Grundlagen der Lichttechnik: Definitionen, Erzeugung und Beleuchtungssysteme

Beleuchtung: Grundlagen und Definitionen

Die Beleuchtung umfasst die wissenschaftlichen Grundlagen der Lichterzeugung, deren Kontrolle und die wichtigsten Formen der Lichterzeugung.

Licht und Strahlung

• Licht: Licht ist eine Manifestationsform von Energie. Es wird als elektromagnetische Energie definiert, die durch eine Reihe von Strahlungen erzeugt wird, die für das menschliche Auge wahrnehmbar sind.
• Strahlung: Strahlung ist das Phänomen, durch das Energie durch den Raum übertragen wird. Sie bildet ein sehr breites Spektrum verschiedener Wellenarten, wobei sichtbares Licht nur einen winzigen Teil in einem Bereich sehr kleiner Wellenlänge darstellt.
• Wellenlänge: Die Wellenlänge ist die Strecke, die eine Welle zurücklegt.
• Frequenz: Die Frequenz einer elektromagnetischen Welle ist die Anzahl der Perioden (Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maxima), die pro Sekunde auftreten.

Natur, Produktion und Übertragung des Lichts

Natur des Lichts

Obwohl das Tageslicht weiß erscheint und eine einzige elektromagnetische Strahlung zu sein scheint, ist dies falsch. Ein Strahl weißen Lichts besteht aus einer Reihe von Strahlungen unterschiedlicher Frequenzbänder, die alle Farben des Regenbogens umfassen.

Lichtproduktion

Licht kann auf verschiedene Weisen erzeugt werden. Die häufigsten sind:

• Pirolumineszenz: Erzeugung von Licht durch die Verbrennung bestimmter Stoffe.
• Inkandeszenz (Weißglut): Licht wird durch Erhitzen von Feststoffen erzeugt. Bei steigender Temperatur emittieren diese Körper Energie in Form elektromagnetischer Strahlung.
• Lumineszenz: Licht wird durch elektrische Entladung zwischen zwei Platten oder Metallelektroden erzeugt, die in einem Gas platziert sind. Dies ist möglich durch die Eigenschaft einiger Stoffe, Licht unter Einwirkung eines elektrischen Feldes zu emittieren.
• LED-Technologie: Basiert auf Halbleiterdioden, die Licht emittieren, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt (anstelle eines Gases wie bei Entladungslampen).

Lichtübertragung

Die Übertragung beschreibt den Durchgang eines Lichtstrahls durch ein Medium ohne Änderung der Frequenz der monochromatischen Strahlung. Es gibt drei Arten der Übertragung, abhängig von der Natur des Mediums:

• Regulär: Wenn der Strahl auf ein Medium trifft und dieses ihn unverändert durchlässt. Dies trifft auf transparente Körper zu.
• Diffus (Fuzzy): Übertragung, bei der sich der Strahl in mehreren Richtungen ausbreitet.
• Gemischt (Gemeinsam): Eine Zwischenform zwischen regulär und diffus. Beispiele sind Kristalle oder geschliffene Glasflächen.

Wichtige Lichtgrößen

• Lichtstrom: Misst die Leistung oder Energieabgabe der Strahlung einer Lichtquelle. Definiert als die Menge an Licht, die von einer Lichtquelle in alle Richtungen emittiert wird und für das menschliche Auge sichtbar ist.
• Effizienz und Lichtausbeute: Definiert als das Verhältnis des von einer Lichtquelle erzeugten Lichtstroms zur benötigten elektrischen Leistung.
• Lichtleistung (Power-LED): Definiert als die Menge des von einer Lichtquelle in einem bestimmten Raum emittierten Lichtstroms.
• Lichtstärke: Definiert die Helligkeit einer Lichtquelle als die Menge des emittierten Lichtstroms pro Raumwinkel in einer bestimmten Richtung. Vermittelt einen Eindruck der Lichtkonzentration.
• Beleuchtungsstärke: Das Verhältnis zwischen dem Lichtstrom, den eine Fläche empfängt, und ihrer Oberfläche.
• Helligkeit: Der Effekt der Flächenleuchtdichte auf die Netzhaut des Auges, sei es durch eine primäre Lichtquelle oder eine sekundäre, reflektierende Oberfläche.

Eigenschaften von Lichtquellen

Lebensdauer und Farbtemperatur

• Dauer oder Lebensdauer der Lampe: Hierbei können zwei Kriterien verwendet werden:
  • Mittlere Lebensdauer: Die verstrichene Zeit, bis 50% der Lampen einer Serie ausgefallen sind.
  • Haltbarkeit: Die geschätzte Anzahl von Stunden, nach denen die Lampe nicht mehr rentabel ist.
• Lichtstromabnahme (Abschreibungen fließen): Bezieht sich auf den Lichtstromabfall der Lampe über eine bestimmte Zeit.
• Farbtemperatur: Dient zur Angabe der Farbe des von einer Quelle emittierten Lichts.

Glühlampe

• Betrieb: Basiert auf dem Widerstandseffekt, bei dem ein sehr dünner Faden durch einen Strom erhitzt wird und Strahlung emittiert, die für das bloße Auge sichtbar ist.
• Komponenten:
  • Kolben (Blister): Glasabdeckung, die die Form gibt und den Faden vor der äußeren Atmosphäre schützt, während sie die Wärmeabfuhr ermöglicht.
  • Glühfaden (Filament): Ein Leiter mit kleinem Durchmesser und hohem Widerstand, meist aus Wolfram. Er ist an einer Haltestange befestigt.
  • Füllgas: Die Glühbirne ist mit einem Inertgas wie Argon und Stickstoff gefüllt, um die Verdampfung des Metalls des Filaments zu reduzieren und die Schmelztemperatur zu erhöhen.
  • Sockel: Hat zwei Hauptfunktionen: die Stromversorgung der Lampe und die Befestigung des Filaments.

Halogenlampen

Halogenlampen sind Glühlampen, die Wolfram enthalten und in einer gasförmigen Atmosphäre aus Inertgas sowie einem Halogen wie Brom, Jod oder Chlor betrieben werden. Das Halogen kann den Verlust von Wolframpartikeln automatisch reparieren und so die Auswirkungen eines Abbaus verringern. Dies führt zu:

• Erreichen höherer Temperaturen bei kleineren Abmessungen.
• Steigerung der Lichtausbeute.
• Verlängerung der Lebensdauer der Lampe.

Entladungslampen

Betrieb

Die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden bewirkt einen Elektronenfluss in der Röhre. Diese Elektronen kollidieren mit den Gasatomen in der Röhre oder Birne, wodurch die Elektronenbahnen angeregt werden und Energie absorbiert wird. Nach kurzer Zeit kehren die Elektronen in ihre ursprüngliche Position zurück und geben die aufgenommene Energie in Form von Strahlung ab, hauptsächlich UV-Strahlung.

Klassifikation von Entladungslampen

• Quecksilberdampflampen:
  • Niederdruck: Leuchtstofflampen.
  • Hochdruck: Quecksilberdampflampen, Mischlichtlampen, Halogen-Metalldampflampen.
• Natriumdampflampen: Natriumdampflampen, Hochdruck-Natriumdampflampen.

LED-Lichtquellen

Diese basieren auf Festkörpern, die Licht emittieren, anstatt eines Gases wie bei Entladungslampen. Wenn Strom durch die Diode fließt, wird Energie als Photon freigesetzt. Das emittierte Licht kann im sichtbaren, infraroten oder nahen ultravioletten Bereich liegen. Die gewünschte Farbe wird durch die Art der Diode erreicht.

Beleuchtungssysteme (Leuchten)

Definition und Klassifizierung von Leuchten

Leuchten werden als eine Anordnung von Elementen definiert, die das von einer oder mehreren Lampen emittierte Licht trennen, filtern oder transformieren, einschließlich aller notwendigen Teile für deren Halterung, Anschluss und Schutz.

Klassifizierung nach elektrischem Schutzgrad

Die Verdrahtung der Leuchten muss eine ausreichende Isolierung aufweisen, um Personen vor elektrischem Schlag zu schützen. Nach diesem Kriterium können sie sein:

• Klasse 0: Nur Funktionsisolation, keine Erdverbindung.
• Klasse I: Funktionsisolation und Anschlussklemme für die Erdung.
• Klasse II: Doppelte oder verstärkte Isolierung insgesamt, ohne Erdanschluss.
• Klasse III: Für den Betrieb mit niedriger Spannung ausgelegt.

Klassifizierung nach Entzündbarkeit der Montagefläche

Nach der Brennbarkeit der Montagefläche werden Leuchten wie folgt eingeteilt:

• Geeignet für die direkte Montage auf Oberflächen, die nicht brennbar sind.
• Geeignet für die direkte Montage auf brennbaren Oberflächen.