9.2.1 Übersicht

Die Lichtquellen werden nach der Art der Erzeugung der Strahlung eingeteilt (Bild 9.7):

  • Bei Temperaturstrahlern (Sonne, Kerze, Glüh­lampe) wird Materie so stark erhitzt, dass sie zu glühen beginnt und somit sichtbare Strahlung aussendet. Intensität und Farbe des Lichtes sind abhängig von der Temperatur des Materials.
  • Bei den Lumineszenzstrahlern (Entladungsstrahler) hängen Farbe und Intensität des Lichtes in erster Linie von der Art des emittierenden Materials (bei Gasentladungen auch vom Gasdruck) ab:
    • Gasentladungs-Lumineszenz: Gasatome werden durch Elektronen angeregt und geben UV-Strahlung ab (Beispiel: Leuchtstoffröhren)
    • Elektro-Lumineszenz: Feste Materie wird durch Stromdurchgang angeregt und gibt sichtbare Strahlung ab (Beispiel: Kinderzimmer-Lichtstecker, LCD-Bildschirm, Leuchtdioden)
    • Bio- und Chemolumineszenz: In der Raumbeleuchtung spielt diese Art der Lichterzeugung noch keine wesentliche Rolle. Dies dürfte sich aufgrund der Ressourcenknappheit bereits in naher Zukunft ändern.

Wichtige Bewertungskriterien für Lampen sind:

  • Lichtstrom
  • Lichtausbeute (Bild 9.8)
  • Lichtstromabnahme durch Alterung
  • Lichtfarbe und Farbtemperaturkonstanz
  • Farbwiedergabe
  • Leistung
  • Lebensdauer und Ausfallrate
  • Betriebsverhalten (z.B. Zündung)
  • Anschaffungs- und Betriebskosten

Die elektrische Energie wird umgewandelt in:

  • sichtbare Strahlung,
  • Wärmestrahlung (am beleuchteten Objekt fühlbar),
  • Wärme, welche durch Konvektion und Wärmeleitung an die Lampenumgebung abgegeben wird.

Bei Lampen mit niedriger Kolbentemperatur (Leuchtstofflampen, LEDs) wird vorwiegend Wärme an die unmittelbare Lampenumgebung abgegeben. Leuchtdioden geben nahezu keine Wärmestrahlung ab (Bild 9.9).

Bild 9.7 Lampentypen

Bild 9.8 Lichtausbeute und Leistung verschiedener Lampen inkl. Vorschaltgerät effizienten Typs

Bei der Lebensdauer von Lampen sind zu unterscheiden:

  • die individuelle Lebensdauer der einzelnen Lampe
  • die mittlere Lebensdauer (Zeitpunkt, zu dem 50 % aller Lampen ausgefallen sind)
  • die garantierte Lebensdauer (Zeitpunkt, bis zu dem Ersatz geleistet wird)
  • die wirtschaftliche Lebensdauer (Zeitpunkt, zu dem wegen Lichtstromrückgangs infolge Alterung und Verschmutzung oder aus betrieblichen Gründen ein Lampenwechsel ratsam wird)

Bei Gasentladungslampen ist die Lebensdauer abhängig von der Schalthäufigkeit. Deshalb wird diese Angabe auf eine Mindestbetriebszeit pro Schaltung bezogen: bei Leuchtstofflampen 3 h, bei Hochdruck-Entladungslampen 5 bis 10 h.

Der Begriff Lebensdauer wird bei den Leuchtdioden grundsätzlich anders als bei anderen Lampen definiert, da diese Elektronikteile darstellen (siehe Kapitel 9.2.7).

Bild 9.9 Energiebilanz verschiedener Lampen

9.2.2 Glühlampen

Bei Glühlampen wird ein gewendelter Wolframdraht von Strom durchflossen. Damit der Draht nicht verbrennt, wird der Glaskolben evakuiert oder mit einem inerten (nicht reagierenden) Gas gefüllt. Glühlampen weisen eine warmweisse Lichtfarbe auf. Ihre Lebensdauer ist niedrig (im Mittel 1000 h). Aufgrund der europäischen Gesetzgebung ist dieser Lampentyp nicht mehr zur allgemeinen Raumbeleuchtung zugelassen.

9.2.3 Halogenglühlampen

Diesen Lampen wird neben dem Füllgas noch ein Halogen (Jod, Brom oder Fluor) zugesetzt. Das Wolfram, das während des Betriebs von der Wendel abdampft, geht mit dem Halogen eine chemische Verbindung ein, sodass es sich nicht mehr am Lampenkolben niederschlägt. In der unmittelbaren Umgebung der Wendel aber zerfällt die Verbindung wegen der dort sehr hohen Temperatur. Das frei werdende Wolfram lagert sich wieder auf dem Glühdraht ab. Da dieser Kreisprozess nur ablaufen kann, wenn auch die Temperatur an der Kolbenwand relativ hoch ist, muss der Kolben sehr kompakt und aus Quarzglas sein (daher die alte Bezeichnung Quarzlampe).

Für wärmeempfindliche Objekte gibt es Reflektorlampen mit Kaltlichtreflektor, bei denen die Infrarotstrahlung im Lichtbündel auf ca. 30 % reduziert ist. Ein Teil der Wärmestrahlung wird nach hinten, d.h. in die Leuchte gelenkt. Die Farbtemperatur des Lichtbündels ist etwas höher als bei normalen Halogenglühlampen.

9.2.4 Leuchtstofflampen

In der Schweiz wird die Leuchtstofflampe häufig Fluoreszenzlampe genannt. Die Bezeichnung «Neon­röhre» hingegen ist, obschon gebräuchlich, fachlich falsch. In einem mit Quecksilberdampf gefüllten Glasrohr werden bei Stromdurchgang die Quecksilberatome durch Elektronenstösse angeregt und senden UV-Strahlung aus. Diese Strahlung trifft an der Rohrwand auf eine Leuchtstoffschicht. Der Leuchtstoff absorbiert die UV-Strahlung und wandelt sie um in sichtbare Strahlung. Die spektrale Zusammensetzung des Lichtes, also Lichtfarbe und Farbwiedergabe, hängt ab von der Zusammensetzung des Leuchtstoffes und kann in weiten Grenzen variiert werden, ohne dass sich die Lichtausbeute dadurch wesentlich vermindert. Neben dem Vorschaltgerät zur Strombegrenzung ist zum Zünden der Lampe noch ein Starter oder eine spezielle Schaltung erforderlich, da die Zündspannung über der normalen Netzspannung liegt.

Leuchtstofflampen weisen folgende Eigenschaften auf:

  • grosse Auswahl an Lichtfarben
  • hohe Lebensdauer, im Mittel 10’000 bis 16’000 h, in Sonderausführung bis 80’000 h
  • niedrige Oberflächentemperatur
  • geringe Spannungsabhängigkeit
  • eingeschränkte Bündelungsfähigkeit
  • Lichtausbeute von Umgebungstemperatur abhängig

9.2.5 Kompaktleuchtstofflampen

Sie sind Leuchtstofflampen. Das Entladungsrohr ist ein- oder mehrmals gebogen, und beide Enden sind auf den gleichen Sockel geführt. Für Treppenhäuser oder Garagen mit Kurzzeitbetrieb sollten nur Lampen mit elektronischem Vorschaltgerät für Warmstart verwendet werden. Die wichtigsten Eigenschaften von Kompaktleuchtstofflampen sind:

  • kleine Abmessungen (ähnlich Glühlampen)
  • hohe Lichtausbeute (50 bis 80 lm/W)
  • lange Lebensdauer (etwa 8’000 h)
  • sehr gute Farbwiedergabe
  • Bündelungsfähigkeit besser als bei stabförmigen Leuchtstofflampen, aber schlechter als bei Halogenglühlampen oder LED, daher für Akzentlicht nur bedingt geeignet
  • keine wirtschaftlichen und energetischen Vorteile im Vergleich zu stabförmigen Leuchtstoff­lampen
  • von der Umgebungstemperatur und Brennlage abhängiger Lichtstrom (spezielle Typen für kalte Umgebung)

9.2.6 Hochdruckentladungslampen

Bei diesen Lampen wird der Dampfdruck im Entladungsrohr so stark erhöht, dass die Atome bei Anregung durch die Elektronen ihre Energie als Strahlung vorwiegend im sichtbaren Bereich abgeben. Eine Strahlungsumwandlung durch Leuchtstoffe ist deshalb nicht nötig oder dient nur dazu, Lücken im Emissionsspektrum aufzufüllen. Grundsätzlich gilt für alle Hochdruck­entladungslampen:

  • kompakte Bauform
  • hohe Lichtstromkonzentration pro Volumen
  • gute bis sehr gute Bündelungsfähigkeit
  • Lebensdauer, im Mittel 12’000 h
  • Anlaufzeit nach dem Zünden mehrere Minuten, bis der volle Lichtstrom abgegeben wird
  • nach Stromunterbruch oder Spannungsabsenkung Wiederzündung erst, wenn die Lampe genügend abgekühlt ist (bis zu mehreren Minuten); Sofortwiederzündung aufwendig
  • eingeschränkte Auswahl an Lichtfarben
  • Vorschaltgeräte und z.T. auch Zündgeräte erforderlich

Quecksilberdampf-Lampen

Die exakte Bezeichnung dieser Lampen ist: Quecksilberdampf-Hochdrucklampen mit Leuchtstoff. Die sichtbare Strahlung der Entladung liegt hier überwiegend im blauen und gelbgrünen Bereich des Spektrums. Daneben entsteht noch UV-Strahlung. Um die Farbwiedergabe zu verbessern, wird dieser UV-Anteil durch eine Leuchtstoffschicht auf der Innenseite des Aussenkolbens in rotes Licht umgewandelt, das das Spektrum der Primärstrahlung auffüllt. Die Lichtausbeute von Quecksilberdampflampen ist sehr gering. Diese Lichtquellenart ist deshalb für allgemeine Beleuchtungszwecke nicht mehr interessant. Sie wird nur noch für Pflanzenbeleuchtung und gestalterische Effekte eingesetzt.

Halogen-Metalldampflampen

Diese Lampen sind eine Weiterentwicklung der Quecksilberdampf-Lampen. Zusätzlich zum Quecksilberdampf enthält der Entladungsraum noch Zusätze von Halogenverbindungen mit seltenen Erden (Thallium, Thulium, Holmium, Indium, Dys­pro­sium). Dadurch wird das Spektrum weitgehend aufgefüllt, sodass Klarglaslampen verwendet werden können. Neue Lichtquellen kleiner Leistung haben einen Entladungsraum aus Aluminium-Oxyd. Damit wird in erster Linie eine höhere Lichtfarbenstabilität erreicht. Eigenschaften:

  • Lichtfarbe von tageslichtweiss bis warmweiss
  • gute bis sehr gute Farbwiedergabe
  • Lichtfarbe hängt von der Betriebsspannung ab

Natriumdampf-Hochdrucklampen

Das Entladungsrohr ist bei diesen Lampen mit Natriumdampf gefüllt, dessen Atome bei Anregung vorwiegend im gelborangen Bereich Strahlung aussenden. Es besteht aus durchsichtigem Aluminium-Oxyd, das gegen das sehr aggressive Na­trium resistent ist. Das Spektrum wird um so breiter und damit die Farbwiedergabe um so besser, je höher der Dampfdruck im Entladungsrohr ist; dies senkt jedoch die Lichtausbeute. Eigenschaften:

  • geringer Lichtstromrückgang durch Alterung
  • Lichtfarbe stark gelbbetont
  • mässige Farbwiedergabe (die je­doch subjektiv oft noch als angenehm empfunden wird)
  • Lampen mit verbesserter Farbwiedergabe haben schlechtere Lichtausbeute

9.2.7 Leuchtdioden (LED)

Die Licht emittierenden Dioden werden mit Kleinspannung betrieben und können nahezu unbegrenzt mit sofortiger hundertprozentiger Lichtabstrahlung ein- und ausgeschaltet werden. Sie lassen sich auf einen Lichtstrom von nahezu null herunterdimmen, was jedoch nur ein kleiner Teil der Betriebsgeräte auch ermöglicht. Sie können theoretisch jede Farbe im Spektrum erzeugen. Ihre Licht emittierende Fläche ist mit weniger als 1 mm2 sehr klein und ermöglicht daher integrierte Präzisionsoptiken und so eine sehr exakte Lichtstärkeverteilung.

Der Begriff Lebensdauer wird bei der Leuchtdiode grundsätzlich anders definiert als bei anderen Lampen. Grundsätzlich leben blaue und weisse Leuchtdioden wesentlich weniger lang als rote und grüne. Das vom deutschen [ZVEI] herausgegebene Bemessungssystem hat sich in der Praxis im Wesentlichen durchgesetzt. Darin werden drei Faktoren (Lx, By, Cz) zur Beurteilung der sinnvollen Nutzdauer von LEDs in der Beleuchtung aufgeführt:

Bemessungslebensdauer Lx

Die Bemessungslebensdauer gibt die Zeitdauer an, bei welcher der Lichtstrom einer LED auf den Wert x gesunken ist. So bedeutet ein Wert L80 50’000 h, dass nach 50’000 h noch 80 % des Neuwertes des Lichtstromes vorhanden sind.

Gradueller Ausfall By

Da LEDs in grösserer Stückzahl in einer Leuchte verbaut sind, ist bei der Betrachtung der Leuchtenlebensdauer der Ausfall resp. raschere Lichtstromrückgang einzelner LEDs zu berücksichtigen. By gibt an, wie viele LEDs bei der angegebenen Bemessungslebensdauer Lx den Lichtstrom x unterschreiten. Dabei ist nicht festgehalten, wie viel tiefer der Lichtstrom dieser LED-Menge ist. Dieser kann möglicherweise nur noch 10 % betragen, nicht aber null.

L70 B20 50’000 h bedeutet dementsprechend, dass nach 50’000 h der Lichtstrom der LEDs grundsätzlich noch 70 % des Neuwertes beträgt, wobei 20 % aller LEDs diesen Wert noch unterschreiten. Wird für das Facility Management eine Worst-Case-Betrachtung vorgenommen (also 20 % der LEDs mit nur noch 10 % des Lichtstrom-Neuwertes), so bedeutet dies, dass nach 50’000 h nur noch 58 % des Lichtstroms zu Beginn vorhanden ist. Dies ist in der Regel zu dunkel und bedeutet einen vollständigen Ersatz der Beleuchtungsanlage.

Gibt der Leuchtenhersteller für sein Produkt keinen Wert By an, so gilt nach [ZVEI] die Einstufung B50.

Abrupter Ausfall Cz

Damit werden die Totalausfälle von LEDs angegeben, d.h. die Anzahl LEDs, welche bei der angegebenen Lebensdauer gar kein Licht mehr abgeben.

Dies bedeutet also, dass bei einer Angabe von L70 B20 C10 50’000 h, neben den oben beschriebenen Werten zusätzlich 10 % der LEDs gar kein Licht abgeben. Im beschriebenen Worst-Case-Fall wären demnach nur noch 51 % des Lichtstrom-Neuwertes vorhanden, d.h. nur noch die Hälfte der Helligkeit wie zu Beginn.

Die LxByCz-Betrachtung

ist bei der Planung von LED-Anlagen dringend angeraten. Wenn auf dem Markt Leuchten mit L60 B50 C20 50’000 h angeboten werden, kann dies bedeuten, dass bereits nach 20’000 h die gesamte Anlage auszutauschen ist, da sie zu wenig Licht abgibt. Dies entspricht der Lebensdauer von Leuchtstofflampen. Diese können jedoch gewechselt werden, während bei LED davon auszugehen ist, dass die gesamte Leuchte ersetzt werden muss und diese zudem mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht mehr lieferbar ist. Die Unterhaltskosten sind entsprechend hoch. Für rein dekorative Anwendungen kann auch ein Lichtstrom unter 70 % noch akzeptabel sein. Für Arbeitsplätze ist vor allem der Wartungsfaktor äusserst sorgfältig zu wählen.

Leuchtdioden sind vergleichsweise «kühle» Lichtquellen. So produziert zum Beispiel eine Glühlampe einen hohen Anteil an Wärmestrahlung, die LED hingegen marginal wenig. High-Power-Leuchtdioden können trotzdem leicht eine Eigentemperatur von über 150 °C erreichen. Im Allgemeinen gilt, je kühler die LED-Umgebungstemperatur, desto höher ist der abgegebene Lichtstrom. Das heisst, bei hoher Umgebungstemperatur sinkt der abgegebene Lichtstrom. Bei roten Leuchtdioden ist der Rückgang vergleichsweise gering (ca. 2 % pro 10 °C), bei weissen hingegen hoch (ca. 12 % pro 10 °C). Die Betriebstemperatur des Halbleiters ist hoch (60 bis 80 °C). Die Kühlung des Leuchtengehäuses ist deshalb eines der wichtigsten Konstruktionskriterien. Da normalerweise der Leuchtdioden- oder Leuchtdiodensystem-Hersteller keine Kenntnis des Einbauortes hat, liegt es am Leuchtenhersteller und am Planer, die optimale Betriebstemperatur zu gewährleisten. Eine zu hohe Betriebs­temperatur kann die Lebensdauer einer LED drastisch verkürzen [Kha].

Neben den – eigentlich anorganischen – LED gibt es auch sogenannte organische Leuchtdioden (OLED). OLED bestehen aus elektrisch leitenden Kunststoffen. Deren elektrische Stromdichte und damit auch die zu erzeugende Leuchtdichte sind geringer als bei LED. Im Gegensatz zu diesen lassen sie sich dafür kostengünstig in dünnsten Schichten herstellen. OLED werden für grosse, folienartige Leuchtflächen wie Bildschirme oder Flächenleuchten eingesetzt.

9.2.8 Spezielle Lampentypen

Mischlichtlampen

Dieser Lampentyp kann als einzige Entladungslampe ohne separates Vorschaltgerät betrieben werden. Das Entladungsrohr ist in Serie mit einer Glühlampenwendel geschaltet, und beide sind im gleichen Glaskolben eingebaut. Die Gesamtlichtausbeute ist sehr gering. Die Lampe ist kaum noch anzutreffen.

Leuchtröhren

Hochspannungsröhren werden meist aus Klarglas gefertigt und mit verschiedenen Leuchtgasen gefüllt (Neon, Helium, Xenon), oder sie enthalten wie normale Leuchtstofflampen Quecksilberdampf, wobei das Licht dann mithilfe von Leuchtstoffen auf der Innenseite des Glasrohres erzeugt wird. Die Fertigung geschieht auf handwerklicher Basis. Deshalb ist praktisch jede beliebige Form möglich. Die Hauptanwendungen sind die Rekla­me- und Werbebeleuchtung, aber auch Konturenbeleuchtung und dekorative Lichtlinien. Diese Lampenart hat durch LED-Lichtlinien starke Konkurrenz bekommen und wird in erster Linie noch im Bereich der Kunst verwendet.

Induktionslampen

sind Leuchtstofflampen, bei denen Quecksilber-Atome durch hochfrequente elektromagnetische Induktion angeregt werden. Die Induktionsspannung wird in einem HF-Generator erzeugt. Die angeregten Quecksilber-Atome emittieren dann wie bei der konventionellen Leuchtstofflampe kurzwelliges UV, das von der Leuchtstoffschicht auf der Innenseite des Glaskolbens in sichtbare Strahlung umgewandelt wird. Die Betriebsfrequenz liegt bei etwa 2,6 MHz, sodass das Licht als flimmerfrei gilt. Die mittlere Lebensdauer liegt bei etwa 60’000 Stunden. Um Störungen durch die Hochfrequenzstrahlung zu vermeiden, sind Ab­schirm­massnahmen am Leuchtengehäuse erforderlich. Da die Lebensdauer der Betriebsgeräte sich als Problem erwiesen hat, sind diese Lampentypen kaum mehr erhältlich.

Schwefeldampflampen

Bei der Schwefeldampflampe wird eine kleine gasgefüllte Glaskugel mit Mikrowellen bestrahlt. Dadurch wird eine hohe Lichtausbeute erreicht bei gleichzeitig sehr guter Farbwiedergabe. Da zurzeit nur sehr hohe Leistungen zur Verfügung stehen, wird in der Regel ein Lichtverteilsystem (z.B. Lichtrohr) benötigt, um die Lichtmenge sinnvoll zu nutzen. Diese Lichtquellen sind frei von Quecksilber. Da der Betrieb des Mikrowellengenerators einige Probleme mit sich bringt, ist dieser Lampentyp nur noch selten anzutreffen.

9.2.9 Betriebsgeräte

Fast alle Gasentladungslampen benötigen eine Zündhilfe und zum stabilen Betrieb einen Strombegrenzer.

Elektronische Vorschaltgeräte (EVG) betreiben Leuchtstofflampen mit Frequenzen um 30 kHz. Daraus resultieren Vorteile (gegenüber konventionellen Vorschaltgeräten):

  • Durch die hohe Betriebsfrequenz steigt die Lichtausbeute der Lampen, und das Elektrodenflimmern, das bei unabgeschirmten Lampen manchmal stört, entfällt.
  • Wenn die Elektroden vor dem Zünden vorgeheizt werden, verlängert sich die Lebensdauer der Lampen gegenüber Glimmstarter-Betrieb stark.
  • Die Geräteverluste sind sehr niedrig, und damit auch die Erwärmung.
  • Je nach Gerät ist eine einfache Lichtstromregulierung möglich.
  • Bei Röhren mit 16 mm Durchmesser muss zusätzlich etwa 10 % Verlustleistung für das EVG eingerechnet werden.

Betriebsgeräte für LEDs werden Driver, Konverter oder Trafo genannt. Die Hauptaufgabe eines Drivers ist – nebst der Spannungstransformierung – den Betriebsstrom der LED konstant zu halten. Da bereits geringe Abweichungen des Stroms grossen Einfluss auf das Betriebsverhalten von LEDs haben können, ist das Zusammenpassen von Driver und LED besonders wichtig.

Dabei wird zwischen Betriebsgeräten und Steuergeräten unterschieden. Letztere erlauben das Dimmen und oft auch das Programmieren zeitlich unterschiedlicher Funktionen. Da bei den Steuergeräten verschiedene Datenprotokolle (z.B. DALI) und Technologien (z.B. Blue-tooth, Zigbee, NFC) eingesetzt werden können, ist es sehr wichtig, dass diese Schnittstelle zwischen Leuchten und Elektrotechnik resp. Ansteuerung frühzeitig im Bauprozess geklärt und festgelegt wird [Bae].

Werden Glüh- oder Halogenglühlampen gedimmt, verändert sich die Lichtfarbe. Sie wird wärmer, je geringer die Helligkeit ist. Beim Regulieren von LEDs ändert sich die Lichtfarbe prinzipiell nicht. Dies wird aufgrund der Gewohnheit, vor allem im Hotel- und Wohnbereich, als störend empfunden. Neuere Technologien bieten seit Kürzerem auch bei LEDs ein sogenanntes «Dim to warm».

Im Bürobereich wird verstärkt versucht, das in der Natur vorkommende Lichtverhalten auf die künstliche Beleuchtung zu übertragen resp. zu programmieren. Dies bedeutet, vereinfacht ausgedrückt, dass morgens eine warme Beleuchtung gegeben ist, während sie über die Mittagszeit kälter und etwas heller wird. Diese Funktion wird als HCL (Human Centric Lighting), aber auch als zirkadianes oder chronobiologisches Licht angeboten.

9.2.10 Lampenentsorgung

Halogenglühlampen bestehen im Wesentlichen aus Glas und geringen Anteilen von Wolfram, Molybdän, Nickel, Kupfer und Aluminium. Sie können mit dem Kehricht entsorgt werden.

Entladungslampen enthalten daneben auch noch geringe Mengen von Quecksilber und Blei sowie von Alkali- und Erdalkali-Metallen und seltenen Erden (Yttrium). Menge und Zusammensetzung sind abhängig vom Lampentyp und vom Herstellungsverfahren. Die prozentualen Anteile der Lampen-Bestandteile am Gesamtverbrauch dieser Materialien sind sehr gering (kleiner als 0,5 %, ausgenommen Yttrium). Entladungslampen sind Sondermüll. Sie dürfen nicht mit dem Kehricht entsorgt werden, sondern sind dem Recycling zuzuführen [BAFU3]. Dasselbe gilt für LED-Leuchtmittel. Kleinere Mengen werden z.B. von den Elektrizitätswerken entgegengenommen. Grosse Chargen können direkt einem Entsorgungsbetrieb geliefert werden.