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Lichtstrom (lm, Lumen)
Der Lichtstrom ist die Leistungseinheit im lichttechnischen Maßsystem.
Wenn z.B. eine isotrop strahlende Lichtquelle mit 1 Candela leuchtet, d.h. 1 lm pro 1 sr aussendet, erhält man den Lichtstrom durch die Summierung der Lichtstärke über den gesamten Raum, der die Lichtquelle umgibt:
1x(lm:sr)x4x3,14xsr= 12,566 lm.
Die Beleuchtungsstärke, gemessen in Lux, lässt sich in Lichtstrom und Lichtstärke umrechnen.
Lumen = Lux x m²
Helligkeit ist nicht gleich Helligkeit:
Dass sich unsere menschliche Farbwahrnehmung messtechnisch nicht so leicht erfassen lässt ist einfach deomonstriert:
Man nehme eine grüne LED und eine rote LED, die beide dieselbe Strahlungsleistung abgeben. Mit einem Messgerät würde man bei beiden Leuchtdioden die gleiche Strahlung messen. Messtechnisch wären die beiden LEDs also gleichwertig.
Der Mensch sieht das aber anders. Unserem Auge erscheint die grüne LED um ein Vielfaches! heller als die rote. Wir stellen fest, die Augenempfindlichkeit hängt von der Wellenlänge des Lichtes ab.
Diese Abhängigkeit der Hellempfindlichkeit von der Wellenlänge ist in sogenannten Hellempfindlichkeitskurven von der CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) für einen Standard-Beobachter festgehalten.
Es gibt mehrere solcher Kurven für verschiedene Lichtverhältnisse(Dämmerung, Mittagssonne, usw.). Die nebenstehende Abbildung zeigt die Hellempfindlichkeitskurve für Tageslicht.
Wir sehen, das Maximum liegt bei ungefähr 550 nm, also bei grünem Licht. Bei rotem Licht ist die Hellempfindlichkeit um mehr als den Faktor 10! geringer.
Deswegen nehmen wir die rote LED (Wellenlänge ca. 650 nm) als viel dunkler wahr als die grüne (Wellenlänge ca. 550 nm), obwohl sie physikalisch die gleiche Strahlungsleistung abgibt.
mit unserem Lichtstrom (Lumen) zu tun?
Weil der Lichtstrom eine physiologische Größe ist!
Na super, werden jetzt einige denken. Eine physiologische Größe. Was bitte ist das?
Das Hellempfindlichkeitsdiagramm basiert auf der Durchschnittsbeobachtung von hunderten von Testpersonen und keinen Maschinen die nur etwas Vorprogrammiertes ausführen. Deswegen ist der Lichtstrom und damit auch die Einheit Lumen eine empirische, physiologische Größe.
Und jetzt kommt der springende Punkt:
Der Lichtstrom einer färbigen LED ist das Produkt = seiner theoretisch maximal möglichesten Lichtausbeute (der Maximalwert liegt bei einer Wellenlänge 555nm, grün) und wird als Km bezeichnet. Km hat einen Wert von 683 Lumen/Watt, also ein Fixer Wert,
multipliziert mit dem für die jeweilige Wellenlänge zugehörigen spektralen Hellempfindlichkeitsgrad ( siehe Abildung: Grün = 555nm = 1, rot = 670nm = 0,1) und der Strahlungsleistung in Watt.
Beispiel bei einer 1 Watt LED:
Rote LED 670nm = 683(lm/W) x 0,1 (Km) x 1 (W) = 68,3 lm
Grüne LED 555nm = 683 (lm/W) x 1 (Km) x 1 (W) = 683 lm
Bei weißen LEDs wird die Lichtstromstärke (lm) der einzelnen Wellenlängen addiert.
Und jetzt noch einige Ausführungen zu dem Begriff Lumen/Watt (lm/W), der immer häufiger verwendet wird.
Watt ist eine physikalische Größe und bedeutet Arbeit pro Zeit. Eine Stromquelle liefert einen gewissen "Energiefluss" und leistet dabei eine bestimmte Arbeit in einer bestimmten Zeit. So ähnlich kann man sich den Begriff Lichtstrom vorstellen: Eine bestimmte Menge Licht wird in einer gewissen Zeit ausgestrahlt. Während Watt aber eine physikalische Einheit ist, ist Lumen eine physiologische Größe. Hier sehen wir auch warum eine Glühbirne eine so schlechte Lichtquelle ist. Bei einer 100 W Glühbirne ist die Lichtausbeute gerade einmal 15 lm/W. Also bei einer Leistungsaufnahme von 100 W erhalten wir gerade einmal einen Lichtstrom von 1500 lumen. Der Rest geht in Form von Wärme und nicht sichtbarer Strahlung verloren!
| Lichtquellen | Lumen/Watt(Mittelwert) |
| Glühlampe (100 W) | 15 |
| Halogenglühlampe (50 W) | 20 |
| Halogenglühlampe (12 V) (55 W) | 28 |
| Energiesparlampe | 60 |
| Xenon-Gasentladungslampe | 47 |
| Quecksilber-Xenon-Bogenlampe | 55 |
| Natriumhochdrucklampe | 130 |
| Leuchtstoffröhre | 75 |
| Halogenmetalldampflampe | 88 |
| Quecksilberdampflampe | 60 |
| Xenon-Gasentladungslampe (PKW) | 95 |
| Schwefeldampflampe | 95 |
| Natriumdampf-Niederdrucklampe | 200 |
| Kaltkathode (CCFL) | 55 |
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