LEDs und andere künstliche Lichtquellen

Auf künstliche Lichtquellen - seien es Energiesparlampen (Kompaktleuchtstofflampen), Halogenlampen, Glühlampen oder LEDs (Licht emittierende Dioden) – möchte im Alltag wohl niemand verzichten.

"Mach doch mal das Licht an"

Wir legen einen Schalter um oder drücken auf einen Knopf und schon ist es da, das Licht, das unsere Wohn- und Arbeitswelten erhellt. Aber wie funktioniert das?

Glühlampen und Halogenlampen

Glühlampen und Halogenlampen sind sogenannte Temperaturstrahler. Licht entsteht, indem ein Metalldraht erhitzt und zum Glühen gebracht wird. Der größte Teil der zugeführten Energie geht dabei allerdings als Wärme verloren. Das macht diesen Lampentyp ineffizient.

Leuchtstofflampen

Leuchtstofflampen gibt es in Röhrenform (Leuchtstoffröhre) oder sozusagen "aufgewickelt" als Kompaktleuchtstofflampe (Energiesparlampe). Wird die Lampe angeschaltet, wird ein darin befindliches Gas angeregt. Bei dieser Anregung entsteht UV-Strahlung. An der Innenseite des Lampenrohres aufgebrachte Leuchtstoffe machen dann aus der energiereichen UV-Strahlung energieärmeres, sichtbares, "weißes" Licht.

Licht emittierende Dioden (LEDs)

LEDs sind vergleichsweise neu auf dem Markt. Nicht zuletzt aufgrund der Anforderungen an die Energieeffizienz und wegen ihrer vielseitigen Verwendbarkeit nimmt ihr Marktanteil zu. LEDs sind kleine Halbleiter-Bauelemente. Da sie grundsätzlich nahezu einfarbiges (also z.B. blaues, gelbes, rotes) Licht abgeben, muss man Tricks anwenden, um weißes Licht zu erzeugen, das sich aus einem Gemisch verschiedener Wellenlängen zusammensetzt.

1. Photolumineszenz

Über einer blauen LED wird eine dünne Schicht aus Phosphorverbindungen aufgetragen. Das energiereiche blaue Licht der LED regt die Phosphorschicht zum Leuchten an. Ein Teil des blauen Lichts wird dabei in energieärmeres Licht mit größeren Wellenlängen (z.B. Gelb) umgewandelt. Das entstehende Gemisch aus verschiedenen Wellenlängen wird als weißes Licht wahrgenommen. Je nach Art und Dosierung der Phosphorverbindungen kann der verbleibende Anteil des von einer LED abgestrahlten blauen Lichts größer oder kleiner sein. Bei Lampen der Allgemeinbeleuchtung ist Photolumineszenz die übliche Methode zur Erzeugung von Weißlicht.

2. Additive Farbmischung

In diesem Fall entsteht weißes Licht durch die Kombination von einfarbigen roten, grünen und blauen LEDs. Durch gezielte Ansteuerung der einzelnen LEDs kann neben weißem Licht auch farbiges Licht erzeugt werden. Dieses Verfahren wird zum Beispiel bei Fernsehern angewendet, bei denen LEDs zur Bilddarstellung und zur Hintergrundbeleuchtung eingesetzt werden oder bei Bühnenbeleuchtung. Für Massenprodukte wie Haushaltslampen ist es nicht üblich.

Spektren künstlicher Lichtquellen

Das Spektrum einer Lichtquelle zeigt, welche Anteile die verschiedenen Farben (Wellenlängen) am abgestrahlten "weißen" Licht haben, beispielsweise wie hoch der Anteil von energiereichem violettem und blauem Licht ist. Wie Wellenlänge und Farbe zusammenhängen, ist in dem Artikel Was versteht man unter sichtbarem Licht? dargestellt.

Gegenüberstellung der Spektren unterschiedlicher Lampen mit gleicher Farbtemperatur 2700 Kelvin = warmweiß. LED (farbig hinterlegt), Glühlampe (graue Linie), Kompaktleuchtstofflampe (gestrichelte schwarze Linie).

Die Spektren künstlicher Lichtquellen unterscheiden sich deutlich. Bei Temperaturstrahlern wie der Glühlampe ist das Spektrum wie bei der Sonne kontinuierlich, steigt allerdings ins Langwellige, d.h. nach Rot an. Bei Leuchtstofflampen ist das Spektrum dagegen nicht kontinuierlich, sondern durch schmale Spektralbänder gekennzeichnet. Wie diese „Zacken“ aussehen, hängt von den jeweils verwendeten Leuchtstoffen ab (siehe Abbildung 1).

Die Vielfalt der LEDs spiegelt sich in den Spektren wider. Der Blaulichtanteil von LEDs kann höher oder niedriger sein (siehe Abbildung 2).

Abb. 2 Spektren handelsüblicher LED-Lampen für die Allgemein-beleuchtung mit unterschiedlichen Farbtemperaturen. 2700 K (Warmweiß, farbig unterlegt), 3000 K (Warmweiß), 4000 K (Neutralweiß) und 6000 K (Tageslichtweiß, auch „Kaltweiß“ genannt). Quelle: BfS

Grundsätzlich gilt: Je höher die Farbtemperatur in Kelvin (K), desto höher der Blaulichtanteil. Wer den Blaulichtanteil niedriger halten möchte, kann eine Lampe mit warmweißem Licht wählen (siehe Empfehlungen für gute Beleuchtung). Informationen zu den Wirkungen von Blaulicht und weiteren Wirkungen von sichtbarem Licht finden Sie in dem Artikel Wirkungen des Lichts.

Sicherheit von Lampen und Lampensystemen

Die photobiologische Sicherheit von Lampen und Lampensystemen liegt in der Verantwortung der Hersteller. Bei der Beurteilung der Sicherheit ziehen die Hersteller in der Regel einschlägige Normen heran. Betrachtet werden dabei nicht nur Wirkungen des sichtbaren Lichts, sondern auch mögliche Risiken durch UV-Strahlung oder Wärmestrahlung (Infrarot).
Weitere Informationen zur photobiologischen Sicherheit von Lampen und Lampensystemen sowie zur Einordnung in Risikogruppen finden Sie in dem Artikel Schutz bei sichtbarem Licht.

Lichtflimmern ("Flicker")

Eine Eigenschaft künstlicher Lichtquellen, die als unangenehm empfunden werden kann, ist das "Lichtflimmern". Darunter versteht man Schwankungen der Helligkeit des Lichts. Die Hauptursache dieser Schwankungen liegt darin, dass künstliche Lichtquellen mit Wechselstrom betrieben werden. Ändert sich die Stromstärke, wie das bei Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz der Fall ist, ändert sich die Helligkeit 100 mal pro Sekunde.

Anders als Glühlampen reagieren Kompaktleuchtstofflampen und LEDs schnell auf diese Stromstärkeschwankungen. was sich als Flimmern bemerkbar machen kann. Das Flimmern kann bis maximal 100 Hz bewusst wahrgenommen werden. Oberhalb dieser Frequenz kann das Auge die Helligkeitsänderungen nicht mehr auflösen und das Licht wird als gleichmäßig wahrgenommen. Allerdings gibt es auch Berichte über Beschwerden wie Kopf- oder Augenschmerzen oberhalb dieser sogenannten Flimmerverschmelzungsfrequenz. Um Flimmern zu vermeiden, muss mit Hilfe eines Vorschaltgerätes dafür gesorgt werden, dass die Lichtquelle für einen kurzen Zeitraum konstant mit Strom versorgt wird. Wie gut das gelingt, ist nicht zuletzt eine Qualitätsfrage.

Weitere Informationen dazu finden Sie in dem Artikel Lichtflimmern und Stroboskopeffekte - allgemein: Temporal Light Artefacts (TLA)