Grundlagen: Lumen, Lux & Co.

Unser Wiki: Erläuterung und Definitionen für Begriffe wie "SMD", "mcd", "Lumen" usw.

Moderator: T.Hoffmann

Grundlagen: Lumen, Lux & Co.

Beitrag am Do, 04.02.16, 10:08 (4 Bewertungen, 50 Sterne)

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Hier mal eine ausführliche Beschreibung der in der Beleuchtungstechnik wichtigen Parameter Farbtemperatur, Lichtstrom, Lichtstärke, Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte, Farbwiedergabe und Effizienz:

Teil 1

Das Licht
Licht ist der für das Auge sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums. Es umfasst den Wellenlängenbereich zwischen 380 und 780 nm.
Betrachtet man das elektromagnetische Spektrum von niederfrequenten Wellen über Rundfunk- und Mikrowellen bis hin zu Röntgen, Gamma- und Höhenstrahlung, macht der Bereich des Lichts nur einen sehr geringen Teil aus.

01 Electromagnetic_spectrum.jpg

Die jeweilige Wellenlänge lässt sich dabei grob einem Farbbereich zuordnen. Innerhalb dieser Farbbereiche ist das menschliche Auge durchaus in der Lage, auch feinste Farbnuancen und damit Wellenlängen zu unterscheiden.

02 Farben.JPG
02 Farben.JPG (103.09 KIB) 9299-mal betrachtet

Der Plancksche Strahler
Ein Planckscher Strahler (auch: Schwarzer Strahler, Schwarzer Körper, idealer schwarzer Körper) ist eine idealisierte thermische Strahlungsquelle. Die Idealisierung besteht darin, dass solch ein Körper alle auftreffende elektromagnetische Strahlung jeglicher Wellenlänge vollständig absorbiert. Gleichzeitig sendet er elektromagnetische Strahlung aus, deren Intensität und spektrale Verteilung unabhängig von der Beschaffenheit des Körpers und seiner Oberfläche sind und nur von seiner Temperatur abhängen.

Der interessante Aspekt ist hierbei der letzte Satz. Ein Plankscher Strahler sendet abhängig von der Temperatur ein elektromagnetisches Spektrum mit einer ganz bestimmten Spektralverteilung aus. Oberhalb einer bestimmten Temperatur bedient ein Teil dieser Strahlung den Bereich des Lichts (380 bis 780 nm).

Hier die Spektralverteilung Planckscher Strahler bei verschiedenen Temperaturen. Dargestellt ist die Strahlungsleistung über der Wellenlänge.
Rote Kurve: Planckscher Strahler bei Raumtemperatur. Zur Erinnerung: 0 Kelvin = -273,15°C.
Gelbe Kurve: Temperatur der Mittagssonne.

03 Planck.jpg

Für die weiteren Betrachtungen ist nur das Spektrum im Bereich des sichtbaren Lichts interessant. Betrachtet man den Verlauf der Kurven in diesem Bereich, fällt auf:
Bei Temperaturen oberhalb von ca. 5000 K nimmt der Blauanteil des Lichts zu,
bei Temperaturen unterhalb von ca. 5000 K nimmt der Rotanteil des Lichts zu.

Licht, dessen spektrale Zusammensetzung der eines Planckschen Strahlers entspricht, wird als weißes Licht bezeichnet.

Das Strahlungsspektrum der Sonne entspricht außerhalb der Atmosphäre recht genau einem Planckschen Strahler mit einer Temperatur von 5900K.

04 Sonne_Strahlungsintensitaet.jpg

Durch die Absorption der Atmosphäre werden Teile der elektromagnetischen Strahlung gedämpft. Besonders wichtig für unsere Gesundheit ist dabei die starke Dämpfung der energiereichen UV-Strahlung durch die Ozonschicht.

Die Farbtemperatur
Wie bereits erwähnt, bestimmt die Temperatur eines Planckschen Strahlers die Verteilung der Energie auf bestimmte Wellenlängenbereiche. Abhängig von der Temperatur werden blaue oder rote Bereiche stärker betont.

Das Spektrum jeder weißen Lichtquelle lässt sich einer bestimmten Temperatur eines Planckschen Strahlers zuordnen. Die Spektralverteilung der Lichtquelle wird dabei mit der Spektralverteilung Planckscher Strahler verglichen. Die bestmögliche Übereinstimmung des Spektrums ergibt die einem Planckschen Strahler entsprechende Temperatur. Je genauer die Übereinstimmung, desto besser die Qualität der Lichtquelle.

Diese Temperatur wird als Farbtemperatur der Lichtquelle bezeichnet.

05 Color_temperature.jpg

Ein Planckscher Strahler sendet stets alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts aus; abhängig von der Temperatur werden dabei bestimmte Wellenlängenbereiche mit höherer Leistung abgestrahlt als andere. Wichtig dabei ist einzig das Mischungsverhältnis. Entspricht die Spektralverteilung einer Lichtquelle der eines Planckschen Strahlers, führt unser Gehirn sozusagen einen automatischen Weißabgleich durch.

Eine Glühlampe mit einer Leistungsaufnahme von 60 W z.B. hat eine Farbtemperatur von 2700 K. Ähnlich verhalten sich Halogenlampen, diese liegen je nach Leistung zwischen 2700 und 3000 K. In beiden Fällen handelt es sich um rein thermische Strahler, deren Spektrum recht genau einem Planckschen Strahler entspricht. Beide Lichtquellen strahlen dabei bevorzugt im rot-/gelben Bereich des Spektrums. Da jedoch auch elektromagnetische Strahlung im grün-/blauen Bereich im richtigen Mischungsverhältnis abgestrahlt wird, interpretiert unser Gehirn diese Lichtquellen als weiß.
Den Effekt des automatischen Weißabgleichs unseres Gehirns kann jeder, der einen etwas besseren Fotoapparat besitzt, leicht nachvollziehen. Jede Kamera führt einen Weißabgleich durch. Meist steht dieser auf Automatik, was in 95% aller Fotos ein gutes Ergebnis zur Folge hat. Stellt man diesen Weißabgleich jedoch auf Tageslicht und fotografiert bei Kunstlicht mit Glüh- oder Halogenlampen, hat das resultierende Foto einen extremen Rotstich. Wir selbst sehen diesen Rotstich beim Fotografieren jedoch nicht.

Bedingt durch die Evolution ist das Lichtempfinden des Menschen an die Tageszeiten angepasst. Die hierbei auftretenden Unterschiede der Farbtemperatur werden vom Gehirn automatisch ausgeglichen. Eine nahrhafte Frucht musste logischerweise zu jeder Tageszeit erkennbar sein.

Unabhängig von der Farbtemperatur nehmen wir jedes Spektrum eines Planckschen Strahlers daher als weißes Licht war. Dabei erscheint uns weißes Licht mit niedriger Farbtemperatur wärmer als Licht mit hoher Farbtemperatur.

Umkehrschluss:
Nimmt man bei einer Lichtquelle einen sichtbaren Farbstich war (häufig bei China-Produkten sowie Billigangeboten bei ebay oder Amazon), deutet dies auf eine erhebliche Abweichung der Spektralverteilung von einem Planckschen Strahler hin.

Beispiele für typische Farbtemperaturen:
1500K – Kerze
2700K – 60W-Glühlampe
3500K – Spätabendsonne vor Dämmerung
4120K – Mondlicht
5000K – Morgen-/Abendsonne
5500K – Sonne vormittags und nachmittags
5800K – Mittagssonne
6500K – Bedeckter Himmel
8000K – Nebel

Bei Lichtquellen bzw. Leuchtmitteln werden technisch drei Bereiche unterschieden:
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06 Farbtemperatur.jpg (41.12 KIB) 9299-mal betrachtet

Warmweiß wirkt gemütlich und ist damit gut geeignet für den Wohnbereich.

Neutralweiß entspricht dem natürlichen Licht am Morgen bzw. Abend. Eignung je nach Farbtemperatur für Wohnbereich, Büros und Verkaufsräume. Eine beliebte und übliche Farbtemperatur hierfür ist 4000K.

Tageslichtweiß entspricht – wie der Name schon sagt – dem natürlichen Tageslicht. Der höhere Blauanteil wirkt anregend, da die Bildung des „Schlafhormons“ Melatonin unterdrückt wird. Eine übliche Lichtfarbe für Arbeits- bzw. Werkstätten ist 6500K. Für Wohnräume ist diese Farbtemperatur (zumindest abends) unbrauchbar.

Der Lichtstrom
Jedes Leuchtmittel hat eine definierte Leistungsaufnahme in Watt. Da es keine Leuchtmittel mit einem Wirkungsgrad von 100% gibt, wird von dieser aufgenommenen Leistung nur ein gewisser prozentualer Anteil als Lichtleistung abgegeben.

Diese Lichtleistung in Watt anzugeben, ist aber nicht sinnvoll. Um zu verstehen, warum dies so ist, sollten wir uns zunächst ansehen, wie visuelle Informationen von Auge und Gehirn verarbeitet werden.

In unseren Augen befinden sich verschiedene lichtempfindliche Rezeptoren, die Stäbchen und drei verschiedene Zapfen. Jeder Rezeptortyp weist dabei eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit auf:

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07 human_cone_action_spectra.gif (7.91 KIB) 9299-mal betrachtet

Die Stäbchen geben dabei keine Farbinformationen ans Gehirn und sind bei Tag bzw. ausreichenden Lichtverhältnissen nicht aktiv. Sie sind für das Nachtsehen zuständig.

Die Spektralbereiche der Zapfen überlappen einander. Die Zapfen mit der maximalen Empfindlichkeit im blauen Bereich werden als S-Zapfen (S für Short Wavelength) bezeichnet, die grünempfindlichen als M-Zapfen (M = Medium) und die rotempfindlichen als L-Zapfen (L = Long).

Im Gehirn wird das Verhältnis der Reizamplitude der einzelnen Zapfen zu der jeweiligen Farbe (=Wellenlänge) des Lichts zusammengesetzt.

Beispiel:
Beträgt das Verhältnis S:M:L ca. 0:30:75, interpretiert unser Gehirn den Lichtreiz als Orange entsprechend einer Wellenlänge von 600nm.
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08 cones2.jpg (102.03 KIB) 9299-mal betrachtet


Nach dem gleichen Prinzip wird jede beliebige Farbe erkannt.

Die Summe der drei Absorptionskurven der S-, M- und L-Zapfen unter Berücksichtigung der relativen Anzahl der jeweiligen Zapfen (S-Zapfen z.B. ca. 12%) beschreibt die Spektrale Hellempfindlich-keitskurve für das Tagsehen.

09 Lambda.jpg


Die blaue Kurve zeigt die Hellempfindlichkeit für die Nachtsicht. Das Auge kann hierbei keine Farben mehr unterscheiden. Die maximale Empfindlichkeit liegt bei 505 nm.

Die rote Kurve stellt die Hellempfindlichkeitskurve des Auges für die Tagsicht dar. Sie wird als V-Lambda-Kurve bezeichnet. Die maximale Empfindlichkeit liegt bei 555nm.

Je weiter die Wellenlänge von diesen 555nm abweicht, desto unempfindlicher wird das Auge.

Bei einer Wellenlänge von beispielsweise 640nm (rot) bewirkt Licht mit der gleichen Lichtleistung nur noch etwa 18% des Helligkeitseindrucks von grünem Licht mit der Wellenlänge 555 nm.

Der Lichtstrom φV beschreibt die Strahlungsleistung einer Lichtquelle unter Berücksichtigung der V-Lambda-Kurve. Die Einheit ist das Lumen (lm). Eine monochromatische Strahlung mit der Wellenlänge 555nm und der Strahlungsleistung 1 Watt erzeugt einen Lichtstrom von 683 Lumen.

Ist also die von einer Lichtquelle abgegebene elektromagnetische Strahlungsleistung (gemessen in Watt) gegeben, so kann der entsprechende Lichtstrom ermittelt werden, indem die einzelnen Wellenlängen der Strahlung mit der jeweiligen relativen Empfindlichkeit des Auges V(λ) bei der betreffenden Wellenlänge λ gewichtet werden und das Ergebnis durch Multiplikation mit dem Skalierungsfaktor Km = 683 lm/W von Watt nach Lumen überführt wird.

Der Lichtstrom beschreibt also vereinfacht ausgedrückt, welche für das Auge verwertbare Lichtmenge ein Leuchtmittel abgibt. Es handelt sich um eine rein quantitative Angabe.

Beispiele:
- Kerze ca. 10 lm
- Glühbirne, E27, 60W ca. 730 lm
- Energiesparlampe, E27, 17W ca. 970 lm
- Leuchtstofflampe, 36W ca. 3300 lm
- Halogenstrahler, 500W ca. 9000 lm
- Sonne ca. 3,7 x 10hoch28 lm

Die Lichtstärke
Mit der Lichtstärke Iv wird angegeben, wie sich der von einer Lichtquelle abgegebene Lichtstrom auf die verschiedenen Richtungen (Raumwinkel) verteilt. Die Lichtstärke ist eine Basisgröße im SI-Einheitensystem. Die Einheit der Lichtstärke ist die Candela (cd).

Die Lichtstärke IV für alle Richtungen, die in den Raumwinkel Ω fallen, ist der Quotient aus dem von der Lichtquelle in diesen Raumwinkel abgegebenen Lichtstrom φV und dem durchstrahlten Raumwinkel :
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10.png (502 Bytes) 9299-mal betrachtet


Einheit des Raumwinkels ist hierbei der Steradiant (sr). Zur Berechnung muss der Öffnungswinkel in den Raumwinkel umgerechnet werden. Bei gegebenem Öffnungswinkel α in Grad berechnet sich der Raumwinkel aus:

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Die Beleuchtungsstärke
Die Beleuchtungsstärke Ev, gemessen in Lux (lx), ist das Maß für die Intensität des Lichtstromes, der auf einer beleuchteten Fläche A auftrifft.
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12.png (525 Bytes) 9299-mal betrachtet

Die Beleuchtungsstärke beschreibt den messbaren Lichteinfall an einem Ort oder auch die Ausleuchtung der Fläche.

Mit der Beleuchtungsstärke wird somit angegeben, wie viel des Lichtstroms einer Lichtquelle auf der zu beleuchtenden Flächeneinheit tatsächlich ankommt. Dies ist die erste qualitative Bewertung der Beleuchtung. Mit der Angabe lux wird physikalisch nachvollziehbar, also messbar, definiert, mit wie viel Lumen, also welchem Lichtstrom, eine Fläche beleuchtet wird. Diese Beleuchtungsstärke kann mit einem speziellen Messgerät, dem Luxmeter, gemessen werden.

Der Begriff Beleuchtungsstärke darf keinesfalls mit dem Begriff Helligkeit verwechselt werden. Helligkeit ist ein subjektiver Begriff, der von Auge und Gehirn interpretiert wird und stark von der jeweiligen Situation bzw. Umgebung abhängt.

Typische natürliche Beleuchtungsstärken:
13 Tabelle natürlich.JPG

Wie man sieht, deckt die natürliche Beleuchtung den Bereich einiger Zehnerpotenzen ab. Im Verlaufe der Evolution haben sich Auge und Gehirn an diese Tatsache angepasst.

Selbst bei Halbmond mit 0,02 lx besteht kaum die Gefahr, dass jemand über Hindernisse stolpert. Farbsehen ist dabei natürlich nicht mehr möglich, in diesem Bereich übernehmen die Stäbchen im Auge.

Bei später Dämmerung mit mehr als 3 lx ist hingegen bereits meist einwandfreies Farbsehen möglich.

Aus eigener Erfahrung sollte auch jeder erkennen, dass das Helligkeitsempfinden nicht linear verläuft. Niemand wird einen sonnigen Sommertag als mehr als 20 mal so hell wie einen bedeckten Wintertag empfinden.

Offensichtlich sind Auge und vor allem Gehirn in der Lage, sich optimal an die jeweilige Situation anzupassen. Wichtig ist ja nicht die Lichtmenge, sondern die Fähigkeit, die Umwelt optimal zu erkennen, um auf jede Situation entsprechend reagieren zu können.

Nachfolgend noch zum besseren Verständnis ein paar Beispiele für die Interaktion Auge – Gehirn.

Kontrastüberhöhung:
Beim Sehen geht es darum, Objekte möglichst gut zu erkennen. Hierzu werden die Informationen, die das Auge ans Gehirn liefert vom Gehirn zusätzlich interpretiert.

Bei folgendem Bild liegen zwei identische Kreise mit einem Grauwert von 50% über einem schwarzen Quadrat (links) und einem weißen Quadrat (rechts):

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14 Kreise.jpg (42.05 KIB) 9299-mal betrachtet

Beim linken Kreis sieht man einen hellen Rand, beim rechten Kreis einen dunklen Rand. In der Realität existieren diese Umrandungen nicht, sie werden ausschließlich von unserem Gehirn erzeugt. Es findet eine Kontrastüberhöhung statt, die uns dabei hilft, Objekte besser voneinander unterscheiden zu können.

Weiterhin scheint der rechte Kreis dunkler zu sein als der linke Kreis. Real haben beide Kreise aber den gleichen Grauwert, sind also völlig identisch.

Was wir also sehen entspricht praktisch nie der tatsächlichen Realität. Helligkeits- und Farbinformationen, die das Auge liefert, werden vom Gehirn zusätzlich so umgerechnet, dass wir einen optimalen Seheindruck haben. Einzelinformationen werden dabei nie für sich alleine betrachtet, sondern immer ins Verhältnis zu umgebenden Informationen gebracht.

Relativität der Helligkeit:
Dieses Beispiel zeigt den Einfluss der Umgebung auf unsere Wahrnehmung von Helligkeit.
Im Hintergrund befindet sich ein Grauverlauf von dunkelgrau links nach hellgrau rechts, also im Prinzip ein Helligkeitsverlauf von dunkel nach hell. In der Mitte befindet sich ein Balken, der scheinbar einen genau entgegengesetzten Helligkeitsverlauf aufweist:

15 Verlauf.jpg

Deckt man jetzt den Hintergrund mit einer schwarzen Fläche ab, wird deutlich, dass der Balken in der Mitte einen einheitlichen Grauton hat:

16 Verlauf2.jpg

Der scheinbare Helligkeitsverlauf entsteht folglich ausschließlich in unserem Gehirn.

Selbst wenn wir genau wissen, dass der mittlere Balken eine einheitlich graue Färbung aufweist, ist es uns völlig unmöglich, dies im ersten Bild auch so zu sehen. Solange der Hintergrund einen Grauverlauf darstellt, sehen wir auch im Balken einen (entgegengesetzten) Verlauf.

Die Helligkeit, die wir wahrnehmen, hängt also stark von der jeweiligen Umgebung ab.

Helligkeitsillusion:
Noch deutlicher wird dies durch den Schachbrett-Versuch von Edward H. Adelson.

Dargestellt ist ein kleines Schachbrett aus hellen und dunklen Feldern. Der mittlere Bereich wird durch einen Zylinder leicht abgeschattet.

Feld B ist ein helles Feld und scheint durch den Schatten ein wenig dunkler zu sein als die nicht beschatteten hellen Felder. Feld B scheint dabei deutlich heller zu sein als das dunkle Feld A.

17 Schach.jpg

Deckt man jetzt aber die Bereiche um die Felder A und B mit einer schwarzen Fläche ab, wird sofort deutlich, dass Feld A und Feld B die gleiche Graustufe haben.

18 Schach2.jpg

Der Helligkeitseindruck von Feld B entsteht folglich ausschließlich durch den Kontext (Schachbrett mit Schatten).

Offensichtlich ist Helligkeit ein subjektiver Begriff und hat nur wenig mit der objektiven Beleuchtungsstärke zu tun.

Der Helligkeitseindruck ist immer von dem Gesamteindruck, also dem Kontext zwischen Umgebung und dem betrachteten Objekt abhängig. Unser Gehirn gleicht dabei unterschiedliche Beleuchtungssituationen automatisch aus. So wird z.B. ein weißes Blatt Papier im Schlagschatten eines Baums nahezu genauso hell wirken, wie das gleiche Blatt in direktem Sonnenlicht. Die Beleuchtungsstärke, die auf diesem Blatt messbar ist, kann dabei durchaus um 2 Zehnerpotenzen abweichen.

Hinzu kommt, dass das Auge - wie auch jedes andere Sinnesorgan - logarithmisch arbeitet. Eine Verdoppelung der Beleuchtungsstärke bewirkt bei Weitem keine Verdopplung des Helligkeitseindrucks. Außerdem ist die Veränderung des Helligkeitseindrucks vom Wert der Beleuchtungsstärke abhängig; bei relativ geringen Beleuchtungsstärke bewirkt eine Änderung dieser eine stärkere Änderung des Helligkeitseindrucks als bei hohen Beleuchtungsstärken. Eine Beleuchtungsstärke von 500 lux wird als wesentlich heller als eine Beleuchtungsstärke von 100 lux empfunden. 5000 lux sind erkennbar heller als 1000 lux. 50000 lux hingegen werden kaum noch heller als 10000 lux empfunden.

Je nach Schwierigkeitsgrad der jeweiligen Sehaufgabe ist ein Mindestwert der Beleuchtungsstärke erforderlich. Diese Mindestwerte sind in der DIN EN 12464-1 für Arbeitsstätten in Innenräumen festgelegt. Die hierbei angegebenen Werte sollen sowohl für optimale Sicherheit als auch für ermüdungsfreies und effizientes Arbeiten sorgen.

Beispiele:
19 Tabelle lux.jpg
19 Tabelle lux.jpg (105.58 KIB) 9299-mal betrachtet


Für Wohnbereiche sind keine Mindestwerte festgelegt. Hier sollte man sich nach dem persönlichen Geschmack richten. Übliche Werte z.B. fürs Wohnzimmer sind 50 bis 300 lx. In Bereichen, in denen z.B. gelesen wird, sollten mindestens 200 lx angestrebt werden. Je weniger Licht für eine Sehaufgabe zur Verfügung steht, desto anstrengender wird dies für die Augen.

Die Leuchtdichte
Die Leuchtdichte einer Fläche bestimmt, mit welcher Flächenhelligkeit das Auge die Fläche wahrnimmt und hat daher von allen photometrischen Größen den unmittelbarsten Bezug zur optischen Sinneswahrnehmung. Die Einheit ist das cd m-2 (Candela je Quadratmeter).

Die Leuchtdichte ist also der Lichtstrom je Fläche und Raumwinkel.

Die Leuchtdichte wird z.B. bei Monitoren oder Fernsehern angegeben.

Die Definition der Leuchtdichte weist die Besonderheit auf, dass der abgegebene Lichtstrom nicht wie üblich auf das abstrahlende Flächenelement, sondern auf das in Abstrahlrichtung projizierte Flächenelement bezogen wird.

Im Prinzip wird hiermit also beschrieben, welcher Lichtstrom von einem beobachteten Objekt in Richtung Auge reflektiert wird. Die meisten Objekte reflektieren dabei das Licht diffus, also in alle Richtungen gleichmäßig. Ein Beispiel hierfür ist ein Blatt Papier. Betrachtet man ein solches Blatt, wird es immer den gleichen Helligkeitseindruck hinterlassen, egal aus welchem Winkel oder aus welchem Abstand man es betrachtet.

Allerdings schwankt der subjektive Helligkeitseindruck auch hier von Mensch zu Mensch. Das Umschalten auf rein photopisches Sehen (Farbsehen) liegt zwischen 3 cd/qm und 30 cd/qm. Zum Vergleich: die weiße Fläche eines Monitors hat eine Leuchtdichte von 150 cd/qm bis 500 cd/qm.

Die Leuchtdichte kann theoretisch berechnet oder gemessen werden. Beides ist allerdings mit hohem Aufwand verbunden. Bei der Planung von Beleuchtungsaufgaben verwendet man deshalb normalerweise den Parameter Beleuchtungsstärke. Eine ausreichende Beleuchtungsstärke bewirkt automatisch eine ausreichende Leuchtdichte.
ustoni
 
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Re: Grundlagen: Lumen, Lux & Co.

Beitrag am Do, 04.02.16, 10:23 (3 Bewertungen, 20 Sterne)

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Teil 2

Zusammenfassung der Parameter:
20 Zusammenfassung.jpg
20 Zusammenfassung.jpg (87.64 KIB) 9297-mal betrachtet


Der Farbwiedergabeindex CRI
Der Begriff Farbwiedergabe, ausgewiesen mit dem Farbwiedergabeindex CRI (CRI = Color Rendering Index), beschreibt eines der zentralen Qualitätsmerkmale von Licht.

Er soll beschreiben, wie natürlich Farben im Licht einer Leuchte dargestellt werden.

Damit ein beleuchtetes Objekt realitätsgetreu wiedergegeben wird, muss eine Lichtquelle sämtliche Spektralfarben enthalten.

Optimal ist ein Wert von Ra=100, der von der Sonne und anderen thermischen Strahlern erreicht wird.

Eine Lichtquelle gibt in ihrer Umgebung Farben immer dann optimal wieder, wenn die Spektralverteilung der eines planckschen Strahlers entspricht. Abgesehen vom Sonnenlicht ist dies schon vom Funktionsprinzip her bei Glühlampen und Halogenlampen der Fall.

Mit Aufkommen der Leuchtstoffröhren in den 60er-Jahren wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem man das diskrete - also nicht kontinuierliche – Spektrum von Leuchtstoffröhren und anderen Lichtquellen, die keine thermischen Strahler sind, qualitativ vergleichen kann.

Hierzu wird die Darstellung einer Reihe von Testfarben durch zu testende Lichtquelle mit der einer idealen Lichtquelle gleicher Farbtemperatur verglichen.

21 Testfarben.png

Zur Ermittlung der Farbwiedergabe werden die Ergebnisse der ersten 8 Testfarben arithmetisch gemittelt und als Ra angegeben. Der erreichbare Maximalwert ist Ra = 100 (auch: CRI 100). Im Internet findet man häufig die Behauptung, dass der CRI-Wert zwischen 0 und 100 liegen kann. Dies ist falsch; der CRI-Wert kann durchaus negative Werte annehmen. Niederdruck-Natriumdampflampen haben z.B. einen CRI von -44.

Dieses Verfahren ist inzwischen umstritten, da es mehrere Nachteile hat und den aktuellen Stand der Technik nicht vollständig berücksichtigt.

Probleme der CRI-Angabe:
- gesättigte Farben werden nicht berücksichtigt
- durch die arithmetische Mittelwertbildung werden Ausreißer nicht deutlich erkennbar
- Besonderheiten der Spektralverteilung von LEDs können zu falschen Ergebnissen führen

Auf ein besseres Verfahren zur Beurteilung der Farbwiedergabe konnte sich bisher nicht geeinigt werden. D.h. wir müssen bis auf Weiteres mit dem CRI-Wert leben.

Bewertung des Farbwiedergabeindex:

22 Tabelle CRI.JPG
22 Tabelle CRI.JPG (26.99 KIB) 9297-mal betrachtet

Generell sollten für Wohn- und Arbeitsbereiche Leuchtmittel mit einem CRI von mindestens 80 eingesetzt werden. Damit wird bereits eine gute Farbwiedergabe erreicht.

Bei speziellen Anwendungen wie Fotografie, Grafikdesign und Beleuchtung für Schminkspiegel ( J ) sollte ein CRI von >90 angestrebt werden.

Im Hausflur sowie bei der Beleuchtung von Verkehrswegen ist ein CRI von >60 völlig ausreichend.

Allerdings ist ein CRI von z.B. 80 keine Garantie dafür, dass ein Leuchtmittel keinen Farbstich aufweist. Speziell bei Billigprodukten (sowohl Energiesparlampen als auch LED-Retrofits) findet man häufig einen Grünstich. Dieser Grünstich führt zu einem schlechten Wert bei den Testfarben 1,7 und 8 (R1, R7, R8) und einem sehr guten Wert bei den Testfarben 3 und 4 (R3, R4). Durch die Bildung des arithmetischen Mittelwerts der ersten 8 Testfarben ergibt sich trotzdem ein scheinbar guter CRI-Wert. Durch die Bevorzugung grüner Farbbereiche erreicht der Hersteller einen höheren Effizienzwert. Die beste Chance, Leuchmittel ohne sichtbaren Farbstich zu erwerben hat man, wenn man sich auf Markenhersteller wie Osram, Philips, LG oder Samsung beschränkt.

Hier die Spektralverteilungen dreier unterschiedlicher Leuchtmittel des Herstellers Osram mit einer jeweiligen Farbtemperatur von 2700 K:

23 Spektrum HALOGEN CLASSIC A.JPG

Osram Halogen Classic A, CRI 100

24 Spektrum LUMILUX DE LUXE T8.JPG

Osram Lumilux deLuxe T8, Leuchtstoffröhre CRI >90

25 Spektrum Classic a.JPG
25 Spektrum Classic a.JPG (11.31 KIB) 9297-mal betrachtet

Osram Classic A, LED Retrofit, CRI >80

26 Spektrum V-Lambda.jpg

Referenz: V-Lambdakurve

Oben das Spektrum einer Halogenbirne. Da es sich um einen thermischen Strahler handelt, ergibt sich eine optimale Spektralverteilung und somit ein CRI von 100.

Darunter das Spektrum einer Leuchtstoffröhre. Das Spektrum weist erhebliche Lücken auf. Die Spitzen im Spektrum sind aber so geschickt verteilt, dass das Messverfahren einen Wert von >90 Ra liefert. Auch fürs Auge ergibt sich so eine gute Farbwiedergabe. Allerdings wird es aufgrund der Lücken nahezu unmöglich, in bestimmten Bereichen feinste Farbnuancen zu unterscheiden.

Als Drittes das Spektrum eines LED-Retrofits. Es weist eine für weiße LEDs typische Spitze bei 450 nm auf. Diese liegt jedoch soweit im linken Außenbereich der V-Lambda-Kurve, dass sie sich praktisch nicht mehr störend auswirkt. Im tiefroten Bereich fällt das Spektrum relativ schnell ab. Dies geschieht aber ebenfalls bereits im rechten Außenbereich und fällt deshalb auch nicht sonderlich stark ins Gewicht. Das Messverfahren ergibt so aber „nur“ einen CRI von >80. Trotzdem ist die Farbwiedergabe hier subjektiv – aufgrund des kontinuierlichen Spektrums – angenehmer als bei der Leuchtstoffröhre mit CRI >90.

Die Effizienz
Mit der Effizienz wird angegeben, welchen Lichtstrom eine Lichtquelle je Watt zugeführter Leistung abgibt. Die Effizienz wird in lm/W (Lumen je Watt) angegeben.

Je größer die Effizienz, desto weniger Leistung wird für die Beleuchtung benötigt. Durch sorgfältige Auswahl der Leuchtmittel sind erhebliche Energieeinsparungen möglich.

Allerdings lässt die alleinige Betrachtung der Effizienz keinen Rückschluss auf den elektrischen Wirkungsgrad eines Leuchtmittels oder einer LED zu. Hierzu muss zusätzlich die jeweilige Spektralverteilung betrachtet werden.

Betrachten wir zur Verdeutlichung das Nichia-COB-Modul NFCWJ108B mit einer Farbtemperatur von 5000 K. Dieses Modul wird mit unterschiedlichen Binnings und Farbwiedergabewerten angeboten. Die unterschiedlichen CRIs werden durch unterschiedliche Phosphorschichten erreicht. Leistungsaufnahme und Lichtleistung in Watt sind dabei annähernd gleich, d.h. der elektrische Wirkungsgrad ist vergleichbar. Allerdings verteilt sich die Lichtleistung abhängig vom Farbwiedergabeindex unterschiedlich:

27 Kurven.jpg

Zur leichteren Bewertung der Spektralverteilungen ist die V-Lambdakurve in Grau eingezeichnet. R70 (blau) entspricht einem CRI von 70, R80 (grün) einem CRI von 80 und R90 (rot) einem CRI von 90. Bei den Kurven darf man nur die Spektralverteilung betrachten. Die Amplituden sind untereinander nicht direkt vergleichbar, da es sich um relative Werte handeln, die sich auf die jeweils maximale Amplitude (=100%) der jeweiligen Kurve beziehen.

Deutlich zu erkennen ist, dass die CRI 90-Version erheblich mehr Leistung im langwelligen (roten) Bereich abstrahlt als die CRI 70-Version. Diese Leistungsanteile sind für einen hohen CRI notwendig, gehen aber durch die Korrektur mit der V-Lambdakurve kaum noch in die Berechnung des Lichtstroms ein. Dadurch ergeben sich trotz praktisch gleicher Lichtleistung in Watt und damit identischem elektrischen Wirkungsgrad (bei diesen Modulen übrigens ca. 50%) unterschiedliche Effizienzen:

CRI 70: 156 lm/W
CRI 80: 147 lm/W
CRI 90: 123 lm/W

Prinzipiell gilt also: je höher der CRI-Wert ist, desto geringer wird die Effizienz. Das sagt aber nichts über den elektrischen Wirkungsgrad aus.

Sieht man sich die Spektralkurven an, wird dabei auch deutlich, dass ein CRI von deutlich über 90 technisch keinen Sinn macht. Bei 5000 K würde ein CRI von 100 bedeuten, dass die Leistung über der Wellenlänge nahezu eine Gerade (mit leichter Überhöhung im grüngelben Bereich) bildet. Daraus würde sich eine extrem niedrige Effizienz ergeben.

Beispiele für typische Effizienzen von Leuchtmitteln:

28 Leuchtmittel.JPG
28 Leuchtmittel.JPG (117.11 KIB) 9297-mal betrachtet

Beim Kauf von LED Retrofits sollte man allerdings unbedingt darauf achten, ausschließlich Markenprodukte von oben genannten Herstellern zu wählen. Insbesondere von Billigangeboten über ebay sollte man die Finger lassen. Dies gilt ganz besonders für den Händler- oder Herstellerstandort Shenzen in China. Die von dort vertriebenen Leuchtmittel entsprechen häufig nicht den europäischen Sicherheitsanforderungen und sind teils lebensgefährlich. Die Angaben zu Lichtstrom und Effizienz sind dort oft frei erfunden.

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Eventuelle Fehler und/oder Korrekturen bitte hier posten, die arbeite ich dann gerne noch ein. :wink:
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Re: Grundlagen: Lumen, Lux & Co.

Beitrag am Fr, 05.02.16, 15:21 (0 Bewertungen, 0 Sterne)

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Vielen Dank für diesen Beitrag, war für mich sehr interessant und einige neue Dinge dabei :-)
Benche
 
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Re: Grundlagen: Lumen, Lux & Co.

Beitrag am Do, 11.02.16, 11:26 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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An dieser Stelle ein herzliches Dankeschön an Lumitronix!

Gestern stand der Postbote mit einem Paket von Lumitronix vor meiner Tür (hatte doch gar nichts bestellt :wink: ).

Inhalt: ein Handtuchset und ein Gutschein im Wert von 25€. Auf dem Lieferschein als Anmerkung:
Für Forenbeitrag "Lumen, Lux & Co". Danke für die rege Beteiligung!


Das nenne ich mal eine nette Überraschung!

Den Gutschein habe ich natürlich direkt in eine Bestellung umgewandelt. :lol:

Also, Leute! Fleißig posten! :)
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