Leuchtmittel im Vergleich: LED, Laser und Entladungslampe

LED, Laser oder doch Entladungslampe? Wie unterscheiden sich die Eigenschaften der Leuchtmittel und für welche Scheinwerfer sind diese Leuchtmittel besonders geeignet?

Vor der Zeit der LED gab es Halogenleuchtmittel und Entladungslampen. Hier war die Entscheidung recht einfach. Für die statischen konventionellen Scheinwerfer galt: Halogenleuchtmittel für eine Farbtemperatur von 3200K, also warmweiß oder Kunstlicht genannt. Entladungslampen für eine Farbtemperatur um die 6500K, also kaltweiß oder Tageslicht genannt. Natürlich konnte man sich mit Konvertierungsfolien helfen, wobei jedoch viel Licht verloren ging. Für bewegtes Licht, bzw. Moving-Lights kamen aufgrund des hohen Wärmeanteils der Glühlampen bis auf wenige Ausnahmen keine Halogenleuchtmittel in Frage. Die Energie-Einsparungs-Regularien haben der Halogenlampe dann das Zeitliche beschert. Es bleiben aktuell nur noch die LED, spezielle Entladungslampen und Laser-Phosphor Lichtquellen übrig, die in Scheinwerfer verbaut werden. Warum neben der LED noch weiterhin Entladungslampen eingesetzt oder gar technologisch sehr anspruchsvolle Laser-Phosphor-Leuchtmittel verwendet werden, wollen wir hiermit erklären.

Die LED – Der Allrounder

Die LED hat gegenüber der Entladungslampe einige unschlagbare Vorteile: mit dem Einschalten ist sie sofort hell und bietet die gewünschte Lichtqualität, außerdem sind LEDs über eine Pulsbreiten-Modulation sehr gut zu dimmen. Des Weiteren lässt sich eine LED-Lampe sofort abschalten. Die Lebensdauer von LEDs ist mit ca. 25.000 Stunden sehr hoch und entspricht ungefähr dem Lebenszyklus des Scheinwerfers bei normaler Nutzung. Ein plötzlicher Ausfall ist nicht zu erwarten, in der Regel werden LEDs schlichtweg dunkler im Laufe der Zeit. Die Kühlung der LED kann über eine Wärmeleitung vom LED-Board weggeführt werden, sodass über Wärmeleitsysteme wie Heatpipes ein effizientes Kühlsystem aufgebaut werden kann. Je nach verwendetem LED-Typ oder Kombinationen kann die Lichtqualität sehr groß sein. Ebenso ist der Farbraum je nach Wahl der LEDs sehr groß und lässt kaum Wünsche offen. Für einen großen Farbraum (Gamut) sorgen z.B. RGBAL Multifarb-LED-Arrays, während höchste Farbwiedergabequalitäten bei warmweiß über Weißlicht-LED-Arrays erreicht werden können. Je nach LED-System kann die Farbstabilität auch über mehrere Geräte mit einer Kalibrierung gewährleistet werden. Brauchen wir größere Helligkeiten, dann fügen wir einfach mehrere LEDs zusammen. Und hier liegt der Knackpunkt für die Sorte von Scheinwerfer, den Beam-Scheinwerfern, die einen sehr eng abbildenden Lichtstrahl abgeben sollen: denn für eine gute Projektion bzw. engen Lichtstrahl ist es von Vorteil, wenn die Lichtquelle möglichst klein, also möglichst punktförmig ist. Je höher die Lichtleistung des LED-Systems sein soll, umso großflächiger wird das Array, was für die Abbildung eines engen Lichtpunktes schwieriger wird.

Die Entladungslampe – Projektionstalent

Eine Lampe, die eine sehr kleine Lichtquelle mit hoher Strahldichte darstellt, ist z.B. ein UHP-Leuchtmittel. Hier ist der Entladungskolben extrem klein und weist einen sehr hohen Betriebsdruck auf. Deshalb auch der Leuchtmittelname UHP – was für Ultra High Pressure steht – als Firmenbezeichnung oft auch als Ultra High Performance bezeichnet. In der Regel ist der Entladungskolben bereits optimal in einem Reflektor ausgerichtet. Dieser Lampentyp wurde insbesondere für Videoprojektoren entwickelt, wo ebenfalls die sehr gute Projektions-Eigenschaft, bzw. große Helligkeit bei kleinem Lichtpunkt ausschlaggebend ist. Eine Entladungslampe benötigt eine Einbrennzeit von einigen Minuten, bis sich alle chemischen Prozesse in einem stabilen Zustand befinden und damit auch die Helligkeit und Farbspektrum stabil sind.

Entladungslampen lassen sich ungerne dimmen und müssen spätestens im unteren Stellbereich mechanisch verdunkelt werden, da es sonst zu einem Abreißen des Lichtbogens kommt. Auch enthält das UHP-Leuchtmittel als Entladungslampe Quecksilber. Platzt die Lampe (nicht selten am Ende der Lebensdauer), so kann dieses umweltgefährdende Schwermetall entweichen. Daher sollte eine solche Lampe stets vorsichtig behandelt und nur als Sondermüll entsorgt werden! Die Lebensdauer beträgt ca. 2500 Stunden bis zum Totalausfall. Das heißt, dass man das Leuchtmittel austauschen können muss. Außerdem benötigt man zum Zünden einer Entladungslampe eine hohe Zündspannung, was eine enorme Belastung für das System bedeutet. Auch deshalb ist es ratsam, die Lampe auch bei ca. zwei Stunden Pause weiterlaufen zu lassen und nicht abzuschalten. Energetisch betrachtet läuft die Entladungslampe immer auf 100%, auch wenn sie auf null heruntergedimmt wird. Hier ist die LED deutlich im Vorteil, denn im gedimmten Zustand verbraucht sie entsprechend weniger Energie. Das Leuchtmittel selbst muss mit Luft gekühlt werden, während über den Luftstrom keine Verunreinigung an den Leuchtkörper gelangen darf. Beim Abschalten sollte die Entladungslampe schonend herunter gekühlt werden. Sofortiges Ausschalten (Instant Off) sollte vermieden werden. Das Farbspektrum einer Entladungslampe ist sehr stark in den blauen und grünen Bereichen ausgeprägt, dafür jedoch schwach im roten. Warmes Weiß darzustellen fällt der Entladungslampe sehr schwer und muss mit CTO-Filtern mit entsprechendem Lichtverlust erkauft werden. Auch der Farbwiedergabeindex ist nicht sehr hoch. Auch hier behilft man sich oft mit High CRI-Filtern, die ebenso auf Kosten der Helligkeit einige CRI-Punkte hinzufügen können. Der verfügbare Gamut (Farbraum) einer Entladungslampe ist relativ klein und befindet sich meist im Bereich von sRGB.

Die Laser-Phospor-Quelle – Für „Spitzen“-Werte

Einen Ersatz für das UHP-Leuchtmittel kann eine Laser-Phosphor-Engine darstellen. Auch sie wurde in erster Linie für den Betrieb in Video-Projektoren entwickelt. Jedoch ist der Aufbau und technische Aufwand der Laser-Phosphor-Engine bedeutend größer, den wir hier einmal kurz näherbringen wollen.

Ein LED-Blaulicht-Laserarray (bei A in der Grafik) sendet kohärentes blaues Licht in Richtung einer rotierenden Phosphorscheibe (Grafik C), die gegenüber dem LED-Blaulicht-Laserarray angeordnet ist.  Auf dem Weg dorthin durchquert das kohärente Licht ein halbdurchlässiges, beschichtetes Spiegelglas. Durch die 45° Anordnung des Glases wird ein Teil der Strahlung auf eine Reflexionsschicht (Grafik D) umgelenkt, doch dazu später mehr. Die Phosphorschicht wird durch das blaue Laserlicht angeregt und emittiert bzw. reflektiert inkohärente Lichtfarben wie grün, gelb und rot zurück. Das um 45° angeordnete Glas hat nun die Aufgabe, das von der Phosphorschicht reflektierte, inkohärente Licht zum Lichtaustritt (Graphik E) aus dem Laser-Phosphormodul umzulenken. Zurück zum um 90° umgelenkten Laserlicht – dieses fällt auf eine Reflexionsschicht aus Bariumsulfat. Bariumsulfat eignet sich besonders wegen des hohen Wirkungsgrades und der diffusen Reflexion. Das reflektierte blaue Licht fügt sich nun bei gerader Durchquerung des halbdurchlässigen Glases, dem inkohärentem Licht der Phosphorscheibe zum Lichtaustritt (Graphik E) hinzu. Betrachtet man die Strahlrichtung des kohärenten Lichts, so erkennt man, dass durch die gewählte Anordnung kein kohärentes Licht das Modul verlassen kann, sondern durch diffuse Reflexion nur inkohärentes Licht.  

Damit erreicht man eine sehr kleine und intensive Punktlichtquelle – ideal für abbildende Projektionen bzw. kleine Abstrahlwinkel für Scheinwerfer. Der Vorteil ist, dass man das Laserarray genauso dimmen kann wie eine LED. Jedoch ist die Herstellung dieses Modules sehr kostenintensiv. Weiterhin wird das Licht durch den extremen blauen Peak als sehr hell empfunden. Auch ist der Farbraum eingeschränkt, wie auch die Farbwiedergabequalität. Die Kühlung, Lebensdauer und Ein- und Ausschaltverhalten entsprich in etwa der der LED.

Fazit

Die LED ist als Allrounder die ideale Lichtquelle für fast alle Scheinwerfertypen. Die LED verdrängt die Entladungslampe allein aufgrund der guten Dimmbarkeit, dem Gamut und der Farbwiedergabe bzw. Farbkonstanz innerhalb der Lebensdauer. Nicht zuletzt auch aufgrund der Lebensdauer und Robustheit gegenüber Erschütterungen. Nur wenn sehr enge Abstrahlwinkel benötigt werden, kann die Entladungslampe punkten. Eine Beam-Lampe mit engsten Abstrahlverhalten wird für Beamshows eingesetzt, bei der der Lichtstrahl zum sichtbaren Objekt wird. Dabei spielen Gamut und Farbwiedergabe keine Rolle mehr, sondern ein sauberer Strich als Beam. Möchte man noch prägnantere Licht-Beams in den Himmel bzw. in den Raum zeichnen, bietet sich die Laser-Phosphor-Engine an.

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