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02. Januar 2012:
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Es werde Licht!

In der Praxis ist Licht eine Wissenschaft für sich: Watt, Lumen, Lux, Candela, Lichfarbe, Farbwiedergabeindex...
Diese Seite soll Ihnen helfen, das richtige Leuchtmittel zu finden.

Glühlampen

Glühlampen (fälschlich auch als "Glühbirne" bezeichnet) sind Temperaturstrahler. In dem Glaskolben, der mit einem reaktionsträgen Gas wie Argon gefüllt ist, befindet sich ein Faden aus Wolfram. Der Schmelzpunkt dieses Metalls liegt mit 3.422 °C sehr hoch. Der Draht fungiert als Widerstand. Wird er von Strom durchflossen, erwärmt er sich bis zur Weißglut und gibt Strahlungsenergie ab. Etwa 3-5 % dieser Strahlung liegen im sichtbaren Bereich (zwischen Rot und Violett) und sind für uns als "Licht" nutzbar, der Rest (95 - 97%) wird überwiegend als Wärme abgestrahlt. Der Wirkungsgrad η der Umwandlung von elektrischer Energie in Licht ist mit 10 - 15 Lumen/Watt sehr gering:

Leistungsaufnahme
Lumen Glühlampe
25 W 220 lm
40 W 420 lm
60 W 710 lm
75 W 940 lm
100 W 1.360 lm
200 W 2.990 lm

Halogenlampen

Beim Betrieb einer Glühlampe verdampft langsam das Metall, aus dem der Glühfaden besteht und schlägt sich als dunkler Schatten am Kolben nieder. Das kann man nach einiger Zeit an jeder Glühbirne beobachten. Halogenglühlampen sind Glühlampen mit einem Halogen (=Salzbildner) im Kolben. Verwendet werden hier spuren von Jod oder Brom. An den "kalten" Oberflächen des Kolbens reagiert das Halogen mit dem Metall zu einem Metallsalz. Dieses verdampft und diffundiert durch den Kolben. Bei Kontakt mit dem heißen Glühdraht kehrt sich die Reaktion um: Das Metall scheidet sich wieder auf dem Glühfaden ab, das Halogen wird wieder frei, der Kreislauf beginnt von Neuem. Deshalb haben Halogenlampen eine deutlich höhere Lebenserwartung und man kann sie mit höheren Spannungen betreiben, wodurch der Wirkungsgrad η gegenüber der Glühlampe um 17-18 % auf ca. 14 - 17,5 Lumen/Watt steigt:

Leistungs-
aufnahme

Lumen Halogenlampe
Lumen / Watt
Halogen vs. GLühlampe
25 W 260 lm 118%
40 W 490 lm 117%
60 W 840 lm 118%
75 W 1.100 lm 117%
100 W 1.600 lm 118%
200 W 3.500 lm 117%

Energiesparlampe

Bei den sog. Energiesparlampen (korrekt heißen sie "Kompaktleuchtstofflampen" oder "Kompaktfluoreszenzleuchten") handelt es sich um kleine Leuchtstofflampen, im Volksmund als "Neonröhren" bezeichnet, obwohl sie gar kein Neon enthalten. Ein elektronisches Vorschaltgerät im Sockel regelt die Zündung und die Begrenzung des Betriebsstroms. In den sichtbaren Glasröhren befindet sich eine winzige Menge Quecksilber oder ein Amalgam, das zum Leuchten angeregt wird. Es dauert etwas, bis dieser Prozess läuft, deshalb brauchen ESL nach dem Einschalten bis zu fünf Minuten, um ihre volle Leuchtstärke zu erreichen. Für Zwecke wie Abstellkammer, Keller, Flur oder Treppenhaus, wo sie jeweils nur ein paar Sekunden am Stück leuchten, sind sie deshalb eher ungeeignet. Das vom angeregten Quecksilber abgestrahlte UV-Licht wird an den Innenflächen der Röhren mittels fluoreszierender Farbstoffe in sichtbares Licht umgewandelt. Art und Anzahl der Farbstoffe entscheiden darüber, wie vollständig das Spektrum des Lichts und damit die Farbwiedergabe ist. Billige Lampen haben nur zwei Farbbanden und erzeugen blaues und gelbes Licht, das als weiß wahrgenommen wird, aber Farben wie Rot nicht korrekt wiedergibt. Brauchbare Lampen haben drei Farbbanden (Rot, Grün und Blau) und geben die meisten Farben mit für den Hausgebrauch ausreichender Qualität wieder. Für Anwendungen, bei denen die Farben absolut korrekt wiedergegeben werden müssen (Druckereien etc.) sind sie jedoch ungeeignet. Sogenannte "Deluxe"-Lampen sind zwar teuer, haben aber mehr als drei Farbbanden und kommen einem vollständigen Lichtspektrum mit korrekter Farbwiedergabe recht nahe. Sie können auch in Druckereien oder Lackierereien verwendet werden.
Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung liegt mit etwa 50-65 Lumen/Watt etwa sechsmal so hoch wie bei der Glühlampe.

Leistungsaufnahme
Lumen Energiesparlampe
10 W 580 lm
14 W 800 lm
18 W 1.050 lm
22 W 1.360 lm

LED

LED (Licht-emittierende Dioden oder Lumineszenz-Dioden) sind Halbleiter, die Strom nur in einer Richtung passieren lassen (=Diode) und dabei Strahlung abgeben. Erfunden wurde die LED schon 1962, aber der Einsatz als Leuchtmittel wurde erst attraktiv, als man LED herstellen konnte, die blaues Licht abgeben können. Ein Teil dieses kurzwelligen blauen Lichts wird mittels einer phosphoriszierenden Schicht in langwelligeres gelbes Licht umgewandelt. Die Summe aus gelbem und dem restlichen blauen Licht nimmt unser Auge als "weiß" wahr, auch wenn Teile des Lichtspektrums schwächer ausgeprägt sind und die Farbwiedergabe darunter leidet. Wegen des hohen Wirkungsgrads von 80 bis über 100 Lumen/Watt erwärmen sich LED deutlich weniger als andere Leuchtmittel. Da diese Wärme aber punktuell sehr konzentriert anfällt, brauchen starke LED trotzdem Kühlkörper.

Leistungsaufnahme
Lumen Energiesparlampe
5,5 W 470 lm
9 W 806 lm
11 W 1.055 lm
13,5 W 1.521 lm

Lichtstärke

Die Stärke einer kugelförmig strahlenden Lichtquelle wird in Lumen, Einheit [lm], gemessen. Diese Größe gibt Auskunft über den sogenannten "Lichtstrom". Die Beleuchtungsstärke Lux [lx] errechnet sich gemäß 1 [lx] = 1 [lm] / 1 [m2].
In der untenstehenden Tabelle finden Sie typische Lichtströme für die inzwischen kaum mehr erhältlichen, aber noch immer verbreiteten Glühlampen, die auch heute noch als Orientierungshilfe dienen:


Abbildung Steradiant: Wikipedia, Marcelo Reis

Für Reflektorglühlampen eignet sich dieses Lichtstrommaß nur bedingt. Hier findet die Einheit Candela [cd] Anwendung.
Es gilt: 1 [cd] = 1 [lm] / 1 [sr].
1 [sr] ist der Steradiant, der Raumwinkel.
1 [sr] = 1 [m2] (Fläche) / 1 [m2] (Radius2).

Nehmen Sie an, Sie säßen in der Mitte einer Kugel. Bei einer Kugel des Radius 1 m beträgt die Gesamtoberfläche 4 π r2 = 4 · 3,14 · 12 = 12,57 m2. Eine kreisförmige Fläche von 1 m2 entspricht darin 1 sr. Der Öffnungswinkel des gedachten Kegels entspricht 66°.

Lichtausbeute, Wirkungsgrad

Die Lichtausbeute bzw. der Wirkungsgrad gibt an, wie effizient das Leuchtmittel elektrische Energie in sichtbares Licht umwandelt. Sie reicht von ca 10 Lumen/Watt bei Glühlampen bis 120 Lumen/Watt bei den besten LED.

In der folgenden Tabelle sehen Sie, welche Leistungsaufnahme ein Leuchtmittel für einen bestimmten Zweck ungefähr haben muss:

Lichtleistung (lm) Watt LED Watt Energiesparlampe Watt Halogenlampe Watt Glühlampe
100 lm
(Notbeleuchtung)
3 Watt 17 Watt
240 lm
(Orientierungsbeleuchtung)
5 Watt 23 Watt 27 Watt
400 lm 5,5 7 Watt 33 Watt 38 Watt
660 lm
(Leselampe)
7 11 Watt 47 Watt 56 Watt
900 lm 10 15 Watt 64 Watt 72 Watt
1.230 lm
(Tischleuchte)
12 20 Watt 84 Watt 90 Watt
1.500 lm
(Wohnzimmer)
13,5 23 Watt 94 Watt 110 Watt
1.900 lm
(Wohnzimmer, Büro, Konferenzraum)
30 Watt 119 Watt 132 Watt

Lichtfarbe

Die Lichtstärke sagt noch nichts darüber aus, ob das Licht für uns angenehm oder nutzbar ist. Die Lichtfarbe ist ebenfalls wichtig. Sie wird mit einem glühenden Körper verglichen und analog in Kelvin [K] gemessen.
Eine Glühlampe hat etwa eine Farbtemperatur von 2.700 K. Unter ca. 3.300 K spricht man von "Warmweiß". Diese Farbe eignet sich für gemütliche Heimbeleuchtung.
Zwischen 3.300 und 5.300 K spricht man von "Neutralweiß" oder "Universalweiß". Typischerweise werden 4.000 K für Arbeitsplätze oder Allgemeinbeleuchtung genutzt.
Über 5.300 K spricht man von "Kaltweiß" oder "Tageslichtweiß". Diese Lichtfarbe wirkt leicht blaustichig und ist als Kunstlicht eher unangenehm. Typischerweise wird diese 6.000 K-Beleuchtung dort verwendet, wo Tageslichteinfall vorgetäuscht werden soll.
Es gibt auch die Lichtfarbe "Extra Warmweiß", die aber eher ins "Nikotingelbe" geht und als unangenehm emfunden werden kann.

Farbe Beispiel (übertrieben)
Extra Warmweiß 2.500 K
Warmweiß 2.700 - 3.000 K
Universalweiß 4.000 K
Kaltweiß 6.000 K
Extra Kaltweiß (Daylight) > 6.500 K

Die Hersteller verschlüsseln diese Angaben in der Typenbezeichnung. Bei Osram bedeutet die Nummer 827 einen Farbwiedergabeindex von 80-89% (daher die 8) und eine Farbtemperatur von 2.700 K (Warmweiß). 940 bedeutet folglich einen Farbwiedergabeindex von >90% und eine Farbtemperatur von 4.000 K (Universalweiß).

Farbwiedergabeindex

Die beste Farbwiedergabe erreichen Sie mit einer Halogenlampe, der Farbwiedergabeindex [Ra] beträgt hier 100. Bei den Energiesparlampen variiert dieser Wert, häufig korreliert er mit dem Anschaffungspreis. Billige Leuchtmittel (ESL, Leuchtstoffröhren und LED) Leuchtstoff, der nur die beiden Farben Blau und Gelb erzeugt. Für das menschliche Auge erscheint diese Mischung als Weiß. Beleuchtet man mit diesem Licht jedoch einen roten Gegenstand, wirkt dieser grau und fade. Das ist logisch: Wenn kaum ein roter Anteil im Licht enthalten ist, kann auch kein rotes Licht reflektiert werden. Der Farbwiedergabeindex liegt hier unter 80.

Bessere Lampen erzeugen drei Banden, typischerweise rotes, grünes und blaues Licht. Sie erreichen einen Farbwiedergabeindex zwischen 80 und 89% und sind für die Haushaltsbeleuchtung ausreichend. Dieses ist für eine brauchbare Farbwiedergabe ausreichend, nicht jedoch in Druckereien oder wo es sonst auf präzise Farbwahrnehmung ankommt.

Dort, wo es auf korrekte Farbwiedergabe ankommt, sollten Leuchtmittel mit einem Farbwiedergabeindex >90 gewählt werden.

Die folgende Tabelle deutet an, wie die Farbwiedergabe unter verschiedenen Lichtquellen leidet:

Lichtquelle Rot Grün Blau Gelb Magenta Cyan Weiß
Vorgabe
bei korrekter Farbwiedergabe
Glühlampe
Leicht rotstichig
Halogenbrenner
Praktisch perfekte Farbwiedergabe
2-Banden-Leuchtstofflampe
Enthält nur Blau und Gelb
3-Banden-Leuchtstofflampe
Farbwiedergabe >80%
5-Banden-Leuchtstofflampe
Farbwiedergabe >90%
Weiße LED, einfach
Enthält Blau und Gelb
Natriumlampe
Enthält ausschließlich Gelb

Brenndauer, Nutzdauer

Die Brenndauer einer normalen Glühlampe beträgt im Mittel 1.000 Stunden.
Halogenlampen bringen es auf durchschnittlich ca. 2.000 Stunden. Beide werden nur unwesentlich von der Schalthäufigkeit beeinflusst.
Bei Leuchtstofflampen hängt die Brenndauer wesentlich von der Betriebsweise ab: Sie kommen je nach Fabrikat und Schalthäufigkeit auf 8.000 bis 24.000 Stunden. Allerdings verfärbt sich ihr Licht mit der Zeit nach Rot und wird schwächer, deshalb ist die wirtschaftliche Nutzdauer bei den extrem langlebigen Exemplaren kürzer als die technische Brenndauer.
Für LED werden Brenndauern bis zu mehreren 10.000 Stunden angegeben, es existieren aber noch kaum Langzeiterfahrungen, mit denen sich diese Angaben überprüfen lassen. 5.000 - 15.000 Stunden gelten als realistisch.