Ich möchte mich bei diesem Vergleich auf gängige Leuchtmittel im Wohnbereich beschränken. (Abbildung 1) Andere Anwendungen, wie zum Beispiel Straßenbeleuchtung oder Beleuchtung bei der Aufzucht von Pflanzen, haben andere Erfordernisse.

Funktionsweise der verschiedenen Leuchtmittel

Glühlampe

Die Glühlampe ist eine Leuchtfadenlampe. Erste Experimente mit Glühlampen wurden ab der Zeit um 1820 gemacht, es ist nicht klar, wer dieses Leuchtmittel zuerst erfunden hat. Thomas Alva Edison hat, entgegen einer weit verbreiteten Meinung, die Glühlampe nicht erfunden, sondern verbessert und 1880 zum Patent angemeldet. Damals wurden Kohlefäden in Glühlampen verwendet. Auf Grund ihrer niedrigen Energieeffizienz ist die Produktion in vielen Staaten inzwischen verboten.

Der elektrisch leitende Glühfaden besteht bei modernen Glühlampen aus dem Metall Wolfram, so dass man auch von einem Glühdraht sprechen kann. Der elektrische Strom fließt direkt durch den Glühfaden und erwärmt ihn dabei bis zur Weißglut.

Damit die Glühlampe hell leuchtet, ist der Glühdraht sehr dünn und wird sehr hoch erhitzt. Zur Vergrößerung der leuchtenden Oberfläche wird der Glühdraht zu einer Spirale gewickelt und diese Spirale oft nochmal spiralig aufgewickelt, der Glühdraht hat dann die Form eine Doppelwendels. (Abbildung 2).

Der Glühfaden ist in einem, oft birnenförmigen, Glaskolben eingeschlossen, zum Schutz des Glühfadens gegen Verbrennen war in diesem Glaskolben früher Vakuum, bei modernen Glühlampen ist der Glaskolben mit einem Schutzgas gefüllt. Dieses Schutzgas ist meistens eine Mischung aus Argon und Stickstoff, für besonders helle, weil heiße, Glühlampen wird auch das teurere Xenon verwendet.

Der Glühdraht ist sehr bruchempfindlich und wird daher, wenn er länger ist, mit Stützen aus Draht gehalten. Glühlampen fallen fast immer wegen eines gebrochenen Glühfadens aus. Gerade der heiße Glühfaden ist sehr empfindlich gegen Erschütterungen. Zusätzlich verdampfen im Betrieb Teile des Glühfadens und er wird auf diese Weise immer dünner und zerbrechlicher.

Da die elektrische Leitfähigkeit des Glühdrahts mit höherer Temperatur sinkt, passt die Glühlampe ihre Stromaufnahme in einem gewissen engen Rahmen an die Versorgungsspannung an und kann daher direkt an unstabilisierter Gleich- und Wechselspannung betrieben werden. Daher sind Glühbirnen sowohl für Batteriebetrieb als auch für Betrieb an Netzspannung geeignet.

Halogenglühlampen arbeiten nach dem selben Prinzip, zusätzlich wird aber in das Schutzgas das Halogen Iod beigemengt. Dadurch ist der Betrieb bei höherer Temperatur und höherem Druck möglich, was sich positiv auf die Lichtausbeute und die Lebensdauer auswirkt. Durch eine spezielle Beschichtung auf der Innenseite des Glases, die die Wärmestrahlung nach innen reflektiert, wird die Energieeffizienz gegenüber der klassischen Glühlampe verbessert.

Die Lichtfarbe einer Glühlampe hängt stark von der Temperatur des Leuchtfadens ab. Bei niedrigen Temperaturen strahlt sie stärker im roten und infraroten Bereich, bei höherer Temperatur werden auch die Blautöne immer stärker betont, trotzdem dominiert der Infrarot- und Rotanteil. (Abbildung 3)

Da Glühlampen schon sehr lange am Markt sind, gab es bis zu ihrem Verbot viele Hersteller, die die notwendigen Maschinen hatten, was zu sehr geringen Preisen geführt hat.

Leuchtstoffröhren

Leuchtstoffröhren sind Gasentladungslampen, in denen sich ein Gas im Plasma-Zustand befindet und daher in einer für das Gas charakteristischen Farbe leuchtet.

In der Röhre befindet sich ein Gas, meist Argon, unter stark reduziertem Druck sowie Quecksilber. Im ausgeschalteten, kalten Zustand ist das Quecksilber nur teilweise verdampft, aber großteils in flüssiger Form an der Glaswand der Röhre kondensiert. Im Betrieb ist das Quecksilber verdampft und das Quecksilber-Argon-Gemisch ist ionisiert und leuchtet in Form von Plasma stark bläulich-weiß.

Leuchtstoffröhren können nicht direkt an der Netzspannung betrieben werden, da dabei der elektrische Strom sehr schnell sehr stark ansteigen und die Röhre überhitzen würde. Daher werden Leuchtstoffröhren mit einer externen Strombegrenzung ausgestattet, dem Vorschaltgerät. Das ist im einfachsten Fall ein Widerstand, der in Serie mit der Röhre geschaltet wird. Bei Gleichspannungsbetrieb, zum Beispiel in Straßenbahnen, wurden früher dafür Glühlampen verwendet. Bei Wechselspannungsbetrieb wird dieser Widerstand als Drosselspule ausgeführt, um die thermischen Verluste zu minimieren. Die Spule hat aber den Nachteil einer starken Phasenverschiebung, daher werden Kompensationskondensatoren eingesetzt, um die Phasenverschiebung wieder aufzuheben.

Moderne elektronische Vorschaltgeräte arbeiten als Konstantstromquellen und versorgen die Leuchtstoffröhre unabhängig von der Netzfrequenz mit einem Wechselstrom mit höherer Frequenz, zum Beispiel 50 kHz, bei dieser Frequenz ist das Plasma leitfähiger und ein effizienterer Betrieb möglich.
Zum Starten einer Leuchtstoffröhre aus dem kalten Zustand sind besondere Vorkehrungen notwendig, es muss sich das Gas erst in Plasma verwandeln, damit es ausreichend leitfähig ist.

Dazu sind an den beiden Anschlüssen Heizungen angebracht, die zunächst zum Glühen gebracht werden. Das erwärmt einerseits das Gas und erleichtert andererseits den Elektronen den Übergang aus den Anschlüssen, Elektroden genannt, in das Gas. Beim Vorheizen der Elektroden verbindet der Starter die beiden Heizdrähte der beiden Seiten miteinander, so dass der Strom über die Drossel durch beide Heizdrähte fließt. Nach einigen Sekunden öffnet der Starter diese Verbindung. Die Drossel erzeugt durch das in ihr zusammenbrechende Magnetfeld eine starke Spannungsspitze in der Röhre, die einen ersten elektrischen Überschlag zwischen den Elektroden bewirkt, eine Art Zündfunken. Entlang dieses Funkens wird das Gasgemisch ionisiert und es bildet sich Plasma, über das der Strom nun fließt und weiteres Plasma erzeugt, das binnen kürzester Zeit die ganze Röhre füllt. Damit ist der normale Leuchtbetrieb gegeben und es stellt sich zwischen den Elektroden eine Brennspannung von circa 100V ein.

Der Starter wurde früher als Glimmlampe ausgeführt, in der die Elektroden aus Bimetall waren, die sich bei Erwärmung gebogen haben. Nach einigen Sekunden glimmen, haben sich die Elektroden des Starters berührt und den Stromkreis für die Heizung der Röhre geschlossen. Da der Starter nun nicht mehr glimmt, kühlt er sich ab und nach einigen Sekunden öffnen sich die Kontakte wieder und es kommt hoffentlich zur Zündung. Bei der Brennspannung von 100 Volt glimmt der Starter nicht und bleibt daher kalt. Wenn es nicht zur Zündung kommt, fängt der Starter wieder zu glimmen an und der Vorgang wird wiederholt, so lange bis die Röhre zündet. Solche Starter sind Verschleißteile und darum leicht austauschbar. Typische Probleme beim Start sind Starter, bei denen die Kontakte sich nicht mehr trennen, daher wird die Röhre dauernd geheizt und nicht gestartet. Nach einiger Zeit brennt dann die Heizung durch und die Röhre wird auch defekt.

Moderne Starter sind elektronisch und starten die Leuchtstoffröhre schonend, wodurch sich die Lebensdauer erhöht. Bei elektronischen Vorschaltgeräten ist die Startelektronik Teil des Vorschaltgeräts.
Die Leuchtstoffröhre leuchtet in einem für das Quecksilber typischen weiß-blauen Farbgemisch aus einigen Einzelfarben und einem hohen ultravioletten Anteil. Um ein angenehmeres Licht mit einem gleichmäßigeren Spektrum zu erreichen, wird die Innenseite der Leuchtstoffröhre mit einem Leuchtstoff beschichtet, der aus dem UV-Licht sichtbares Licht macht, aber auch die sichtbaren Lichtanteile, vor allem das blaue Licht, verändert. Die Zusammensetzung dieser Beschichtung ermöglicht verschiedene Lichtfarben, zum Beispiel warm-weiß oder Tageslicht-weiß. Dafür werden in der Praxis meist Mischungen aus drei und mehr Leuchtstoffen verwendet. (Abbildungen 4 und 5)

Energiesparlampen

Energiesparlampen sind kompakte Leuchtstofflampen, bei denen Röhre, elektronisches Vorschaltgerät und Startelektronik in einem kleinen Gehäuse untergebracht sind. (Abbildungen 6 und 7) Sie sollen Glühlampen ersetzen und haben gleiche Anschlüsse, meist Schraubsockel der Größe E14 und E27, und sind oft in Form und Größe den klassischen Glühlampen nachempfunden.

Genauso wie Leuchtstoffröhren benötigen sie einige Sekunden zum Starten und erreichen erst nach einigen Minuten ihre Betriebstemperatur und ihre volle Helligkeit. Durch geeignete Elektronik des Vorschaltgeräts wird versucht, die Einschaltverzögerung möglichst kurz zu bekommen, am besten unter eine Sekunde.

Energiesparlampen konnten vor allem bei ihrer Einführung nur wenige große Unternehmen herstellen, diese haben durch das Verbot von Glühlampen anfangs wirtschaftlich profitiert. Später konnten Energiesparlampen auch von vielen anderen Herstellern erzeugt werden.
Inzwischen werden Energiesparlampen immer weniger installiert und immer mehr durch LED-Leuchtmittel verdrängt.

LED-Leuchtmittel

LED Leuchtmittel beruhen auf dem Leuchteffekt von Halbleiterkristallen in Leuchtdioden. Dabei beginnt ein Kristall aus einem speziellen Halbleitermaterial zu leuchten, wenn er mit elektrischem Strom durchflossen wird. Die Leuchtfarbe ist spezifisch für das verwendete Halbleitermaterial und, weil es sich dabei nur um einfarbiges Licht und niemals um weißes Licht handelt, für Beleuchtungszwecke nicht geeignet.
Um aus diesem einfarbigen Licht weißes zu erzeugen, das aus einer Mischung vieler Lichtfarben besteht, wird die gleiche Technik wie bei Leuchtstofflampen angewandt: Es wird eine Leuchtdiode aus Galliumnitrid, die blau leuchtet, mit einem Leuchtstoff (englisch: phosphor, damit ist aber nicht das chemische Element Phosphor gemeint) umgeben, das einen Teil des Lichts in längerwelliges gelbes bis rotes Licht umwandelt. (Abbildung 8 und 9) Auf diese Weise entsteht der Eindruck eines weißen Lichts. Mit verschiedenen Leuchtstoffen können hier, wie bei den Leuchtstofflampen, verschiedene Lichtfarben erzeugt werden.

Anfangs konnten nur schmalbandige Lichtspektren erzeugt werden, die Farben nur schlecht wiedergeben können. Inzwischen wurden die Leuchtstoffe stark verbessert, sodass das Licht für allgemeine Beleuchtung gut geeignet ist. Es besteht aber immer noch eine ein starkes Maximum im blauen Bereich, das Licht ähnelt in der Farbe den Lichtverhältnissen an einem sonnigen Vormittag.

Die wenigsten Hersteller der LED-Leuchtmittel erzeugen selbst die Einzelteile, sondern bauen diese meistens aus zugekauften Komponenten zusammen. Manche Hersteller verwenden eine selbst entworfene Ansteuerungselektronik oder sie passen allgemein bekannte Schaltungen an.

LED-Leuchtmittel bestehen aus meist mehreren Leuchtdioden und einer Ansteuerungselektronik, die die Netzspannung umwandelt. Leuchtdioden müssen mit Gleichstrom betrieben werden und benötigen eine Konstantstromquelle. Von der Ausführung der Ansteuerungselektronik hängt die Qualität des LED-Leuchtmittels wesentlich ab. Minderwertige Elektronik führt zu verfrühten Ausfällen und zu einem hohen Flimmer-Anteil. Für die Ansteuerung existieren am Markt fertige spezialisierte integrierte Schaltungen. Alle Komponenten werden in einem Gehäuse untergebracht, das oft der Form von Glühlampen nachempfunden ist, damit man die LED-Leuchtmittel als Ersatz von Glühlampen in bestehenden Leuchten verwenden kann.

Die Leuchtdioden sind oft auf einer Leiterplatte angebracht und strahlen nach vorne ab. Über dieser Leiterplatte befindet sich eine Kuppel aus weißem Kunststoff, die zumindest eine halbkugelförmige Abstrahlung ermöglicht.

Eine andere Bauform sind Filament-Leuchtdioden. Dabei sind einige Leuchtdioden auf dünnen Stäben knapp nebeneinander angeordnet und mit einer Schicht aus Leuchtstoff umgeben. Diese Stäbe leuchten als Ganze und werden in einem Glaskolben ähnlich wie ein Glühfaden bei einer Glühlampe montiert, meistens zwei, vier oder sechs solcher Leuchtstäbe. Die Elektronik wird im Sockel untergebracht. Auf diese Weise ist eine Abstrahlcharakteristik möglich, die Glühlampen ähnlich ist. (Abbildung 10 und 12)

Leuchtdioden sind sehr temperaturempfindlich, daher muss beim Aufbau und der Verwendung von LED-Leuchtmitteln auf ausreichende Kühlung durch die umgebende Luft geachtet werden, daher haben LED-Leuchtmittel mit größerer Leistung oft Kühlschlitze oder Kühlrippen.

Oft werden LED-Leuchtmittel fix in Leuchten verbaut. Das hat den Vorteil, dass die Geometrie von Leuchtmittel und Leuchte gut aufeinander abgestimmt werden können. Der Nachteil ist, dass das Leuchtmittel oder die Ansteuerung nicht getauscht werden können und ein Ausfall einer Komponente daher einen Totalschaden für die Leuchte bedeutet.

Vor- und Nachteile

Wie hell ist hell?

Das Ziel von Beleuchtung ist im allgemeinen, den Menschen das Sehen zu erleichtern. Eine Beleuchtung, die das besser ermöglicht, wird oft als heller bezeichnet. Helligkeit in dieser Bedeutung lässt sich aber nicht einfach als eine Größe erfassen. Es ist das Zusammenspiel mehrerer Eigenschaften, die Licht für Beleuchtungszwecke brauchbar macht:

• Lichtstrom
• Lichtstärke
• Lichtfarbe
• Farbwiedergabe
• Flimmern

Lichtstrom und Energieeffizienz

Der Lichtstrom eines Leuchtmittels ist die gesamte von ihm abgegebene sichtbare Lichtstrahlung, unabhängig von der Richtung. Der Lichtstrom wird in Lumen angegeben und ist auf der Verpackung und oft auch direkt am Leuchtmittel aufgedruckt. Je mehr von der vom Leuchtmittel aufgenommenen elektrischen Energie in sichtbares Licht umgewandelt wird, umso energieeffizienter ist es. Zur leichteren Vergleichbarkeit der Energieeffizienz wurde das EU-Energielabel geschaffen, das die Leuchtmittel in Energie-Effizienzklassen A++ bis E einteilt.

Glühlampen strahlen nur circa 5% der aufgenommen elektrischen Leistung als sichtbares Licht aus, der Rest wird als Wärme im Infrarotbereich abgestrahlt. Die Effizienz beträgt circa. 10-15 Lumen pro Watt.

Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen erreichen eine Energieeffizienz von 50-100 Lumen pro Watt.

LED-Leuchtmittel erreichen eine Energieeffizienz von über 100 Lumen pro Watt. (Prototypen der LEDS Hersteller erreichen inzwischen schon mehr als 300 Lumen pro Watt)

Die Messung des Lichtstroms ist schwierig, da die Abstrahlung in alle Richtungen einbezogen werden muss. Die Angaben der Leuchtmittel-Hersteller sind daher oft nur theoretische Zahlen, die aus den Werten der einzelnen Komponenten (LEDs) gerechnet wurden und nicht immer die Geometrie des Leuchtmittels berücksichtigen. In der Praxis kann der angegebene Lichtstrom oft nicht erreicht werden, aber das ist meist kein Problem, da die Lichtstärke in der Anwendung viel bedeutender ist.

Lichtstärke

Die Lichtstärke gibt die Abstrahlung von sichtbarem Licht in eine bestimmte Richtung an und ist daher richtungsabhängig. Neben dem Leuchtmittel und seiner Geometrie selbst spielt dabei auch die Abstimmung der Leuchte auf das Leuchtmittel eine große Rolle, das sollte man beachten, wenn man bei einer Leuchte, die ursprünglich für Glühlampen gebaut wurde, moderne Leuchtmittel einsetzen will.

Glühlampen strahlen fast gleichmäßig in alle Richtungen, ausgenommen in Richtung des Sockels.

Halogenglühlampen mit sehr kleinem Glühfaden sind beinahe punktförmige Lichtquellen.Der Glühdraht strahlt aber auch in Richtung des Sockels und erwärmt so den Sockel sehr stark.

Glühlampen mit mattem Glas hingegen haben eine größere, dafür aber weniger hell leuchtende, Fläche und blenden weniger.

Um die Strahlung in eine Richtung zu Bündeln gibt es Glühlampen, deren Rückseite verspiegelt ist und so einen Reflektor bildet. Dieser Reflektor besteht aus einer dünnen Metallbeschichtung am Glas.

Leuchtstoffröhren leuchten über die volle Länge gleichmäßig, nur an den Enden nimmt die Lichtstärke ab und in Richtung der Anschlüsse können sie überhaupt nicht strahlen.

Energiesparlampen strahlen auch in alle Richtungen ab, auch hier erzeugt der Sockel einen Schatten hinter der Lampe.

LEDs strahlen von Natur aus in eine Richtung, weil sie auf einer reflektierenden Metallschüssel aufgebaut sind, die als Kathode dient und eine Abstrahlung nach hinten verhindert und den Halbleiter kühlt.

Dadurch ist es leichter, LED-Leuchtmittel zu bauen, die vorwiegend nach vorne abstrahlen. Um auch eine Lichtabstrahlung zur Seite zu erreichen, wird oft über den (meist mehreren) LEDs eine milchig-weiße Kunststoffkuppel angebracht, die das Licht streut. Im und vor dem Sockel befindet sich die Ansteuerungselektronik, darum leuchten diese Leuchtmittel nicht nach hinten. (Abbildung 11)

Um das Aussehen und die Abstrahl-Charakteristik von Glühlampen zu imitieren, wurden LED-Leuchtmittel mit Filament-LEDs entwickelt. (Abbildung 12) Dabei sind meist circa 30 LEDs auf einer dünnen Leiste nebeneinander angeordnet und gemeinsam mit dem Leuchtstoff umgeben. (Abbildung 13) Die Ansteuerungselektronik ist bei diesen Leuchtmitteln vollständig im Sockel untergebracht.

Wenn eine gebündelte Abstrahlrichtung erwünscht ist, kann das durch eine vorgesetzte Linse erfolgen. LEDs mit niedrigerer Leistung sind oft in einem durchsichtigen Kunststoffgehäuse eingegossen, das vorne rund ist und als Linse den Strahl bündelt. (Abbildung 14)

Lichtfarbe

Die Lichtfarbe wird als Farbtemperatur in Kelvin angeben (z.B. 3800K oder 4000K). Alternativ sind auch Bezeichnungen wie Warmweiß, Neutralweiß und Kaltweiß üblich. Der Hintergrund dieser Bezeichnungen ist, dass ein glühender Körper bei niedriger Temperatur rot leuchtet und erst bei höherer Temperatur immer mehr weiß zu leuchten beginnt.

Sonnenlicht hat je nach Tageszeit 5000K bis 6000K. Eine Kerze hat circa 1500K.

Glühlampen haben normalerweise eine Farbtemperatur von 2600K bis 2800K.

Halogenglühlampen haben eine Farbtemperatur von circa 2800K. Für spezielle Beleuchtungszwecke wie Autoscheinwerfer oder Filmleuchten werden auch Halogenlampen mit einer Farbtemperatur von 3000K bis 3400K hergestellt.

Leuchtstofflampen haben je nach Leuchtstoff eine Farbtemperatur 3200K bis 5200K.

LED-Leuchtmittel werden mit Farbtemperaturen von 2700K (Warmweiß) über 4000K (Neutralweiß) bis 6500K (Kaltweiß) angeboten.

Leuchtstofflampen und LED-Leuchtmittel haben kein kontinuierliches Spektrum, sondern einige dominante Farben. Die angegebene Farbtemperatur ist dabei die vom Auge empfundene Lichtfarbe.

Farbwiedergabe-Index

Zu der Zeit als Leuchtstoffröhren vor allem in Büros zunehmend Glühlampen ersetzten, ist aufgefallen, dass bei Leuchtstoffröhrenlicht nicht alle Farben gleich gut zu erkennen sind.

Die Ursache dafür ist das ungleichmäßige Lichtspektrum, das bei alten Leuchtstoffröhren aus einigen wenigen schmalen Bändern besteht.

Um die Qualität der Farbwiedergabe beurteilen zu können, wurde der Farbwiedergabe-Index eingeführt. Dafür wurden acht genormte Farben ausgewählt, und die Wiedergabe von Farben wird einzeln im Vergleich zur Referenzlichtquelle bewertet und der Durchschnitt dieser Werte gebildet. (Abbildung 15 Farben Nummer 1 bis 8 auf der linken Seite)

Die Referenzlichtquelle ist ein „schwarzer Strahler“, also eine Lichtquelle mit kontinuierlichem Spektrum mit gleicher Farbtemperatur wie zum Beispiel eine Glühlampe. Ab einer Farbtemperatur von 5000K wird das Tageslicht als Referenz genommen.

Lichtquellen mit einem kontinuierlichen Spektrum, wie z.B. Tageslicht oder Glühlampen, erreichen einen Farbwiedergabe-Index von 100, weil sie ja der Referenzlichtquelle entsprechen.

Alte Leuchtstoffröhren haben einen Farbwiedergabe Index von 50, moderne Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen von 80 bis 90.

LED-Leuchtmittel erreichen inzwischen bis zu 98.

Ein hoher Farbwiedergabe-Index bedeutet aber nicht automatisch, dass alle Farben gut wiedergegeben werden, nur dass die 8 genormten Testfarben gut wiedergegeben werden und auch das nur im Durchschnitt dieser 8 Testfarben.

Flimmern

Flimmern bezeichnet einen raschen Wechsel der Helligkeit über die Zeit. Als Folge der Versorgung mit Wechselspannung tritt meist Flimmern mit 100 Hz, also der doppelten Netzfrequenz auf.

Bei elektronischer Ansteuerung kommt meist noch ein höherfrequentes Flimmern mit 40kHz bis 100 kHz dazu, solche Frequenzen können aber vom Auge nicht mehr erfasst werden und werden daher nicht als störend empfunden.

Glühlampen mit größerem Querschnitt und höherer Temperatur des Leuchtfadens flimmern weniger, weil der Leuchtfaden nicht so rasch auskühlt. Darum flimmern Halogenlampen weniger als klassische Glühlampen.
Leuchtstofflampen flimmern normalerweise stärker als Glühbirnen, außer sie sind mit speziellen flimmerfreien Vorschaltgeräten ausgestattet.

Alle von mir untersuchten Energiesparlampen haben ein sehr starkes 100 Hz Flimmern gezeigt. Zusätzlich ist noch das höherfrequente Flimmern der Ansteuerung erkennbar. (Abbildung 16)

Nicht dimmbare LED-Leuchtmittel flimmern meistens nicht oder nur sehr wenig. Das ist auf die geringe Stromaufnahme der LEDs und ihre Gleichstromansteuerung zurückzuführen, die es erlaubt, mit Glättungskondensatoren das Flimmern zu verhindern.

Bei dimmbaren LED-Leuchtmittel tritt Flimmern wieder vermehrt auf und ist vom Grad der Dimmung abhängig. (Abbildung 17) Erstaunlicherweise gibt es große Unterschiede zwischen den Fabrikaten und und namhafte Marken liefern nicht immer bessere Ergebnisse.

Helligkeitsregelung

Glühlampen sind sehr gut in ihrer Helligkeit regelbar, weil die Helligkeit von der Betriebsspannung abhängt. Durch die geringere Temperatur des Glühfadens wird das abgegebene Licht dabei aber deutlich röter. An dieses schummrig-rote Licht hat man sich gewöhnt und es ist vielen Personen durchaus angenehm.

Früher wurde bei der Bühnenbeleuchtung die Helligkeit mit Regeltransformatoren durch Änderung der Scheitelspannung bei Beibehaltung der sinusförmigen Wechselspannung geregelt. Heutzutage arbeiten sogenannte Dimmer mit Phasenanschnittsteuerung, das bedeutet, dass ein mehr oder weniger großer Teil am Anfang jeder Halbwelle ausgeblendet wird. (Abbildung 18)

Bei Leuchtstoffröhren ist eine solche Steuerung auch denkbar, allerdings funktioniert der Startzyklus erst bei hoher Spannung, sodass nicht von dunkel auf hell geregelt werden kann. Dafür sind spezielle Starter-Schaltungen zur Vorheizung notwendig und auch dann können die Röhren erst ab einer gewissen Spannung leuchten. Aufwendigere Steuerungen schalten die Heizung ab einer gewissen Helligkeit ab, um die Heizdrähte zu schonen.

Bei Verwendung von elektronischen Vorschaltgeräten für Leuchtstoffröhren ist eine Helligkeitsregelung nur bei speziell dafür gebauten Geräten möglich die die Röhren vorheizen. Aufwendigere Steuerungen schalten die Heizung ab einer gewissen Helligkeit ab, um die Heizdrähte zu schonen.

Genauso sind die viele Energiesparlampen nicht dimmbar.
Auch bei LED-Leuchtmitteln gibt es nicht dimmbare und dimmbare. Es hat sich aber gezeigt, dass dimmbare LED-Leuchtmittel stärker flimmern als nicht dimmbare. (Abbildung 17)

Elektromagnetische Verträglichkeit

Die klassische Elektroinstallation ist für lineare Verbraucher ausgelegt, das sind Ohmsche Verbraucher, bei denen die Stromaufnahme proportional und phasengleich zur Spannung erfolgt. Drei um 120° phasenverschobene Außen-Leiter haben einen gemeinsamen Rückleiter, in dem sich die Ströme idealerweise bei gleichmäßiger Belastung der drei Leiter aufheben, zumindest kann aber der Strom am Rückleiter nicht größer als der maximale Strom an einem Außenleiter sein. Das ist bei Betrachtung der drei Leiter als Eckpunkte eines gleichschenkeligen Dreiecks auch sofort ersichtlich, gilt aber leider nur, wenn der Strom gegenüber der Spannung nicht verschoben ist. Wenn der Strom in den einzelnen Leitern verschieden verschoben ist, könnte es im theoretischen Extremfall sogar zum dreifachen Strom im Rückleiter kommen. (nämlich dann, wenn zum Beispiel der Strom im ersten Leiter nicht verschoben ist, im Zweiten um 120° verschoben ist und im Dritten um 240° verschoben ist, addieren sich die drei Ströme anstatt einander auszulöschen.)

Die Dimensionierung der Elektroinstallation geht aber im Haushalt von Ohmschen Verbrauchern ohne Phasenverschiebung aus und darum ist der Rückleiter nur genauso stark dimensioniert wie die Außen-Leiter. Aus diesem Grund sind Phasenverschiebungen oder verzerrte Ströme zu vermeiden.

Elektronische Geräte und hier im speziellen Energiesparlampen und LED-Leuchtmittel haben eine stark verzerrte Stromaufnahme, typisch ist eine einzelne steile Spitze je Halbwelle. Bei der geringen Stromaufnahme eines einzelnen Leuchtmittels ist das sicher kein Problem, aber bei großen Beleuchtungsanlagen (z.B. in industriellen Anwendungen) sollte man das nicht aus den Augen verlieren. Die Abbildungen zeigen die Stromaufnahme der einzelnen Leuchtmittel über die Zeit. Ideal wäre eine sinusförmige Stromaufnahme, wie wir sie bei der Glühlampe vorfinden. (Abbildung 19 bis 21)

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In der Frequenzanalyse (FFT) zeigt die Glühbirne eine einzige Spitze bei der Netzfrequenz von 50 Hertz, so sollte es auch sein. Die anderen Leuchtmittel zeigen zusätzlich unterschiedlich starke Spitzen bei den ungeraden Oberwellen (150Hz, 250Hz, 350Hz, … ;analysiert wurde nur bis 2500Hz, die äußerst rechte Spitze ist daher bei 2450 Hz)
Man sieht, dass alle Leuchtmittel, außer der Glühlampe, von der Kurvenform der Stromaufnahme her ungünstig sind. Es ist zu befürchten, dass empfindliche Geräte durch diese Oberwellen gestört werden können. (Abbildung 22 bis 24)

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Das dimmbare LED-Leuchtmittel nähert die Stromaufnahme zumindest in Form einer zweistufigen Treppe an die Sinuskurve an. Das führt auch zu deutlich weniger Oberwellen in der Frequenzanalyse, leider aber nur im nicht gedimmten Zustand. (Abbildung 25 und 26)

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Lebensdauer

Bei der Glühlampe verdampft im Betrieb immer mehr vom Glühfaden, daher fällt dieser nach etwa 1000 Stunden aus. Das verdampfte Metall schlägt sich am kühleren Glas als schwarze bis metallisch glänzende Schicht nieder.

Bei Halogenlampen herrscht im Glaskolben ein höherer Druck, der das Verdampfen des Glühfadens verzögert, daher halten Halogenlampen in der Regel 2.000 Stunden.

Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen haben eine Lebensdauer von 3.000-15.000 Stunden, bei Leuchtstoffröhren nützt sich der Heizdraht ähnlich wie der Glühfaden bei Glühlampen ab. Energiesparlampen fallen meistens aus, weil die elektronische Ansteuerung defekt wird und nicht getrennt getauscht werden kann.

LED-Lampen sind am langlebigsten und leuchten bis zu 30.000 Stunden, die LEDs selbst fallen meist nicht aus, sondern geben nur etwas weniger Licht ab, auch hier begrenzt fast immer ein Ausfall der Ansteuerungselektronik die Lebensdauer.

Häufiges Ein- und Ausschalten (zum Beispiel Treppenhauslicht) ist besonders für Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen schädlich. Geeignete elektronische Vorschaltgeräte können aber hier die Lebensdauer verlängern. Die Zyklenfestigkeit (zum Beispiel 100.000 Schaltungen) wird bei vielen Energiesparlampen und LED-Leuchtmitteln auf der Verpackung angegeben.

Glühlampen mit (beinahe) unendlicher Lebensdauer

Häufig hört man, dass die Lebensdauer von Glühbirnen von den Herstellern absichtlich begrenzt wird und dass es möglich wäre, Glühbirnen mit beinahe unendlicher Lebensdauer herzustellen.

Tatsächlich steigt die Lebensdauer von Glühbirnen mit sinkender Temperatur des Glühfadens, dabei sinkt aber auch die Energieeffizienz, weil viel mehr der eingesetzten elektrischen Energie in Wärme umgewandelt wird. Außerdem verschiebt sich die Lichtfarbe bei niedriger Temperatur des Leuchtfadens in Richtung rot. Es gilt also, einen Kompromiss zwischen Lebensdauer, Energieeffizienz und Leuchtfarbe zu finden. (Abbildung 27)

Das zwischen 1925 und 1941 bestehende Phoebus-Kartell, ein Zusammenschluss von Glühlampenherstellern, hat diese Parameter herstellerübergreifend geregelt und Glühlampen damit vergleichbar und austauschbar gemacht. Zur Einhaltung dieser Parameter wurde auch eine mittlere Lebensdauer von 1000 Stunden vereinbart, was sicher ein angenehmer Nebeneffekt für die Leuchtmittelindustrie war.

Die Glühlampe mit den meisten Betriebsstunden leuchtet seit 1901 fast ununterbrochen in einer Feuerwache in der Nähe von San Francisco. Diese Glühlampe liefert aber sehr wenig Licht, die Leistung beträgt circa 4 Watt, obwohl sie ursprünglich 60 Watt Leistung hatte. Das ist vermutlich auch der Grund für die lange Lebensdauer.

Kosten

Bei den Kosten ist zwischen den reinen Anschaffungskosten und der Lebensdauer einerseits und den Betriebskosten, die vom Energieverbrauch abhängen, andererseits zu unterscheiden.

Glühlampen hatten zum Schluss sehr geringe Anschaffungskosten, waren aber im Betrieb wegen der schlechten Energieeffizienz von nur 10 lm/W sehr teuer und haben eine Lebensdauer von nur circa 1000 Stunden.
Halogenlampen sind ebenfalls in der Anschaffung günstig, und haben eine nicht viel bessere Energieeffizienz, aber eine doppelt so lange Lebensdauer von circa 2000 Stunden.

Energiesparlampen sind teurer, aber mit 3000-15.000 Stunden auch langlebiger und mit 50 bis 100 lm/W viel energieeffizienter.

LED-Leuchtmittel sind zwar in der Anschaffung noch etwas teurer als Energiesparlampen, aber durch die lange Lebensdauer von bis zu 30.000 Stunden und der Energieeffizienz von über 100 lm/W auf lange Sicht das preisgünstigste Leuchtmittel.

Mit wieviel Lumen man eine ausreichende Beleuchtung erzielen kann, hängt aber auch sehr stark von der Bauform der Leuchte, der Eignung der Leuchte für den Beleuchtungszweck und der Abstimmung zwischen Leuchte und Leuchtmittel ab. Ein beliebiges LED-Leuchtmittel ist daher nicht für alle Anwendungen die richtige Wahl.

Inzwischen werden viele LED-Leuchten angeboten, wo man das Leuchtmittel nicht austauschen kann. Damit kann zwar bei geschickter Konstruktion eine verbesserte Lichtausbeute erzielt werden, aber wenn das LED-Leuchtmittel nach langer Zeit doch ausfällt, muss die ganze Leuchte getauscht werden und oft fällt die Ansteuerelektronik noch vor dem Leuchtmittel aus. Die Hersteller geben auch üblicherweise nicht die zu erwartende Lebensdauer von kompletten LED-Leuchten an, bei austauschbaren Leuchtmittel aber schon.

Gesundheitliche Auswirkungen

Quecksilber

Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen enthalten giftiges Quecksilber. Seit dem 31.12.2018 dürfen Leuchtstofflampen nur mehr sehr wenig Quecksilber enthalten. (Verordnung EU 2017/852 „Quecksilbervorordnung“ Anhang 2)

Wenn ein solches Leuchtmittel zu Bruch geht, sollte man den Raum trotzdem gut lüften.

Die Entsorgung darf auch bei unbeschädigten Leuchtmitteln nicht über den Hausmüll erfolgen. Im Handel werden defekte Leuchtmittel gesammelt und zum Recycling weiter gegeben.

Galliumnitrid

LED-Leuchten beinhalten sehr wenig Galliumnitrid, das kaum giftig ist, in fester Form vorliegt und zudem vom Leuchtmittel umgeben ist. Es wird auch bei Zerstörung des Leuchtmittels eher nicht freigesetzt. Es ist nicht davon auszugehen, dass von den Halbleitern in den LEDs eine Vergiftungsgefahr ausgeht. Das krebserregende Galliumarsenid, vor dem manchmal in Zusammenhang mit LED gewarnt wird, wird für weiße LEDs nicht verwendet, es kommt nur in roten und Infrarot-LEDs vor, und dort auch nur in sehr kleiner Menge und ist durch die Kunststoffhülle sicher eingeschlossen.

Elektronische Bauteile

In der Ansteuerungselektronik von Energiesparlampen und LED-Leuchtmitteln sind auch Elektrolyt-Kondensatoren. Die enthaltene Flüssigkeit enthält oft giftige Bestandteile wie Schwefelsäure oder Borsäure. Solange die Leuchtmittel nicht gewaltsam zerstört werden, ist mit einem Austritt des Elektrolyts nicht zu rechnen. Die Leuchtmittel sollten jedoch am Ende der Lebensdauer korrekt als Elektronikschrott dem Recycling zugeführt werden und keinesfalls verbrannt oder deponiert werden.

Blue Light Hazard

Blaues Licht wird durch die Hornhaut nicht abgeschirmt, da es zum sichtbaren Licht gehört, und wird, wie andere Farben auch, von der Netzhaut aufgenommen und dort als Lichtreiz verarbeitet.

Neue Studien legen nahe, dass blaues Licht (mit einer Wellenlänge zwischen 400nm und 450nm) und UV-A-Licht die Netzhaut schädigen. Diese Erkrankung wird Photoretinitis oder Blue Light Hazard genannt. Mit zunehmenden Alter nimmt die Filterwirkung der natürlichen Linse im Auge im Blau und UV-Bereich zu, sodass man besser geschützt ist. Wenn aber im Zuge einer Behandlung des grauen Stars die natürliche Linse durch eine künstliche ersetzt wird, fällt diese Filterwirkung wieder weg.

Die blaue Grundfarbe von weißen LED-Leuchtmitteln hat ihr Maximum bei einer Wellenlänge von ca. 450nm,

Quecksilber in Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen leuchtet (nebst anderen Farben) stark blau mit 405nm und 436nm, daher ist hier Vorsicht geboten. Man sollte auch nicht vergessen, dass weiße LEDs auch bei Computern, Fernsehern, und Smartphones das Leuchten der Bildschirme erzeugen.

Es sind aber bisher keine Fälle bekannt, wo so eine Erkrankung zweifelsfrei auf normalen Gebrauch von Leuchtmittel zurückgeführt werden konnte.

Bei LEDs mit warm-weißer Leuchtfarbe wird ein größerer Teil des blauen Lichtes in den gelb/roten Bereich verschoben, sodass der blaue Anteil geringer ist.
In dieser Hinsicht sind natürlich Glühlampen unbedenklich, weil sie nur wenig blaues Licht abgeben.

Tag-Nacht-Rhythmus

Es ist seit langem bekannt, dass das Umgebungslicht den Tag-Nacht-Rhythmus des Menschen beeinflusst. Das Hormon Melatonin, das in der Zirbeldrüse erzeugt wird, steuert diesen Vorgang. Erst 1991 wurden die dafür zuständigen photosensitiven Ganglienzellen im Auge, genannt ipRGC, entdeckt. Sie melden die Umgebungs-Helligkeit ans Gehirn und das steuert in der Folge die Ausschüttung von Melatonin. Die Freisetzung von Melatonin setzt in der Abenddämmerung ein und wird durch das morgendliche Tageslicht unterdrückt. Die ipRGC haben ihre höchste Empfindlichkeit im Blaubereich. Daher ist Licht mit einem hohen Blauanteil sehr gut dazu geeignet, die Aufmerksamkeit zu erhöhen. Abends vor dem Schlafen gehen ist das aber nachteilig und kann den Tag-Nacht-Rhythmus stören.

LED und Leuchtstoffröhren-Licht ist also unter diesem Gesichtspunkt als Arbeitslicht gut geeignet, am Abend und im Schlafbereich sind Glühlampen besser geeignet, noch mehr, wenn die Helligkeit mit Dimmern zurückgeregelt wird und die Lichtfarbe röter ist. Beschäftigung mit Bildschirmen wie Computer, Smartphone oder Fernseher sollte auch vor dem Schlafen gehen vermieden werden.
Das richtige Leuchtmittel für jede Anwendung
Zum Arbeiten eignen sich flimmerfreie LED-Leuchtmittel sehr gut, wenn sie einen guten Farbwiedergabe-Index haben.

Als Schlafzimmerbeleuchtung und vor allem für Nachttischlampen scheinen Glühlampen besser geeignet zu sein, weil das Lichtspektrum eher dem natürlichen Licht zu Sonnenuntergang entspricht. Der erhöhte Stromverbrauch ist dann nicht so bedeutend, wenn dieses Licht nicht stundenlang eingeschaltet bleibt.

Im Wohnraum ist die Entscheidung schwieriger, für Arbeiten ist wohl LED-Licht besser geeignet, beim Abendessen wird Glühlampenlicht, eventuell mit Dimmer, allgemein als angenehmer empfunden.

Hier macht es Sinn, den Raum mit mehreren Leuchten mit jeweils verschiedenen Leuchtmitteln auszustatten, die man je nach Anwendung benützen kann.

Für Treppenhäuser und Gänge ist eine LED-Beleuchtung, die den Raum gut und kontrastreich ausleuchtet, sinnvoll, damit man sich sicher durch das Haus bewegen kann. Für diese Anwendung sind aber nur LED-Leuchtmittel geeignet, die für viele Schaltvorgänge ausgelegt sind. Leuchten mit fix verbauten Leuchtmittel sollte man hier jedenfalls nicht verwenden, denn 100.000 Schaltzyklen sind bei 70 mal Einschalten pro Tag (ein Wert, der bei einem fensterlosen Gang in einem Mehrparteienhaus sehr wahrscheinlich weit überschritten wird) bereits nach 4 Jahren erreicht, bei jeweils 5 Minuten Einschaltdauer sind das in diesen 4 Jahren 8000 Betriebsstunden.

Sonderanwendungen

Während im Wohnbereich Energieeffizienz, Kosten und Farbwiedergabe die wichtigsten Entscheidungskriterien sind, gibt es bei speziellen Anwendungen oft andere Kriterien.

Straßenbeleuchtung

Straßenbeleuchtung soll so beschaffen sein, dass auch bei Nacht Hindernisse und Gefahren gut erkannt werden können. Dabei kommt es nicht so sehr auf gute Farbwiedergabe, sondern vor allem auf das Erkennen der Konturen an. Weil Straßenbeleuchtung viel Energie verbraucht, spielt die Energieeffizienz hier eine große Rolle. Ein weiterer Aspekt ist die Wartbarkeit. Der Leuchtmittelwechsel ist aufwändig und wird meist mit Fahrzeugen mit Hebebühnen durchgeführt und muss bei Helligkeit, also tagsüber erfolgen, und nicht in der verkehrsarmen Zeit bei Nacht. Meist werden, wegen des hohen Grundaufwands, nicht einzelne Straßenlaternen gewartet, sondern ganze Straßenzüge auf einmal. Darum sind Leuchtmittel mit langer und vor allem vorhersehbarer Lebensdauer vorteilhaft, weil sie gegen Ende der erwarteten Lebensdauer vorsorglich getauscht werden können.

Industrie

Bei Maschinenteilen besteht eine besondere Unfallgefahr im Stroboskop-Effekt. Dabei können sich drehende Teile als stehend erscheinen. Der Stroboskop-Effekt beruht darauf, dass die Beleuchtung flimmert und das Flimmern der Beleuchtung in einem beinahe ganzzahligen Verhältnis zur Drehzahl des Bauteils steht. Der Bauteil scheint sich dann langsam zu drehen, rückwärts zu drehen oder bei genau ganzzahligem Verhältnis sogar zu stehen. Um das zu vermeiden, sollte man möglichst flimmerfreie Leuchtmittel verwenden.

Außerdem ist die Lebensdauer des Leuchtmittels oft bedeutender als im Wohnraum. Wenn Leuchtmittel schwer zu wechseln sind, weil sie in großer Höhe angebracht sind oder zum Wechsel der Leuchtmittel Anlagen abgeschaltet werden müssen, übersteigen die Kosten des Leuchtmittelwechsels die reinen Materialkosten des Leuchtmittels bei Weitem.

Pflanzenbeleuchtung

Pflanzen benötigen zur Photosynthese blaues und rotes Licht. Grünes Licht wird nicht benötigt und wird reflektiert, darum erscheinen Pflanzenblätter grün.

Blaues Licht regt das Blattwachstum an und rotes Licht fördert die Bildung von Blüten und Früchten. (Abbildung 28 Absorptionsspektrum von Chlorophyll)

Zur künstlichen Beleuchtung von Pflanzen wurden spezielle Pflanzenlampen entwickelt, die ihre Emissionsmaxima im blauen und roten Bereich haben.

Diese Pflanzenlampen werden sowohl in der gewerblichen Pflanzenzucht als auch bei Zierpflanzen im Büro sowie Wohnbereich eingesetzt.

Haltung von Tieren

Beleuchtung von Terrarien soll einerseits für den Betrachter ein angenehmes Licht erzeugen, andererseits haben auch die Tiere bestimmte Ansprüche an Lichtstärke und Farbspektrum. Für die gesunde Entwicklung benötigen viele Reptilien neben dem sichtbaren Licht auch UV-Licht (UVA zwischen 310nm und 380nm, vorwiegend für die Vitamin D3-Synthese, manche Tierarten, die Gebiete in Äquatornähe oder auf Bergen bevölkern, benötigen auch UVB-Licht zwischen 280nm und 310nm) und ausreichend Wärme in Form von Infrarotstrahlung. Oft werden dafür Halogenlampen eingesetzt, die den Infrarotanteil und das sichtbare Licht liefern, ergänzt mit UV-Leuchtstoffröhren. Dabei ist eine über das Spektrum möglichst gleichmäßige Strahlungsverteilung anzustreben, vor allem reines UVB-Licht ohne Anteil an Infrarot und sichtbaren Licht kann gefährlich sein, weil dabei der natürliche Schutzreflex der Tiere ausgeschaltet wird.

Signalleuchten

Bei Signalleuchten wie z.B. Verkehrsampeln ist meistens einer Lichtfarbe eine bestimmte Information zugeordnet, zum Beispiel grün ist normal, rot bedeutet Gefahr. Dafür sind einfarbige LED-Lampen gut geeignet, weil sie eine lange Lebensdauer haben, gegen Erschütterungen unempfindlich sind und, im Vergleich zu weißen LEDs, eine bessere Lichtausbeute haben und daher weniger Abwärme erzeugen. Bei Verkehrsampeln sollen die einzelnen Signalleuchten groß und hell sein, hier werden die Signalleuchten aus mehreren einzelnen LEDs zusammengesetzt, dadurch ist das Signal auch bei Ausfall mehrerer LEDs noch erkennbar.