Angaben für die Lebensdauer von Leuchtmitteln

Zum Thema - Was ist mit Lebensdauer gemeint?

Das Wort Lebensdauer suggeriert, dass es sich um eine bestimmte Zeitpanne handelt, an dessen Ende das betrachtete Objekt „tot“ ist, also nicht mehr lebend. Während der Eintritt dieses Ereignisses bei Lebewesen zuverlässig bestimmt werden kann, braucht man bei technischen Produkten oder Systemen andere Betrachtungsweisen. Denn sie fallen nicht einfach tot um oder gehen ganz kaputt. Sie können zwar einen ähnlichen Zustandswechsel erleben, z.B. wenn ein Auto explodiert, aber auch einfach ihren Sinn verlieren. So ist ein Autoreifen nach dem deutschen Gesetz bei einer Profiltiefe von 1,6 mm am Ende seines Lebens. Man darf damit nicht mehr fahren, weil zu gefährlich. Aber Autos, die viel schneller fahren, dürfen Slicks einsetzen, die überhaupt kein Profil aufweisen. Und die abgefahrenen Reifen kann man in Wüstengegenden durchaus benutzen, auf Sand sogar erfolgreicher als Reifen mit Profil. D.h., man braucht Kriterien zur Bestimmung des Lebensendes eines Reifens. Bei Lampen heißt diese Nennlebensdauer, so genannt, weil man diese unter Einhaltung festgelegter Kriterien festlegt bzw. bestimmt. Wie man weiter unten lesen kann, ist dies ein Mittelwert, häufig jedenfalls. Was mag dann eine mittlere Nennlebensdauer sein, von dem man häufig lesen kann? Nicht selten wird man auch das Wort Nutzlebensdauer finden. Was das mit der Bemessungslebensdauer zu tun hat?

Bei Leuchtmitteln wie z.B. der Glühlampe stellt sich die Problematik viel komplizierter dar als bei dem als Beispiel gewählten Produkt Reifen. Denn ein vorgegebenes lichttechnisches Produkt kann man derart betreiben, dass es bereits nach wenigen Stunden - planmäßig - ausfällt, aber auch theoretisch ewig lebt. So leuchtet die älteste Glühlampe der Welt, Centennial Bulb von Livermore, seit dem Jahr 1901.¹ Mit der Betriebsart ändern sich aber viele wichtige Eigenschaften des Produkts, so z.B. die Lichtfarbe oder der Lichtstrom u.ä. So kann man eine Projektionslampe von früher (bestimmungsgemäße Lebensdauer 50 h) mit Unterspannung so betreiben, dass sie eine kleine Heizung darstellt. Sie glimmt nur noch wie ein elektrischer Heizofen, der bekanntlich auch etwas Licht abgibt. Wenn man eine solche Lampe mit nur 12% geringerer Spannung betreibt, geht deren Lichtstrom um 25% herunter und die Lebensdauer wird verdreifacht. Wenn eine 120 V-Lampe mit 125 V betrieben wird, lebt sie 40% kürzer.²

Eine allgemeingültige Beziehung zwischen der Betriebsspannung und der Lebensdauer kann aber nicht angegeben werden. Allerdings bewegen sich die realen Größenordnungen in Schwindel erregenden Höhen. Die Lebensdauer nimmt mit steigender Betriebsspannung exponentiell ab, wobei die berechneten Exponenten oft zweistellig sind.³ Solche Änderungen der Lebensdauer von technischen Produkten in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen kommen außerhalb der Lichttechnik vermutlich nicht vor.

Bei Leuchtstofflampen liegen die Verhältnisse wiederum anders. Diese erzeugen das Licht durch eine Entladungsstrecke zwischen zwei Elektroden, die bei jedem Einschalten mindestens einmal durchgeschlagen werden muss. Dadurch werden die Elektroden abgenutzt. Nach einer bestimmten Betriebsdauer ist die Lampe so gealtert, dass ihr Betrieb keinen Sinn mehr macht. Tot ist sie aber noch lange nicht, gefährlich auch nicht. Man kann sie bis zum Mehrfachen ihrer nominellen Lebensdauer betreiben. Sie verbraucht immer mehr Strom für immer weniger Licht. Daher gibt es bei den Entladungslampen eine auf der Basis eines wirtschaftlichen Betriebs berechnete Lebensdauer. Die heißt dann tatsächlich die wirtschaftliche Lebensdauer. Angegeben wird sie in der Form L₈₀ bzw. L₇₀. Die Zahl gibt an, bei welchem Lichtstromrückgang die Lampe als „tot“ gilt. So bedeutet L₇₀, dass zu diesem Zeitpunkt der Lichtstrom der Lampe bei 70% des Anfangswertes angekommen ist. Bei einem vorgegebenen Produkt kann sie sich je nach Betriebsart bis zu einem Faktor 2 unterscheiden, also 5000 h statt 10.000 h betragen.

Bei LEDs sieht die Lage wiederum viel komplizierter aus. Denn üblicherweise besteht eine „LED-Lampe“ aus mehreren LED-Elementen (Erklärung hier.⁴ Manche Kenngrößen wie der Lichtstrom werden für alle gemeinsam berechnet, aber die LED-Lampe kann unbrauchbar geworden sein, wenn nur ein Element ausfällt, bzw., im schlimmsten Fall, flackert. Deswegen sehen die Angaben für viele fremd aus, z.B. L₇₀ B₁₀ C₁₀ F₁₀. Das sieht nach einer Doktorarbeit aus, deren Bestimmung stellt auch eine Art Doktorarbeit dar. (s. Erklärung weiter unten)

Bei Leuchtmitteln jedweder Art wird die Lebensdauer nicht an einem Einzelexemplar gemessen, sondern statistisch ermittelt. Das ist eine Wissenschaft für sich, denn die Randbedingungen müssen sinnvoll bestimmt und auch eingehalten werden. So ist z.B. die Lebensdauer von Leuchtstofflampen von der Betriebstemperatur abhängig und diese wiederum von der Art der Leuchte, in der die Lampe betrieben werden soll. Da auch der Lichtstrom der Lampe von der Betriebstemperatur abhängt, kann man sich vorstellen, welche Schwierigkeiten bestanden haben, die Lebensdauer einer Leuchtstofflampe zu messen. So hing sie sehr eng mit der Güte des Vorschaltgeräts zusammen, weil jeder Schaltversuch an der Lebensdauer nagt. Eine Lampe und ein Vorschaltgerät haben nicht notwendigerweise etwas miteinander zu tun. Man kann eine Lampe mit vielen unterschiedlichen Vorschaltgeräten betreiben. Umgekehrt gilt, dass man theoretisch mit einem bestimmten Vorschaltgerät unterschiedliche Lampen betreiben kann. Man müsste eine sinnvolle Kombination von beiden wählen, um die Lebensdauer der Lampe aussagefähig zu bestimmen.

Solche Schwierigkeiten stellen sich eher gemäßigt gegenüber den gleichen Problemen bei LED-Leuchtmitteln dar. Denn die moderate Abhängigkeit dieser Größe von der Temperatur bei den alten Leuchtmitteln weicht einer drastischen. Man muss zudem unterschieden, ob es sich um das Verhalten eines Elements oder aller LED in dem Modul handelt. So musste man sogar einen neuen Begriff für die Lebensdauer finden.

Wem das noch nicht kompliziert genug ist, kann er sich mit einer neuen Konvention in der Lichttechnik herumschlagen. Die etwa ein Jahrhundert währende Unterscheidung zwischen Leuchtmittel alias Lampe und Leuchte ist aufgehoben. Die Leuchte war das Gehäuse, in dem die Lampe betrieben wurde. Diese Unterscheidung war derart bedeutsam, dass die Firmen, die Leuchtmittel bauten - wie Osram – keine Leuchten herstellen durften. Die Praxis der üblichen Umgangssprache, die einen solchen Unterschied nicht kannte, war den Angehörigen der Lichttechnik streng untersagt. Ein Student, der die beiden Begriffe verwechselte, flog gnadenlos durch das Examen. Die Technik der LED hat die Fachwelt gezwungen, den über ein Jahrhundert gehüteten Unterschied aufzugeben.

In der Darstellung eines bekannten Herstellers⁵ liest sich das Ganze folgendermaßen: „Für LED-Leuchten ist keine einheitlich gebräuchliche Definition der Lebensdauer - sei es eine „Nennlebensdauer” oder eine „wirtschaftliche Lebensdauer” - etabliert. Stattdessen ist es üblich, die „mittlere Bemessungslebensdauer” auszuweisen, die sich auf einen spezifizierten Grad der Lichtstromdegradation bezieht.“

Wie immer bei einer Einführung eines ungebräuchlichen Wortes für einen alten Begriff sollte man die Hintergründe beleuchten, so man es kann. Dieses Kapitel dient zum Verständnis der Zusammenhänge. Hier sind es gleich drei Begriffe, die man hinterfragen muss. Wenn die Lebensdauer ein Mittelwert ist, was mag die mittlere Lebensdauer sein? Wer bemisst was bei der Lebensdauer? Und vor Allem: Was ist ein spezifizierter Grad der Lichtstromdegregation?

Ein solches Verständnis ist in der Lichttechnik allgemein nicht erwünscht, wie man im „Handbuch für Beleuchtung“, herausgegeben der lichttechnischen Gesellschaften deutschsprachiger Länder, ermitteln kann. Hier spreche ich von Ermitteln, weil der Begriff Lebensdauer als solches nicht behandelt, geschweige denn definiert wird. In diesem Kompendium zur Beleuchtung gibt es nur Bemerkungen dazu und das nur zur Lebensdauer von Entladungslampen. Dort heißt es: „An dieser Stelle und im allgemeinen muß auf nähere Informationen über die Lampenlebensdauer verzichtet werden, weil die Betriebsbedingungen zu große Unterschiede aufweisen und starken Schwankungen unterliegen. Fehlschlüsse aus konkreten Angaben wären in der Praxis nicht zu vermeiden.“. ⁶

Warum ein Kompendium der lichttechnischen Gesellschaften deutschsprachiger Länder eine wichtige Größe der wichtigsten Produktgattung nicht einmal definieren mag, liegt an einer weiteren Größe, die sogar die allerwichtigste Größe darstellt: am Lichtstrom. Dieser gibt an, wie viel Licht eine Lampe abgibt. Die Hersteller hüten die Messung des Lichtstroms wie ihren Augenapfel, denn dieser ist keine konstante Größe, sie hängt von den Betriebsbedingungen ab. So kann man eine Lampe für die übliche Betriebsspannung so dimensionieren, dass sie schon nach Bruchteilen einer Sekunde hoch geht (Blitzlampe) oder über 100 Jahre lebt (Centennial Light). Ähnlich unterschiedlich kann ihr Lichtstrom ausfallen, allerdings in umgekehrter Folge. Je komplexer die Beziehung zwischen Lebensdauer und wichtigen Kenngrößen, desto stummer der Hersteller mit seinen Angaben.

Diesem Verhalten der Lichttechnik stehen seit vielen Jahren Vorschriften der EU gegenüber. Laut EU-Richtlinien sind die Hersteller dazu verpflichtet, diese Angabe zur Lebensdauer des Produkts zu veröffentlichen. Die derzeit gültige Verordnung für deren Bestimmung ist „VERORDNUNG (EU) Nr. 1194/2012 DER KOMMISSION vom 12. Dezember 2012“⁷ zu der RICHTLINIE 2009/125/EG (Ökodesign-Richtlinie.⁸

Lebensdauer von Glühlampen

Obwohl Glühlampen keine Rolle mehr in der Beleuchtung spielen, wird hier der Sachverhalt angeführt, weil man es, wenn auch mit einiger Mühe, noch verstehen kann.

Als Lebensdauer bzw. mittlere Lebensdauer von Glühlampen wird die Zeitdauer bezeichnet, an dessen Ende 50 % der Untersuchungsobjekte noch in Betrieb sind.

Dieser Wert kann experimentell bei einem Betrieb mit Nennspannung ermittelt werden oder alternativ mit Überspannung, um die Testdauer abzukürzen. Da die Abhängigkeiten der Glühlampe von den sonstigen relevanten Einflussfaktoren relativ geringer sind als die von der Betriebsspannung, sind die so ermittelten Daten recht zuverlässig.

Die Nennlebensdauer ist was der Hersteller für sein Produkt angibt. Dies ist ein Zeitraum, in dem der Betrieb in Bezug auf Ausfall und Alterung nach der Meinung des Herstellers oder der Branche wirtschaftlich ist. Solange die Angaben sinnvoll und klar ewrkennbar begründet sind, z.B. „ein Leuchtmittel gilt als gebrauchstauglich, wenn der Lichtstrom noch 80% des Nennlichtstroms beträgt“, kann jede Branche ihre Produktangaben selbst bestimmen.

Lebensdauer von Entladungslampen

Die Lebensdauer von Entladungslampen kann man nicht nach dem gleichen Kriterium bestimmen wie bei der Glühlampe, weil sie auch dann noch in Betrieb sind, wenn das Leuchtmittel lange nicht mehr dem Planungszweck einer Beleuchtung entspricht. Daher musste man nach einem Kriterium suchen, wonach man das Leben einer Lampe als beendet erklärt. So scheint es z.B. sinnvoll, die Abnahme des Lichtstroms der Lampe zugrunde zu legen. Dieser wird im Laufe des Betriebs durch verschiedene Einflüsse reduziert, die Lampe altert. Üblich ist – aus unerfindlichen Gründen – die Lebensdauer von Lampen an externen Vorschaltgeräten auf 80% des Lichtstroms zu binden. D.h., eine Lampe gilt als tot, wenn sie mit ihrem Vorschaltgerät zusammen nur noch auf 80% des ursprünglichen Lichtstroms kommt. Allerdings kann man häufig erleben, dass in den Betrieben der Hersteller selbst solche Angaben nicht beachtet werden. So empfehlen Hersteller wie die Firma Osram für Lampen eine Gruppenauswechslung, wenn die rechnerisch ermittelte wirtschaftliche Lebensdauer zu Ende ist. Bei einem Besuch mit Studenten in der einstigen Osram-Zentrale in München fiel uns die unterschiedliche Farbgebung der Lampen auf. Der die Gruppe begleitende Osram-Direktor konnte die Fragen der Studenten nur abweichend beantworten: „Die Empfehlungen gelten für die Kunden, nicht für unseren Hausmeister.“

Dieser Anhaltswert galt unerklärlicherweise nur für bestimmte Lampen (z.B. Leuchtstofflampen), während man für Quecksilberhochdrucklampen 70% als Grenze festlegt. Was diesen Unterschied bedingt haben soll, ist nirgendwo zu ermitteln. Zudem werden die Kompaktleuchtstofflampen alias Energiesparlampen wie Glühlampen behandelt, obwohl sie keine sind: „Für Kompakt-Leuchtstofflampen mit eingebautem (meist elektronischem) Vorschaltgerät, die in erster Linie als Ersatz von Allgebrauchsglühlampen in Betracht kommen, wird die gleiche Lebensdauerdefinition verwendet wie für Glühlampen.“⁹

Mit hoher Wahrscheinlichkeit ist das Ganze einer Tradition geschuldet, wonach sich technische Angaben in Lampenkatalogen nach Marketinggesichtspunkten richten. In der Technik allgemein dienen technische Spezifikationen wie alle Angaben, die man dem Kunden gegenüber macht, der sachlichen Beschreibung eines Produkts. Hiervon getrennt sind Marketingunterlagen, die man als solche erkennen kann. Das Marketing versucht, die besonderen Merkmale des Produkts hervorzuheben. Die Werbung wiederum benutzt weitere Mittel. Diese sind aber nicht unbedingt für einen Einkäufer gedacht. In der Lichttechnik wurden aber bereits die Grundlagen für technische Spezifikationen nach Marketinggesichtspunkten festgelegt. So wird der Farbwiedergabeindex R_a nach einer „ungewöhnlichen“ Skala angegeben: 1A – 1B – 2A – 2B – 3 – 4. Diese ist der Bemühung geschuldet, die sog. Dreibandenlampe nicht drittklassig erscheinen zu lassen.

Die reichlich ungewöhnliche Skala wird in der Norm DIN EN 12464-1 noch etwa befremdlicher dargestellt, weil die Zahlen Schulnoten ähneln, aber keine sind. So bedeuten 3 und 4 „mangelhaft“, 2A und 2B „mittel“. 1A ist „ausgezeichnet“, bedeutet aber zwei sehr unterschiedliche Farbstufen (R_a = 100 und R_a ≥ 90). Zur Weiteren Desinformation des Nutzers gibt es noch eine internationale Lichtfarbennummer, die nur die Stufen 4 bis 9 kennt. Diese besteht aus den Anfangsziffern der R_a Werte, die für die Lampe gelten. So hat eine Lampe, die mit „6“ bezeichnet wird, einen Farbwiedergabeindex zwischen 60 und 69.

Zu guter Letzt gibt man die R_a-Skala in gleichen Abständen von „0“ über „10“ bis „100“ an, was eine Art Gleichabständigkeit suggeriert. Aber weder stellt „0“ das untere Ende der Skala dar, noch bedeutet „100“ eine perfekte Farbwiedergabe. Die R_a kann nämlich auch negativ werden. Und es gibt zwei (Norm)Lichtquellen, die den Index 100 aufweisen, die Sonne und die Glühlampe. Die beiden unterscheiden sich wie fast Tag und Nacht, was die Farbwiedergabe angeht. Und die „Sonne“ heißt Tageslicht in der Fachsprache, hat aber nur bedingt etwas mit dem Tageslicht zu tun.

Im Grunde versucht man, dem Verbraucher eine kurze Bezeichnung für die für die Lichtfarbe relevanten Eigenschaften zu geben, Farbwiedergabefaktor und Farbtemperatur. So kann man beispielsweise bei einer Lampe mit der Bezeichnung „840“ erkennen, dass der Farbwiedergabeindex zwischen 80 und 89 liegt, und die (ähnlichste) Farbtemperatur 4000K beträgt. Wer aufmerksam einkauft und die jeweilige Lichtwirkung in seiner Umgebung kritisch beäugt, kann mit diesem Wissen viel erreichen.

Zu hoffen, dass man eines Tages sachlich richtig, verständlich und vollständig über das Licht in seiner Lebenswelt wie der Arbeitswelt informiert wird, gehört leider ins Reich der Fantasie. Wenn dies so einfach möglich wäre, hätte man dieses Buch nicht schreiben müssen.[/mfn]

Die Lebensdauer, die nach dem Kriterium des Lichtstromabfalls bestimmt wird, wird Nutzlebensdauer genannt und wird in Stunden angegeben. Sie hängt wesentlich vom Vorschaltgerät ab. So wird sie mit 10.000 h für einen Betrieb mit konventionellen Vorschaltgeräten angegeben, und 18.000 (!) mit elektronischen. Abgekürzt wird die Bezeichnung mit L, z.B. L₇₀ oder L₈₀.

Lebensdauer von LEDs (Lampen oder Leuchten)

Die Angabe der Lebensdauer von LEDs, meistens von LED-Modulen oder -Leuchten, ist wesentlich komplizierter als bei den Leuchtstofflampen, weil LED-Elemente aus verschiedenen Gründen obsolet werden können, d.h., ihr Betrieb kann aus verschiedenen, voneinander weitgehend unabhängigen Kriterien nicht mehr sinnvoll erscheinen. Das erste Kriterium ist wie bei allen Leuchtmitteln der Rückgang des Lichtstroms bei üblichen Betriebsbedingungen. L₇₀ bedeutet dabei, den Zeitraum, an dessen Ende der Lichtstrom nur noch 70% des Ausgangswertes beträgt.

Eine solche Angabe berücksichtigt weitere Gründe für die Obsoleszenz eines Moduls nicht, die dadurch bedingt ist, dass die Abweichung der einzelnen LED untereinander sich störend auswirken kann. So hängt man hinter die Angabe noch einen Wert an, B_x, z.B. L₇₀B₁₀. Dies bedeutet, dass bei einem Verlust von 30% an Lichtstrom höchstens 10% der Elemente diese Leistung unterschreiten dürfen. B_x ist somit ein Maß für die Ungleichmäßigkeit der Helligkeit der Elemente innerhalb eines LED-Moduls.

Totalausfälle von LED-Modulen bzw. -Leuchten werden durch den C_x-Wert (catastrophic failure) gekennzeichnet, wobei der Zahlenwert von X die zu einem gegebenen Zeitpunkt zu erwartende Ausfallrate in Prozent angibt. Ein Wert von C₁₀ bedeutet, dass in einem Modul 10% aller Elemente total ausgefallen sind. (Anm.: Die Bezeichnung total ausgefallen ist nicht ganz zutreffend, weil ausgefallene Elemente unterschiedliche Verhalten zeigen. Während manche eben tot sind, flackern andere kräftig.).

Last not least, kommt der Wert F_x, die Zusammenfassung von B_x und C_x. F10 bedeutet, dass höchstens 10% der LED dürfen den L-Wert unterschreiten (inklusive Totalausfall).

Den kompletten Wert für die Lebensdauer mit L₇₀B₁₀C₁₀F₁₀ wird man in der Praxis selten finden. Auf Lampenpackungen erscheint häufig eine Angabe in Jahren. Diese wird berechnet für einen Betrieb von 2 Stunden und 45 Minuten am Tag, also etwa 10% des Tages. Wer das aus welchem Grund so festgelegt hat, müsste man bei Interesse selbst ermitteln.

In diesem Beitrag fehlt die häufigste Zahl, die genannt wird, wenn es um die Angabe der Lebensdauer von LED gibt. Diese Zahl wurde vor Ewigkeiten von Marketingleuten der großen Hersteller eingeführt, und sie wurde danach von den kleinen übernommen. Jetzt steht sie im Raum, aber selten auf einer Lampenpackung. Sie ist „50.000“ – weil angeblich LEDs 50.000 h leben. Diese einfache Angabe sollte einst dafür sorgen, dass sich der Konsument die nächsten 50.000 Stunden keine Sorgen machen muss. Das hat so wunderbar geklappt, dass sich auch große Unternehmen zuweilen fragen, warum denn ihre Beleuchtung so schnell ausgefallen ist. Wenn es nur Beleuchtung wäre. Auch für die Sicherheit wichtigen Fluchtwegbeschilderungen fallen lange vor 50.000 h aus. Da guckt aber niemand mehr hin.