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LED-Leuchtfaden

stabförmige lichtgebende elektronische Bauelemente

LED-Leuchtfäden (englisch LED filaments) sind stabförmige lichtgebende elektronische Bauelemente, bestehend aus einem transparenten Träger (Substrat), darauf angebrachten Leuchtdioden (LED) und einer Fluoreszenzschicht.

Eine 230-Volt-LED-Fadenlampe mit einem E27-Lampensockel. Die acht Leuchtfäden sind als gelbe Linien erkennbar.

Eine LED-Fadenlampe (englisch LED filament light bulb) ist ein LED-Leuchtmittel, bei dem solche LED-Leuchtfäden in einem Glaskolben ähnlich einer Glühlampe untergebracht sind.

GeschichteBearbeiten

LED-Fäden wurden von Ushio Denki und Sanyo im Jahr 2008 patentiert.[1] Panasonic patentierte im Jahr 2013 einen Aufbau von LED-Halbleitern auf einem Glasstreifen, waagerecht angebracht, auf gleicher Höhe wie der Glühdraht einer klassischen Glühlampe.[2] Nan Ya Photonics Inc beantragte im selben Jahr eine kreisförmige Anordnung von SMD-LEDs auf Höhe des Glühdrahtes im Glaskolben einer Lampe, verfolgte dies aber nicht weiter.[3][4] Unabhängig davon wurde 2014 in den USA von der chinesischen Firma Shenzhen Runlite Technology ein Patentantrag eingereicht, aber nicht erteilt.[5] Dennoch wird dieser Aufbau seither weltweit vermarktet, als einzelne Filamente oder komplette, gebrauchsfertige Lampen, bei denen das Filament senkrecht oder schräg eingebaut ist. Schräg eingebaute Filamente entsprechen dem Patent von Ushio Denki und Sanyo, das 2012 erteilt wurde.[1] Inzwischen gibt es Lampen mit längeren und gewendelten Filamenten.

LED-LeuchtfadenBearbeiten

AufbauBearbeiten

 
Betrieb eines LED-Leuchtfadens mit ca. 5 % des Nennstroms zeigt die einzelnen LED-Chips unter der gelben Fluoreszenzschicht
 
  • Fluoreszenzschicht
  • Substrat Glas/Saphirglas
  • LED-Chip
  • Anschlussdrähte
  • LED-Leuchtfäden bestehen aus einem schmalen Streifen aus transparentem Substrat wie etwa Saphirglas, auf das blaue und teils zusätzlich rote LEDs mit einer darauf adaptierten Chip-On-Board-Technologie (COB) direkt, d. h. ohne Chipgehäuse, aufgebracht sind. Die einzelnen LED-Chips sind in Reihe geschaltet, an den Enden der Streifen befindet sich jeweils ein elektrischer Kontakt. Um ein breites Lichtspektrum zu erzeugen, sind die Streifen zusätzlich beidseitig mit einer Fluoreszenzschicht überzogen. Deren aktiver Bestandteil ist üblicherweise Pulver aus Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce3+); von ihm rührt die gelbliche Gesamterscheinung der LED-Leuchtfäden her.

    EigenschaftenBearbeiten

    Die typischen Abmessungen von im Jahr 2015 erhältlichen LED-Leuchtfäden sind 38,5 mm × 2,0 mm.[6] Wobei es sie zwischen 26 und 67 mm gibt.[7][8] Die typische Anzahl an LEDs pro 38-mm-Leuchtfaden beträgt 28.[9] In Datenblättern wird die Anzahl und Eigenschaft der einzelnen der in Reihe geschalteten LED herangezogen. Die Betriebsspannung eines einzelnen LED-Fadens beträgt exemplarisch etwa 60 bis 80 V,[10] was sich nach der Anzahl und Typ der LEDs richtet. Sie haben einen spezifiziert zu begrenzenden Betriebsstrom. Dieser liegt typisch bei etwa 10 mA.[10] Bei den 2015 erhältlichen Modellen nimmt ein Leuchtfaden ungefähr 1 W Leistung auf und gibt etwa 100 lm ab, was 2018 auf bis zu 160 lm/W optimiert wurde.[8] Die Farbtemperatur der Leuchtfäden wird bei den derzeit erhältlichen Modellen über das Verhältnis der blauen und roten LEDs, die im Leuchtfaden verbaut sind, sowie über die Zusammensetzung und Dichte der Fluoreszenzschicht bestimmt. Im Gegensatz zu konventionellen LED auf undurchsichtigem Substrat haben LED-Leuchtfäden eine ähnliche Abstrahlcharakteristik wie eine klassische Glühwendel, sie strahlen also beinahe omnidirektional ab, wobei sich an den Seiten des Substrats zwei gegenüber liegende dunklere Zonen bilden.[11]

    Durch die Anordnung der LED-Fäden und den durchsichtigen Glaskolben sehen diese Lampen weitgehend wie klassische Glühlampen aus. Unter der Bezeichnung „Rustika“ wird zudem eine längliche Kolbenform vertrieben, die frühen Glühlampen entspricht. Daher sind diese Lampen gut zur Verwendung in antiken Leuchten, etwa aus der Zeit des Jugendstils, geeignet. Da sie in ihren Abmessungen nahezu identisch mit klassischen Glühlampen sind, lassen sie sich auch in Leuchten mit schmalen Glasschirmen einschrauben.

    LED-FadenlampeBearbeiten

    Aufbau und AussehenBearbeiten

     
    Kohlefadenlampen. Eingeschaltet erinnert das Aussehen von LED-Fadenlampen am ehesten an dieses Leuchtmittel.[12]

    LED-Fadenlampen bestehen weitgehend aus den gleichen Komponenten wie klassische Glühlampen mit Kohlefaden oder Wolframglühwendel. Das sind:

    • der Lampensockel, dessen metallische Teile der Außenhaut die elektrischen Kontakte darstellen
    • der gläserne Lampenfuß mit einer gasdichten Durchführung der Stromzufuhr zur eigentlichen leuchtenden Komponente, in diesem Fall eine Anordnung von LED-Leuchtfäden
    • ein inertes Gas mit hoher Temperaturleitfähigkeit
    • der gläserne Außenkolben

    Zusätzlich enthalten LED-Fadenlampen noch ein kleines, typischerweise in den Lampensockel eingebautes Netzteil, das die Wechselspannung des Stromnetzes auf die benötigte Gleichspannung für den Betrieb der Leuchtdioden umsetzt.

    Durch die Länge und Ausrichtung der LED-Leuchtfäden erinnert das Aussehen von LED-Fadenlampen im eingeschalteten Zustand eher an eine Kohlefadenlampe als an eine Glühlampe mit Wolframglühwendel.[12]

    Die hier beschriebene Bauform eines Leuchtmittels wurde ebenfalls 2014 patentiert.[13]

    Produktevolution und Zusammenspiel der KomponentenBearbeiten

    Die erste LED-Fadenlampe wurde 2008 vom japanischen Hersteller Ushio Lighting, Inc. auf den Markt gebracht. Dieses Modell war allerdings nicht sehr erfolgreich, da es noch einige Probleme aufwies.[14] Es basierte noch auf einer einzelnen großen Chipmatrix, die – wie eine Wolframglühwendel – waagerecht über dem Sockel positioniert war. Die einzelnen LED-Chips der Lampen erhitzten sich sehr stark, was einen dedizierten Kühlkörper notwendig machte. Das führte dazu, dass die Lampe nur einen Abstrahlungswinkel von 180° hatte.[15]

    Um einer omnidirektionalen Lichtabstrahlung nahezukommen, muss auf einen Kühlkörper im klassischen Sinne verzichtet werden. Heutige LED-Lampen mit LED-Leuchtfäden geben daher ihre gesamte Wärme über das umgebende Füllgas (Helium[16]) an den Hüllkolben ab. Ermöglicht wird das durch einen geringen Betriebsstrom und damit geringere Leistung pro Fadenlänge. Wie bei anderen LED-Lampen und Glühlampen muss ein Kompromiss zwischen Lebensdauer und Effizienz gefunden werden. Das bedeutet, dass die Gesamtleistung in der Regel geringer ist als bei den einen Kühlkörper enthaltenden LED-Lampen.

     
    Perlschnur-Effekt – Interferenz einer Filament-LED-Lampe, betrieben an 50 Hz (100 Hz nach Gleichrichter), erzeugt mit der Bildabtastung der Digitalkamera das Flimmern im Bild

    Als Vorschaltgerät wird oft ein Kondensatornetzteil verwendet. Am Kondensator liegt etwa die Differenz zwischen der gleichgerichteten Netzspannung und der LED-Gesamtspannung an. Aufgrund der relativ hohen Betriebsspannung der LED-Leuchtfäden ist diese vergleichsweise gering; der kostenbestimmende Kondensator kann klein ausfallen und findet zusammen mit den Zusatzkomponenten im Lampensockel Platz. Solche LED-Lampen sind nicht immer dimmbar. Minderwertige Varianten verzichten auf einen ausreichend dimensionierten Elektrolytkondensator zur Spannungsglättung und flimmern daher mit 100 Hz, der doppelten Netzfrequenz. Bessere Lampen enthalten eine aufwendigere Elektronik und sind oft auch dimmbar (siehe auch bei LED-Leuchtmittel).[17]

    LebensdauerBearbeiten

    Der entscheidende Faktor für die Lebensdauer von LEDs ist die Betriebstemperatur. LED-Lampen mit höherer Leistungsaufnahme (z. B. 8 W) haben daher zwar einen höheren Lichtstrom, jedoch auch oft eine höhere Temperatur und damit eine potentiell geringere Lebensdauer als eine gleich große Lampe mit geringerer Leistungsaufnahme (z. B. 5 W).

    Oft können die Angaben zur Lebensdauer zwischen verschiedenen Herstellern nicht verglichen werden, da die Kriterienauswahl noch nicht vereinheitlicht wurde. So nimmt beispielsweise ein Hersteller einen Lichtstromrückgang auf 70 % als Kriterium für das Lebensdauerende an, ein anderer hingegen 50 %. Weiterhin werden verschiedene Ausfallraten zugrunde gelegt.

    Manchmal wird eine Umgebungstemperatur von maximal 35 °C angegeben, die typische Lebensdauer aber auf 25 °C Umgebungstemperatur der Lampe bezogen, was bei vielen Leuchten wegen der behinderten Konvektion unrealistisch ist. Somit sind die Werte idealisiert und beim Verbraucher nicht reproduzierbar.

    Hier ist jedoch in den kommenden Jahren mit wesentlichen Vereinheitlichungen durch den Markt und den Gesetzgeber zu rechnen, ähnlich wie es bei der Umrechnung des Lichtstroms auf klassische Glühlampen („… entspricht 60 W“) im Zuge des Glühlampenverbots geschehen ist.

    Zum vorzeitigen Ausfall führt der Betrieb von LED-Fadenlampen mit Kondensatornetzteil

    • an Dimmern,
    • gemeinsam mit schlecht entstörten Geräten, sowie
    • mit nicht sinusförmigem Strom, z. B. aus Netznachbildungen wie unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USVs).

    Dabei wird der höherfrequente Störstrom und nicht-sinusförmige Strom über den Kondensator durch die LEDs geleitet und führt zu nicht spezifiziertem Überstrom.

    EnergieeffizienzBearbeiten

    Die oben erwähnten typischen Daten (1 W liefern um die 100 lm) ergeben direkt eine Lichtausbeute von 100 lm/W; aktuelle Modelle können Werte um 150 lm/W erreichen.[18][19] Leuchtmittel mit einer derartigen Lichtausbeute sind in eine der zwei höchsten Energieeffizienzklassen A+ und A++ eingeordnet.

    Die Lichtausbeute geht durch hohe Umgebungstemperatur zurück, ebenso die Lebensdauer, die durch einen Lichtstromrückgang (Degradation) auf beispielsweise 50 oder 70 % gekennzeichnet ist.

    Qualitätsmerkmale von LED-FadenlampenBearbeiten

    • Dimmbarkeit: bei vielen preiswerten Modellen nicht gegeben
    • Flimmern: typisches 100-Hz-Flimmern kann mit Mehraufwand vermieden werden
    • Funkstörungen: treten bei Schaltnetzteilen auf; Einhaltung der EMV-Grenzwerte oft fraglich
    • Leistungsfaktor: cos phi typ. etwas über 0,5 führt zu größerer Effektivstrom-Aufnahme
    • Störgeräusche: können in Schaltnetzteilen entstehen
    • Farbwiedergabeindex: Ra-Werte von über 90 erreichbar[20]
    • Lichtausbeute: gemeinsam mit der Lebensdauer und den Einsatzbedingungen zu bewerten

    Weitere Merkmale sind das Design und die Verarbeitungsqualität. Viele der Merkmale oder deren richtige Angabe auf der Verpackung sind nur im Messlabor ermittelbar oder gar nicht. Hinzu kommt Produktpiraterie. Die meisten Lampen (auch europäischer Anbieter) kommen aus Asien, wo auch die wichtigsten Patentrechte liegen.

    Vergleich mit anderen LeuchtmittelnBearbeiten

    SpektrumBearbeiten

    LED-Fadenlampen enthalten analog zu anderen LED-Leuchtmitteln blaue und zum Teil rote LEDs (letztere für einen höheren Farbwiedergabeindex und eine wärmere Farbtemperatur). Diese sind mit einer Fluoreszenzschicht überdeckt, die den noch fehlenden mittleren Teil des Lichtspektrums auffüllt. Im Gegensatz zur Kompaktleuchtstofflampe ist das Spektrum relativ kontinuierlich und weist keine extrem herausstechenden Spitzen einzelner Farben auf.

    Lichtstrom und LeistungBearbeiten

    Durch die inzwischen (Stand Dez. 2015) relativ hohe Effizienz der verwendeten LEDs kann auch mit den relativ geringen Gesamtleistungen von etwa 5 bis 8 W ein Lichtstrom erzeugt werden (1000 lm bei 8 W[21]), der mit kleinen bis mittleren Leistungen von Glühlampen (bis etwa 75 W) bzw. Halogenlampen (heller als 42 W) vergleichbar ist. Höhere Lichtströme bei entsprechend höherer Leistungsaufnahme sind mit Stand Ende 2015 LED-Leuchtmitteln mit dediziertem Kühlkörper vorbehalten; diese strahlen ihr Licht bauartbedingt jedoch – anders als klassische Glüh- oder LED-Lampen – meist nur geringfügig in Sockelrichtung ab, was in einigen Leuchten ein Problem darstellen kann.

    Beispiele für BauformenBearbeiten

    WeblinksBearbeiten

      Commons: LED filament lamps – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

    EinzelnachweiseBearbeiten

    1. a b https://patents.google.com/patent/US20090184618A1
    2. Nobuyoshi Takeuchi, Tsugihiro Matsuda, Hideo Nagai, Masahiro Miki, Takaari Uemoto: Light bulb shaped lamp and lighting apparatus. 2014. Abgerufen am 26. September 2017.
    3. Bor-jen Wu: LED LIGHT BULB (abandoned). US Patent office. Abgerufen am 4. Januar 2015.
    4. Yunglong Feng: LED LIGHT AND FILAMENT THEREOF (abandoned). US Patent office. Abgerufen am 4. Januar 2015.
    5. Yunglong Feng: LED LIGHT AND FILAMENT THEREOF. US Patent office. Abgerufen am 4. Januar 2015.
    6. Novel LED packaging adds filaments to retro bulbs – Designing with LEDs. In: Designing with LEDs. 25. Juni 2014 (designingwithleds.com [abgerufen am 24. Mai 2018]).
    7. http://www.runlite.cn/en/product-default-358.html
    8. a b http://www.runlite.cn/en/product-detail-129.html
    9. LED Filament Bulbs. Abgerufen am 24. Mai 2018 (englisch).
    10. a b http://www.runlite.cn/userfiles/5cjerp755q19k1413258994.pdf
    11. http://yuanleicom.hkhost1.baten.cc/userfiles/file/20160901/20160901084246_29396.pdf
    12. a b How do filament LED bulbs work, looking very similar to incandescent bulbs? Abgerufen am 24. Mai 2018.
    13. Bor-jen Wu: LED LIGHT BULB. US Patent office. Abgerufen am 4. Januar 2015.
    14. Abbildung
    15. The Next Generation of LED Filament Bulbs - LEDinside. Abgerufen am 24. Mai 2018 (englisch).
    16. https://www.led.de/led-filaments-led-lampen-der-naechsten-generation-im-gluehwendel-design
    17. LED-Lampen mit Besonderheiten: Filament LED (Glühfaden)/dimmbar. In: Preisvergleich. heise online, 27. November 2017, abgerufen am 27. November 2017.
    18. Messprotokoll Osram AB39006. (PDF) Beispielmesswerte einer 6-Watt-Filament-LED-Lampe. fastvoice.net, abgerufen am 29. November 2016.
    19. Wolfgang Messer: LED-Fadenlampen – ein Fest für Anwälte. 16. Februar 2016, abgerufen am 29. November 2016.
    20. Im Test: Dimmbare vosLED-Fadenlampe - Effizienz-Wunder mit Macken – Fastvoice-Blog. In: Fastvoice-Blog. 19. Juli 2014 (fastvoice.net [abgerufen am 24. Mai 2018]).
    21. LEDCAT LED E27 Birnenlampen. Abgerufen am 24. Mai 2018.