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Lichttechnik

Hier möchte ich etwas tiefer in die Hintergründe der Lichttechnik einführen. Es wird immer viel von Licht geredet, aber wo von reden wir da eigentlich?

Licht ist etwas äußerst Wichtiges. Der Mensch nimmt seine Umwelt zu ca. ¾ mittels optischer Eindrücke wahr. Diese Eindrücke werden naturgemäss über das Auge aufgenommen und das Licht dient dabei als Informationsträger. Wie gut wir das Gesehene wahrnehmen hängt dabei stark von der Helligkeit der angeschauten Gegenstände ab. Allerdings ist diese Wahrnehmung auch bei jedem Menschen unterschiedlich, abhängig von Alter und Sehfähigkeit. Ohne Licht sehen wir aber alle nichts.

Das Licht besteht aus verschiedenen elektromagnetischen Strahlungen. Diese Strahlungen können vom Auge als Helligkeit wahrgenommen werden. Das Auge kann Strahlungen im Wellenlängen-Bereich von ca. 380 nm (Nanometer) bis 780 nm wahrnehmen.
Darunter liegt der Bereich des ultravioletten Lichts (UV-Strahlung : 100 - 380 nm). Diese Strahlung ist für den Menschen nicht sichtbar. Allerdings bemerkt man unter Umständen die Wirkung. Der Sonnenbrand wird von der UV-Strahlung verursacht.
Elektromagnetische Strahlungen mit Wellenlängen von 780nm bis 1mm werden als Infrarotstrahlung bezeichnet. Diese Strahlung ist als Wärmestrahlung spürbar, aber ebenfalls nicht sichtbar.

Das Auge bewertet die Helligkeit von verschiedenen Spektralfarben bei gleicher physikalischer Strahlungsintensität verschieden hell. Um dem Rechnung zu tragen, wurde eine Kurve der spektralen Hellempfindlichkeit des Auges  erarbeitet. Diese gibt an, wie hell die verschiedenen Wellenlängen empfunden werden (als Mittelwert). Dies ist international festgelegt.

Mit der spektralen Hellempfindlichkeitskurve wird der Strahlungsfluss von Lichtquellen bewertet. Dadurch entsteht die Größe Lichtstrom.

Lichtstrom:

Als Lichtstrom Φ (Phi) wird die gesamte von einer Lichtquelle ausgestrahlte und vom Auge bewertete Lichtleistung bezeichnet. Der Lichtstrom wird in Lumen angegeben.

Jede Lichtquelle (also Lampen) gibt eine bestimmte Menge an Lumen ab.
Beispiele:

  • Glühlampe Osram CLAS A CL 75           75 Watt             935 Lumen
  • Energiesparlampe Osram DST Stick      17Watt             950 Lumen
  • Leuchtstofflampe T8 Osram L 15 W       15 Watt             950 Lumen
  • Leuchtstofflampe T5 Osram HE 14 W    14 Watt           1350 Lumen
  • LED-Lampe CL A 40 FR D                          8 Watt             450 Lumen

Lichtmenge:

Als Lichtmenge (Q) wird der ausgestrahlte Lichtstrom in einer bestimmten Zeit (t) bezeichnet. Die Lichtmenge lässt sich also folgendermaßen berechnen:

  • Q =  Φ * t

Die Einheit ist die Lumenstunde (lmh).
Diese Größe ist ein wichtiger Aspekt für die Berechnungen der Beleuchtungskosten in Verbindung mit der mittleren Lebensdauer der Leuchtmittel.

Mittlere Lampen-Lebensdauer:

Die mittlere Lampen-Lebensdauer ist der Mittelwert der Lebensdauer einzelner Lampen, die unter genormten Bedingungen betrieben werde. Wenn ich also 100 Lampen betreibe, sind 50 davon defekt, wenn die angegebene Betriebsstundenzahl erreicht wurde.
Somit wird diese Zahl als Betriebszeit für die Lampen in die Berechnungen eingesetzt.


Beispiele für Lichtmenge über die mittlere Lampenlebensdauer:

  • Glühlampe Osram CLAS A CL 75           75 Watt          935000 lmh
  • Energiesparlampe Osram DST Stick      17Watt        9500000 lmh
  • Leuchtstofflampe T8 Osram L 15 W       15 Watt      19000000 lmh
  • Leuchtstofflampe T5 Osram HE 14 W    14 Watt      27000000 lmh
  • LED-Lampe CL A 40 FR D                          8 Watt      11250000 lmh 

Lichtstärke:    

Die Lichtstärke (I), Einheit Candela (cd) wird oft mit dem Lichtstrom gleichgesetzt. Das ist allerdings nicht korrekt. Die Lichtstärke dient zur Bewertung des Lichts, dass in eine bestimmte Richtung abgestrahlt wird. Dazu muss aber natürlich die Richtung definiert sein. Das geschieht über den Raumwinkel Ω, Einheit Steradiant (sr).

Der Raumwinkel 1 sr scheidet auf einer Kugel mit einem Meter Radius, ein Oberflächenstück von 1m² aus. Das klingt kompliziert und ist es wohl auch.  Man kann den Raumwinkel der Kugel berechnen:
                                                                   Ω= A (beleuchtete Kugel-Fläche) / r² (radius)²

Der oft angegebene Abstrahlwinkel α ist übrigens nicht identisch mit dem Raumwinkel. Natürlich lässt sich das aber mit folgender Formel umrechnen:

                                                                   Ω= 2*π(1-cos(π/360*Abstrahlwinkel)

Diese Umrechnung gilt allerdings nur bei gleichmässiger Ausleuchtung des Abstrahlwinkels. Bei LED's ist das aber meist nicht der Fall und daher ist diese Umrechnung für die Lumenerrechung bei LED nicht nutzbar. Die errechneten Lumenwerte wären in dem Fall deutlich höher als in der Realität.

Die Lichtstärke ist der Quotient aus dem Lichtstrom und dem Raumwinkel:

                                                                   I =  Φ  / Ω 

Leuchtdichte

Die Leuchtdichte L, Einheit cd/m²  ist das, was das Auge als Helligkeit wahrnimmt. Lichtquellen und beleuchtete Flächen besitzen eine bestimmte Leuchtdichte. Dabei wird aber der Neigungswinkel der beleuchteten Fläche miteingerechnet. Betrachtet man die Fläche allerdings genau im rechten Winkel (z.B. den Fußboden senkrecht von oben) so kann der Winkel vernachlässigt werden. Also je lichtstärker eine Fläche beleuchtet wird, desto größer ist die Leuchtdichte und somit das Helligkeitsempfinden.

Für die mathematisch Interessierten:

                                                                   L= I / (A*cos β )       β ist der Winkel den die beleuchtete Fläche vom rechtwinkligen Betrachtungswinkel abweicht

Beim rechtwinkligen Betrachtungswinkel (also β = 0) ist der Cosinus 1, somit kann der Winkel vernachlässigt werden und es bleibt folgende Formel über:

                                                                  L = I / A

Beleuchtungsstärke

Mit der Beleuchtungsstärke E, Einheit Lux (lx) wird die Intensität des auf einer Fläche auftreffende Licht angegeben. Sie gibt also das Verhältnis von auftreffendem Licht und beleuchteter Fläche an.

                                                                 E = Φ / A

Die Beleuchtungsstärke ist eine der wichtigsten Größen der Lichttechnik. Sie ist die Größe die bei den meisten Messungen erfasst wird und in Normen als Maßgabe genannt wird.
Interessanterweise unterliegt die Lichtstrahlung keinem Verlust, solange sie nicht von Materie absorbiert wird. Auch beim Durchgang des Lichtes durch durchsichtige Medien, wie Glasabdeckungen oder Wasser wird Lichtstrahlung absorbiert. Warum nimmt dann aber die Beleuchtungsstärke ab, wenn die Lichtquelle weiter entfernt wird?
Je weiter die Lichtquelle entfernt ist, desto größer wird die beleuchtete Fläche. Da der Lichtstrom  relativ konstant ist, muss also die gleiche Lichtstärke eine größere Fläche beleuchten. Somit sinkt die Beleuchtungsstärke für die vorher beleuchtete Fläche.
Dies ist übrigens der Grund, warum wir Sterne sehen können. Das Licht geht trotz der unvorstellbar großen Entfernung nicht verloren, allerdings kommt nur noch ein ganz kleiner Teil der ausgesandten Lichtstrahlung auf unserer Fläche an. Der Rest wird auf das Universum um uns herum verteilt.

Dies wird auch als fotometrisches Entfernungsgesetz bezeichnet. Bei senkrechtem Lichteinfall auf die Fläche gilt dann folgende Formel:

                                                                E = I / r²       r steht dabei für die Entfernung der Lichtquelle von der beleuchteten Fläche

Da das Licht allerdings nicht wirklich absolut gleichmäßig über die Fläche verteilt wird, sind errechnete Luxwerte immer als Mittelwert über die Fläche anzusehen. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass bei Beleuchtungsmessungen ebenfalls mehrere über die Fläche gleichmässig verteilte Messungen erfolgen müssen, um dann den Mittelwert der Beleuchtungsstärke ermitteln zu können.

 Lichtausbeute

Mit der Lichtausbeute η (eta), Einheit Lumen pro Watt (lm/W) wird die Wirtschaftlichkeit von Lampen angegeben. Je höher der Wert, desto mehr zugeführte elektrische Energie wird in sichtbare Lichtstrahlung umgesetzt. Also arbeitet die Lampe dann effizienter. Die Berechnung des Wertes erklärt sich quasi von selbst. Aber der Vollständigkeit halber:

                                                              η = Φ / P      P ist die zugeführte elektrische Leistung

Allerdings ist die Lampen-Lichtausbeute alleine nicht 100%ig aussagekräftig, wenn man eine bestimmte Fläche beleuchten möchte. Dabei müssen noch eventuelle zusätzliche elektrische Verbraucher (z.B. Vorschaltgerät) und der Leuchtenwirkungsgrad mitberechnet werden. Das bedeutet, dass P höher sein kann als auf dem Leuchtmittel angegeben und der tatsächlich nutzbare Lichtstrom ist oft geringer als der bei der Lampe angegebene.

Farbtemperatur

Weißes Licht besteht aus verschiedenen Anteilen an farbigem Licht. Daher kann das weiße Licht verschiedene Tönungen zeigen - je nach Intensität der einzelnen Farben. Glühlampenlicht wirkt z.B. rötlich. Leuchtstofflampen sind meist deutlich weißer bis in den bläulich weißen Bereich hinein. Die Färbung des weißen Lichts wird durch die Farbtemperatur angegeben. Die Farbtemperatur wird in Kelvin (K) angegeben.
Wieso wird aber eine Farbe mit einem Temperaturwert dargestellt. Auf den ersten Blick existiert scheinbar kein Zusammenhang. Im Gegenteil, es wirkt oft sogar eher verwirrend. Der Zusammenhang ist aber vorhanden und gar nicht so kompliziert wie man vielleicht annehmen könnte. Dazu muss man wissen, dass Licht eine Energieform ist. Das bedeutet, dass man andere Energieformen in Licht umwandeln kann. Erhitzt man einen schwarzen Körper (schwarzer Strahler) auf eine bestimmte Temperatur so fängt dieser Körper an zu leuchten. Die Wärmestrahlung wird also teilweise in Licht umgewandelt. Je nach Temperatur leuchtet der schwarze Körper in einem bestimmten Farbton. Die Farbtemperatur der Lampe gibt also an, auf welche Temperatur in °K der schwarze Körper erhitzt werden müsste, damit der die gleiche Farbe wie die Lampe zeigt. Natürlich ist das für die meisten Menschen aber eine Angabe mit der sie erstmal nichts anfangen können. Wer hat schließlich schon mal einen schwarzen Körper gesehen, der auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird?
Daher gibt es bestimmte Richtangaben. Z.B. werden Farbtemperaturen bis 3500 K als Warmweiß bezeichnet. Je niedriger die Farbtemperatur desto mehr ins Rote wirkt das Licht. Je höher die Farbtemperatur desto mehr ins Blaue geht das Licht. Im Allgemeinen werden drei Farbstufen unterschieden.

  • Farbtemperatur unter 3300 Kelvin: Warmweiß (ww)
  • Farbtemperatur von 3300 bis 5300 Kelvin: Neutralweiß (nw)
  • Farbtemperatur über 5500 Kelvin: Tageslichtweiß (tw)

Das diese Unterscheidung nur diese drei Stufen umfasst, liegt daran, dass sie für die Allgemeinbeleuchtung gilt und nicht speziell für die Aquaristik. In der Süßwasseraquaristik werden aber in erster Linie auch nur diese Farbtemperaturen eingesetzt. Üblich sind Lampen mit Farbtemperaturen von 3000 K (ww), 4000 K( nw), 6500 K (tw). Mittlerweile setzen manche auch 8000 K Leuchtstofflampen ein. Diese Farbtemperatur wird von den Herstellern meist als active white oder sky white bezeichnet. Eine deutsche Bezeichnung scheint es da noch nicht zu geben. Ich persönlich bezeiche das gern als Mittagtageslichtweiß (mw).

In der Meerwasseraquaristik sind noch höhere Farbtemperaturen üblich. Dort wird in der Regel mit minimal 6500 K beleuchtet und viele gehen da auch gern höher bis auf über 10000 K. Da ich im Meerwasserbereich aber nicht viel Ahnung habe werde ich da nicht weiter drauf eingehen. Im Süsswasser sind Farbtemperaturen über 8000 K nicht sinnvoll. Oft führen noch höhere Farbtemperaturen zu verstärktem Algenwachstum.

Bei Leuchtstofflampen kann man die Farbtemperatur an einer Kennzeichnung erkennen. Alle europäischen Lampenhersteller haben sich auf diese Bezeichnung geeinigt. Dort steht eine dreistellige Zahl. Die erste Ziffer gibt die Zehnerstelle des Prozentwerts der Farbwidergabe an und die beiden Stellen dahinter die Farbtemperatur/100:

Beispiel:  Bezeichnung 840:
Die 8 steht für den Farbwidergabewert Ra der bei dieser Lampe zwischen 80 und 89% liegt (mehr im nächsten Abschnitt)
Die 40 steht für die Farbtemperatur und muss mit 100 multiliziert werden, also in diesem Fall 4000 Kelvin.

Farbwidergabe

Jede angeleuchtete Oberfläche reflektiert bzw. absorbiert bestimmte Strahlungsanteile des Lichts. Weiße Flächen reflektieren alle Strahlungsanteile und werden daher vom Auge als weiß bewertet. Bestrahle ich die weiße Fläche aber nur mit rotem Licht, so kann die Fläche auch nur rot reflektieren und das Auge bewertet die Fläche daher als rot. Die Farbwidergabe dieser Beleuchtung wäre also völlig verfälscht. Die Farbwidergabe hat also einen sehr niedrigen Wert. Um diesen Wert beziffern zu können werden alle weißen Lichtquellen nach Vorgabe bewertet. Dabei wird die Farbwidergabe der Lampe mit der Farbwidergabe des schwarzen Strahlers verglichen und prozentual bewertet. Bei den Lampen wird im Datenblatt vom Hersteller dieser Wert mit angegeben. Der Farbwidergabeindex (Ra) wird folgendermaßen dargestellt:

  • Stufe 1A: Ra= 90 bis 100% sehr gute Farbwidergabe         Beispiele: Glühlampen, Vollspektrumleuchtstofflampen
  • Stufe 1B: Ra= 80 bis   89% sehr gute Farbwidergabe         Beispiele: 3-Banden-Leuchtstofflampen
  • Stufe 2A: Ra= 70 bis   79% gute Farbwidergabe                   Beispiele: Leuchtstofflampen mit Kennzeichnung 7xx
  • Stufe 2B: Ra= 60 bis   69% gute Farbwidergabe                  Beispiele: Leuchtstofflampen mit Kennzeichnung 6xx
  • Stufe 3:   Ra=  40 bis   59% weniger gute Farbwidergabe: Beispiele: Quecksilberdampf-Hochdrucklampen
  • Stufe 4:   Ra=  20 bis   39% eine Farbbeurteilung ist nicht möglich:  Beispiel: Nadriumdampf-Niederdrucklampe
 
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