LED-Leuchtendesign: Auf diese Grundregeln sollte man achten

| Autor / Redakteur: Sebastian Wette * / Hendrik Härter

Komplexe Design-Leuchte: Bevor der Entwickler die fertige Leuchte erstellt hat, müssen Muster und Prototypen erstellt werden.
Komplexe Design-Leuchte: Bevor der Entwickler die fertige Leuchte erstellt hat, müssen Muster und Prototypen erstellt werden. (Bild: Mentor)

Neben dem funktionalem Nutzen einer LED-Leuchte oder einer speziellen Beleuchtungsanwendung ist auch die Ästhetik gefragt. Egal ob die Leuchte im Büro, Industrie oder Fahrzeug eingesetzt wird. Allerdings gilt es einige Regeln zu beachten.

Mit Licht lassen sich Designs individuell erstellen. Dabei ist es nicht nur ein funktionaler Nutzen, sondern auch die Ästhetik des Produkts steigt. Viele Entwickler und Konstrukteure betreten jedoch Neuland, wenn sie die Licht-Ideen des Designers in ein erstes Muster oder einen Prototyp übertragen sollen. Der allgemeine Aufbau eines Musters kann aus folgenden Baugruppenelementen bestehen:

  • Eine oder mehrere Platinen sind mit einer LED-Lichtquelle bestückt und mit je nach Ansteuerung entsprechenden SMD-Komponenten versehen,
  • ein Lichtleiter aus einem transparenten Kunststoff, der das Licht einerseits zum gewünschten Ort transferiert und andererseits über gezielte Strukturen für die Lichtauskopplung die erwünschte Beleuchtung erzeugt und
  • je nach Anwendungsfall wird eine hoch-reflektierende Halterung für den Lichtleiter benötigt. Bei Leuchtflächen, die direkt einsehbar sind, wird zusätzlich ein Lichtdiffusionselement benötigt.

Dabei müssen sich die Entwickler fragen, wie sich ein möglichst gutes Lichtergebnis erzielen lässt, das die Entscheider im Unternehmen von der LED-Lichtlösung nicht nur in funktionaler, sondern auch in qualitativer und ästhetischer Hinsicht überzeugt. Andererseits darf der Entwickler nicht vergessen, den Prototypen auch schnell in die Massenproduktion zu übertragen. Abhängig vom verfügbaren Budget lassen sich schon in der Prototypenphase sehr gute Lichtergebnisse erzielen. Wichtige Fragen sind in diesem Zusammenhang die nach der Anzahl, Art und Leistung der LED-Lichtquelle(n) sowie nach deren Positionierung in der Gesamtkonstruktion.

Das Licht effizient zum gewünschten Ort leiten

Zunächst ist es wichtig, die Umgebungshelligkeit bei der Anwendung des Endprodukts zu berücksichtigen. Für eine beispielhafte Anwendung als Bürolicht für einen PC-Arbeitsplatz wird eine Leuchtdichte L von 300 cd/m² gefordert. Angenommen dieser Wert soll für alle Betrachtungswinkel und auf der gesamten Fläche gleich sein, also ein Lambertstrahler sein, so ist bei einer Fläche A von 5 mm x 100 mm bei frontaler Ansicht eine Lichtstärke I von 0,15 cd notwendig. Dieser Wert lässt sich durch die vereinfachte Formel für die Lichtstärke I auf der Flächennormale des Strahlers: I = A x L herleiten. Ein üblicher Wert für die Lichtstärke einer LED liegt bei ungefähr 1,5 cd. In diesem Beispiel muss das Licht mit einer Effektivität von mindestens 10% zur gewünschten Leuchtfläche geleitet werden. Anders sieht es bei Tageslichtanwendungen aus, die Werte oberhalb von 1000 cd/m² erreichen sollten.

Wie effektiv ist das Modul darin, um das Licht der LED bis zur leuchtenden Fläche zu transportieren? Selbst bei optimaler Positionierung der LED vor der Einkopplungsstelle am transparenten Kunststofflichtleiter kommt es schon hier zu ersten relevanten Verlusten. Auf dem Weg zum Lichtaustritt führen weitere Effekte zu Effizienzverlusten: Das Material des Lichtleiters selbst absorbiert einen kleinen Teil des Lichts, da der verwendete Kunststoff, durch den die Lichtwellen sich ausbreiten, nie perfekt transparent ist. Zudem geht Licht durch Oberflächendefekte als Streulicht verloren (Bild 1). Für beide Aspekte gilt: je länger der Lichtleiter, desto größer die Verluste.

Es gilt aber auch: durch die Wahl des richtigen Kunststoffes und eine im Fertigungsprozess optimierte Oberfläche können Verluste reduziert werden. Am gewünschten Ort angekommen, werden durch die Auskoppelstrukturen nicht alle Lichtstrahlen in die gewünschte Richtung gelenkt und gehen im Inneren des Bauraums verloren. Ein Reflektor steigert die Effizienz der Lichtumlenkung in Richtung des Diffusors. Der Diffusor soll die hellen Stellen der Auskoppelstrukturen kaschieren und zusätzlich die richtungsunabhängige Leuchtdichte erzeugen. Leider bezahlt man diesen gewünschten Effekt mit weiterem Lichtverlust.

Das Bild 1 zeigt diese Effekte in Zahlen grob angenähert auf. Die Eingangsgröße soll dabei die Lichtstärke der LED sein. Multipliziert man alle Faktoren aus dem Blockschaltbild, so erhält man einen Wirkungsgrad des Lichtsystems von ungefähr 40%. Das ist ein realistischer Wert, der als Faustformel dienen kann, bis im späteren Entwicklungsprozess eine rechnergestützte Lichtsimulation genauere Werte liefert.

Drei Grundregeln für gutes LED-Leuchtendesign

Im konkreten Anwendungsbeispiel der Tageslichtanwendung mit 1000 cd/m² bedeutet das, dass eine LED mit 1,25 cd bei optimalen Produktionsbedingungen auf der kleinen Fläche ausreichend ist. Dabei sollte das Muster so aufgebaut werden, dass man den LED-Strom variieren kann. Damit lässt sich in gewissen Grenzen eine alternative Lichtstärke austesten und eine brauchbare Lösung zu finden.

Neben der Wahl der geeigneten LED ist es wichtig, wo die LED im verfügbaren Bauraum positioniert ist. Denn das hat großen Einfluss auf Qualität und Kosten der künftigen Lichtlösung. So kann es in bestimmten Fällen einerseits kostengünstiger sein, nur eine LED zu verwenden; anderseits aber die Bauraumbedingungen eine andere Lösung nahelegen, um eine ausreichend ansprechende Lichtqualität zu erreichen. Der Entwickler muss hier immer die Einzelfallbetrachtung im Auge haben. Mit den folgenden Grundregeln kann häufig ein gutes Beleuchtungsdesign erzielt werden:

  • Soll eine Fläche beleuchtet werden, so sollte die Lichtquelle nicht direkt unter der Leuchtfläche positioniert werden, sondern seitlich daneben. Gut geeignet sind sogenannte SideView-LEDs.
  • Generell sollte ein direkter Einblick in die Lichtquelle für alle Raumrichtungen vermieden werden, um Hotspots zu verhindern. Sie können hinderlich für das Lichtdesign sein und eine homogene Leuchtfläche ist nicht möglich bzw. die Entwicklungszeit und somit die Kosten steigen.
  • Kleine Radien auf dem Lichtweg sollte man vermeiden. Jeder Knick im Lichtleiter führt zu ungewollten Lichtauskopplungen, die massiv ausfallen können und somit die Menge am benötigten Lichtstrom erhöht.

Im Folgenden werden exemplarisch zwei Lichtdesigns vorgestellt. Das erste ist ein Beispiel einer ungünstigen Ausgangssituation für gutes Lichtdesign; das zweite stellt ein positives Beispiel dar. Das Bild 2 zeigt ein Beispiel, bei dem alle genannten Punkte nicht ausreichend beachtet wurden. Ziel ist es hier, die in Grün markierte Fläche möglichst homogen auszuleuchten. Die Baugruppe ist so gestaltet, dass die LEDs direkt an der gewünschten Leuchtfläche positioniert sind. Durch die kleine Öffnung im Gehäuse wird eine direkte 90° Lichtumlenkung erzwungen, die dafür sorgt, dass viel Licht sofort verloren geht. Weiterhin kann dadurch bei einer ungünstigen Sichtposition direkt die LED eingesehen werden. Diese Bedingungen führen zu schlechten Ergebnissen im Lichtdesign und machen es praktisch unmöglich.

Im Bild 4 ist eine Anwendung dargestellt, bei der ein guter Ansatzpunkt gewählt worden ist, um ein ansprechendes Lichtdesign zu erfüllen. Ziel ist es hier, die transparent schattierte Fläche homogen auszuleuchten. Dabei wurden mehrere richtige Entscheidungen getroffen. Zunächst wurde die LED-Positionen weit genug entfernt von der Leuchtfläche gesetzt, sodass kein Hotspot im Lichtbild entstehen konnte und zusätzlich die Sichtbarkeit der LED auf einen extrem kleinen Raumwinkel reduziert wurde. Außerdem wurde kein enger Krümmungsradius im Lichtleiter einkonstruiert, sodass die gewünschte Leuchtfläche homogen ausgeleuchtet werden konnte.

Fazit: Ein Muster für eine integrierte Lichtlösung sollte man sich beispielsweise zuerst auf farbige oder dynamische Lichtapplikationen beschränken, die mit RGB-LEDs aufgebaut werden. Es ergeben sich zusätzliche Anforderungen an das Lichtdesign, damit Effekte wie Farbaufspaltung vermieden werden.

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* Sebastian Wette arbeitet als Produktentwickler bei Mentor Präzisions-Bauteile in Erkrath.

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