Lichttechnik - Lichttechnische Fachbegriffe und deren Bedeutung
Veröffentlicht: 07.12.2021 | Lesedauer: 10 Minuten
Speziell in der dunklen Jahreszeit ist Licht ein wichtiges Thema. Das gilt sowohl am Arbeitsplatz als auch im privaten Umfeld. Aber Licht ist nicht gleich Licht. Da gibt es zum Teil erhebliche Unterschiede und nicht immer ist das Ergebnis einer Beleuchtung so, wie sich das die betreffenden Personen im Vorfeld oder bei der Planung vorgestellt haben.
Um das zu vermeiden, geben sich Hersteller und Händler die größte Mühe, die Eigenschaften der jeweiligen Lampen und Leuchtmittel bei der Produktauslobung und in den technischen Daten genau zu beschreiben. Leider werden dabei unterschiedlichsten Fachbegriffe verwendet, die manchmal mehr verwirren als sie weiterhelfen. Oder es ist absolut unklar, was mit einer Angabe, wie z.B. RA < 95 genau gemeint ist.
Darum haben wir uns entschlossen, Licht ins Dunkel zu bringen und einige Grundbegriffe der Lichttechnik ein wenig genauer zu beleuchten.
Licht ist eine elektromagnetische Strahlung mit einem bestimmten Frequenzbereich, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Die elektromagnetische Strahlung ist eine sich räumlich ausbreitende Schwingung (Welle), die aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern besteht. Dazu zählen Radiowellen, Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht, Röntgenstrahlung oder auch die Gammastrahlung.
Im Gegensatz zu Schallwellen, die sich nur mit Hilfe der Luft ausbreiten können, benötigen elektromagnetische Wellen kein Medium. Deshalb können sie sich auch im luftleeren Raum ausbreiten und das Licht der Sonne schafft es somit bis zu uns auf die Erde.
Elektromagnetische Wellen können ein sehr großes Frequenzspektrum aufweisen. Die Frequenz gibt an, wie oft ein Signal pro Sekunde hin und her schwingt. Im sichtbaren Spektrum der elektromagnetischen Strahlung beträgt die Frequenz rund 384 bis 789 Teraherz (THz). Ein Teraherz entspricht 1 x 1012 oder 1.000.000.000.000 Schwingungen pro Sekunde.
Da sich elektromagnetische Wellen, und somit auch das Licht, mit knapp 300.000 km pro Sekunde ausbreiten, kann von der Frequenz die Wellenlänge abgeleitet werden. Bei 300.000 Schwingungen pro Sekunde (Hz), wäre die Wellenlänge rund 1 km lang. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes liegt aufgrund der extrem hohen Frequenz zwischen 380 und 780 Nanometer (nm). Ein Nanometer ist der tausendste Teil eines Mikrometers (µm), der wiederum der tausendste Teil eines Millimeters (mm) ist. Ein Nanometer ist also der milliardste Teil eines Meters (1nm = 10-9 m).
Je nach Wellenlänge der elektrischen Strahlung, nimmt das menschliche Auge unterschiedliche Farben wahr. Die untere Grenze, also die niedrigste Frequenz (384 THz) mit der größten Wellenlänge (780 nm) beginnt mit der Farbe Rot. Die obere Grenze liegt bei 789 THz bzw. 380 nm und entspricht der Farbe Violett. Die anderen Spektralfarben, die das menschliche Auge wahrnimmt, liegen zwischen den beiden angesprochenen Grenzen. Die verschiedenen Farben unterscheiden sich lediglich durch die Wellenlänge.
| Wellenlängenbereich | Frequenzbereich | |
|---|---|---|
| Rot | 780 nm – 650 nm | 384 THz – 461 THz |
| Orange | 650 nm – 585 nm | 461 THz – 512 THz |
| Gelb | 585 nm – 575 nm | 512 THz – 521 THz |
| Grün | 575 nm – 490 nm | 521 THz – 612 THz |
| Blau | 490 nm – 420 nm | 612 THz – 714 THz |
| Violett | 420 nm – 380 nm | 714 THz – 789 THz |
Die Bereiche außerhalb es sichtbaren Spektrums werden als Infrarot (IR) und Ultraviolett (UV) bezeichnet. Viele handelsübliche Kameras liefern zum Teil auch noch im Infrarotbereich gute Bilder. Um die Bildqualität und die Sichtweite der Kameras zu erhöhen, werden sie oft noch mit zusätzlichen IR-LEDs ausgestattet.
Wie bereits aufgezeigt, ändert sich mit der Wellenlänge des Lichtes auch die Farbe, die das menschliche Auge empfindet. Wer die oben aufgeführten Tabellen und Grafiken genauer betrachtet, wird feststellen, dass kein weißes Licht zu finden ist.
Das liegt daran, dass weißes Licht (WL) ein Frequenzgemisch aus Wellen mit den unterschiedlichen Wellenlängen darstellt.
Das kann sehr leicht geprüft werden, wenn weißes Sonnenlicht auf ein Prisma fällt und sich dadurch, wie bei einem Regenbogen, in seine unterschiedlichen Spektralfarben aufteilt.
Aber auch das weiße Licht der Sonne wird nicht immer als weiß empfunden. Denn je nach Sonnenstand kann das Sonnenlicht variieren und wirkt dann von bläulich über orange zu rötlich. Eine Kerze oder eine Glühbirne hingegen geben von Haus aus kein rein weißes, sondern eher ein gelbliches Licht ab. Um eine Aussage darüber treffen zu können, ob ein weißes Leuchtmittel mehr bläuliches oder eher gelbliches Licht abgibt, wird bei den technischen Daten die Farbtemperatur in Kelvin (K) angegeben. Die Skalierung bei °C und K ist identisch, nur dass 0 Kelvin dem absoluten Nullpunkt von -273,15 °C entsprechen. Der Gefrierpunkt des Wassers liegt demzufolge bei 0 °C oder 273,15 K. Die Zuordnung, welche Farbe einer bestimmten Kelvin-Temperatur entspricht, beruht auf dem Plankschen Strahler. Das ist ein tiefschwarzer Hohlkörper mit einer Öffnung, der durch Erhitzen selber zum Strahler wird. Mit zunehmender Temperatur des Hohlkörpers ändert sich die Farbe der durch die Öffnung abgegebenen Strahlung von Rot über Gelb und Weiß bis hin zu Blau.
Wichtig:
Die Farbtemperatur eines Leuchtmittels sagt also aus, ob das weiße Licht eingefärbt ist und wenn ja, in welchem Farbton. Die Farbtemperatur des Lichtes sagt aber nichts über die tatsächlich vorhandene Umgebungs-Temperatur in °C aus. Es wird lediglich die subjektiv wahrgenommene Wärme oder Kälte des Lichtes beschrieben.
Farbtemperaturskala
Rötliches bzw. oranges Licht wirkt eher warm und bläuliches Licht wird als kalt empfunden. Somit hat der Farbton von weißem Licht auch viel mit dem Wohlbefinden des Menschen zu tun.
Deshalb ist es wichtig, dass in Wohnbereich und im Arbeitsumfeld die Farbtemperatur des Lichtes passt:
Im Wohn- und Essbereich sollte der Wert bei 2.700 K oder 3.000 K liegen. In Restaurants werden oft extra warmweiße Leuchten mit 2.300 K oder 2.500 K genutzt, um eine heimelige Stimmung zu erzeugen.
In öffentlichen Bereichen sowie an Arbeitsplätzen sollte die Farbtemperatur bei 4.000 K oder 5.000 K liegen. In Lagerhallen und Werkstätten sind Leuchten mit 6.500 K perfekt.
Lichtquellen und deren Farbtenperaturen
Kerze
| Lichtquelle | Farbtemperatur |
|---|---|
| Kerze | 1.500 K |
| Glühlampe | 2.600 K bis 2.800 K |
| Halogenlampe | 3.200 K |
| Leuchtstoffröhre Warmweiß bzw. Weiß | 3.200 K bzw. 4.000 K |
| Morgensonne bzw. Nachmittagssonne | 5.000 K bzw. 5.500 K |
| Bedeckter Himmel | 6.500 K bis 7.000 K |
| Blaue Stunde | 9.000 K bis 12.000 K |
Der Lichtstrom ist die sichtbare Lichtleistung pro Zeiteinheit, die eine Lichtquelle abgibt. Je heller das Licht, desto höher der Lichtstrom bzw. die Leuchtkraft. Der Lichtstrom wird in Lumen (lm) angegeben und ist eine photometrische Größe.
Photometrische Größen beschreiben das sichtbare Licht entsprechend der Helligkeitsempfindung des menschlichen Auges.
Als vor Jahren noch leistungsstarke Glühlampen im Handel erhältlich waren, war die Watt Angabe ein verständliches Indiz für die zu erwartende Helligkeit des Leuchtmittels.
Seit dem sich aber Leuchtdioden als Lichtquellen durchgesetzt haben, rückt die Lumen-Angabe wieder verstärkt in den Fokus der Kaufinteressenten.
Wichtig:
Die Lumenangabe muss immer in Verbindung mit dem Abstrahlwinkel betrachtet werden. Der Abstrahlwinkel wird in Grad angegeben und beschreibt, wie groß der Lichtkegel einer Lampe oder eines Leuchtmittel ist. Wird eine Glühbirne und ein Reflektor-Leuchtmittel mit gleicher Lumenzahl verglichen, erscheint die Glühbirne in der Leuchtkraft deutlich dunkler. Das liegt daran, dass eine Glühbirne das Licht annähernd kugelförmig verteilt und das Reflektor-Leuchtmittel hingegen die gesamte Lichtleistung in eine Richtung bündelt. Die Intensivität bzw. die Lichtstärke ist in diesem Fall bei dem Reflektor-Leuchtmittel deutlich höher.
Die Lichtstärke gibt an, wie groß der Lichtstrom bezogen auf einen bestimmten Raumwinkel ist. Die Lichtstärke ist ebenfalls eine photometrische Größe und wird in Candela (cd) angegeben.
Wie bereits erwähnt, ist die Intensivität des Lichtes vom Abstrahlwinkel abhängig. Für die Beschreibung der Lichtstärke wird aber nicht der zweidimensionale Abstrahlwinkel, sondern der dreidimensionale Raumwinkel genutzt.
Der Raumwinkel wird in Steradiant angegeben und stellt somit die räumlich Variante des Abstrahlwinkels dar. Bei einer Kugel mit 1 m Radius ergibt ein Raumwinkel von einem Steradiant an der Kugeloberseite eine Fläche von 1 m².
Praxisbeispiel:
Eine brennende Kerze entspricht einer Lichtquelle mit einem Lichtstrom von 12 Lumen. Durch die kugelförmige Lichtausbreitung (4π Steradiant) ergibt das eine Lichtstärke von rund einer Candela.
Wird über die Flamme eine Reflektor-/Fokus-Vorrichtung mit einem lediglich 5° großen Öffnungswinkel (0,006 Steradiant) gestülpt, erhöht sich die Lichtstärke des fokussierten Lichtes auf ca. 2000 Candela. In der Praxis wird bei den Leuchtmitteln die Lichtstärke meist nicht angegeben, da diese immer vom Lichtstrom und vom Raumwinkel des Leuchtmittels abhängig ist.
Die Beleuchtungsstärke Lux (lx) ist ebenfalls eine photometrische Größe und gibt an, wieviel Lichtstrom bzw. Lumen von einer Lichtquelle auf eine bestimmte Fläche auftrifft. Grundsätzlich lässt sich sagen: Je weiter die Fläche von der Lichtquelle entfernt ist, desto geringer wird die Beleuchtungsstärke. Eine Beleuchtungsstärke von einem Lux liegt dann vor, wenn auf eine Fläche von einem Quadratmeter ein Lichtstrom von einem Lumen auftrifft.
Da die Beleuchtungsstärke immer von den räumlichen Gegebenheiten abhängig ist, wird sie bei Leuchtmitteln oder Lampen nicht angegeben. Es gibt aber Empfehlungen, wie hoch die Beleuchtungsstärke in verschiedenen Bereichen oder Situationen sein sollte.
Wichtig!
Neben der Beleuchtungsstärke muss auch die Farbtemperatur des Lichtes stimmen.
Beleuchtungsstärken in unterschiedlichen Bereichen:
In Wohnraumbereichen 50 – 200 Lux
An Büro-Arbeitsplätzen 500 – 1000 Lux
In Druckereien, Arztzimmern und Prüflaboren 1000 – 2000 Lux
Bei Zahnarztbehandlungen 1000 – 5000 Lux
Bedeckter Himmel 5.000 – 10.000 Lux
Oprationsfelder in der Medizin 10.000 – 100.000 Lux
Mittags-Sonnenlicht an einem klaren Tag ca. 100.000 Lux
Die Leuchtdichte beschreibt den Helligkeitseindruck, der von einer gleichmäßig beleuchteten Fläche ausgeht und wird in Candela pro Quadratmeter (cd/m2) angegeben. Somit ist die Leuchtdichte von allen photometrischen Größen am besten geeignet, den Sinneseindruck zu beschreiben, der vom menschlichen Auge erfasst wird.
Selbstverständlich spielen dabei auch die Eigenschaften der beleuchteten Fläche eine große Rolle. Dunkle Flächen wirken deutlich dunkler als helle Flächen, selbst wenn sie mit der gleichen Lichtstärke beleuchtet werden.
Bei Flächenleuchten oder Panelleuchten könnte die Leuchtdichte die Eigenschaften der Leuchte weitaus besser beschreiben als nur die Angabe der Lichtstärke. Bei punktförmigen Lichtquellen ist die Lichtstärke die bessere Angabe.
Einige Beispiele von unterschiedlichen Leuchtdichten:
Vollmondnacht 0,1 cd/m²
LC-Display mit schwarzer Fläche 0,15 bis 0,8 cd/m²
LC-Display mit weißer Fläche 150 bis 500 cd/m²
Bedeckter Himmel 2.000 cd/m²
Klarer Himmel 8.000 cd/m²
60 W Glühlampe (matt) 120.000 cd/m²
Sonnenscheibe am Mittag 1.600.000.000 cd/m²
Die Lichtausbeute beschreibt die Effizienz von Lichtquellen. Oder anders ausgedrückt, wieviel Energie benötigt wird, um einen bestimmten Lichtstrom zu erzeugen.
Die Angaben erfolgen in Lumen pro Watt (lm/W). Je höher der Wert ist, desto effizienter ist das Leuchtmittel.
Seit vielen Jahrzehnten wurden Glühbirnen für die Beleuchtung genutzt, obwohl sie eigentlich total unwirtschaftlich waren. Denn konventionelle Glühbirnen wandeln nur etwa 5% des Stromes in Licht um. Die restliche Energie wird als Wärme abgestrahlt.
Die mittlerweile verwendeten LEDs sind da bereits deutlich effizienter.
Lichtausbeute bei verschiedenen Leuchtmitteln:
Glühlampe 20 lm/W
Halogenlampe 30 lm/W
Energiesparlampe 86 lm/W
Leuchtstoffröhre 105 lm/W
LED-Lichtquelle 180 lm/W
Wichtig:
Bei der Beurteilung der Effizienz einer Lichtquelle muss in der Praxis immer das ganze System bestehend aus Leuchtmittel, Leuchte, Optiken und Vorschaltgeräten betrachtet werden.
Es kommt durchaus öfters vor, dass bunte Textilien oder frisches Obst im Laden in den tollsten Farben leuchten und zu Hause dann seltsamerweise nicht mehr so farbenfroh aussehen. Wenn das passiert, liegt es nicht an der Qualität der Produkte, sondern an einem schlechten Farbwiedergabeindex der häuslichen Beleuchtung. Der Farbwiedergabeindex gibt Auskunft darüber, wie natürlich die Farben von Gegenständen wahrgenommen werden.
Auf den Verpackungen von Leuchtmitteln wird der Farbwiedergabeindex als RA-Wert (Referenzindex Allgemein) oder CRI-Wert (Colour Rendering Index) angegeben.
Zudem werden keine physikalischen Einheiten sondern nur Zahlen (1 bis 100) angegeben. Je höher der Wert, desto besser ist die Farbwiedergabe.
Früher war der Farbwiedergabeindex kein Thema, denn Glühlampen haben, ebenso wie das Sonnenlicht, einen RA-Wert von 100.
Die ersten LED-Leuchtmittel hingegen hatten einen richtig schlechten RA-Wert, der aber dank stetiger Weiterentwicklung mittlerweile auch bei über 95 liegt. Energiesparlampen liegen im Bereich von 80 – 89, Leuchtstofflampen bei 60 – 90 und Natriumdampflampen schaffen lediglich 30 – 40.