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Holger

nitroxatmer

  • »Holger« ist der Autor dieses Themas

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Samstag, 12. Oktober 2013, 17:31

LED Theorie

Eins vorweg:
diese Ausführungen wollen keinen Anspruch auf einen Dipl.-Ing.-Titel rechtfertigen,
sondern vielmehr den interessierten Einsteiger zu eigenen Versuchen mit der
LED-Beleuchtung ermutigen.

Daher versuche ich es nicht zu technisch werden zu lassen :whistling:
Tiefer gehende Erklärungen findet Ihr bei Wikipedia oder in den Links.

Für Fragen oder Hinweise per PN bin ich dankbar, denn ich weiß ja wovon ich schreibe :rolleyes: .
Also wenn am Ende noch Fragen bei Euch offen sind oder ihr es gut fandet:
Lasst es mich wissen!!

Ebenso besten Dank für Ergänzungen!

Zu Beginn ein paar Begriffe:


->LED -ist die Kurzbezeichnung für >Licht-Emittierende-Diode<.
Also eine Diode, welche Licht ausstrahlt Die Besonderheit der LED ist der gute
->Wirkungsgrad -dieser gibt an, wie viel der zugeführten Energie in die gewünschte
Energieform umgewandelt wird
(in unserem Fall elektrische Energie in Lichtenergie, der Rest ist Wärme)
Die LED gibt einen Großteil der Energie als Licht aus. Licht wiederum besteht aus verschiedenen
->Spektralfarben, welche in Kombination "weißes" Licht ergeben können.
Daher ist Licht auch nicht gleich

->Licht. Warmweißes Licht hat einen hohen Rot-Anteil, Kaltweiß hat einen hohen Blau-Anteil.
Näheres dazu hier im BEITRAG von Harald, etwas weiter unten zu finden, gut illustriert und verständlich.
Da im Meerwasser nur Blau in tiefere Regionen vordringt, haben sich die
Korallen an diesen Umstand angepasst.
Über den Riffen strahlt die Sonne sehr steil aufs Meer-
das bedeutet höchste
->Leuchtstärke auf kleinem Raum, was wir nur zu einem Bruchteil im Aquarium nachbilden können.
Die Leuchtstärke verschiedener Spektralanteile ist für das menschliche Auge jedoch
nur schwer einzuschätzen, da unser Auge nur für einen kleinen Teil des Spektrums "optimiert" ist.
UV (ultraviolettes)-Licht kann unser Auge z.B. gar nicht sehen...
Darum wird "weißes" Licht durch die
->Farbtemperatur beschrieben. Hohe Rotanteile werden durch niedrige Werte (zB 3.000K)-
hohe Blauanteile durch hohe Werte (zB 20.000K) dargestellt.
Dazu kommt der
->Lichtstrom, welcher ,ganz grob gesagt, die Lichtmenge über eine bestimmt Zeit wiederspiegelt.
Da der Lichtstrom in direkter Abhängigkeit zur Spektralfarbe (=Wellenlänge) steht,
scheinen zB weiße und blaue LED`s per Lumen-Wert verschieden hell zu sein...-scheinen.
Doch dazu später mehr.

Zum Betrieb einer LED benötigt man elektr.
->Strom. Damit dieser fließen kann, benötigt man eine Stromquelle, welche eine bestimmte
->Spannung aufweist. Aus dem Produkt von Strom und Spannung ergibt sich die
->Leistung, die der Verbraucher (unsere LED) aufnimmt.

Und nun wird es doch etwas technisch.

Da die LED vom technischen gesehen einfach eine Diode (in Durchlassrichtung) ist,
kann praktisch ein unbegrenzt hoher Strom durch sie fließen.
Dies würde sie jedoch zerstören, da dann auch die aufgenommene Leistung
unbegrenzt hoch wäre.
(Praktisch nur begrenzt durch die Stromquelle)

Damit sind wir auch schon bei den Betriebsarten der LED:

Den maximal fließenden Strom kann man auf mehrere Arten begrenzen mit einem
Widerstand
>>bei kleinen Leistungen akzeptabel, für uns ist das jedoch nix,
da zu viel Wärme entsteht!<<
http://forum.electronicwerkstatt.de/phpBB/faq/led/ oder einem
Längsregler
>>bei kleinen Leistungen akzeptabel, für uns ist das auch nix,
da zu viel Wärme entsteht!<< oder einer
Konstantstromquelle
(KSQ genannt)

eine KSQ stellt den für unsere LED benötigten Strom zur Verfügung, wodurch sich "über"
der LED die benötigte Flußspannung einstellt.
Das tut die KSQ mit dem derzeit besten Wirkungsgrad,
weshalb wir diese zum Betrieb der LED nehmen sollten.


Nun lassen wir den Strom fließen ! ?


Eine Bemerkung noch:
Zum Betrieb brauchen wir ja elektrischen Strom.
Unpraktischer weise ist unser Meerwasser das perfekte Leitmedium.
Dahermuß (wie immer) in der Wassernähe äußerst respektvoll mit
230V-Leitungen umgegangen werden!



Zur eigenen Sicherheit sollten wir auf die direkte Verwendung von
230V-KSQ`s verzichten.

Ebenso auf die Verwendung von billigen Schaltnetzteilen (i.d.R. ohne Erdungsanschluß).
Denn beide bergen möglicherweise die Gefahr in sich, dass 230V direkt auf
einer Niederspannungsleitung anliegt.

Bessere Schaltnetzteile neuerer Bauart oder herkömmliche Trafos sind in
dieser Hinsicht sicherer, je nach Modell!


Sichere Niederspannung beträgt 24Volt, woraus sich ableitet,
dass ohne Bedenken nur LED´s bis maximal 20W in Frage kommen.

Bei anderen Leistungen/Spannungen ist ein Wasserdichtes Gehäuse für
unsere eigene Sicherheit unabdingbar!!


Die Kühlung (gaanz wichtig !!):

Bei den leistungsstarken LEDs /LED-Chips ab 1W Leistungsaufnahme, muß
die Verlustleistung abgeführt werden,
da die Lebensdauer der LED mit
höherer Temperatur drastisch abnimmt!

Immer wieder ist zu lesen, LED-Chips bis 20W könnten passiv (also ohne
Lüfter) gekühlt werden,
darüber sei ein Lüfter notwendig.
Dies ist so nicht richtig!
Denn wie bei einem Heizkörper soll auch der "Kühlkörper"
die Wärme an die Umgebung abgeben.
Je größer die Fläche, je größer die Wärmemenge, die abgegeben werden kann.
Nun käme eine Formel ins Spiel, mit deren Hilfe man die Leistung,
dieein Kühlkörper abgeben kann, berechnen kann.
Dazu brauchen wir die abzuführende Leistung (welche die LED abgibt),
dieUmgebungstemperatur und den Wärmewiderstand unseres Kühlkörpers.
Daraus berechnet sich dann die Größe des Kühlkörpers.

Doch da geht es schon los: welche Verlustleistung muß bei unserer LED
überhaupt abgeführt werden???

-oder anders ausgedrückt: wieviel Wärme müssen wir weg bekommen??

Leider gibt es da bei den LEDs keine zuverlässigen Angaben.
Das geht schon damit los, dass man meistens gar nicht erfährt,
aus welcher Charge, resp. Sortierung, die LED ist.
Denn bei der Fertigung gibt es teils erhebliche Toleranzen in der Lichtausbeute und somit der Effizienz.
Sinkt aber die Effizienz steigt bei selber Leistungsaufnahme die Verlustwärme.
Hier geht es schnell mal um satte 20% !
(Das ist im übrigen auch der Grund, warum die direkt aus China
angebotenen LEDs so preiswert sind:

es ist meist die Ware, die nicht den Kriterien des eigentlichen Abnehmers entsprach.)


Daher empfehle ich generell schon bei den kleinsten LEDs die aktive Kühlung
- also den Einsatz eines Lüfters.


Denn es gilt noch andere Unwägbarkeiten zu bewältigen:
-die "Leistung" der Kühlfläche ist maßgeblich von der Umgebungstemperatur abhängig
-bereits geringe Verschmutzung führt zu verringerter Wärmeabgabeleistung
-und nicht zuletzt die Abmaße...

Doch wie groß muß unser Kühlkörper nun sein?

Klare Ansage: größer ist besser :vain:
Lieber zu groß, denn zu kalt kann es der LED im Zimmer kaum werden,
wohl aber zu warm!

Ganz im Gegenteil: je kälter die LED ist, desto heller leuchtet sie :!:
Bei 55°C gibt sie die im Datenblatt genannte Lichtmenge ab,
darunter sogar mehr, darüber dann weniger....

Hat die LED bei einer Chip-Temparatur von 40°C noch eine stolze
Lebensdauer von ca. 140.000h (~ 38 Jahre bei tägl. 10 Std.),
sind es bei 60°C nur noch rund 70.000h (~19Jahre)...
Bei 80°C schon deutlich unter 40.000h (~10Jahre).... :thinking:
Wobei Lebensdauer dabei nicht ganz korrekt ist: denn bei deren Berechnung
geht man davon aus,

dass die Lebensdauer dann zu Ende ist, wenn von der LED
weniger als die Hälfte der Lichtmenge abgegeben wird....
-was in unserer Anwendung ja eher unakzeptabel ist.
Da dieser Alterungsprozess nicht linear verläuft, im besonderen bei Überhitzung,
ist ein drittel der angegebenen Lebensdauer für uns ein guter, realistischer Anhaltspunkt.

Also ist die Kühlung das wichtigste überhaupt an unserer LED-Lampe!

Denn:
bei den hier genannten Temperaturen geht es nicht etwa um die
Oberflächentemperatur des Kühlkörpers,
sondern um die Temp. des
Kristalls
in der LED!
Und diese Kristall-Temp. liegt im Durchschnitt um 15-20 Kelvin
(also der Temp.-unterschied in °C) höher als an der Kühlfläche des LED-Gehäuses :!:
Hinzu kommt dann ja noch der Wärmewiderstand unseres Kühlkörpers...

Hat also unser Kühlkörper eine Temp. von zB 40°C, so kann man durchaus
davon ausgehen,
dass die Kristalle in der LED rund 60-70°C aufweisen...


Wieviel Watt brauche ich, um meine HQI oder Leuchtstoffröhren zu ersetzen?

Hier wird die LED nun etwas entzaubert: denn sie ist nicht DER Sparer schlechthin!
In Bezug zur HQI kann man fast 1:1 umrechnen
(Stand 6/2012, bezahlbare LED-Technik), die Ersparnis ist minimal.
(Das unterstreicht auch ein Blick auf den Gesamtwirkungsgrad:
HQI wird mit um die 35%, LED mit um die 33% angegeben.
Bei LED sind hier jedoch die Einzel-LEDs gemeint, nicht die Chips ab 10W aufwärts !!
Wiederum wird bei der HQI wohl von der ringsum abgestrahlten Lichtenergie ausgegangen,
während die LED ja "nur" in einer Richtung strahlt)

Bedeutsam ist hierbei, dass für eine Vergleichbare Ausleuchtung wohl Linsen
vor die LEDs müssen, was zu harten hell/dunkel Übergängen unter Wasser führen kann.

Ohne Linse geht bei einem gängigen Abstrahlwinkel von 120° viel Licht durch die Reflexion
an der Wasseroberfläche "verloren".
Bei Röhren kann man ca. 10-30% abziehen, ja nach Röhrentyp.
Der Unterschied hier ist die punktförmige Lichtquelle der LED-Chips,
was aber auch nicht der Wahrheit letzter Schluß ist, s.u..

Die Leistungsaufnahme inkl. Stromversorgung ist jedoch meist geringer,
wodurch sich im gesamten Verhältnis dann doch eine Einsparung ergibt.


Doch auch das einzelne Bauteil aus der Reihe des selben Modells einer LED nimmt Einfluß auf die mögliche Ersparnis !

zB gibt es LED`s, welche ihre zugesicherte Lichtmenge bei 700mA abgeben mit nur 3V,
aber auch welche, die dafür 3,6V benötigen (fiktive Beispielwerte) > was einer Ersparnis von rund 20% entspricht.
Beim Bau einer Lampe mit 100 LED`s dieser Type würden also im schlimmsten Falle 250 Watt,
im besten Falle nur 210 Watt benötigt - bei selber Helligkeit !


Zur
Lichtausbeute der verschiedenen Lichtquellen ein paar Zahlen (Quelle:
Wikipedia, div. LED Shops, zig. Datenblätter)

Glühlampe:
10-13 lm/W

Halogenlampe:
17 lm/W

Leuchtstoffröhre:
70-90 lm/W

HQI:
100-130 lm/W (>die rel. große von/bis Spanne ergibt sich aus der
Abhängigkeit zur Wellenlänge)


Eine gute (und teure) Einzel-LED
bringt es heute auf ca. 250-280lm/w >ein enorm hoher Wert,

aber leider bei einer Farbtemp. die uns nix nützt!
Käufliche Modelle bzw. Modelle mit für uns interessantem Spektralbereich
kommen da leider beim besten Willen nicht ran...


Immer wieder wird die Cree LED als die Lösung präsentiert,
doch ein Blick auf den Wirkungsgrad ist ernüchternd.

Also zu den (preiswerten) LED-Chips: aufgrund von Überlagerungs- / Auslöschungseffekten
sinkt die Effizienz mit steigender Chip-Leistung.
Ein
10W Chip bringt es auf 800lm = 80 lm/W

Ein
50W Chip bringt es nurmehr auf 3500lm = 70 lm/W

Wobei
es auch Typen mit über 115 lm/W (bei 5000K ) gibt, die kosten aber
gleich das 4-5fache....warum steht weiter oben.


Bei
dieser Betrachtung ist jedoch immer zu bedenken, dass ich hier
ausschließlich den
Lichtstrom zum Vergleich herangezogen habe!

Ausschlag gebend für unsere Anwendung ist jedoch auch die spektrale Verteilung, die Lichtfarbe.
(Doch dazu möchte ich ein neues Arbeitsblatt verfassen: LED-Praxis.)


Die eigentliche Ersparnis läuft also bei Verwendung von LED-Chips auf die
eingesparten Brenner-/Röhrenwechsel hinaus:!:

Um das ganze Potential der LED zu nutzen, müssen wir also wohl
"Leuchtpaneele" aus vielen Einzel-LEDs konstruieren.



Und damit ist der theoretische Teil auch schon am Ende :whistling:

(c)Holger Götze 5-6/2012

Überarbeitet am 12.10.13 :this:
Signatur von »Holger«
Wer ruhig leben will, der darf
nicht alles sagen, was er weiß und
nicht alles glauben, was er hört.
(aus China)

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »Holger« (12. Oktober 2013, 19:38)


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