Technologien

Leuchtstofflampen

Die ersten Versuche mit Leuchtstofflampen gehen bis ins 19.Jh. zurück. Mit Entladungsröhren experimentierten Tesla und Edison. Im Jahre 1901 erhielt Peter Cooper Hewitt das Patent für die Niederdruckentladungsröhre mit Quecksilberdampf.

Seit der Entwicklung der ersten Leuchtstofflampen in den 30er Jahren des vorigen Jahrhunderts wurde im Bereich Leuchtstoffe ein großer Fortschritt erzielt. Einen großen Einfluss hierauf hatten die Entwicklung des Farbfernsehens und die Entdeckung der Eigenschaften der Elemente aus der Reihe der Lanthanoide, die früher praktisch unbekannt waren.

Es existieren etwa 10 Grundtypen von Leuchtstoffpulver, die durch Vermengung in entsprechendem Verhältnis dem gewünschten Spektrum einer Leuchtstofflampe nahe kommen. Hierdurch wird ein Ra -Wert von bis zu 90 erzielt.

Durch die Benutzung spezieller Leuchtstoffe, deren Zusammensetzung entweder patentiert oder von ihren Herstellern geheim gehalten wird, kann ein Ra-Wert von bis zu 98 erzielt werden.

Leuchtstoffe sind Pulvergemische komplizierter Salze, z.B. die von Antimon, Barium, Zerium, Zinn, Europium, Gadolinum, Germanium, Aluminium, Magnesium, Strontium, Terbium, Kalzium, Yttrium, Chlor, Fluor oder Phosphor.

Die Anwendung stärkerer Leuchtstoffschichten schränkt das Durchscheinen des sichtbaren Lichtteils der Quecksilberentladung ein, was zwar eine niedrigere Nutzleistung zur Folge hat, dafür aber zu einer Verbesserung der Farbwiedergabe führt.

Eine wichtige Erfindung war auch die Anordnung der Elektroden, durch die der Wärmetransport des Quecksilbers in entgegen gesetzter Richtung zum Elektrostrom erfolgt, der durch ionisierte Atome verursacht wird. Dank dessen können Leuchtstofflampen mit Gleichstrom betrieben werden, z.B. aus elektronischen Vorschaltgeräten.

Weil dünnere Röhren effizienter sind, den Materialverbrauch senken und die Konstruktion kleinerer oder weniger verlustbringender Leuchtkörper ermöglichen, liegt der Trend bei einer ständigen Abnahme des Röhrendurchmessers. Von den 30er bis zu den 80er Jahren hatten die üblichen Röhren einen Durchmesser von 38 mm (T12), danach folgten T8-Röhren mit einem Durchmesser von 25 mm und jetzt setzen sich T5-Röhren mit einem Durchmesser von 16 mm durch.

Glühlampen

Seit dem Jahre 1802, als Humphry Davy erstmals mit Hilfe von Elektrostromdurchgang einen Platindraht entzündete, erfuhren die Glühlampen einen großen technologischen Fortschritt. Heute sind wir Zeugen ihres absehbaren Untergangs.

Klassische Glühlampen besitzen nur begrenzte Möglichkeiten, dem Sonnenlicht zu ähneln. Ihr Farbwiedergabeindex ist zwar vollkommen (Ra=100), aber Probleme gibt es mit der Farbtemperatur Tc, die bei Glühlampen etwa bei 2900 K liegt, was warmem gelbem Licht entspricht.

Diese Einschränkung ist durch die Schmelztemperatur von Wolfram 3695 K bedingt, aus dem der Glühfaden hergestellt wird.

Der Faden der herkömmlichen Glühlampen besitzt eine Temperatur von etwa 2800 K und der von Halogenlampen eine Temperatur von 2900–3000 K. Die Temperaturerhöhung des Fadens führt zu einer wesentlichen Verkürzung der Lebensdauer der Glühlampe. So haben z.B. Projektorglühlampen mit einer Fadentemperatur von 3300 K nur eine Lebensdauer von einigen –zig Stunden.

Eine revolutionäre Lösung ist hier die Anwendung eines Filters, der das Übermaß an Gelb einschränkt. Als geeigneter Filter erwies sich Neodymoxid Nd2O3. Dieser Stoff wird dem Kolbenglas beigemischt, das dann einen charakteristischen blauvioletten Farbstich erhält. Die Eigenschaften des Ions NdIII+ werden in den Filtern zur Verbesserung des Kontrasts in der Astronomieoptik und vor allem bei der Konstruktion von Infrarotlasern genutzt.

Der Filter absorbiert einen Teil der Lichtenergie auf der Wellenlänge der gelben Farbe, die wir im Licht der herkömmlichen Glühlampe am häufigsten wahrnehmen. Das Ergebnis ist ein "weniger gelbes", d.h. ein weißeres Licht, das sich mit Leuchtstofflampen NASLI besser kombinieren lässt als mit gewöhnlichen Glühlampen.

Glas mit einem Zusatz von Nd2O3 phosphoresziert im nahen Infrarotbereich (1300 nm). Die absorbierte Energie wandelt sich also in Wärme um. Der Filter absorbiert etwa 20-30% des Lichtstroms.

Gelb liegt im Farbspektrum zwischen Rot und Grün. Der Neodymfilter verstärkt also den Farbkontrast zwischen Rot und Grün.

Da es sich um eine "farbige" Lichtquelle handelt, beträgt der durch die klassische Methode ermittelte Wert Ra nur etwa 75-80, was ziemlich irreführend ist. Zur Bestimmung der "Farbqualität" von LED-Lichtquellen wird an der Definition einer neuen Kenngröße gearbeitet, die die Qualität der Farbwiedergabe der gegebenen Lichtquelle besser ausdrückt als die bisherige Bestimmungsweise von Ra.

LED - Leuchtdioden

Die Geschichte dieser Lichtquelle reicht bis in das Jahr 1907, als H. J. Round, Assistent von G. Marconi, die Elektrolumineszenz an Siliziumkarbidkristallen entdeckte. Im Jahr 1927 beschrieb O. V. Losev diese Erscheinung ähnlich. Theoretisch wurde sie 1951 von K. Lehovec erklärt.

Bis Ende der 50. Jahre konnten unter Laborbedingungen mehrere im Infrarotbereich emittierende Halbleiter hergestellt werden. 1962 stellte dann N. Holonyak die erste sichtbares - rotes - Licht emittierende Diode her. Bald wurde eine Methode für die Produktion gelber LED entdeckt und der Wirkungsgrad dieser Elemente erhöhte sich ständig. Anfang der 70. Jahre waren LED schon so billig, dass sie als Indikatoren benutzt wurden und fanden auch Anwendung in neuen Taschenrechnern. Später folgten grüne LED, aber eine blaue konnte erst 1989 produziert werden, bald darauf aber auch schon eine weiße. Entdeckungen der neunziger Jahre erhöhen dramatisch die Wirksamkeit der LED, zum Beispiel durch mehrschichtige, mehrstufige und Resonanzstrukturen. Die Leistung der einzelnen LED erhöhte sich von Milliwatt in Watt und ihre spezifische Leistung übersteigt auch schon Leuchtstofflampen.

LED finden wir als Indikatoren in der meisten Elektronik, sie unterleuchten die Displays von Mobiltelefonen, leuchten in Taschenlampen und werden als Lichtquelle in Fernsehern und Datenprojektoren angewendet. In den letzten Jahren dringen LED auch in die Beleuchtung ein, sowohl in die öffentliche Beleuchtung, Außenbeleuchtung von Bauten und auch in die Beleuchtung von Innenräumen und im Verkehr.

Die LED ist eine Halbleiterlichtquelle. Sie besteht aus geschichteten Materialien auf Basis von Silizium und anderen Elementen, in denen bei Stromdurchgang durch die Ausstrahlung von Photonen begleitete Quantenerscheinungen ablaufen. Das Spektrum der ausgestrahlten Photonen ist in einem relativ engen Band um die dominante Wellenlänge glockenförmig verteilt. Es handelt sich also um eine Lichtquelle bestimmter Farbe.

Weißes Licht kann mit LED durch die Zusammenlegung mehrerer Farben erreicht werden. Am häufigsten ist eine blaue LED mit gelbem Luminophor. Ein Teil des blauen Lichts durchdringt, ein anderer wandelt sich im Luminophor in gelbes um. Die Enderscheinung ist weißes Licht. So kann eine weiße LED von warmem weiß bis hin zu Tagesweiß bei Index der Farbwiedergabe um 75-80 erreicht werden. Bei der Anwendung spezieller Luminophore kann Raum 90 erreicht werden, allerdings zum Preis einer Senkung der spezifischen Leistung. Weitere Möglichkeit ist die Anwendung einer (ultra-)violetten LED als Strahlungsquelle und einer Mischung Luminophore für deren Umwandlung in weißes Licht. Es wird vorausgesetzt, dass auf diese Weise ein Ra bis zu 97 bei hoher Nennleistung erreicht werden kann. Eine andere Möglichkeit ist das „Mischen“ der weißen Farbe aus mehreren farbigen LED. Mit Hilfe der geläufigsten LED RGB (R=rot, G=grün, B= blau) kann aber nur ein Ra bis etwa 70 erreicht werden. Mit neueren Komponenten mit vier Farben RGBA (A=Amber, gelborange) kann sich einem Ra von 90 genähert werden. Es werden auch RGBAW (W=weiß, WW=warmweiß) angewendet, mit denen Ra bis zu 97 erreicht werden kann. Die einzelnen Farbbestandteile können separat gesteuert werden und bieten eine Reihe von Applikationen. In der letzten Zeit erscheinen auf dem Markt Einheiten LED/Light/Engin mit RGBW LED Mutter, Kühler und Elektronik, die eine komplette Lösung für die Schaffung eines angenehmen Lichts mit variablen Parametern, zum Beispiel Dämmerung, Änderung der Farbtemperatur, Stimmungs-, Dekorationsbeleuchtung oder biodynamische Beleuchtung, darstellen.

Vorzug der LED gegenüber den anderen Lichtquellen ist der hohe Wirkungsgrad und das Potential zu dessen weiteren Erhöhung. Wenn bei Leuchtstoffröhren und Entladungsröhren die Grenze der spezifischen Leistung annähernd 100 lm/W erreicht ist, haben LED schon heute über 150 lm/W und es wird geschätzt, dass über 220 lm/W erreicht werden können. Weiterer Vorzug ist die vorausgesetzte lange Lebensdauer, die das 3-5-fache von Leuchtstoffröhren beträgt. Die Anlaufzeit der LED ist sehr kurz, das ist ein großer Vorzug gegenüber Glühlampen, z. B. im Bremslicht. Eine andere Applikation dieser Eigenschaft ist die Pulsweitenmodulation (PWM), mit deren Hilfe linear der durchschnittliche Lichtfluss im vollen Umfang mit unerheblichen Verlusten gesteuert werden kann.

Grundsätzlicher Nachteil der LED ist der hohe Anschaffungspreis, den bislang auch die Kombination des höheren Wirkungsgrads und der längeren Lebensdauer nicht ausgleichen. Die Entscheidung für LED-Quellen bedeutet meist auch die Anschaffung neuer Lampenkörper. Es existiert aber auch Ersatz für Leuchtstoffröhren mit LED, die aber meist eine Kompromisslösung darstellt. Paradox ist auch das bisher nicht umgesetzte Potential der spezifischen Leistung in Kombination mit der langen Lebensdauer ein Nachteil. Investoren wählen in dieser Situation oft die billigere traditionelle Lösung und warten. Die lange Lebensdauer der LED wird auch häufig überschätzt und vorausgesetzte Werte von 30-100 Tausend Stunden können oft nicht ohne hohe Kosten für eine gute Kühlung erreicht werden. Als kurioser Nachteil kann sich auch der Wirkungsgrad zeigen: LED-Ampeln frieren im Winter - im Unterschied zu Glühlampenampeln - ein.

Oft wird auch der niedrigere Farbwiedergabeindex Ra kritisiert. Teste zeigen aber, dass die Menschen manche LED-Lichtarten besser bewerten, als es aus dem Vergleich der Ra-Werte hervorgeht. Es ist wahrscheinlich, dass mit dem Aufschwung der LED Beleuchtungstechnik neuer Maßstäbe der Farbqualität antritt, die das subjektive Gefühl eines bestimmten Lichts besser als Ra charakterisiert, der sich für LED nicht besonders eignet.

Es wird geschätzt, dass der Durchbruch für die LED-Anwendung das Jahr 2015 sein könnte.