Der aktuelle Entwicklungsstand von LEDs weist zwar einerseits eine erfreulich hohe Lichtstärke auf, steckt aber andererseits noch in den Kinderschuhen, was die Abhängigkeit der Lichtstärke (Helligkeit) von der Chiptemperatur und der Alterung der lichterzeugenden Schichten einer LED betrifft. LEDs unterliegen über die Temperatur einer Wellenlängenverschiebung und Intensitätsänderung. Letztere wird zusätzlich durch die Alterung noch verstärkt. Um diese unerwünschten Erscheinungen zu kompensieren, ist eine LED-Lichtregelung mit genauer Farbmessung erforderlich. Denn gerade in hochwertigen Anwendungen wie medizinischen Leuchten, Maschinenleuchten oder Flugzeugbeleuchtung ist eine stabile Lichtfarbe über die Lebensdauer einer LED-Leuchte für deren Einsatz Voraussetzung. Dies erfordert eine genaue Regelung des LED-Systems.
Temperaturabhängigkeit und Alterung
Typisch für das Verhalten einer Rot-Grün-Blau-Kombination einer LED-Quelle ist, dass die Abhängigkeit der roten LED größer ist als die der grünen und blauen LED. Zwischen 5 und 70 °C sinkt die Helligkeit um fast 40 Prozent. Eine Veränderung des Farbeindrucks sowie der Helligkeit des Mischlichts sind unvermeidbar. Der Anwender muss zudem entscheiden, ob er die Leuchte im kalten Zustand oder im temperaturmäßig eingeschwungenen Zustand kalibrieren beziehungsweise justieren will, je nach Vorgabe der Reproduziergenauigkeit der Lichtfarbe. Insbesondere bei größeren Anlagen, die aus mehreren Lichtquellen bestehen, wird die Einhaltung von Toleranzen zu einer anspruchsvollen Aufgabe. Bereits bei Farbtort-Toleranzen um �??E = 2,5 bis 3 hat der ungeübte Betrachter das Gefühl einer inhomogenen Lichtfarbe. Ein Beispiel: Die spezifische Eigenschaft des menschlichen Auges besteht darin, sehr empfindlich auf Farbdifferenzen zu reagieren, wogegen der absolute Farbwert bei fehlendem Vergleich nur schwer bewertet werden kann. So kann man bei LED-Kachelwänden, Monitoren oder gleichmäßig beleuchteten Flächen schnell Farb- und allgemeine Wahrnehmungsunterschiede feststellen.Obwohl die Betriebsstundenzahlen von LEDs laut Datenblattangaben weit über denen anderer Lichtquellen liegen, ist ab dem ersten Einschalten ein Alterungsprozess zu verzeichnen. Bekanntlich wird die Lebensdauer einer LED-Lichtquelle auf den Helligkeitsabfall von 70 Prozent der Ausgangshelligkeit bezogen. Weit vor der 70-Prozent-Marke sind allerdings bereits Veränderungen zu verzeichnen, die in Laboren nachgewiesen wurden. In Abbildung 1 ist der Helligkeitsverlauf einer RGB-LED innerhalb der ersten 10.000 Stunden dargestellt. Interessanterweise wurde nicht nur ein reiner Helligkeitsverlust, sondern sogar eine kurzzeitige Verbesserung der Lichtleistung gemessen. Auf Grund der unterschiedlichen Materialien der roten, grünen und blauen LED ist dieser Prozess ebenfalls unterschiedlich im Verlauf. Man sieht, dass der Abfall schon nach 5.000 Stunden im Bereich von 5 bis 25 Prozent liegt. Mit anderen Worten: in jedem Falle im sichtbaren Bereich. Ein Austausch einer einzelnen Leuchte einer Beleuchtungsanlage, im Ergebnis von Vandalismus oder anderer Einwirkungen, kann nur so erfolgen, dass man vor Ort die Ersatzleuchte einjustiert. Das bedeutet langfristige Instandhaltungskosten für den Betreiber der Anlage.
Konzept der optischen Rückkopplung
Bekannt sind Lösungen, die mit der Stabilisierung des Stroms und der Spannung der LEDs arbeiten. Ebenso gibt es Lösungen, die die Temperatur der LEDs messen und dem LED-Treiber zurückmelden und somit eine Temperaturregelung entsteht. Diese genannten Lösungen sind indirekte Stabilisierungsmethoden. Betrachtet werden soll eine Methode der direkten Regelung über das Farblicht. Die vorgestellte Lösung unterscheidet sich von einer (ungeregelten) Steuerung durch den eingefügten Farbsensor, der - je nach Ausbaustufe - bereits über analoge und digitale Baugruppen für die Übertragung der RGB-Werte an den Mikrocontroller der LED-Ansteuerung verfügt. Im Mikrocontroller wird in der Software der Soll-Ist-Wertvergleich durchgeführt, und es werden die entsprechenden Signale für die Leistungstreiber gebildet. Erweiterbar ist das Prinzip auch auf RGB-Weiß oder RGB-Amber-Weiß. Nicht dargestellt ist, wie das Licht auf den Farbsensor gelangt. Hier sind simple Lösungen sinnvoll, wie beispielsweise den ohnehin notwendigen Reflektor so zu konstruieren, dass ein wenig Licht auch zum Farbsensor gelenkt wird. Der Leistungstreiber der LEDs kann der einfachste und billigste sein, der technisch machbar ist: ein Treiber ohne Strom, beziehungsweise LED-Spannungsregelung und ohne Temperatursensor und Rückkopplung. Das stellt einen wichtigen Teil der Kostenersparnis und der Kalkulation der Gesamtkosten sowie der Folgekosten während des Systembetriebs dar.Ein anderer Punkt ist die Frage des notwendigen Binnings der LEDs. Ideal wäre, wenn jeder Lichtsektor beziehungsweise jedes RGB-Modul über das Licht geregelt werden würde. Die Notwendigkeit eines Binnings der LEDs entfällt in diesem Falle gänzlich. Technisch und ökonomisch ist dieser Anwendungsfall nur in Ausnahmen sinnvoll. Es genügt, wenn innerhalb von bestimmten Segmenten einer Linienleuchte beziehungsweise innerhalb von Quadraten einer Flächenleuchte ein Binning der LED realisiert wird. Von Segment zu Segment beziehungsweise von Quadrat zu Quadrat wird die Übereinstimmung über die optische Regelung erzeugt. Will man beispielsweise die grün gekennzeichneten Binning-Bereiche ausnutzen, muss lediglich die Regelreserve entsprechend höher ausgelegt werden. Da die Regelreserve jedoch ohnehin auf Grund der Alterung und Temperaturabhängigkeit auf 30 Prozent und höher ausgelegt werden muss, fällt der Anteil, der durch das Binning verursacht wird, regelungstechnisch kaum noch ins Gewicht.Aus Kostensicht dagegen ist es nicht unwesentlich, da Einkauf und Toleranzvorgaben einfacher und damit preiswerter zu handhaben sind.
Kostenrechnung
Am Ende der Kostenrechnung stehen die Kosten des Farbsensors gegen die Ersparnisse bei den Leistungstreibern und dem Binning der LEDs, die sich aufheben können. Betrachtet man die Gesamtkosten inklusive Folgekosten für Pflege und Instandhaltung, ist es möglich, dass Kosten und Ersparnisse eine andere positiv geartete Gewichtung erlangen können. So lassen sich potentielle Spareffekte bei den Instandhaltungskosten erzielen. Beispielsweise kosten die manuelle Nachjustierung oder Einstellungen nicht nur Geld, sondern auch Zeit und Personalkosten. In jedem Fall liegt mit der beschriebenen Lösung eine LED-Lichtquelle vor, die sich hinsichtlich der Konstanz ihrer lichttechnischen Parameter über Temperatur und Zeit von Produkten anderer Bauart mit zunehmender Betriebszeit und bei variierenden Umgebungstemperaturen deutlich abhebt. Wichtig ist, dass man einen Sensor auswählt, der selbst keine Alterung aufweist und in seinem Verhalten dem Farbempfinden des menschlichen Auges folgt.
