LED Module in der Praxis - Licht / Begriffe

Das Licht ist eines der massgebenden Faktoren in unserem schönen Hobby Meerwasseraquaristik.
Schön kann man dieses auch in den tropischen Meeren beobachten.
Hier finden wir in den gut durchfluteten Riffdächern eine sehr grosse Artenvielfalt und gehen wir da in die Tiefen reduzieren sich diese lichthungrigen Korallen immer wie mehr.
Schauen wir nun mal das Licht ein wenig genauer an, stellen wir fest dass sich dieses Licht aus einer Vielzahl von Lichtstrahlen unterschiedlichster Farben zusammensetzt.
Dieses Licht  wird als elektromagnetische Strahlung bezeichnet, hier wird vom Spektrum gesprochen. Das menschliche Auge nimmt aus diesem Spektrum ein Bereich zwischen ca. 380 und 555 nm wahr.

Lumen

Einheitsbezeichnung:   Lm

Physikalische Grösse: Lichtstrom

SI-Einheit:                  1 Lm

Lux

Einheitsbezeichnung:   Lx

Physikalische Grösse: Beleuchtungsstärke

SI-Einheit:                  1lx= 1lm/m²

Kelvin / Farbtemperatur

Einheitsbezeichnung:   K

Physikalische Grösse: Absolute Temperatur

SI-Einheit:                  Basiseinheit

Der Wert in Kelvin sagt nur etwas über die Farbtemperatur einer Lichtquelle aus. Die Farbtemperatur einer Lichtquelle gibt die Farbmischung (Summe) aller Spektralanteile wieder.

Photonenfluss oder Photosynthetische aktive Strahlung PAR

Einheitsbezeichnung:   PAR

SI-Einheit:                  µmol/m²/sec

(engl. Photosynthetically Active Radiation)
Dieser Wert gibt an wie viel Mikro Mol ab Photonen pro Sekunde auf einen m2 fällt. Dies ist der Bereich im Spektrum zwischen 400-700nm der Sonnenstrahlung, der von Photosynthetische aktiven Lebewesen genutzt werden kann.

Lichtspektrum oder auch Farbspektrum

Farbe

Wellenlänge in nm

Frequenz in THz

rot

≈ 790 - 630

≈ 379 - 476

orange

≈ 630 – 580

≈ 476 - 517

gelb

≈ 580 - 560

≈ 517 - 535

grün

≈ 560 - 480

≈ 535 - 624

blau

≈ 480 - 420

≈ 624 - 714

violett

≈ 420 - 390

≈ 714 - 769

1. Qualität der LED`s
2. Effizienz der Elektronik
3. Lichtlenkungen

In Zeiten in denen der Markt mit LED-Leuchten überflutet wird und man die unterschiedlichsten Aussagen hierzu hört, ist es umso wichtiger diese Technik mit ihren vielen Angeboten richtig einschätzen zu können. Im folgendem möchte ich einmal klare Kriterien nennen, die aus technischer aber auch aus Sicht der Korallen wichtig sind. Natürlich ist das Thema etwas komplexer. Jedoch sollte man sich vor der Anschaffung unbedingt mit ein paar Dingen vertraut machen, um nicht hinterher vor einer Überraschung zu stehen.

1. Qualität der LED`s

Als aller erstes ist es wichtig zu wissen, dass LED nicht gleich LED ist. Technisch gesehen mag dies vielleicht so sein, aber für unsere aquaristische Anwendung gibt es hier sehr große qualitative Unterschiede.
Der Sinn und Zweck von LED-Leuchten in unserem Hobby steht und fällt mit der Qualität der verwendeten LEDs. Man sollte meinen, dass dies selbstverständlich sei, aber leider wird hier häufig viel zu wenig darauf geachtet.
So macht es zum Beispiel keinen Sinn, wenn mit den Vorteilen der LED geworben wird, aber diese dann bei der technische Umsetzung völlig auf der Strecke bleiben, da die verwendeten Komponenten qualitativ nicht ausreichen.
Hier ist es deshalb wichtig den derzeit aktuellen Stand der Technik bei LEDs zu kennen, um nicht veraltete Technik zu möglicherweise überteuerte Preise zu bekommen.
Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass die Effizienz der LED sehr stark von der Lichtfarbe abhängt. Dies ist den meisten kaum bekannt, aber für unsere Anwendung sehr wichtig. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die derzeit erreichbare Effizienz bei verschiedenen Lichtfarben von High-Power LED.

An Hand einer kleinen Licht Demonstration möchte ich hier aufzeigen, warum Weiss eine kleiner Effizienz aufweist als Royal Blue.
Die Bassis für das Weiss ist die Royal Blue, diese wird phosphorisiert und je Dicker die schicht wird je heller wird das Weiss.

Wie man hier nun sieht, ist aus einer Royal Blue Diode durch Phosphorbeschichtung, warmes Weiss entstanden.
Je dicker die Beschichtung wird, desto mehr nähern wir uns einem kalten Weiss.

Hiermit kann man diese Effizienz - Reduktion von einer weissen Diode auch verstehen.

Damit wir überprüfen können welche Qualität die verwendeten LEDs in den verschiedenen Leuchten wirklich haben, brauchen wir vergleichbare Werte.
Hierbei muss man jedoch sagen, dass die Angaben in der Helligkeit leider nicht bei allen Lichtfarben einheitlich vorgenommen wurden. Orientiert man sich aber an den verbreiteten High-Power LEDs, kommt es zu folgenden vergleichbaren Werten, die maximal derzeit zu bekommen sind.

Farbe

Wellenlänge

bei 350 ma

ca. 1Watt

bei 700ma

Bisher häufig bei 350ma

(1 Watt)

Royal Blue

450 nm

650 mW

1120 mW

500 mW

Blue

470 nm

35 – 40 lm

60 – 70 lm 

30 – 40 lm

Cyan

505 nm

80 lm

135 lm 

80 lm

Green

530 nm

100 lm

175 lm 

100 lm

Cold White

6500 K

150 lm

260 lm

120 – 140 lm

Warm White

3000 K

130 lm

220 lm

100 – 120 lm

Deep Red

 650nm

80 lm

150 lm

60 – 80 lm

Wenn man sich diese Zahlen verdeutlicht, werden vor allem schnell zwei Dinge sehr deutlich:

Neben den großen Unterschieden die LEDs in Abhängigkeit zur Farbe, gibt es natürlich auch noch große qualitative allgemeine Unterschiede.
So liest man häufig immer wieder, dass sich Leute mit großer Begeisterung selber eine LED-Leuchte bauen. Dies kann grundsätzlich auch eine interessante Sache sein. Leider wird dabei oft vergessen auf wichtige technische Details zu achten. So wird oft gerne auf größere Emitter mit z.B. 50 Watt zurückgegriffen, da diese einfacher in der Verdrahtung sind und häufig günstig aus Fernost angeboten werden. Schaut man dann in die Datenblätter dieser Emitter, werden hier teilweise nur max. 3000 Lumen bei 50 Watt angegeben. Das sind gerade einmal 60 lm/Watt und ist sehr weit von den heute technischen Möglichkeiten entfernt. Man sollte hier also aufpassen, dass man kein „Schnäppchenopfer“ von günstiger Ware wird, bei dem der eigentliche Nutzen von LED-Technik durch die schlechtere Qualität letztlich völlig auf der Strecke bleibt. Selbst Emitter mit 100 lm/Watt sind heute nicht mehr Stand der Technik.

Während bei Halogenmetalldampflampen (HQI) oder T5-Leuchtstofflampen die Unterschiede tendenziell eher gering sind, kann der Unterschied bei LEDs sehr drastisch ausfallen. Dies fällt optisch nicht unbedingt immer sofort ins Auge, da die gerichtete "Leuchtkraft" optisch immer sehr hell wirkt.
Tatsächlich gibt es aber eben deutliche Unterschiede. Würdet man T5-Röhren kaufen die 40% schlechter sind als der mögliche Standard?

Wohl kaum.

Bei den LEDs ist dies aber häufig leider Praxis. Aus diesem Grund sollte man die Datenblätter der verwendeten LEDs immer kritisch prüfen. Hier insbesondere welcher "Helligkeits-Bin" tatsächlich verwendet wurde. Denn als Hersteller von Leuchten kann man jedem LED in verschiedenen Helligkeiten bestellen, was dann wiederum für den Preis der LEDs ausschlaggebend ist.
So kann man als Hersteller zB. die häufig verwendete Cree xpe in Royal Blue von min. 425mw bis min. 550 bestellen. Hier gibt es also locker 20% Unterschied. Man sollte also unbedingt auf die Herstellerangaben (soweit vorhanden) zu den verwendeten LEDs achten. Macht der Hersteller keine Angaben zu den wirklich verwendeten "Helligkeits-Bin" der verwendeten Leds, spricht dies nicht für eine gute Kundenaufklärung und man sollte dies auch entsprechend bewerten.

Ein kaum beachteter, aber wichtiger Punkt ist auch die Effizienz der Netzteile bzw. Regelelektronik.
Leider macht kaum ein Hersteller hierzu Angaben und häufig wird das Tuch des Schweigens hierüber gehüllt. Dabei gibt es auch hier deutliche Unterschiede.
Während "Standard-Netzteile" häufig nur 80% Effizienz haben (hier besonders die Netzteile mit niedriger Spannung und kleiner Leistung), kommen Premium-Netzteile an eine Effizienz von 95%. Leider sind diese entsprechend teuer und finden daher nur selten den Weg in eine Serienproduktion.
Auch bei der Regelelektronik kann es deutliche Unterschiede in der Effizienz geben. Insgesamt spielt die Effizienz der Elektronik eine deutliche Rolle bei der Systemeffizienz von LED-Leuchten.
Hier kann schnell ein Unterschied von 20% zustande kommen. Man sollte daher auch auf diesen Punkt wesentlich mehr achten und ggf. hinterfragen.

Keine aktive Lichtlenkung:
Bei diesem System wird auf jegliches verzichtet, das heisst das Licht der Dioden kann direkt in unser Becken gelangen. Hierbei hat man aber einen deutlich höheren Anteil an seitlichem Streulicht, welches ungenutzt verschwendet wird, anstelle von einer aktiven Lichtlenkung oder durch eine Optik dieses konzentrierter ins Becken zu leiten.

«keine aktiven Lichtlenkung»
Hier sieht man nun sehr schön wie sich das seitliche Streulicht sehr negativ auf die PAR Werte ausbildet.

Modulbeispiele:
ACI-Coral, Cidly,  Eigenbau, Giesemann, Tropic Marin, Vertex, Zetlight und viele andere Module

Aktive Lichtlenkung durch Optik
Hier wird zur Verminderung des Streulichtes eine besondere Linse eingesetzt. Bei der Verwendung von Linsen wird das gesamte Licht durch ein Material geschickt, wo es dann zwangsmässig zu zusätzlichen Verlusten kommt. Dieser Verlust kann sich zwischen 10-20% bewegen und ist abhängig der Winkel dieser Optiken.

«Aktive Lichtlenkung durch Optik»
Hier wird man sehr hohe PAR-Spitzenwerte erhalten.
Die auch zu Verbrennungen von Tieren führen kann.

Modulbeispiele:
Aqua Illumination Hydra; Sol Blue, Cidly Apollo; Phantom 2, EcoTech Marine LED Radion XR30w und Pro, Maxspect R420r, Orphek Atlantik V1, V2, PR 156, PR 72 und viele andere Module

Aktive Lichtlenkung ohne Optik

Bei einer Aktiven Lichtlenkung ohne Optik wird das Licht wie bei HQI oder T5 mit Hilfe von Schirmen zu eine optimalen Lichtlenkung eingesetzt. Hierbei sind die Winkel, Abstände zu den einzelnen Dioden natürlich sehr wichtig, damit dass optimal ins Becken gelenkt werden kann.

«Aktive Lichtlenkung ohne Optik»
Hier werden die PAR-Werte abgeflacht
Eine breitere Verteilung mit hohen Spitzenwerten auf ein Grösser Fläche.

Modulbeispiele:
ATI Hybrid, GHL, Illutronix, Mitras

Messungen

1. Messungserläuterungen
2. Vergleich Apogee Spektrometer
3. Vergleich T5 / HQI / LED
4. Verluste von LED Modulen

1. Messerläuterungen

Allgemein was will man Messen?

Hier geht es nun darum die Module auf ihre Effizienz ein wenig unter die Lichter zu schauen. Hierbei stellte sich dann schnell die Frage, was kann man da den Messen wo eine Aussage für unsere Haltung der Tiere geht.

Dabei sind die PAR-Werte sicherlich eine gute Grösse. Da die Leistung bei unserem schönen Hobby auch immer eine grössere Rolle spielt, ist hier die Leistungsaufnahme der Module natürlich auch massgebend. Hierzu ist natürlich auch ein optimales Spektrum massgebend. Da dies aber ein ganz anders Thema ist und hier sehr unterschiedliche Theorien dazu bestehen: ‘was meinem Tier am besten tut’, möchte ich da eigentlich nicht weiter darauf eingehen, sondern man kann diese Spektren bei den jeweiligen Datenblätter sich anschauen und selber beurteilen, ob dieses Modul den gewünschten Ansprüchen für die Tiere gerecht wird.

Aus diesem Grund habe ich mich entschlossen folgende Werte zu messen:

• PAR-Werte
• Leistungsaufnahme des Moduls
• Spektrum im Zentrum
• Lux im Zentrum

Versuchsvoraussetzung

Modernes, Zuverlässiges und sehr gutes Messinstrument.
Konstante Messvoraussetzungen und unter gleichen Bedingungen.
Vermessene Module selber erwerben, damit eine Neutralität und keine Gewissensfrage aufkommen können.
In sich vergleichbare Werte mit einer möglichst hohen Genauigkeit erreichen.

Versuchsaufbau
Damit eine Aussage gemacht werden kann unter den Modulen, musste hier eine möglichst gleiche Konstante geschaffen werde. Da es mir nicht möglich ist, dies in einem Labor durchzuführen, musste ein Kellerraum hinhalten. Dieser kann komplett abgedunkelt werden und weist eine gleichbleibende Raumtemperatur auf während der Messperiode von ca. 19° Celsius.

Im Weiteren musste auch ein Gerät gekauft werden, um diesem Versuch gerecht zu werden. Aus diesem Grund habe ich mir ein geeichtes Spektrometer getSpec 2048 angeschafft. Nebenbei wurde auch das alte Apogee Quantum Meter MQ-200 eingesetzt um auch Vergleichsmessungen zu machen. Damit gewiesen Rückschlüsse auf alte Messungen, oder publizierte Messungen im Netz gemacht werden können. Den das Apogee MQ 200 ist ein Gerät, das im Privaten gebrauch schon oft vorhanden ist.

Ablauf der Messungen

Altes gemessenes Modul sowie neues Modul wurden in Betrieb genommen,
Beide Module liefen auf 100% Leistung min. 1 Stunde.
In dieser Zeit wird das Spektrometer in Betrieb genommen und mit einer Eichung abgeglichen (PC Datei/Software).

Nach dieser Stunde wird das alte Modul im Zentrum nochmals vermessen und mit dem zuletzt gemessenen Resultat verglichen. Falls hier eine Differenz grösser als 2% vorlag, wurde das Spektrometer nochmals neu gestartet. (Ist in dieser Zeit ein einziges Mal vorgekommen).

Nun wird das alte Modul durch das neue Modul auf dem Messtisch ausgetauscht und eingerichtet. Die Ausrichtung gegenüber dem Messtisch ist auf das Modulgehäuse vorgenommen worden.

Im Anschluss wird das Moduln in einem Raster von 6cm abgefahren und auf 3 Höhen vermessen.

Diese drei Höhen sind immer uk. Modul bis zum Messinstrument auf die Höhe von 30, 45 und 60cm vermessen worden.

Die Resultate notiert und im jeweiligen Zentrum der Module, wurde zusätzlich das Spektrum abgespeichert und der Lux-Wert, sowie der CIE –Wert (Beschreibung der Qualität einer Farbe und-abhängig von der Luminanz) in x, y, z Achse notiert.

Hierbei wurden alle Module wie folgt vermessen

Module < 100 Watt auf einer Fläche von 48 x 48cm / Raster von 6 x 6cm
Module > 100 Watt auf einer Fläche von 84 x 60cm / Raster von 6 x 6cm
Module <   30 Watt auf einer Fläche von 24 x 24cm / Raster von 3 x 3cm

Definition des Abstandes uk. (unterkannte) Modul:
Muss nicht identisch sein mit dem Abstand zu den Dioden, aber dieser Abstand kann nur durch öffnen der Module erreicht werden. Daher wurde jeweils die Distanz zur Unterkante der Abdeckung gewählt.

2. Vergleich Apogee Spektrometer

Da das Apogee Quantum MQ 200 bei diversen Aquarianern zu Anwendung ist und ich selber vor ein paar Jahren mit diesem Gerät die ersten Messungen vorgenommen habe, wollte ich da einen Vergleich haben.
Hierbei wusste ich nicht wie sich dieses Gerät auf die Verschieden Lichttypen, sowie auf Farben verhält.
Aus diesem Grund habe ich hier 3 Module verwendet, wo unterschiedliche Lichtlenkungen einsetzen.
Keine Lichtlenkung, aktive Lichtlenkung mit Hilfe von Linsen/Optiken und mit einer aktiven Lichtlenkung ohne Optik.
Für den Farbvergleich hat sich das Modul von GHL Mitras 6100LX sehr gut Angeboten, da hier 8 Farbkanäle zur Auswahl stehen.

Modulvergleich

Beim GHL Mitras wurden folgende Farbkanäle vermessen:
Blau, Royal Blau, kalt Weiss, neutral Weiss, Rot, Tiefrot, Tiefgrün und Gelb. Parallel wurden hier auch nochmals alle Kanäle

Wie man dieser Tabelle entnehmen kann liegt der PAR-Wert Unterschied beim Messvergleich von Apogee zum Spektrometer im Farbbereich Differenzen von 26 – 46%.
Aus diesem Gesichtspunkt dürfte man bei Vergleichen zu diesen Resultaten von einer Wertreduktion von ca. 30-35% ausgehen.

Im Netz werden immer wieder Aussagen gefunden, das ein HQI Strahler 150 Watt oder 250 Watt dieses oder jenes Modul ersetzen. Als Vergleich habe ich hier folgende Module, die alle Neuwertige Brenner gehabt haben und bis auf die HQI Modul (nicht Brenner) Neuwertig gewesen sind.

• ATI Power Modul T5 4 x 24Watt
• HQI 150Watt
• HQI 250 Watt
• Giesemann Teszla     66Watt
• Orphek PR-Reef       72 Watt
• ATI LED                     75 Watt

Vermessungshöhe:                30cm unter Kante Modul
Vermessungsfläche:              48/48cm in einem Raster von 6x6cm
Vermessungsinstrument:       Spektrometer getSpec 2048
Raumtemperatur:                  19° Celsius
Modul Brennvorlauf:              ca. 60 Minuten

Möchte hier nochmals auf die Aussage, die man im Netz sehr oft liest und von Händlern zu Hören bekommt, dass 0.5 Watt LED / Liter eine Berechnungsgrundlage für die LED Beleuchtung sein kann.

 Wenn ich mir hier die Effizienz (PAR/Watt-Vergleich) anschaue ist es eigentlich nicht erstaunlich dass die Stromfresser HQI schlecht abschneiden. Schaue ich mir aber den PAR-Mittelwert auf dieser Fläche an, sehe ich dass diese Aussage nicht zwingend für alle LED Typen angewendet werden kann. Hier spielt wiederum die Lichtlenkung eine Rolle und man kann da nicht Pauschal sagen, dass wir unsere Aquarien im Meerwasser mit 0.5Watt/Liter betreiben können.

Die Besatzfrage steht hier auch noch im Raum.

4. Verlust von LED Modulen

Hier wurden Module gewählt, wo ich nach dieser Betriebszeit neue Module von Händlern auslehnen durfte und diese unter dem Spektrometer neu zu vermessen. Hierbei könnte es sein, das die Hersteller in dieser Zeit neuere Dioden zum Einsatz gebracht haben und dies die Verluste etwas relativieren würde.
Die vermessenen Module haben hier eine Brennzeit von 14 Stunden, davon je 1.5 Stunden Dimmung von 0 – 100%, respektive von 100- 0%.
Sprich in 1 Jahr ca. 5‘100 Stunden Betriebszeit.
Diese Module sind in diesem Zeitraum über irgendeiner meiner Becken im Einsatz gewesen und nicht in einem Labor. Sprich diese Module sind den jährlichen Temperaturen (Winter/Sommer) ausgesetzt gewesen.

Erlauben Sie mir hier wie in der Verkaufsbranche auch mal ein Schlagwort / Aussage in Raum zu stellen.

„Nach 4 Jahren haben wir die gleichen Verluste wie bei T5 in 8 Monaten“

Die Aussage vom T5 wurde an einem ATI Powermodul 8 x 39Watt vermessen. Hierbei einer Neubestückung sowie mit alten T5 Röhren die 8 Monate im Einsatz gewesen sind. Dies auch auf einer Fläche von 48x84cm. T5 Röhren von ATI alt sowie neu Bestückung mit:

 Aquablue Special       6 Stück
 Blue Plus                    2 Stück

Bei den LED Modul habe ich mit dem Apogee über die Jahre im Zentrum Messungen gemacht und wen ich diese ins Verhältnis zu dem Spektrometer setze (Korrektur von 30-35%) habe ich festgestellt, dass sich diese Werte decken bis auf ca. 5-10%.
Hieraus würde sich trotz Modulwechsel dann ein jährlicher PAR-Wert Verlust von ca. 8 – 14% ergeben. Nach den Messungen mit dem Apogee sieht man auch das diese nicht Linear verlaufen und somit werden die Module sehr wahrscheinlich eine Lebensdauer von ca. 5-6 Jahren erreichen. Sehr interessant hierbei ist eine Messung gewesen, wo ein Modul in einem Zeitraum nur auf Maximal 80% gelaufen ist, aber die gleichen Verluste nachgewiesen wurden wie bei 100% Betrieb. Wenn ich nun diese ca. 5‘000 Stunden mit 6 Jahren Betriebszeit hoch Rechner erhalte ich da ca. 30‘000 Betriebsstunden wo uns die meisten Hersteller auch versprechen. Hingegen sind da die Angaben von 50‘000 Stunden eher nicht realistisch.