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Beleuchtungstechnik

Leuchtdioden geizen beim Energieverbrauch

| Autor/ Redakteur: Reinhold Schäfer / Reinhold Schäfer

Konventionelle Beleuchtungselemente wie Glühlampen oder Halogenstrahler haben einen geringen optischen Wirkungsgrad. Selbst Leuchtstoffröhren sind im Vergleich zu Leuchtdioden weniger energieeffizient. Gäbe es nicht das Problem der niedrigen Lichtmenge pro Modul, würden Leuchtdioden weit mehr genutzt als bisher.

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LED-Tagfahrlicht, wie das beim Audi TTS Roadster, erhöht die Verkehrssicherheit bei nur geringem Energiemehrverbrauch. Bild: Audi
LED-Tagfahrlicht, wie das beim Audi TTS Roadster, erhöht die Verkehrssicherheit bei nur geringem Energiemehrverbrauch. Bild: Audi
( Archiv: Vogel Business Media )

Gemessen an der Energieeffizienz sind Leuchtdioden schon heute den konventionellen Glühlampen und Leuchtstoffröhren voraus. Durch ihre kleine Bauform kann man das ausgestrahlte Licht zudem sehr gut umlenken. Eine neuartige Optikkomponente soll das künftig ausnutzen. Sie lenkt das Licht gezielt dorthin, wo es gebraucht wird.

Bei einer Straßenlampe etwa lässt sich das Licht so umlenken, dass ausschließlich die Fahrbahn beleuchtet wird – nicht die Schlafzimmerfenster der umliegenden Häuser. Durch die gezielte Auslegung der Optik wird die Straße im Zielbereich homogen ausgeleuchtet und die Helligkeit fällt nicht, wie bisher, zum Rand hin stark ab.

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„Wir messen die Abstrahlcharakteristik einer LED und bereiten die Daten für ein selbst entwickeltes Optik-Design-Programm auf“, sagt Dr. Christian Wenzel, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen. „Damit berechnen wir Linsen, die das Licht gezielt in den gewünschten Zielbereich lenken. Durch die spezielle Auslegung auf die eingesetzte LED und die gewünschte Intensität im Zielbereich steigern wir den optischen Wirkungsgrad gegenüber konventionell geformten Linsen. Letztlich erhöht sich damit die Energieeffizienz des gesamten Beleuchtungssystems.“

Basis für diese gezielte Lichtführung ist eine individuell geformte Freiformflächenoptik aus Kunststoff, deren Kontur speziell berechnet wurde. „Die Linsen werden bei uns in einem Spritzprägeverfahren hergestellt. Die beiden Werkzeughälften, die als Form dienen, müssen einmalig hochpräzise ausgerichtet werden – die Genauigkeit liegt bei einigen Mikrometern und damit bei weniger als einem Zehntel eines Haardurchmessers.

Gesamte Prozesskette wurde optimiert

Sind die Werkzeuge einmal justiert, lässt sich die Linse kostengünstig in hohen Stückzahlen herstellen“, sagt Dr. Wenzel. Die Forscher am IPT haben dabei die gesamte Prozesskette optimiert: von der Planung der Optiken über die Herstellung bis hin zur Überprüfung. „Das ist bisher einzigartig in Europa“, sagt der Experte. Eine Herausforderung dabei: Der Kunststoff, der heiß in die Form eingespritzt wird, schwindet beim Abkühlen – die fertigen Linsen sind daher etwas kleiner, als die Form es vorgibt.

Diesen Effekt berücksichtigen die Forscher durch wiederholte Messung und schrittweise Verbesserung – auf wenige Mikrometer genau. Weil die Ingenieure am IPT über einen großen Erfahrungsschatz in der Messung großflächiger optischer Bauteile verfügen, können sie die Anzahl der Iterationsschleifen klein halten. Damit lassen sich auch komplexe optische Freiformlinsen schnell auslegen und optimieren, um die Vorteile des günstigen Herstellungsverfahrens in die Kleinserienfertigung ab einigen hundert Linsen zu übertragen.

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