LED Linsentechnik Erklärt

Das LED Licht ist eine punktförmige Lichtquelle die schon früh optimal zur Signalisation genutzt werden konnte. Hierfür gibt es bereits unzählige Beispiele wie etwas der einfache Power On Status oder auch die Pegel Aussteuerungsanzeige an z.B. HiFi Geräten.

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Die Anzeigeelemente entsprechen nicht unbedingt der gewohnt runden LED Form obwohl sich dahinter eine LED verbirgt welche wir in erster Linie als rund geformtes bedrahtetes Bauteil kennen. Hier hat man sich der Möglichkeit bedient über bestimmte transparent oder auch eingefärbte Kunststoffe als Licht leitendes Material das LED Licht in quasi beliebige Formen wie Quadrate, Rechtecke, Dreiecke oder auch Sterne überzuführen. Letztendlich sind die ersten bedrahteten LED auch schon die ersten Elemente mit Optiken aus Kunststoff, bei rund geformten Kopf versehen mit einem sehr engen Abstrahlwinkel (z.B. 16° Spot), daher spricht man hier auch von Linsenkopf LED.

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Linsenkopf LED in verschiedenen Formen
Quelle: Wikipedia

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nsen Material: hoch reines optisches Polycarbonat oder PMMA (Polymethylmethacrylat auch bekannt als Plexiglas (eingetr. Markenname) bzw. Acrylglas (umgangssprachlich)

In den Anfangszeiten der LED Technik bestand die Aufgabe der Linsen Technologie darin das wenige vorhandene Licht durch Bündelung zu einem engen Abstrahlwinkel besser sichtbar zu machen. Mit den in der heutigen Zeit verfügbaren Hochleistungs SMD LED haben wir doch deutlich andere Voraussetzungen und gerade in der Werbetechnik vorhandene Lichtintensitäten ohne Einschränkung.

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Oben stehende Abbildung zeigt eine Standard SMD LED und deren Aufbau. Ohne Linsen Technologie besitzen diese LED Typen wie SMD 3528, SMD 5050, SMD 2835 oder auch SMD 5630, um mal ein paar Beispiele zu nennen, einen Abstrahlwinkel von etwa 120°.

Als gängige Produkte die mit solchen LED Typen bestückt sind können hier LED Streifen oder Module aufgeführt werden.

Linsentechnologie in der Werbetechnik

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Die Linsentechnologie bei LED Systemen kommt hauptsächlich dann zum Einsatz wenn das punktuell erzeugte LED Licht besser an die Stellen zu lenken an denen das Licht benötigt wird und umgekehrt auch Licht an ungewünschten Stellen zu vermeiden. Umso weiter die Lichtmenge in den Raum hinein reicht, umso Effekt voller wirkt sich der Einsatz solcher Produkte aus. LED Typen mit hohen Lichtleistungen sind daher erforderlich. Der eingebrachte Lumestrom muß eben in der Summe auch bei reduzierter Produktmenge nach wie vor stimmen um die Leuchtkraft einer Werbeanlage auf einem akzeptablen Niveau zu halten.

In der Werbetechnik finden wir daher folgende Beispiele und die dazu gehörigen Einsatzgebiete:

Weitwinkel
Einsatzgebiet: Direkthinterleuchtung von Flächen wie Lichtästen
Vorteil: Kosten Materialpreis niedrig, reduzierte Aufwendungen und Kosten für Montage, hohe Lichtausbeute, beliebig große Flächen können hinterleuchtet werden
Nachteil: bedingt geeignet für Profilbuchstaben, Preis wächst mit zunehmender Fläche

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Eagle 2 + Eagle 3 Eagle 2 in Aktion


Hier ein Vergleich zwischen LED SMD 5050 Standard 120° Abstrahlwinkel, Eagle 2 mit 150° Abstrahlwinkel und Eagle 3 mit 150° Abstrahlwinkel. Man sieht sehr schnell wie bei identischer Einbautiefe von hier 120mm die Anzahl der Module sowie der damit verbundene Installationsaufwand sich senkt. Aus ursprünglich 100 Stück SMD 5050 Modulen ohne Linse werden nur noch 49 Stück Eagle 2 Module, jedoch natürlich nicht zum doppelten Preis.
Könnte man die Einbautiefe noch vergrößern z.B. auf 160mm kann die Anzahl Module mit dem Einsatz von Eagle 3 Modulen auf nur 25 Stück gesenkt werden.

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Funktionsweise:

Bisher galt für eine gleichmäßige Ausleuchtung von Lichtkästen oder auch Profilbuchstaben mit den üblichen Acryl oder Spanntuch Material als Front (Spiegel) bestückt und mit Standard SMD LED 120° Abstrahlwinkel die Faustformel „LED Modul Raster = Einbautiefe x 0.75 bis 0.85“. Durch den Einsatz von Linsen LED Modulen kann bei gleicher Einbautiefe das Modul Raster entsprechend der Linseneigenschaft vergrößert werden, denn die Linse leitet das vorhandene LED Licht durch den weiten Abstrahlwinkel mehr zur Seite, entlang der Spiegelrückseite.


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Würde man die 120° LED Module im Raster analog der 160° Weitwinkel Module verlegen, entsteht bei der 120° Technik auf dem Spiegel eine sichtbare dunkle Lücke, es kommt zur ungleichmäßigen Ausleuchtung.


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Nun gibt es jedoch noch einen Sonderfall bei dem die Weitwinkel Linsen Technologie wiederum nicht unbedingt den gewünschten Vorteil bringt. Bei großen Einbautiefen verliert das 160° abgestrahlte Licht gegenüber den 120° LED am Spiegel doch an Intensität, da der weite Abstrahlwinkle 160° das Licht viel mehr zur Seite wegführt als das es nach vorne in Richtung Spiegel gerichtet ist.

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Bei Profilbuchstaben sind die Einbauverhältnisse bei mittleren und kleineren Schriften meist sehr eng, sie haben viele Ecken und Rundungen in kurzen Abständen. Für eine saubere Ausleuchtung ist hier ein geringer Modulabstand zwingend erforderlich. Das Modul Ratster bleibt demnach für beide Abstrahlwinkel Typen gleich. Allerdings kann bei gleicher Modulanzahl gegenüber Standard 120° Modulen die Einbautiefe verringert werden. Damit solche Anlagen nicht überstrahlen sollte darauf geachtet werden nur Weitwinkel Module zu verwenden mit vermindertem Lumenstrom, eben analog der 120° Technik, z.B. ein 2 LED Modul 120° = 35 Lumen wird ersetzt durch 1 LED Modul 160° = 35 Lumen.

Sichtbare Leuchtkegel hinter Acryl sowie die dazu gehörigen Abstrahlcharakteristik Diagramme im Vergleich: SMD LED Standard 120° zu 160° Linsentechnologie (Weitwinkel):

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Linienstrahler /Kantenstrahler oder auch Zargenlichter genannt (oval oder spot geformtes licht)
Einsatzgebiet: Ausleuchtung von Lichtkästen von der Zarge aus

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Vorteil: Kosten Materialpreis höher, reduzierte Aufwendungen und Kosten für Montage, schlechte Lichtausbeute, Preis sinkt mit zunehmender Fläche
Nachteil: nicht für beliebige Größen geeignet, nicht einsetzbar für Profilbuchstaben

Wenn Lichtkästen mit Kantenstrahlern ausgestattet werden strahlen diese ihr Licht in Form eines Lichtfächers seitlich in die Fläche ein. Die Module werden üblicherweise an den beiden gegenüber liegenden Langen Kanten bestückt, damit zum einen die Entfernung zueinander so kurz wie möglich ist um den Lichtverlust über die Strecke so gering wie möglich zu halten. Zum anderen auch um die vorhandenen LED Lichtkegel sich ineinander strahlen zu lassen, dadurch lösen sie sich an der Front auf.

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Die Effizienz der seitlichen Lichteinstrahlung ist leider nicht so gut wie eine Direkthinterleuchtung. Bei Kantenstrahlern kommt es darauf an dass ihr Licht an der Rückseite sowie Frontseite vorbeistreicht und diese zum Leuchten bringt, es also zu Reflektionen kommt. Wie gut das funktioniert spiegelt sich in der Helligkeit wieder. Häufig packt man einen hohen Lumenstrom in den Kasten jedoch viel Licht wird vernichtet, da es nicht reflektiert wird, es läuft sich tot. Bei Kantenstrahlern ist demnach der angegebene Gesamtlumenstrom im Vergleich zur Direkthinterleuchtung und bezogen auf die am Spiegel austretende Helligkeit nicht unbedingt ein vergleichbarer Wert. Das Flächenlicht der Kantenstrahler ist in der Regel durchaus 40% dunkler. Das Licht nimmt ebenso zur Mitte hin immer etwas ab, stellt sich dann die Frage welchen Lichtabfall das Motiv noch verträgt.

Grundsätzlich kann man sagen dass die Kantenstrahltechnik bei doppelseitigen Lichtkästen immer die erste Wahl sein sollte. Man erspart sich dadurch den doppelten Boden und die doppelte LED Modul Bestückung für beide Seiten. Da es mittlerweile die Kantenstrahler auch als einzelnes LED Module auf der Kette gibt lassen sich diese auch bestens bei frei geformten Kästen (z.B. rund) einsetzen.

LED Linsen Entwicklung

Bei der Neuentwicklung von LED Linsen muß natürlich als erstes das Ziel definiert werden, was, wie und im welchen Umfang etwas beleuchtet werden soll. Dazu müß die Entfernung der LED zur beleuchteten Fläche, die Größe der angestrahlten Fläche sowie die gewünschte Intensität und Gleichmäßigkeit der Fläche bekannt sein. Reflektionseigenschaften der LED umgebenen Materialien können hier auch eine Rolle spielen. Man konstruiert dann am Bildschirm alles Relevante in eine Simulation per Spezialsoftware hinein, welches das berechnete Ergebnis der Linse beeinflussen könnte.

Den Größten Einfluss auf die Simulation hat die LED selbst mit ihren spezifischen Eigenschaften wie Abstrahlcharakteristik und Intensität. Diese Daten der LED müssen im räumlichen 3D Format vorliegen welche mit Hilfe eines speziellen Messgerätes genannt Goniophotometer ermittelt und gespeichert werden können. Das Gerät zeichnet die abgestrahlte Intensität abhängig von der Strahlrichtung auf.

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LED Goniophotometer – Vermessung der Abstrahlcharakteristik von LED Produkten

Definition des gemessenen Abstrahlwinkels:
Innerhalb des Diagramms ist das Ablesen des Abstrahlwinkels eindeutig definiert. Von der senkrechten Nullachse aus liest man die Winkelposition des Schnittpunktes mit dem 50% Wert des Intensitätsmaximums ab, einmal nach rechts sowie einmal nach links. Der Absolute Summenwert ergibt den ermittelten Abstrahlwinkel.


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Beispiel einer Simulation:


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  • LED SMD2835 – kombinierte Darstellung der Abstrahlcharakteristik Diagramme


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  • Computer generiertes 3D Modell einer LED Linse

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  • Lichtverteilungskurve in polarer Darstellung (DIALUX) – LED mit Linsen bestückt

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  • Simulation im Lichtkasten – 1000x1000x200mm, Spiegel Standard Acryl

Fazit:

Die heute erzielten LED Effizienzen in Bezug auf eingebrachte Leistung und resultierende Lichtmengen sind mittlerweile enorm hoch. Mit jeder neu auf den Markt kommenden LED hoher Lichtleistung sind auch schnell die passenden Linsen je nach Anwendung verfügbar. Nur diese Technik erst ermöglicht in der Werbetechnik heute erfolgreich eine wirtschaftlich vertretbare großflächige Hinterleuchtung , vor allem bei geringeren Einbautiefen.