Freitag, 31. Juli 2015

Physik-Crash-Kurs für Lampenkäufer I: Helligkeit

Edisons Glühlampe
(gemeinfreie Zeichnung)
Seit dem blöden Glühbirnenverbot lesen wir auf all den neuartigen Lampen, die wir nicht kennen, lauter Wörter, die uns nix sagen. Ottonormalverbraucher wie ich haben keine oder kaum Ahnung von all den technischen Begriffen und Einheiten, die die Eigenschaften von Leuchtmitteln beschreiben sollen - und keine Lust auf ewig lange Info-Texte in Fachchinesisch, für die man mindestens Elektrotechnik-Student sein muss, um da durchzusteigen. 

Für die Wohnzimmerbeleuchtung sind Produktangaben wie "warmweißes Licht" oder "entspricht einer 60W Glühbirne" als Kaufhilfe ausreichend (falls sie denn der Wahrheit entsprechen), nicht aber, wenn man optimales Licht zum Arbeiten oder Basteln braucht. Technische Daten beschreiben genauer Helligkeit, Lichtfarbe und Farbwiedergabe eines Leuchtmittels - wenn man sie versteht.

Deshalb habe ich einen groben Überblick über die betreffenden physikalischen Größen und Zusammenhänge erstellt: kurze und hoffentlich anschauliche Erklärungen in Alltagssprache sowie konkrete Beispiele, Vergleiche und andere Hilfen zur Einschätzung. 

Heute:

Teil I: Helligkeit

Ob eine Lampe den Basteltisch optimal erhellen kann, hängt von mehreren Faktoren ab: Wie viel Licht gibt die Lampe insgesamt ab? Wohin? Hängt sie an der Decke oder steht sie auf dem Tisch? Verschiedene physikalische Größen helfen bei der Beurteilung. 

Aufnahmeleistung, angegeben in Watt:
Wird angegeben, weil sie die einzige uns vertraute Größe ist; mit der Wattzahl von LED- und Leuchtstofflampen können wir aber trotzdem nichts anfangen. Warum? Weil das ist, als hat man bisher nur mit Holzkohle geheizt und nun gibt es auch Stein- und Braunkohle. Die Wärmeenergie von 10 kg Holzkohle kann man einschätzen, weil man damit Erfahrung hat, nicht aber, wie viel davon in 1 kg Braunkohle oder 500 g Steinkohle steckt. Erschwerender kommt hinzu, dass es von den beiden auch noch verschiedene Qualitäten gibt... 
Für Leuchststofflampen gilt pauschal, dass sie etwa ein Viertel bis ein Fünftel so viel Watt brauchen wie eine vergleichbare alte Glühbirne; also z.B. 15 W statt 60, 20 W anstatt 100. 

Lichtstrom, gemessen in Lumen
Die Lumenzahl gibt Auskunft darüber, wie viel Licht eine Lampe insgesamt abgibt; d.h. ob sie - bezogen auf andere der gleichen Bauart - nur eine schwache Funzel oder ein strahlend heller Scheinwerfer ist. Zum Vergleich hier ein paar vertraute Lichtquellen (Lumenwerte Pi mal Daumen):
  • Kerze 10 lm
  • eco-Halogenglühbirne (46 W) 700 lm
  • Glühbirne (100 W) 1400 lm
  • Energiesparlampe warmweiß (14 W) 750 - 850 lm
Leider hilft die Angabe des Lichtstroms alleine nicht weiter, wenn man z.B. (rundherum strahlende) Halogenglühlampen mit (gerichtet strahlenden) LED-Lampen vergleichen will, denn das gesamte abgegebene Licht verteilt sich ja in unterschiedlich große Bereiche.

Abstrahlwinkel, gemessen in Grad
Abstrahlwinkel bei Lampen
  • Dieser wird bei LEDs angegeben, weil diese die Energie grundsätzlich nur in einem bestimmten Winkel aussenden, und bei allen Lampen, in denen mit Hilfe von Spiegeln die Lichtstrahlen gebündelt werden. 
  • Die Gradzahl besagt nicht, dass außerhalb des Bereiches alles dunkel bleibt. Statt dessen muss der Winkel genannt werden, innerhalb dessen die Lichtstärke mindestens die Hälfte des Maximums beträgt. Je kleiner der Winkel, desto kleiner auch die gut beleuchtete Fläche und umgekehrt.
Skizze Abstrahlwinkel und Lichtkreisgrößen
Winkel-, aber nicht maßstabsgetreue Abbildung
  • Zur Veranschaulichung habe ich eine schematische Zeichnung erstellt. Ihr könnt sehen, wie schmal/breit Winkel von 15, 36 und 60 Grad sind, und ablesen, wie groß (rein rechnerisch) jeweils der Durchmesser der beleuchteten Fläche ist, je nach Abstand der Oberfläche von der Lampe.   
 
Lichtstärke, angegeben in Candela
  • Damit wird ausgedrückt, wie viel des gesamten Lichts in eine einzelne Richtung abgegeben wird. Lampen mit unterschiedlichen Abstrahlwinkeln werden dadurch vergleichbarer.  
  • Die Ähnlichkeit der Maßeinheit mit dem englischen Wort candle kommt nicht von ungefähr: Die Lichtstärke einer Kerzenflamme beträgt 1 cd. Die alte 100 W Glühbirne kommt auf ca. 110 cd. 
  • Für alle Rundumstrahler gilt die Faustregel: Lichtstrom in lm geteilt durch 12 ist ungefähre Lichtstärke in cd.  
  • Je stärker das Licht gebündelt wird, umso höher ist der Anteil, der z.B. ins Auge des Betrachters scheint, und damit auch die Maßzahl. Wird die extrem hohe Lichtstärke eines Produkts angepriesen, ist die Energie wahrscheinlich sehr gebündelt und der erzeugte Lichtkegel beleuchtet nur eine minimale Fläche.
  • Anders herum erreicht eine schwächere Lampe mit weniger Lumen, deren Licht gebündelt wird, die gleiche Lichtstärke wie ein stärkeres ungerichtet strahlendes Leuchtmittel. Rechnerisches Beispiel: ca. 110 cd werden erreicht durch je eine
Glühbirne 1400 lm ~ Reflektorlampe (120°) 350 lm ~ Reflektorlampe (90°) 205 lm

Beleuchtungsstärke, gemessen in Lux:
Jeder weiß, dass er die Leselampe nahe ans Buch bringen muss, wenn es ihm nicht hell genug zum Lesen ist. Andersherum nehmen wir eine Lichtquelle als schwächer wahr, wenn sie weiter entfernt ist. Diese Helligkeit wird durch Lux ausgedrückt.
  • Anders als Lumen und Candela, die die Energieabgabe der Lampe beschreiben, gibt die Beleuchtungsstärke an, wie viel Licht (lm) auf 1 m² Fläche ankommt. Je größer die Entfernung oder auch je flacher der Einfallswinkel, desto größer ist die Fläche, auf die sich die Lichtmenge verteilt. In dem gleichen Teilbereich kommen weniger Lichtstrahlen an als vorher; die Luxzahl sinkt.
  • Je nach Anforderung an die Augen ist unterschiedlich "gutes" Licht gewünscht oder gefordert. Bei der Bürobeleuchtung z.B. gilt die gesetzliche Vorgabe von 500 lx am Arbeitsplatz (in Schreibtischhöhe).
  • Die Gesamtbeleuchtungsstärke an einem Ort wird durch alle vorhandenen Lichtquellen bestimmt und mit einem Luxmeter gemessen.
  • Ist eine Lampe die einzige Lichtquelle und kennt man deren Lichtstärke in Candela, kann man auch (rein rechnerisch) die maximale Luxzahl erschließen: In 1 m rechtwinkligem Abstand der Oberfläche ist die Beleuchtungsstärke in Lux gleich der Lichtstärke in Candela. Bei Verdoppelung des Abstands verringert sich die Luxzahl auf ein Viertel.


    Zur Veranschaulichung:

    Wenn der Lichtstrahl ein Brausestrahl wäre...

    Ja ja, der Vergleich hinkt, aber er hilft, finde ich. (Physiker also bitte diesen Abschnitt überspringen!)

    Stellt euch einen Duschkopf vor, dessen Düse einen breit, mittel oder schmal gestreuten Wasserstrahl erzeugen kann. Die Wassermenge bleibt aber immer gleich.

    schematische Darstellung
    Lichtkegel als Brausestrahlen dargestellt
    # Die schematische Übersicht zeigt die drei Düseneinstellungen als blaue Bereiche mit gepunkteten Wasserstrahllinien. 
    # Gezeichnet habe ich nur B; A und C sind rein durch Streckung bzw. Stauchung entstanden (deshalb sind die "Wassertröpfchen" bei A größer, was nicht weiter beachtet zu werden braucht). Die Winkel sind jeweils anders, aber die Wassermenge (Zahl der Punkte) ist dieselbe. 
    # Die engen grünen Winkel und die roten Linien habe ich erst dann über die drei Grafiken gelegt; sie sind identisch.

    Die Darstellung zeigt,
    • warum die Beleuchtungsstärke (in Lux) mit zunehmender Entfernung abnimmt
    • warum die Lichtstärke (in Candela) von der Entfernung unabhängig ist
    • wie sich ein kleinerer Abstrahlwinkel auf die Licht- und Beleuchtungsstärke auswirkt 
    ~~~~~~~~~~~~~~

    Ich hoffe wirklich sehr, dass dieser Beitrag euch geholfen hat, die Bedeutungen und Unterschiede von Watt, Lumen, Lux und Candela zu verstehen. Alle angegebenen Werte beruhen auf idealen theoretischen Vorgaben, reale technische Daten können davon abweichen. 

    Licht- und Beleuchtungsstärke einer Lampe selber zu berechnen geht, ist aber etwas kompliziert. Die entsprechenden Formeln findet ihr bei Wikipedia. 
    Oder ihr sucht euch Online-Tools wie z.B. das von PUR-LED auf http://www.lumenrechner.de/ . Mir hat dieser Rechner einiges an Zeit erspart, wenn ich wieder mal mit verschiedenen Werten jonglieren wollte. Vielen Dank an dieser Stelle!
    Das Tool ist nur geeignet für Lampen mit gerichtetem Licht (bis 179° Abstrahlwinkel), eine grafische Darstellung zeigt Lichtkreisgröße und Lux bei zunehmender Distanz an. Die angegebene Beleuchtungsstärke ist immer kleiner als der theoretische Maximalwert, den ich oben beschreibe. Entweder handelt es sich um einen Durchschnittswert oder es wird bei der Berechnung eine besondere Abstrahlcharakteristik von LED-Lampen mit einbezogen.

    In Teil II geht es dann um Licht und Farbe: 
    Was sagt die Kelvin-Zahl aus? Warum ist Weiß nicht gleich Weiß? Warum sieht unter manchem weißen Licht alles so unnatürlich aus? Woran erkenne ich Lampen mit guter Farbwiedergabe?

    Wenn ihr darüber mehr wissen wollt, dann schaut doch bald mal wieder rein!


    Is eich äitz a Läit aafganga?
      

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