Der folgende Beitrag ist vor 2021 erschienen. Unsere Redaktion hat seither ein neues Leitbild und redaktionelle Standards. Weitere Informationen finden Sie hier.
Über ein Jahrhundert lang steigerten Entwickler die Lichtausbeute von Lampen. In den 90er-Jahren gewann die Energiesparlampe – eine kompakte Bauart der Leuchtstoffröhre – nennenswerte Marktanteile bei Konsumenten. Im Zuge der Weiterentwicklung weißer Leuchtdioden (LED) müssen die Marketingleute der Hersteller jedoch umlernen, nunmehr geht's eher um die Farbtreue als um die Lichtausbeute. LED-Arrays mit drei oder vier additiv gemischten Farben sorgen für eine hohe Farbtreue – zum Preis einer etwas verminderten Lichtausbeute.
Anzeige
Die Lichtausbeute einer Glühlampe im sichtbaren Bereich beträgt bestenfalls 4 Prozent, mindestens 96 Prozent der elektrischen Leistung entfallen demnach auf heiße Luft, sofern man den UV-Anteil vernachlässigt. Letztlich ist die Lichtausbeute, also der Wirkungsgrad, nur ein grober Anhaltspunkt, da nicht allein die Strahlungsleistung, sondern auch das Helligkeitsempfinden des menschlichen Auges entscheidend ist.
Die Lichtausbeute konventioneller Glühlampen mit Wolframwendel liegt begrenzt durch den Schmelzpunkt von 3410 Grad Celsius - im Bereich weniger Prozent. Bei den ersten Glühlampen im 19. Jh. bestand die Wendel aus Kohlenstoff, dessen Sublimationstemperatur von 3550 Grad Celsius über der Schmelztemperatur des Wolframs liegt, jedoch ist der Dampfdruck des Kohlenstoffs größer. (Bild: Wikipedia)
Halogenlampen weisen ungefähr eine doppelt so hohe Lichtausbeute auf. Eine Halogenlampe läuft nur mit einer Kolbentemperatur von mindestens 600 Grad Celsius, daher fertigt man den Kolben aus hitzebeständigem Quarzglas. Dieses lässt UV-Licht durch, was wiederum eine normale Glasscheibe als UV-Filter nötig macht.
Die Lichtausbeute einer Glühlampe, also der Wirkungsgrad, ist das Verhältnis aus der im sichtbaren Bereich abgestrahlten Lichtleistung zur aufgenommenen elektrischen Leistung; sie lässt sich aus Plancks Strahlungsformel berechnen. Die Betriebszeit einer Wolframwendel sinkt drastisch mit steigender Temperatur. (Bild Thomas Heidl, Universität Bayreuth)
Deutlich effektiver sind Leuchtstoffröhren, die sich jedoch erst im ansprechenden Design unter dem Namen Energiesparlampe bei Otto Normalverbraucher durchsetzen konnten. Wer will schon zuhause das Gefühl haben, in einer Bürozelle eines Großraumbüros zu wohnen?
Die Funktionsweise einer Energiesparlampe begrenzt ihre Lichtausbeute, wie das Beispiel einer mit Quecksilberdampf betriebenen Lampe zeigt: Trifft ein UV-Photon einer Wellenlänge von 250 Nanometer auf den Leuchtstoff, geht beim Umverteilen aufs sichtbare Spektrum ein Grossteil der Photonenenergie verloren. Immerhin ist eine Energiesparlampe bis zu fünf Mal so effizient wie eine Glühlampe.
Weißes Licht lässt sich additiv sowohl aus mehreren Farben als auch mit phosphoreszierenden Stoffen mischen. Dafür reicht es zwar, blaues Licht mit der Komplementärfarbe gelb zu mischen, doch mit mehreren Farben wird die Farbtreue deutlich besser. Ein Farbfernseher mischt weiß aus blau, grün und rot, was mit drei LED ebenso möglich ist. Mit vier LED lassen sich jedoch mehr Mischfarben anzeigen. (Bild: E. Fred Schubert, Rensselaer Polytechnic Institute, USA)
Nach der Erfindung der blauen LED in den 90er-Jahren lag es nahe, auch weiße LEDs zu bauen, inzwischen bestehen bereits die Frontleuchten einiger U-Bahnen aus weißen LED. Weiße LED sind wiederum 5- bis 20-mal so effizient wie Energiesparlampen beziehungsweise Glühlampen; Details stehen in der Ausgabe vom 27.05.2005 der Zeitschrift Science in Band 308 auf Seite 1274.
Anzeige
(links) Mit vier Farben der Wellenlängen 1 bis 4 lässt sich die Sonnenoberfläche mit einer Oberflächentemperatur von 5700 Kelvin nachbilden, hier mit einem leichten, absichtlichen Blaustich. Die gestrichelte Kurve zeigt das Planck-Spektrum der Schwarzkörperstrahlung einer Oberflächentemperatur von 6500 Kelvin. Die Emissionslinien sind jeweils 0,125 eV breit. Die Abkürzungen LE[lm/W] und CRI[%] bedeuten Leuchteffizienz beziehungsweise Farbtreue, letztere beträgt im Idealfall 100 Prozent. (rechts) Leuchteffizienz und Farbtreue sind zwei konkurrierende Größen. Der Preis für die höchste mögliche Farbtreue CRI ist eine etwas verminderte Leuchteffizienz LE. Dieses Höhenlinienbild zeigt diese beiden Größen in Abhängigkeit von zwei der vier Farben (1 und 2), während die anderen zwei (3 und 4) fest gehalten sind. (Bild: E. Fred Schubert, Rensselaer Polytechnic Institute, USA)
Leuchteffizienz (LE) und Lichtausbeute lassen sich nicht trivial ineinander umrechnen, da die Empfindlichkeit des menschlichen Auges zu berücksichtigen ist. Mit zweifarbigen LEDs lässt sich eine Leuchteffizienz von 425 Lumen pro Watt erzielen, nach dem heutigen Stand der Technik ist das das nonplusultra. Jedoch kann eine etwas ineffizientere, vierfarbige LED mit einer nahezu idealen Farbtreue aufwarten. Die coole Nachttischlampe
Die Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges, also die normierte Nachweiswahrscheinlichkeit, am Tage (R/G/B, rote Linie) und in der Nacht (S/W, blau gestrichelte Linie). Erst vor vier Jahren entdeckten Forscher einen fünften Lichtsensor (violette Linie) des menschlichen Auges namens Ganglien-Zelle, diese ist auf das Registrieren des blauen Himmels abgestimmt und legt den Tagesrhythmus fest, also den Zeitpunkt des Aufwachens und des Schlafengehens. Schlafmittel haben somit ausgedient. CIE: internationale Beleuchtungskommission (Bild: E. Fred Schubert, Rensselaer Polytechnic Institute, USA)
Journalismus fördernIhr Beitrag für guten Journalismus
Durch Ihre Unterstützung werden Sie Teil einer Community, die unabhängigen und freien Qualitätsjournalismus schätzt und fördert. Bei uns finden Sie ein breites Spektrum an einzigartigen Themen und unabhängigen Stimmen.
