Wirkungsgrad von LED-Leuchtmitteln
Vor einigen Jahren wurde ein schrittweises Produktions- und Importverbot für herkömmliche Glühbirnen und Halogenlampen eingeführt, damit ineffiziente Leuchtmittel nach und nach durch moderne, sparsame Produkte ersetzt werden. Eine Zeit lang galten Energiesparlampen als die beste Alternative, mittlerweile werden hauptsächlich LEDs eingesetzt, weil sie durch ihren hohen Wirkungsgrad das aktuell effizienteste Leuchtmittel sind.
Effizienz und Wirkungsgrade verschiedener Leuchtmittel
Wo entstehen bei LEDs Verluste?
Wie berechnet man den Wirkungsgrad einer LED-Lampe?
Die Temperatur ist das A und O
Definition: Was bedeutet Wirkungsgrad eigentlich?
Generell bezeichnen Wirkungsgrade das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Arbeit und werden entweder als Zahl zwischen 0 und 1 oder in Prozent zwischen 0 und 100 % angegeben. Für Leuchtmittel berechnet sich der Wirkungsgrad also aus dem Verhältnis von abgegebenem Licht in Lumen zu der elektrischen Leistungsaufnahme. Dieser Wert ist nicht zu verwechseln mit der Effizienz – diese bezeichnet die Lichtausbeute und wird in Lumen pro Watt (lm/W) angegeben.
Effizienz und Wirkungsgrade verschiedener Leuchtmittel
Ein Wirkungsgrad von 100% würde für Leuchtmittel bedeuten, dass sämtliche zugeführte elektrische Energie in Licht umgesetzt wird, aber das ist physikalisch gar nicht möglich. Ein Beispiel: Für eine kaltweiße LED liegt das theoretische Maximum der Lichtausbeute bei 350 lm/W. Für einen Wirkungsgrad von 100 % hätten wir also eine Leistungsaufnahme von 1 Watt und einen Lichtstrom von 350 Lumen.
Aktuell liegt der Wirkungsgrad einer LED durchschnittlich bei 30–40 %, die restliche Energie wird als Wärme abgegeben. Damit sind sie zwar noch weit vom Maximum entfernt, aber im Vergleich zu anderen Leuchtmitteln sind sie trotzdem das effizienteste System, wie folgende Tabelle zeigt:
|
Leuchtmittel |
Wirkungsgrad (in %) |
Lichtausbeute (in lm/W) |
|
Glühbirne |
3 – 5 |
10 – 15 |
|
Halogenlampe |
8 – 12 |
15 – 20 |
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Energiesparlampe |
15 – 25 |
40 – 60 |
|
LED |
25 – 40 |
80 – 150 |
Die vergleichsweise hohe Spanne bei der LED rührt daher, dass im Vergleich zu anderen Leuchten bei LEDs durch die unterschiedlichen Komponenten an verschiedenen Stellen Verluste auftreten können und sich dadurch der Wirkungsgrad verringert.
Wo entstehen bei LEDs Verluste?
Anders als Lampen mit herkömmlichen Leuchtmitteln bestehen LED-Lampen aus mehreren Bauteilen:
- Vorschaltgerät
- LED(s)
- Optik
An allen diesen Bauteilen kann es zu Verlusten kommen, und somit verringert sich der Gesamtwirkungsgrad der Lampe.
Vorschaltgerät
Das Vorschaltgerät ist bei Netzspannungsmodellen in der Regel ein integriertes Netzteil, das 230 Volt Netzspannung in die Betriebsspannung für die LEDs umwandelt. Bei Niederspannungsmodellen ist ein gesonderter Transformator notwendig. Diese Vorschaltgeräte unterscheiden sich je nach Hersteller in ihrem Aufbau und haben dadurch auch jeweils andere Wirkungsgrade, aber grundsätzlich liegt dieser bei 70 bis 90 %.
LEDs
Leuchtdioden entwickeln aufgrund ihrer Bau- und Funktionsweise weniger Wärme als andere Leuchtmittel, trotzdem wird mehr als die Hälfte der Energie als Wärme abgegeben. In den meisten handelsüblichen warmweißen Leuchten sind LEDs mit einem Wirkungsgrad von etwa 25 bis 35 % verbaut.
Optik
Zur Optik gehören Linsen und Filter, zum Beispiel Streulinsen – um einen bestimmten Abstrahlwinkel zu erreichen – oder Farbfilter. Die Optik hat generell einen sehr guten Wirkungsgrad, aber je dicker die Filterschicht ist, desto mehr Licht geht verloren und wird als Wärme abgeleitet.
Wirkungsgrad einer LED-Lampe berechnen
Der Gesamtwirkungsgrad einer LED-Lampe errechnet sich aus der Multiplikation der Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten. Ein Beispiel:
Vorschaltgerät (90 %) * LED (30 %) * Optik (95 %) = 0,9 * 0,3 * 0,95 = 0,26
Unsere Beispiel-Lampe hat also einen Wirkungsgrad von 26 %. Wenn man die einzelnen Komponenten einer LED-Leuchte nicht kennt – insbesonderse bei Leuchten aus dem Handel –, kann man ihn auch selbst berechnen. Die Lichtausbeute ist angegeben, also kann man sie in Relation zum physikalisch maximal möglichen Wert setzen.
Als Beispiel:
Die Leuchte hat eine Leistungsaufnahme von 13 Watt und eine Lichtausbeute von 1500 Lumen. Also 1500 lm / 13 Watt ist eine Lichtausbeute von 115,4 lm/W. Wie oben bereits erwähnt liegt das aktuelle physikalische Maximum bei 350 lm/W. Teilen wir nun die Lichtausbeute der Leuchte durch den theoretischen Maximalwert (115,4 / 350) erhalten wir einen Gesamtwirkungsgrad von 33 %.
Mit diesen Informationen im Hinterkopf kann man leicht vor dem Kauf den Gesamtwirkungsgrad einer LED-Leuchte berechnen und kauft nicht mehr aus Versehen bzw. Unwissenheit Leuchten mit niedriger Effizienz.
Die Temperatur ist das A und O
Die Temperatur am LED-Chip ist entscheidend für den Wirkungsgrad, darum kommt es auf eine gute Kühlung an. Doch nicht nur das – wichtig sind auch Lichtfarbe und Farbtemperatur. Ohne Farbfilter würden weiße LEDs blau erscheinen, für warmweißes Licht muss man sogar relativ viel Licht filtern. Je bläulicher also das Licht erscheint, desto effizienter ist die Leuchte. Am wirtschaftlichsten wären sogar rein grüne LEDs, weil grünes Licht für das menschliche Auge am hellsten erscheint. Da das aber in den meisten Fällen nicht als Beleuchtung nutzbar ist, setzt man auf ein Farbspektrum mit möglichst hohem Grünanteil, ohne dass das Licht grün erscheint.
Die Zukunft der Leuchttechnik
Die maximal zu erreichende Lichtausbeute wird sich wohl auch in den kommenden Jahren kaum erhöhen, aber die durchschnittliche Lichtausbeute kann weiter optimiert werden. Obwohl der Wirkungsgrad der LED mit durchschnittlich 30 bis 40 % noch weit vom Maximum entfernt ist, sind LED-Leuchten aktuell das effizienteste Leuchtmittel.