Auch eine LED altert, aber anders als konventionelle Leuchtmittel. Betrachten wir die wichtigsten alterungsbedingten Veränderungen einer LED, werden wir feststellen, dass unter bestimmten Voraussetzungen trotz eingehaltener Betriebsparameter bereits nach drei Wochen Veränderungen sichtbar werden können.
Doch zunächst ist zu kären, was überhaupt unter „Lebensdauer“ von LEDs zu verstehen ist. Von den Allgebrauchs- und Halogenlampen ist uns die Angabe der mittleren Lebensdauer geläufig. Dabei besagt das „mittlere“ beim Begriff, dass nach Erreichen der angegebenen statistisch gesehenen Zeit noch die Hälfte der Lampen leuchten, während bei den restlichen 50 Prozent der Brenner einen Totalausfall erlitten hat. Denn in der Regel ist der Wolframfaden einfach kaputt und der Brenner leuchtet nicht mehr – also ein Totalausfall. Je nach Einsatzgebiet haben Halogenbrenner eine mittlere Lebensdauer von 20 Stunden wie z. B. eine Fotostudiolampe oder 2.000 Stunden bei z. B. den Longlife-Halogen-Brennern. Natürlich kann im Einzelfall die eine oder andere Leuchte wesentlich länger oder kürzer leuchten, denn es handelt sich ja um ein statistisches Mittel. Gemeinsames Kriterium bei dieser mittleren Lebensdauer ist jedoch, dass ein Totalausfall des Leuchtmittels erfolgt.
Bei der LED verhält sich das anders, denn der LED-Chip selbst könnte innerhalb seiner Betriebsparameter theoretisch ewig betrieben werden, ohne komplett auszufallen. Der Totalausfall eines LED-Chips erfolgt nur bei elektrostatischer Überspannung, zu viel Strom oder Überhitzung. Dies wird durch schlechtes Thermomanagement, defekte Treiberelektronik oder eben äußere Ereignisse wie Spannungsüberschläge hervorgerufen, was uns aber hier nicht weiter interessieren soll.
Deshalb werden hier auch keine Schaltzyklen erklärt, da diese hauptsächlich die Elektronik um die LED betreffen. Einen Halbleiter wie die LED, welche im Nanosekundenbereich ein- und ausgeschaltet werden kann, bleibt vom Ein-/Ausschalten des elektrischen Stroms vom Prinzip her völlig unbeeindruckt. Der LED-Chip altert, indem er sukzessive immer dunkler wird. Dies ist eine fortlaufende Degeneration des Kristallgefüges, die gegen Ende hin sehr stark zunimmt. Folglich kann man die bisherige Definition von 50% Totalausfall bei der LED nicht anwenden. Wenn nun bei einer LED ein Wert von z. B. 50.000 Stunden angegeben wird, dann bedeutet das: Nach 50.000 Stunden gibt die LED nur noch XX% Licht ab. Genau hier ist schon die erste Hürde, denn eigentlich müsste angegeben werden, wieviel Prozent an Licht noch zu erwarten ist.
Exakt wäre die Angabe 50.000 Stunden L70, wobei „L“ den Lichtstromrückgang kennzeichnet und die „70“ besagt, dass 70 % der Lichtleistung erwartet werden darf. Einige Anbieter bzw. Hersteller geben 50 % Lichtleistung an, wodurch sich so eine Lebensdauer im Betrag schnell erhöhen lässt. Wir sprechen bei der LED also nicht mehr von der mittleren Lebensdauer, sondern von der Nutzlebensdauer. Damit ist gemeint, wie lange man das Leuchtmittel nutzen kann, bevor es eben zu dunkel wird, um die Aufgabe zufriedenstellen zu erfüllen.
Wie eine Nutzlebensdauerangabe aussehen kann, ist unter DIN IEC/PAS 62 717 zu finden. Darin findet man weitere Definitionen, welche die Bertachtungsweise nicht gerade vereinfachen. So wird neben dem L-Wert (Lichtstomrückgang) noch ein B-Wert zugefügt, der die Prozentzahl der davon betroffenen LEDs beschreibt. Zugefügt wird der sogenannte C-Wert, der bei einem LED-Array den Ausfall einzelner LED-Chips beschreibt. Der F-Wert fasst C-Wert und B-Wert zusammen und berücksichtigt so den Lichtwertrückgang inklusive eventueller Teilausfälle von LEDs auf dem Array. So bedeutet der Wert L70 B10, dass nur 10 Prozent der LEDs unter 70 Prozent Anfangs-Lichtstrom liegen.
Bild: Osram - Patent WO 2006/012833 A2
Man erkennt deutlich, wie sich das Spektrum nach 1.000 Betriebsstunden verändert hat. So ist die Farbtemperatur von 3275K auf 3575K gestiegen, und der Farbwiedergabeindex hat sich von 88 auf 82 verschlechtert.
Bild: Osram - Patent WO 2006/012833 A2
Hier ist deutliche Verbesserung zu den instabilen Phosphorverbindungen der vorigen Messreihe zu erkennen. Aus beiden Diagrammen geht hervor, dass die sich blaue LED innerhalb der 1.000 Stunden im Verhältnis zur Phosphordegeneration kaum abschwächt.
Deshalb erfolgt bei einer Weißlicht-LED im Laufe der Lebenszeit unweigerlich ein Drift ins Blaue, zur höheren Farbtemperatur, und sie entfernt sich je nach Phosphormischung mal mehr oder weniger von der Planck’schen Kurve.
Betrachtet man das nun nicht bei einem Einzelschicksal, sondern für eine Saalausleuchtung, so ergibt sich folgende Betrachtung. Eine LED mit L70 F10 würde nach Ablauf der Lebensdauer noch zu 63% den Saal erhellen, bei einem Leuchtmittel mit der Zusatzangabe L50 F50 wäre es dagegen nur ein Viertel der ursprünglichen Helligkeit. Das sollte man bei der Planung bzw. Ausschreibung zu der Veranstaltungsstätte berücksichtigen. Unter anderem sind das auch die Kennzahlen, um zwischen der Billig-Baumarktserie und dem Markenprodukt unterscheiden zu können.
Zusammengefasst würde bei einem 1.000-Lumen-LED-Array mit 20 LED-Chips eine Angabe wie 50.000 Stunden L70 B10 C10 F10 bedeuten, dass nach 50.000 Stunden nur noch 700 Lumen abgegeben werden, wovon nur zwei LED-Chips unterhalb 35 Lumen liegen dürfen. Maximal zwei LED-Chips dürften gänzlich ausgefallen sein. Der F-Wert fasst den B- und C- Wert zusammen und bestimmt, dass nur zwei LED-Chips unterhalb 35 Lumen liegen dürfen, worunter ja auch ein Totalausfall zählen würde.
Natürlich werden die Leuchten nicht 50.000 Stunden oder länger getestet, um die Werte der Nutzlebensdauer zu ermitteln – 50.000 Stunden wären ja 2.083 Tage bzw. beinahe 6 Jahre. Man testet die LEDs bei überhöhten Temperaturen, wo die Degeneration wesentlich schneller voranschreitet und damit die Testphase erheblich abkürzt, und rechnet dies auf normale Betriebstemperatur um.
Wird weißes Licht über Phosphorkonvertierung gewonnen, so haben wir zum einen die Degeneration des blauen LED-Chips und zum anderen die Degeneration des Phosphors. Wie man hier schon ahnt, ist die Alterung von LED-Chip und Phosphor nicht gleich. Das übliche Phosphormaterial wie z. B. Yttrium Aluminium Granat (YAG) mit Zumischung von Cerium und Erbium ist einer stärkeren Alterung unterlegen. Wir kennen das Phänomen vielleicht noch von Röhrenfernseher bzw. Röhrenmonitoren, bei denen sich Bilder „eingebrannt“ haben. So verschwindet über die Zeit mehr die gelbliche Lichtemission als die des blauen LED-Chips. Man kann verallgemeinern, dass, wenn der LED-Chip 11% seiner Helligkeit verloren hat, der Phosphor bereits mit 40% Verlust behaftet ist. Die LED wird also im Laufe der Betriebszeit immer bläulicher. Die Farbtemperatur nimmt zu, und ob der Farbort weiterhin nah an der planckschen Kurve liegt, ist zu bezweifeln, wodurch damit auch die Farbwiedergabe abnimmt.
Der Verlust der Lichtausbeute nimmt im Laufe der Zeit immer stärker zu – wie bei einer e-Funktion. Wobei es auch LED-Sorten gibt, bei denen eine ausgeprägte Anfangsalterung im Positiven wie auch Negativen auftreten kann. (Bild: Schweizerisches Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK)
Natürlich sind LED-Hersteller bemüht, diesen Umstand zu verbessern. So hat z. B. Osram mit seinem Patent bereits wesentliche Verbesserungen beim Farbdrift durch die Phosphor-Zusammensetzung erreicht. Aber nicht nur durch den Photonenbeschuss von blauen Wellenlängen des LED-Chips altert der Phosphor. Auch Umgebungseinfluss wie Ausdünstungen von organischen Verbindungen wie z. B. Sekundenkleber können die Phosphorschichten über die Maßen schädigen.
Bild: Herbert Bernstädt
Aktiv geregelter LED Scheinwerfer, eingestellt auf 6500K. Durch die Aktivregelung haben Alterungsprozesse keinen Einfluss auf die Lichtqualität.
Bild: Herbert Bernstädt
Aktiv geregelter LED Scheinwerfer, eingestellt auf 3200K. Eine Aktivregelung ist eigentlich eine fortlaufende Kalibrierung.
Großflächig in einer Lichtfarbe homogen auszuleuchten war mit Halogenlicht gar kein Problem. Der „Draht“ der Halogenlampe hat ungedimmt immer in derselben Lichtfarbe emittiert. Wollte man jedoch diese Flächen in farbiges Licht tauchen, dann waren oftmals die Farbfilter unterschiedlich ausgeblichen, und es ergab sich meist ein bunter Farbenteppich. Legte man Wert auf hohe Farbqualität, hatte man die Folien je nach Bedarf oft genug ausgewechselt.
Auch bei den Entladungslampen hat man mit unterschiedlichen Lichtfarben zu kämpfen –manchmal schon bei der Auslieferung, grundsätzlich aber bei der Alterung. Auch hier wurde entsprechend den Anforderungen, etwa bei einer Automobilmesse, kurzerhand alle Leuchtmittel ausgetauscht und selektiert.
Um eine Fläche in eine Homogenen Farbe einzutauchen, benötigt man Scheinwerfer mit gleichen Intensitäten der Einzelfarben. (Bild: Herbert Bernstädt)
Mit der LED haben wir durch die Fabrikationsstreuung bereits Homogenitätsprobleme – etwa durch die unterschiedlichen Binnings der Intensität und der Lichtfarbe (siehe LED-Grundlagen 1, PROFESSIONAL SYSTEM 6.2018). Das bekommt man aber sehr gut mit Kalibrieren in den Griff, vorausgesetzt, man verwendet kalibrierte LED-Leuchten. Denn exaktes Arbeiten ist angesagt: Wenn ein Lichtdesigner eine Farbe, z. B. ein schönes Aquamarin, aus drei LED-Grundfarben Rot, Grün, Blau (RGB) zusammen mischt, dann ruft er mitunter halbe Prozentpunkte auf, um genau den gewünschten Farbton herauszukitzeln. Und nun redet man zwar von 50.000 Betriebsstunden bei einer LED, aber bei dem Zusatz L50 heißt das auch, dass nur noch 50% der Farbe emittiert werden. Wenn wir nun den schönen Aquamarinton fordern, der nur einen halben Prozentpunkt Abweichung erlaubt, müssen wir allein rechnerisch befürchten, dass bereits nach 500 Betriebsstunden Farben unterschiedlich dargestellt werden können.
Links intakte LED, rechts defekte LED durch Überstrom (Bild: Herbert Bernstädt)
Jetzt stellen wir uns einmal den Worst Case vor, wo 24 Lampen die Stadtmauer 24/7 drei Wochen lang in Blau anleuchten sollen, und 24 weitere Lampen leuchten zeitgleich ein Schwimmbad mit der blauen LED an. Anschließend soll der besagte Aquamarinton exakt auf einem Messestand mit all diesen 48 Lampen erzeugt werden. Der Operator wird zuerst alle Leuchten gleich ansteuern und sich dann wundern, das sind seine Scheinwerfer, die noch nicht mal ein halbes Jahr alt sind, einen farblichen Flickenteppich liefern. Fakt ist nämlich, dass bereits in einer relativen kurzen Zeitspanne die Farbgleichheit bei Mischfarben auseinanderlaufen kann, wenn man die LED-Scheinwerfer in unterschiedlichen Farben nutzt. Entweder kann der Anwender im Menü die Farben selbst angleichen, oder es sollte eine Nachkalibrierung durch das Werk erfolgen.
Ansonsten kann es durchaus sein, dass man sich recht früh von der homogenen Farbmischung über große Flächen hinweg verabschieden muss. Denn ein Leuchtmitteltausch wie bei einer Entladungslampe ist bei LED-Strahlern erst mal nicht vorgesehen. Es gibt jedoch auch Systeme, die mit einem Farbsensor den Scheinwerfer korrigieren, um somit der Alterung wie auch der Temperaturdrift aktiv entgegenzuwirken. Leider verschwinden diese Leuchten jedoch aufgrund ihres hohen Preises meist kurz darauf wieder vom Markt.
