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Warum weiß nicht immer gleich weiß ist: Farbortverschiebung bei LED

In der Mitte (Fläche B) befindet sich die Referenzfläche mit einem bestimmten Farb­wert (hellblau). Die Flächen A und C sehen im direkten Vergleich ähnlich aus wie die Referenzfläche. Es fällt nicht schwer sie also ebenfalls als hellblau zu bezeichnen

In der Mitte (Fläche B) befindet sich die Referenzfläche mit einem bestimmten Farb­wert (hellblau). Die Flächen A und C sehen im direkten Vergleich ähnlich aus wie die Referenzfläche. Es fällt nicht schwer sie also ebenfalls als hellblau zu bezeichnen

Problematisch wird es, wenn man die beiden ähnlichen Farben A und C direkt miteinander vergleicht

Problematisch wird es, wenn man die beiden ähnlichen Farben A und C direkt miteinander vergleicht

Jeder Planer kennt diese Situation, oder besser gesagt: Er sollte sie kennen. Zwei LED-Leuchten des gleichen Herstellers, mit der gleichen Artikelnummer und der gleichen Farbtemperatur – aber im direkten Vergleich ein sehr unterschiedlicher Farbeindruck. Wie kann das sein? Und wie kann ich als Planer eine solche Überraschung vermeiden?

Die Farbdrift von LED ist eine spezielle Herausforderung bei der Verwendung von LED-Leuchten. Besonders wenn man eine weiße Wandfläche beleuchtet, können Farbortverschiebungen schnell sichtbar werden. Dies ist sowohl für den Planer als auch für den Kunden ärgerlich. Der erste Reflex: Hier wurden fälschlicherweise Produkte mit unterschiedlichen Artikelnummern geliefert. Doch in der Regel ist dies nicht die Ursache. Zwei Begriffe helfen im ersten Schritt der Aufklärung weiter: Die Farbtemperatur und die ähnlichste Farbtemperatur.
Die Farbtemperatur beschreibt den Farbeindruck einer Weißlichtquelle. Eine hohe Farbtemperatur wird auch als kaltweiß bezeichnet. Der Farbeindruck des Lichts ist eher bläulich und weckt die Assoziation von bläulich schimmerndem Polareis. Eine niedrige Farbtemperatur wird dementsprechend als warmweiß beschrieben. Hier ist der Farbeindruck eher gelblich, was zur Assoziation eines gelben Kerzenscheins passt. Die Einheit, um die Farbtemperatur zu beschreiben, ist Kelvin [K]. Dabei entsprechen 273,15 K umgerechnet 0 °C, wobei die Differenz von 1 °C exakt der Differenz von 1 K entspricht.
Bei Temperaturstrahlern, zum Beispiel Glühlampen, entspricht die Farbtemperatur des sichtbaren Lichts, annähernd der Temperatur der Wendel im jeweiligen Betriebszustand. Erhitzt man die Glühwendel auf eine Temperatur von circa 1 700 °C, hat das Licht demzufolge eine Farbtemperatur von circa 2 000 K. So lange es sich um Temperaturstrahler handelt, ist die Farbtemperatur relativ exakt reproduzierbar.
Bei weißen LED ist dies jedoch nicht der Fall, was daran liegt, dass hier ein anderes Prinzip der Lichterzeugung angewendet wird. Die Farbtemperatur des Lichts wird erzeugt, indem Leuchtstoffe kurzwellige in langwelligere Strahlung umwandeln und sie additiv mischen. Um trotzdem eine Farbtemperatur angeben zu können, bedient man sich ­eines Hilfskonstrukts, der ähnlichsten Farbtemperatur ­(Correlated Colour Temperature, CCT).
Vereinfacht gesagt wird hier das Licht der LED-Lichtquelle mit dem Licht eines Temperaturstrahlers verglichen. Ist der Farbeindruck der LED-Lichtquelle ähnlich der des Temperaturstrahlers, so wird die vorliegende Farbtemperatur des Temperaturstrahlers als ähnlichste Farbtemperatur für die LED-Lichtquelle angegeben. Und genau hier liegt das Problem: ähnlich ist nicht identisch. Der Planer kann sich kaum darauf verlassen, bei identischen Artikeln oder selbst bei gleichen Chargen, identische Lichtwirkungen zu erhalten.

Hintergrund: Fertigungstoleranzen
Die Ursache für die Abweichung liegt im Herstellungsprozess der LED. Dort treten fertigungsbedingt Schwankungen auf, die man versucht, durch einen Auswahl- und Sortierungsprozess zu kompensieren. Die LED werden nach der Produktion einem sogenannten Binning unterzogen. Dabei erfolgt eine Selek­tion der produzierten LED in verschiedene Klassen oder auch Behälter (engl. bin). Die Art der Einteilung und die Definition der Größe eines Bins werden dabei von jedem LED-Hersteller unterschiedlich definiert.
Der Leuchtenhersteller hat die Wahl, aus welchem Binning er die LED für seine Leuchten bezieht. Ein sehr feines Binning führt dazu, dass man möglicherweise keine relevanten Unterschiede bei Farbeindruck der Leuchten wahrnimmt. Allerdings ist dies wiederum teuer, da ja nur eine geringe Stückzahl von produzierten LED für die Produkte infrage kommt.
Der Vollständigkeit halber sei hier erwähnt, dass das Binning nicht nur in Bezug auf den Farbort, sondern auch in Bezug auf den Lichtstrom, die Farbwiedergabequalität oder weitere Parameter vorgenommen wird.

Qualitätskriterium SDCM und Mac-Adam-Ellipsen
Als Qualitätskriterium der Farbeinheitlichkeit wird in vielen Datenblättern von LED-Leuchten das Kürzel SDCM in Verbindung mit einer Zahl, zum Beispiel <3 SDCM, verwendet. SDCM steht dabei für „standard deviation of colour matching“ und bezeichnet die Standardabweichung von einem Referenzfarbort. Je kleiner also die Zahl, desto besser ist die Farbeinheitlichkeit der Produkte. Oft wird in diesem Zusammenhang auch von Mac-Adam-Ellipsen gesprochen. Dabei meint SDCM und Mac-Adam-Ellipse das Gleiche. Doch wer sich näher mit dem Thema Mac-Adam-Ellipsen beschäftigt, stellt ernüchtert Folgendes fest: Statistisch gesehen ist es möglich, dass selbst bei einem 2-SDCM-Binning Farbort­unterschiede existieren, die von fast ­allen Menschen wahrnehmbar sind.
Hinzu kommt noch die altersbedingte Farbdrift von LED. Mit welcher Farbort­verschiebung der Lichtplaner nach 10 000 Betriebsstunden, 20 000 Betriebsstunden, 30 000 Betriebsstunden oder gar 50 000 Betriebsstunden zu rechnen hat, findet man in der Regel nicht in den Datenblättern der Leuchtenhersteller. Hier müsste man genau wissen, welches LED-Modul verbaut ist, wie es betrieben wird, welche Umgebungstemperaturen herrschen. Dann kann man gegebenenfalls über ein Daten­blatt des LED-Herstellers Rückschlüsse auf die Farbortverschiebung nach ­einer bestimmten Betriebsdauer ziehen. Aber welcher Planer macht das in der Praxis?

Was also tun?
Die Fertigungstoleranzen von weißen LEDs und die Definition der ähnlichsten Farbtemperatur sorgen dafür, dass gleiche Produkte einen unterschiedlichen Farbeindruck hervorrufen können. An dieser Tatsache können Planer ­leider nichts ändern. Es bleibt zu hoffen, dass LED schon bald präziser gefertigt werden können, als es derzeit noch der Fall ist. Darüber hinaus gibt es aber Maßnahmen, um unliebsame Überraschungen zu vermeiden:

  • Inwieweit die Farbunterschiede visuell wahrnehmbar sind, hat auch damit zu tun, wo und wie beleuchtet wird. Sicher fallen Farbortunterschiede stark auf, wenn es um die Beleuchtung einer weißen Wand geht. Dies liegt ­einerseits natürlich an der Farbe Weiß, andererseits aber auch daran, dass die Vertikale in der Wahrnehmung des Menschen eine stärkere Gewichtung hat, als die Horizontale. Wird etwa im Retail-Bereich unterschiedlich farbige Ware beleuchtet, so fallen die Unterschiede möglicherweise nicht so sehr ins Gewicht. Verfolgt man das Ziel horizontale Flächen gleichmäßig auszuleuchten, findet ohnehin eine Durchmischung des Lichtes bis zur Nutz­ebene statt und Unterschiede werden meist kaum ­sichtbar sein. Dies schließt allerdings nicht aus, dass die Lichtaustrittsflächen der Leuchten in der Wahrnehmung unterschiedliche Farbeindrücke hervorrufen können.
  • Planer sollten die Lichtfarbe von mindestens zwei bis drei gleichen Leuchten nebeneinander visuell beurteilen. ­Idealerweise erfolgt die Beschaffung der Muster über verschiedene Wege (Hersteller, Großhändler). Somit wird eine Vorselektion ausgeschlossen und eine reale Beschaffung simuliert.
  • Falls der Hersteller eine (freiwillige) Garantie auf die ­Produkte anbietet, sollte darauf geachtet werden, ob und in wieweit dort auch eine Farbortabweichung inbegriffen ist. Häufig sind Sätze wie diese in den Garantiebedingungen zu lesen: „Die Farborttoleranz ist nicht Bestandteil dieser Herstellergarantie.“ Sollte sie nicht oder nur unzulänglich in der Garantie enthalten sein, sollte der Kunde versuchen, den Hersteller im Falle sichtbarer Farbunterschiede schriftlich zu einem Tausch der Produkte zu ­verpflichten. Viele Hersteller nehmen einen Austausch auf Basis der Kulanz vor. Allerdings drückt Kulanz nur ein Wohlwollen des Herstellers aus und räumt dem Planer oder Kunden keinen Rechtsanspruch ein.

www.dial.de

Autor:
Dipl.-Ing. Innenarchitekt Klaus Bieckmann ist als Teamleiter Lighting Design & Technology für die Dial GmbH in Lüdenscheid tätig.