Vergleich: LED, Standard-Neon und HOTFIL-Neon

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Verfasser: Marcus Thielen

Diese vergleichende Untersuchung erschien erstmalig im Jahr 2003,  sie wurde hier redaktionell leicht überarbeitet und 2006 aktualisiert (s. Nachtrag).

Vergleich der Leistungsdaten von drei Lichtquellen

Die in der Lichtwerbung derzeit eingesetzten Beleuchtungssysteme enthalten überwiegend Kaltkathodenröhren mit Becherelektroden, hier als  Standard-Neon bezeichnet. Seit einiger Zeit werden jedoch auch vermehrt LED's ("Light Emitting Diode") zur Ausleuchtung von Buchstaben verwendet.

Heißkathodenröhren werden bisher für den gleichen Zweck sehr viel seltener eingesetzt. Handwerklich sind diese nur aufwendig mit Hilfe eines Vakuumpumpofens herstellbar, haben sich aus industrieller Massenfertigung jedoch in der Beleuchtungstechnik als sogenannte"Leuchtstofflampen" längst bewährt. Heißkathodenröhren mit Glühwendelelektroden für Anwendungen in Lichtwerbung und Architekturbeleuchtung sind inzwischen unter der Bezeichnung "HOTFIL Leuchtröhrensystem aus handwerklicher Fertigung nach einem neuen, patentierten Verfahren erhältlich, welches ohne Pumpofen auskommt.

Lichtausbeute: Äpfel mit Birnen vergleichen?

Einige Hersteller und Vertreiber von LED's haben -mindestens zu Beginn des LED-Booms- die Lichtwerbebranche deutlich verunsichert, insbesondere durch irreführende Aussagen und unseriöse Vergleiche. Zum Beispiel: "Unser LED-Ausleuchtungssystem verbraucht weniger als ein Viertel der Energie eines vergleichbaren Neon-Systems".

In derartigen Vergleichen wird meist nur eine Größe, z.B. die Stromaufnahme verglichen, während andere wichtige Größen wie Intensität, Wirkungsgrad etc. unberücksichtigt bleiben.

Die wesentliche Größe beim Vergleich von Lichtquellen ist jedoch die Lichtausbeute, d.h. der je Watt Leistungsaufnahme abgestrahlte Lichtstrom, angegeben in "Lumen pro Watt" als Maß für die Effektivität der Lichterzeugung.

Internationale Bewertungs-Standards für Lichtquellen wurden erst in den Jahren 1931 und 1948 festgelegt. Selbst heute sind viele nicht standardisiert gemessene Angaben noch  üblich (und nicht vergleichbar!). Auch sind nur Lichtquellen mit annähernd gleicher spektraler Verteilung korrekt vergleichbar, da z.B. die Empfindlichkeit des menschlichen Auges für Dunkelrot eine andere als für Gelbgrün ist (siehe DIN 5031 Teil 3 ).Ende des Jahres 2001 erschienen erste Herstellerangaben über Lichtströme zu LED's, ermittelt nach Meßmethoden und Standards der modernen Beleuchtungstechnik. Damit war es erstmals möglich, LED's seriös zu vergleichen (Tab.1).

Nur Lichtquelle, ohne Verluste von Vorwiderstand und Stromversorgung; Stand Aug. 2001. Bis heute, Juni 2003, wurden zwar LED-Labormuster verschiedener Hersteller mit verbesserten Werten vorgestellt; Daten für Serienprodukte sind jedoch praktisch unverändert (siehe hierzu USENET: sci.engr.lighting).

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Beispielrechnung 

Aus der Sicht des Physikers werden nachstehend drei Beleuchtungssysteme anhand einer beispielhaften Leuchtschrift verglichen. Der vorgestellte Vergleich beschränkt sich auf die Lichtquellen selbst: Wegen der großen Zahl an lichttechnischen Parametern aus der Lampenumgebung, z.B. Gehäuse, Buchstabengeometrie, innere Oberfläche und Abdeckmaterial, sind trotz umfangreicher mathematischer Modelle allgemein gültige Ergebnisse nicht darstellbar. Ferner ist die Entwicklung auf dem Halbleitermarkt so rasant, daß möglicherweise die aktuellen Herstellerdaten und der daraus resultierende Vergleich schon in kurzer Zeit nicht mehr zutreffen1)   Eine Berechnung soll am Beispiel einer Buchstabenausleuchtung parallel für Rot (günstigster Fall für LED) und für Grün (günstigster Fall für Neon) durchgeführt werden. Die Ergebnisse für andere Farben liegen zwischen diesen beiden Eckwerten. Zum Vergleich dient ein Schriftzug "MOTEL" mit ca. 60 cm Versalhöhe; Neon-Rohrlänge 7.6 m in 6 Systemen, 22 mm Rohrdurchmesser, Betriebsstrom 100 mA bzw. 140 mA; (siehe Fußnote b)  in Tabelle 2). Die lichttechnischen Daten zu Standard-Neon entstammen Messungen des Instituts G. Ferrara, Milano, veröffentlicht im Katalog der Fa. TecnoLux, Desio, Italien;  die Daten zu LED sind Datenblättern der Fa. Teledyne, Palo Alto, U.S.A. entnommen.

1)  (Anmerkung aus Überarbeitung: siehe Nachtrag).

 

Tab 2.: Beispielrechnung

a) Es werden meist drei LED (oder Gruppen von je drei LED) auf einer Platine mit einem Widerstand zur Stromstabilisierung zu einem Modul zusammengeschaltet. Die Module werden an 12 Volt Gleichstrom betrieben und haben eine Stromaufnahme von 30 mA/Modul, also nimmt jedes Modul eine Leistung von 0.36 Watt auf. 

Die 12 Volt-Stromversorgung hat bei Ausführung als Schaltnetzteil einen Wirkungsgrad von ca. 0.97, daher nimmt jedes Modul eine Leistung von 0.371 Watt aus dem Stromnetz auf. Durch die Verfügbarkeit von Neon in fast jeder spektralen Zusammensetzung ist optimale Anpassung an die Transmission des Abdeckmaterials gegeben - solange nicht einfach "hellweiss" hinter jeden farbigen Acrylspiegel gesetzt wird. Bei LED sind nur wenige Farben mit zudem eng begrenzter spektraler Energieverteilung verfügbar, die bei schmalbandiger Transmission der Abdeckung zusätzlich zu erheblichen Lichtverlusten führen können und damit den Wirkungsgrad weiter vermindern. Auch ist durch die Punktquellencharakteristik der LED's eine stärkere Streuwirkung des Spiegelmaterials erforderlich, um eine einheitlich erleuchtete Fläche zu erreichen. All diese Zusatzverluste vermindern die Gesamtwirkung; eine Berücksichtigung würde jedoch den Rahmen dieses Artikels bei weitem überschreiten.

b) Da Wendelelektroden mit Rotentladung keine hohe Lebenserwartung haben, wird zur Ausleuchtung von Buchstaben mit rotem Spiegel die Verwendung des Leuchtstoffes Rot/2 mit Blauentladung empfohlen; dabei ist der Betriebsstrom auf 140 mA einzustellen, um für diesen Leuchtstoff den gleichen Lichtstrom wie bei reiner Rotentladung von 100 mA zu erhalten. Die Lichtausbeute ergibt sich aus den Daten des Leuchtstoffherstellers.

c) Die Lichtausbeute eines Moduls ist gegenüber der Lichtausbeute einer einzelnen LED durch Verluste im Vorwiderstand reduziert. Um die gleichen Lichtströme in der Installation, d.h. die gleiche Helligkeit der Buchstabenausleuchtung wie mit Neon zu erreichen, berechnet sich die Anzahl der erforderlichen Module aus dem Quotienten (Lichtstrom Neon) / (Lichtstrom LED).

d) Bestimmung der effektiven Brennspannung nach der Gradientenformel von Wickmann  für 7.6 Meter Rohrlänge mit Rohr-Ø 22 mm in 6 Systemen. Anstelle des Elektrodenzuschlages von 250 Volt / Paar bei Standard-Neon sind für HOTFIL-Glühwendeln jeweils nur 15 Volt / Paar erforderlich und angesetzt.

e) Der magnet. Neontransformator hat einen Wirkungsgrad von ca. 0.90; die dem Stromnetz entnommene Gesamt-Leistung liegt entsprechend höher. Hier wird angesetzt, daß die Neon-Anlagen mit bestehendem Hochspannungstransformator betrieben werden und Wirkungsgrade für EVG's ca. 0.97 betragen.

f) Die Lichtausbeute h wird aus Gesamtlichtstrom fS und Gesamt-  Leistungsaufnahme WS errechnet:

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Lebensdauer

Für korrekt gefertigte Hochspannungsleuchtröhren hat sich nach über 90 Jahren praktischer Erfahrung eine mittlere Lebensdauer von etwa 20 000 bis 30 000 Stunden gezeigt, und mehr als 80 000 Stunden sind keine Seltenheit. Dabei sinkt in Röhren ohne Leuchtstoff die Lichtausbeute praktisch nicht, während der Leuchtstoff in beschichteten Röhren durch Alterung unterschiedlich an Intensität verlieren kann. Der klassische grüne Leuchtstoff altert am schnellsten, die Lichtemission ist nach ca. 10 000 Betriebsstunden auf etwa 25 % abgefallen; moderne grüne Seltenerd-Leuchtstoffe weisen nach über 15 000 Stunden noch mehr als 70 % Lichtemission auf. Daher wird hier für den Leuchststoff grün/1 (Zn2SiO4:Mn) die Nutzungsdauer der grünen Röhren mit 10 000 Stunden, die für Klarglas Rotentladung mit 30 000 Stunden angesetzt. Für Heißkathoden-Leuchtröhren wurden 10 000...40 000 Std. Lebensdauer je nach Betriebsart (EVG/Drossel, Anzahl Schaltzyklen) als Erfahrungswert ermittelt. Hier wird für das HOTFIL System 10 000 Stunden angenommen. 

Einige Handelsketten in den USA, die LED für die Ausleuchtung von Buchstaben eingesetzt hatten, haben nach etwa 1 bis 1.5 Jahren wieder auf Neon umgestellt, da die Lichtemission zu stark abgefallen war. 

Wie Untersuchungen g) bewiesen, können während des Betriebes sogar kurzzeitig auftretende Umgebungstemperaturen von über 65 C die LED dauerhaft schädigen. Dabei reduziert sich die Lichtemission innerhalb weniger Wochen um bis zu 70%. Dieser Effekt beruht auf Diffusionserscheinungen innerhalb des Halbleiterkristalls der LED und hängt von z.T. heute noch unbekannten Einflußgrößen ab. Es kann inzwischen nach wiederholten Experimenten als sicher gelten, daß die oftmals angepriesene Lebensdauer von 100 000 Betriebsstunden bei LEDs in Außenanlagen nicht erreichbar ist. Als realistisch gelten -von einzelnen Herstellern bereits dahin korrigierte- Werte von 4 000 (weiss) über 5 000 (blau, grün) bis 10 000 (rot) Betriebsstunden. 

g)  Lit.: Tim Brosnahan/Steve Kieffer in "Signs of the Times", Cincinnati, USA; August 2001, S. 85ff;     Versuche im Auftrag der International Sign Association ISA, USA.

 

Wirtschaftlichkeitsschätzung

Eine Betriebsdauer der Werbeanlage von 12 Stunden pro Tag ergibt 4 380 Betriebsstunden pro Jahr. Es sollen die Anschaffungs- und Betriebskosten für 5 Jahre Nutzung (entsprechend 21 900 Betriebstunden) von LED und Neon gemäß vorstehender Beispielrechnung ermittelt werden; nicht berücksichtigt sind hier in allen Fällen die zusätzlich erforderlichen Anschaffungskosten für Buchstabengehäuse, Transformatoren bzw. Stromversorgungen und Montageaufwand. 

 

Tab. 3: Wirtschaftlichkeitsschätzung

In diesem Vergleich zeigt sich die höchste Wirtschaftlichkeit zur Ausleuchtung von Buchstaben bei Verwendung von handgefertigten Leuchtröhren mit heißen (Glühwendel-) Kathoden. Dies gilt besonders im Hinblick auf Anlagen mit hohen Lichtströmen, so auch bei Leuchtröhrenanwendung in der Architekturbeleuchtung, wie sie an zeitgemäßen Bauwerken zunehmend anzutreffen ist.

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Nachtrag zu vorstehendem Vergleich

Verfasser: Marcus Thielen;  Duisburg, im Oktober 2006

Vor kurzem wurde mir die Frage gestellt, ob die Entwicklung neuer LED-Typen eine Verbesserung ergeben hat gegenüber der im Vergleich von 2003 (s. o.) beschriebenen Situation. Wie jeder Halbleiterbereich unterliegen auch LED's einer kontinuierlichen Weiterentwicklung. Deshalb habe ich verschiedene Quellen nach neuen Produkten abgesucht; die Ergebnisse sind als Ergänzung zur bestehenden Untersuchung nachstehend zusammengefaßt.

Allgemein kann ich - auch aufgrund meiner Erfahrung als unabhängiger, öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger - feststellen, daß...

1) ...die neuen "LED Hochleistungsmodule" weniger effizient sind im Vergleich zu Standard-LED's; 

2) ...besonders bei "High Power LED's" durch den Strom innerhalb des Bauteils  eine Verkürzung der Lebensdauer bestimmt wird ; deshalb sind die Angaben der Hersteller zur Lebensdauer normalerweise nur erreichbar mit leicht reduzierten Betriebsströmen (und damit reduzierter Lichtausbeute!). Elektromigration, d.h. Materialwanderung entlang der Heterostruktur des P - N - �ergangs im Halbleiter wird als Ursache vermutet; Untersuchungen dazu sind noch nicht abgeschlossen.

3) ... die innere Betriebstemperatur des Halbleiterkristalls bestimmt das Absinken der Lichtausbeute über die Zeit, und in den meisten Fällen führt sie zu vorzeitigem Ausfall der LED. Das die LED umhüllende Plastikmaterial ist ein schlechter Wärmeleiter,  sodaß wegen der Umgebungstemperatur innerhalb eines Leuchtengehäuses die -wenn auch geringe- vom LED erzeugte Wärme nicht abgeführt werden kann und der Halbleiter innerlich überhitzt wird.

4) ...sehr unterschiedliche Qualitäten ähnlicher LED's seit kurzem im Markt angeboten werden und ein Vergleich praktisch unmöglich ist. Besonders bei billigen LED'S für weißes Licht variieren Intensität und Lichtfarbe so breit, daß damit eine einheitlich leuchtende Oberfläche einer Leuchtanlage meist nicht zu erzielen ist. Wenn der Hersteller Einheitlichkeit nicht explizit anbietet scheint es unerlässlich, jede einzelne LED nach Intensität und Farbe zu selektieren. 

5) ... das fluoreszierende Material zur Verwendung für Standard-NEON und HOTFIL-Neon ebenfalls einige Verbesserungen in Bezug auf die Effizienz erfahren hat. Diese betragen im Mittel jedoch nur etwa 6...7 % der in der Untersuchung aus dem Jahre 2003 für LED's aufgeführten Verbesserungen; sie sollen hier zu Gunsten der LED unberücksichtigt bleiben, weil letztere in Beschichtung und Lampenherstellung ebenfalls verbessert sein dürften.

 

Die Wirksamkeit neuerer LED-Module (mit normalem Leistungsstandard) verschiedener Hersteller -soweit seriöse Informationen zugänglich waren- zeigt sich in nachstehender Tabelle wie folgt:

Tab. 4: Effizienzvergleich 2006

1) Herkunft der LED-Daten: (N) Datenblatt der Nichia Chemical Industries (Japan); (T) Katalog von Toyoda Gosei, Japan 

Es ist schwierig, - auch von bedeutenden Herstellern - Zahlen für den Vergleich des Gesamt- Lichtstromes zu erhalten, und viele Daten stammen erst aus Laborversuchen. Hier sind ausschließlich garantierte Werte aus Produktdatenblättern verwendet. Die dargestellten Zahlen gelten ausschließlich für die Lichtquelle und schließen keinen Anteil für die Stromstabilisierung oder Stromversorgungs-Verluste ein. Ebenfalls nicht einbezogen sind hier thermische Probleme, Abdunkelung und Entfärbung der LED'S (auch der weissen!) während ihrer Lebensdauer. Die Berechnungen sind in gleicher Weise durchgeführt wie in der Untersuchung im Jahr 2003. 

Zusammenfassend kann ausgesagt werden, daß für jede Farbe, mit der Ausnahme von "Rot", Leuchtröhren und besonders HOTFIL-Leuchtröhren sehr viel effizienter als LED's sind. 

Leuchtdioden haben dort ihre Anwendung in der Leuchtwerbung gefunden, wo die Abmessungen eine Anwendung von Leuchtröhren ("Neon") nicht zulassen; jedoch für Vouten, Leuchtkästen und Reliefbuchstaben sind letztere einfach die beste Lösung. Die Zukunft wird zeigen, ob die schnell wachsende Weiterentwicklung von Halbleitern die nunmehr seit ca. einem Jahrhundert erprobte Technologie der Gasentladunglampen einholt oder gar überholen wird.

 

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