Lichtausbeute

Die Lichtausbeute <math>\eta_\mathrm{v}</math> (englisch luminous efficacy) einer Lampe ist der Quotient aus dem von der Lampe abgegebenen Lichtstrom <math>\Phi_\mathrm{v}</math> und der von ihr aufgenommenen Leistung <math>P</math>.<ref name="IEC_845-01-55" /> Ihre SI-Einheit ist Lumen durch Watt.

<math>\eta_\mathrm{v} \, = \, \frac{\mathit{\Phi_\mathrm{v}}}{P}</math>

Je größer diese Zahl ist, desto größer ist der für das Auge nutzbare Lichtstrom bei gegebener Leistungsaufnahme der Lampe.

Die Lichtausbeute einer Lampe setzt sich aus zwei Faktoren zusammen: Der Strahlungsausbeute <math>\eta_\mathrm{e}</math> der Lampe und dem photometrischen Strahlungsäquivalent <math>K</math> der abgegebenen Strahlung:

<math>\eta_\mathrm{v} \, = \, \eta_\mathrm{e} \cdot K</math>.

Strahlungsausbeute

Die Strahlungsausbeute <math>\eta_\mathrm{e}</math> einer Lichtquelle ist der Quotient aus der von der Lichtquelle abgegebenen Strahlungsleistung <math>\Phi_\mathrm{e}</math> und der aufgenommenen (in der Regel elektrischen) Leistung <math>P</math>:<ref name="IEC_845-01-54" />

<math>\eta_\mathrm{e} \, = \, \frac{\Phi_\mathrm{e}}{P}</math>

Je größer diese Zahl ist, um so größer ist derjenige Anteil der aufgenommenen Leistung, der als elektromagnetische Strahlung abgegeben wird. Meist liegt nur ein Teil der abgegebenen Strahlungsleistung im sichtbaren Spektralbereich und ist damit für das Auge als „Licht“ nutzbar.

Eine Glühlampe setzt die aufgenommene elektrische Leistung fast vollständig in elektromagnetische Strahlung um, hat also eine hohe Strahlungsausbeute. Da der größte Teil der abgegebenen Strahlung jedoch im nicht sichtbaren infraroten Spektralbereich liegt, weist sie nur ein geringes photometrisches Strahlungsäquivalent auf (siehe unten) und erreicht daher auch nur eine geringe Lichtausbeute.

Lichtquellen wie Leuchtstofflampen oder LED-Lampen erreichen wegen der notwendigen verlustbehafteten Vorschaltelektronik sowie der Lichterzeugungs-, Wandlungs- und internen Absorptionsverluste deutlich geringere Strahlungsausbeuten. Sie geben einen Großteil der erzeugten Strahlung jedoch im sichtbaren Bereich ab und erzielen daher wesentlich bessere Lichtausbeuten als Glühlampen.

Photometrisches Strahlungsäquivalent

Strahlungsleistung und Lichtstrom

Das photometrische Strahlungsäquivalent <math>K</math> einer Lichtquelle ist der Quotient aus dem von der Lichtquelle abgegebenen Lichtstrom <math>\Phi_\mathrm{v}</math> und der abgegebenen elektromagnetischen Strahlungsleistung <math>\Phi_\mathrm{e}</math>.<ref name="IEC_845-01-38" /> Seine SI-Einheit ist Lumen durch Watt (lm/W).

<math>K \, = \, \frac{\Phi_\mathrm{v}}{\Phi_\mathrm{e}}</math>.

Je größer diese Zahl ist, desto größer ist der für das Auge nutzbare Lichtstrom bei gegebener Strahlungsleistung einer Lichtquelle.

Aus dem breiten Wellenlängenspektrum elektromagnetischer Strahlung ist der Wellenlängenbereich von etwa 380 bis 780 Nanometern (nm) „sichtbar“, das heißt Strahlung aus diesem Bereich löst im Auge eine Helligkeitsempfindung aus und wird als Licht wahrgenommen. Das Auge ist jedoch nicht für alle sichtbaren Wellenlängen gleich empfindlich. Bei einer Wellenlänge von 555 nm, einer gelb-grünen Spektralfarbe entsprechend, ist das Auge am empfindlichsten. Unterhalb von etwa 380 nm (violett) sowie oberhalb von 780 nm (tiefrot) ist die Empfindlichkeit fast Null.

Wird dem Auge ein Gemisch elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen angeboten, so hängt der erzeugte Helligkeitseindruck von der Empfindlichkeit des Auges für die im Gemisch enthaltenen Wellenlängen ab. Wellenlängen nahe 555 nm tragen stark zum Helligkeitseindruck bei, Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Bereichs tragen gar nicht bei. Es genügt also nicht anzugeben, wieviele Watt an physikalischer Strahlungsleistung eine Lampe aussendet, um den von dieser Strahlung erzeugten Helligkeitseindruck zu beschreiben. Der in Watt gemessene Strahlungsstrom ist stattdessen für jede enthaltene Wellenlänge mit dem jeweiligen spektralen photometrischen Strahlungsäquivalent des Auges zu gewichten. Das Ergebnis ist der in Lumen gemessene Lichtstrom, der ein quantitatives Maß für den auf das Auge ausgeübten Lichtreiz<ref group="Anm." name="Lichtreiz" /> ist.

Aus der 1979er Neudefinition der Candela folgt unmittelbar, dass monochromatische Strahlung der Frequenz 540·10¹² Hertz (entspricht in Luft der Wellenlänge 555 nm) und der Strahlungsleistung 1 Watt gleichzeitig ein Lichtstrom von 683 Lumen ist.<ref group="Anm." name="683_lmW" /> Für diese Wellenlänge beträgt das spektrale photometrische Strahlungsäquivalent also 683 lm/W. Die Strahlungsleistung auf anderen Wellenlängen trägt geringer zum Lichtstrom bei.

Planckscher Strahler

Hat das Wellenlängengemisch das Spektrum eines Planckschen Strahlers, so hängt sein photometrisches Strahlungsäquivalent K von der Temperatur des Strahlers ab. Bei geringen Temperaturen wird fast die gesamte Strahlung im Infraroten abgegeben und es ist K ≈ 0. Mit beginnender Rotglut wird ein Teil der Ausstrahlung als sichtbares Licht wahrgenommen, liegt jedoch noch bei den roten Wellenlängen, für die das Auge wenig empfindlich ist. Mit steigender Temperatur und damit einhergehender Verschiebung des Strahlungsmaximums zu kürzeren Wellenlängen gelangt ein immer größerer Anteil der Ausstrahlung in die Wellenlängenbereiche, für die das Auge besonders empfindlich ist.

Bei einer Temperatur von 2800 K (der Fadentemperatur einer Glühlampe entsprechend) hat der Plancksche Strahler ein Strahlungsäquivalent von 15 lm/W, wobei 6 % der Strahlung im sichtbaren Bereich von 400 bis 700 nm ausgestrahlt werden.<ref name="Murphy_WhiteLight_2012" />

Bei einer Temperatur von 6640 K erreicht der Plancksche Strahler mit 96,1 lm/W das für Plancksche Strahlung maximal mögliche photometrische Strahlungsäquivalent.<ref name="Murphy_WhiteLight_2012" /> Bei einer weiteren Steigerung der Temperatur verschieben sich immer größere Anteile der Ausstrahlung ins nicht sichtbare Ultraviolette und das photometrische Strahlungsäquivalent nimmt wieder ab.

Weißes Licht

Wellenlängengemische, die als „weiß“ wahrgenommen werden und keine Anteile außerhalb des sichtbaren Spektralbereiches haben, erzielen je nach gewünschter Farbtemperatur und dem Farbwiedergabeindex photometrische Strahlungsäquivalente zwischen etwa 250 und 370 lm/W.<ref name="Murphy_WhiteLight_2012" />

Moderne Lichtquellen kommen diesem Ideal relativ nahe. Sie beschränken ihre Spektren im Wesentlichen auf den sichtbaren Bereich (im Gegensatz zu Glühlampen) und erreichen daher im Allgemeinen photometrische Strahlungsäquivalente von etwa 250 bis 350 lm/W, obwohl ihre Lichtspektren sich im Detail teilweise deutlich voneinander unterscheiden können.<ref name="Murphy_WhiteLight_2012" />

Lichtausbeute

Die höchsten bekannten Lichtausbeuten werden mit 200 lm/W von Leuchtdioden erzielt.<ref>Power-LEDs mit 200 Lumen pro Watt auf heise.de, abgerufen am 30. November 2015</ref> Zuvor waren Natriumdampf-Niederdrucklampen mit einer maximalen Ausbeute von 180 lm/W die effizientesten Leuchtmittel.<ref name="Hentschel_137" /> Deren Nachteil war jedoch ihre schlechte Farbwiedergabe.

Thermische (näherungsweise Plancksche) Strahler erreichen bei höheren Temperaturen auch höhere Lichtausbeuten, müssen für diesen Vorteil jedoch andere Nachteile in Kauf nehmen. Bei Glühlampen beispielsweise führt eine Erhöhung der Betriebsspannung um 1 % zu einer Erhöhung der Leistung um 1,5 bis 1,6 % und des Lichtstroms um 3,4 bis 4 % (also zu einer besseren Lichtausbeute), aber auch zu einer Verminderung der Lebensdauer um 12 bis 16 %.<ref name="Hentschel_129" /> Eine Überspannung von etwa 10 % reduziert die Lebensdauer auf etwa 50 %.<ref name="Hentschel_129" />

Bei manchen kurzzeitig betriebenen Glühlampen nimmt man eine deutlich verkürzte Lebensdauer in Kauf, um eine möglichst hohe Lichtausbeute zu erreichen. Während eine normale Allgebrauchsglühlampe (100 W) etwa 14 lm/W bei 1000 Stunden Lebensdauer erreicht,<ref name="Hentschel_128" /> erzielen Kinoprojektionslampen 27 lm/W, haben aber nur eine Lebensdauer von 100 Stunden.<ref name="Hentschel_129" /> Schmalfilmlampen erreichen 27,7 lm/W, ihre Lebensdauer ist jedoch auf 25 Stunden begrenzt.<ref name="Hentschel_129" /> Eine Obergrenze der mit Glühlampen erreichbaren Lichtausbeute liegt bei etwa 40 lm/W.<ref name="Hentschel_129" />

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 hoher Lichtausbeute.

Der Artikel „Lichtquellen“ enthält eine umfangreiche Tabelle mit Beispielen für die Lichtausbeute etlicher Lichtquellen. Anhaltspunkte sind:

Übersicht über grundlegende Lichtgrößen

Anmerkungen

<references group="Anm.">

<ref group="Anm." name="Lichtreiz">Die Wahrnehmung dieses objektivierbaren physikalischen Lichtreizes als subjektive Helligkeitsempfindung mit ihren Anpassungs-, Kontrast- und sonstigen wahrnehmungsphysiologischen Effekten ist nicht mehr Thema der Photometrie.</ref>

<ref group="Anm." name="683_lmW">Die Herkunft des Zahlenwertes 683 wird im Artikel Candela erläutert.</ref>

</references>

Einzelnachweise

<references>

<ref name="Hentschel_128"> H.-J. Hentschel: Licht und Beleuchtung – Theorie und Praxis der Lichttechnik. 4. Aufl., Hüthig Buch, Heidelberg 1994, ISBN 3-7785-2184-5, S. 128 </ref>

<ref name="Hentschel_129"> H.-J. Hentschel: Licht und Beleuchtung – Theorie und Praxis der Lichttechnik. 4. Aufl., Hüthig Buch, Heidelberg 1994, ISBN 3-7785-2184-5, S. 129 </ref>

<ref name="Hentschel_137"> H.-J. Hentschel: Licht und Beleuchtung – Theorie und Praxis der Lichttechnik. 4. Aufl., Hüthig Buch, Heidelberg 1994, ISBN 3-7785-2184-5, S. 137 </ref>

<ref name="IEC_845-01-38"> International Electrotechnical Commission (IEC): International Electrotechnical Vocabulary, ref. 845-01-56, Luminous efficacy of radiation – photometrisches Strahlungsäquivalent (abgerufen am 24. Februar 2015) </ref>

<ref name="IEC_845-01-54"> International Electrotechnical Commission (IEC): International Electrotechnical Vocabulary, ref. 845-01-54, Radiant efficiency (of a source of radiation) – Strahlungsausbeute (einer Strahlungsquelle) (abgerufen am 24. Februar 2015) </ref>

<ref name="IEC_845-01-55"> International Electrotechnical Commission (IEC): International Electrotechnical Vocabulary, ref. 845-01-55, Luminous efficacy of a source – Lichtausbeute einer Strahlungsquelle (abgerufen am 24. Februar 2015) </ref>

<ref name="Murphy_WhiteLight_2012"> T.W. Murphy, Jr.: Maximum Spectral Luminous Efficacy of White Light. Journal of Applied Physics 111 (2012), 104909 doi:10.1063/1.4721897 </ref>

</references>ru:Световая отдача