LED im Alltag: Bei Lichtqualität und Energieeffizienz keine Kompromisse

Autor / Redakteur: Simone Hettinger * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Das Sonnenlicht bietet die beste Lichtqualität. Institute und Vereinigungen fokussieren sich auf eine ganzheitliche Betrachtung von Licht, die sich mit einer Vollspektrum-LED umsetzen lässt.

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Volles Spektrum: Die Lichtqualität des Sonnenlichts ist Maßstab für künstliches Licht mit LED.
Volles Spektrum: Die Lichtqualität des Sonnenlichts ist Maßstab für künstliches Licht mit LED.
(Bild: ©vaalaa - stock.adobe.com)

Im September 2021 tritt die neue Ökodesign-Verordnung in Kraft. Dabei wird der Energieeffizienz ein wichtiger Stellenwert eingeräumt. Es gibt eine neue Einteilung der Energieeffizienzklassen: So wird eine Leuchte mit einer Effizienz von 110 lm/W mit dem aktuellen Label noch in die Klasse A++ eingeteilt, während sie bei der neuen Einteilung in die Energieeffizienzklasse E fällt.

Erst mit einer Effizienz von 210 lm/W oder mehr lässt sich die Klasse A erreichen. Beim Endkunden kann das Eindruck erwecken, dass eine Leuchte mit 110 lm/W im Gesamtbild schlechter als eine Leuchte mit beispielsweise 160 lm/W ist.

Die angepassten Energieeffizienzklassen sind durchaus sinnvoll, da LEDs sich eta­bliert haben und effizienter sind als konventionelle Leuchtmittel wie Glühlampen mit rund 10 lm/W oder Leuchtstofflampen mit ungefähr 80 lm/W. Energie einzusparen ist ein wichtiger Aspekt, der bei der Beleuchtung nicht außer Acht gelassen werden sollte, um einen unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden.

Über das Energielabel hinausdenken

Allerdings handelt es sich um einen einseitigen Ansatz, der alle anderen wichtigen Faktoren der Beleuchtung vollkommen außer Acht lässt. In Bezug auf die Lichtqualität der Leuchte sowie die biologischen und emotionalen Wirkungen des Lichtes auf den Anwender kann durch dieses Energielabel bzw. die Klassifizierung keine ganzheitliche Betrachtung und Unterscheidung der Leuchten für den Anwender stattfinden. Licht ist viel mehr als ein Mittel zum Sehen.

Es stellt eine essentielle Energiequelle für den Menschen ebenso wie für Tiere dar und hat einen wesentlichen Einfluss auf das Wohlbefinden und die Gesundheit. Sonnenlicht hat eine heilende Wirkungen für den Menschen, was vor allem darauf zurückzuführen ist, dass das Farbspektrum vollständig ist.

Zudem hat das Licht Einfluss auf den Tag-Nacht-Rhythmus und die damit verbundene Leistungsfähigkeit und Aufmerksamkeit, aber auch Müdigkeit wird essentiell durch das Sonnenlicht gesteuert und kann durch einen Mangel entsprechend gestört sein. Andere Aspekte, wie das vermehrte Aufkommen von Kurzsichtigkeit bei Kindern, wurden mit dem Mangel an ausreichend Sonnenlicht in Zusammenhang gebracht. Verschiedene Studien liefern Beweise, dass Kinder, die sich mindestens 30 Minuten oder mehr am Tag im Freien unter Sonnenlicht aufhalten, weniger Kurzsichtigkeit entwickeln als die Vergleichsgruppen ohne den Aufenthalt unter natürlichen Lichtverhältnissen.

Ganzheitlicher Ansatz bei Licht entscheidend

Der Ansatz des Human Centric Lighting (HCL) ist ein wichtiger Aspekt und zeigt auf, wie wichtig die natürliche Wirkung der Sonne auf den Menschen ist. Jedoch reicht es nicht aus, lediglich die Farbtemperatur über den Tagesverlauf der Sonne nachzubilden, wie es bei den meisten HCL-Beleuchtungen der Fall ist. Denn wenn für diesen Verlauf ausschließlich die Farbtemperatur als Kennzahl genommen wird, sagt es noch nichts über die Lichtqualität selbst aus.

Wird das Sonnenlicht als ideale Basis für eine qualitativ hochwertige Beleuchtung genommen, kommt ein neuer, ganzheitlicher Ansatz in Betracht, der an mehr Qualitätsmerkmalen als ausschließlich an der Farbtemperatur festgelegt werden sollte.

Ein wichtiges Qualitätsmerkmal ist die Farbwiedergabe, durch die sich mithilfe der Vergleichsparameter des Color-Redering-Indexes (CRI) oder der TM-30-15-Metrik die Farbtreue einer Lichtquelle qualitativ mit dem Ideal der Sonne bzw. der idealen thermischen Strahlungsquelle vergleichen lässt. Je näher die 15 CRI-Farbwerte bei 100 liegen, desto näher liegt das Farbspektrum am Ideal. Den Mittelwert der ersten acht Farben und somit der Gesamteindruck dieser Farben wird durch den Ra-Wert deutlich.

Farbwiedergabewerte mit starken Defiziten

Bild 1: CRI einer Standard-LED. Die einzelnen CRi-Werte liegen im Schnitt bei 85. Einbrüche gibt es bei Rot und Blau im Vergleich zum Sonnenlicht mit 100. Die Farbwahrnehmung wird verfälscht und die einzelnen Farben nicht farbgetreu wiedergegeben.
Bild 1: CRI einer Standard-LED. Die einzelnen CRi-Werte liegen im Schnitt bei 85. Einbrüche gibt es bei Rot und Blau im Vergleich zum Sonnenlicht mit 100. Die Farbwahrnehmung wird verfälscht und die einzelnen Farben nicht farbgetreu wiedergegeben.
(Bild: euroLighting)

Eine noch präzisere Aussage liefert die Bewertung mit der TM-30-15-Metrik, bei der insgesamt 99 Referenzfarben mit der Testlichtquelle verglichen werden. Auch hier gilt bei den einzelnen Vergleichswerten und dem zusammenfassenden Mittelwert Rf die Zahl 100 als Optimum. In der aktuellen Ökodesign-Verordnung sowie in neuesten DIN-Normen wird als Standard für die Beleuchtung ein Ra-Wert von 80 genannt, der in den meisten LED-Leuchten sowie in den aktuellen HCL-Leuchten zum Einsatz kommt. Doch bei einem genaueren Blick auf Ra 80 wird klar, dass die einzelnen Farbwiedergabewerte, insbesondere im Spektrum von Rot und Blau, starke Defizite aufweisen und bis unter einen Wert von 30 fallen können (Bild 1).

Bild 2: Sonnenlichtspektrum zur Mittagszeit mit 5600 K. Das vollständige, gleichmäßige Lichtspektrum deckt alle Farben ab.
Bild 2: Sonnenlichtspektrum zur Mittagszeit mit 5600 K. Das vollständige, gleichmäßige Lichtspektrum deckt alle Farben ab.
(Bild: euroLighting)

Bild 3: Farbspektrum einer Standard-LED mit 5600 K mit einem sehr ausgeprägten Blauanteil, während der Cyan- und Rotbereich kaum vorhanden ist.
Bild 3: Farbspektrum einer Standard-LED mit 5600 K mit einem sehr ausgeprägten Blauanteil, während der Cyan- und Rotbereich kaum vorhanden ist.
(Bild: euroLighting)

Ein weiteres Qualitätsmerkmal ist das Lichtspektrum, bei dem das Spektrum der Sonne bei hohen Farbtemperaturen bzw. die ideale thermische Lichtquelle bei niedrigen Farbtemperaturen mit dem Lichtspektrum der Leuchte verglichen wird. Hier unterscheidet sich das Spektrum einer Leuchte mit Standard-LEDs (Ra 80) deutlich von dem der Sonne. Die Sonne strahlt ein gleichmäßiges Spektrum über den gesamten sichtbaren Spektrum aus (Bild 2), während eine LED mit Ra 80 ein sehr unausgeglichenes Spektrum mit sehr starkem Blauanteil ausstrahlt und der Rot- und Hellblaubereich kaum vorhanden ist (Bild 3).

Was der melanopische Wirkungsfaktor aussagt

Die Wahl der geeigneten Farbtemperatur in Abhängigkeit von der gewünschten biologischen bzw. melanopischen Wirkung kann als Qualitätsmerkmal dienen. Farbtemperaturen zwischen 4000 und 5600 K werden vormittags bis nachmittags von der Sonne ausgestrahlt. Zum Sonnenuntergang strahlt die Sonne Farbtemperaturen um 2700 K aus, wodurch die Produktion von Melatonin angeregt und damit schlaffördernde Prozesse eingeleitet werden. Der melanopische Wirkungsfaktor amel,v zeigt, wie stark die Beleuchtung auf die Melatoninproduktion einwirkt. Natürliches Tageslicht hat einen amel,v-Wert von ca. 0,9, der als Referenz für eine starke Einwirkung auf die Melatoninproduktion dienen kann, währenddessen Kerzenlicht mit einem amel,v bei 0,242 als Referenz für einen geringen Einfluss auf die Melatoninproduktion genommen werden kann.

Bei einer HCL-Beleuchtung nähert sich die Farbtemperatur dynamisch an den Sonnenrhythmus an. Eine HCL-Beleuchtung mit Standard-LEDs und Ra 80 bietet zwar im Ansatz den Sonnenrhythmus, die qualitativen Bedürfnisse in Bezug auf das Licht und seine Wirkung werden nicht erfüllt. Deshalb sollte bei einer hochwertigen Leuchte sowie bei HCL-Leuchten innerhalb der Steuerung der Farbtemperatur und Dimmung darauf geachtet werden, dass durch das Farbspektrum und die Farbwiedergabe ein qualitativ hochwertiges Licht je nach gewünschter Anwendung möglich ist.

Notwendige Parameter sind Farbwiedergabe, das Spektrums, der melanopische Wirkungsfaktor über den gesamten Farbtemperaturverlauf sowie weiterer Faktoren der Leuchte selbst, wie Flickern, Beleuchtungsstärke oder Blendung.

Einheitliche Standards beim Licht gefordert

Der VDE setzt mit seiner Zertifizierung des HCL- und Gentle- to-the-Eyes-Zertifikat ein Zeichen für qualitativ hochwertige Beleuchtung. Dort werden Parameter ähnlich den bereits erwähnten in Betracht gezogen und für den Anwender wird eine Klassifizierung durch eine entsprechende Sternenskala vergeben. Der Anwender bekommt Orientierung, welche die biologischen bzw. melanopischen Aspekte sowie die Benutzerfreundlichkeit mit einbezieht.

Bei der Ausbildung der Lichtdesigner und -architekten setzt sich der internationale Berufsverband FILD dafür ein, einen neuen, einheitlich hohen Standard zu setzen. Er arbeitet mit Hochschulen und Forschungsinstituten zusammen, um Themen wie die Wirkungsweise von Licht und Gesundheit zu erforschen. Veranstaltungen wie die Zukunftskonferenz LICHT oder weiterführenden Workshops zum Thema „Licht und Emotionen“ setzt die deutsche lichttechnische Gesellschaft LiTG ein Zeichen für mehr Fachkompetenz. Wissenschaftliche Erkenntnisse werden mit der praktischen Umsetzung zusammengeführt und Kooperationen aller beteiligten Berufsbereiche, die mit Licht und Beleuchtung in Kontakt kommen, gefördert.

Die LED-Technik nach dem Vorbild der Sonne

Bild 4: Farbspektrum der Daylight-LED mit 5600 K mit einem gleichmäßigen Farbspektrum über das gesamte sichtbare Spektrum.
Bild 4: Farbspektrum der Daylight-LED mit 5600 K mit einem gleichmäßigen Farbspektrum über das gesamte sichtbare Spektrum.
(Bild: euroLighting)

Bild 5: CRI und Auswertung der Daylight-LED mit 5600 K. Alle Farben werden farbgetreu wiedergegeben. Im Schnitt liegt der Wert bei 99.
Bild 5: CRI und Auswertung der Daylight-LED mit 5600 K. Alle Farben werden farbgetreu wiedergegeben. Im Schnitt liegt der Wert bei 99.
(Bild: euroLighting)

Die LED-Entwicklung ist in der Lage, alle Anforderungen an die Lichtqualität umzusetzen. So hat beispielsweise der Hersteller Smart Eco Lighting ein Herstellungsverfahren für LEDs entwickelt, die Licht nahezu identisch mit dem Lichtspektrum der Sonne erzeugen können. Bild 4 zeigt sowohl die gleichmäßige Verteilung als auch die Vollständigkeit der Farbpalette über das gesamte sichtbare Spektrum. Bei den Farbwiedergabe-Werten Ra und Rf kommt der Hersteller auf 98 (Bild 5).

Damit schaffen die LEDs, COBs sowie LED-Module und LED-Leuchtmittel unter dem Namen „Power of Sun“ die für eine hochwertige Beleuchtung optimalen Voraussetzungen. Sie fördern das Wohlbefinden, die positive, biologische Wirkweise von Licht sowie das originalgetreue Farbsehens.

Eine Studie des Zentrums für Chronobiologie in Basel zeigte signifikante Unterschiede in der Wirkung zwischen Standard-LEDs und Tageslicht-LEDs bei gleichen Voraussetzungen. Mit Tageslicht-LEDs fühlten sich die Probanden glücklicher und aufmerksamer am Morgen und Abend sowie aktivierter über den Tag. Die Ergebnisse zeigen positive Auswirkungen auf den Sehkomfort und ein verbessertes Schlafverhalten in der Nacht.

Die Technische Universität Darmstadt führte im August 2020 Messungen mit den Vollspektrum-LED-Einschraublampen durch und bewertete sowohl die Farbwiedergabe mit Ra 98 als auch die Effizienz mit 100 lm/W und die melanopische Lichtwirkung (amel = 0,39 bei 2700 K für den Abend und amel = 0,61 bei 4000 K für den Tag) als sehr gut.

LED mit hoher Lichtqualität beziehen

Die LEDs und COBs gibt es in unterschiedlichen Ausführungen bei euroLighting: Sie lassen sich direkt auf kundenspezifische Module sowie auf Streifen mit der gewünschten Leistung, Form und Größe bestücken. Die LED-Technik wird von euroLighting realisiert, womit sich das Unternehmen für eine hohe Lichtqualität sowie eine ganzheitliche Betrachtungsweise einsetzt.

Damit sollen Entwickler, Lichtdesigner und -planer bis hin zum Endkunden ein besseres Bewusstsein zum Thema Licht bekommen.

* Simone Hettinger ist Produktmanagerin für LED bei euroLighting.

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