Vorteile und Nachteile beim Einsatz unterschiedlicher elektrischer Lichtquellen in der Beleuchtungstechnik

  I n h a l t  I

Inhalt

  I n h a l t  I

1  E i n l e i t u n g  4

2  Historischer Rückblick  6

3  L i c h t 1  8

4  Wichtige Größen und Einheiten  22

4.1  Wellenlänge  23

4.2  Lichtfarbe Farbtemperatur  24

4.3  Lichtstärke Lichtstrom Leuchtdichte  24

4.4  Beleuchtungsstärke  25

4.5  Boden-Iso-Lux-Diagramme  26

4.6  Leuchtmittelbezeichnung  27

5  Elektrische Lichtquellen  31

5.1  Einteilung  32

5.1.1  Glühlampe  33

5.1.1.1  Aufbau und Funktion  33

5.1.1.2  Vor- und Nachteile  35

5.1.1.3  Einsatzbereiche  36

5.1.2  Halogenlampe  37

Inhalt I

5.1.2.1  Aufbau und Funktion  37

5.1.2.2  Vor- und Nachteile  38

5.1.2.3  Einsatzbereiche  40

5.1.3  Leuchtstofflampe  40

5.1.3.1  Aufbau und Funktion  40

5.1.3.2  Vor- und Nachteile  42

5.1.3.3  Einsatzbereiche  42

5.1.4  Energiesparlampe  45

5.1.4.1  Aufbau und Funktion  45

5.1.4.2  Vor- und Nachteile  45

5.1.4.3  Einsatzbereiche  47

5.1.5  Metalldampfniederdrucklampe  48

5.1.5.1  Aufbau und Funktion  48

5.1.5.2  Vor- und Nachteile  49

5.1.5.3  Einsatzbereiche  50

5.1.6  Metalldampfhochdrucklampe  51

5.1.6.1  Aufbau und Funktion  51

5.1.6.2  Vor- und Nachteile  52

5.1.6.3  Einsatzbereiche  53

5.1.7  Halogenmetalldampflampe  53

5.1.7.1  Aufbau und Funktion  54

5.1.7.2  Vor- und Nachteile  54

5.1.7.3  Einsatzbereiche  55

5.1.8  LED  56

5.1.8.1  Aufbau und Funktion  56

5.1.8.2  Vor- und Nachteile  58

5.1.8.3  Einsatzbereiche  59

5.1.9  Lampenentsorgung  61

6  Einsatz elekt Lichtquellen in Kfz-Beleuchtungseinricht  64

6.1  Historie  65

I n h a l t I

6.2 „Xenonlicht“ 66

7 Nachbetrachtung 71

8 Erklärungen

9 Bildquellen 78

10 Literatur/Quellen 82

Einleitung 1

4

Einleitung

1

"Wüsste nicht, was sie Besseres erfinden

könnten, als wenn die Lichter ohne Putzen

brennten." (Goethe 1779 in einem Brief an Charlotte von Stein)

In dieser Arbeit zum Thema: „Vorteile und Nachteile beim Einsatz unter- schiedlicher elektrischer Lichtquellen in der Beleuchtungstechnik“ soll es darum gehen, praxisrelevante elektrische Lichtquellen in ihrem Aufbau und ihrer Funktion näher zu beleuchten, auf ihre jeweiligen Vor- und Nachteile einzugehen, und schließlich wichtige Einsatzbereiche der jewei- ligen Beleuchtungstypen aufzuzeigen.

Dabei muss, der hohen Anzahl der Spezialisierungen innerhalb der ver- schiedenen Beleuchtungsmittel geschuldet, lediglich auf wesentliche Cha- rakteristikas eingegangen werden.

Beginnend mit einem historischen Rückblick und wichtigen Größen und Einheiten soll, nachdem auf verschiedene elektrische Lichtquellen näher eingegangen worden ist, ein praxisorientierter Teil zur Anwendung neues- ter Leuchtmitteltechnologien im Bereich der Kraftfahrzeugbeleuchtung folgen.

Dieses Praxisbeispiel schien deshalb als interessant, da es hier in einem vergleichbar kurzen Zeitraum zu großen Veränderungen in Bezug auf den Einsatz von Leuchtmitteln gekommen ist.

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Historischer Rückblick 2

2

Historischer Rückblick

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Historischer Rückblick 2

Vor etwa 500000 Jahren findet man die ersten Spuren einer bewussten

Nutzung des wärme- und lichtspendenden Feuers. Feuer ist eines der Ele- mente, dessen für den Menschen wichtige Lebensfunktion schon sehr früh erkannt wurde. Licht verlängert zum einen den Tag, und andererseits nimmt es dem Menschen die Angst vor der Finsternis.

Feuerstellen

Die Feuerstellen - in vielen alten Kulturen Mittelpunkt der Menschen - mussten unter großen Anstrengungen entfacht und sorgsam gepflegt wer- den. Das Bewachen des offenen Feuers war oftmals die herausragende Aufgabe.

Steinzeitliche Feuerstelle (1)

Feuer und Licht haben in Sagen, Mythen und kultischen Handlungen seit frühester Zeit einen sehr hohen Stellenwert. So war Licht beispielsweise in der griechischen Sage ein göttliches Geschenk, welches Prometheus - der Gott des Lichtes - von Gottes Herdfeuer des Olymps herniederholte. Offenes Feuer bedeutete aber auch sehr oft große Gefahren. Segen und Ge- fahren des Feuers sind Teil der gesamten Entwicklungsgeschichte des Menschen.

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Historischer Rückblick 2

Harzreiches Öl, Kienspan

Die aus dem Feuer herausgenommenen, brennenden Scheite waren ver- mutlich die ersten nicht immobilen Lichtquellen. Als Brennmaterial dien- ten zumeist Kienspäne aus harzreichen Hölzern. Wenn man die Hände frei halten wollte, wurden die Späne zunächst in Lehmklumpen, Felsspalten oder in die Erde gesteckt und oftmals sogar im Mund getragen. Später wurden diese Späne in hölzerne bald auch metallene Hänge-, Steh- und Tragehalterungen verankert.

Kienspantragehalterung aus Metall (2)

Selbst in Deutschland gab es die Kienspanbleuchtung in wenigen entlege- nen Gebieten Deutschlands noch bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts.

Talg und Fett in Steinschalen

Sehr simple Steinschalen für Talg und Fett als Lichtspender stammen von etwa 25.000 v. Chr.. Sie wurden in der Regel mit tierischen und pflanzli- chen Fetten gefüllt und angezündet. Aus Steinschalen entwickelten sich größere Feuerbecken, daraus später Armleuchter, an deren oberen Ende sich die Fettschale befand.

Steinschale für tierische Fette, (3)

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Historischer Rückblick 2

Später, als man diese Geräte meist ausschließlich mit flüssigen tierischen Fetten füllte, entwickelten sich im Laufe der Zeit daraus die ersten einfa- chen Öllampen.

Fackeln und Pechkörbe

Das beim Braten von Fleisch heruntertropfende Fett lieferte die Erfahrung, dass fettgetränkte Holzscheite um sehr viel besser brannten. Mehrere Kien- späne, im späteren Verlauf mit Werg und anderem pflanzlichen Material umwickelt, und dann in Fett, Tran oder Talg getaucht (später mit Pech ge- tränkt) bildeten die ersten Fackeln. Sie brannten länger und heller als die vormals einfachen Kienspäne.

Körbe mit in Fetten getränktem Reisig wurden an Mauern angebracht, oder als tragbare Pechkörbe verwendet. Später waren diese mit einer so genann- ten kardanischen Aufhängung (1) versehen, um so den Korb automatisch in einer horizontalen Lage zu belassen, wodurch das Verschütten des bren- nenden Materials unterbunden werden sollte.

Pechkorb mit kardanischer Aufhängung zum Aufstecken (4)

Zu welcher Zeit die ersten Fackeln aufkamen, lässt sich aus heutiger Sicht nur sehr schwer bestimmen. Hauptgrund hierfür ist deren leichte Brenn- barkeit und somit das Fehlen von Überresten. Um 1850 fand der Archäolo- ge Schliemann Überreste von Fackeln aus der Zeit um 1.500v.Chr., welche bereits mit einer Art besonderer Halterung mit Abtropfschutz ausgebildet

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Historischer Rückblick 2

waren, um damit die Hand des Fackelträgers gegen Verbrennungen zu schützen.

Öllampen

Der entwicklungstechnische Übergang von der Fettschale zu den Öllampen gestaltete sich fließend. Um 20.000 v. Chr. wird die Erfindung des Dochtes angesetzt, für die Menschen der damaligen Zeit wahrscheinlich ebenso grundlegend wie die Erfindung des Rades um 3500 v. Chr.. Feinstes Reisig, Moose, Faserpflanzen und Geflecht wurden als Dochte in das Öl oder Fett der Schalen gelegt und brannten infolge von Kapilarwirkung deutlich län- ger und heller und, und dies war wiederum ein Fortschritt, vor allem ruhi- ger als die Flammen die von Fackeln und Spänen erzeugt wurden. Mit der beginnenden Sesshaftigkeit der Menschen ab etwa 4000 v. Chr. wurden die Techniken des Lichtmachens stärker ausgebaut. In den Stadtkulturen Me- sopotamiens zum Beispiel entstanden etwa um 4000 bis 3000 v. Chr. ein- fache Öllampen gefertigt aus Ton, welche bereits eine separate Dochtöff- nung aufwiesen. Der Verbrennungsvorgang war so viel besser zu regulie- ren und das Tragen der Lampen wurde sicherer.

Antike Öllampe (5)

Seit 2500 v. Chr. wurden einfache aber auch verzierte Formen in Serie her- gestellt und in Ägypten und im Dreistromland zwischen Euphrat und Tigris den Grabstätten beigegeben.

Nach Erfindung der Töpferscheibe, wurden Öllampen seit etwa 500 v. Chr. in großen Serien in speziellen Manufakturen hergestellt. Trotz großer Fortschritte der antiken Kulturvölker in vielen technisch-

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Historischer Rückblick 2

naturwissenschaftlichen Gebieten veränderte sich die Technik des „Licht machen’s“ über viele tausend Jahre bis etwa Ende des 17. Jh. unserer Zeit- rechnung nur unwesentlich. Neben Ton wurden im späteren Verlauf Eisen, Messing und Kupfer als Material für die Öllampen verwendet. Zwar wur- den sowohl die Ölzufuhr, die Dochte und auch die Ölgefäße selbst stetig verbessert, die Technik und die Grundformen der Öllampen als solches blieben. Sie bestanden auch weiterhin aus Ölbehälter und Docht.

Kerzen

Die noch bis heute typische Grundform der Kerze entstand bereits etwa im

1. bis 2. Jh. n. Chr.. Ein Docht, bekannt von den Öllampen, ist von einem

zylindrischen Gebilde aus festem Brennmaterial umgeben. Die Flamme verflüssigt zunächst den Brennstoff, so dass sich eine Art Brennschüssel ausbildet und der dadurch im Docht aufsteigenden Brennstoffe vergast. Der wohl entscheidenste Vorteil der Kerze gegenüber anderen bis dahin gebräuchlichen Lichtquellen ist ihre Kompaktheit und der Fakt, dass sie ohne das Verschütten größerer Mengen an flüssigem Brennmaterial trans- portiert werden konnte.

Von der Antike bis zum 19. Jh. wurden zumeist Bienenwachs oder Talg als Kerzenmaterial verwendet. Als Luxusprodukt blieb Bienenwachs der kirchlichen und weltlichen Obrigkeit vorbehalten war. Kerzenhalter wur- den in mannigfaltigen Formen, unterschiedlichsten Materialien und mit teils sehr üppigen Ausschmückungen erstellt. Viele weitere Entwicklungen beschäftigten sich mit der Verbesserung der Saugkraft des Dochtes und mit seinem richtigen Abbrennen, das nicht zu schnell und nicht zu langsam er- folgen sollte, sondern in dem Maße, wie sich auch das Brennmaterial ver- braucht. Bis zum Jahr 1824 dauerte es, bis Cambacéres auf die ebenso ein- fache wie geniale Idee kam, dem Baumwolldocht beim Flechten eine Art Vorspannung (Drall) zu geben, wodurch sich die Spitze des Dochtes in der Flamme nach außen biegt und unter Sauerstoffeinfluss soweit abbrennt, wie sie selbst aus der Flamme herausragt.

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Historischer Rückblick 2

Zwischen 1812 und 1823 gelang des dem französischen Chemiker Chev- reul aus dem bis dahin oftmals verwendetem Talg das Stearin zu isolieren, welches sich in der Folgezeit als ein hervorragendes Brennmaterial für Kerzen herausstellte. Das später als Kerzenmaterial eingesetzte Parafin wurde bei der Destillation von Braunkohle durch den deutschen Chemiker Reichenbach erfunden.

Um 1850 entstanden in Europa viele Fabriken für die Kerzenherstellung. Somit wurden Kerzen nun auch für breite Bevölkerungsschichten er- schwinglich. Kerzenlicht wurde durch seine Anwendung durch breite Schichten der Bevölkerung leider oftmals Ursache verheerender Brände von Konzert- und Theaterhäusern.

Kerzenstockhalter, um 1750 (6)

Als Teelichter im heimischen Bereich, künstlerisch gestaltete Kerzen und Altarkerzen spielen sie bis in die heutigen Tage eine wichtige wirtschaftli- che Rolle. Der Umsatz zum Beispiel, der jedes Jahr mit Kerzen gemacht wird, entspricht etwa 55% des Umsatzes aller elektrischen Lampen.

Gas

Die Erfindung der Erzeugung von Licht mit Hilfe von Gas durch den Wie- ner Auer von Welsbach 1895 veränderte die Situation für einige Zeit grundlegend. Sein durch ihn erfundener Gasbrenner brannte nun fast

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Historischer Rückblick 2

fünfmal heller als alle damaligen Brennerarten, weil an die Stelle der offe- nen Flamme nun ein glühendes Material trat. Das Material war ein aus Baumwollnetzen bestehender Strumpf, der mit einem Gemisch aus beson- deren Elementen (seltenen Erden) getränkt war. Diese seltenen Erden hat- ten die Eigenschaft, im glühenden Zustand um den genannten Exponenten heller zu leuchten als eine herkömmliche Gasflamme. Das Gas hatte somit lediglich noch die Aufgabe, den Strumpf glühend zu machen. Man konnte sogar das Gefühl bekommen, dass aufgrund dieser Erfindung die inzwi- schen aufkommende elektrische Beleuchtung für einige Zeit zurück ge- drängt werden konnte.

Dadurch angeheizt setzten nun neue Entwicklungsprozesse ein, die sich mit der Verbesserung des Glühmaterials, der Gaszuführung und der Gas- anzündung befassten. Prunkvolle Gaskandelaber in den Straßen oder in Bahnhofshallen aber auch die Gasbeleuchtung in den Wohnräumen der wohlhabenden Bevölkerung kennzeichneten das neue, moderne Beleuch- tungszeitalter mit zentraler Energieversorgung der Lichtquellen.

Gaskandelaber, Berlin um 1900(7)

Da vor allem in den Großstädten der Welt Gas für Koch- und Heizzwecke verwendet wurde, waren die bestehenden Gaswerke natürlich auch an dem Absatz der Gasmengen in der Nacht interessiert. Dies war einer der wich- tigsten Gründe, warum sich die Gasbeleuchtung in den Straßen noch sehr lange gegenüber der elektrischen Beleuchtung behaupten konnte. Natürlich

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Historischer Rückblick 2

auch, weil es den Städten an den nötigen Finanzmitteln fehlte, um auf die neue und modernere elektrische Straßenbeleuchtung umzurüsten. In vielen Städten dieser Welt, wie zum Beispiel in Berlin, gibt es noch heu- te in den Straßen Gaslaternen, die jedoch meist aus nostalgischen oder städtehistorischen Gründen beibehalten wurden. Die Karbidlampen sind ebenfalls Gaslampen, jedoch wird bei ihnen die Energie dezentral erzeugt. Das pulvrige Kalziumkarbid wird dabei mit Wasser in Berührung gebracht, wobei Azetylen entsteht, welches im Brenner als offene Flamme verbrennt. Karbidlampen waren lange Zeit zum Beispiel im Bergbau, aber auch als Fahrradlampen in Gebrauch.

Petroleum

Öllampen wurden im Laufe ihrer Entwicklung mit immer leichtflüssigeren Stoffen gefüllt, um somit die Sogwirkung der Dochte weiter zu verbessern. Im 14. Jh. war das Rüböl (ein aus Raps gewonnenes Öl) der wohl am wei- testen verbreitete Brennstoff für die Öllampen. Die Öllampen selbst hinge- gen hatten sich jedoch in ihrem Aufbau, wie beschrieben nur marginal von der Antike bis zum 18. Jh. verändert.

Entscheidende Verbesserungen der bis dahin verwendeten Lampen gelan- gen im Jahr 1784 Argand (2). Zum Ersten wurde der Docht zu einer Art Schlauch (Runddocht) geformt. Somit konnte Sauerstoff auch in das Innere der Flamme gelangen, wodurch die Verbrennungstemperatur anstieg und dadurch die Leuchtkraft anwuchs. Zum Zweiten wurde ein verstellbarer Dochtträger angebracht der es ermöglichte, die Änderung der Dochtlänge und damit der Flammenhöhe und deren Helligkeit zu regulieren. Zum Dritten wurde ein Glaszylinder verbaut, der die Flamme gegen Luft- zug schützte und zugleich die Kaminwirkung der Luftzufuhr verbesserte. Zum Letzten wurde, um mehr Öl kontinuierlich an den leistungsfähigeren Brenner heran zu führen, von Argand das Ölbassin als Sturzflasche gestal- tet.

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Historischer Rückblick 2

Argand-Lampe(8)

Sowohl Runddocht, Dochtregulierung als auch Glaszylinder setzten sich sehr schnell als effizienzsteigernde Erfindungen durch. Ungenügend blieb hingegen die Zufuhr der bis dahin zähflüssigen pflanzlichen Öle. Kompli- zierte und zusätzlich teure Versuche mechanische Lösungen etwa mit Pumpen, Federdruckwerken und Ähnlichem zu etablieren schlugen fehl. Erdöl war seit dem Altertum zur Speisung von "ewigen Flammen" bekannt, aber erst ab Mitte des 19. Jh. verdrängte das so genannte Leuchtpetroleum das bis dahin übliche Rüböl. In den USA, genauer im Bundesstaat Penn- sylvania wurde das Petroleum anfänglich von der Oberfläche von so ge- nannten Erdölseen abgeschöpft, und schließlich ab 1859 durch Erdölboh- rungen systematisch gewonnen. Petroleum ist zum einen sehr leicht ent- zündlich, zum anderen sehr leichtflüssig, womit die Kapillarwirkung des Dochtes besser genutzt werden konnte.

Petroleum war das Brennmaterial, nach dem man lange gesucht hatte. Erstens konnte es preiswert und in großen Mengen gewonnen werden, es war zweitens lagerfähig und konnte somit leicht transportiert werden, es brannte drittens fast rauchlos und heller als Pflanzenöle, und viertens stieg es wegen seiner Leichtflüssigkeit leichter im Docht auf als die bis dahin verwendeten Pflanzenöle.

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