LED-Selektion

In diesem Beitrag erklären wir dir, warum eine Selektion von LED erforderlich ist, wie Sie sich bei den Herstellern unterscheidet und welche Auswirkungen in der Praxis zu erwarten sind.

Die Produktion von LED unterliegt größeren Schwankungen. Das führt zu unterschiedlichen elektrischen und photometrischen Kennwerten jeder einzelnen LED aus einer Produktionscharge. Würden die so produzierten LED direkt auf ein LED-Lichtband aufgebracht, würden über die Länge unterschiedliche und zufällige Weißtöne, Farben und Helligkeiten entstehen. Das Lichtband würde kein homogenes Licht abstrahlen. Verschiedene Lichtbänder, die miteinander kombiniert werden hätten untereinander sichtbare Abweichungen.

Um dieses zu vermeiden wird jede LED nach der Produktion elektrisch und photometrisch genau vermessen und sortiert. Dieses wird in der Englischen Sprache "binning" genannt. Ein "bin" ist ein Behälter und in der Praxis werden die LED nach der Vermessung in verschiedene Behälter sortiert. Jeder Behälter steht für eine Gruppe von LED mit sehr ähnlichen Eigenschaften. Daraus ist der Begriff "binning" entstanden. 

Die Produktion von LED erfolgt also mit einem erheblichen Überschuss damit genügend LED für die geplante Menge der LED-Streifen in einem "Bin" zur Verfügung stehen. 

Die folgende Abbildung zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer LED von iluminize. Wir arbeiten nur mit hochwertigsten Materialien. Für die Selektion ist der Leuchtstoff in der Hülle aus Silikon entscheidend. Die eingefüllte Menge der Mineralien ist sehr klein und während der Produktion nur schwer steuerbar so dass Abweichungen entstehen. Aber gerade dieser Leuchtstoff bestimmt die späteren Eigenschaften des Lichts. Er sorgt dafür, dass das blau- bis grün abgestrahlte Licht der  LED in einen natürlichen Weißton verwandelt wird. Die LED leuchtet den Transmitter von hinten an.

Mit einer LED und durch Gestaltung der Leuchtstoffe lassen sich verschiedene Farben und Weißtöne herstellen. Die Abbildung unten zeigt den Raum der Farben und Weißtöne, die grundsätzlich mit einer LED abbildbar sind. Neben den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau, aus denen die Mischfarben erzeugbar sind, findet sich in der Mitte ein Bereich mit den weißen "Farbtönen" auch Weißtöne genant. Auf der in Schwarz eingezeichneten Kurve befinden sich die natürlichen Weißtöne. Der Bereich erstreckt sich von Rot -was dem Sonnenuntergang entspricht- und Blau, dem Tageslicht.

Zur besseren mathematischen Darstellung wird ein Farbwert als Kombination von x- und y-Wert -auch XY-Wert genant- angegeben. Damit ist jeder Farbort mit zwei Zahlen definiert. Für Weißtöne erfolgt die Angabe des Tons auch in der Einheit "Kelvin". Der mit dem roten Punkt gekennzeichnete Weißton liegt bei etwa 5000 K. 

Abbildung: XY-Farbraum für LED

Damit eine LED einen solchen Weißton von beispielsweise 6000 K, also ein von x und y (0,31 | 0,34) definierter Farbort, erzeugen kann, muss eine spezielle Mischung von Leuchtstoffen in einer genau definierten Menge in die Silikonhülle eingebracht werden. Stimmt die Mischung nicht exakt oder die Menge weicht von der Vorgabe ab, wird von der LED ein anderes Licht abgestrahlt. Das kann beliebig variieren und der Weißton könnte 6000 K oder auch 4000 K betragen.

Die Selektion im Farbraum

Die unten stehende Abbildung zeigt, wie sich, entlang der Kurve der natürlichen Weißtöne, die bekannten Weißtöne von 2700 K bis 6000K aufreihen. Die Bereiche, in denen der Weißton gleich bezeichnet wird, sind die gelblichen bis bläulichen Rauten. Jeder XY-Wert einer LED innerhalb der Rauten wird (grob) mit dem gleichen Wert in Kelvin bezeichnet. Zwei, beispielsweise mit 2700 K bezeichnete LED-Lichtbänder verschiedener Hersteller können sichtbar deutliche Unterschiede im Weißton aufweisen. 

Abbildung: Selektion im Farbraum

McAdam steps bzw. SDCM

Das Binning erfolgt bei unterschiedlichen Herstellern nach jeweils anderen Kriterien. Wesentliches Merkmal dabei ist die mögliche Abweichung von einem Sollwert. Die oben gezeigte Grafik zeigt die Linie der natürlichen Weißtöne und darauf platziert die Rauten für den Bereich eines Weißtons. Nehmen wir beispielsweise die gelbliche Fläche bei 2700 K so könnte eine LED mit XY-Werten irgend eines Punktes dieser Fläche leuchten. Die Abweichung der Weißtöne dabei ist sehr groß. Ganz links unten in der Raute liegt der Weißton schon im Bereich von 3000 K plus Rotverschiebung, rechts oben eher bei 2500 K mit Blau- und Grünverschiebung. Die folgende Abbildung illustriert ein Lichtband mit LED, die innerhalb der Raute von 4000 K streuen. Es ist deutlich erkennbar, dass manche LED eher rötlich und andere eher bläulich oder grünlich wirken. Eine homogene Beleuchtung ist damit nicht möglich.

Abbildung: Streuung der LED in einem 4000 Lichtband, SDCM 5-7

In der Praxis haben sich Selektionsverfahren mit elliptischen Begrenzungen etabliert. Sie sind als "McAdam steps" oder unter der Kurzbezeichnung  SCDM x bekannt. Je kleiner die Zahl x ist, um so besser ist die Selektion. Für den professionellen Einsatz eignen sich überhaupt nur Lichtbänder mit LED, die eine Selektion nach SDCM 2 erfahren haben. Nur dann bestehen keine sichtbaren Farbabweichungen mehr. Preiswerte Lichtbänder werden üblicherweise aus dem LED-Abfall der Produktion hochwertiger Produkte hergestellt. Sie sind dann im besten Fall nach SDCM 5 oder 7 selektiert und zeigen eine Streuung wie oben dargestellt. SDCM 3 selektierte LED rangieren im preislichen Mittelfeld.

Abbildung: leichte Farbunterschiede bei SDCM 3 

Abbildung: keine sichtbaren Abweichungen bei SDCM 2

Die Größe des Bereichs der Selektion macht's

Die folgende Abbildung zeigt, wie in der Praxis aus einem (groben) Weißton -Raute in der Grafik- ein kleiner Bereich ausgewählt wird. Um einen Mittelpunkt herum (XY-Wert) wird eine Ellipse platziert. Die Größe der Ellipse bestimmt, wie groß die Abweichung einer LED beim Vermessen sein darf, das Sie noch in das gleiche "Bin" kommt. Die Fläche von SDCM 3 ist entsprechend größer als SDCM 2 und deshalb sind Farbabweichungen wahrscheinlicher.

Abbildung: Selektion nach SDCM und wie iluminize es macht  

Wie selektiert iluminize

Wir nutzen nicht die Ellipsen der SDCM-Methode sondern wir verwenden Quadrate. Diese sind in roter Farbe dargestellt. Sie sind noch etwas kleiner als die Ellipse der SDCM 2 und diese Art der Selektion erfordert mehr Aufwand. Sie bietet aber den Vorteil noch enger beieinander liegender Weißtöne.

Der immer gleiche Mittelpunkt ist der entscheidende Unterschied

Wir von iluminize gehen aber noch einen Schritt weiter. Wir wählen immer genau den gleichen Mittelpunkt für unser Selektions-Quadrat, und das unabhängig von der Charge sowie dem Modell. Dadurch gewährleisten wir, dass die LED-Lichtbänder verschiedener Modelle mit dem gleichen LED-Typ und aus verschiedenen Chargen mit dem Auge nicht zu unterscheiden sind. Soll beispielsweise nach einiger Zeit ein LED-Lichtband am gleichen Ort nachgerüstet werden, ist der Weißton oder die Farbe gleich und es ist kein Unterschied bemerkbar.

Aus Kostengründen machen es aber viele Hersteller anders, wie die folgende Grafik zeigt. In einer Produktionscharge fallen LED aus beiden SDCM-Ellipsen an, die für zwei verschiedene Modelle oder Chargen genutzt werden können. Kommen beide Modelle / Chargen in einem Raum zum Einsatz, werden unterschiede sichtbar sein.

Abbildung: wie es andere Hersteller aus Kostengründen machen - abweichende Mittelpunkte

Andere Einflüsse auf die Lichtanmutung

Bedingt durch die verschiedenen Bauarten und Größen der LED-Gehäuse unterscheidet sich -trotz der gleichen Selektion der einzelnen LED- die Lichtabstrahlung der Lichtbänder mit verschiedenen LED-Typen etwas. Das liegt an den unterschiedlich großen Flächen sowie der abweichenden Lichtdurchlässigkeit der LED-Gehäuse. Ein Lichtband mit der 2835 LED wird deshalb leicht anders wirken als ein Lichtband mit der 2216 LED.

Zudem ist der Ra-Wert für die Mischung der Wellenlängen des Lichts entscheidend. Trotz gleicher Selektion auf den gleichen Weißton unterscheiden sich Lichtbänder mit verschiedenen Ra-Werten deutlich.

Auch die Schutzklasse hat einen Einfluss auf das Licht. Silikonummantelte Lichtbänder wirken kühler als solche ohne Schutz. Die von uns überwiegend verwendete Nano-Versiegelung bietet zwar nur einen etwas geringeren Schutz vor Feuchtigkeit, sie hat aber nur einen sehr geringen Einfluss auf die Lichtcharakteristik. Die Abweichung beträgt etwa 2%. Bei einer Silikon-Ummantelung sind es gerne 8-10%.

Zuletzt wirkt sich bei der indirekten Beleuchtung auch die Farbe der Decke bzw. der Wand deutlich auf die Lichtabstrahlung aus. Durch die Absorption gewisser Wellenlängen kann das Lichtspektrum beeinflusst und die Wirkung des Lichts verändert werden. Für einen optimalen und harmonischen Gesamteindruck sollte deshalb überall die gleiche Farbe zum Einsatz kommen.