Lichtausbeute
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Die Lichtausbeute (Formelzeichen: η) ist der Quotient aus dem von einer Lampe abgegebenen Lichtstrom Φ und deren aufgenommener Leistung P. Die übliche SI-Einheit ist: lm/W (Lumen durch Watt).
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Die Lichtausbeute stellt einen Zusammenhang her zwischen der physikalischen Größe (elektrische) Leistung und der physiologischen Größe Lichtstrom, die von einer empirisch abgeleiteten spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges abhängt.
Nach Definition des Lichtstroms kann eine Strahlungsquelle von 1 Watt Strahlungsleistung bei einer Wellenlänge von 555 nm (grün) für das hell adaptierte Auge nicht heller als 683 Lumen (682 lm [1]) erscheinen. Für ein dunkel-adaptiertes Auge liegen die Werte bei 510 nm (blaugrün) und 1725 Lumen. 555 nm und 510 nm sind die jeweiligen Empfindlichkeitsmaxima des Auges.
Für andere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche muss die empirische Hellempfindlichkeitskurve v(λ) des Auges berücksichtigt werden.
Das Auge nimmt eine Lichtquelle, die homogen im Bereich von 380–740 nm strahlt, als weißes Licht wahr, aber nur mit einer gegenüber grün verringerten Effizienz von ca. 30 %. Statt 683 lm ist der Helligkeitseindruck bei einer solche Lichtquelle dann nur ca. 200 lm.
Bei einem Bereich von 410–705 nm ist die Effizienz 36 % und der Helligkeitseindruck ist 240 lm):
mit
v(λ) - Hellempfindlichkeitskurve des Auges
λ - Lichtwellenlänge
Ein schwarzer Temperatur-Strahler ist eine ineffiziente Lichtquelle. Die Abbildung rechts zeigt die Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Wellenlänge für verschiedene Temperaturen. Das menschliche Auge kann nur einen Ausschnitt des Spektrums wahrnehmen. Bei 2000 K entfallen nur ca. 0,2 % (siehe Tabelle) der Strahlungsleistung auf den sichtbaren Bereich. Selbst bei der Optimaltemperatur von 7000 K sind es weniger als 15 % der Gesamtstrahlung, die zur Beleuchtung beitragen.
Den Zusammenhang zwischen der mit der Hellempfindlichkeitskurve gewichteten Strahlungsleistung (gemessen in Watt) und des Helligkeitseindrucks (gemessen in Lumen) stellt das photometrische Strahlungsäquivalent her.
Bei einem Temperaturstrahler ist der prozentuale Wirkungsgrad von Strahlungsleistung im sichtbaren Bereich zu erzeugter Strahlungsleistung stark abhängig von der Temperatur (siehe Diagramm). Das ist der Grund, warum die Lichtausbeute von Glühlampen stark mit der Glühfadentemperatur ansteigt bzw. bei Unterspannung stark abfällt.
Im Bild rechts ist die relative Helligkeit und die Glühdrahttemperatur einer Glühlampe in Abhängigkeit von der Betriebsspannung dargestellt. Der unteren Kurve liegt die photopische Hellempfindlichkeitskurve des Auges zugrunde. Zu sehen ist, dass sich die Lichtausbeute mit einer 20%igen Erhöhung der Betriebsspannung etwa verdoppelt. Leider verringert sich dabei die Lebensdauer drastisch.
Für nichtthermische Strahler, wie zum Beispiel Gasentladungslampen, ist es schwierig, eine Referenztemperatur und damit eine Referenzleistung eines schwarzen Strahlers anzugeben. Aus diesem Grund wird hier die (physiologische) Lichtausbeute nicht als Wirkungsgrad, sondern unmittelbar als Lichtausbeute in Lumen pro Watt (lm/W) angegeben.
Zur Orientierung beim Kauf von Leuchtmitteln gibt die Energieeffizienzklasse des EU Energielabels Auskunft über die jeweilige Lichtausbeute von Glühlampen, Leuchtstofflampen, Halogenlampen. Die Energieeffizienzklasse A steht hierbei für Produkte mit niedrigem Energieverbrauch bei gleichzeitig hoher Lichtausbeute.
[Bearbeiten] Beispiele
Die folgende Tabelle zeigt die Lichtausbeute einiger Lichtquellen (Übersetzt aus der englischen Fassung):
| Kategorie | Typ | Gesamtlichtausbeute (lm/W) | Gesamtlichtausbeute[2] |
|---|---|---|---|
| Verbrennung | Kerze | 0,1 | 0,015 % |
| Starklichtlampe | 5 | 0,7 % | |
| Glühlampe | 5-W-Glühlampe | 5 | 0,7 % |
| 25-W-Glühlampe | 9,2 | 1,3 % | |
| 40-W-Glühlampe | 10,3 | 1,5 % | |
| 100-W-Glühlampe | 13,8 | 1,9 % | |
| 100-W-Glas-Halogen | 16,7 | 2,4 % | |
| 500-W Quarz-Halogen | 19,8 | 2,9 % | |
| 1000-W Quarz-Halogen | 24,2 | 3,6 % | |
| 12 Volt Quarz-Halogen | 24 | 3,5 % | |
| Hochtemperatur-Glühlampe | 35 | 5,1 % | |
| Leuchtstofflampe | 5–26 W Energiesparlampe | 45–70 | 6,6–10,3 % |
| 26–70 W Energiesparlampe | 70–75 | 10,3–11,0 % | |
| Leuchtstoffröhre, mit konventionellem Vorschaltgerät (KVG/simple Drosselspule) | 60–90 | 8,9–13,4 % | |
| Induktionslampe (Elektrodenlose Leuchtstoffröhre mit induktiver Speisung) | 80 | 11,7 % | |
| Leuchtstoffröhre, mit elektronischem Vorschaltgerät (EVG) | 80–110 | 11–16 % | |
| Leuchtdiode | effizienteste weiße LEDs am Markt (Cree, Nichia) | 100-150 [3] | 15–22 % |
| weiße LED (angepeiltes Entwicklungsziel der EU) | bis 200 | bis 29 % | |
| Bogenlampe | Xenon-Bogenlampe | typ. 30–50; bis 150 | 4,4–7,3 %; bis 22 % |
| Quecksilber-Xenon-Bogenlampe | 50–55 | 7,3–8,0 % | |
| Gasentladungslampe | Hochdruck-Quecksilberdampflampe (z.B. HQL-Brenner) | 36 (50W HQL) - 60 (400W HQL) | bis 8,8 % |
| Halogenmetalldampflampe (z.B. HCI-Brenner) | 93 (70W HCI) - 104 (250W HCI) | bis 15 % | |
| Natriumhochdrucklampe | 150 | 22 % | |
| Natriumniederdrucklampe | 200 | 29 % | |
| 1400-W-Schwefellampe | 95 | 14 % | |
| Theoretisches Maximum (thermischer Strahler, 6600 K)[1] | 95 | 14 % | |
| Theoretisches Maximum (weiß, 410–705 nm) | 240 | 35 % | |
| Theoretisches Maximum (grün, 550 nm) | 683 | 100 % | |
Der Artikel 'Lichtquellen' enthält auch eine Tabelle mit Beispielen für die Lichtausbeute einiger Lichtquellen.
