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LED als Lichtquelle – Lumen oder Watt? – FC0113

In den letzten Jahren haben sich LEDs zu Lichtquellen weiterentwickelt, die klassischen Glühlampen in vielen Anwendungen den Rang ablaufen. Insbesondere die hohe Lebensdauer ist bei vielen Anwendungen von Vorteil. Inzwischen sind die besten LEDs auch für private Anwender erhältlich. Hier sollen einige beleuchtungstechnische Grundlagen vermittelt werden.


Lumen oder Watt?

Elektrotechniker verwenden zur Angabe elektrischer Leistungen üblicherweise das Watt. Auch Leistungen von Sendern oder Infrarot-Laserdioden für die optische Datenübertragung werden üblicherweise in Watt angegeben, die "Leistung" einer Lichtquelle für Beleuchtungszwecke

stattdessen aber üblicherweise in Lumen. Dabei ist das Lumen (lm) die photometrische Einheit zur Angabe des Lichtstroms einer Lichtquelle. Von photometrischen Einheiten spricht man, wenn die spektrale Empfindlichkeit des Auges mit berücksichtigt wird. Benutzt man eine Lichtquelle, die einfarbiges Licht mit einer Leistung von 1 W abstrahlt, ist der Helligkeitseindruck nämlich von der Wellenlänge des Lichts abhängig. Handelt es sich nämlich zum Beispiel um UV oder IR, so sieht man herzlich wenig! Die Empfindlichkeitskurve des Auges (adaptiert auf Tageshelligkeit) zeigt das folgende Diagramm.

CIE-Empfindlichkeitskurve
Am empfindlichsten ist das Auge für eine Wellenlänge von 555 nm. Ein Leistung von 1 W monochromatisch bei 555 nm entspricht einem Lichtstrom von 683 Lumen. Der Lichtstrom misst dabei alles Licht, das von einer Quelle ausgesandt wird, unabhängig davon, wohin es gestrahlt wird. Strahlt man etwa bei 650 nm 1 Watt ab, so ergibt das 683×0,107 = 73 Lumen, weil bei 650 nm (rotes Licht) die spektrale Empfindlichkeit bereits auf 0,107 gesunken ist. Bei Lampen gibt man oft auch die Lichtausbeute an. Sie gibt an, wie viel Lumen man für die zugeführte elektrische Leistung erhält (Einheit lm/W). Bei Lampen, die mit elektronischen Vorschaltgeräten ausgestattet sind und als Gesamtsystem betrieben werden, ist es üblich, die elektrisch vom System aufgenommene Leistung zu benutzen. Ein schlechter Wirkungsgrad im Vorschaltgerät reduziert also die Lichtausbeute des Systems. In der Tabelle sind die Daten einiger gebräuchlicher Lichtquellen angegeben. Man sieht, über welch weite Bereiche sich die Zahlenwerte erstrecken.Den Rekord in Lumen/Watt hält die Natrium-Niederdrucklampe, die aber leider gelbes Licht abgibt, was zum Farb-Sehen herzlich ungeeignet ist. Weißes Licht lässt sich nur mit wesentlich geringerer Lichtausbeute erzeugen.

Candela

Wer Daten von LEDs studiert, findet dort üblicherweise keine Angaben über den Lichtstrom, sondern über Candela (cd). Was hat es damit auf sich? In Candela wird die Lichtstärke, der (Teil-) Lichtstrom in einem (kleinen) Raumwinkel angegeben. Eine Lichtstärke von 1 cd liegt dann vor, wenn im (räumlichen) Vollwinkel ein Lichtstrom von 1 Lumen abgestrahlt wird. Es gilt also:

Lichtstärke =Lichtstrom pro Raumwinkel

Angaben für die Lichtstärke findet man üblicherweise bei gebündelt strahlenden Lichtquellen wie Halogen-Reflektorlampen oder auch vielen LEDs. Mit der Lichtstärke wird dann oft ein Öffnungswinkel angegeben, der angibt, wie groß der Winkel des Lichtkegels ist, an dessen Rand die Lichtstärke auf die Hälfte abgefallen ist. Eine extreme Lichtstärke erreichen Laser, weil der von Ihnen ausgesandte Lichtstrahl einen sehr kleinen Öffnungswinkel hat. Der Vergleich von Lichtquellen wird also dadurch erschwert, dass Angaben von Lichtstrom und Lichtstärke gemacht werden und dabei gegebenenfalls noch die Farbe des Lichts zu berücksichtigen ist. Seit kurzem gibt es von Luxeon so genannte LumiLEDs mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von 1 W (330 mA bei etwa 3,4 V für eine weiße LED).

1-W-LEDs von Luxeon

Lichtstrom verschiedenfarbiger Luxeon-LEDs.

Farbe Lichtstrom (lm)
Weiss 18
Grün 25
Cyan 30
Blau 5
Royal Blau 100 mw
Rot 44
Amber 36


Der Wert einer weißen LED übertrifft inzwischen den einer Halogen-Reflektorlampe. Auch bei farbigen Strahlern werden beachtliche Werte erreicht. Die Farbe Royal Blue hat ihr Strahlungsmaximum bei ungefähr 450 nm. Bei dieser Wellenlänge ist das Auge schon so unempfindlich, dass die Strahlungsleistung in Milliwatt angegeben wird. Dieser Wert liefert uns einen ersten Hinweis, wie effizient solch eine LED arbeitet. Von 1 W elektrischer Leistung werden immerhin 10 Prozent in Licht gewandelt und abgestrahlt.

Lichtquelle El. Leistung (Watt) Lichtstrom (Lumen) Lichtstärke (Candela) Lichtausbeute (lm/W)
Glühlampe 75 900 12
Leuchtstofflampe 58 5400 90
Natrium-Niederdruck 130 26000 200
Hg-Hochdruck 1000 58000 58
Halogen 12V 65 1700 26
Halogen Reflektor 10 Grad 50 12500
Halogen Reflektor 60 Grad 50 1100
LUXEON LED 1 18 18
NICHIA LED 20 Grad 0,08 6,4


 
 
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