Lichtwirksamkeit erklärt: Bedeutung und warum sie wichtig ist

Bei der Bewertung von LED-Beleuchtung für Industrieanlagen, Sportstadien oder großflächige landwirtschaftliche Betriebe ist ein reiner Wattvergleich unzureichend. Um wirklich zu verstehen, wie viel Licht man für den bezahlten Strom erhält, muss man die  Lichtausbeute betrachten .

Als Goldstandard für die Lichtausbeute bestimmt dieser Parameter Ihre Betriebskosten. In diesem Leitfaden erläutern wir die genaue Bedeutung der Lichtausbeute, stellen die grundlegende Berechnungsformel vor und erklären, warum es in bestimmten extremen Umgebungen entscheidend ist, über diese grundlegende Kennzahl hinauszublicken.

Inhaltsverzeichnis

Was versteht man unter Lichtausbeute?

Wie berechnet man die Lichtausbeute?

Lichtausbeute vs. Lichteffizienz

Vergleichstabelle der Lichtausbeute verschiedener Lichtquellen

Warum ist die Lichtausbeute in bestimmten Umgebungen wichtig?

Welche Faktoren beeinflussen die Lichtausbeute von LED-Leuchten?

Schlussbetrachtung: Fundierte Entscheidungen zur Beleuchtung treffen

Was versteht man unter Lichtausbeute?

Im Kern  definiert man die Lichtausbeute  als Maß dafür, wie effektiv eine Lichtquelle elektrische Energie in für das menschliche Auge sichtbare elektromagnetische Strahlung umwandelt.

Um die Lichtausbeute vollständig zu verstehen  , muss man zunächst  den Lichtstrom kennen . Der Lichtstrom ist die Gesamtmenge an sichtbarem Licht, die von einer Leuchte abgegeben wird, gemessen in Lumen (lm). Die Lichtausbeute gibt also einfach an, wie viele Lumen Licht pro verbrauchtem Watt (W) Strom erzeugt werden.

Die Standardmaßeinheit ist  Lumen pro Watt (lm/W) .

Aus rein physikalischer Sicht ist das menschliche photopische Sehen (Tageslichtsehen) am empfindlichsten für grünes Licht mit einer Wellenlänge von 555 Nanometern. Bei dieser Wellenlänge beträgt die theoretisch maximale Lichtausbeute 683 lm/W. Kommerzielle Beleuchtung kann diese physikalische Grenze aufgrund von Wärmeentwicklung und optischen Verlusten zwar nicht erreichen, doch modernste LED-Technologie kann dies deutlich verbessern.Heute werden routinemäßig Werte von 150 bis 220 lm/W erreicht.

Wie berechnet man die Lichtausbeute ? 

Die Formel zur Berechnung der Lichtausbeute ist einfach. Sie ergibt sich aus dem Quotienten des gesamten Lichtstroms und der gesamten Leistungsaufnahme.

Die Standardgleichung  für die Lichtausbeute  lautet: η=Φ/P 

Wo:

Ø  η (Eta) : Das Standardsymbol für die Lichtausbeute (gemessen in lm/W).

Ø  Φ (Phi) : Der gesamte Lichtstrom (gemessen in Lumen, lm).

Ø  P : Die gesamte verbrauchte elektrische Leistung (gemessen in Watt, W).

Wie berechnet man die Lichtausbeute in der Praxis?

Betrachten wir eine praktische Berechnung der Lichtausbeute. Angenommen, Sie beschaffen LED-Hallenstrahler für ein Produktionswerk. Das Datenblatt gibt an, dass eine 150-Watt-Leuchte 24.000 Lumen Licht abgibt.

Zur Berechnung der Lichtausbeute wendet man folgende Formel an:

24.000 lm ÷ 150 W = 160 lm/W.

In diesem Szenario liefert die Leuchte 160 Lumen sichtbares Licht pro Watt Leistungsaufnahme. Je höher dieser Wert, desto energieeffizienter ist die Lichtquelle, was sich direkt in niedrigeren Stromkosten für große Gewerbeprojekte niederschlägt.

Lichtausbeute vs. Lichteffizienz

In der Beleuchtungsindustrie werden die Begriffe  Lichtausbeute und Lichtausbeute häufig fälschlicherweise synonym verwendet . Obwohl sie ähnlich klingen, bezeichnen sie völlig unterschiedliche physikalische Größen. Dieses Verständnis ist entscheidend für die Beurteilung von Datenblättern.

Lichtausbeute:
Dies ist ein dimensionsloses Verhältnis, das in Prozent (%) angegeben wird. Es misst, wie viel der gesamten zugeführten elektrischen Energie in elektromagnetische Strahlung (einschließlich sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung und Ultraviolettstrahlung) umgewandelt wird. Herkömmliche Glühlampen wandeln beispielsweise etwa 90 % ihrer Energie in Wärme um, was zu einer sehr geringen Lichtausbeute von unter 10 % für sichtbares Licht führt.

Lichtausbeute:
Diese Kennzahl, die speziell als  Lichtausbeute in Lumen pro Watt (lm/W) angegeben wird , misst genau die Umwandlung von elektrischer Energie in sichtbares Licht, das das menschliche Auge wahrnehmen kann.

Bei gewerblichen und industriellen Beleuchtungsprojekten sollten Sie immer auf den Lichtausbeutewert (lm/W) achten. Er gibt genau an, wie viel nutzbare Helligkeit Sie für Ihr Strombudget erhalten.

Vergleichstabelle der Lichtausbeute verschiedener Lichtquellen

Unterschiedliche Beleuchtungstechnologien weisen sehr unterschiedliche Fähigkeiten zur Umwandlung von Elektrizität in Licht auf. Die folgende  Tabelle bietet einen umfassenden Vergleich der Lichtausbeute und  veranschaulicht so die Entwicklung der Beleuchtungstechnologie.

Beim Vergleich der Lichtausbeute verschiedener Lichtquellen in dieser Tabelle wird die Überlegenheit von Festkörperbeleuchtung  deutlich. Moderne LEDs bieten derzeit die höchste Lichtausbeute für den großflächigen kommerziellen Einsatz und übertreffen damit herkömmliche HPS- und MH-Leuchten deutlich.

Warum ist die Lichtausbeute in bestimmten Umgebungen wichtig ?

Auch wenn 170 lm/W  auf dem Papier beeindruckend klingen, ist es ein gefährlicher Fehler, diesen Wert als alleiniges Kaufkriterium zu verwenden. In anspruchsvollen gewerblichen Anwendungen kann die anfängliche Lichtausbeute irreführend sein. Hier erfahren Sie, was Sie je nach Ihren spezifischen Einsatzbedingungen berücksichtigen sollten.

Industrieanlagen: Die verborgenen Auswirkungen der Hitze

In industriellen Umgebungen mit hoher Temperatur, wie Stahlwerken, Gießereien oder Produktionsanlagen, ist Hitze der größte Feind der LED-Effizienz.

Wenn ein LED-Chip bei hohen Umgebungstemperaturen betrieben wird, tritt ein „ thermischer Abfall “ auf. Dieses physikalische Phänomen führt dazu, dass die Lichtausbeute mit steigender interner Sperrschichttemperatur der Diode stark abnimmt.

Eine Hallenleuchte mit einer Nennleistung von 160 lm/W in einer 25 °C  warmen Laborumgebung kann in einer 50 °C warmen Lagerhalle aufgrund erhöhter Sperrschichttemperatur und Systemverluste einen Abfall  der Lichtausbeute um 15–30 % aufweisen  . Ist die Leuchte nicht für hohe Umgebungstemperaturen ausgelegt, kann es außerdem zu einem beschleunigten Lichtstromverlust oder einer verkürzten Lebensdauer kommen.

Fazit : In der IndustriebeleuchtungEine hohe Lichtausbeute in Lumen pro Watt ist nutzlos ohne robuste, speziell entwickelte Aluminium-Kühlkörper, die die Wärme ableiten und die langfristige Effizienz gewährleisten.

Sportstadien: Rohwirksamkeit vs. „Nutzbare Lumen“

Die Beleuchtung von Sportstadien erfordert extrem hohe Lichtströme, um große Spielflächen auszuleuchten. Allerdings besteht ein systembedingter Zielkonflikt  zwischen maximaler Lichtausbeute und präziser optischer Steuerung.

Ungeschützte LED-Lichtquellen mit Weitwinkel- (Lambert-)Abstrahlung erzielen aufgrund minimaler optischer Verluste die höchste Lichtausbeute. In Stadien führt die unkontrollierte Lichtverteilung jedoch zu Blendung der Spieler und Streulicht in den Nachthimmel.

Um dem entgegenzuwirken, verfügen Leuchten über hochentwickelte Blendschutzoptiken und PC/PMMA-Linsen, die das Licht präzise auf das Spielfeld lenken. Diese optischen Komponenten verursachen zwangsläufig Transmissions- und Reflexionsverluste, wodurch die Systemeffizienz typischerweise um 5–15 % sinkt .

Fazit : Bei der Beleuchtung von Sportanlagen sollte man nicht die höchste theoretische Lichtausbeute anstreben. Priorität haben die „nutzbaren Lumen“ – die tatsächliche Menge an kontrolliertem Licht, die den Zielbereich erreicht, ohne zu blenden.

Viehzucht und Landwirtschaft: Das Spektrum-Missverständnis

Einer der am meisten übersehenen Aspekte der Lichtplanung liegt in der Anwendung in der Landwirtschaft und Geflügelzucht.

Die Standard-Lichtausbeute (lm/W) basiert auf dem menschlichen photopischen Sehen, dessen Maximum bei 555 nm im grünen Spektrum liegt. Geflügel weist jedoch eine breitere und verschobene spektrale Empfindlichkeit auf , mit starken Reaktionen auf rote und blauviolette Wellenlängen, die den zirkadianen Rhythmus, das Wachstum und die Eiproduktion beeinflussen.

Fazit:  Eine für das menschliche Sehvermögen optimierte weiße LED mit hoher Lumen/Watt-Zahl bietet möglicherweise nicht genügend spektralen Gehalt – insbesondere im roten Bereich –, um eine optimale Leistung der Herde zu gewährleisten. In der AgrarbeleuchtungDie Abstimmung des Spektrums auf die biologischen Bedürfnisse der Tiere ist oft wichtiger als die Maximierung der für den Menschen optimalen Lichtausbeute.

Welche Faktoren beeinflussen die Lichtausbeute von LED-Leuchten?

Obwohl die  Lichtausbeute von LEDs  der herkömmlicher Beleuchtung grundsätzlich überlegen ist, sind nicht alle LED-Leuchten gleich. Die endgültige Leistung einer gewerblichen Leuchte hängt von einer Kombination aus hochwertigen Hardwarekomponenten und Systemtechnik ab.

Um zu beurteilen, warum eine Leuchte einer anderen überlegen ist, müssen Sie diese vier entscheidenden Faktoren berücksichtigen:

LED  -Chipqualität & -Sortierung : Die Halbleiterdiode im Kern bestimmt den grundlegenden Wirkungsgrad. Premium-LED-Chips werden durch fortschrittliche Fertigungsprozesse und strenge Sortierung hergestellt."Prozesse, um eine höchstmögliche Lichtausbeute bei minimalen Spannungsschwankungen zu gewährleisten.

 Leistungsumwandlung des Treibers : Der LED-Treiber wandelt den Wechselstrom aus dem Stromnetz in den von den Dioden benötigten Gleichstrom um. Ein hochwertiger Halbleitertreiber erreicht einen Wirkungsgrad von 90 bis 95 %. Ein günstigerer, ineffizienter Treiber verschwendet Energie in Form von Wärme, was die Lichtausbeute (lm/W) des Systems drastisch reduziert.

l  Wärmeableitung (Kühlkörper) : Wie in industriellen Anwendungen immer wieder betont wird, ist Wärme der Hauptgrund für Leistungsverschlechterungen. Robuste Kühlkörper aus Aluminiumdruckguss leiten die Wärmeenergie schnell von der LED-Anschlussplatine ab. Ein optimales Wärmemanagement gewährleistet, dass die Leuchte ihre Helligkeit über eine Lebensdauer von 50.000 Stunden ohne thermischen Leistungsabfall beibehält.

Lichtdurchlässigkeit optischer  Linsen : Jede Schutzabdeckung, jeder Diffusor oder jede Blendschutzlinse, die über einem LED-Array angebracht wird, absorbiert einen kleinen Teil des Lichts. Die Verwendung optischer Materialien wie hochdurchlässigem Polycarbonat (PC) oder PMMA minimiert diesen optischen Verlust und erhält so die von den Chips erzeugte Lichtleistung. 

Schlussbetrachtung: Fundierte Entscheidungen zur Beleuchtung treffen

Die Auswahl der richtigen Beleuchtungsinfrastruktur für große Gewerbe-, Landwirtschafts- oder Sportanlagen erfordert weit mehr als nur die Einhaltung höchster technischer Daten. Es gilt, die Helligkeit mit thermischer Stabilität, präziser optischer Steuerung zur Blendungsreduzierung und dem spezifischen biologischen Lichtspektrum, das für die jeweilige Umgebung erforderlich ist, in Einklang zu bringen.

Die Modernisierung von Industrie-, Sport- oder Landwirtschaftsanlagen erfordert strategische Planung und fundiertes technisches Fachwissen. Durch die Beratung erfahrener Spezialisten, die die hohen Anforderungen dieser extremen Umgebungen verstehen, schützen Sie Ihr Betriebsbudget vor versteckten Leistungseinbußen. Letztendlich ist eine datenbasierte Entscheidung auf Grundlage der tatsächlichen  Lichtausbeute  der zuverlässigste Weg, um eine langfristige Rendite Ihrer Beleuchtungsinvestition zu sichern.

Referenzen & Weiterführende Literatur

l  Illuminating Engineering Society (IES):  Lichtausbeute einer Lichtquelle

ScienceDirect  : Lichtausbeute – Ingenieurthemen

l  RP Photonics Encyclopedia:  Lichtausbeute und Effizienz

l  Wikipedia:  Lichtausbeute