SDCM – Standardabweichung des Farbabgleichs - Pflichtangabe zur Farbkonsistenz von LED

SDCM – Standardabweichung des Farbabgleichs - Pflichtangabe zur Farbkonsistenz von LED

Als Käufer und Nutzer von LED-Leuchtmitteln sind Ihnen wichtige Daten vertraut, die einen Vergleich und passenden Ersatz verbrauchsintensiver Glühlampen durch fortschrittliche LED mit gleicher Lichtleistung erlauben. Sie kennen die Angabe des Lichtstroms, gemessen in Lumen, und die Farbtemperatur, ausgewiesen in Kelvin, die zeigt, ob die LED warmweißes, neutrales oder kaltweißes Licht abgeben. Aber haben Sie schon einmal auf den SDCM Wert geachtet? SDCM steht für Standard Deviation of Colour Matching, zu Deutsch Standardabweichung der Farbanpassung. Vereinfacht gesagt ist der SDCM Wert ein Maß dafür, wie stark das Licht einer LED von der nominellen, das heißt im Datenblatt versprochenen Farbtemperatur abweicht.

Das Experiment von David MacAdam

Seit 1931 existiert ein Normfarbsystem der Internationalen Beleuchtungskommission (Commission internationale de l’éclairage, CIE), das die Gesamtheit aller für den Menschen sichtbaren Farben abbildet und eine Beziehung zwischen den physikalischen Ursachen eines Farbreizes (Farbvalenz) und der Wahrnehmung durch den Menschen herstellt. Von besonderer Bedeutung ist hier die sogenannte Schwarzkörper-Kurve (Black-Body-Kurve). Auf ihr sind die Farben als Temperatur eines idealen Strahlers, eines Schwarzkörpers oder auch plankschen Strahlers, angegeben. In der folgenden Grafik finden Sie die typischen Farbtemperaturen von LED-Leuchtmitteln entlang der Black-Body-Kurve wieder:

CIE-Normfarbtafel mit Black-Body-Kurve
Quelle: Wikimedia Commons

Das CIE-Farbsystem weist uns übrigens auf einen Umstand hin, der für die Beurteilung der Qualität von LED entscheidend ist: Unterschiedliche Farbwahrnehmungen gibt es nicht nur entlang der Black-Body-Kurve, sondern auch durch Abweichungen von dieser Kurve nach oben oder unten. Das bedeutet, dass das Licht zweier Leuchtmittel mit exakt identischer Farbtemperatur in Kelvin trotzdem anders wirken kann, weil seine Farbe auf der Farbtafel über oder unter der Black-Body-Kurve liegt.

Der US-amerikanische Physiker David L. MacAdam stellte 1942, also lange vor der Erfindung und Serienreife weißer LED, Ergebnisse eines interessanten Experiments vor. Er wollte herausfinden, ob und wie Menschen Unterschiede zwischen Farbtönen wahrnehmen, die im CIE-Normfarbsystem nahe beieinander liegen. Überraschenderweise zeigen sich als Grenzlinien für identisch gesehene Farben keine Kreise, sondern Ellipsen um einen vorgegebenen Punkt im CIE-System. Sie werden MacAdam-Ellipsen genannt.

MacAdam-Ellipsen in der CIE-Normfarbtafel (zehnfach vergrößert)
Quelle: Wikimedia Commons

SDCM statt Kelvin

Schon seit dem 1. September 2013 müssen die Hersteller von LED für ihre Lieferungen in die EU den SDCM-Wert angeben. Die SDCM-Stufen basieren auf den MacAdam-Ellipsen. Richtigerweise ist bei dieser Qualitätseinstufung von der Farbtemperatur in Kelvin nicht mehr die Rede, denn wir hatten ja anhand der CIE-Normfarbtafel gesehen, dass auch bei gleicher Farbtemperatur andere Lichtfarben entstehen können. SDCM funktioniert so, dass MacAdam-Ellipsen entlang der Black-Body-Kurve um den nominellen Wert für die Farbtemperatur gezeichnet werden. Je kleiner die Ellipse, desto niedriger die Farbabweichung und desto niedriger der SDCM-Wert.

MacAdam-Ellipse auf der Black-Body-Kurve bei 3000 K

Quelle: Faszination Elektronik / industr.com

Farbunterschiede im Bereich von 1 SDCM werden selbst bei direktem Blick in das Licht nicht erkannt. 2 SDCM bis 3 SDCM werden als kaum wahrnehmbar bezeichnet. Für viele Anwendungen gelten bis zu 5 SDCM unproblematisch. Allerdings sind diese Einstufungen recht optimistisch. Auch wenn MacAdam wichtige Erkenntnisse zur Farbwahrnehmung geliefert hat, so muss man aus heutiger Sicht doch festhalten, dass es sich nur um die Wahrnehmung einzelner Versuchspersonen handelt. Die Empfindlichkeitskurve ist von Mensch zu Mensch sehr unterschiedlich. Mit Methoden der Wahrscheinlichkeitsrechnung berechnet, nehmen immerhin 68,3 % der Menschen bereits bei 1 SDCM einen Farbunterschied wahr. Bei 3 SDCM sind es schon 99,7 %. Auf der Black-Body-Kurve entspricht 1 SDCM einer Toleranz von +/- 30 Kelvin, 7 SDCM sind +/- 175 Kelvin. Jeder Mensch mit gesunden Augen wird diese Differenz sehen.

Farbdifferenzen können störend wirken

Vielleicht haben Sie schon einmal festgestellt, dass LED-Leuchtmittel mit identischen Daten, ja sogar vom selben Hersteller, in Farbabstimmung und Helligkeit anders wirken. Vertrauen Sie Ihren Augen, es ist keine optische Täuschung. Wenn eine mit 3000 Kelvin Farbtemperatur angegebene LED tatsächlich Licht von 3200 oder 2800 Kelvin aussendet, werden Sie das auf jeden Fall bemerken, wenn Sie nicht unter einem Sehfehler leiden. Da Sie meistens nicht direkt in die Lampen schauen werden (und das auch nicht tun sollten), sondern nur das von Gegenständen reflektierte Licht wahrnehmen, wird der Farbunterschied nicht besonders auffallen. Nur mit diesem Maßstab kann man 5 SDCM akzeptieren. Je nach Anwendung kann die Farbabweichung aber durchaus störend sein. Besonders auffällig werden solche Abweichungen, wenn mehrere LED-Chips zu Modulen zusammengefasst werden. Unterschiede gleichen sich nicht etwa aus, sondern führen dazu, dass bereits bei einem Chip, der aus der Reihe tanzt, das ganze Modul ein wenig anders leuchtet. Wenn mehrere dieser Module eingesetzt werden, zum Beispiel über großen Büroflächen oder in Fluren, fällt das auf.

Hohe Abweichungen bei Billigprodukten

In der Anfangszeit der LED-Produktion war die Serienstreuung, das heißt produktionsbedingte Abweichungen vom sogenannten Ziel-Farbort, relativ hoch. Bis heute hat sich die Technik wesentlich verbessert, aber dennoch lassen sich Unterschiede innerhalb der Produktion nicht gänzlich vermeiden. Ursächlich sind nicht nur Schwankungen bei der Produktion der LED-Chips selbst, sondern auch Zusammensetzung und Auftragen der Lumineszenz-Konversionsbeschichtung und Toleranzen bei den Bauteilen der Vorschaltelektronik. Die Hersteller vermessen die LED nach der Fertigstellung und klassifizieren sie nach der Farbkonsistenz. Diesen Vorgang nennt man Binning (von englisch bin = Behälter, Gebinde). Idealerweise wird das Binning nicht bei Raumtemperatur durchgeführt, sondern bei 100 °C an der sogenannten Dioden-Sperrschicht innerhalb des Chips. Das ist realistisch, erstens weil im praktischen Betrieb dort tatsächlich so hohe Temperaturen entstehen, und zweitens, weil Farbe und Helligkeit des LED-Lichts von dieser Temperatur beeinflusst werden. Je heißer die Lampe, desto kälter ist die Farbtemperatur, desto blauer wirkt das Licht. Der Vorteil des recht aufwendigen Binning-Verfahrens ist, dass die Hersteller Leuchtmittel verschiedener SDCM-Stufen zu unterschiedlichen Preisen verkaufen können. Teurer Ausschuss wird vermieden, indem LED minderer Qualität doch noch – wenn auch billig – angeboten werden können. LED-Hersteller betreiben das Binning in den Stufen zwischen 2 SDCM und 7 SDCM.

Großzügige Regeln in Europa – LED überlegt kaufen

Zulässig sind nach europarechtlichen Vorgaben bis 6 SDCM. Je nach Anwendungsbereich ist das ein akzeptabler Wert. Denken Sie vor dem Kauf darüber nach, ob eine homogene, farbtreue Beleuchtung abhängig vom Einsatzzweck erforderlich ist. Auf einer weißen Wand fallen Farbunterschiede sehr stark auf, sodass sich der höhere Preis für LED mit 3 SDCM lohnt. Wenn Sie einen Tisch oder eine Auslage mit unterschiedlich gefärbter Ware beleuchten, reicht auch eine geringere Qualitätsstufe. Richten Sie das Licht verschiedener Module auf eine horizontale Fläche, mögen die Lichtaustrittsflächen wahrnehmbar unterschiedlich sein, auf dem Weg zur Nutzebene wird sich das Licht aber ausreichend gemischt haben. Abdeckplatten und Optiken können die SDCM-Werte deutlich verändern – da werden aus gekauften 3 SDCM schnell gemessene 7 SDCM, und die teuren LED haben sich nicht gelohnt. Beachten Sie beim Kauf auch den Color Rendering Index (CRI) mit der Einheit Ra (Referenzindex allgemein). Diese Größe sagt aus, ob im weißen LED-Licht alle Spektralfarben enthalten sind und damit eine optimale Farbwiedergabe erreicht wird. Referenzwert ist das Sonnenlicht mit einem CRI von Ra = 100. Weiße LED kommen dem heute mit bis zu Ra = 98 schon sehr nahe. Bereits Ra 90 ist ein hervorragender Farbwiedergabeindex. Unter Ra = 80 sollten Sie für normalen Gebrauch in Wohnräumen nicht gehen. Gern beraten wir Sie über geeignete Leuchtmittel und Lampen für Ihren speziellen Bedarf.