Mit dem Einsatz der weißen LED im Bereich der Architekturbeleuchtung ist die Effizienz des Leuchtmittels in den letzten Jahren erheblich angestiegen. Verkäufer behaupten, dass auch heute noch mit Quantensprüngen der Lichtausbeute zu rechnen ist. Solche Aussagen sind unseriös.
Wovon ist die Lichtausbeute abhängig und wie effizient kann eine weiße LED überhaupt sein? Hersteller haben sich in den letzten Jahren einen Wettlauf um die höchste Lichtausbeute ihrer LED-Produkte geleistet. Eine einheitliche Definition von Lichtausbeute und Betriebsbedingungen ist dabei auf der Strecke geblieben. Hier gibt es oftmals nicht nachvollziehbare Auslegungen für den Planer.
DIAL hat die maximal theoretisch erzielbare Lichtausbeute verschiedener Spektren rechnerisch ermittelt.
Maximale theoretische Lichtausbeute weißer LEDs
In der Netzhaut des menschlichen Auges befinden sich ungefähr 7 Millionen Rezeptoren: Rot -, Grün- und Blaurezeptoren. Diese dienen der Farbwahrnehmung und nennen sich Zapfen. Allerdings sind die meisten davon (ca. 60 %) Grünrezeptoren. Somit nimmt der Mensch die Lichtfarbe Grün im Vergleich zu Rot und Blau, bei gleicher physikalischer Strahlungsleistung, als wesentlich heller wahr.
Die maximale relative spektrale Hellempfindlichkeit liegt beim hell adaptierten menschlichen Auge bei einer Wellenlänge von 555 nm. Also kann die höchste für den Menschen wahrnehmbare Hellempfindung mit grünem Licht der Wellenlänge 555 nm erzeugt werden. Die größte Lichtausbeute, die theoretisch erzielt werden kann, beträgt bei 555 nm insgesamt 683 lm/W. In diesem Zusammenhang spricht der Experte vom fotometrischen Strahlungsäquivalent Km. Dieser Wert ist in der Praxis jedoch nicht erreichbar, da bei dieser Betrachtung davon ausgegangen wird, dass 1 W physikalische Strahlungsleistung verlustfrei in sichtbares Licht umgewandelt werden kann.
Natürlich ist monochromatisch grünes Licht für die allermeisten Beleuchtungszwecke nicht nutzbar, auch wenn es am wirtschaftlichsten wäre. Der Planer möchte weißes Licht mit unterschiedlichen Farbtemperaturen und einer möglichst guten Farbwiedergabequalität einsetzen. Doch allein das Auffüllen der spektralen Verteilung mit weiteren Wellenlängen im sichtbaren Bereich (380–780 nm) sorgt für das Sinken der maximal theoretisch erzielbaren Lichtausbeute.
Demzufolge gibt es keinen einzelnen Zahlenwert für die maximale Lichtausbeute weißer LEDs. Wie hoch die maximale Lichtausbeute ist, hängt immer von der gewünschten spektralen Verteilung ab. Je mehr Grün im Spektrum vorhanden ist, desto wirtschaftlicher ist das Leuchtmittel.
Lichtausbeuten in Abhängigkeit vom Spektrum
Die folgende Übersicht zeigt die theoretisch maximal erzielbaren Lichtausbeuten verschiedener Spektren, die DIAL rechnerisch ermittelt hat.
Neben LEDs verschiedener Farbtemperaturen sind auch einige effiziente Vertreter aus den Bereichen Temperaturstrahlung und Gasentladung aufgeführt. Die Systemleistung und der Lampen- bzw. Modullichtstrom der Produkte dieser Tabelle wurden von DIAL im eigenen akkreditierten Lichtlabor gemessen. Daraus ergibt sich die Systemlichtausbeute. Auf Basis der relativen spektralen Hellempfindlichkeitskurve des menschlichen Auges für das Tagessehen V (λ) wurde für jedes Spektrum die theoretisch erzielbare maximale Lichtausbeute berechnet. Aus der Tabelle lässt sich schließen, dass das typische Spektrum einer warmweißen LED eine theoretische Modullichtausbeute von ca. 320 lm/W erreicht. Da hier aber von einer verlustfreien Umsetzung der physikalischen Strahlungsleistung in die Wellenlängen des Spektrums ausgegangen wird, ist die real erzielbare Modullichtausbeute wesentlich geringer. Möglicherweise sind hier künftig Systemlichtausbeuten im Bereich von 200–250 lm/W realisierbar.
Darüber hinaus befindet sich in der Übersicht der Wirkungsgrad der untersuchten Leuchtmittel. Der Wirkungsgrad beschreibt, wieviel Prozent der Leistung in sichtbares Licht umgewandelt wird. Hier liegen effiziente LEDs im Vergleich zu den konventionellen Leuchtmitteln ganz klar vorn. Während der Wirkungsgrad bei Glühlampen beispielsweise zwischen 10 und 20 % liegt, erreichen sehr effiziente LEDs derzeit zwischen 40 und 50 %. Dennoch sind es hier auch nur 40–50 % und zwischen 50 und 60 % der Leistung gehen letztlich als Wärme verloren.
Diese Zahlen dürfen allerdings nicht darüber hinweg täuschen, dass es derzeit auch viele LEDs am Markt gibt, die eine weit geringere Systemlichtausbeute besitzen. Hier ist der Wirkungsgrad entsprechend schlechter.
Quantensprung Lichtausbeute ade
Im Bereich der maximal erzielbaren Lichtausbeute ist in den kommenden Jahren nicht mit Zuwächsen der gleichen Größenordnung zu rechnen, wie in den ersten Jahren nach der Serienreife weißer LEDs. Die Kurve der maximalen Leuchtenlichtausbeute neu entwickelter Produkte flacht langsam ab.
Die durchschnittliche Lichtausbeute von LED-Leuchten wird sicherlich noch weiter ansteigen, da sich nach wie vor Leuchten mit Lichtausbeuten von 50 – 70 lm/W am Markt befinden, die weiter optimiert werden können. Diese Aussage manifestiert sich in den Daten, die DIAL im akkreditierten Lichtlabor in den letzten Jahren gemessen hat.
Keine Frage, die LED ist ein effizientes Leuchtmittel. Dennoch gibt es auch bei der LED physikalische Grenzen in Bezug auf die Lichtausbeute. Die theoretisch maximal erzeugbare Lichtausbeute richtet sich immer nach dem gewünschten Spektrum. Quantensprünge sind heutzutage nicht mehr zu erwarten.
Aussagen wie „In wenigen Jahren werden weiße LEDs eine Lichtausbeute von 500 lm/W erreichen!” sind schlichtweg falsch, weil dies rein physikalisch nicht möglich ist.
Planernotiz: Immer genau hinsehen und niemals den gesunden Menschenverstand ausschalten.