Lichtquellen im Überblick
Licht ist lebenswichtig für den Menschen. Über die Augen, durch den Sehvorgang, erreichen den Menschen 80% aller Informationen über die sie umgebende Welt. Das sichtbare Licht ist ein relativ kleiner Bereich aus dem großen Spektrum der elektromagnetischen Wellen, der von der kosmischen Höhenstrahlung bis zu den Radiowellen und hörbaren Tonfrequenzen reicht.
Gallerie
Das für den Menschen sichtbare Licht umfasst den Bereich von 380 nm bis 780 nm. Genau dieser Bereich steht auf der Erde als Sonnenstrahlung gleichmäßig zur Verfügung. Dabei ist das Auge extrem anpassungsfähig. Es kann sowohl bei Mondlicht mit 0,1 lx bis ca. 0,3 lx als auch bei gleißendem Sonnenlicht mit einer Beleuchtungsstärke von etwa 100.000 lx Gegenstände erkennen und unterscheiden.
Das Feuer, genauer gesagt die selbstleuchtende Flamme des
Feuers, war die erste künstliche Lichtquelle der Menschen. Ebenso
wie beim Sonnenlicht erzeugen die glühenden Kohlenstoffpartikel der
Flamme ein Licht mit kontinuierlichem Spektrum. Von der Fackel, dem
Kienspan über die Kerze und die Öllampe bis hin zum Gaslicht
funktionierte die Lichterzeugung auf diesem Prinzip. In der zweiten
Hälfte des 19. Jahrhunderts war mit der Erfindung des Glühstrumpfs
für die Gasbeleuchtung das Prinzip der selbstleuchtenden Flamme
überholt. Nahezu gleichzeitig entwickelten sich die elektrischen
Bogenlampen und die Glühlampen. Bald folgten dann die ersten
Entladungslampen. Anfang der 1960er Jahren gilt als Geburtsstunde
der ersten industriell gefertigten LEDs, die jedoch erst im 21.
Jahrtausend ihren Siegeszug antrat.
Elektrische Lichtquellen
Alle heutigen Lichtquellen basieren auf der Umwandlung elektrischer Energie in Licht nach unterschiedlichen Verfahren. Man unterscheidet drei Hauptgruppen:
- Temperaturstrahler (Glühlampen, Halogenlampen)
- Entladungslampen (Niederdruck-, Hochdruckentladungslampen)
- Elektrolumineszenz aus Halbleiterkristallen (LED)
Temperaturstrahler
Zu den Temperaturstrahlern zählen im Wesentlichen die Glühlampen
und die Halogen-Glühlampen in unterschiedlichen Ausführungen
(Niedervolt-Halogenlampen, Hochvolt-Halogenlampen). Allen gemeinsam
ist, dass eine Metallwendel – der Glühfaden – zu Glühen beginnt,
wenn sie von elektrischem Strom durchflossen wird. Je höher die
Temperatur, desto kürzer sind die Wellenlängen – von der Rotglut
der Wendel (meist aus Wolfram) bis zum typisch warmweißen Licht der
Glühlampe. Diesem Prinzip entsprechend wird der größte Teil der
elektrischen Energie in Wärme umgesetzt (95 %) und nur 5% in Licht.
Bei höheren Temperaturen beginnt das Wolfram immer schneller zu
verdampfen, was zur Schwärzung des Glaskolbens führt und früher
oder später zum Durchbrennen der Wendel (durchschnittliche
Lebensdauer 1.000 h). Um den Materialverlust der Wendel zu stoppen,
kam man auf die Idee, der Gasfüllung der Lampe Halogene
beizumischen. Durch den dabei entstehenden Halogenkreisprozess wird
verhindert, dass sich Wolframatome an der Kolbenwand
niederschlagen. So entstehen eine längere Lebensdauer, eine höhere
Lichtausbeute und ein helleres, brillanteres Licht. Das Ende der
Glühlampe begann in Deutschland im September 2009, seither wurden
unterschiedliche Arten nicht mehr hergestellt und vom Markt
genommen. Seit Septmber 2012 ist die Herstellung und der Vertrieb
aller Glühlampen nicht mehr zulässig.
Entladungslampen
Bei der Entladungslampe entsteht das Licht durch das Anregen von
Edelgasen oder Metalldämpfen. In einem gasgefüllten Entladungsgefäß
(z.B. die Leuchtstoffröhre) wird durch eine Spannung zwischen zwei
Elektroden ein Elektronenstrom erzeugt. Auf dem Weg durch das
Entladungsgefäß prallen die Elektronen mit Gasatomen zusammen, die
bei ausreichender Geschwindigkeit zur Abgabe von Strahlung angeregt
werden. Je nach verwendetem Gas entsteht ein Licht mit
charakteristischer Wellenlänge. Bei der Leuchtstofflampe ist die
Innenseite des Entladungsrohres mit Leuchtstoffen beschichtet, die
die UV-Strahlung der Lampe durch Fluoreszenz in sichtbares Licht
umsetzen. Man unterscheidet im Wesentlichen zwei Gruppen:
- Niederdruckentladungslampen (Leuchtstofflampen, Kompaktleuchtstofflampen, Natriumdampf-Niederdrucklampen)
- Hochdruckentladungslampen (Quecksilberdampflampen, Halogen-Metalldampflampen, Natriumdampf-Hochdrucklampen)
LEDs
Eine LED ist
eine Licht emittierende Diode (Leuchtdiode). Die Bezeichnung
entstand aus der Abkürzung des englischen Begriffs Light Emitting
Diode. Das Licht entsteht hier durch Elektrolumineszenz aus
Halbleiterkristallen. Elektrisch gesehen ist eine LED ein
pn-Übergang, d.h. eine Diode, die in Durchlassrichtung betrieben
wird. Beim Elektronenübergang entsteht sichtbares Licht. Die
Lichtfarbe hängt von der Dotierung des pn-Übergangs mit anderen
Elementen ab. Am schwierigsten sind weiße LEDs herzustellen. Es
gibt die Möglichkeit, mehrere monochromtische Chips der Grundfarben
Rot, Grün und Blau im richtigen Verhältnis zu mischen oder mit
blauen LEDs Leuchtstoffe mit gelbgrünem Spektralbereich anzuregen.
In beiden Fällen entsteht Weiß.
Die Lichtausbeute konnte in den letzten Jahren erheblich gesteigert werden. Betrug sie im Jahre 2005 noch etwa 40 lm/W, werden heute schon bei seriengefertigten LEDs über 100 lm/W erreicht. Unter Laborbedingungen können Werte bis zu 250 lm/W entstehen. So sind sie besonders Energieeffizient.
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