Forschungsprojekt: Bei der LED-Beleuchtung muss der Mensch im Fokus stehen

Autor / Redakteur: Andreas Zibold, Daniel Schillinger, Bianca Blum, Hannah Hodges und Timon Renz * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wie lässt sich die Akzeptanz der LED-Beleuchtung steigern? Im Projekt „SusLight“ näherten sich Forscher aus Geistes- und Naturwissenschaften dem Thema. Ein robuster Treiber ist dabei entscheidend.

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Projekt SusLight: Wissenschaftler des Fraunhofer IAF haben gemeinsam mit Kollegen von der Albert-Ludwigs-Universität sowie der Hahn-Schickard Gesellschaft in Freiburg untersucht, wie sich die Effizienz, Akzeptanz und Nachhaltigkeit der LED-Beleuchtung verbessern lässt. Das Bild zeigt ein LED-Modul mit GaN-Treiber und Spannungskonverter für adaptive Beleuchtung.
Projekt SusLight: Wissenschaftler des Fraunhofer IAF haben gemeinsam mit Kollegen von der Albert-Ludwigs-Universität sowie der Hahn-Schickard Gesellschaft in Freiburg untersucht, wie sich die Effizienz, Akzeptanz und Nachhaltigkeit der LED-Beleuchtung verbessern lässt. Das Bild zeigt ein LED-Modul mit GaN-Treiber und Spannungskonverter für adaptive Beleuchtung.
(Bild: Fraunhofer IAF)

Etwa ein Fünftel des weltweiten Energieverbrauchs wird für Beleuchtung eingesetzt. Und der Energieverbrauch wächst stetig. Für eine nachhaltige Gesellschaft ist der Umstieg auf energieeffiziente Techniken notwendig. Dazu gehört beispielsweise die Leuchtdiode (LED). Obwohl LEDs im Vergleich zu anderen Leuchtmitteln effizienter und somit in mittlerer bis langer Frist für den Verbraucher kostengünstiger sind, hat der Marktanteil dieser Technik bisher noch nicht sein volles Potenzial ausgeschöpft.

Auch die LED-Technik selbst weißt noch Einsparpotenzial auf, sowohl was die Lichtausbeute als auch die Wandlungseffizienz des Treibers betrifft. Durch bedarfsgerechtes Licht lässt sich die Lichtnutzung verbessern.

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Eine Leuchtmittel-Wende wird vom Staat beeinflusst

Das Initiatoren des Projekts „Suslight“, was für sustainable LED lighting steht, wollen die LED-Technik weiter verbreiten und neue Anwendungsfelder erschließen. Das Pilotprojekt ist im Leistungszentrum Nachhaltigkeit verortet. Hier bündeln fünf Freiburger Fraunhofer-Institute und die Universität Freiburg ihre Kompetenzen, in den interdisziplinären Projekten arbeiten Natur-, Sozial- und Geisteswissenschaftler zusammen mit Unternehmen an nachhaltigen Strategien, die gleichzeitig technische, ökonomische und ökologische Aspekte berücksichtigen.

Im Fachbereich der wirtschafts- und gesellschaftspolitischen Akzeptanzforschung bearbeitet das Team der Abteilung für Wirtschaftspolitik und Ordnungstheorie der Universität Freiburg den Forschungsschwerpunkt zu politökonomischen und ordnungspolitischen Voraussetzungen und Strategien einer „Leuchtmittel-Wende“. Der Umstand, bei dem sich eine effizientere Technik ohne staatlichen Eingriff nicht im Markt durchsetzt, wird als Energie-Effizienz-Paradoxon beschrieben.

Gründe hierfür sind institutionelle Hürden, Informationsprobleme, sowie psychologische Effekte bei Endanwendern. Der Staat sieht es als notwendig an, in den Markt einzugreifen, um das Kaufverhalten in eine gewünschte Richtung zu lenken. Im Jahr 2009 veröffentlichte die Europäische Kommission daher das Glühbirnen-Verbot als Regulierungsmaßnahme zum EU-weiten Glühlampenausstieg, die phasenweise bis 2016 immer höhere Standards für Energieeffizienz definierte.

Worauf Käufer einer LED achten sollten

Mit einem steuerpolitischen Ansatz konnte modelltheoretisch gezeigt werden, wie eine Stücksteuer auf jedes Leuchtmittel zu einem „Quality Switch“ in der Konsumentscheidung führt. Der Konsument greift zum höherwertigen Produkt, da die relative Preisänderung geringer ausfällt. Neben Maßnahmen, wie Regulierungen, Steuern und Subventionen, wird im Projekt Suslight auch der libertär-parternalistische Einsatz von Nudging-Strategien untersucht.

Diese wirtschaftspolitischen „Stubser“ sollen ohne staatlichen Zwang Konsumenten zu einem gewünschten Verhalten lenken. Hierbei wurde beispielsweise der Einsatz von Energielabels und deren Design zur Förderung von LED-Beleuchtung untersucht. Es ist wichtig zu wissen, welche Eigenschaften und Funktionen einer LED-Leuchte für die Anwender entscheidungsrelevant sind. Daher versuchen Wissenschaftler des Lehrstuhls Public- und Non-Profit-Management der Universität Freiburg, mit verschiedener verhaltenswissenschaftlicher Methoden einen Einblick in die Wünsche, Einstellungen und Präferenzen der Anwender gegenüber LED-Beleuchtungsprodukten zu erhalten. In sechs verschiedenen Untersuchungsdesigns wurden über 1100 Personen befragt und beobachtet.

Es kommt auf die Lebensdauer oder Materialqualität an

Zunächst wurde in qualitativen Interviews festgestellt, dass der Großteil der Konsumenten sich kaum mit der Kaufsituation von Beleuchtungsprodukten beschäftigt. Der Erwerb eines Leuchtmittels gleicht eher dem von Lebensmitteln und unterscheidet sich von wohl überlegten Käufen wie dem eines Autos. Im Fachjargon werden LED-Leuchten daher der Klasse der Low-Involvement-Produkte zugeordnet. Mit dem Conjoint-Verfahren wurde eine größere Befragung durchgeführt. Darüber konnte festgestellt werden, welche Eigenschaften einer Retrofit-LED-Lampe die Anwender besonders wertschätzen.

Dabei zeigten sich insbesondere eine warmweiße Farbtemperatur, die Energieeffizienz und die Schadstoff- bzw. Emissionsfreiheit als wichtige Eigenschaften, während andere Eigenschaften wie Smart-Home-Komponenten, Dimmbarkeit oder Herstellungsland als weniger relevant eingestuft wurden.

In einer weiteren Studie zeigt die Analyse von Käuferkommentaren auf der Plattform eines Online-Einzelhändlers, dass insbesondere funktionale Eigenschaften wie Lebensdauer oder Materialqualität sowie der Preis ausschlaggebend für positive oder negative Produktbewertungen waren. In Tiefeninterviews zeigte sich, dass sich die übergeordneten Konsumziele auf die Lebensqualität, Sicherheit und Umweltschutz beziehen.

In einem vorläufigen Experiment wurde – aufbauend auf den Erkenntnissen zum Umweltschutz-Ziel – bereits eine emotions-basierte Kommunikationsstrategie getestet, welche Hinweise darauf lieferte, dass sich eine emotionale Ansprache mit Schuld- und Stolz-Gefühlen womöglich insbesondere für die Ansprache des Segments der stark umweltorientierten Konsumenten eignet. An effizienten LED-Modulen und Treibern auf Basis von GaN-Leistungselektronik arbeiten Forscher des Fraunhofer IAF und der Fritz-Hüttinger-Professur für Mikroelektronik der Universität Freiburg.

Der Treiber einer LED und Flicker

Da selbst die effizientesten weißen LEDs ungefähr 35 Prozent der elektrischen Energie in Wärme umwandeln und sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer mit steigender Temperatur abnehmen, ist die richtige Entwärmung von großer Wichtigkeit. Dazu werden die LEDs auf thermisch besonders leitfähige Platinen aufgebracht: hoch wärmeleitfähige Keramiken wie Aluminiumnitrid mit 200 W/mK, Aluminiumoxid mit ungefähr 30 W/mK oder Metallkernplatinen (IMS).

Ein LED-Treiber muss sowohl technische als auch regulatorische Anforderungen erfüllen. So muss die Netzspannung in einen Gleichstrom gewandelt werden, um die LEDs flickerfrei zu betreiben und eine Variation der Lichtstärke auszuschließen. Wahrnehmbarer Flicker wirkt sich negativ auf das Wohlbefinden aus und kann Migräne oder sogar epileptische Anfälle verursachen. Die Grenzfrequenz, ab welcher Flicker nicht mehr wahrnehmbar ist, ist Gegenstand aktueller Forschungen und reicht je nach Studie bis in den niederen Kilohertz-Bereich. Die Variation der Leuchtstärke sollte laut Empfehlungen nicht mehr als 16 Prozent betragen, jedoch gibt es keine rechtlich bindenden Vorgaben. Die Netznormen EN61000-3-2 C und D zu EMV und dem Oberschwingungsgehalt von Netzströmen müssen ebenfalls erfüllt werden.

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Das kann mit Netzfiltern und durch eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) erfolgen. Netzfilter können aufwendig ausfallen und verursachen einen beträchtlichen Teil von bis zu 30 Prozent des Treibervolumens. Da sich das Volumen der passiven Komponenten und damit auch die Rohstoffe und deren Kosten durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz verringern lässt, kommen GaN-Leistungshalbleiter zum Einsatz, deren physikalische Eigenschaften höhere Schaltfrequenzen bei gleichen Schaltverlusten ermöglichen.

Um den geforderten Leistungsfaktor zu erreichen, gibt es PFC-Stufen. Mit ihnen wird der Eingangsstrom phasengleich und sinusförmig mit der sinusförmigen Wechselspannung des Netzbetreibers bezogen. Damit ein konstanter Ausgangsstrom ohne Flicker trotz sinusförmigen Eingangsstroms möglich wird, wird ein Kondensator als Zwischenspeicher benötigt. Dabei wird der Kondensator mit dem sinusförmigen Eingangsstrom geladen, welcher von der PFC-Stufe erzeugt wird und geglättet an den Ausgang abgegeben.

Schaltwandler erzeugen einen konstanten Strom für die LED

Entweder braucht es einen sehr großen Kondensator im Millifarad-Bereich, wofür nur kurzlebige Elektrolytkondensatoren in Frage kommen, oder es wird eine zweite Schaltstufe genutzt. Eine zweistufige Topologie kann einen höheren Spannungshub des Kondensators nutzen und damit die benötigte Kapazität des Kondensators verringern. Oftmals begrenzt die Lebensdauer des Elektrolytkondensators die der kompletten LED-Leuchte, daher wird versucht, möglichst ohne auszukommen.

Die zweite Variante benötigt keinen Elektrolytkondensator, dafür neben der PFC-Stufe einen zweiten Schaltwandler, der mit weiteren Kosten verbunden ist. Im Projekt wird ein Single-Ended-Primary-Inductance-Schaltwandler (SEPIC) genutzt, welcher mit der entsprechenden Ansteuerung ohne Elektrolytkondensator und ohne zweiten Schaltwandler einen Konstantstrom für die LED erzeugen kann (Bild 1). Das Konzept kombiniert geringe Kosten der ersten Variante mit der Langlebigkeit der zweiten Variante. Dabei wird die Eingangsinduktivität des Wandlers im Lückbetrieb, dem Discontinous Conduction Mode, mit konstantem Tastverhältnis betrieben. Es ergibt sich daraus automatisch eine Leistungsfaktorkorrektur, da der Maximalwert des dreiecksförmigen Spulenstroms proportional zur Eingangsspannung ist und der geglättete Eingangsstrom ebenfalls sinusförmig ist (Bild 2).

Ein weiteres Thema ist die Sensorintegration zur Lichtsteuerung. Ein Ziel ist, den Farbort bzw. die Farbtemperatur der Leuchte zu regeln, um der Farbverschiebung durch Alterung entgegenzuwirken. Auch eine biologisch wirksame Beleuchtung war Projektbestandteil: Human Centric Lighting. Der Mensch besitzt neben visuellen Fotorezeptoren, die für das Sehen verantwortlich sind, auch nicht-visuelle Fotorezeptoren im Auge. Die nicht-visuellen Fotorezeptoren registrieren die Helligkeit der Umgebung und regulieren biologische Prozesse wie den zirkadianen Rhythmus („Innere Uhr“).

Den zirkadianen Rhythmus beeinflussen

Durch eine spezielle, von der Tageszeit abhängige, Gewichtung von blauem und rotem Licht, lässt sich der zirkadiane Rhythmus beeinflussen. Mit dem passenden Licht lässt sich beispielsweise erreichen, dass Mitarbeiter am Arbeitsplatz nicht so schnell ermüden und abends zu Hause dennoch besser einschlafen können. Hinzu kommt, dass die Farbtemperatur des Lichts nachweislich verschiedene emotionale und biologische Auswirkungen auf den menschlichen Organismus hat: Strahlt eine Lampe mit einer Farbtemperatur von 3000 K, also einer niedrigen Farbtemperatur, wird die Strahlung als warmes Licht empfunden, was entspannend wirkt. Ab 5000 K spricht man vom kaltweißen Licht, das anregend wirkt, sich aber negativ auf das Einschlafverhalten auswirken kann.

Für einen geringen Energiebedarf der LED-Beleuchtung ist es wichtig zu wissen, wann und in welchen Bereichen sich Personen aufhalten und wann das Licht heruntergeregelt werden kann. Sensoren erfassen das Tageslicht, um das künstliche Lichts hinsichtlich Farbtemperatur und Helligkeit auf ein erforderliches Maß zu reduzieren. Für die Smart-Lighting-Anwendungsfälle ist die im Projekt verwendete Hardware mit integrierten Farb-, Helligkeits und Bewegungssensoren ausgestattet. Zur Integration in ein Smart Home besteht eine Funkverbindung der Leuchten per ZigBee zu einer auf openHAB basierenden Basisstation.

* Andreas Zibold arbeitet am Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg. Daniel Schillinger, Bianca Blum, Hannah Hodges und Timon Renz forschen an der Albert-Ludwigs-Universität in Freiburg.

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