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Lichttechnik

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Als Lichttechnik bezeichnet man die Technik, mit der es möglich ist die Lichtverhältnisse anzupassen. Da nicht an jedem Ort die natürliche Helligkeit zur Verfügung steht, werden technische Maßnahmen zur Unterstützung genommen um für eine ausreichende Beleuchtung zu sorgen.


Halogensockel-GU10-Lampe.jpg

Grundlagen

Das menschliche Auge kann nur einen begrenzten Bereich der Wellenlängen des Lichtes wahrnehmen. Der Bereich liegt in etwa zwischen 400 bis 780 nm, wobei in diesem sichtbaren Bereich die einzelnen Wellenlängen als Farben empfunden bzw. wahrgenommen werden.


Wellenlängen/Farben

Farben präsentieren sich in unterschiedlichsten Wellenlängen und sind so der wesentliche Beitrag zur Wahrnehmung einer Farbe. Im CIE (Commission internationale de l’éclairage - Internationale Beleuchtungskommission)-Farbraum ist die jeweilige Wellenlänge der entsprechenden Farben zugeordnet. So wird die Relation zwischen der menschlichen Farbwahrnehmung und der physikalischen Ursache des Farbreizes definiert.


Wellenlängen / Farben

Wellenlängen in nm
Farbempfindung
< 400 * Ultra Violett
400 Violett
450 Blau
500 Grün
550 Gelb
600 Orange
700 Rot
> 780 * Infra Rot

* Nicht sichtbar


Beleuchtungsstärken

Für die Beleuchtungsstärke gibt es Richtwerte bzw. Empfehlungen nach DIN 5035. Da die Leistungsfähigkeit des Auges entscheidend vom Beleuchtungsniveau im Sehfeld abhängt, nimmt mit zunehmender Beleuchtungsstärke die Leistungsfähigkeit zu und die Fehlerhäufigkeit ab. Beleuchtungsstärken sind im Einzelfall auf die Aufgaben der örtlichen Umgebung (Arbeits-, Wohn- oder der öffentliche Bereich, etc.) abzustimmen.


Beleuchtungsstärken - DIN 5035 - Beleuchtung mit künstlichem Licht (Auszug)

En in lx (Lux)
Raumart bzw. Tätigkeit (Beispiele)
100 Lager-, Ruhe-, Umkleide-, Sanitärräume, Toiletten, Flure und Treppen
200 Speiseräume, Räume mit Publikumsverkehr, Lager mit Leseaufgaben
300 Sitzungs-, Unterrichts- sowie Verkaufsräume, Arbeitsplätze zum Bohren, Drehen, usw.
500 Laborräume, Büros, Küchen, zur Radio- und TV-Reparatur, feine Montagen
750 Zeichen- und Großraumbüros mit hellen Wänden, Arbeitsplätze zur Kontrolle, zum Messen, etc.
1000 Großraumbüros mit dunklen Wänden, Arbeitsplatz zum Retuschieren, etc.
1500 Arbeitsplatz um Uhren zu reparieren, Edelsteine zu bearbeiten, etc.


Einheiten / Begriffe

Folgende Einheiten und Begriffe werden nachfolgend beschrieben und erklärt:


Raumwinkel Ω

Raumwinkel.jpg

Der Raumwinkel Ω als SI-Einheit sr (Steradiant) ist eine dimensionslose Maßzahl mit der Angabe 1 m²/m². Aus einer Einheitskugel bekommt man den Raumwinkel mit 1 sr wenn die Fläche A eine Größe von 1m² hat und durch den Radius r mit der Länge 1 m (zum Quadrat) geteilt wird.

Ω  = (A / )


Lichtstrom in Lumen

Der Lichtstrom Φ, mit der Einheit lm (Lumen, bedeutet im lateinischen Leuchte), beschreibt die von der Lichtquelle in alle Richtungen ausgestrahlte Lichtleistung.

Φ = (E * A) auch Φ = (I * Ω)


Lichtstärke in Candela

Die Lichtstärke I, mit der Einheit cd (Candela, bedeutet im lateinischen Wachslicht), gibt den Quotienten an, der sich aus dem Lichtstrom und dem Raumwinkel ergibt.

I = Φ / Ω


Beleuchtungsstärke in Lux

Die Beleuchtungsstärke E mit der Einheit lx (Lux), gibt den Quotienten an, der sich aus dem auf einer Fläche auftreffenden Lichtstrom und der ausgeleuchteten Fläche ergibt.

E = (Φ / A) auch E = (I / ) 

Lichtstärkeverteilungskurven (LVK)

Die LVK einer Lampe gibt an, wie viel Licht in einem bestimmten Winkel ausgesendet wird und ob die Lampe ihr Licht nach unten bzw. oben abgibt und ob der Lichtkegel der Leuchte schmal bzw. breit ist. Dabei zeigt die LVK einer Lampe die Verteilung des Lichtes und ergibt sich als Schnitt durch den Lichtstärkeverteilungskörper, der die Lichtstärken einer Lichtquelle für alle Raumwinkel in einem Polardiagramm, bezogen auf einen Lichtstrom von 1000 lm, darstellt

LVK in I'α


Beispielberechnungen zur Beleuchtungsstärke

Beleuchtungsstaerke LVK.jpg


1. LED mit den Herstellerangaben.:

  • Lichtstärke 25000 mcd
  • Abstrahlwinkel von 15°


2. LED Halogenleuchte mit 60 LEDs mit den Herstellerangaben.:

  • Lichtstrom 200 lm
  • Abstrahlwinkel von 80°


3. LED PAR38 Strahler mit den Herstellerangaben.:

  • Lichtstrom 650 lm
  • Abstrahlwinkel von 50°


Beleuchtungsstärke des auftreffenden Lichts bezogen auf einer Fläche in Abhängigkeit der Entfernung
ohne Berücksichtigung der horizontale und vertikalen Beleuchtungsstärke sowie der Lichtstärkeverteilungskurve

Lichtquelle
Abstand in m
Radius
r in m
r = Abstand/cos(α)
Durchmesser
d in m
d = (sin(α) * r) * 2
Fläche
A in m²
A = (π *d²) / 4
Raumwinkel
Ω in sr (Steradiant)
Ω = (A / )
Lichtstärke
I in cd (Candela)
I = (Φ / Ω)
Leuchtstärke
E in lx (Lux)
E = (I / )
Lichtstrom
Φ in lm (Lumen)
Φ = (E * A)
1. LED
α = 7,5°
0,5 m
1 m
2 m
0,504 m
1,01 m
2,02 m
0,132 m
0,264 m
0,527 m
0,014 m²
0,055 m²
0,217 m²
0,054 25,0 cd 98,4 lx
24,5 lx
6,13 lx
1,35 lm
2. LED Halogenleuchte
α = 40°
0,5 m
1 m
2 m
0,652 m
1,305 m
2,611 m
0,838 m
1,678 m
3,357 m
0,552 m²
2,211 m²
8,849 m²
1,298 154,0 cd 362,5 lx
90,5 lx
22,6 lx
200 lm
3. LED PAR38 Strahler
α = 25°
0,5 m
1 m
2 m
0,552 m
1,103 m
2,207 m
0,467 m
0,932 m
1,865 m
0,171 m²
0,682 m²
2,688 m²
0,56 1.160,7 cd 2.132,2 lx
534,3 lx
133,5 lx
650 lm


Diese ermittelten Werte sind rein theoretisch und können von den genutzten Leuchtmitteln,
durch die Produktion bedingt, bis zu 40 % und mehr abweichen. Für die Umrechnung von oder nach
Candela kann die errechnete Lichtstärke entscheidend vom realen Wert abweichen, da innerhalb des
Lichtkegels die Lichtstärke von nach außen hin abfällt. Um für den richtigen Einsatz das
richtige Leuchtmittel auszuwählen sind ggf. Messungen vor Ort vorzunehmen.


Lichtausbeute

Lichtausbeute.jpg

Die Lichtausbeute h gibt den erzeugten Lichtstrom im Verhältnis zur aufgewendeten elektrischen Leistung an.

h = (Φ / P)


Leuchtdichte

Leuchtdichte.jpg

Die Leuchtdichte (englisch luminance) L ist die Maßeinheit die die Helligkeit, die vom Licht ausgeht, beschreibt. Das Licht kann dabei von einer leuchtenden bzw. beleuchteten Fläche aus gehen, oder nur einer Fläche reflektiert werden. Bei einer vorgegebenen Lichtstärke erscheint die Lichtquelle dabei umso heller, desto kleiner die Fläche ist.

Die Leuchtdichte wird dabei mit folgender Formel beschrieben:

L = (I / A)


Reflexion

Reflexionsgesetz

Lichteinfallswinkel.jpg

Das Reflexionsgesetz sagt aus, dass der Winkel des reflektierten Lichtstrahls β genauso groß ist, wie der Winkel des einfallenden Lichtstrahls α.

Winkel α (einfallender Lichtstrahl) = Winkel β (abgehender Lichtstrahl)

Reflexion / Rückstrahlvermögen

Lichtquelle
mittlere
Leuchtdichte in cd/m²
Lichtquelle
mittlere
Leuchtdichte in cd/m²
Mittagssonne 1.500.000.000 Mond 2.500
Glühlampe klar (40-100W) 10.000.000 Glühlampe mattiert 200.000
Leuchtstofflampe 70 000 Kerze 7.500


Reflexionsgrad

Der Reflexionsgrad ρ gibt das Verhältnis des zurückgestrahlten Lichtstromes zum ausgestrahlten Lichtstrom wieder. Die Menge des reflektierten Lichts ist abhängig von der Beschaffenheit der Oberflächen, dem Lichteinfallswinkel und der spektralen Zusammensetzung des Lichts. Der Reflexionsgrad reicht, bei dunklen Flächen, von wenigen Prozent bis hin zu 90/95 Prozent bei hellen Flächen. Das Licht wird bei glatten Flächen, wie bei einem Spiegel, nahezu ohne Brechung reflektiert während es von rauen Flächen in alle Richtungen reflektiert wird.


Reflexion / Rückstrahlvermögen

Farbanstrich
Reflexionsgrad ρ in %
Werkstoff
Reflexionsgrad ρ in %
weiß ca. 70 - 80% Spiegel (versilbert) ca. 90 - 95%
gelb ca. 65 - 75% weißes Papier ca. 70 - 80%
hellgrün, rosa ca. 45 - 50% Aluminium (eloxiert) ca. 85 - 90%
olivgrün ca. 25 - 35% Kacheln (weiß) ca. 65 - 75%
orange ca. 20 - 25% Mörtel, Putz (hell) ca. 40 - 50%
dunkelrot, dunkelgrün ca. 10-15% dunkles Holz ca. 10 - 25%
schwarz ca. 4% schwarzer Samt ca. 2 - 4%


Beleuchtungsbeispiele

Eine ausreichende helle Beleuchtung wird bei der Fotografie und am Filmset benötigt, um gleichmäßige Aufnahmen zu erreichen. Im privaten Bereich werden unterschiedlichste Anforderungen an die Beleuchtung gestellt. In der Küche ist eine höhere Ausleuchtung erforderlich, wobei im Wohnzimmer gedämpftes Licht aufgrund der „Gemütlichkeit“ bevorzugt wird. Auch im sportlichen Bereich, z.B.: beim Sportschießen für Sehbehinderte ist es wichtig, dass für ausreichende Beleuchtung gesorgt wird. Denn das Licht der beleuchteten Scheibe wird mittels Akustikkoppler in hörbare Töne gewandelt. Der Sportler kann anhand dieser Töne, in Abhängigkeit der Helligkeit, feststellen wie nahe er dem Ziel ist.


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