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R STAHL : Fehlfarbenfrei mit LED

28.06.2021
28.06.2021
Fehlfarbenfrei mit LED

Über Jahre stand die hohe Effizienz von LED im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit und galt als das Argument schlechthin für ihren Einsatz. Inzwischen ist die Optimierung dieser Lichtquellentechnologie vorangeschritten. Der Fokus verschiebt sich in allen Anwendungsbereichen - einschließlich der Industrie - mehr und mehr auf eine möglichst exakte Farbwiedergabe und die Entwicklung dafür erforderlicher Spektren. Hochwertige LED erfüllen dabei heute selbst anspruchsvolle Anforderungen. Die wesentlichen Kriterien und den Stand der Technik stellt dieser Beitrag dar.

LED-Leuchten und die menschliche Farbwahrnehmung

Art und Qualität einer Lichtquelle beeinflussen, wie eine Farbe einem menschlichen Betrachter erscheint. Labor, Druckhaus oder Zeichentisch sind nur offensichtliche Beispiele für Arbeitsplätze, an denen Licht - elektromagnetische Strahlung im vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Bereich - deshalb von großer Bedeutung ist.

Um die durchschnittliche menschliche Farbwahrnehmung zu ermitteln und beschreibbar zu machen, hat die Commission Internationale de l'Éclairage (CIE, Internationale Beleuchtungskommission) schon im Jahr 1931 eine repräsentative Untersuchung mit farbsichtigen Probanden durchgeführt. Die Versuchsteilnehmer verstellten die Helligkeit je einer roten, grünen und blauen Leuchte, um den daraus gemischten Lichteindruck auf einer weißen Fläche einer Reihe von Farbtafeln anzugleichen. Die CIE definiert ausgehend von den Ergebnissen einen Normalbeobachter-Farbraum, der den vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Farbtönen Werte für Rot, Grün und Blau zuordnet.

Referenztafeln spielen noch immer eine Schlüsselrolle zur Qualifizierung der Farbtreue von Lichtquellen. Sie wird als sogenannter Farbwiedergabewert Ra ausgewiesen, der teils auch als CRI (Color Rendering Index) bezeichnet wird. Als Testobjekte sind dafür heute acht Normtafeln nach EN 6169 etabliert. Für diese wurden überwiegend Pastellfarben ausgewählt, also niedrig gesättigte Töne. Seit sich LED-Beleuchtung mehr und mehr durchsetzt werden sechs weitere Farbtafeln diskutiert - vor allem solcher mit hoher Farbsättigung, da sich anhand kräftigerer Farben gerade die ursprünglich für LED charakteristische Rotschwäche gut aufzeigen lässt. Eine entsprechende Erweiterung der Norm ist allerdings noch nicht beschlossen.

Welche Güte die Farbwiedergabe in Arbeitsräumen erreichen muss, ist der EN 12464 zu entnehmen. Sie definiert in Tabellen die Mindestanforderungen an Beleuchtungsstärke und Farbwiedergabe für unterschiedliche Szenarien. Der Idealwert ist der unter Tageslicht gegebene Ra=100. In Innenräumen, in denen Menschen für längere Zeit arbeiten oder sich aufhalten, sind nach der Norm Leuchtmittel mit einem Farbwiedergabeindex von mindestens 80 einzusetzen. An festen, ständig genutzten Arbeitsplätzen soll mit geeigneten Maßnahmen darüber hinaus eine noch zuverlässigere Erkennbarkeit aller Farben sichergestellt werden.

Bei den Farbwiedergabewerten zeichnet sich ein Trend zu höheren Werten ab, welche auf eine technologische Weiterentwicklung des Konversionsstoffes zurückzuführen ist.

Rico Schulz, Produktmanager Beleuchtungstechnologien
Farbecht trotz beschränktem Spektrum

Bei Leuchtdioden handelt es sich um quasi-monochromatische Halbleiter-Bauelemente, die rotes, grünes oder blaues Licht mit hoher Farbsättigung in einem sehr schmalen spektralen Bereich emittieren. Betrachter nehmen farbige Köper jedoch nur farblich korrekt wahr, wenn diese spektral breit strahlendem Licht ausgesetzt sind, das die Wellenlängen unterschiedlichster Farben abdeckt. Fehlen spektrale Bereiche, so weisen diese Lichtquellen zum Beispiel einen 'Gelbstich' oder 'Rotstich' auf: Diejenigen Farben an Objekten, deren Wellenlängen im emittierten Licht nicht enthalten sind, sind dann nur verfälscht in verschiedenen Schattierungen wahrzunehmen.

Klassische Glühlampen geben ähnlich wie die Sonne Strahlung mit einem kontinuierlichen Farbspektrum ab, das den gesamten sichtbaren Bereich einschließt und sich bis ins Infrarot erstreckt. Dadurch erreichen Lampen mit Glühfäden eine sehr gute Farbwiedergabe mit Ra=100, sind also auf einem Niveau mit natürlichem Tageslicht.

Der Farbwiedergabewert von LED beträgt hingegen - auf dem aktuellen Stand der Technik - immer unter 100. Die Wellenlängen der unterschiedlichen Halbleitermaterialien, die in monochromatischen LED verwendet werden, liegen im zweidimensional visualisierten CIExy-Farbraum in der Nähe der geschwungenen Außenflanken des Diagramms. Farborte weiter im Inneren erreichen sie also nicht. Um bei LED das Wellenspektrum zu erweitern und eine erwünschte Weißlichtemission zu ermöglichen, muss ihnen erst ein Konversionsstoff hinzugefügt werden. Der üblichste Weg ist die Beschichtung des Halbleiters einer blauen LED mit einem zumeist gelben Leuchtstoff, der aus einer Mischung anorganischer Materialien besteht. Diese auch als Phosphore bezeichneten Pulver sind in den letzten Jahren wesentlich weiterentwickelt worden. Durch Kombination einer LED mit einem modernen Leuchtstoff kann mittlerweile ein sehr breitbandiges weißes Licht mit Farbwiedergabewerten bis über 90 emittiert werden.

Bedarfsgerechte Wahl der Weißlicht-Variante

Nicht nur der Farbwiedergabewert ist allerdings für Weißlicht von Bedeutung, sondern auch seine sogenannte Farbtemperatur. Das Konzept der in Kelvin angegebenen Farbtemperatur leitet sich her von der Abstrahlung eines idealtypischen Schwarzkörpers, der keine sichtbare Strahlung reflektiert. Die nominelle Farbtemperatur entspricht der Temperatur des Körpers. Weißlicht mit nach dieser Regel hohen Kelvin-Werten wird von menschlichen Betrachtern als kälter empfunden, solches mit geringeren Kelvin-Werten als wärmer. Je nach Konversionsstoffcharakteristik lässt sich mit LED heute sowohl warmes Licht erzeugen, das dem von Kerzen oder Glühlampen ähnelt, als auch kälteres Licht, das an vielen Arbeitsplätzen einschließlich Werkshallen bevorzugt wird.

Inzwischen werden häufiger gezielte Entscheidungen für Weißlichtquellen mit einer bestimmten Farbtemperatur oder sogar für Beleuchtungslösungen getroffen, die je nach Bedarf Weißlicht mit unterschiedlichen Farbtemperaturen zur Verfügung stellen. Solches 'Tunable White' macht sich den Effekt zunutze, dass die Aufmerksamkeit, Motivation und Stimmung von Mitarbeitern durch eine geeignete Lichtgestaltung positiv unterstützt werden kann. Die Variation der Weißlicht-Farbtemperatur ist dabei einer von zahlreichen Aspekten des 'Human Centric Lighting', das auch am Arbeitsplatz eine immer wichtigere Rolle spielt.

Bei marktüblichen LED-basierten Produkten für industrielle Einsatzbedingungen sind die Wahlmöglichkeiten bei der Farbtemperatur bis heute allerdings oft stark begrenzt: Viele Leuchten gibt es mit einer einzigen oder gerade einmal mit zwei verschiedenen Temperaturen. Die EN 12464 definiert für sogenanntes Neutralweiß Farbtemperaturen von 3300 K bis 5300 K, nennt Temperaturen unter 3300 K Warmweiß und solche über 5300 K Kaltweiß. Leuchtmittelhersteller verwenden dieselben Klartext-Bezeichnungen mitunter abweichend. Die beste Orientierung bietet daher immer die Farbtemperatur in Kelvin, die für jedes Produkt anzugeben ist.

Standard-Farbtemperatur für LED-Leuchten von R. STAHL ist beispielsweise 5000 K. R. STAHL hat für alle Produkte grundsätzlich drei Farbtemperaturen zur Auswahl - neben dem Neutralweiß mit 5000 K gibt es ein Kaltweiß mit 6500 K sowie eine wärmere Variante mit 4000 K. Der Farbwiedergabewert Ra liegt durchweg bei 80 oder darüber und erfüllt somit die Innenraum-Anforderungen der EN 12464-1.

Güteklassenmerkmal für LED-Lichtfarben

LED sind produktionsbedingt Qualitätsschwankungen unterworfen und müssen deshalb sortiert werden. Für die Selektion werden sogenannte 'Bins', also Gruppen, definiert. Es gibt Bins für unterschiedliche Kriterien, zu denen neben Lichtstrom oder Flussspannung eben auch der Farbort im CIExy-Farbraum zählt. Da die Emissionen von weiß strahlenden LED nicht genau auf der Schwarzkörperkurve - der sogenannten Planckschen Gerade Tc - liegen, können zwischen LED, die dieselbe Farbtemperatur aufweisen, trotzdem sichtbare und mehr oder weniger störende Farbunterschiede auftreten. Um ein einheitliches Leuchtverhalten zu erreichen, sollten in LED-Arrays möglichst nur LED aus den gleichen Farb-Bins verbaut werden.

Der Physiker David Lewis MacAdam hat im CIExy-Diagramm Bereiche definiert, in denen Abweichungen der Farborte schrittweise immer auffälliger werden. Der Toleranzbereich mit geringen Abweichungen zu einem Bezugspunkt verteilt sich im Farbsystem nach CIE 1931 nicht gleichmäßig rund um einen Punkt, sondern ellipsenförmig. Als Maßzahl für die Homogenität dienen deshalb konzentrische Kreise mit zunehmendem Durchmesser - die sogenannten 1-Step- bis 7-Step-MacAdam-Ellipsen. Diese Schrittweite wird in der Produktdokumentation angegeben und kann Kunden als wichtiges Qualitätsmerkmal bei der Entscheidung für LED-Beleuchtungslösungen dienen. Aus praktischen Gründen erfolgt die Sortierung bislang allerdings oft nicht direkt nach MacAdam-Ellipsen. Stattdessen wird sie, auch wenn dabei auf die MacAdam-Schrittweite Bezug genommen wird, in sogenannte ANSI-Bins vorgenommen, da sich dies produktionstechnisch einfacher durchführen lässt.

Im zweidimensional visualisierten CIExy-Farbraum (die fehlende dritte Dimension enthält die Helligkeitsinformation) liegen die Farborte monochromatischer LED nahe an den geschwungenen Außenflanken; die Kurve Tc durch Weißpunkte verzeichnet Farbtemperature

MacAdam-Ellipsen markieren Bereiche um einen Bezugspunkt, die farblich als ähnlich wahrgenommen werden; sie dienen zum 'Binning', also der Sortierung von LED-Exemplaren nach Homogenität ihres Farborts.

Bin-Bezeichnungen für weiße LED nach ANSI-Norm.

  1. Im zweidimensional visualisierten CIExy-Farbraum (die fehlende dritte Dimension enthält die Helligkeitsinformation) liegen die Farborte monochromatischer LED nahe an den geschwungenen Außenflanken; die Kurve Tc durch Weißpunkte verzeichnet Farbtemperature
  2. MacAdam-Ellipsen markieren Bereiche um einen Bezugspunkt, die farblich als ähnlich wahrgenommen werden; sie dienen zum 'Binning', also der Sortierung von LED-Exemplaren nach Homogenität ihres Farborts.
  3. Bin-Bezeichnungen für weiße LED nach ANSI-Norm.
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R. Stahl AG published this content on 28 June 2021 and is solely responsible for the information contained therein. Distributed by Public, unedited and unaltered, on 15 July 2021 09:58:08 UTC.


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Nettoverschuldung 2021 6,00 Mio 7,03 Mio 6,50 Mio
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Mitarbeiterzahl 1 663
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SCHNEIDER ELECTRIC SE24.41%96 086
NIDEC CORPORATION2.81%73 706
EATON CORPORATION PLC31.12%62 410
EMERSON ELECTRIC CO.20.02%56 594