Licht statt Wärme

03.12.2010 von Michael Häßler

Mittlerweile liefern LEDs nicht nur eine ausreichende Helligkeit, sondern auch eine angenehme Lichttemperatur. Solche Lampen werden entweder mit der Bezeichnung „Tageslicht“ angeboten, was einem mehr oder weniger neutral empfundenem Weiß entspricht, oder als „warmweiß“, was der Lichttemperatur von Glühlampen entsprechen soll und etwas dunkler als neutral weißes Licht ist. Daneben gibt es noch „RGB-Leuchtdioden“, bei denen mit einem Steuergerät verschiedene Farben erzeugt werden können.

Technisch teilt man die  Lichttemperatur in Kelvin ein. Historischer Hintergrund dafür ist die Untersuchung von glühendem Stahl, dessen Farbe sich mit steigender Temperatur von rot zu weiß ändert. 5500 Kelvin entsprechen in dieser Skala etwa dem mittleren Tageslicht, 2800 Kelvin einer herkömmlichen Glühlampe und 3400 Kelvin dem Licht einer Halogenlampe.

Leuchtdioden verbrauchen deshalb nur wenig Strom, weil die aufgenommene Energie zu einem großen Teil für die Erzeugung von Licht verwendet wird. Leuchtdioden haben, im Gegensatz zur Glühfadenlampe nur relativ geringe thermische Verluste und sind deshalb auch unter Sicherheitsaspekten unkritisch einzubauen. Die entstehende Wärmeenergie muss zwar auch abgeführt werden, ist aber vergleichsweise gering und nur für die  Platine des Leuchtmittels kritisch. Eine latente Brandgefahr, wie sie beispielsweise beim Einsatz von Halogenleuchten zu berücksichtigen ist, besteht bei Leuchtdioden nicht. 

Als grobe Faustformel kann mal sagen, dass Leuchtdioden bei gleicher Lichtleistung nur etwa zehn bis 15 Prozent der elektrischen Leistung einer Glühlampe verbrauchen. Eine zehn Watt starke Glühlampe lässt sich also durch eine LED-Lampe mit sechs Leuchtdioden ersetzen, die etwa 1,3 Watt an elektrischer Leistung aufnimmt. 

Das macht sich nicht nur beim Stromverbrauch bemerkbar, sondern der dünnere Kabelquerschnitt wirkt sich insbesondere bei der langen Leitung zum Masttopp positiv aus und auch die Anforderungen an Schalter und Steckkontakte sind bei niedrigen Stromstärken nicht so hoch.

Ein weiterer Vorteil dieser Halbleitertechnik ist die Betriebssicherheit. Leuchtdioden gehen im normalen Betrieb kaum kaputt. Sie verlieren zwar langsam an Lichtleistung, was sich aber erst nach mehreren 10.000 Betriebsstunden bemerkbar macht. Eine Gebrauchsdauer um 50.000 Stunden gilt als Standard.

Da das Leuchtmittel nicht mehr ersetzt werden muß, kann bei Leuchten, die von vornherein für LEDs als Lichtquelle konstruiert wurden, auf korrossionsanfällige Fassungen mit ihren hohen Übergangswiderständen verzichtet werden. Auch müssen die Leuchten nicht zu öffnen sein, wodurch sich keine Dichtigkeitsprobleme mehr ergeben. Hohlräume kann man vergießen, und dadurch maximale mechanische Robustheit erlangen. Korrossion ist praktisch ausgeschlossen. Eine LED-Leuchte kann eine Anschaffung für’s Leben sein.

Die industrielle Entwicklung der Leuchtdioden ist erst am Anfang und es sind noch gewaltige technische Fortschritte zu erwarten. Während eine Leuchtdiode vor ein paar Jahren noch ein mehr oder weniger großer und mehr oder weniger heller „Plastikknubbel mit einem kurzen und einem langen Draht“ war, kommen moderne Bauteile als flache Plättchen daher, die flächig auf einer Trägerplatine montiert werden. Diese Bauform nennt man Surface Mounted Device (SMD) und kommt vor allem der automatisierten Platinenbestückung und der Miniaturisierung zugute. 

Weil der Lichtstrom einer Leuchtdiode von vornherein stark gerichtet ist, sind keine aufwändigen Manipulationen am Strahlengang nötig, wodurch die Produkte deutlich billiger als bisher hergestellt werden können. Der Fertigungsaufwand bei einer herkömmlichen Positionsleuchte mit Reflektor und Fresnel-Linse ist jedenfalls wesentlich höher.

Positionslampen

Es ist zwar verführerisch aber trotzdem keine gute Idee, Positionsleuchten nachträglich mit LED-Einsätzen zu versehen. Die Lichtsektoren stimmen dann nicht mehr. Bei einer Glühlampe sitzt die Lichtquelle direkt im Rotationszentrum des Leuchtmittels, während bei einem LED-Leuchtmittel mehrere Lichtquellen kreisförmig in einem gewissen Abstand um das Zentrum herum angeordnet sind. Das verändert die Geometrie des Strahlengangs und bewirkt eine Vergrößerung der exakt definierten Sektoren. Das könnte nachts zu unklaren Verhältnissen mit anderen Verkehrsteilnehmern führen und ist deshalb nicht zulässig. 

Der Skipper, der seine Positionslichter mit Leuchtdioden betreiben will, muss sich deshalb Leuchten kaufen, die von vornherein für LED-Betrieb konstruiert wurden und eine amtliche Zulassung besitzen.

Allerdings spielen solche Überlegungen am Bodensee nur bedingt eine Rolle, weil die Positionslampen, anders als auf Seerevieren, nur bei Fahrt unter Motor leuchten müssen. Dann liefert die Lichtmaschine auch für herkömmliche Glühlampen genug Strom. Aus Energiespargründen lohnt sich also eine Neuanschaffung nicht. 

Es sprechen aber andere Aspekte für Positionslichter mit Leuchtdioden. Der Wichtigste davon ist die Betriebssicherheit. Kontakt-Spray ist damit ein Relikt aus der Vergangenheit. Auch kann sich ein Austausch insbesondere dann bei Segelbooten lohnen, wenn die Lichtmaschine über einen „Hochleistungsregler“ verfügt der in der Lage ist, die komplette Generatorleistung in die Batterien zu befördern. Bei einer solchen Auslegung der Energieversorgung bleibt keine Lichtmaschinenkapazität „übrig“, mit der man ohnehin „nichts anfangen“ kann.

Rundumlicht

Beim Rundumlicht spricht aus praktischer Sicht nichts gegen eine LED-Variante, weil es hier keine Sektoren gibt. Außerdem ist dieses nicht nur als Beleuchtung beim Nachttörn unter Segeln in Betrieb, sondern die ganze Nacht hindurch, wenn am Anker übernachtet wird. Da summieren sich die verbrauchten Ampérestunden.

Die Stromersparnis macht sich also durchaus praktisch bemerkbar. Die Glühlampe in einer solchen Leuchte hat eine Aufnahmeleistung von typischerweise zehn Watt, verbraucht also, je nach Jahreszeit und Ladezustand der Batterie, fünf bis sieben Amperestunden pro Nacht, je nachdem, wie lange die Crew am nächsten Morgen schläft. Die LED-Ausführung hat eine Leistung von 1,5 Watt und der Batterie wird maximal eine Amperestunde bei der Übernachtung am Anker entnommen.

Allerdings muss darauf geachtet werden, dass die LED-Lampe vorwiegend radial abstrahlt und nicht nur „den Himmel beleuchtet“. LED-Einsätze mit Bajonettsockel gibt es nämlich in unterschiedlichen Bauformen. Ideal ist eine Kombination aus radialer und axialer Bestückung. Dann wird gleichzeitig auch der Verklicker angestrahlt. 

Innenbeleuchtung

Die Innenbeleuchtung brennt zwar nicht die ganze Nacht, ist aber trotzdem relativ verbrauchsintensiv. Sitzt man gemütlich um den Salontisch, hat man zwei oder drei Lampen in Betrieb und vielleicht eine Leuchte im Vorschiff, weil jemand in der Koje liest. Bei der Glühbirnenversion kommen dann schnell drei oder vier Ampere zusammen, die sich an einem Abend auf über zehn Amperestunden summieren können. Das ist etwa ein Viertel der nutzbaren Kapazität einer 80 Ah Batterie, wenn man sich an die Regel hält, diese nicht zu mehr als 50 Prozent zu entladen. Durch LED-Lampen kann man den Verbrauch auf ein bis zwei Amperestunden reduzieren.

Mit Leuchtdioden eröffnen sich auch ganz neue gestalterische Möglichkeiten, weil sie kaum Platz brauchen und an dünnen Kabelquerschnitten betrieben werden können. Auch sind mit LED’s bestückte, selbstklebende Lichtbänder in vielen Längen oder als Meterware erhältlich, die sich ideal für indirekte Beleuchtung eignen. Solche Lichtbänder haben einen Querschnitt von nur wenigen Millimetern und können auf engstem Raum, beispielsweise unter Niedergangsstufen oder hinter kleinen Blenden untergebracht werden.

Eine geniale Anwendung, die sich aus dem geringen Stromverbrauch ergibt, ist der Verzicht auf einen Anschluß ans Bordnetz bei Leuchten, die nur sporadisch in Betrieb sind. So sind kleine Leuchten mit integrierten, handelsüblichen Batterien am Markt, die sich insbesondere für die schnelle Montage in Schränken, Schapps, Backskisten, dem Motorraum oder dem Ankerkasten eignen. Meistens lassen sich diese Leuchten durch einen Druck auf’s Lampenglas schalten. Die Batterien können bei solcher sporadischer Anwendung mehrere Saisons halten, wenn man nicht vergisst, das Licht auszumachen. Auch mit Bewegungsmelder sind solche Leuchten zu haben und können die Sicherheit beispielsweise im Niedergang erhöhen oder ungebetene Gäste abschrecken.

Diese kleinen Leuchten gibt es auch in wasserdichter  Ausführung, wodurch eine Montage in der Plicht möglich wird. Auch eine Beleuchtung in der Kühlbox wäre damit denkbar. Auch sind vergossene, explosionsgeschützte LED-Leuchten lieferbar die sich für Räume eignen, in denen mit brennbaren Gasen oder Benzindämpfen gerechnet werden muss. 

Eine etwas exotische LED-Anwendung sind Unterwasserleuchten. Ein beleuchtetes Unterwasserschiff wird zwar derzeit noch vorwiegend mit „wohlriechenden“ Mittelmeer-Dandys assoziiert, eröffnet bei etwas Kreativität aber durchaus auch praktische Perspektiven. Wer nachts am Seegrund schon mal einen Flecken ohne Kraut gesucht hat, um dort seinen Anker zu platzieren, könnte durchaus einen Unterwasserstrahler auf seinen Wunschzettel schreiben, auch ohne im nächsten Hafen mit seiner Illumination beeindrucken zu wollen. 

Beschaltung

Leuchtdioden brauchen, im Gegensatz zu Glühlampen die sogar mit dem Wechselstrom aus der Außenborder-Lichtspule glühen, einen Gleichstrom mit festgesetzter Polarität. Einer LED-Lampe ist es also nicht egal, wie herum man sie in die Fassung einsetzt. 

Soffiten kann man umdrehen, wenn sie nicht leuchten. Bei Bajonettsockeln geht das nicht so einfach. Dann muss die Fassung umgepolt werden. Zwar ist auch bei Bajonettfassungen der Plus-und der Minus-Pol definiert, es ist aber durchaus möglich, dass das bei der Installation auf älteren Booten schlicht ignoriert wurde, weil die Polarität bei einer Glühlampe keine Rolle spielt. 

Weiterhin muss an einer LED die Stromstärke begrenzt werden, sonst könnte sie zerstört werden. Das erreicht man im einfachsten Fall durch einen Vorwiderstand. Dessen Ausgangswerte sind aber Spannungsabhängig. Besser sind daher fertig aufgebaute „Einspeiser“ oder  „Vorschaltgerät“ genannte Konstantstromquellen, die auch die Spannung auf üblicherweise 12 Volt begrenzen. Beim Bordnetz spricht man zwar von 12 Volt Nennspannung, in der Praxis schwankt diese aber deutlich. Bei einer Ruhespannung von 12 Volt sind die Batterien nur zu etwa 20 Prozent geladen und altern sehr schnell, wenn sie nicht bald wieder aufgeladen werden. Während des Ladevorgangs kann die Spannung, je nach Akkutyp, 14,4 Volt oder noch etwas mehr betragen. Eine volle Bleibatterie hat eine Spannung 12,8 Volt. Die Konstantstromquelle muss also diese gesamte Spanne berücksichtigen.

Doch Vorsicht: Wird das Lichtnetz an einem Einspeiser betrieben, ist man auf LED-Lampen festgelegt. Man kann dann nicht einfach mal eben eine Glühlampe einsetzen. Dadurch könnte die Belastbarkeit des Einspeisers überschritten werden und die Sicherung auslösen.

Die meisten LED-Leuchten und viele LED-Einsätze sind schon „von Haus aus“ mit einer Vorschaltelektronik versehen, die einen zentralen Einspeiser überflüssig macht. Dies wird von den Herstellern nicht einheitlich klar bezeichnet, man kann es aber an den Anschlußwerten erkennen. Bei einem Lampeneinsatz, dessen Eingangsspannung tolerant über einen weiten Bereich verläuft und beispielsweise mit „10-30 Volt“ oder mit „10-15 Volt“ angegeben wird, ist eine Vorschaltplatine eingebaut. Die erste Version kann auch an Bordnetzen mit 24-Volt betrieben werden. Ist die Eingangsspannung aber mit exakt 12 Volt angegeben, darf sie nicht überschritten werden. Dann besitzt das Leuchtmittel keine externe Beschaltung. Das ist oft bei Leuchtbändern der Fall, die individuell gekürzt und verlötet werden können.

Dimmer

Leuchtdioden lassen sich grundsätzlich, wie Glühlampen auch, fast verlustfrei dimmen. Allerdings nicht über ein einfaches Potentiometer, das die überschüssige Energie ohnehin nur in Wärme umwandeln würde. Zum dimmen verwendet man einen Pulsweitenmodulator. Das ist ein Gerät, das die Energieversorgung in einer  hohen Frequenz von etwa 20.000 Hertz aus- und wieder einschaltet. Herkömmliche Glühlampen werden dabei einfach dunkler, weil der heiße Wolframfaden gar nicht so schnell abkühlen kann. Leuchtdioden sind dagegen schnell genug, um tatsächlich aus-und wieder anzugehen, das menschliche Auge nimmt dieses hochfrequente Flackern aber nicht wahr. Es sieht so aus, als wenn die Lichtquelle einfach etwas weniger hell leuchtet. Das Licht erscheint dann um so dunkler, je länger in der Taktung die dunklen Phasen in Relation zu den hellen Phasen sind. 

Ein Pulsweitenmodulator erzeugt eine hochfrequente Rechteckspannung und muss wirksam funkentstört sein, was bei fertig aufgebauten Geräten der Fall ist.

Kosten

LED-Leuchtmittel sind derzeit noch deutlich teurer als Glühlampen. Dies könnte, nachfragebedingt, auch noch eine Weile so bleiben. 

Allerdings muss man berücksichtigen, dass LED-Leuchten mechanisch sehr stabil sind und bei korrekt geregelter Versorgungsenergie praktisch nicht kaputt gehen. Einmal kaufen und nie mehr austauschen.

Glossar

LED- Light Emitting Diode
Leuchtendes Halbleiterelement, das den Strom nur in eine Richtung passieren lässt.

Lichttemperatur
„Farbe“ des Lichts.

SMD- Surface mounted device
SMD-Bauteile sind Elektronikbauteile, die nicht mit Anschlußdrähten durch die Bohrung von Platinen montiert, sondern flächig auf die Leiterbahnen gelötet werden. Die Wärmeableitung kann dabei bis zu einer gewissen Grenze direkt über die Platine erfolgen. SMD-Technik reduziert die Bauteildimensionen drastisch und eignet sich für die Montage durch Roboter und Lötautomaten.

Halogenlampe
Leuchtmittel mit Glühwendel in einem Edelgasmilieu, wodurch der Glühfaden deutlich heißer werden kann. Zieht ungefähr halb so viel Strom als eine Glühlampe. Halogenlampen haben eine höhere Lebensdauer, weil sich verdampfendes Wolfram nicht am Glaskolben sondern wieder am Glühfaden niederschlägt.

Sockelbauformen
„Soffiten“ sind längliche Lampen mit Kontakten an beiden Enden. Die gebräuchlichen Längen sind 42 Millimeter und 45 Millimeter.

Bajonettsockel gibt es in den üblichen Durchmessern von 9 Millimetern und 15 Millimetern. Die Bezeichnung „BA“ bedeutet, dass beide Verriegelungsstifte in einer Rotationsebene liegen. Bei „BAY“-Ausführungen sind beide Stifte versetzt angebracht.

Die Ergänzung „s“ (solo) bezeichnet einen zentralen Kontakt am Boden der Fassung und die Ergänzung „d“ (duo) beschreibt zwei Kontakte am Sockelboden. „BA 15 s“ bezeichnet danach einen Sockel mit 15 Millimetern Durchmesser, dessen beide Verriegelungsstifte auf einer Ebene liegen und ein zentraler Kontakt am Boden angebracht ist.

„G4-Sockel“ findet man nur bei Halogenlampen. Er besteht aus zwei Stiften, die in eine federbelastete Fassung gesteckt werden.

Externe Beschaltung
Leuchtdioden dürfen nicht direkt am Bordnetz betrieben werden sondern brauchen einen Vorwiderstand, der in den fertig aufgebauten Lampen schon integriert ist. Besser ist eine Kombination aus Strom-und Spannungsbegrenzung, weil die Bordspannung variiert.