbqualität 11 5a Die Lichtfarbe, beschrieben durch die ähnlichste 11 Farbtemperatur Tcp (in K) 5b Die Farbwiedergabe, beschrieben durch den 12 Farbwiedergabeindex Ra (international CRI) 5c Die Farborttoleranz, beschrieben durch die Stufen der 13 MacAdam-Ellipsen 6 Bemessungsumgebungstemperatur der Leuchten 14 7 Lebensdauerkriterien von LED-Leuchten 15 7a Mittlere Bemessungslebensdauer (Lx) 16 7b Anteil der LED mit erhöhtem Lichtstromrückgang (By) 17 7c Beschreibung der Totalausfälle (AFV bzw. Cy) von LED-Leuchten 18 7d Systemzuverlässigkeit 18 7e Lebensdauer – nicht immer eine Frage der meisten Stunden 19 8 Wartungskategorien nach CIE 97 20 9 Melanopischer Umrechnungsfaktor 20 IV Lichttechnische Planungshinweise 21 V Photobiologische Sicherheit von LED-Leuchten 23 VI Dimmen LED-Lichtquellen / LED-Leuchten 24 VII Temporal Light Artefacts – TLA in der 25 LED-Beleuchtung VIII LED-Retrofitlampen in der professionellen 26 Beleuchtung Anhang A: Definitionen der Leistungsanforderung 28 der Qualitätskriterien Anhang B: Checkliste zur Bewertung von 31 LED-Leuchten Quellenverzeichnis 32 5
I Gesetzliche Regelungen in der EU und Normen zur Arbeitsweise von LED-Leuchten A CE-Kennzeichnung Grundlage des vorliegenden Leitfadens bilden Elektrische Betriebsmittel dürfen in der EU die nachfolgenden Normen für LED-Module nur dann in Verkehr gebracht werden, wenn und LED-Leuchten. die grundlegenden Anforderungen der euro- päischen Richtlinien (umgesetzt in nationale Norm zur Arbeitsweise von LED-Modulen: Gesetze) eingehalten werden. Der Herstel- • IEC 62717:2014-12+AMD:2015; LED- ler bzw. derjenige, der das Produkt in Ver- Module für Allgemeinbeleuchtung – kehr bringt, muss zum Nachweis der Über- Anforderungen an die Arbeitsweise einstimmung eine Konformitätsbewertung vornehmen, die alle für das jeweilige Pro- Normen zur Arbeitsweise von LED- dukt geltenden gesetzlichen Bestimmungen Leuchten: berücksichtigt. • IEC 62722-1:2014-09; Arbeitsweise von Leuchten – Teil 1: Allgemeine Anforderun- Lichtquellen (Lampen, Module) und Leuchten gen für Beleuchtungszwecke unterliegen unter • IEC 62722-2-1:2014-11; Arbeitsweise von anderem der Niederspannungsrichtlinie Leuchten – Teil 2-1: Besondere Anforderun- 2014/35/EU, der EMV-Richtlinie 2014/30/EU, gen an LED-Leuchten der ErP-Richtlinie und der Richtlinie über die allgemeine Produktsicherheit. Die Anforderungen an die Arbeitsweise von LED-Leuchten sind direkt verknüpft mit den Die Erfüllung der Anforderungen der Richtli- Festlegungen in der Norm für LED-Module; nien wird seitens der Hersteller in einer Kon- deshalb muss die Betrachtung dieser Norm formitätserklärung niedergelegt, die Grund- bei der Beurteilung von LED-Beleuchtungsein- lage der CE-Kennzeichnung ist. richtungen miteingeschlossen werden. Eine auf festgelegten, einheitlichen Parametern Die CE-Kennzeichnung auf dem Produkt zeigt aufbauende Produktinformation ist zwingende die Übereinstimmung mit allen gesetzlichen Voraussetzung für einen fairen Wettbewerb, Anforderungen und ermöglicht den freien der Vertrauen erzeugt und Verlässlichkeit der Warenverkehr in der EU. technischen Angaben sicherstellt. B Normen zur Arbeitsweise von Neben der CE-Konformitätserklärung, die LED-Produkten vom Gesetzgeber vorgeschrieben ist, kann die Die „allgemein anerkannten Regeln der Tech- freiwillige Zertifizierung von Produkten durch nik“ sind im Wesentlichen über einschlägige Prüfinstitute (wie den VDE, den TÜV usw.) und Normen definiert. Die Internationale Elek- die Verwendung entsprechender Prüfzeichen trotechnische Kommission (IEC) hat Normen eine weitere Hilfe sein, die Qualität von Pro- zur Arbeitsweise von LED-Leuchten und LED- dukten zu beurteilen. Modulen erarbeitet. Es sind Qualitätskriterien festgelegt und allgemein gültige Messbedin- C Dokumentationspflichten gungen vereinbart. Diese sind als Europäische gemäß Ökodesign-Richtlinie Normen übernommen und im Official Journal Es soll auch auf die Dokumentationspflicht der EU gelistet. Damit wird anerkannt, dass nach der neuen Verordnung (EU) Nr. 2019/ diese Normen für die Konformitätserklärung 2020 der Kommission vom 1. Oktober 2019 herangezogen werden dürfen. zur Festlegung von Ökodesign-Anforderungen 6
an Lichtquellen und separate Betriebsgeräte C.3 Entsorgung und zur Aufhebung der Verordnungen (EG) Hersteller, Importeure oder Bevollmächtigte Nr. 244/2009, (EG) Nr. 245/2009 und (EU) der Hersteller von Leuchten haben sicher- Nr. 1194/2012 der Kommission hingewiesen zustellen, dass Lichtquellen und separate werden. Die Arbeitsweiseanforderungen aus Betriebsgeräte am Ende ihrer Lebensdauer den Normen IEC 62722-1 und IEC 62722-2-1 aus Leuchten ausgebaut werden können. Die bilden dabei oft die Grundlage der Konformi- Anleitungen für den Ausbau müssen auf einer tätsbewertung. Die ZVEI-Informationsschrift frei zugänglichen Website zur Verfügung ste- „Ökodesign, Energieverbrauchskennzeich- hen. nung, EPREL-Datenbank“ beschreibt die Details der Verordnung. Sie richtet sich haupt- sächlich an die Hersteller der Produkte. Folgende Anforderungen an die Dokumenta- tion bestehen im Hinblick auf die Austausch- barkeit, die Entnehmbarkeit und die Entsor- gung. C.1 Austauschbarkeit Hersteller, Importeure oder Bevollmächtigte der Hersteller von Leuchten haben Informati- onen darüber bereitzustellen, ob Lichtquellen und Betriebsgeräte von Endnutzern oder qua- lifizierten Personen ohne dauerhafte Beschä- digung der Leuchte ausgetauscht werden kön- nen oder nicht. Diese Informationen müssen auf einer frei zugänglichen Website zur Ver- fügung stehen. Für direkt an Endnutzer ver- kaufte Produkte müssen diese Informationen zumindest in Form eines Piktogramms auf der Verpackung sowie in den Bedienungsanleitun- gen enthalten sein. C.2 Entnehmbarkeit Falls allerdings eine Leuchte zur Überprüfung der Lichtquelle und des separaten Betriebs- geräts durch die Marktaufsicht nicht zerlegt werden kann, ohne dabei die Lichtquelle und/oder das Betriebsgerät zu beschädigen, wird die Leuchte als Lichtquelle betrachtet und muss dann alle Anforderungen an Licht- quellen erfüllen. Hersteller, Importeure oder Bevollmächtigte der Hersteller von Leuchten haben im Internet Ausbauanleitungen für die Marktaufsicht zur Verfügung zu stellen. 7
II Produktinformationen von LED-Leuchten Der Fachverband Licht im ZVEI empfiehlt, die Das Leuchten-Datenblatt sollte die Infor- in diesem Leitfaden beschriebenen Parameter mationen nach Tabelle 1 enthalten. Die entsprechend den dargelegten Ausführungen Daten sind bei der/den ausgewiesenen zu verwenden. Ohne diese Werte ist ein tech- Umgebungstemperatur(en) tq zu ermitteln. nischer Vergleich von Leuchten nach objekti- Das bedeutet konsequenterweise für die Ein- ven Kriterien nicht möglich. baukomponenten (auch Lichtquellen), dass diese für die tatsächlichen höheren Tempera- turen in der Leuchte bemessen sein müssen. Tab. 1: Angaben im Leuchten-Datenblatt Beschreibung der Lichtquelle Leuchten-Bezeichnung: Typbezeichnung Modellkennung der Lichtquelle nach EPREL mit Typbezeichnung Energieklasse1: Leuchten-Leistung2: P [W] Leuchten-Lichtstrom: Φv [lm] Leuchten-Lichtausbeute: ηv [lm/W] Farbwiedergabe: CRI oder Ra (mind. oder ≥) Ähnlichste Farbtemperatur: TCP oder CCT [K] Farborttoleranz (Anfangswert) Anzahl MacAdam-Ellipsen (nicht für Straßenleuchten): Mittlere Bemessungslebensdauer Lx: (z.B. L80) [h] Umgebungstemperatur: tq [°C] (wenn kein Wert angegeben ist tq = 25 °C) Wartungskategorie3 Buchstabe A–F (CIE 97 für die Innenbeleuchtung): Wartungskategorie3 Angabe der IP-Schutzart (CIE 154 für die Außenbeleuchtung): Melanopischer Tageslicht-Effizienzfaktor3,4 (Innenbeleuchtung): γ mel, v, D65 Angabe der Lichtstärkeverteilung (Tabelle oder Diagramm) Alle aufgeführten Werte sind Bemessungswerte. 1 Die Lichtquelle und die Energieeffizienzklasse müssen nach der Ökodesign-Verordnung ab dem 1. September 2021 eindeutig identifizierbar sein. 2 Bei Konstant-Lichtstrom-Technologie ist der Bemessungswert der Eingangsleistung zu Beginn und am Ende der mittleren Bemessungslebensdauer Lx bzw. der Bemessungslebensdauer LxBy anzugeben. 3 Optionale Angabe 4 DIN SPEC 5031-100:2020, auf die Lichtart D65 relativierter Umrechnungsfaktor von visuell auf melanopisch bewertete lichttechnische Größen 8
III Kenngrößen von LED-Leuchten Bestimmte thermische, elektrische und pho- 1 Bemessungsleistung P (in Watt) tometrische Daten von Lichtquellen und Bei Leuchten mit auswechselbaren LED-Lam- Leuchten werden als Bemessungswert publi- pen werden die Nennleistung(en) der Lampen ziert. Das ist ein quantitativer Wert für eine und deren Anzahl angegeben. bestimmte Eigenschaft unter spezifizierten Betriebsbedingungen. Werte und Bedingun- Für Leuchten mit LED-Modulen besteht dage- gen für die Angabe der Bemessungswerte sind gen die Notwendigkeit, die Bemessungsein- in den entsprechenden Normen festgelegt. gangsleistung der Leuchten in den techni- Nur dann, wenn die Bemessungswerte unter schen Daten der Leuchten anzugeben. Einhaltung der entsprechenden Regeln ermit- telt werden, ist ein sinnvoller Vergleich der Die Eingangsleistung einer LED-Leuchte Produktangaben unterschiedlicher Hersteller (Angabe in Watt [W]) wird bei Betrieb mit möglich. Bemessungsspannung, bei Bemessungsumge- bungstemperatur tq und mit 100 Prozent des Zur Berücksichtigung möglicher unterschied- Lichtstroms nach thermischer Stabilisierung licher Produktdesigns von Herstellern oder gemessen (nach IEC 62722). Abweichungen in Komponenten und Toleran- zen in Produktionsprozessen sollte der Bemes- Bedingt durch Bauelemente-Toleranzen kön- sungswert mit einem Grenzwert publiziert nen Schwankungen der Leistungswerte in werden. So werden im Allgemeinen sichere den LED-Modulen und den EVG auftreten, Betriebsbedingungen erreicht und optimale die sich auf den Wert der Eingangsleistung Daten über die jeweiligen Eigenschaften der der Leuchte auswirken. Um die +10-Prozent- Lichtquellen und Leuchten zur Verfügung Toleranzgrenze einzuhalten, ist es daher not- gestellt. Typische Beispiele sind die Werte wendig, die Bauelemente-Toleranzen bei der für Bemessungseingangsleistung und Bemes- Ermittlung der Bemessungseingangsleistung sungslichtstrom von LED-Leuchten, deren zu berücksichtigen. Die Bemessungseingangs- Angabe durch die Normen IEC 62722-1 und leistung definiert einen Wert, der sich als typi- IEC 62722-2-1 gefordert wird. scher Wert für die gesamte Fertigungsbreite des Produkts ergibt. Unterschiedliche Leistungskenngrößen sind nicht neu. Das Beispiel einer zweiseitig geso- Bemessungsleistungen
Abb. 1: Zulässige Toleranzen der Lichtstrom zu messen und zu veröffentlichen. Bemessungseingangsleistung In der Regel wird der Lampen-Lichtstrom (der verwendeten Lampen) mit dem Leuchten- Betriebswirkungsgrad (LOR oder ηLB) multi- pliziert. Die separate Angabe des Leuchten- unzulässig Betriebswirkungsgrads verliert für Leuchten mit LED-Modulen an Bedeutung. Er wird von + 10 % vielen Leuchtenherstellern auf den rein theo- retischen Wert von 100 Prozent festgelegt. Abweichung vom Bemessungswert Nähere Einzelheiten zur Ermittlung der Licht- 0% stromwerte (sogenannte Absolut-Photometrie) zulässig sind der Norm DIN EN 13032-4 zu entneh- men. – 10 % Abb. 2: Zulässige Toleranzen des Bemessungslichtstroms 2 Bemessungslichtstrom ϕv (in lm) + 10 % Bei LED-Leuchten besteht die Notwendig- zulässig Abweichung vom keit, den Bemessungslichtstrom der Leuchte Bemessungswert in Lumen (lm) in der Produktdokumentation 0% anzugeben. Er bezieht sich immer auf den angegebenen Neuwert des Lichtstroms einer Leuchte unter festgelegten Betriebsbedingun- gen und gilt als typischer Wert für die gesamte – 10 % Fertigungsbreite des Produkts. unzulässig Der Bemessungslichtstrom der Leuchte kann durch geeignete Berechnungsmethoden er- mittelt werden. Bei einer Überprüfung dürfen die gemessenen 3 Lichtausbeute (in lm/W) Anfangswerte des Lichtstroms von Leuchten Die Lichtausbeute einer LED-Leuchte ist der den veröffentlichten Bemessungslichtstrom Quotient aus dem Lichtstrom und der Ein- um nicht mehr als 10 Prozent unterschrei- gangsleistung einer Leuchte in Lumen pro ten. Für den angegebenen Lichtstromwert der Watt (lm/W). Für die Darstellung von Pro- gesamten LED-Leuchte wird eine Umgebungs- duktdaten für die gesamte Fertigungsbreite temperatur tq von 25 °C zugrunde gelegt, ist ein Bemessungswert anzugeben. sofern keine anderen Informationen gegeben werden. Anmerkung: Die Auswahl einer Leuchte für einen Beleuchtungszweck darf nicht allein Anmerkung: Für Leuchten mit traditionellen durch die Lichtausbeute der Leuchte bestimmt Lichtquellen (Lampen mit Sockel/Fassungs- werden. system) ist es nicht üblich, den Leuchten- 10
4 Lichtstärkeverteilung Schnitte durch die senkrechte Achse stellen Die räumliche Verteilung der Lichtstärke Lichtstärkeverteilungskurven (LVK) in C-Ebe- von Lichtquellen und Leuchten wird durch nen mit den jeweils in den Ebenen auftreten- Lichtstärkeverteilungskurven beschrieben. den Ausstrahlungswinkel γ dar, die in Polarko- Lichtstärkeverteilungen werden mit Gonio- ordinaten gemäß der Norm DIN EN 13032-2 photometern ermittelt und sind in den Daten- zu dokumentieren sind. Darin sind die Werte blättern dokumentiert. der Lichtstärke bei genormten Betriebsbe- dingungen der Leuchte (z. B. Gebrauchslage) Abb. 3 zeigt sie am Beispiel einer Innenraum- dargestellt. Sie werden in cd (Candela) ange- leuchte und Abb. 4 am Beispiel einer Straßen- geben. leuchte. 5 Farbqualität Abb. 3: Beispiel der Lichtstärkever- Die Farbqualität von weißem Licht wird durch teilung einer Innenraumleuchte folgende Eigenschaften gekennzeichnet: a Die Lichtfarbe, beschrieben durch die ähn- lichste Farbtemperatur C 225 b Die Farbwiedergabe, beschrieben durch C 270 C 180 den Farbwiedergabeindex c Die Farborttoleranz, beschrieben durch die C0 C 90 Stufen der MacAdam-Ellipsen 5a Die Lichtfarbe, beschrieben durch die ähnlichste Farbtemperatur Tcp (in K) Weißes Licht tritt sowohl in der Natur als auch bei der Erzeugung durch künstliche Lichtquel- len in verschiedenen Farbtönen auf. C 45 Zur Beschreibung von Lichtfarben benutzt man üblicherweise die „ähnlichste Farbtem- peratur Tcp“. Abb. 4: Beispiel der Lichtstärkeverteilung einer Diese wird in den Datenblättern von Leucht- Straßenleuchte mitteln bzw. LED-Leuchten in Kelvin (K) angegeben, dabei sollten die Angaben in 100-K-Schritten erfolgen (unverbindliche Empfehlung). Es ist zu beachten, dass unterschiedliche Lichtquellen trotz des gleichen Werts für die ähnlichste Farbtemperatur noch verschiedene Tönungen des Lichts aufweisen können (unter anderem ist das der Grund für die Bezeich- nung „ähnlichste“ Farbtemperatur). Abb. 5 zeigt das CIE-Farbdiagramm (CIE- Normvalenzsystem), in dem sich die durch den Menschen wahrnehmbaren Lichtfarben als xy- Koordinaten ablesen lassen. Die im Inneren dieses Dreiecks dargestellte gekrümmte Linie 11
wird auch als „Weißlinie“ oder „Planck‘scher 5b Die Farbwiedergabe, beschrieben Kurvenzug“ bezeichnet. Die Linien glei- durch den Farbwiedergabeindex Ra cher ähnlichster Farbtemperaturen, die den (international CRI) „Planck‘schen Kurvenzug“ schneiden, sind in Trotz gleicher Lichtfarbe können Leuchtmittel Abb. 5 dargestellt. aufgrund unterschiedlicher spektraler Zusam- mensetzung ihrer Strahlung unterschiedliche Abb. 5: CIE-Farbdiagramm zur Farbwiedergabe-Eigenschaften haben (siehe Definition aller durch den Menschen Abbildung 6 und 7). wahrnehmbaren Farben Abb. 6: Beispiel einer guten Farbwiedergabe Hieraus wird ersichtlich, warum zwei Lichtquel- len trotz des gleichen Werts für die ähnlichste Abb. 7: Beispiel einer ungenügenden Farbtemperatur unterschiedliche Farbtönun- Farbwiedergabe gen aufweisen können. Häufig werden Licht- farben mit den Begriffen „Warmweiß“ (ww), „Neutralweiß“ (nw) und „Tageslichtweiß“ (tw) angegeben. Als „Warmweiß“ werden dabei alle Lichtquellen mit einer Farbtemperatur bis 3.300 K bezeichnet, als „Neutralweiß“ alle Farbtemperaturen von 3.300 K bis 5.300 K und als „Tageslichtweiß“ alle Farbtemperatu- ren über 5.300 K. 12
Zur objektiven Kennzeichnung der Farb- Farbdiagramm (CIE 1931; DIN 5033) exakt wiedergabe-Eigenschaften einer Lichtquelle beschrieben werden. Der Unbuntpunkt (die wurde der allgemeine Farbwiedergabeindex Farbe Weiß) hat zum Beispiel die Koordinaten Ra eingeführt. Er bezeichnet das Maß der x = 0,3333 und y = 0,3333. Übereinstimmung der gesehenen Körperfarbe mit ihrem Aussehen unter einer bestimmten Bei der Fertigung von LED-Chips treten Tole- Bezugslichtquelle. Leuchtmittel mit einem ranzen auf, die unter anderem zu Unterschie- Farbwiedergabeindex kleiner als 80 sollten den in der Lichtfarbe führen können. Deshalb nach DIN EN 12464-1 bei Arbeitsplätzen im werden LED nach der Produktion gemessen Innenbereich, in denen sich Menschen für län- und in Toleranzklassen aufgeteilt. Dieser Pro- gere Zeit aufhalten, nicht verwendet werden. zess wird „Farb-Binning“ genannt. Ein Farb- Bei Ra-Werten über 90 spricht man von einer Bin entspricht einer bestimmten (viereckigen) sehr guten, bei Werten zwischen 80 und 90 Fläche im CIE-Farbdiagramm. Seit 2008 exis- von einer guten Farbwiedergabe. tiert eine Standard-Binningstruktur des ANSI (American National Standards Institute). Da in bestimmten Anwendungsfällen das Ra-Verfahren zur Beurteilung der dort not- Abb. 8: Standard-Binningstruktur wendigen Farbwiedergabequalität nicht aus- gemäß ANSI C78.377A als Ausschnitt reichend sein kann, wird bei CIE an neuen aus dem CIE-Farbdiagramm Beurteilungsverfahren gearbeitet. Für die Lichtfarbe und Farbwiedergabe von Lichtquellen wird herstellerneutral eine Farb- bezeichnung verwendet, die aus drei Ziffern besteht (siehe Tabelle 2). Zum Beispiel kenn- zeichnet die Bezeichnung 840 ein Leuchtmit- tel mit einem Farbwiedergabeindex von 80 bis 89 und einer Farbtemperatur von 4.000 K, was der Lichtfarbe Neutralweiß entspricht. Tab. 2: Kennzeichnung von LED-Leuchten bezüglich der Ra-Bereiche und der Lichtfarben In vielen Fällen wird die ANSI-Klassifizierung Die 1. Ziffer kennzeichnet Die 2. und 3. Ziffer als zu grob empfunden. Deshalb wurde, basie- die Farbwiedergabe kennzeichnen die Lichtfarbe rend auf den Untersuchungen von David MacAdam, ein System von Ellipsen entwickelt, 1. Ziffer Ra-Bereich 2. und 3. Ziffer Farbtemperatur um Farbabweichungen genauer beschreiben 9 90–100 27 2.700 K zu können. 8 80–89 30 3.000 K 7 70–79 40 4.000 K Eine MacAdam-Ellipse beschreibt einen Bereich von Koordinaten im CIE-Farbdia- 6 60–69 50 5.000 K gramm, innerhalb dessen das menschliche 5 50–59 60 6.000 K Auge keine Farbunterschiede zum Zentrum 4 40–49 65 6.500 K der Ellipse erkennt. Die äußere Begrenzung der Ellipse kennzeichnet die Koordinaten der gerade noch unterscheidbaren Farben. 5c Die Farborttoleranz, beschrieben MacAdam-Ellipsen werden gegenüber der durch die Stufen der MacAdam-Ellipsen Original-Ellipse auf zum Beispiel drei-, fünf- Die Farbwertanteile einer bestimmten Farbe oder siebenfachen Durchmesser (siehe Abb. können durch x- und y-Koordinaten im CIE- 10) vergrößert. Diese 3-, 5- oder 7-Stufen- 13
MacAdam-Ellipsen werden zur Unterscheidung einem Wert von > 3 SDCM gelten Farbortun- zweier Lichtquellen herangezogen; die Stufen terschiede zwischen dem Rand der Ellipse und repräsentieren dabei das Maß für den Farb- deren Zentrum als grundsätzlich für alle Men- abstand. Lichtquellen mit einem Farbabstand schen wahrnehmbar. einer 3-Stufen-MacAdam-Ellipse unterschei- den sich weniger stark als zwei Lichtquellen, Durch Alterung der Chips und der verwen- deren Farbabstand einer 5-Stufen-MacAdam- deten Leuchtstoffe ändern sich bei LED die Ellipse entspricht. Insbesondere in Beleuch- Farborte im Laufe der Lebensdauer. Deshalb tungsanwendungen, in denen sich einzelne erfolgt die Angabe der Farborttoleranzen Lichtquellen in räumlicher Nähe befinden und häufig mit einem Anfangswert zum Zeitpunkt gleichzeitig gesehen werden können, sollte der Inbetriebnahme und einem weiteren Wert auf geringe Farbabstände geachtet werden. nach Ablauf einer bestimmten Betriebsdauer (z. B. < 3 SDCM initial und < 5 SDCM nach Abb. 9: CIE-Normvalenzsystem mit 50.000 h). eingezeichneten MacAdam-Ellipsen (zur besseren Erkennbarkeit 10-fach 6 Bemessungsumgebungs- vergrößert dargestellt) temperatur der Leuchten Das Betriebsverhalten einer Leuchte wird 0.9 durch die Umgebungstemperatur beeinflusst. 520 0.8 Mit dem Wert ta wird die Bemessungsumge- 540 bungstemperatur (im Betrieb darf der Wert 0.7 kurzzeitig um 10 K überschritten werden) 560 0.6 festgelegt, bei der die Leuchte unter Einhal- 0.5 tung aller sicherheitsrelevanten Parameter 580 betrieben werden sollte. Bei einem Wert von 0.4 600 ta = 25 °C ist keine Angabe auf der Leuchte 0.3 490 620 erforderlich, davon abweichende Werte sind 700 zu kennzeichnen (Gleiches gilt für tq). 0.2 480 0.1 Neu hinzu kommt die Temperaturangabe tq 470 Y 0 460 (Quality), mit der die höchste Bemessungs- 0 X 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 umgebungstemperatur gekennzeichnet wird, die für eine bestimmte Arbeitsweise (unter Somit wird die Farborttoleranz von Licht- anderem Lebensdauer, lichttechnische Eigen- quellen anhand dieser Stufen von MacAdam- schaften) zulässig ist. Es ist möglich, verschie- Ellipsen bewertet (auch SDCM – Standard dene tq-Werte mit dazugehörigen Arbeits- Deviation of Colour Matching genannt). Ab weiseeigenschaften anzugeben. Abb. 10: MacAdam-Ellipsen innerhalb eines ANSI-Binnings 14
Der Lichtstrom einer LED ist aufgrund ihrer Der Lichtstrom von LED-Leuchten nimmt im Halbleitereigenschaft temperaturabhängig. Laufe der Zeit ab (Degradation) und demzu- Diese Eigenschaft wirkt sich auch auf den folge wird eine Bemessungslebensdauer (Lx) Lichtstrom der Leuchte aus. Werden LED- definiert, die durch das Unterschreiten eines Leuchten bei einer höheren als der Bemes- zuvor festgelegten Mindestlichtstroms „x [%]“ sungsumgebungstemperatur tq = 25 °C (der beschrieben wird. Wert, bei dem u. a. der Bemessungslichtstrom ermittelt wurde) betrieben, verringert sich der Die Angabe der Bemessungslebensdauer abgegebene Lichtstrom. Die Abnahme liegt in einer Leuchte ist verbunden mit dem ermittel- der Regel unter 5 Prozent und muss bei der ten Anteil der LED in Leuchten mit erhöhtem Lichtplanung nicht gesondert berücksichtigt Lichtstromrückgang (By). werden. Neben dieser Bemessungslebensdauer, ver- Entsprechend weisen LED-Leuchten, die unter- bunden mit der Angabe des erhöhten Licht- halb der Bemessungsumgebungstemperatur tq stromrückgangs, werden die Totalausfälle betrieben werden (z. B. in einem Kühlhaus), angegeben. eine geringfügige Zunahme des Lichtstroms auf. Für die Planung ist der Bemessungslicht- Der Totalausfall von LED-Leuchten findet in der strom anzusetzen, damit für alle Betriebs- Regel entkoppelt von dieser Degradation statt. zustände (z. B. Wartungsarbeiten: Kühlung außer Betrieb) ausreichende Beleuchtungs- Alle Angaben gelten im Rahmen der zu- stärken erfüllt werden. lässigen Toleranzen jeweils für den gesamten Produktionsumfang eines entsprechenden 7 Lebensdauerkriterien von LED-Leuchtentyps. LED-Leuchten Die Lebensdauer-Eigenschaften von LED- Grund für den Lichtstromrückgang (Lichtstrom- Leuchten werden durch drei Parameter Degradation) kann neben der Degradation der beschrieben: LED auch der Ausfall von einzelnen LED oder a Durch die Definition einer Bemessungsle- einzelnen LED-Modulen sein, die je nach Kon- bensdauer (Lx) (siehe 7a) struktion der Leuchte in einer Vielzahl in ihr b Durch den Anteil der LED mit erhöhtem verbaut sein können. Erst wenn die Leuchte Lichtstromrückgang (By) (siehe 7b) kein Licht mehr abgibt, tritt der Totalausfall c Durch die Totalausfälle (Cy) (siehe 7c) ein. Neuzustand, Degradation und Totalausfall Abb. 11: Darstellung der Fehlersituation einer Leuchte (Neuzustand, Degradation, Totalausfall) Lichtstromrückgang bis zum Totalausfall oder LED-Leuchte Lichtstromdegradation Totalausfall 100% LED-Leuchte LED-Leuchte 15
einer Leuchte sind in Abb. 11 dargestellt (Ter- nosen nicht über ihre gesamte Lebensdauer minologie gemäß IEC 62717:2014+AMD1:20 gemessen werden. Stattdessen werden kürzere 15+AMD2:2019). Messzeiträume genutzt und die Ergebnisse nach definierten Verfahren extrapoliert. Die beiden Lebensdauerkriterien Lichtstrom- Degradation und Totalausfall sind Bestand- Der konstruktive Aufbau von LED-Leuchten hat teil der Definitionen der aktuellen IEC-Norm einen signifikanten Einfluss auf die Leistungs- 62722-2-1:2014-11. Auf dieser Basis werden fähigkeit und die Angaben zu den Bemes- die Lebensdauerkriterien in Abb. 12a und 12b sungslebensdauern der Leuchten. Daher kön- näher dargestellt. nen die Daten von LED, LED-Modulen bzw. Betriebsgeräten nicht eins zu eins als Daten Abb. 12a: Allgemeine Lebensdauerkriterien von LED-Leuchten für Lebensdauerangaben der LED-Leuchten übernommen werden, es sei denn, dass die technischen Betriebsparameter der eingesetz- ten LED bzw. LED-Module und Betriebsgeräte LED-Leuchten eingehalten werden. Ist dies nicht sicherge- Lichtstrom- Totalausfälle stellt, hängen Lichtstrom-Degradation und Degradation Totalausfall der LED-Leuchten von den elek- trischen und thermischen Betriebsdaten der eingebauten LED-Module und Betriebsgeräte Bemessungslebensdauer sowie der Umgebungstemperatur der Leuch- LxBy bei Totalausfälle y ten in der Applikation und weiteren Umge- in % zum Zeitpunkt Cy bungsparametern der Leuchten ab. Leuchten- Mindestlichtstrom x in % hersteller müssen dem Anwender bzw. Planer einer Beleuchtungsanlage entsprechende Angaben zur Verfügung stellen, damit dieser Abb. 12b: Lebensdauerkriterien von LED-Leuchten für die in der Lichtplanung einen entsprechenden mittlere Bemessungslebensdauer Wartungsplan erstellen kann (siehe Kapitel IV). Die Lebensdauerdaten werden norma- lerweise zusammen mit einer bestimmten LED-Leuchten Umgebungstemperatur (tq) angegeben. Ist kein Wert einer Umgebungstemperatur ange- Lichtstrom- Totalausfälle geben, gelten die Lebensdauerangaben für Degradation die Umgebungstemperatur von tq = 25 °C. 7a Mittlere Bemessungslebensdauer (Lx) Mittlere Bemessungs- Die wesentliche Kenngröße Lx in den Bemes- lebensdauer Lx bei Totalausfälle AFV sungslebensdauerangaben von LED-Leuchten in % zum Zeitpunkt Lx Mindestlichtstrom x in % beschreibt die Lebensdauer in Bezug auf den Lichtstromerhalt der in einer Leuchte betrie- benen LED-Lichtquellen. Dabei wird der Lichtstrom zum Zeitpunkt der angegebenen Angaben zu Bemessungslebensdauern und Bemessungslebensdauer auf den im Index Totalausfällen sind Prognosen und von Leuch- aufgeführten Anteil von x (in %) des Bemes- tenherstellern mit großer Sorgfalt zu erstellen. sungslichtstroms im Neuzustand bezogen. So beschreiben zum Beispiel L80 = 50.000 h oder Da die Bemessungslebensdauern und die Zeit- L70 = 50.000 h, dass eine Bewertung auf 80 spannen bis zum Ausfall von LED-Leuchten Prozent bzw. 70 Prozent des Bemessungslicht- sehr lang sind, können LED-Leuchten vor ihrer stroms zum Zeitpunkt der 50.000 Stunden Markteinführung zur Überprüfung der Prog- zugrunde gelegt wird. 16
Abb. 13: Schematische Darstellung des Lichtstromverlaufs über die Betriebszeit 100 L90= 50000 h 90 relativer Lichtstrom in % L80= 50000 h 80 L70= 50000 h 70 60 50 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 Betriebsdauer in Stunden Die Einteilung der Wertebereiche erfolgt durch die Zuordnung zu den sogenannten Lichtstrom-Wartungsfaktorgruppen gemäß Tabelle 3. Tab. 3: Bereiche der Angabe des Werts x für den Lichtstromerhalt von LED-Leuchten als Index der Lebensdauerangabe (Lx) Lichtstromerhalt von LED-Leuchten wird in folgenden Stufen eingeteilt Lichtstrom-Wartungsfaktor- 70 75 80 85 90 95 Gruppe x Wertebereich der Wartungs- 70–74 75–79 80–84 85–89 90–94 95–100 faktor-Gruppe x Als typische Angabe zur Lebensdauer hat 7b Anteil der LED mit erhöhtem die IEC die mittlere Bemessungslebensdauer Lichtstromrückgang (By) Lx (Median Useful Life) eingeführt, um eine Die Angabe der Bemessungslebensdauer Vergleichbarkeit der Lebensdauerangaben einer Leuchte ist verbunden mit dem ermittel- von Herstellern zu ermöglichen. In Ausnah- ten Anteil der LED in Leuchten mit erhöhtem mefällen, zum Beispiel bei der Produktion Lichtstromrückgang By. von einzelnen Leuchten mit einer sehr gerin- gen Anzahl von LED, kann die Bemessungs– Für die mittlere Bemessungslebensdauer Lx lebensdauer Lx unter zusätzlicher Angabe eines (ohne Zusatz) gilt By = B50. Es wird empfoh- By-Werts LxBy (By: siehe 7b) von Interesse sein. len, die mittlere Bemessungslebensdauer, wie in Abb. 12b dargestellt, anzugeben. Der Für die Angabe der mittleren Bemessungs- Wert B50 bedeutet bei einer Normalverteilung lebensdauer Lx werden typischerweise die der LED-Lichtquellen, dass 50 Prozent einer Größen 35.000 h, 50.000 h, 75.000 h oder Menge gleichartiger LED-Lichtquellen den 100.000 h verwendet. deklarierten Lichtstromanteil „x“ am Ende der mittleren Bemessungslebensdauer „Lx“ unter- schreiten und 50 Prozent ihn überschreiten. 17
Das B50-Kriterium wird herangezogen, um den 7d Systemzuverlässigkeit mittleren Lichtstrom funktionierender LED am Die Lebensdauererwartung einer LED-Leuchte definierten Ende der mittleren Bemessungs- wird durch die Zuverlässigkeit aller im Sys- lebensdauer Lx anzugeben (engl.: rated median tem verwendeten Komponenten und durch useful life). Bei flächigen Beleuchtungslö- die Umgebungsbedingungen der Leuchte am sungen mit mehreren Leuchten und/oder Anwendungsort beeinflusst. Ein Ausfall einer Leuchten mit jeweils einer größeren Menge Leuchtenkomponente kann den Totalausfall LED pro Leuchte ist die Berücksichtigung der der gesamten Leuchte bewirken. Bemessungslebensdauer B50 heranzuziehen. Beispielhafte Einflussfaktoren auf die System- In bestimmten Fällen können andere Angaben zuverlässigkeit von LED-Leuchten durch die für By von Interesse sein, zum Beispiel wenn verwendeten Komponenten sind in Abbildung einzelne Objekte oder Flächen mit jeweils nur 14 dargestellt. einer Leuchte beleuchtet werden und/oder Leuchten mit einer geringen Anzahl von LED Abb. 14: Einflussfaktoren der zum Einsatz kommen. Mit der Angabe B10 wird Systemzuverlässigkeit in diesen Fällen ausgedrückt, dass nur 10 Pro- zent dieser LED in Leuchten den deklarierten Lichtstromanteil „x“ unterschreiten. LED und elektrische Verbindungen LightingEurope hat in einem „Guidance paper / Evaluating performance of LED based lumi- naires (January 2018)“ aufgezeigt, dass für Mechanische Aktive & passive die Darstellung der Lebensdauer die Angabe Verbindungen – Kühlung Dichtungen von By-Werten in der Praxis eine untergeord- System- zuverlässigkeit nete Rolle spielt. 7c Beschreibung der Totalausfälle (AFV Elektronik bzw. Cy) von LED-Leuchten (z. B. Betriebs- Optische Materialien Der Begriff AFV („Abrupt Failure Value“) geräte) beschreibt den prozentualen Anteil der LED- Leuchten, die bis zum Erreichen der mittleren Bemessungslebensdauer Lx total ausgefallen sind. LED-Leuchten mit nur einzelnen aus- Die dargestellten unterschiedlichen Einfluss- gefallenen LED oder auch LED-Leuchten, bei faktoren haben nach heutigen Erkenntnissen denen nur einzelne LED-Module von mehreren sehr unterschiedliche Bedeutung in Bezug ausgefallen sind, gelten nicht als Totalausfall. auf den Totalausfall. Im Wesentlichen liegen AFV ist also die Totalausfallrate zum Zeitpunkt Erkenntnisse für Betriebsgeräte und LED- der mittleren Lebensdauer Lx (bei B50). Module/Lichtquellen vor. Die anderen Sys- temkomponenten stellen in der Praxis keine Bei anderen By-Werten als B50 wird üblicher- relevanten Faktoren dar. Somit stellt die weise die Angabe Cy in Stunden mit y als Pro- Betrachtung der Ausfallraten von Betriebs- zentangabe für den Totalausfall verwendet. geräten und LED-Modulen eine hinreichende Beispiel: C4 = 19.000 h bedeutet, dass nach Bewertung der Totalausfallrate dar. Das in einer Zeit von 19.000 Stunden statistisch der Betriebsgeräten oder LED-Modulen verwen- Totalausfall von 4 Prozent der betrachteten dete Bauteil mit der höchsten Fehlerwahr- LED-Leuchten zu erwarten ist. scheinlichkeit wird dabei zugrunde gelegt. 18
Die Angaben zu den Ausfallraten von Betriebs- 7e Lebensdauer – nicht immer eine geräten sind bei den jeweiligen Herstellern zu Frage der meisten Stunden erfragen und sollten im Sinne einer Vergleich- Betrachtet man die aktuellen Entwicklungen barkeit entsprechend in den Angaben von AFV im Markt, so scheint ein Wettlauf um immer bzw. Cy berücksichtigt werden. höhere Stundenzahlen für die Angabe der mittleren Bemessungslebensdauer stattzu- Als Beispiel könnte dabei für LED-Leuchten finden. Diese hängen in erster Linie von den eine Ausfallrate von 0,2 Prozent pro 1.000 geplanten Nutzungsdauern (in Jahren) und Betriebsstunden bis zum Erreichen der mitt- jährlichen Betriebszeiten der Beleuchtungs- leren Bemessungslebensdauer Lx angegeben anlagen ab. Entsprechend können die verwen- werden. Dies entspricht in etwa den Angaben deten Steuerungstechnologien einen wesent- zur Ausfallrate von Betriebsgeräten, die typi- lichen Einfluss besitzen. Nachfolgend sind scherweise für die Ausfälle von LED-Leuchten einige Anwendungsbeispiele für die Innen- vor Erreichen der mittleren Bemessungs- raumbeleuchtung aufgeführt, die die Auswir- lebensdauer verantwortlich sind, wenn ein kungen verdeutlichen sollen. Betriebsgerät pro Leuchte verwendet wird. Tab. 4a: Beispiele für die durchschnittliche Lebensdauer einer Installation bei verschiedenen Innenanwendungen Jährliche Angenommene Nutzungszeit theoretische Abgeleitete Steuerung/ Beleuchtung in Betriebszeit in Lebensdauer von Nutzung Regelung Stunden Jahren Produkten ohne 2.500 20 50.000 Büro Tageslicht und Präsenz 1 900–1.250 20 18.000–25.000 ohne 1.400 25 35.000 Schule (Vollzeit) Tageslicht und Präsenz 800 25 20.000 ohne 4.000 25 100.000 Industrie (2-Schicht) Tageslicht und Präsenz 2.400 25 60.000 ohne 6.000 15 90.000 Logistik (3-Schicht) Präsenz 3.000 15 45.000 1 Durch einen Präsenzsensor wird die Betriebszeit verringert und durch eine Tageslichtregelung wird das Lichtniveau angepasst. Beide Maßnahmen führen zu einer Reduzierung der Leuchten-Belastung und der Betriebszeit. Tab. 4b: Beispiele für die durchschnittliche Lebensdauer einer Installation bei verschiedenen Außenanwendungen Jährliche Nutzungszeit Angenommene theo- Abgeleitete Steuerung/ Beleuchtung in retische Betriebszeit Lebensdauer Nutzung Regelung Stunden in Jahren von Produkten ohne 4000 25 100.000 2.000: 100 %2 Nachtabsenkung 1 2.000: 50 % 29 100.000 Straße 1.320: 100 %2 adaptiv – 3-stufig1 1.000: 70 % 34 100.000 1.680: 40 % Sportanlagen ohne 1250 28 35.000 ohne 4.000 25 100.000 Tunnel-Einfahrt 2.000: 100 %2 Leuchtdichte (Tageslicht) 1.000: 70 % 28 100.000 1.000: 50 % Tunnel-Durchfahrt ohne 8.760 12 100.000 Logistik ohne 6.000 15 90.000 (3-Schicht) Präsenz 3.000 30 90.000 1 Annahme: Alle LED in den Leuchten werden gleichartig gesteuert (Lichtstrom abgesenkt). 2 Die Prozentzahl gibt die Lichtstromabgabe der Leuchten an, z. B. „2.000: 100 %“ = kennzeichnet eine Betriebszeit von 2.000 Std. ohne Lichtstromabsenkung (100-%-Betrieb) und „2.000: 50 %“ = kennzeichnet eine Betriebszeit von 2.000 Std. bei einem Lichtstrom von 50 %. 19
Tabelle 5 – Zuordnung der Bauformen von Leuchten zu empfohlenen Reinigungsintervallen (x) Reinigungsintervalle 3 Jahre 2 Jahre 1 Jahr Umgebung VC; C N D VC, C N D VC, C N D Leuchtenausführung A – offene Leuchte X X X B – offene Leuchte mit durchlüftetem Reflektor X X X („selbstreinigend“) C – oben geschlossene Leuchte mit unten offenem Reflektor X X X (unbelüftet) D – geschlossene Leuchte IP2X X X X E – staubgeschützte Leuchte IP5X X X X F – indirekt strahlende geschlossene Leuchte (uplighter) X X Dabei gilt: VC = sehr saubere Umgebungsbedingungen, C = saubere Umgebungsbedingungen, N = normale Umgebungsbedingungen, D = verschmutzte Atmosphäre in der Umgebung. 8 Wartungskategorien nach CIE 97 Leuchten verschmutzen unterschiedlich. Je Zur Umrechnung der wirksamen visuellen nach Bauart kann potenzieller Schmutz die lichttechnischen Größen auf die melanopi- Lichtstromabgabe in unterschiedlichem Maß schen Lichtwirkungen kann im Datenblatt beeinflussen. Auf Leuchten, die Licht indirekt optional der Melanopische Tageslicht-Effizi- „nach oben“ abstrahlen, kann Schmutz zum enzfaktor γ mel, v, D65 angegeben werden. In der Beispiel leichter liegenbleiben. In der CIE 97 englischen Literatur wird der Begriff MDER sind unterschiedliche Bauformen von Leuchten (Melanopic Daylight Efficiency Ratio) verwen- in die Kategorien A–F aufgeteilt (siehe Tab. 5). det. Bei der Angabe des LMF (Luminaire Main- Bemerkung: DIN SPEC 5031-100:2015 ver- tenance Factor) wird die Verschmutzungsart wendet den Begriff melanopischer Umrech- bei der Angabe des Wartungsfaktors berück- nungsfaktor m v, mel, D65. sichtigt. Bei Leuchten mit integrierten LED-Modulen kommen nur die Kategorien C–F zur Anwen- dung. 9 Melanopischer Umrechnungsfaktor Jede Lichtquelle strahlt ein bestimmtes Lichtspektrum aus. Üblicherweise wird das Lichtspektrum auf die Wirksamkeit für die rela- tive spektrale Hellempfindung des mensch- lichen Auges beim Tagessehen V(λ) bezogen. Für die Bewertung des Spektrums bezüglich der melanopischen Wirkung, d. h. der Wirk- samkeit zur Unterdrückung und Ausschüttung von Melatonin, der Aktivierung mit Licht und weiteren (Auslöse-)Faktoren beschreibt die DIN SPEC 5031-100:2020 die melanopische tageslichtäquivalente Wirkungsfunktion. 20
IV Lichttechnische Planungshinweise Für die Planung einer Beleuchtungsanlage A Industriehalle, zum Beispiel sind unter anderem die Wartungsfaktoren Produktionshalle im Zwei-Schicht- maßgeblich. Der Planer muss zum Beispiel Betrieb: nach der Normenreihe DIN EN 12464 ermit- LLMF: 0,8 / L80 = 100.000 h, mittlere teln und dokumentieren, wie der Lichtstrom Bemessungslebensdauer einer Beleuchtungsanlage zu einem gewähl- (das ergibt bei 5.000 h Betrieb pro ten Zeitpunkt abgenommen hat und geeig- Jahr eine Betriebszeit von 20 Jahren) nete Wartungsmaßnahmen empfehlen. LSF: 0,9 (kein Austausch bis zum Ende der Betriebszeit unter Annahme einer In den Publikationen CIE 97 (Innenbeleuch- Ausfallrate von 0,1 % / 1.000 h, tung) und CIE 154 (Außenbeleuchtung) sind dabei ist die Ausfallrate des Betriebs- folgende Wartungsfaktoren definiert: geräts eingeschlossen) • MF: Maintenance Factor (Wartungsfaktor) RMF: 0,93 (Verschmutzung der Oberflächen • LLMF: Lamp Lumen Maintenance Factor über einen Zeitraum von 6 Jahren) (Lampenlichtstromwartungsfaktor) LMF: Bei Leuchtenreinigung in den • LSF: Lamp Survival Factor angegebenen Jahren ergeben sich (Lampenüberlebensfaktor) die folgenden LMF (geschlossene • LMF: Luminaire Maintenance Factor Leuchte, D, sauberer Raum nach (Leuchtenwartungsfaktor) CIE 97) und damit die Gesamt- • RMF: Room Maintenance Factor wartungsfaktoren MF (Raumwartungsfaktor) • SMF: Surface Maintenance Factor Reinigung nach: LMF MF (Berechnet nach (Oberflächenwartungsfaktor) der Formel 1) 1 Jahr 0,88 0,59 Das Produkt der einzelnen Wartungsfaktoren 4 Jahre 0,75 0,50 ergibt den Wartungsfaktor MF (Maintenance Keine Reinigung 0,65 0,44 (Werte geschätzt) Factor) der Beleuchtungsanlage. Bei einer Innenraum-Beleuchtungsanlage B Büro, tageslicht- und sieht die Formel zur Berechnung des War- präsenzabhängige Steuerung tungsfaktors MF wie folgt aus: (da Auswirkungen auf die Betriebszeit der Beleuchtungsanlage): MF = LLMF x LSF x LMF x RMF (Formel 1) LLMF: 0,95/L90 = 50.000 h, mittlere Bemessungslebensdauer Beispiele für Innenraumbeleuchtungsanlagen (nach 20 Jahren sind 25.000 h sind: Betriebsstunden bei 1.250 h Betrieb pro Jahr erreicht, der Lichtstrom also um 5 % abgesunken) LSF: 1 (Einzelaustausch bei Leuchtenausfall) RMF: 0,95 (betrachtete Verschmutzung der Oberflächen für einen Zeitraum von 6 Jahren) betrachtet LMF: Bei einer Leuchtenreinigung in den angegeben Jahren ergeben sich die folgenden LMF (geschlossene Leuchte, D, sehr sauberer Raum nach CIE 97) und damit der Gesamtwartungsfaktoren MF 21
Reinigung nach: LMF MF In der Vergangenheit ist man davon ausge- (Berechnet nach der Formel 1) gangen, dass nach Ablauf eines oder mehrerer 1 Jahr 0,94 0,85 Wartungszyklen ein vollständiger Ersatz der 4 Jahre 0,87 0,79 eingesetzten Leuchtmittel (z. B. Leuchtstoff- Keine Reinigung 0,75 0,68 lampen) vorgenommen werden musste. Als (Werte geschätzt) LLMF wurde bei der Planung der Wert gewählt, der zum Zeitpunkt des beabsichtigten Leucht- Für Außen-Beleuchtungsanlagen wird die fol- mittelaustauschs zu erwarten war. gende Formel angewendet: Bei LED-Leuchten ist ein solcher Austausch MF = LLMF x LSF x LMF x SMF* (Formel 2) aber in der Regel nicht vorgesehen, da die Bemessungslebensdauer der LED den vorge- * Anmerkung: SMF wird dort verwendet, wo sehenen Nutzungszeitraum der Beleuchtungs- sachgemäß sinnvoll, zum Beispiel als Oberflä- anlage häufig übersteigt (siehe Tabelle 4a und chenwartungsfaktor einer angestrahlten Flä- 4b). Darüber hinaus ist in vielen Leuchten ein che oder bei Fußgängerunterführungen. Ersatz des LED-Moduls aufgrund des damit verbundenen Aufwands eher unwirtschaftlich. C Beispiel einer Außenbeleuchtungsanlage für Es empfiehlt sich deshalb, als LLMF den Wert vorstädtische Industrie und Wohnbezirke der eingeplanten Leuchten zu nutzen, der zum LLMF: 0,80 / L80 = 100.000 h, mittlere Ablauf des vorgesehenen Nutzungszeitraums Bemessungslebensdauer (das ergibt der Beleuchtungsanlage zu erwarten ist. bei 4.000 h Betrieb pro Jahr eine Betriebszeit von 25 Jahren) LSF ergibt sich zum jeweiligen Betrachtungs- LSF: 1 (Einzelaustausch bei Leuchtenausfall) zeitpunkt aus den bis zu diesem Zeitpunkt SMF: kommt nicht zur Anwendung, da keine total ausgefallenen LED-Leuchten und der Anstrahlung, oder keine Fußgänger- gewählten Art des Austauschs: Gruppentausch unterführung zum Ende der Betriebszeit oder Einzeltausch LMF: nach CIE 154, Leuchte ≥ IP65, bei Ausfall einzelnen Leuchten. mittlerer Verschmutzungsgrad der Umgebung Bei der Lichtplanung mit LED-Leuchten kön- nen der LLMF und der LSF als Bewertungs- Reinigung nach: LMF MF grundlage von LED-Leuchten für diverse (Berechnet nach der Formel 2) Lichtstrom-Wartungsfaktor-Gruppen (siehe Ta- 1 Jahr 0,92 0,74 belle 3) über die Betriebsdauer (in Stunden) 4 Jahre 0,87 0,70 festgelegt werden. Dieses Verfahren orientiert Keine Reinigung 0,83 0,66 sich an der Angabe von LLMF und LSF bei kon- (Werte geschätzt) ventionellen Lampen. LLMF ergibt sich zum jeweiligen Betrachtungs- Die Wartungsfaktoren LLMF und die Überle- zeitpunkt aus den Lichtstromrückgangskurven bensfaktoren LSF von LED-Leuchten können der Hersteller. Für die Ermittlung des War- in Tabellen angegeben werden, dabei sollten tungsfaktors ist die mittlere Bemessungsle- in der ersten Spalte der Tabellen die mittleren bensdauer zu verwenden. Bemessungslebensdauern angegeben werden. Der Hersteller benennt diese im Datenblatt Bei Leuchten mit CLO-Technik (Constant Light der Produkte mit dem Bewertungskennwert Output) für Innen- oder Außenbeleuchtung ist (zum Beispiel L80 = 50.000 h). In den Zeilen der LLMF = 1 zu setzten. können dann der Lichtstromrückgang LLMF bzw. der Überlebensfaktor LSF zu einem 22
beliebigen Zeitpunkt, den der Planer wählt, Der Totalausfall einer LED-Leuchte (ohne abgelesen werden. Die Lichtstromabnahmen Berücksichtigung des Betriebsgeräts) lässt sind linear angenommen. sich mithilfe des LSF darstellen. Bei Betrach- tung einer größeren Anzahl (> 100) von Veröffentlichungen von Beispieltabellen wer- Leuchten fallen einzelne Ausfälle statistisch den in Kürze von der Deutschen Lichttechni- nicht ins Gewicht, sodass auch bei LSF = 1 schen Gesellschaft erwartet. einzelne LED-Leuchten ausgefallen sein könn- ten. Ansonsten gilt, wenn bis zur Lebensdauer Dieses Tabellenverfahren kann nicht zu Aus- keine ausgefallenen Leuchten ersetzt werden, sagen über Garantieleistungen bezüglich LED- dass LSF = 1 – AFV. Leuchten herangezogen werden. Alternativ kann der Ausfall des Betriebsgeräts Auch für LED-Leuchten muss der Planer den im LSF mitberücksichtigt werden wie in Bei- Lichtstromrückgang durch die Verschmutzung spiel A. Beim Vergleich von Wartungsfaktorbe- der Leuchte mittels des Leuchten-Wartungs- rechnungen muss dies einheitlich geschehen. faktors LMF berücksichtigen. V Photobiologische Sicherheit von LED-Leuchten Bei der Beurteilung der photobiologischen In der DIN EN 62471 „Photobiologische Gefährdung durch optische Strahlung unter- Sicherheit von Lampen und Lampensyste- scheidet man verschiedene Wellenlängenbe- men“ wird zwischen zwei Arten von Messun- reiche (UV-, sichtbare und IR-Strahlung). Das gen unterschieden. Die Risikoklassifizierung Hauptaugenmerk ist hierbei auf die Eindring- soll für Lampen der Allgemeinbeleuchtung tiefe in das menschliche Gewebe gerichtet. Es in einem Abstand erfolgen, bei dem eine sind nur Haut und Auge betroffen, da optische Beleuchtungsstärke von 500 lx erreicht wird Strahlung nicht tief ins Gewebe eindringt. (minimal 200 mm). UV- und IR-Strahlung werden bereits in den Für alle anderen Anwendungen von Lampen äußeren Gewebeschichten absorbiert. Die wird ein Abstand von 200 mm empfohlen. Gefährdung und die angegebenen Grenzwerte sind abhängig von der erzeugten Beleuch- Weitere Informationen zur Blaulichtgefähr- tungsstärke einer Lichtquelle bzw. der Leuchte dung enthalten die Publikation des ZVEI und nicht von deren Abmessungen. Das „Fotobiologische Sicherheit der Beleuchtung“ bedeutet, dass sich in erster Näherung das (www.zvei.de) und die LiTG Schrift „Beurtei- Risiko in Abhängigkeit der Lichtstärkevertei- lung der photobiologischen Sicherheit von lung und des Quadrats des Abstands verän- Lampen und Leuchten“ (www.litg.de). dert (d. h. halber Abstand zur Quelle bedeutet vierfaches Risiko). Mehr zum Thema biologische Wirksamkeit von Licht finden Sie auf www.licht.de Anders verhält es sich bei der Blaulichtge- fährdung. Da diese Strahlung die Hornhaut des Auges durchdringt und durch die Augen- linse auf der Netzhaut abgebildet wird, ist die Gefährdung von der Größe der Quelle abhängig. 23
VI Dimmen LED-Lichtquellen / LED-Leuchten Zur Steuerung von LED stehen zwei Verfahren Durch die Überlagerung mit der Aufnahmefre- zur Verfügung, die Pulsweiten-Modulation quenz von Kameras können bei Videoaufnah- (PWM = Pulse Width Modulation) und die men sogenannte Artefakte auftreten (übers Konstantstrom-Reduzierung (CCR = Constant Bild laufende Streifen) [siehe hierzu auch Current Reduction). Abschnitt VII – TLA in der Beleuchtung]. A Pulsweitenmodulation Grundsätzlich gilt: je höher die Frequenz, Bei der Pulsweitenmodulation werden die desto unwahrscheinlicher unerwünschte LED in sehr kurzen Intervallen (100- bis über Begleiterscheinungen. Dem sind allerdings 1.000-mal pro Sekunde) an- und wieder ab- technische Grenzen gesetzt, da eine höhere geschaltet. Zum Dimmen verkürzt man die Frequenz zu Problemen hinsichtlich der Ein- Phasen, in denen sie eingeschaltet bleiben haltung der EMV-Richtlinie (Elektromagneti- und verlängert die Pausen dazwischen. Die sche Verträglichkeit) führen kann. Schaltfrequenz bleibt dabei unverändert. Durch die Trägheit des menschlichen Auges B Konstantstrom-Reduzierung entsteht der Eindruck, als würden die LED Beim Dimmen mittels Konstantstrom-Redu- dunkler. zierung wird der Betriebsstrom der LED gesenkt. Dadurch bleibt auch im Dimmzu- Abb. 15: PWM-Dimmen von LED stand ein gleichmäßiges Licht ohne Flimmern erhalten. Physiologische Auswirkungen sowie PWM-Dimmung: Stroboskopeffekte und Artefakte werden hier- durch vermieden. I I I 100% 80% 20% Abb. 16: Analoges Dimmen von LED durch Strom-Reduzierung t t t Stromdimmung: I I I 100% 80% Die LED erfährt bei dieser Methode also nur zwei Betriebszustände, nämlich 0 Prozent 20% (Aus) und 100 Prozent (An). Dadurch bleibt die abgegebene Lichtfarbe über den gesam- t t t ten Dimmbereich nahezu konstant. Zudem sind sehr niedrige Dimmlevel bis ca. 1 Prozent ohne allzu großen konstruktiven Aufwand des Die Lichtausbeute der LED wird bei niedrige- Betriebsgeräts möglich. rem Betriebsstrom höher, das heißt die Ener- gieeffizienz der Leuchte steigt beim Dimmen Das durch PWM erzeugte Pulsieren der LED sogar an. kann allerdings unerwünschte Nebeneffekte erzeugen. Diese sind einerseits physiologi- Da sich aber der Betriebsstrom der LED über scher Natur, wie zum Beispiel Minderung der den Dimmbereich ändert, können Farbortver- Konzentration oder Kopfschmerzen. Deshalb schiebungen des erzeugten Lichts auftreten. gilt eine Frequenz von ca. 100 Hertz als abso- Bei vielen LED liegt diese Abweichung aller- luter Mindestwert. Weiterhin kann es zu Stro- dings in einem Farbtemperaturbereich unter boskopeffekten bei schnellen Bewegungen 100 K und ist damit für die meisten Menschen kommen (z. B. durch rotierende Maschinen). nicht wahrnehmbar. 24
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