Beleuchtung und Lichtmessung neuere Entwicklung. Dr. Peter Blattner

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1 Beleuchtung und Lichtmessung neuere Entwicklung Dr. Peter Blattner

2 Licht??? es werde Licht Licht der Welt erblicken ihm geht ein Licht auf jemanden hinters Licht führen Licht in eine Sache bringen er ist kein großes Licht Wo Licht ist, ist auch Schatten Licht am Ende des Tunnels peter.blattner

3 Licht Wikipedia Licht ist der für das Auge sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung. Im elektromagnetischen Spektrum umfasst der Bereich des Lichts Wellenlängen von etwa 380 nm bis 780 nm. peter.blattner

4 Elektromagnetische Wellen Höhere Frequenzen Sichtbares Licht Höhere Wellenlängen Wellenlänge (in Nanometer) peter.blattner

5 Wieso braucht man so spezielle (photometrische) Einheiten? P elektrisch (W) Strahlungsfluss P optisch (W) peter.blattner

6 Photometrische Messgeräte Photometrie: phōs, phōtós griech: Licht + metron griech: Mass Licht = optische Strahlung wie es das menschliche Auge wahrnimmt + peter.blattner

7 V (λ) V( λ ) Spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auge Wellenlänge / nm - Die Hellempfindung ist bei 480 nm nur noch 15% zum Vergleich bei 555nm - Das Auge ist im UV und IR nicht empfindlich -> Photometerische Einheiten-> Lumen, Lux, Candela peter.blattner

8 Gesamtlichtmenge einer Lichtquelle: Lichtstrom P elektrisch (W) -> Lichtstrom : lm peter.blattner

9 Lichtstrom, typische Werte Beispiel für Lichtstrom: Glühlampen 230V / 40W 450 lm Glühlampe 230V / 60 W 800 lm Glühlampe 230 V/100 W 1380 lm Halogenglühmlampe 12 V/100 W 2550 lm Fluoreschenzlampe 230 V/36 W 3450 lm Halogen-Metalldampflampe 230 V/70 W 5500 lm Natriumhochdruck 230 V/100 W lm Natriumniederdruck 230 V/90 W lm Projektor: ANSI lumen 1 m 2 Gemessen unter spezifischen Bedingungen peter.blattner

10 Mass für die Energieeffizienz: Lichtausbeute Lichtausbeute einer Strahlungsquelle: (efficacité lumineuse d une source) η v Φ P, [ η ] = v = v e lm W Glühlampe: Halogenlampen: Kompaktleuchtstofflampen Leuchtstofflampe T5/HE: Natriumhochdruck: Natriumniederdruck: 10 lm/w bis 15 lm/w 15 lm/w bis 28 lm/w 40 lm/w bis 65 lm/w 90 bis 95 lm/w 80 lm/w bis 140 lm/w 120 lm/w 180 lm/w LED? peter.blattner

11 Aktuelle Prognosen: LED Leuchten Hersteller-Statement Source: DOE, 2013 (Energy Efficiency of LEDs), angepasst für Leuchten (-20% gegenüber Lampe) peter.blattner

12 Innenraum Minergie Anforderung Downlight peter.blattner

13 Strassenbeleuchtung peter.blattner

14 Retrofit 60 W Glühlampe /incandesence peter.blattner

15 Wieso ist die Glühlampe weniger effizient? Praktisches Experiment Das menschliche Auge sieht nichts Die Kamera sieht die Lampe immer noch - Scheinbar sendet die Lampe Strahlung aus welches die Kamera sieht, aber das Auge nicht. peter.blattner

16 Spektrum einer Glühlampe peter.blattner

17 Spektrum einer Glühlampe Filter peter.blattner

18 Spektrum einer LED Lampe LED-bleu LED-vert LED-orange LED-rouge peter.blattner

19 Spektrum einer Sparlampe Wellenlänge/ nm peter.blattner

20 Vergleich Glühlampe zu LED Strahlungsausbeute einer Strahlungsquelle (rendement énergetique d une source) Glühlampe: 80% bis 90% LED weiss: 20% bis 40% Photometrische Strahlungsäquivalent (efficacité lumineuse d un rayonnement) Glühlampe: 12 bis 18 lm / W LED weiss: 250 bis 300 lm / W Lichtausbeute einer Strahlungsquelle (efficacité lumineuse d une source) Glühlampe: 10 bis 15 lm/w LED weiss: 50 bis 120 lm / W peter.blattner

21 Typische Bereiche EEI geb 0.13 CFLi HID LED HL LV HL MV 1.75 GLS peter.blattner

22 Ecodesign: nach Stufe 1 u 2 1. September 2014 (Europa) EEI geb 0.13 CFLi HID LED HL LV HL MV 1.75 GLS peter.blattner

23 Ecodesign: nach Stufe 3 1. September 2016 (Europa) EEI geb 0.13 CFLi HID LED HL LV HL MV 1.75 GLS Bemerkung: 2015 wird eine Überprüfung stattfinden ob Stufe 3 so wie festgelegt eingeführt werden peter.blattner kann, oder ob Anpassungen notwendig sind

24 Die 4 photometrischen Messgrössen Lichstrom (le flux) Lumen, lm Φ v P e Lichtstärke, (l intensité) Candela, cd I v Leuchtdichte, (la luminance) L v cd/m 2 Beleuchtungsstärke (l éclairement) Lux, lx E v peter.blattner

25 Beleuchtungsstärke (l éclairement) Φ v E v A Lichtstrom pro Fläche (flux par surface) E v = Φ v A Einheit: lm/m 2 = lx Luxmeter BS einer Strasse peter.blattner

26 Normen und Gesetze EN Sportstättenbeleuchtung EN Beleuchtung von Arbeitsstätten EN Strassenbeleuchtung. Bürobeleuchtung 500 lx Strasse: 5-20 lx Schweizer Recht Art. 67 der Tierschutzverordnung vom 23. April In Räumen für Hausgeflügel darf die Beleuchtungsstärke tagsüber 5 Lux nicht unterschreiten 3 Bei Auftreten von Kannibalismus darf die Beleuchtungsstärke vorübergehend unter 5 Lux gesenkt Die Reduktion der Beleuchtungsstärke sind umgehend der kantonalen Behörde zu melden. peter.blattner

27 Vergleich zweier Luxmeter peter.blattner

28 Spektrale Empfindlichkeit von reellen Photometern photom 1 photom 2 photom 3 photom 4 photom 5 photom Wellenlänge / nm -> Qualitätsparameter (CIE S023:2013): f 1 peter.blattner

29 Qualitätsparameter für die spektrale Anpassung: f 1 (CIE S023:2013) f 1 Klasse Qualität Applications (DIN ) <1.5% L Höchste Labormessungen, Referenzgerät für die Kalibrierung von Photometern (Bezugsnormal) 1.5% < f 1 < 3% A Hoch Präzisionsmessung 3% < f 1 <6% B Mittlere Orientierungsmessung 6% < f 1 <9% C Gering Relativmessungen Ohne Angabe Nicht verwenden f 1 ist nicht der Fehler oder die Messunsicherhet sondern nur ein Qualitätsindikator peter.blattner

30 RGB-weisse LEDs Fehler Qualitätsparameter für die spektrale Anpassung : f 1 peter.blattner

31 Fehler auf Grund einer schlechten V(λ) Anpassung: farbige LEDs Fehler 100% LED nm (NSPB5101) LED nm (NSPB310A) 90% LED nm (NSPB320B) LED nm (NSPB546B) 80% 70% 60% 50% 40% LED nm (HPCB30) LED nm (BL980601) LED nm (NSPE800) LED nm (NSPE5102) LED nm (NSPE590) LED nm (NSPE515) LED nm (HPCM15) LED nm (NSPG633B) LED nm (NSPG346B) 30% LED nm (HPC615) LED nm (HP3962) 20% LED nm (HPBL08) LED nm (HPD401) 10% LED nm (NSPR346B) LED nm (RD980601) 0% LED nm (HPC116) 0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% Qualitätsparameter für die spektrale Anpassung : f 1 Die Messwerte müssen peter.blattner korrigiert werden!! 31

32 LED-Messtechnik: Spektrale Messgrössen werden wichtiger LED-bleu LED-vert LED-orange LED-rouge LED-blanche x,y, T cp, R i, R a, uv BLH, cricadien, UV, Spektroradiometer 32

33 Ähnlichste Farbtemperatur (T cp, CCT) K K Tageslichtweiss K K Neutralweiss K K Warmweiss Die Angabe einer Farbtemperatur reicht nicht Blatt -Abweichung zur Planckkurve: DUV, u v (mit Vorzeichen!) 33 LED Phot omet rie - Dr. Peter ner Züric h - 26 Janu ar 2012

34 LED Photometrie: Ein paar Hinweise Stabilisationszeit (bevor die Messung gestartet wird) u.u. richtungsabhängige Farbkoordinaten 100% 98% 6300K 3300K 96% 6000K signal photométrique 94% 92% 90% 88% 86% 5700K MET AS 3000K 2700K 84% t / min pren : Letzten 15 Minuten Änderung kleiner 0.5% (Max zu Min). pren : - Entlang einer deklarierten Richtung - Als Verteilung (Goniokolorimeter) Züric - Als Mittelwert (Ulbricht Kugel oder Integratio 34 LED Phot omet rie - Dr. Peter Blatt ner h - 26 Janu ar 2012

35 LED Photometrie: Ein paar Hinweise (2) Elektrische Messgrössen pren : Leistungsmessung: mind 200 khz Bandbreite NB gewisse LEDs haben Strukturen bis >20MHz 35

36 Ein paar metrologische Worte peter.blattner

37 Kalibrierung: Vergleich mit Referenzluxmeter Kalibrierzertifikat Überprüfen Sie die Kalibrierbedingungen Benützen Sie die Resultate

38 Woher kennen die Kalibrierlabors den «richtigen» Wert der Messgrösse? Antwort: Das Kalibrierlabor nimmt eine Referenzlampe Referenzlampe Frage: Woher kennt die Referenzlampe ihren wahren Wert??? peter.blattner

39 Spermöl-Kerzen -> Candlepower Walrat (Cetaceum), auch als Spermaceti (-> Spermöl) bezeichnet, ist eine weiße bis leicht gelbliche, bei Zimmertemperatur feste wachsähnliche Substanz, die im Kopf von Pottwalen (Physeter macrocephalus) enthalten ist. Der Pottwal kann durch Erwärmung und Abkühlung des Walrats sein spezifisches Gewicht verändern, um so ohne große Kraftanstrengung in große Tiefen tauchen bzw. wieder auftauchen zu können Als ein Candlepower wurde ursprünglich in England die Intensität einer Walrat-Kerze definiert (1860), die in einer Stunde 7,77 g Walrat verbraucht.

40 Aktuelle Definition der Candela Die Candela (cd) ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochromatische Strahlung der Frequenz Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1/683 Watt pro Steradiant beträgt. La candela(cd) est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 x hertz et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian. La candela (cd) è l'intensità luminosa, in una determinata direzione, di una sorgente che emette una radiazione monocromatica di frequenza hertz e la cui intensità energetica in tale direzione è di 1/683 watt per steradiante.

41 Aktuelle Definition der Candela Die Candela (cd) ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1/683 Watt pro Steradiant beträgt. Wie realisieren? ν = 540 THz I e = 1/683 W/sr Die Photometrie arbeitet nicht mit monochromatischem Licht principles régissant la photométrie, Monographie, BIPM

42 Primärrealisierung am METAS Vom kryogenisches Radiometer zur Candela Kryogenisches Radiometer (W el -> W opt ) Si-Trap Empfänger (Radiometer Vaccum chamber <1e -8 torr LN 2 -Tank temperature: 77 K = -196 C volume: 2.5 l hold time: 20h LHe-Tank temperature: 4 K = C volume: 2.8 l hold time: 80h cavity Quantenwirkungsgrad Si-Trap Detektor (EAM 4) Wellenlänge / nm Heat sink Heat link ~10K shield ~90K shield Brewster window (W opt -> lx) Set von Standardlampen Si-trap-Empfänger + V(λ) + Blende spektraler Hellemfindlichkeitsgrad (lx -> cd) V(λ) Wellenlänge / nm peter.blattner

43 Falls Sie sich noch mehr für s Licht interessieren: peter.blattner

44 l'embarras de choix peter.blattner