Prinzipien der Lichterzeugung

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1 Prinzipien der Lichterzeugung Temperaturstrahler Spätestens mit Auftauchen der ersten Schmieden ist dem Menschen bekannt, dass Stoffe bei ausreichend großer Erwärmung glühen und sichtbares Licht erzeugen. Im Falle von Eisenwerkstoffen kann diese Lichtaussendung in Abhängigkeit von der Temperatur Farben von dunklem Rot über Gelbtöne bis zu einem hellen Gelbweiß annehmen. Ein Schmied kann durch Blick auf ein glühendes Werkstück recht gut dessen Temperatur einschätzen. Die Schwarzkörpertheorie von Planck beschreibt dieses Phänomen physikalisch. Hierbei wird ein ideal schwarzer Körper langsam erwärmt. Mit steigender Temperatur beginnt er zunächst langwelliges Licht auszusenden (Infrarot) und die Strahlung geht allmählich in den sichtbaren rötlichen Bereich über. Mit weiter steigender Temperatur wird die Farbe immer gelblicher und weißer, bis sie schließlich einem mit dem Tageslicht vergleichbaren Ton entspricht. Dieses Prinzip machen sich die Glühlampe und die Halogenlampe zu nutze. Die durch solch eine thermische Anregung entstehende Lichtaussendung macht sich durch ein kontinuierliches Spektrum bemerkbar. Das Licht von Glüh- und Halogenlampen kommt dem Sonnenlicht daher am nächsten. Glüh- und Halogenlampen In einer Glühlampe befindet sich ein Wolframdraht in einem mit einem inerten Gas gefüllten Glaskolben. Wolfram hat den Vorteil einer sehr hohen Temperaturfestigkeit und wird durch das Füllgas vor frühzeitiger Oxidation geschützt. Die Nachteile einer Glühlampe sind ihre geringe Lebensdauer, ihre niedrige Effizienz sowie eine kontinuierliche Verschlechterung der Effizienz durch Kolbenschwärzung. Doch auch ihre Vorzüge sind nicht von der Hand zu weisen: So erzeugt sie als Temperaturstrahler ein weißes Licht mit einem kontinuierlichen Spektrum, was sich wiederum in einer sehr guten Farbwiedergabe niederschlägt. Glüh- und Halogenlampen Ferner ist ihr Prozess der Lichterzeugung relativ träge. Aus diesem Grund kann man eine Glühlampe verhältnismäßig einfach in ihrer Leistung regulieren (dimmen). Hierzu kann man direkt mit der Netzfrequenz, beispielsweise via Phasenan- oder -abschnittsdimmung regeln. Ein Flackern oder Flimmern tritt dank der relativ hohen Trägheit dieser Lampen nicht auf. 118

2 2.04 Wissen zu Licht und Beleuchtung Prinzipien der Lichterzeugung Leuchtstofflampen Eine Halogenlampe stellt die Weiterentwicklung der Glühlampe dar und versucht einige wesentliche Nachteile der Glühlampe zu reduzieren. Auf Grund der sehr hohen Temperaturen des Glühfadens einer Glühlampe (3000 C) kommt es durch Verdampfen zu einer kontinuierlichen Schädigung des Wolframdrahts. Infolge der enormen Temperaturen können Wolframatome relativ leicht den festen metallischen Verbund des Drahts verlassen und in das Füllgas diffundieren. Die hierdurch gelösten Wolframatome lagern sich an dem verhältnismäßig kalten Kolben der Lampe ab und färben diesen dunkel. Hierdurch geht die Lichtausbeute kontinuierlich zurück. Mit der Zeit führt diese Schwächung des Drahts zu einem Versagen des Glühfadens und die Lampe brennt durch. In einer Halogenlampe sind dem inerten Füllgas in geringen Mengen Halogene beigemischt (Chlor, Brom, Jod). Auch hier treten Wolframatome des Glühdrahts durch Verdampfung in das Füllgas über. Hier werden sie nun jedoch von den Halogenen eingefangen, in einer chemischen Reaktion wird beispielsweise aus Wolfram und Jod Wolframiodid gebildet. Diese Verbindung kann sich nicht an den Hüllkolben der Lampe anlagern und der Kolben kann somit nicht geschwärzt werden. Das Wolframiodid kann sich jedoch an kälteren Stellen der Wendel wieder anlagern und zerfällt dort abermals in Wolfram und Jod. Das Wolfram lagert sich an das Metall des Drahtes, das Jod verbleibt in der inneren Atmosphäre der Lampe und steht für einen weiteren Zyklus zur Verfügung. Dieser Vorgang wird auch als Halogenkreisprozess bezeichnet und hat zu einer Steigerungen der Lebensdauer und der Lichtausbeute geführt. Eine Leuchtstofflampe ist eine Niederdruck- Gasentladungslampe und besteht im Wesentlichen aus einem mit Quecksilberdampf gefüllten Glasrohr. An den Enden dieses Rohrs befinden sich Elektroden, zwischen denen eine Spannung angelegt wird. Ist diese Spannung größer als die notwendige Zündspannung, so wird die Gassäule innerhalb der Glasröhre ionisiert und es entsteht ein Niederdruckplasma. Heutige Leuchtstofflampen besitzen zu Heizwendeln ausgeformte Elektroden. Dank der Vorheizung dieser Wendelelektroden lässt sich die erforderliche Zündspannung drastisch senken. Durch das Quecksilberplasma fließt nach Zündung ein Strom zwischen den Elektroden und seine Atome werden zur Lichtabgabe angeregt. Diese Lichtemission spielt sich vor allem im ultravioletten Bereich ab. An der Innenseite des Glasrohrs ist daher ein Leuchtstoff aufgebracht, welcher durch das ultraviolette Licht des Plasmas im sichtbaren Spektralbereich fluoresziert. Die aufgebrachte Beschichtung wandelt also das abgegebene UV-Licht in sichtbares Licht um. Durch sorgfältige Auswahl und Mischung der verwendeten Leuchtstoffe gelingt die Erzeugung von weißem Licht. Nicht umgewandelte UV-Strahlung wird zum größten Teil durch das Glas des Rohrs absorbiert. Leuchtstofflampen Die Abbildung oben zeigt ein typisches Spektrum einer normalen Leuchtstofflampe. Im Vergleich zum Spektrum des Sonnenlichts fällt seine stark diskontinuierliche Struktur auf; das Licht einer solchen Lampe besteht aus vielen Spitzen (engl. Peaks). 119

3 Natriumdampflampen Diese werden durch die unterschiedlichen Leuchtstoffe innerhalb der Lampe hervorgerufen. Unsere Augen bewerten das ausgesandte Licht einer solchen Lampe als weiß, da sie die spektrale Zusammensetzung von Licht nicht ausreichend beurteilen können. Eine derartige Lampe hat daher oftmals eine schlechtere Farbwiedergabe als eine Glüh- oder Halogenlampe. Ohne eine Begrenzung würde der Stromfluss in der Lampe rapide zunehmen und zu einer Zerstörung der Lampe führen. Wie auch alle anderen Entladungslampen muss daher auch die Leuchtstofflampe an einem Vorschaltgerät betrieben werden. Drossel Leuchtstofflampen zeichnen sich durch eine akzeptable Lichtausbeute ( bis 100 lm/w ), verhältnismäßig große Lebensdauern ( bis Stunden ) und mäßige bis gute Farbwiedergabe aus. Wie bei vielen Lichtquellen stehen die Eigenschaften Effizienz und Lichtqualität in Konkurrenz miteinander. Wird eine hohe Lichtqualität gewünscht, so geht diese in aller Regel mit einem schlechten Wirkungsgrad einher. Natriumdampflampen nutzen zur Lichterzeugung die Lichtemission eines Natriumplasmas. Sie bestehen aus einem Entladungsgefäß, dem Natrium und mindestens ein Hilfsgas eingeschlossen sind. An beiden Enden des Entladungsgefäßes befinden sich Elektroden, durch die eine Zündspannung eingebracht werden kann. Da sich Natrium bei Raumtemperatur in der festen Phase befindet, enthält die Atmosphäre des Entladungsgefäßes meist Neon als Hilfsgas. Dieses lässt sich recht einfach ionisieren und beginnt als Plasma den Strom durch die Lampe zu leiten. Hierdurch erwärmt sich die Lampe und das Natrium beginnt zu verdampfen. Mit zunehmendem Natriumgehalt wird das zunächst rötliche Licht immer gelber. Anders als bei der Leuchtstofflampe strahlt bereits die Gasentladung im sichtbaren Bereich, eine Konversion durch einen Leuchtstoff ist hier nicht notwendig. Natriumdampflampen geben ein spektral sehr ungleichmäßiges Licht ab. Niederdrucklampen haben in aller Regel ein monochromatisches Licht, Hochdrucklampen erzeugen neben dem dominierenden gelben Natrium-Peak zusätzlich noch Abstrahlungen in anderen spektralen Bereichen. Beide Lampentypen haben eine sehr schlechte Farbwiedergabe, zeichnen sich jedoch durch hohe Effizienz und moderate Lebensdauer aus. Natriumdampflampen 120

4 2.04 Wissen zu Licht und Beleuchtung Prinzipien der Lichterzeugung Halogenmetalldampflampen Halogenmetalldampflampen fußen technologisch auf Quecksilberdampflampen und enthalten in ihren Entladungsgefäßen Mischungen aus Halogenverbindungen, seltenen Erden und einem Hilfsgas (meist Argon, Xenon oder Neon). Wie auch bei der Natriumdampflampe liegen die verwendeten Stoffe teilweise zunächst in der festen Phase vor und werden während der Anlaufphase durch die stark steigende Temperatur im Brennergefäß verdampft. Hierzu wird die Lampe mit Hilfe von Hochspannungsimpulsen (5-80 KV) durch das Betriebsgerät gezündet und es fließt zunächst nur Strom durch das ionisierte Hilfsgas. Dieser erwärmt alle anderen Bestandteile und führt schließlich zum Verdampfen und Ionisieren aller Füllstoffe. Erst nach dieser Anlaufphase erreicht die Lampe ihre volle Helligkeit. Dieser Prozess dauert in aller Regel Sekunden. Die Zusammensetzung ihrer Füllung führt zu einer Lichterzeugung mit hohem Wirkungsgrad (bis 100 lm/w) und das abgegebene Licht zeichnet sich durch eine hohe Qualität aus. Die Lebensdauer dieser Halogendampflampen ist mit bis zu Stunden als positiv zu bewerten. Halogenmetalldampflampen 121

5 Festkörperstrahler Anorganische Leuchtdioden (LED) In einer LED wird Licht durch einen anorganischen Halbleiter erzeugt. Vereinfacht gesagt, besteht der Halbleiter aus zwei unterschiedlich zusammengesetzten (dotierten) Bereichen, welche unmittelbar aneinandergrenzen. Elektronen können sich in beiden Bereichen bewegen, allerdings bewegen sie sich auf unterschiedlichen quantenmechanischen Energieniveaus. Im so genannten n-bereich befindet sich ein Überschuss an Elektronen, im p-bereich ein Überschuss an Defektelektronen (so genannten Löchern). Im Kontaktbereich beider Schichten kommt es durch Diffusionsvorgänge zu einem Ausgleich beider Ladungstypen. Dieser Vorgang ist auf Grund der sich aufbauenden elektrostatischen Verhältnisse selbsthemmend und trennt beide Bereiche elektrisch voneinander, man sagt auch, die Diode sperrt. p-bereich Defektelektronen Diffusion Raumladungszone mit Sperrschicht n-bereich Elektronen Legt man nun eine Spannungsquelle so an die Diode, dass ihr negativer Pol mit dem n-bereich verbunden ist (Kathode), so arbeitet die äußere Spannung gewissermaßen mit der inneren Spannung und die Sperrschicht kann überwunden bzw. aufgehoben werden, die Diode wird leitfähig. Vertauscht man die Polarität der Spannungsquelle, so verstärkt die äußere Spannung die Sperrwirkung und die Diode bleibt für einen Stromfluss gesperrt. Eine Diode lässt sich also mit einem Rückschlagventil der Hydraulik vergleichen. Beim Übergang vom n- in den p-bereich wechseln die Elektronen von einem hohen in ein quantenmechanisch niedriges Energieniveau. Da in der Natur keine Energie verlorengehen darf, muss die überschüssige Energie abgegeben werden. Dies kann beispielsweise in Form von Abwärme erfolgen. Bei Leuchtdioden sind die Materialien der Dioden so beschaffen (dotiert), dass die überschüssige Energie als Licht abgestrahlt wird. Da die Differenzenergie beim Übergang der Elektronen von n nach p für jede Materialpaarung in etwa konstant ist und die Energie immer in Form eines Lichtquants abgegeben wird, ist auch das Spektrum des abgegebenen Lichts recht schmalbandig. Anders ausgedrückt, strahlt eine gewöhnliche LED immer in einer festen Farbe. Weißes Licht lässt sich mit einfarbigen LEDs durch additive Farbsynthese erzeugen. Hierbei werden beispielsweise die Emissionen roter, grüner und blauer LEDs miteinander gemischt. Sind die Intensitäten der einzelnen Farben aufeinander abgestimmt, so empfindet das menschliche Auge ein solches Mischlicht als weiß. R Y G B M C Das Licht einer solchen Lichtquelle weist allerdings keine optimale Qualität auf. Sein Spektrum ist durch die einzelnen Peaks der LEDs recht diskontinuierlich. Gerade die Farbwiedergabe eines solchen Systems ist daher relativ schlecht. Aus diesem Grund werden derartige Systeme heute meist nur noch für die Erzeugung von dynamischem Farblicht verwendet. 122

6 2.04 Wissen zu Licht und Beleuchtung Prinzipien der Lichterzeugung Organische Leuchtdioden (OLED) Ein deutlich besseres weißes LED-Licht lässt sich mit Hilfe von Konversionsphosphoren erreichen. Hierbei wird das relativ energiereiche (kurzwellige) Licht einer blau strahlenden LED benutzt, um Phosphor zum Leuchten anzuregen. Meistens finden hier Phosphore mit Yttrium, Aluminium und Gallium Anwendung (YAG-Phosphore). Sie leuchten im gelbgrünen Bereich und ihre Emissionen ergeben zusammen mit nicht umgewandelten blauen Anteilen der LED in der Mischung ein weißes Licht. Je nach Güte des Phosphors und der LED lassen sich damit gute bis sehr gute weiße Spektren erzeugen; durch die breite spektrale Emission des Phosphors sind ihre Spektren relativ homogen. Allerdings lässt sich in aller Regel immer noch ein deutlicher blauer Peak nachweisen. Spektrum einer LED Als OLED (Organic Light Emitting Diode) werden millimeterdünne Glasscheiben bezeichnet, in die organische Materialien eingeschlossen sind. Diese bilden rund 400 Nanometer dünne Schichten, durch die Strom fließen kann. Die organischen Schichten sind eingefasst von einer Anodenund einer Kathodenschicht, die als elektrische Kontakte von beiden Seiten dienen. In der organischen Schicht befinden sich Moleküle, die bei durchfließender elektrischer Energie zu leuchten beginnen. Die jeweilige Molekülstruktur bestimmt die Lichtfarbe. Zum Schutz vor Außeneinwirkungen sind die organischen Schichten ummantelt. Eine organische Leuchtdiode besteht aus mehreren organischen Halbleiterschichten zwischen zwei Elektroden, von denen mindestens eine transparent ist. Bei der Herstellung einer OLED werden organische Schichten nacheinander auf ein leitfähiges Substrat aufgebracht, gefolgt von einer weiteren leitfähigen Elektrode. Für die Herstellung von organischen, lichtemittierenden Bauteilen finden allgemein zwei verschiedene Klassen von Materialien Verwendung: polymere Substanzen und so genannte Kleinmolekülmaterialien, die keine Orientierungseigenschaft besitzen und daher amorphe Schichten bilden. Aktuelle Entwicklungen im Bereich der Phosphore zielen daher auf eine Verbesserung der spektralen Zusammensetzung ab und versuchen so die Qualität des erzeugten Lichts zu erhöhen. Lichtleistung Die folgende Grafik ermöglicht den Vergleich der Lichtausbeute von LED mit konventionellen Leuchtmitteln (Stand: Januar 2016) Lumen LED K 1,9 W 4,7 W 9,7 W 15,7 W 27,1 W Allgebrauchslampen K Halogenlampen K 25 W 40 W 60 W 75 W 100 W 150 W 200 W 20 W 33 W 48 W 60 W 100 W 150 W 205 W Kompakt-Leuchtstofflampen (E 27) K 7 W 11 W 14 W 18 W 22 W 123