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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
LED-Licht: Von der Innovation zum Stand der Technik (1)

Die Effizienz-Debatte ist „durch“. Nachdem wir es geschafft haben, dass sich nur noch effiziente Leuchtmittel und Beleuchtungstechniken auf dem Markt 
befinden – ob nun durch Mode, auf Grund von EU-Verordnungen oder doch 
tatsächlich aus Vernunft – kann man sich endlich den anderen (grundlegenden) 
Eigenschaften des Lichts zuwenden.

Bild 1: Konnte sich im Wohnzimmer nur schwerlich durchsetzen: Die „hervorragende“ KLL (Quelle: S. Fassbinder)

Bild 2: Bei 45 mW bis 170 mW pro Lämpchen taut sich da nichts mehr weg! (Quelle: S. Fassbinder)

Glühlampen sind billig, aber leben nicht lange und sind Energiefresser. Als solche werden sie bei der derzeitigen Tendenz der Tarife schlussendlich mit immer größerem Abstand zu den teuersten Lichtquellen im Haushalt.

„Kompakt“-Leuchtstofflampen (KLL) stellen die letzten Leuchtmittel dar, die diese Bezeichnung verdienen. Unter der Bezeichnung „Energiesparlampen“ bekannt geworden, gehen sie mit Energie in der Tat sehr sparsam um – aber nicht mit Platz. Sie konnten daher bei ihrer Markteinführung nur mit Glück entsprechende Glühlampen ersetzen. Das Gewinde mochte in die Fassung passen, aber manche potentielle Nutzerin verlor bei dem entstandenen Anblick die ihre (Bild 1).

Rückblick: Lichttechniken 
und ihre Wahrnehmung

Andere Nutzer schimpften lange Zeit, nachdem das Problem eigentlich „gegessen“ war, noch auf das als kalt empfundene Licht der KLL und lobten etwas wehmütig das „natürliche“ Licht der Glühlampen – das dem Sonnenlicht jedoch so fern ist wie kaum eine andere künstliche Lichtquelle:

Da es kein Metall gibt, das bei 6 000 °C noch nicht schmilzt, lassen sich Glühlampen nur bis höchstens 3 000 °C betreiben. Deswegen strahlt dieses System so viel Wärme und so wenig Licht ab – und dies mit sehr hohem Rot-Anteil und geringen Blau- und Grün-Anteilen. Als Vorteil bleibt der Sonne und den Glühlampen als den einzigen Warmstrahlern, dass es sich um ein kontinuierliches Spektrum handelt, also um eine mathematisch beschreibbare runde Kurve ohne jähe Intensitätssprünge von einer Wellenlänge (Farbe) zur nächsten.

Die Parameter haben aber bei Glühlampen und bei der Sonne völlig unterschiedliche Werte (3 000 K bzw. 6 000 K). Die Glühlampe liefert somit eben nicht „das natürlichste Licht“ – und wer erst einmal eine Zeit lang LED im Einsatz hat, empfindet die Beleuchtung in einem noch mit Glühlampen beleuchteten Raum oder nach einer Rückumrüstung erst einmal als „trübe Tranfunzel“.

Zwar hat die hohe Betriebstemperatur der Glühwendel den Vorteil, dass die Umgebungstemperatur keinen praktischen Einfluss auf die Lichtqualität und Lichtleistung hat, und Eis, Schnee und Beschlag werden schnell weggeheizt, doch damit ist jetzt „leider“ Schluss (Bild 2). Allein deswegen die Außenwelt dauerhaft zu beheizen lässt sich ohnehin nicht rechtfertigen.

Ist es dagegen der KLL zu kalt, so ist das Licht oftmals nicht die helle Freude. Häufiges Schalten ist den KLL verhasst. Glühlampen erlauben den Aufbau von Scheinwerfern und Punktstrahlern, und sie lassen sich auch recht einfach dimmen.

KLL sind nur in Ausnahmefällen und gegen Aufpreis dimmbar, und „Strahler“ gibt es lediglich dem Namen nach (mit Abstrahlwinkeln – richtig muss es „Halbstreuwinkel“ heißen [1; 2] – ab etwa 120°).

Bei beiden, Leuchtstoff- und Glühlampen, fällt der Wirkungsgrad beim Dimmen rapide.

Es galt daher, ein Leuchtmittel zu erfinden, das

  • beliebig oft schaltbar ist, ohne dass dessen Lebensdauer darunter leidet,
  • sofort nach dem Einschalten die volle Leistung bringt,
  • mit geringem technischem Aufwand möglichst bis auf 0 dimmbar ist,
  • hierbei ebenso wie bei voller Last eine hohe Lichtausbeute bietet,
  • je nach Bauform in die Breite oder auf den Punkt zu leuchten in der Lage ist,
  • sich in verschiedenen Farben bzw. verschiedenen Weißtönen herstellen lässt,
  • ein langes Leben vor sich hat
  • und bei alledem auch noch bezahlbar ist.

Nun ist ein solches Leuchtmittel verfügbar – mehr noch: Eigentlich ist es bereits allgegenwärtig. Sobald irgendwo eine neue Beleuchtungsanlage installiert wird, wird die Frage, ob Leuchtstofflampen oder Leuchtdioden (Licht emittierende Dioden – LED) zum Einsatz kommen sollen, immer seltener überhaupt noch gestellt.

Grundlagen des Lichts

Die Kenntnis der physikalischen Grundlagen des Lichts an sich wird hier vorausgesetzt bzw. wurden diese in einschlägiger Fachliteratur sowie im ep beschrieben [3]; daher sollen hier nur kurz noch einmal die wichtigsten Eckpunkte zusammengefasst werden. Es gibt heute drei praktizierte Arten der Erzeugung künstlichen Lichts:

  1. Bei Temperaturstrahlern wird irgendetwas, das sich dafür eignet, auf eine so hohe Temperatur erwärmt, dass es sehr hell glüht. Als Material wurden in den ersten elektrischen Lampen Kohlefäden eingesetzt; heute ist es das Metall Wolfram. Die Methode funktioniert jedoch nicht nur elektrisch; Kerzen, Fackeln, Petroleumlampen und Gaslaternen arbeiten auch nach diesem Prinzip – allerdings noch weitaus weniger effizient als die elektrische Glühlampe.

  2. Gute Lichtausbeuten bietet die Gas-Entladung. Dabei werden bestimmte Atome in einen angeregten Zustand versetzt: Ein Elektron wird auf eine höhere Umlaufbahn gehoben. Wenn es wieder herunterfällt, entsteht ein Strahlungsquant. Hohe Temperaturen können dabei zwar auftreten, haben aber nicht direkt mit dem Funktionsprinzip etwas zu tun und bedeuten auch nicht notwendiger Weise einen schlechten Wirkungsgrad, da diese hohen Temperaturen nur sehr punktuell auftreten und in erster Linie mit schlechter Wärme-Abfuhr zu tun haben.

  3. Neu ist die Erzeugung elektromagnetischer Strahlung durch Halbleiter. Von dieser Art Lichtquelle soll hier die Rede sein. Hohe Temperaturen dürfen hierbei überhaupt nicht auftreten, da Halbleiter hiergegen empfindlich sind. So entsteht in gewissem Umfang eine Art „interner Zwang zur Energie-Effizienz“.

Der Wirkungsgrad heißt bei elektrischen Lichtquellen „Lichtausbeute“, weil die Wirkung auf den Menschen von der Farbe (Wellenlänge/ Frequenz) der Strahlung abhängt. Die für verschiedene Farben unterschiedliche Empfindlichkeit des menschlichen Auges ist in der Einheit Lumen [lm] für den Lichtstrom (die Lichtleistung) bereits eingearbeitet. Hieraus folgt:

  • Bei monochromatischem hellgrünem Licht mit einer Wellenlänge von λ = 555 nm (f = 540 THz), bei der das menschliche Auge die höchste Empfindlichkeit aufweist, entspricht eine Lichtausbeute von 683 lm/W einem Wirkungsgrad von 100 %.
  • Bei „idealem“ weißem Licht (das alle sichtbaren Wellenlängen von 384 nm bis 789 nm bzw. Frequenzen von 380 THz bis 780 THz zu gleichen Teilen enthält) entspricht eine Lichtausbeute von 182 lm/W einem Wirkungsgrad von 100 %.
  • Bei Sonnenlicht (das etwas mehr Grün als andere Farben enthält) entspricht eine Lichtausbeute von 198 lm/W einem Wirkungsgrad von 100 %.
  • Wer also eine weiße Lampe mit einer Lichtausbeute von 200 lm/W oder noch mehr anbietet,
    • mogelt entweder bei der „weißen“ Lichtfarbe, die mehr Grün und weniger Gelb, Rot und Blau enthält als einer „weißen“ Lampe gut täte
    • oder hat das „Perpetuum Lumile“ erfunden, das im Betrieb eiskalt wird, weil es Wärme aus der Umgebung ansaugt und in Licht umwandelt

Die Physik verweist die zweite Möglichkeit in das Reich der Fabel; die typischen Eigenschaften von Märkten lassen ebenfalls die erste als zumindest die wahrscheinlichere erscheinen.

Optische Eigenschaften 
der LED

Leuchtdioden sind vom Prinzip her auch Leuchtstofflampen [3]. Zur Quantifizierung der Qualität des Lichtes, wenn man das so sagen kann, dient der Farbwiedergabe-Index. Dessen Herleitung und Definition sind kompliziert genug, um dahinter allerhand zu verstecken:

Eine Lichtquelle, die das genormte Spektrum genau nachmachen kann, erreicht rechnerisch die beste Farbwiedergabe; eine mit einer vollkommen „glatten“ Verteilung der Wellenlängen dagegen nicht. Eine solche, die exakt das Sonnenlicht nachmachen könnte, würde es ebenso wenig schaffen. Gerade an dieses – zwar nicht „ideale“, aber normativ so festgelegte – Referenzspektrum kommt man mit LED besonders nahe heran, und natürlich wird davon Gebrauch gemacht.

Nach anfänglichen Schwierigkeiten gelingt es jedoch mittlerweile, die gewünschte weiße Lichtfarbe wirklich zu treffen. Die betreffenden Vorurteile dagegen halten sich über Jahre, wie bei der KLL gehabt. Gelobt wird zum Teil weiterhin das statische, unveränderliche Farbspektrum der Glühlampe, das sich nur durch Dimmung – und auch hier ausschließlich auf eine ganz bestimmte, physikalisch festliegende Weise – verändern lässt; ansonsten ist Glühlampenlicht immer gleich Glühlampenlicht.

Autor:  S. Fassbinder

Literatur:

[1] www.dial.de/DIAL/de/home/weitere-news/newsdetails/article/lichtwissen_halbstreuwinkel_teil_1.html

[2] www.dial.de/DIAL/de/home/weitere-news/newsdetails/article/lichtwissen_halbstreuwinkel_teil_2.html

[3] Fassbinder, S.: Grundlagen, Vorteile und Beschränkungen der LED, Teil 2: Bewertung der Energieeffizienz. Elektropraktiker 11/2012, Tafeln 2 bis 4/ Bild 22.

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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