Leuchtmittel Vergleich

Welche Leuchtmittel gibt es?

In der Elektronik gibt es eine Vielzahl an Leuchtmitteln die für die optische Signalisierung verwendet werden. Die unterschiedlichen Leuchtmittel unterscheiden sich in Hinblick auf den Stromverbrauch, die benötigte Lichtausbeute oder den gewünschten Abstrahlwinkel.

In optischen Signalgeräten sind die folgenden Leuchtmittel verbaut:

• LED
• Xenon-Blitzlampe
• Glühlampe
• Halogenlampe

LED-Leuchtmittel zählen zu den modernsten aller Leuchtmittel. Sie haben sich im Laufe der Zeit zur State of the art Technologie etabliert. Signalleuchten von Auer Signal setzen vorwiegend auf modernste LED Technik mit besonders hoher Leuchtkraft und Lebensdauer.

Xenonlicht finden Sie bei ausgewählten Blitzleuchten von Auer Signal. Die Xenon Blitzröhre erzeugt eine hohe Signalwirkung durch intensive Lichtimpulse.

Die konventionelle Glühlampe wird in der heutigen Zeit nur noch sehr selten für die optische Signalisierung angewendet. Aufgrund ihrer schwachen Lichtausbeute und geringen Widerstandsfähigkeit ist dieses Leuchtmittel im Vergleich zu anderen Leuchttechnologien, wie der LED Technologie, für die meisten Anwendungen ungeeignet.

Halogenlampen funktionieren ähnlich wie Glühlampen, haben aber durch die Füllung mit Halogenen eine höhere Brenntemperatur und damit einen besseren Wirkungsgrad. Signalgeräte mit Halogenlampe wurden bis 2020 bei den Dauer- Blink- und Drehspiegelleuchten der Serie M von Auer Signal eingesetzt.

Einen Vergleich aller Leuchtmittel auf einen Blick finden Sie in unserer Vergleichstabelle.

WIE IST DIE LED LEUCHTE ENTSTANDEN?

Die erste kommerzielle LED wurde 1962 von Nick Holonyak auf den Markt gebracht. Die damalige Leuchtdiode konnte lediglich rotes Licht emittieren und war im Vergleich zu anderen Leuchtmitteln sehr teuer. Durch laufende Entwicklungen etablierte sich das LED-Leuchtmittel zum kostengünstigen, effizienten und langlebigen Leuchtmittel für viele verschiedene Bereiche. Die verbauten Halbleiterkristalle in der Leuchtdiode erzielen eine immer höhere Lichtausbeute und auch das Farbspektrum der LEDs wurde erweitert.

Ein Meilenstein war 1996 die Entwicklung der weißen LED durch das japanische Unternehmen Nichia. Mit Hilfe von Farbkonvertern konnte das Licht eines blauen LED-Chips in weiß umgewandelt werden. Der damalige Forschungsleiter bei Nichia, Herr Shuji Nakamura wurde zusammen mit anderen Forschern 2014 mit dem Physik-Nobelpreis für eine „Erfindung zum größten Nutzen der Menschheit“ ausgezeichnet.

LEDs von Auer Signal gibt es in verschiedenen Farben. Zu den Standardfarben gehören: Rot, Gelb, Grün, Blau, Klar, und Orange. Mehrfarbenleuchten der Serie R erzeugen zusätzlich die Farben Türkis und Magenta.

DER AUFBAU EINES LED-LEUCHTMITTELS

Ein LED-Leuchtmittel besteht meistens aus 6 Elementen:

• LED-Chip
• Anode (+)
• Kathode (-)
• Reflektorwanne
• Verguss
• Golddraht

Der LED-Chip ist auf der Reflektorwanne angebracht. Diese Reflektorwanne liegt auf der Kathode. Um den Stromfluss zwischen Kathode und Anode zu ermöglichen, verbindet ein Golddraht (oder auch Bonddraht genannt) die Anode mit dem LED-Chip auf der Kathode. Geschützt wird dieses Konstrukt mit einer Kunststoff- oder Epoxidharzlinse.

WIE FUNKTIONIERT EINE LED?

Der LED-Chip einer LED ist ein Halbleiterelement. Ein Halbleiter besteht aus zwei Silizium-Kristallen, die jeweils mit anderen Fremdatomen versetzt (dotiert) sind. Fügt man diese unterschiedlich dotierten Kristalle zusammen, entsteht an deren Grenzschicht ein „pn-Übergang“, wobei einer der Kristallteile später einen Elektronenüberschuss hat (n-Kristall), während der andere Teil einen Elektronenmangel aufweist (p-Kristall). Atome mit einem aus diesem Grund fehlenden Elektron werden Defektelektron oder „Loch“ genannt. Die n-Schicht ist mit der Kathode verbunden, die p-Schicht mit der Anode.

Um einen Stromfluss zwischen Kathode (-) und Anode (+) zu erzeugen, müssen sie unter Spannung gesetzt werden. Dabei entsteht ein Stromfluss über den Golddraht von der n-Schicht zur p-Schicht. Die Elektronen aus jener Schicht mit dem Elektronenüberfluss fließen in die Schicht, mit dem Elektronenmangel, wo sie mit „Löchern“ rekombinieren.

Bei dieser Vervollständigung des Atoms wird Energie in Form einer elektromagnetischen Welle frei (Photon). Die Energie und damit die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Welle wird über die Art der Dotierung bestimmt. Bei richtiger Einstellung liegt die Wellenlänge im sichtbaren Bereich des menschlichen Auges, wobei man so auch unterschiedliche Farben einstellen kann, da die Farbwahrnehmung des menschlichen Auges über die Wellenlänge des Lichtes (=elektromagnetische Strahlung) passiert.

Durch die Reflektorwanne gelangt das Licht in die obere Hälfte der Leuchtdiode. Der Verguss schützt den Halbleiter, sorgt für einen guten s und für einen verbesserten Wirkungsgrad bei der Auskoppelung des Lichtes. Spezielle Formungen des Vergusses oder aufgesetzte Kunststofflinsen können den Abstrahlwinkel beeinflussen. Aufgrund der kompakten Bauform ist das LED-Leuchtmittel resistent gegen Stöße und Vibrationen.

LEBENSDAUER VON LED-LEUCHTMITTELN

Die Lebensdauer von LEDs ist sehr lange und wird im Allgemeinen mit über 100.000 Stunden angegeben. Das entspricht einer ununterbrochenen Leuchtdauer von zwölf Jahren. Danach ist die Leuchtdiode nicht "dunkel", sondern unterschreitet den normalen Lichtstrom um etwa 30 %. Die Lichtabgabe wird lediglich geringer. Die Lebensdauer hängt von den Einsatzbedingungen, vor allem der Umgebungstemperatur ab. LEDs mit größerer Leistung haben in der Regel auch eine etwas geringere Lebensdauer (mind. 30.000h oder 50.000h).

Neben der Lebensdauer sprechen vor allem die Wartungsfreiheit, die Vibrations- und Schockbeständigkeit sowie der geringe Stromverbrauch für den Einsatz von LED-Leuchtmitteln.

WAS IST DER ABSTRAHLWINKEL BEI LED-LEUCHTMITTELN?

Der Abstrahlwinkel sagt aus, wie groß der erzeugte Lichtkegel einer Lichtquelle ist. Angegeben wird der Abstrahlwinkel in Grad.
LED sind punktförmige Lichtquellen und sogenannten Lambertsche Strahler. Sie haben damit keine gleichmäßige Abstrahlung von Licht wie beispielsweise Glühlampen. Es gibt verschiedene Techniken, wie man das Licht von LEDs vergleichmäßigen kann, um beispielsweise eine umlaufend gleichbleibende Lichtstärke einer Leuchte zu erzeugen oder den punktförmigen Charakter von LEDs zu verwischen. So können LEDs einfach im Kreis angeordnet werden.

Linsen auf LEDs aufgesetzt können den Abstrahlwinkel positiv beeinflussen. Verrippungen auf Kalotten von Leuchten lenken das Licht bewusst in unterschiedliche Richtungen ab um eine Vergleichmäßigung zu erzeugen. Gleichzeitig zerteilt man den Lichtpunkte einer LED in beliebig viele kleinere Punkte. Eine diffuse Schicht, zum Beispiel als Folie, kann das Licht brechen oder es wird ein diffuses Kalottenmaterie eingesetzt um beste Ergebnisse für eine gleichmäßig leuchtende Kalottenoberfläche zu erzielen.

Speziell bei Signalleuchten ist eine Richtwirkung durchaus gewünscht. Leuchten haben oftmals eine bevorzugte Sichtbarkeit. So sind Ampeln stark nach vorne fokussiert, Leuchten bei Toren oder Signalsäulen sollen von der Seite gut gesehen werden, während Leuchten auf Kränen oder bei Überkopfmontage eine starke axiale Sichtbarkeit haben sollten.

WIE HOCH IST DIE LICHTAUSBEUTE VON LED-LEUCHTMITTELN?

Die Lichtausbeute gibt Auskunft über die Effizienz eines Leuchtmittels. Bei der Erzeugung von Licht mit Leuchtmitteln wie LED, Glühbirne oder einer Xenon-Entladungslampe wird elektrische Leistung umgewandelt. Abhängig vom Leuchtmittel wird ein Anteil der elektrischen Leistung in Wärme umgesetzt. Je mehr von der elektrischen Leistung in Licht umgewandelt werden kann, umso größer ist die Lichtausbeute. Eine große Lichtausbeute steht für eine hohe Effizienz. Die Lichtausbeute wird in Lumen je Watt (lm/W) angegeben.

LEDs von Auer Signal geben bis zu 200 Lumen je Watt ab, Standard LEDs bis zu 50 Lumen je Watt. Im Vergleich dazu liegt die Lichtausbeute von Glühlampen bei 10 lm/W, bei Halogenlampen 25 lm/W und bei Xenon Blitzröhren bei 40 lm/W. LED-Leuchtmittel zählen daher zu den effizientesten und umweltfreundlichsten Leuchtmitteln, die auf dem Markt verfügbar sind.

Was ist eine Xenon Blitzröhre?

Eine Xenon Blitzröhre ist eine Gasentladungslampe, bei der ein Glasrohr mit dem Edelgas Xenon gefüllt ist und unter hoher Spannung ein intensives Blitzlicht erzeugt. Eine Xenon Entladungslampe wird überall dort verwendet, wo hellste Lichtsignale benötigt werden. Keine andere Leuchtenart kann eine so hohe Lichtstärke in kurzer Zeit erzeugen.

In Bezug auf die besonders gute Wahrnehmung kann man sowohl das Xenon als auch das LED Leuchtmittel miteinander vergleichen. Der geringere Lichtausstoß von LEDs kann mit einer schnelleren Abfolge von Lichtimpulsen kompensiert werden.

DER AUFBAU EINER XENON BLITZRÖHRE

Die Xenon Blitzröhre besteht aus einem Glaskolben aus Quarz, der mit dem Edelgas Xenon gefüllt ist. Zusätzlich zum Gas ist der Glaskolben mit einer geringen Menge an Quecksilber und Metallhalogeniden angereichert. Die Metallhalogeniden sind für die Farbtönung des Lichts notwendig.

Innerhalb der Blitzröhre sind zwei Wolfram-Elektroden eingeschmolzen. Die Kathode ist auf einem dünnen Wolframstift geschweißt, die Anode ist zylindrisch geformt. Um die Zündung anzustoßen gibt es noch eine Zündelektrode, die bei manchen Röhren aufgedampft, oder als einfacher Draht um die Röhre gewickelt ist.

WIE FUNKTIONIERT EIN XENONLICHT?

Zwischen Anode und Kathode wird eine Gleichspannung von mehreren Hundert Volt angelegt, die von einem parallel geschalteten Kondensator bereits gestellt wird. Wird an der Zündelektrode ein Zündimpuls von mehreren kV geschaltet, dann ionisiert das Gas im Inneren der Röhre und es wird ein Stromfluss zwischen Anode und Kathode möglich. Die elektrische Energie im parallel geschalteten Kondensator kann sich schlagartig über die Xenon-Blitzlampe entladen. Es entstehen dabei Ströme von mehreren hundert Ampere. Entsprechend hoch ist auch die Leuchtdichte, aber auch sehr kurz. Die Entladung passiert innerhalb von wenigen Millisekunden.

Xenon-Blitzleuchten werden bei Auer Signal mit einer Blitzfrequenz von 1Hz bis 1,4Hz betrieben, wobei in den Pausen der Kondensator geladen wird. Dadurch ist der erste Impuls nach dem Einschalten der Leuchte verzögert, da erstmals der Kondensator geladen wird.

Was ist eine Glühlampe?

Eine Glühlampe ist ein Leuchtmittel, bei dem ein dünner Metalldraht, welcher meistens aus Wolfram besteht, zum Glühen gebracht wird. Aufgrund ihrer Form wird die Glühlampe auch als Glühbirne bezeichnet.
Glühlampen galten lange Zeit als Standard-Leuchtmittel für viele Anwendungen. Vielen Leuten ist die Glühbirne noch als Beleuchtungsmittel für den Wohnraum bekannt. Durch ihren hohen Energieverbrauch gilt in der Europäischen Union und einigen anderen Ländern heutzutage ein Verbot aller Glühlampen, die nicht mindestens die Energieeffizienzklasse B aufweisen. Ausgeschlossen von dieser Regelung sind jene Speziallampen, deren primärer Zweck des Lichts nicht die Beleuchtung ist. Darunter fallen Leuchten für die Signalgebung (EU Verordnung 2015/1428).

DIE ENTSTEHUNG DER GLÜHLAMPE

Die ersten Glühlampen wurden Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelt. Besonders entscheidend in der Entwicklung war die Erfindung des Schraubsockels von Thomas Alva Edison. Dieses Gewinde, auch Edisongewinde genannt, gleicht auch heute noch dem Blechgewinde einer konventionellen Glühbirne. Ein weiterer Meilenstein in der Entwicklung der Glühlampe war die Verarbeitung von Wolframdraht, anstatt der bisher verwendeten Kohlefäden aus Holz- und Pflanzenfasern. Wolframdraht war im Gegensatz zu den anderen Fäden um ein Vielfaches hitzebeständiger.
Eine Weiterentwicklung der Glühbirne in den 1960er Jahren führte zur Entwicklung von Halogenglühlampen. Durch das Beifügen von Halogen im Inneren der Lampe verfärbt sich der Glaskolben nicht mehr und die Kolbenwand bleibt klar. Die Lichtausbeute von Halogenlampen ist daher größer als von Glühlampen.

DER AUFBAU EINER GLÜHLAMPE

Eine Glühbirne besteht aus drei wesentlichen Teilen:

• Sockel
• Glaskolben
• Glühfaden

Der Sockel einer Glühlampe besteht aus einem Blechgewinde. Es dient zur Kontaktierung des Leuchtmittels mit elektrischer Spannung.
Der Glaskolben schützt nicht nur den Glühfaden im Inneren der Birne, sondern ist auch mit Schutzgas (meist eine Mischung aus Argon und Stickstoff) gefüllt. Das Gasgemisch ist notwendig, um ein Vorzeitiges Verdampfen des Glühfadens zu verhindern.
Der Glühfaden, bzw. der Glühdraht, besteht aus Wolfram. Wolfram ist ein sehr hitzebeständiges Material. Es erreicht seinen Schmelzpunkt bei 3.422 °C und verdampft bei hohen Temperaturen nur sehr langsam.

WIE FUNKTIONIERT EINE GLÜHLAMPE?

Durch die elektrische Stromzuführung fließt Strom durch die Glühlampe. Der Stromfluss erhitzt den Wolframdraht auf sehr hohe Temperaturen über 2000 °C. Dadurch wird Energie über einen weiten Wellenlängenbereich abgestrahlt. Der Großteil der elektrischen Energie wird in Wärme, der Rest in Licht umgewandelt. Ein großer Nachteil von Glühlampen besteht darin, dass nur ein sehr kleiner Anteil (etwa 2,2 %) der Energie in Licht umgewandelt wird.
Wenn der Wolfram-Glühfaden verdampft ist, ist die Lebensdauer der Glühlampe zu Ende. Im Durchschnitt hat eine Glühbirne eine Lebensdauer von 1.000 Stunden.
Die Lichtausbeute einer Glühlampe liegt bei einer Glühfadentemperatur von 2800 K (Kelvin) bei ca. 10 lm/W. Bei höheren Temperaturen des Wolframdrahtes steigt die Lichtausbeute, jedoch wirkt sich dies negativ auf die Lebensdauer der Glühbirne aus.

Was ist eine Halogenlampe?

Eine Halogenlampe bedient sich grundsätzlich derselben Technik wie die Glühlampe, weshalb Halogenlampen auch als Halogenglühlampen bezeichnet werden. Allerdings sind dem Füllgas Halogene zugesetzt. Diese Halogene erlauben eine höhere Brenntemperatur des Wolframdrahtes, was den Wirkungsgrad verbessert. Außerdem kann der Glaskolben kompakter ausgeführt werden.
Halogenlampen sind von Halogen-Metalldampflampen zu unterschieden. Das Licht einer Halogen-Metalldampflampe wird durch eine Gasentladung erzeugt und bedient sich daher nicht dem gleichen Funktionsprinzip einer Halogenlampe.

AUFBAU EINER HALOGENLAMPE

Eine Halogenlampe besteht, ähnlich wie eine Glühlampe, aus den drei gleichen Bestandteilen: Einem Sockel, Glaskolben und dem Glühfaden.
Der Sockel von Halogenlampen ist, im Gegensatz zu Glühlampen, meistens ein Stiftsockel und kein Gewindesockel. Der kleine Quarzglaskolben ist mit dem Gas Brom gefüllt. Durch seine kleine Größe erhitzt er sich sehr schnell und begünstigt damit den Gaskreislauf mit dem Wolframbromid. Im Inneren des Quarzglaskolbens befindet sich ein Wolframfaden, welcher sich in Verbindung mit Brom zu Wolframbromid verbindet.
Je nach elektrischer Spannung wird ein Transformator oder ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG) benötigt.

FUNKTIONSWEISE VON HALOGENLAMPEN

Von der Funktionsweise unterscheiden sich Halogenlampen und Glühlampen kaum voneinander. Es gibt allerdings einen wichtigen Unterschied, der die beiden Leuchtmittel voneinander unterscheidet: Halogenlampen sind im Inneren des Quarzglaskolbens mit Brom angereichert. Das Füllgas Brom gehört zur chemischen Gruppe der Halogene. Daher stammt die Bezeichnung Halogenlampe.
Der Vorteil von Brom ist, dass dieses Gas der kurzen Lebensdauer eines Wolframdrahtes entgegenwirkt. So wie bei Glühlampen wird der Wolframdraht unter Spannung gesetzt, wodurch elektrische Energie in Wärme und Licht umgewandelt wird.

HALOGENLAMPE UND GLÜHLAMPE IM VERGLEICH

Bei Glühlampen verdampft am glühenden Wolframdraht immer eine kleine Menge an Wolfram. Mit der Zeit führt das zu einer Verdünnung des Wolframdrahtes. Dieser Effekt ist der Grund für die relativ kurze Lebensdauer von Glühlampen. Das verdampfte Wolfram setzt sich bei normalen Glühlampen am Glaskolben ab, was deren Schwärzung erklärt. Je höher die Temperatur des Wolframdrahtes ist, desto mehr Wolfram verdampft. Darum begrenzt man bei normalen Glühlampen die Brenntemperatur des Wolframdrahtes, was die Effizienz geringhält.
Bei Halogenlampen hingegen verbindet sich das Brom mit dem ausgedampften Wolfram zu Wolframbromid, das sich nicht am Glaskolben absetzt. Die hohe Brenntemperatur des Wolframdrahtes zerlegt das Wolframbromid wieder, wobei das freiwerdende Wolfram sich am Wolframdraht niederschlägt. Damit dünnt der Wolframdraht nicht aus. Aus diesem Grund können Halogenlampen mit höherer Brenntemperatur betreiben werden. Das verbessert deren Effizienz gegenüber normalen Glühlampen, ohne die Lebensdauer negativ zu beeinflussen. Halogenlampen haben in der Regel zumindest die doppelte Lebensdauer bei gleichen Einsatzbedingungen als herkömmliche Glühlampen.