Physikalische Größe
Name Lichtausbeute
Formelzeichen
Größen- und
Einheitensystem
Einheit Dimension
SI lm·W−1 M−1·L−2·T3·J

Die Lichtausbeute einer Lampe ist der Quotient aus dem von der Lampe abgegebenen Lichtstrom und der von ihr aufgenommenen Leistung .[1] Ihre SI-Einheit ist Lumen durch Watt.

Je größer ihr Wert 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 der Lampe (Anteil der aufgenommenen Leistung, der als Strahlung abgegeben wird) und dem photometrischen Strahlungsäquivalent der abgegebenen Strahlung (Empfindlichkeit des Auges für diese Strahlung):

.

Der englische Begriff luminous efficacy kann je nach Kontext (luminous efficacy of radiation) oder (overall luminous efficacy) bezeichnen.

StrahlungsausbeuteBearbeiten

Die Strahlungsausbeute   (englisch radiant efficiency)[2] einer Lichtquelle ist der Quotient aus der von der Lichtquelle abgegebenen Strahlungsleistung   und der aufgenommenen (in der Regel elektrischen) Leistung  :[3]

 

Je größer diese Zahl ist, umso 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.

Photometrisches StrahlungsäquivalentBearbeiten

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 gar nicht. Es genügt also nicht anzugeben, wie viel 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 der jeweiligen Empfindlichkeit des Auges zu gewichten. Das Ergebnis ist der in Lumen gemessene Lichtstrom, der ein quantitatives Maß für den auf das Auge ausgeübten Lichtreiz[Anm. 1] ist.

Der Quotient aus dem von einer Lichtquelle abgegebenen Lichtstrom   und der abgegebenen elektromagnetischen Strahlungsleistung   ist das photometrische Strahlungsäquivalent  .[4] Seine SI-Einheit ist Lumen durch Watt (lm/W).

 .

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

Für die Definition der photometrischen SI-Einheiten wurde 1979 festgelegt, dass für monochromatische Strahlung der Wellenlänge 555 nm die Strahlungsleistung 1 Watt einem Lichtstrom von 683 lm entspricht.[Anm. 2] Für diese Wellenlänge beträgt das spektrale photometrische Strahlungsäquivalent also 683 lm/W. Da das Auge für diese Wellenlänge maximal empfindlich ist, ist dies der maximal mögliche Wert von K.[Anm. 3]

Lichtausbeute einiger LeuchtmittelBearbeiten

 
Strahlungsleistung eines Planckschen Strahlers bei verschiedenen Temperaturen.

Eine Glühlampe setzt die aufgenommene elektrische Leistung fast vollständig in elektromagnetische Strahlung um. Näherungsweise lässt sie sich als Planckscher Strahler betrachten. Bei diesem hängt das photometrische Strahlungsäquivalent stark von der Temperatur des Strahlers ab. Erst 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. 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.[5] Bei einer Temperatur von 6640 K erreicht der Plancksche Strahler mit 96,1 lm/W das für Plancksche Strahlung maximal mögliche photometrische Strahlungsäquivalent.[5]

 
Glühdrahttemperatur (obere Kurve) und relative Lichtausbeute (untere Kurve) einer Glühlampe 12V/60W in Abhängigkeit von der Betriebsspannung. Die Lichtausbeute wird bei einer 20-prozentigen Erhöhung der Betriebsspannung etwa verdoppelt, die Lebensdauer verringert sich jedoch drastisch.

Da der größte Teil der abgegebenen Strahlung außerhalb das sichtbaren Spektralbereichs liegt, weisen thermische Strahler generell nur ein geringes photometrisches Strahlungsäquivalent auf und erreichen trotz der hohen Strahlungsausbeute nur eine geringe Lichtausbeute. Die Lichtausbeute lässt sich durch höheren Temperaturen steigern, für diesen Vorteil muss man 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 %.[6] Eine Überspannung von etwa 10 % reduziert die Lebensdauer auf etwa 50 %.[6]

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,[7] erzielen Kinoprojektionslampen 27 lm/W, haben aber nur eine Lebensdauer von 100 Stunden.[6] Schmalfilmlampen erreichen 27,7 lm/W, ihre Lebensdauer ist jedoch auf 25 Stunden begrenzt.[6] Eine Obergrenze der mit Glühlampen erreichbaren Lichtausbeute liegt bei etwa 40 lm/W.[6]

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. Die höchsten bekannten Lichtausbeuten werden mit 200 lm/W von Leuchtdioden[8] sowie Natriumdampf-Niederdrucklampen erzielt.[9] Der Nachteil letzterer ist jedoch ihre schlechte Farbwiedergabe.

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.

Lampentyp Lichtausbeute Leistungsaufnahme für 700 Lumen
Glühlampe 10 bis 030 lm/W 60 W
Energiesparlampe 50 bis 080 lm/W 12 W
LED-Lampe 60 bis 160 lm/W 08 W

Eine umfangreiche Tabelle mit der Lichtausbeute gibt es im Artikel Lichtquelle#Beispiele.

Übersicht über grundlegende LichtgrößenBearbeiten

radiometrische Größe Symbola) SI-Einheit Beschreibung photometrische Entsprechungb) Symbol SI-Einheit
Strahlungs­fluss
Strahlungs­leistung, radiant flux, radiant power
  W
(Watt)
Strahlungsenergie durch Zeit Lichtstrom
luminous flux, luminous power
  lm
(Lumen)
Strahl­stärke
Strahlungs­stärke, radiant intensity
  W/sr Strahlungsfluss durch Raumwinkel Lichtstärke
luminous intensity
  cd = lm/sr
(Candela)
Bestrahlungs­stärke
Strahlungs­fluss­dichte, irradiance, radiant flux density
  W/m2 Strahlungsfluss durch Empfänger­fläche Beleuchtungs­stärke
Lichtstrom­dichte, illuminance
  lx = lm/m2
(Lux)
Spezifische Ausstrahlung
Ausstrahlungs­strom­dichte, radiant exitance
  W/m2 Strahlungsfluss durch Sender­fläche Spezifische Lichtausstrahlung
luminous exitance
  lm/m2
Strahldichte
Strahlungsdichte, Radianz, radiance
  W/m2sr Strahlstärke durch effektive Senderfläche Leuchtdichte
luminance
  cd/m2
Strahlungs­energie
Strahlungsmenge, radiant energy
  J
(Joule)
durch Strahlung übertragene Energie Lichtmenge
luminous energy, quantity of light
  lm·s
Bestrahlung
Einstrahlung, radiant exposure
  J/m2 Strahlungsenergie durch Empfänger­fläche Belichtung
luminous exposure
  lx·s
Strahlungs­ausbeute
radiant efficiency
  1 Strahlungsfluss durch auf­ge­nom­mene (meist elek­trische) Leistung Lichtausbeute
(overall) luminous efficacy
  lm/W
a) Der Index „e“ dient zur Abgrenzung von den photo­metrischen Größen. Er kann weggelassen werden.
b) Die photometrischen Größen sind die radiometrischen Größen, gewichtet mit dem photo­metrischen Strahlungs­äquivalent K, das die Empfindlich­keit des menschlichen Auges angibt.

AnmerkungenBearbeiten

  1. Die Wahrnehmung dieses objektivierbaren physikalischen Lichtreizes als subjektive Helligkeitsempfindung mit ihren Anpassungs-, Kontrast- und sonstigen wahrnehmungsphysiologischen Effekten ist nicht mehr Thema der Photometrie.
  2. Die Definition bezieht sich in ihrem Wortlaut auf elektromagnetische Strahlung der Frequenz 540·1012 Hz, was fast genau der Wellenlänge 555 nm entspricht. Seit der Neudefinition des Internationalen Einheitensystems vom 20. Mai 2019 gilt diese Festlegung direkt; zuvor war sie indirekt über die Definition der Basiseinheit Candela formuliert. Der Zahlenwert 683 wurde gewählt, damit die Candela möglichst ihrer bis 1979 gültigen Definition entsprach.
  3. Bei sehr geringer Helligkeit gelten andere Werte. Das photometrische Strahlungsäquivalent für Nachtsehen wird mit K’ bezeichnet.

Siehe auchBearbeiten

Lichtausbeute der EU-Energieeffizienzklassen für Leuchtmittel

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. International Electrotechnical Commission (IEC): International Electrotechnical Vocabulary, ref. 845-01-55, Luminous efficacy of a source – Lichtausbeute einer Strahlungsquelle (abgerufen am 24. Februar 2015)
  2. Terminologie der Internationalen Beleuchtungskommission
  3. 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)
  4. International Electrotechnical Commission (IEC): International Electrotechnical Vocabulary, ref. 845-01-56, Luminous efficacy of radiation – photometrisches Strahlungsäquivalent (abgerufen am 24. Februar 2015)
  5. a b T.W. Murphy, Jr.: Maximum Spectral Luminous Efficacy of White Light. Journal of Applied Physics 111 (2012), 104909 doi:10.1063/1.4721897
  6. a b c d e H.-J. Hentschel: Licht und Beleuchtung – Theorie und Praxis der Lichttechnik. 4. Aufl., Hüthig Buch, Heidelberg 1994, ISBN 3-7785-2184-5, S. 129
  7. H.-J. Hentschel: Licht und Beleuchtung – Theorie und Praxis der Lichttechnik. 4. Aufl., Hüthig Buch, Heidelberg 1994, ISBN 3-7785-2184-5, S. 128
  8. Carsten Meyer: Power-LEDs mit 200 Lumen pro Watt. In: Heise online. 31. Dezember 2012. Abgerufen am 30. November 2015.
  9. H.-J. Hentschel: Licht und Beleuchtung – Theorie und Praxis der Lichttechnik. 4. Aufl., Hüthig Buch, Heidelberg 1994, ISBN 3-7785-2184-5, S. 137