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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