Einführung in die Beleuchtungstechnik

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1 Einführung in die Beleuchtungstechnik Erarbeitet von Behr, Mario Klasse VE

2 Beleuchtungstechnik 1. Einführung Der Mensch ist ein tagaktives Säugetier und deshalb auf Tageslicht programmiert. Licht ist Vorraussetzung für das Sehen und Wohlbefinden. Die Augen sind die mit am strapaziertesten Körperteile des Menschen. Etwa 80 % seiner Wahrnehmung sind visuell. Durch gute Beleuchtung wird die Belastung der Augen nicht komplett entfernt, aber sie wird dadurch stark verringert. Licht ist elektromechanische Schwingung, die vom menschlichen Auge nach Helligkeit und Farben wahrgenommen wird. Der Bereich des sichtbaren Lichtes ist in Wellenlänge und Frequenz unterteilet. Die optische Strahlung unterteilt man in drei Abschnitte. Zum einen in Infrarot- und Ultraviolett Strahlung und zum andern in sichtbares Licht. Von rund 200 THz 390 THz bei einer Wellenlänge zwischen 700 nm und 1 nm befindet sich die IR-Strahlung. Die IR-Strahlung geht von warmen Körpern aus. Die UV-Strahlung bewegt sich von 390 THz bis 90 THz mit einer Wellenlänge von 700 nm bis 100 cm und ist biologisch wirksam, welche die Netzhaut im Auge zerstören kann. Sie tritt auch bei elektrischen Lichtbögen und Gasentladungslampen auf. Das sichtbare Licht hat ein Frequenz von 385 THz 790 THz und hat eine Wellenlänge von 380 nm bis 780 nm. Weißes Licht wird in sechs Grundfarben geteilt: Rot, Orange,Gelb, Grün, Blau und Violett. Fasst man die sechs Farben zusammen, ergibt dies wieder die weiße Farbe.

3 2. Künstliche Beleuchtung Da das Licht der Sonne (Tageslicht) nicht immer und überall wie benötigt zur Verfügung steht, behilft man sich mit künstlicher Beleuchtung, um das Umfeld ordentlich sehen zu können. Die künstliche Beleuchtung wird in drei Kategorien unterschieden. - Sehleistung Beleuchtungsniveau und Beleuchtungsbegrenzung - Sehkomfort Farbwiedergabe und harmonische Helligkeitsverteilung - Visuelles Ambiente Sättigung, Lichtrichtung und Lichtfarbe Das Beleuchtungsniveau hängt nicht nur von der Leistung der Lichtquelle ab,sondern auch von der Umgebung (d.h. Farbe und Material der Wände, Bilder und Möbel). Dabei spielt der Reflektionsgrad auch eine Rolle. Der Reflektionsgrad sagt aus, wie viel Prozent des auf eine Fläche auffallendes Lichtstromes reflektiert wird. Er ist eine wichtige Größe für die Berechnung der Innenraumbeleuchtung. Eine allseitige in den Raum strahlende Lichtquelle gibt Strahlungsleistung ab. Die Strahlungsleistung, die im sichtbaren Bereich liegt und allseitig ausgestrahlt wird oder auf eine Fläche auftritt, nennt man Lichtstrom. [ Φ ] in lm (Lumen) Zu große Lichtdichtenunterschiede im Gesichtsfeld strengen das Auge nur unnötig an, da es sich oft zwischen hellen und dunklen Flächen umgewöhnen muss. Das ideale Lichtdichtenverhältnis zwischen Umgebung und Arbeitsfläche liegt bei 1:3 bis 1:5. Die Lichtdichte L, L gemessen in cd/m² (Candela pro Flächeneinheit), ist der Helligkeitsausdruck, dem eine beleuchtete Fläche dem Auge vermittelt. Die Lichtfarbe einer Lampe wird in Farbtemperatur gemessen. Je höher sie ist, desto weißer ist das Licht. Die Farbtemperatur wird im Vergleich mit der Farbe eines Schwarzen Strahler gemessen, z.b. Platin, der alles Licht, das auf ihn fällt, schluckt, und dessen Reflektionsstrahlung gleich Null ist.

4 Beispiel für Farbtemperaturen anhand einer Übersicht Lichtstärke I [cd] - Quotient aus dem einer Lichtquelle in eine bestimmte Richtung ausgesandten Lichtstrom Φ und dem durchstrahlten Raumwinkel Ω. Der Raumwinkel Ω [A/r²] beschriebt den Quotienten aus beleuchteter Fläche und Abstandsquadrat von der Lichtquelle. Um die Lichtstärke zu verdeutlichen werden sogenannte Lichtverteilerkurven von den Hersteller von Lampen und Leuchten gegeben.

5 Ein weiterer Punkt in der Beschreibung des Lichtes ist der Farbwiedergabeindex. Der Farbwiedergabeindex kennzeichnet das Maß der Übereinstimmung der Körperfarbe mit ihrem Aussehen unter der jeweiligen Bezugslichtquelle. Der Farbwiedergabeindex kann zwischen 20 (sehr schlecht) und 100 (sehr gut) liegen. Der Farbwiedergabeindex R a kennzeichnet die Farbwiedergabeeigenschaften von Lampen. Kurzbezeichnung ww nm tw Lichtfarbe warmweiß neutralweiß tageslichtweiß ähnliche Farbtemperatur unter 3300 K K über 5000 K Der Farbwiedergabeindex R a nach DIN 5035/1A1

6 Für die Beleuchtung in Innenräumen bedarf es Anforderungen die in der DIN 5035 festgehalten sind. Die Nennbeleuchtungsstärke E n ist in einem Raum bzw. einer Tätigkeit zugeordnet und wurde aufgrund des Schwierigkeitsgrades der Sehaufgabe, des Wohlbefinden der Menschen, der Arbeitssicherheit und der Wirtschaftlichkeit ermittelt. Die Nennbeleuchtungsstärke ist in der DIN tabellarisch festgehalten. Die Beleuchtungsstärke beträgt 1lx, wenn ein Lichtstrom von 1lm auf eine Fläche von 1m² gleichmäßig auftrifft. Stufen E n in Lx Sehaufgaben Orientierung; nur vorübergehender Aufenthalt leichte Sehaufgaben; große Einzelheiten (Details) mit hohen Kontrast (Licht/Schatten) normale Sehaufgaben; mittelgroße Einzelheiten mit mittleren Kontrasten schwierige Sehaufgaben; kleine Einzelheiten mit geringen Kontrasten sehr schwierige Sehaufgaben; sehr kleine Einzelheiten mit sehr geringen Kontrasten 3. Messung von Beleuchtungsstärken Der Mensch kann zwischen hell und dunkel unterscheiden, über die Beleuchtungsstärke kann er jedoch nichts aussagen. Um diese messen zu können, benötigt man ein Beleuchtungsstärkenmessgerät, auch LUXMETER genannt. Der Luxmeter besteht in Regel aus einem Fotoelement und einem Strommesser, dessen Skala in Lux geeicht ist. Ein Fotoelement ist temperaturabhängig und wird nur zwischen 0 und 20 eingesetzt. Ein Fotoelement altert, und muss deshalb von Zeit zu Zeit geeicht werden. Die Beleuchtungsstärke wird in der Regel horizontal gemessen, aber Ausnahmen bestätigen die Regel. Zum Beispiel bei der Aufnahmentechnik wird funktionsgemäß vertikal gemessen. Bei einer Messung muss auf die Beleuchtungsfläche und Vorgaben bezüglich der Vorschriften unterschieden werden. Bei Messung einer neuen Beleuchtungsanlage werden die Lampen etwa 15 min vorher angeschalten, damit sie ihre volle Leistung abgeben. Die Messung erfolgt zwischen 20 cm und 85 cm über dem Fußboden. Es werden in einem symmetrischen Raster auf der Fläche Messungen durchgeführt und beispielsweiße in eine Tabelle eingetragen.

7 4. Lampen Lampen sind technische Ausführungen von künstlichen Lichtquellen, die elektrische Energie in Licht umwandeln. Lampen werden durch folgendes gekennzeichnet: - Leistungsaufnahme - Lichtstrom - Lichtausbeute - Lichtfarbe - Ein- und Ausschaltverhalten - Lebensdauer Die Lichtfarbe, der Farbeindruck einer Lichtquelle, ist abhängig von der spektralen Strahlungsverteilung und wird durch sogenannte Farbtemperatur ausgedrückt. Lichtfarben werden mit einer zweistelligen Zahl gekennzeichnet. Die Lebensdauer einer Lampe wird durch die Größe der anliegenden Spannung, die Umgebungstemperatur, die Schalthäufigkeit und die Erschütterungsfreiheit bestimmt. Wird eine Lampe bei Nenndaten betrieben, dann geht der Lichtstrom auf 80% seines Nennlichtstromes der Lampe zurück und die Nennlebensdauer wird erreicht. z.b. Glühlampe 1000 h Standartleuchtstofflampe 7500 h Quecksilberhochdrucklampe h Zur Entwicklung der Glühlampe Die Erfindung der Glühlampe teilten sich zwei Erfinder. Zum einen der Deutsche HEINRICH GOEBEL und zum andern der Amerikaner THOMAS ALVA EDISON. Goebel hat als erster einen verkohlten Bambusfaden in ein evakuiertes Glasgefäß eingeschmolzen und durch elektrischen Strom zum Glühen gebracht (1854). Aber Edison vervollkommnete das Prinzip bis zur praktischen Anwendung. Durch die Weltausstellung in Paris 1889, wo Edison die erste Großanlage errichtete, nahm die Glühlampe seinen Lauf in der Geschichte auf und verbannte die Gas- und Petroleumlampe. Lampen werden in den verschiedensten Anwendungsbereichen benötigt und haben ihren Einsatz durch ihre Bauform, Funktionsprinzip und Eigenschaften. Man unterscheidet im Großen die allgebrauchs - Glühlampe, Halogen - Glühlampe, Kompakt - Leuchtstofflampe, Leuchtstofflampen, Entladungslampen, Anzeige- und Signallampen für Lichtzeichenanlagen, Fahrzeuglampen und Lampen für Foto, Film, TV, Bühne und Optik

8 Die Glühlampe besteht aus einem Glaskolben indem sich Vakuum oder ein Füllgas befindet (Stickstoff, Argon oder Krypton). In dem Glaskolben hineingelassen ist ein Glühfaden aus Wolframdraht der durch den Durchfluss von elektrischen Strom bis ca C erhitzt wird. Anwendung : Backöfen Kühlschränken Haushalt Spezialausführung : Röhrenform Großkolbenlampe Reflektorlampe Bei den Halogenglühlampenlampen wird Halogen als Füllgas eingesetzt welches bei Temperaturen von 140 C bis 1400 C ein sogenannte Wolframhalogenid Verbindung eingeht. Durch die Verbindung entsteht ein Kreisprozess der das verdampfen des Wolframdrahtes verhindert. Der Kolben einer Halogenlampe besteht aus dotierten Quarzglas, welches die UV Strahlung stoppt. Anwendung : Vorteil : Möbeleinbauleuchten Halogenlampen bringen Glanzeffekte besonderst zur Geltung. Mehr Licht bei gleicher Wattstufe. Kompakt Leuchtstofflampen funktionieren wie Leuchtstofflampen, aber auf weniger Raum. Der Quecksilberdampf wird durch ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden zur Aussendung unsichtbarer UV- Strahlung angeregt. Ein Leuchtstoff auf der Innenseite des Glases wandelt dieses in sichtbares Licht um. Vorteil : Anwendung : hohe Energieeinsparung bei gleicher Leistung Flimmerfreier Betrieb Hohe Lebensdauer Haushalt Überall wo wirtschaftlich Dauerbeleuchtung gewünscht wird Die Leuchtstofflampe ist eine Quecksilber Niederdruck Entladungslampe. Der Quecksilberdampf in der Glasröhre sendet nach Zündung der Entladung UV Strahlen aus. Diese werden vom Leuchtstoff auf der Glasinnenseite in sichtbares Licht umgewandelt. Eine Leuchtstofflampe benötigt ein Vorschaltgerät, was für den richtige Zündspannung sorgt. Die Zündspannung beträgt etwa 1000 V und wird in der Drossel durch Selbstinduktion erzeugt. Es gibt auch Elektronischegeräte die arbeiten in der Regel mit Hochfrequenz von etwa 20 khz bis 40 khz. Der Sofortstart ist flackerfrei und ein stroboskopischer Effekt tritt nicht auf.

9 Durch periodische Lichtschwankungen, die durch Gasentladungslampen an Wechselstrom verursacht werden können, kann es zum Stroboskopeffekt kommen. Bei diesem Effekt scheinen schnell laufende Rotationskörper still zu stehen. Vorteil : Anwendung : hohe Energieeinsparung Sporthallen Ausstellungen und Messen Aussenbeleuchtung Entladungslampen gibt es in verschiedenen Arten zum Beispiel Natrium Niederdrucklampe NA, Quecksilberdampf Hochdrucklampe HQL, Halogen Metalldampflampe HQI und Mischlampe. Alle Entladungslampen brauchen zur Strombegrenzung und Zündung spezielle Betriebsgeräte. Im Gegensatz zu Gasentladungslampen benötigen Metalldampflampen nach der Zündung eine gewisse Anlaufzeit, um auf die volle Leistung zu kommen. Im Gegensatz zu Glühlampen haben Metalldampflampen eine höhere Lichtausbeute. Anwendung : Großflächenbeleuchtung Industrieanlagen

10 5. Gesetze, Richtlinien und Empfehlungen Beispiel für Gesetze, Richtlinien und Empfehlungen Richtlinien der Bundes- und Landesministerien HVBG Hauptverwaltung der gewerblichen Berufsgenossenschaft LiTG Deutsche Lichttechnische - Arbeitstättenverordnung (ArbStättV) herausgegeben vom Bundesministerium für Arbeit ASR 7/3 Künstliche Beleuchtung ASR 7/4 Sicherheitsbeleuchtung ASR 41/3 künstl. Beleucht. für Arbeitsplätze und Verkehrswege im Freien -Sicherheitsregeln ZH 1/190 für künst. Beleucht. von Arbeitsplätzen Gütermerkmale der Innenraumbeleuchtung Gesellschaft e.v. DIN 5032 Lichtmessung 5034 Tageslicht in Innenräumen 5035 Beleuchtung mit künstl. Licht Sportstättenbeleuchtung Ein Auszug aus der Arbeitstättenverordnung und DIN VDE 0100

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12 6. Leuchten Um eine gute Beleuchtung gewährleisten zu können, müssen einige Dinge beachtet werden. So zum Beispiel Beleuchtungsstärke, Begrenzung der Direktblendung, Verminderung der Reflexblendung, Lichtrichtung und Sättigung, Farbwiedergabe, Lichtfarbe und Lichtdichteverteilung. Damit die Lampen ihre Wirkung richtig zur Geltung bringen können, müssen die Leuchten dementsprechend aufgebaut sein. Für alle Einsatzgebiete ist also eine besondere Bauform der Leuchte zu realisieren. Als Beispiel Leuchten für den Außen - und Innenbereich. Es sind für den Einsatz der einzubauenden Leuchte mehrere Betriebsbedingungen festzustellen. Eine Übersicht der gebräulichten Schutzarten bei technischen Leuchten.

13 Erklärung der Kennziffern der Schutzklassen

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15 Die Bauform darf die Funktionalität nicht beeinflussen Die auswählte Leuchte muss auch den Anforderungen der Lampe Gewährleisten. Das heißt, wenn auf einer Leuchte der Einbau von einer 60 W Glühlampe beschrieben ist, darf man nur Glühlampen mit einer Leistung bis maximal 60 W einbauen. Leuchten werden immer weiter entwickelt, um den heutigen Anforderungen zu entsprechen. So kann durch die Bauart der Leuchten und Reflektoren Energie eingespart werden.

16 7. Planung von Beleuchtungsanlagen Die Planung von Beleuchtungsanlagen ist meist eine komplexe Aufgabe, die jedoch durch Kooperation zwischen Lichttechnikern und Architekten, erfolgreich gelöst werden kann. Oft müssen auch die Ergonomie, in Bezug auf Arbeitsplatzgestaltung, in die Planung mit einbezogen werden. Voraussetzung für die Berechnung der Beleuchtungsanlage sind Angaben über : - Raumabmessung - Reflexionsgrade von Decke, Wänden und Boden bzw. Mobiliar - Art der Tätigkeit bzw. der Sehaufgabe Die Planung wird heutzutage auf den PC ermöglicht. Schnell und zuverlässig werden die Daten für die Planung umgesetzt und fertige Vorschläge für die Installation errechnet.