Zur Bestimmung der Effizienz in der Lichttechnik

Licht – was ist das überhaupt?

Beleuchtungstechnik ist

1. ein wichtiges Thema sowohl in Hinsicht auf Netzqualität als auch auf Energie-Effizienz und daher

2. ein Schwerpunkt des Bereichs Elektrotechnik im Technologieforum des Deutschen Kupferinstituts.

Deshalb verdient dieses Thema hier eine eigene Hauptkategorie – insbesondere da die Energie-Effizienz beim Licht ein diffiziler Aspekt ist.

In der betrieblichen Praxis finden zwei physikalische Grundprinzipien der »feinen Art« ihre Umsetzung, um auf effiziente Weise Licht zu erzeugen: Die traditionellen Leuchtstofflampen, bei denen ein Gas dadurch zum Leuchten gebracht wird, dass man es zwingt, zu einem elektrischen Leiter zu werden (Bild 1), und die neuen, auf Halbleitern basierenden Leuchtdioden (Licht emittierende Dioden – LED, Bild 2).

Bild 1
Bild 1: Kaltstrahler traditionell – Leuchtstofflampen erzeugen nach wie vor den größten Teil des künstlichen Lichts
Bild 2
Bild 2: Kaltstrahler modern – auf einigen Gebieten jedoch überholt inzwischen die Halbleiter-Methode: LED
Bild 3
Bild 3: Klassischer Temperaturstrahler: Innenleben einer Allgebrauchs-Glühlampe 230 V – 100 W

Die Urform der Erzeugung elektrischen Lichts stellt im Vergleich hierzu eine »Holzhammer-Methode« dar: Man erwärmt etwas so stark, dass es hinreichend hell glüht. Es entsteht ein so genannter »Temperaturstrahler« in Form der Glühlampe (Bild 3). Allerdings war auch diese zur Zeit ihrer Erfindung ihren Vorgängerinnen – Kerzen, Fackeln, Petroleumlampen – in der Effizienz schon um einen so großen Schritt überlegen, wie er kein zweites Mal mehr wird vollzogen werden können, da dies Wirkungsgraden weit über 100% entspräche. So dicht unter dem Gipfel befinden wir uns inzwischen.

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Der »Wirkungsgrad« bei der Erzeugung künstlichen Lichts

Licht ist eine Form von Energie. Bei der Umwandlung von Energie entstehen Verluste, ausgedrückt im Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad technischer Geräte und Vorgänge wird gewöhnlich als Quotient von Ausgangsleistung durch Eingangsleistung in Prozent angegeben. Nur beim Licht mag das nicht so recht funktionieren, da das menschliche Auge bezüglich der wahrgenommenen Helligkeit für verschiedene Farben unterschiedlich empfindlich ist. Deshalb ist in die Einheit für die Lichtleistung eines Leuchtmittels die Empfindlichkeit eines genormten »Durchschnittsauges« bereits eingearbeitet. Diese Einheit nennt sich Lumen (schlicht und ergreifend das lateinische Wort für Licht). Somit muss der Wirkungsgrad elektrischer Lampen, Leuchten und Leuchtmittel in Lumen pro Watt angegeben werden und nennt sich »Lichtausbeute«. Diese und nur diese Angabe ist also geeignet zu beurteilen, welches technische Gerät die größte wahrgenommene Helligkeit je aufgenommener elektrischer Leistung erzeugt.

Das Licht stellt dabei definitionsgemäß das sichtbare Spektrum elektromagnetischer Strahlung dar. Es wird zwar mitunter auch von ultraviolettem und infrarotem Licht gesprochen, doch ebenso gut könnte man von dreieckigen und viereckigen Kreisen sprechen. Der allgemeine Ausdruck »Strahlung« ist hier der einzig richtige. Gelten lassen könnte man allenfalls noch den volkstümlichen Ausdruck »Schwarzlicht« für UV-Strahlung, die auf Stoffe fällt, auf denen sie in sichtbare Strahlung umgewandelt wird.

Tabelle 1
Tabelle 1: Beziehung zwischen (physikalischer, gemessener) Strahlungsleistung in Watt und vom Menschen wahrgenommener Lichtleistung in Lumen am vereinfachten Modell mit 10 Messwerten auf 10 Wellenlängen, also 10 Farben

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Lichtquanten – zweierlei Maß

Das sichtbare Spektrum beinhaltet nur einen relativ kleinen Ausschnitt aus dem sehr weiten Bereich elektromagnetischer Strahlung, die vom Langwellen-Rundfunksender 155 kHz (1930 m) bis zur kosmischen Höhenstrahlung im Bereich von 1023 Hz (10-15 m) reicht. Während die Bemessung von Schwingungen an Hand der Frequenz (Anzahl Schwingungen pro Sekunde – Hertz [Hz]) im Allgemeinen die üblichere Angabe ist, hat es sich eingebürgert, das sichtbare Licht (also das Licht; »sichtbares Licht« entspräche eigentlich einem runden Kreis) mittels seiner Wellenlänge zu bemessen. Das macht aber nichts, da man die eine Größe in die andere umrechnen kann, indem man die Ausbreitungsgeschwindigkeit durch die Frequenz teilt und dann die Wellenlänge erhält. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist dabei immer die Lichtgeschwindigkeit, die mit annähernd 300.000 km/s bekanntlich ziemlich hoch ist.

Bild 4: Spektrum
Bild 4: Der sichtbare Bereich nimmt nur einen kleinen Ausschnitt aus dem gesamten Spektrum elektromagnetischer Strahlung ein

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Der sichtbare Bereich elektromagnetischer Strahlung beginnt bei einer Frequenz von etwa 384 THz (Terahertz; Billionen Schwingungen pro Sekunde) bzw. einer Wellenlänge von 780 nm (Nanometer; Milliardstel Meter) mit roter Farbe und endet beim Violett mit 789 THz, entsprechend 380 nm. Dies umfasst also ein Verhältnis von kaum mehr als einem Faktor von 1:2 (Bild 4). Zum Vergleich: Hörbare akustische Schwingungen, der Schall, erstrecken sich von rund 50 Hz bis knapp 20 kHz und umfassen damit schon einen Faktor von 1:400.

Der Bereich sichtbarer Strahlung liegt aber ungefähr um den Punkt, an dem auch die Strahlung der Sonne am intensivsten ist – was evolutionsgeschichtlich kaum ein Zufall sein dürfte.

Ein weiterer Unterschied in unserem Umgang mit Licht und Schall ist, dass wir für den Schalldruckpegel eine logarithmische Skala eingeführt haben, da unser subjektives Empfinden für Lautstärke logarithmisch verläuft. Dies gilt zwar ebenso für Helligkeit, aber diese messen wir in linearen Lumen bzw. Lux [lx]. Bedenken wir, dass für Büroräume eine Beleuchtungsstärke von 500 lx [lm/m²] gefordert wird, der Sonnenschein uns aber schon 100.000 lx beschert, während wir uns bei Vollmond mit nur 0,2 lx schon sehr gut orientieren können und selbst bei 0,0001 lx noch etwas erkennen. Selbst der Vollmond stellt also nur 2 ppm des Sonnenscheins dar. Eine stark bewölkte oder bedeckte Wetterlage, wie sie für den November als typisch angesehen wird, aber im gesamten Winter immer wieder vorkommt, weist nur 1.000 lx auf, also nur 1% des Sonnenscheins. So dunkel erscheint uns dies nun auch wieder nicht. Somit zieht sich der Helligkeitsbereich, fast wie der Schall, über 9 Größenordnungen hin. Damit konvergiert der in der Effizienzdebatte geführte Kampf um das letzte Lumen pro Watt irgendwann gegen einen Streit um Kaisers Bart. Die Frage, in welchen Anwendungsfällen denn halb so viele Lux auch noch ausreichen würden, könnte zum Teil wesentlich größere Sparpotenziale erschließen.

Tabelle 2
Tabelle 2: Je höher die Frequenz eines Lichtquants, desto kürzer die Wellenlänge und desto höher die Energie
Bild 5
Bild 5: Der »Quantensprung« aus Tabelle 2

Während die Physiker sich nach wie vor nicht einig sind, ob es sich beim Licht um Wellen oder Teilchen handelt, da es von beidem charakteristische Merkmale aufweist, kommen die Techniker mit der bestehenden Modellvorstellung vom Licht glänzend zurecht. Daran lassen sich lückenlos alle gemachten Beobachtungen erklären, und so lässt sich damit arbeiten. Ein für die Beleuchtungstechnik wichtiger Aspekt ist hierbei, dass Licht – jedenfalls bei einer bestimmten Wellenlänge bzw. Frequenz – gequantelt vorkommt, also als ganzzahlige Vielfache einer Naturkonstanten, des Planck'schen Wirkungsquantums h (Tabelle 2). Die Energie eines Lichtquants entspricht dem Produkt aus seiner Frequenz und dem Planck'schen Wirkungsquantum.

Das bedeutet aber auch: Ein Lichtquant lässt sich so zu sagen »herunter bremsen«, so dass aus einem kurzwelligen Strahlungsquant ein längerwelliges wird. Die Energie-Differenz wird dabei, wie üblich, als Wärme »verbremst« (Bild 5). Dieser Effekt wird z. B. bei der Leuchtstofflampe ausgenutzt, bei der die eigentliche Gas-Entladung ausschließlich UV-Strahlung erzeugt, die den Leuchtstoff zum Leuchten anregt. Jedes Strahlungsquant erzeugt darin beim Auftreffen ein Lichtquant niedrigerer Energie – hoffentlich im sichtbaren Bereich. Ein Rest UV-Strahlung bleibt stets übrig. Die Methode hat aber den Vorteil, dass sich die Lichtfarbe über die Zusammensetzung des Leuchtstoffs nahezu beliebig steuern lässt.

Bemerkenswert ist daran weiter, dass die weiße LED heutiger Prägung ebenfalls eine Leuchtstofflampe darstellt. Prinzipiell bringt die LED hierbei, da sie primär blaues Licht statt UV-Strahlung einsetzt, die »Veranlagung« mit sich, dass

  • ein Teil des blauen Lichts direkt genutzt wird und
  • für den Rest der Sprung nicht so weit ist und entsprechend weniger Energie »verbremst« werden muss.

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Lichtquantität – wie viel Licht für meinen Strom?

Theoretisch kann eine Lichtquelle eine Licht-Ausbeute, also einen Umwandlungsgrad einer anderen Form von Energie in Licht, von 683 Lumen je Watt [lm/W] erreichen. Dies gilt jedoch nur für monochromatisches grünes Licht von 555 nm Wellenlänge, bei der das menschliche Auge am empfindlichsten ist und wo eben »zufällig« auch gerade das Sonnenlicht sein Maximum an Strahlungsleistung aufweist. Die grünste anzunehmende Lampe ist also tatsächlich grün. Ob wir damit Straßen, Plätze, Hallen, Büros, Supermärkte und am Ende gar Wohn-zimmer beleuchten wollen, erscheint – unabhängig von jeglicher politischer Gesinnung – doch mehr als fraglich.

Tabelle 3: Strahlungsleistung - Lichtleistung
Tabelle 3: Beziehung zwischen (physikalischer, gemessener) Strahlungsleistung in Watt und vom Menschen wahrgenommener Lichtleistung in Lumen am vollständigen Modell (Auszug – Prinzip-Darstellung) mit 400 Messwerten auf 400 Wellenlängen, also 400 Farben

Für »weißes« Licht – oder das, was wir als weiß empfinden, wenn man alle Farben von 380 nm bis 780 nm Wellenlänge zu gleichen Anteilen an objektiver, physikalisch gemessener Strahlungsleistung mischt – ergibt sich ein theoretisches Maximum von nur noch 182 lm/W (Tabelle 3; bzw. 161 lm/W im zum besseren Verständnis vereinfachten Modell nach Tabelle 1). Erzeugt man also ein Strahlungsspektrum, das im Bereich von 380 nm bis 780 nm z. B. auf je 1 nm eine Strahlungsleistung von je 2,5 mW umfasst, so ergibt dies 400 *  2,5 mW =  1 W Licht. Dieses nähme man als einen Lichtstrom von 182 lm wahr. Hätte man dafür eine elektrisch betriebene Lichtquelle mit einem Wirkungsgrad von 100% zur Verfügung, so würde sich diese mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von 1 W begnügen. Ja, schön wär’s – aber so furchtbar weit sind wir gar nicht davon weg. Moderne Leuchtmittel sind immerhin schon näher an einem physikalischen Wirkungsgrad von 100% als der beste neuzeitliche Dieselmotor. Die gute alte Glühlampe kann dagegen kaum der Dampflok das – von dieser (zusätzlich zur Energie) in rauen Mengen benötigte – Wasser reichen.

Geht man nicht von einem solchen theoretischen, sondern von einem real existierenden Weiß aus, wie es die Sonne als Temperaturstrahler mit einer Oberflächentemperatur von gut 5800°C (knapp 6000 K) liefert, dann sind darin die anderen Farben beiderseits des Grüns etwas schwächer, die 555-nm-Spektrallinie und diejenigen in deren unmittelbarer Umgebung dagegen etwas stärker vertreten. Bekanntlich empfinden wir dies immer noch als »weiß«, doch die theoretische Höchstgrenze des Wirkungsgrads – was nun 100% entspräche – steigt dadurch auf 198 lm/W an. Weil die Korrelation derart flexibel ist, also gar nicht besteht, muss man von Lichtausbeute [lm/W] statt von Wirkungsgrad [%] sprechen. Unabhängige Fachleute sehen die theoretisch höchstmögliche Lichtausbeute eines Leuchtmittels bei etwa 320 lm/W. Hier könnte das Weiß noch einigermaßen »weiß« und die Farbwiedergabe akzeptabel sein – wenn denn der physikalische Wirkungsgrad der Umsetzung von elektrischer Energie in Licht bei 100% läge. Manchmal wäre »Wirrkungsgrad« angemessener, da mit Zahlen jongliert wird, die der gezielten Verwirrung dienen.

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Lichtrichtung – wie viel wohin?

Sind die Zahlen in Lumen pro Watt zu klein, um damit Eindruck zu schinden, so werden vielfach andere Größen missbraucht, um die Defizite zu verschleiern und statt dessen sogar noch Eindruck zu schinden. Diese erste solche Größe ist die Lichtstärke I, gemessen in Candela [cd]. Schon der Name »Lichtstärke« eignet sich zu solchen Zwecken hervorragend.

Das Verhältnis des Lichtstroms zur Lichtstärke gibt an, ob die betreffende Lampe stark, schwach oder überhaupt nicht fokussiert ist: Eine Lichtquelle, die ihr Licht in alle Richtungen gleichmäßig verteilt, würde es auch auf der Innenfläche einer um diese Lichtquelle herum gedachten Kugel gleichmäßig verteilen. Die Oberfläche einer Kugel errechnet sich zu: AKugel = 4πr².

Mit Radius 1 (also Durchmesser 2) beträgt deren Oberfläche rund 12,6 – egal, in welcher Einheit; nur muss das Flächenmaß natürlich das dem jeweiligen Längenmaß entsprechende sein: Wird z. B. der Radius in Metern angegeben, so kommen selbstverständlich für die Fläche nur Quadratmeter in Betracht.

Der Raumwinkel Ω, gemessen in Steradiant [sr], ist der Winkel an der Spitze des Lichtkegels, der ein kreisrundes Flächenstück an der Innenseite der Kugel beleuchtet. Nun ist aber ein Kegel ein räumliches Gebilde; daher Raumwinkel. Gemäß Definition ist genau dann der Raumwinkel Ω = 1 sr, wenn die Grundfläche des Kegels A = 4πr² ist (mit r als Höhe des Kegels gleich Radius der Kugel – Bild 6). Interessanterweise ist der Zusammenhang mit dem Lichtstrom nicht linear, auch nicht umgekehrt (reziprok) proportional, sondern erinnert doch sehr an eine Kosinuskurve (Bild 7). Dies ist wiederum überhaupt kein Wunder, denn die Umrechnung erfolgt nach der Formel:

LichtFormel3
Bild 6
Bild 6: Zur Definition des Raumwinkels

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Tabelle 4
Tabelle 4: Zuordnung von Raumwinkel Ω zum Ausstrahlungswinkel ε und Verhältnis von Lichtstärke I zu Lichtstrom Φ

Darin ist ε der Ausstrahlungswinkel der Lichtquelle, also der Winkel an der Spitze des Profils des Lichtkegels. Der Zusammenhang zwischen dem »normalen« zweidimensionalen Winkel ε und dem dreidimensionalen Winkel Ω wurde in Tabelle 4 tabellarisch und in Bild 7 grafisch dargestellt. Einen passenden Umrechner bietet außerdem eine Firma im Internet an. Damit ein wenig zu spielen veranschaulicht die Zusammenhänge recht gut, und man erkennt:

  • Beträgt ε = 65,54°, so ist der Raumwinkel Ω = 1 sr.
  • Ein Lichtstrom von Φ = 1 lm würde nun im Abstand von 1 m eine Fläche von 1 m² beleuchten (bei 2 m Abstand wären es schon 4 m²).
  • Dies ergäbe eine Beleuchtungsstärke von EV = 1 lm/m² = 1 lx (bei 2 m Abstand nur noch 0,25 lx).
  • Die von der Lichtquelle ausgehende Lichtstärke ist I = 1 cd (bei 2 m Abstand immer noch 1 cd).

Die Leuchtdichte I gibt also an, welcher Lichtstrom den Kegel durchströmt. Der Elektriker mag das mit einem elektrischen Leiter vergleichen, in dem die Stromstärke am Anfang und am Ende die gleiche ist, auch wenn sich der Querschnitt dazwischen ändern sollte. Gut, ein vernünftiger Elektriker installiert keine konischen Leiter, aber zum Verständnis des Unterschieds zwischen Leuchtdichte I und Beleuchtungsstärke EV mag die reine Vorstellung davon schon taugen.

Genau genommen ist der RaumwinkelΩ dimensionslos, analog zur Angabe eines zweidimensionalen Winkels im Bogenmaß, denn eigentlich hat er die Einheit [m²/m²]: Das Eine ist die beleuchtete Fläche und das Andere der quadrierte Abstand der Lichtquelle hiervon, denn die beleuchtete Fläche nimmt mit dem Quadrat des Abstands von der Lichtquelle zu. Daher fällt die Beleuchtungsstärke EV mit dem Quadrat des Abstands. Wir wollen hier aber zum besseren Verständnis den Raumwinkel stets in der Einheit [sr] angeben, denn das ist so üblich.

Bild 7
Bild 7: Raumwinkel Ω und Verhältnis von Lichtstärke I zu Lichtstrom Φ in Abhängigkeit vom Ausstrahlungswinkel ε

Natürlich sind dies alles idealisierte Vorstellungen, die voraussetzen, dass die Grundfläche eines Lichtkegels wirklich kreisrund und die Beleuchtungsstärke darauf absolut homogen ist. In der Praxis wird dies höchstens näherungsweise der Fall sein. Eine scharfe Grenze zwischen dem beleuchteten und dem unbeleuchteten Bereich wird sich nicht identifizieren lassen. Im Rahmen dieser Ungenauigkeiten bieten diese Größen aber eine gute Gebrauchstauglichkeit zum Einschätzen dessen, wie viel Licht wohin gelangt.

Dabei beschränkt sich dies nicht allein auf kreisförmige »Spots«. Eine bestimmte Leuchtdichte bzw. Beleuchtungsstärke lässt sich auch jedem anderen Flächenstück zuordnen, innerhalb dessen diese Größen annähernd homogen verteilt sind. Statt des Kegels muss man sich dann entweder eine Pyramide vorstellen oder sich das Flächenstück als von einer Vielzahl extrem schlanker, spitzer »Einheitskegel« beleuchtet denken.

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Anwendungs-Beispiel

Vielleicht fällt die Vorstellung leichter, wenn man sich statt des Kegels eine Pyramide mit quadratischer Grundfläche vorstellt. So entsteht ganz direkt ein beleuchteter Quadratmeter auf der Innenseite der Einheitskugel mit 1 m Radius. Auf diese Innenfläche passen nun etwa 12,6 solcher Quadratmeter (Faktor 4π). Hierauf verteilt sich das Licht einer ringsum strahlenden Lichtquelle gleichmäßig, also würde sich bei einem Radius von r = 1 m ein Lichtstrom von z. B. 1 lm auf 12,6 m² verteilen. Dies ergäbe eine Beleuchtungsstärke EV von

Formel 4

Mit einer Kugel von 1 cm Radius ergäbe sich

Die Lichtstärke hingegen bliebe in beiden Fällen die gleiche. Sie beschreibt nur, wie viel Licht von einem Punkt in eine bestimmte Richtung ausgeht – egal, wie weit. Diese Größe hat deswegen denkbar wenig praktische Relevanz.

Strahlt die Lichtquelle nicht rundum gleichmäßig, so steigt natürlich die Intensität des Lichts dort, wohin es leuchtet, umso mehr, je kleiner der Raumwinkel und folglich die beleuchtete Fläche ist, wohin das Licht noch fällt. Bis zu dem genannten Ausstrahlungswinkel von 65,54° sind die Zahlenwerte des Raumwinkels kleiner als 1; darüber steigen sie rapide an. Dies bedeutet aber auch, dass die Zahlenwerte für die Beleuchtungsstärke in Lux für größere Winkel kleiner sind als die Werte für die Lichtstärke in Candela und den Lichtstrom in Lumen, da sich bei größeren Winkeln das gleiche Licht auf mehr Fläche verteilt.

Deshalb setzen Hersteller – je größer und je namhafter, desto eher – bei Ausstrahlungswinkeln unter etwa 65° lieber die Lichtstärke auf die Verpackung und verschweigen den Lichtstrom, weil dann die größere Zahl darauf steht. Alternativ wird »die« (welche?) Beleuchtungsstärke angegeben und dabei »vergessen« zu erwähnen, auf welchen Abstand diese Angabe sich denn nun bezieht. Bei großen Winkeln gibt man lieber den Lichtstrom an. Es ist erschreckend, doch so dilettantisch funktioniert Werbung – und funktioniert leider dennoch.

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Leuchtdichte – wie viel kommt zurück?

Man kann die Lichtstärke auch benutzen um anzugeben, wie viel Licht von einem bestimmten Flächenstück ausgeht. So gelangt man zur davon abgeleiteten Leuchtdichte LV [cd/m²]. Diese eignet sich sowohl zur Bestimmung, wie viel Licht von einer Fläche reflektiert wird, als auch zur Beurteilung selbst leuchtender Flächen, etwa Monitore.

Lichtqualität – Lichtfarbe, Farbtemperatur und Farbwiedergabe-Index

Nun glüht ein jeder Körper, gleichgültig aus welchem Material, bei gleicher Temperatur immer gleich hell und mit der gleichen Farbzusammensetzung. Dies bietet die Möglichkeit, die farbliche Zusammensetzung künstlichen Lichts an Hand seiner »Farbtemperatur« zu beschreiben. Wenn also das Licht einer Lampe den Eindruck von »Tageslichtweiß« erweckt, nennt man dies »eine Farbtemperatur von 5800 K«. Was jedoch bei den entsprechenden Angaben auf dem Markt niemals erwähnt wird: Auch dies stellt nur einen ganz groben Richtwert dar. In der Atmosphäre werden verschiedene Farben verschieden gebrochen, gestreut und absorbiert. So kommt an der Erdoberfläche denn doch wieder ein diskontinuierliches Spektrum an (Bild 8), das noch dazu tageszeitlich stark schwankt. Tageslicht ist nicht gleich Sonnenlicht. Man muss also wieder ein bestimmtes, typisches Tageslicht-Spektrum normativ festlegen. Richtig müsste es also bei allen Angaben zur Farbtemperatur heißen: »ähnlich 5800 K«. Nur die Glühlampe kann ein kontinuierliches Spektrum wie die Sonne aufweisen.

Bild 8
Bild 8: Spektren von Sonnenlicht und Tageslicht

Allerdings schmilzt Wolfram bei 3407°C (3680 K), so dass eine Farbtemperatur (die hier – und nur hier, also nur bei der Glühlampe und bei der Sonne – exakt mit der Oberflächentemperatur der strahlenden Fläche korreliert) von etwa 3000 K kaum überschritten werden kann. Ein Bisschen Reserve muss noch sein, schon allein wegen Spannungsschwankungen im Stromnetz, wegen der Einschaltströme und zu Gunsten der Lebensdauer.

Jedoch muss weißes Licht nicht notwendigerweise aus allen Farben des sichtbaren Spektrums bestehen, noch nicht einmal aus dreien, wie vielfach angenommen wird. Nein, es reichen unter Umständen zwei Farben aus, um daraus den Eindruck von »weiß« zu erzeugen. Dies geht zwar auf die Kosten der Lichtqualität, sprich der Farbwiedergabe, denn eine Farbe, die im Licht nicht enthalten ist, kann auch von dem beleuchteten Objekt nicht reflektiert werden, doch bietet diese Eigenschaft die Möglichkeit, bestimmten Lichtquellen traumhaft hohe Lichtausbeuten zuzuschreiben – sofern es gelingt, sich um Aussagen zur Lichtqualität zu drücken. Davon abgesehen sind die bestehenden Maße für die Lichtqualität von äußerst fragwürdiger Natur, von Kautschuk artiger Beschaffenheit und bedürften dringend einer Revision, aber niemand ist daran so recht interessiert.

Dies gilt auch für den Farbwiedergabe-Index. Dessen Herleitung und Definition sind kompliziert und würden hier den Rahmen sprengen, doch so viel wissen wir: Wenn ein Leuchtmittel einen Farbwiedergabe-Index Ra = 100 hat, hat es eine ideale Farbwiedergabe, richtig? – Nicht unbedingt! Denn auch der Farbwiedergabe-Index ist eine relative Größe. Bei Farbtemperaturen unter 5000 K bezieht er sich auf die jeweils angegebene Farbtemperatur des jeweiligen Leuchtmittels, ab 5000 K auf das Tageslicht. Nur deshalb lassen sich beliebige Lichtquellen an Hand ihrer »Farbtemperatur« vergleichen. Eine Lichtquelle, die dieses mehr oder weniger willkürlich festgelegte Spektrum genau nachmachen kann, erreicht rechnerisch die beste Farbwiedergabe; eine mit einer vollkommen »glatten« Verteilung der Wellenlängen (wie in Tabelle 1 und Tabelle 3 jeweils links) dagegen nicht, und Fachleute urteilen: »Von der Industrie wird der Index jedoch geschätzt, weil er auch Lampen mit bescheidener, weil lückenhafter spektraler Verteilung noch ganz passable Ra Werte um die 80 beschert. Nach unserer Erfahrung muss eine Lichtquelle hinsichtlich der subjektiven Farbwiedergabe-Bewertung schon sehr miserabel sein, um deutlich kleinere Zahlenwerte zu erreichen«. So ist die Skala derart zurecht gebastelt worden, dass sie nach unten offen ist und theoretisch weit ins Negative reicht, während sie – nur allzu oft erfolgreich – den Eindruck einer Prozentskala von 0 bis 100 zu erwecken versucht.

Doch es gibt Hoffnung, dass sich dies allmählich ändert: »Die nordamerikanische IES (Illuminating Engineering Society) hat im Jahre 2015 einen Vorstoß in Richtung „Neuer Farbwiedergabeindex“ gewagt« – nicht perfekt, aber schon wesentlich besser. Nun bleibt nur noch zu hoffen, dass sich dieser auch durchsetzt.

Ergänzend muss hierzu noch angemerkt werden, dass sich die oben angegebenen theoretischen Maximal-Lichtausbeuten auf Tageshelligkeit beziehen, also auf das so genannte photopische Sehen. Beim skotopischen Sehen – bei Nacht – sind nicht nur alle Katzen grau, also kein Farbsehen möglich, sondern die größte Empfindlichkeit des Auges verschiebt sich auch noch ein wenig zum Blaugrün hin (507 nm – Bild 9). Die blaugrüne Katze ist also hellgrau, während rote und violette Katzen praktisch schwarz sind.

Darüber hinaus aber nimmt die Empfindlichkeit des Auges insgesamt noch einmal deutlich zu, sobald wir uns an die Dunkelheit gewöhnt haben. Bei einer Wellenlänge von 507 nm könnte sogar eine Lichtausbeute von 1700 lm/W erreicht werden, gäbe man sich denn mit einer Funzel zufrieden, die noch nicht einmal hell genug ist, um überhaupt irgendwelche Farben unterscheiden zu können, die aber ausschließlich auf dieser Wellenlänge leuchtet. Da sich dies jedoch kaum als »Beleuchtung« bezeichnen lässt, ist dieser Wert in der Lichttechnik von recht begrenzter praktischer Bedeutung. Die Spitze unserer Licht-Empfindlichkeit korreliert jetzt – bei Nacht, wenn Licht zu einem knappen Gut wird – aber genau mit der Spitze der Intensität des Sonnenlichts (Bild 9). Dies ist evolutionsgeschichtlich erst recht nahe liegend, denn auch Mondlicht kommt letztlich von der Sonne.

Somit hätte eine weiße Lichtquelle, die im technisch-physikalischen Sinn einen Wirkungsgrad von 100% erreicht, eine Lichtausbeute in der Gegend von 200 lm/W. Deutlich höhere Werte setzen zwangsläufig nicht nur einen fantastischen physikalischen Wirkungsgrad voraus, sondern müssen gleichzeitig mit einer sehr schlechten Farbwiedergabe einher gehen. Solche Lampen müssen also überproportional viel grünes Licht im Bereich um 555 nm bieten und im restlichen Bereich entsprechend »unterbelichtet« sein. Wer etwas anderes behauptet, muss wohl das »perpetuum lumile« erfunden haben – oder verkauft Wärmequellen, die als Abfallprodukt »leider« auch etwas Licht erzeugen.

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Zusammenfassung – lichttechnische Größen im Überblick

Tabelle 5
Tabelle 5: Zusammenstellung wichtiger lichttechnischer Größen