Licht in der Signaltechnik

Erzeugung von Licht - die Möglichkeiten im Überblick

Licht kann auf verschiedene Art und Weise erzeugt werden. In der Signaltechnik werden heute hauptsächlich LEDs eingesetzt.

LED

LED

Leuchtdioden werden auf Basis spezieller Halbleiter hergestellt. Um die optisch-elektronischen Eigenschaften gezielt zu beeinflussen, werden farbcharakteristische Fremdatome in den Halbleiterkristall eingebaut, d.h. "dotiert". Eine Hälfte des Halbleiters (n-Gebiet) wird mit Fremdatomen dotiert, die ein Bindungselektron mehr enthalten als das Halbleiteratom. Dieses überschüssige Elektron ist frei beweglich. Die andere Hälfte (p-Gebiet) wird mit Fremdatomen dotiert, die ein Elektron weniger besitzen als das Halbleiteratom.

Nach dem Einschalten der LED nehmen diese Fehlstellen ("Löcher") freie Elektronen auf (Rekombination). Dabei wird Licht-Energie in Form von Photonen freigesetzt. Die Energie und damit die Farbe des ausgestrahlten Lichtes wird durch das Halbleitermaterial bestimmt, z.B. ergibt GaAsP rotes Licht.

Glühlampen

Gluehlampen

Ein Wolframdraht wird auf eine hohe Temperatur gebracht und strahlt dadurch Energie über einen weiten Wellenlängenbereich ab, was in Form eines Lichtes (ähnlich dem des Sonnenlichtes) wahrgenommen wird. Mit der Zeit verdampft das Wolfram. Sinkt der Wolframanteil unter einen bestimmten Wert, so ist die Lebensdauer der Lampe beendet.

Da Wolfram an der Luft rasch oxidiert und dadurch zerstört wird, muss der Glühdraht in einer nicht oxidierenden Umgebung betrieben werden, z. B. unter Vakuum. Dies führt zu den uns bekannten Glühlampen mit fest verschlossenem Glaskörper.

Halogenlampen

Halogenlampen

Halogenlampen sind Lampen, bei denen der Wolframdraht in einer Umgebung mit geringen Mengen Halogen betrieben wird. Dies hat zur Folge, dass sich das Verdampfen des Wolframdrahtes aufgrund chemischer Reaktionen mit dem Halogen verlangsamt und während der gesamten Lebensdauer die Lichtaussendung nahezu stabil bleibt.

Gasentladungslampen

Gasentladungslampen

In der Signaltechnik findet die Xenon-Blitzlampe sehr häufigen Einsatz. Sie besteht aus einem Glaskolben, der mit dem Edelgas Xenon gefüllt ist. Wird eine genügend hohe Spannung angelegt, findet innerhalb des Glaskolbens eine Entladung unter Bildung einer Funkenstrecke statt. Diese Entladung geht mit einem sehr hellen Blitz einher.

Lichttechnische Grundgrößen

 

In der Beleuchtungstechnik und in der Signaltechnik unterscheidet man zwischen verschiedenen Grundgrößen, mit denen das Licht beurteilt werden kann. Hierbei spielen vor allem die Größen Lumen, Candela und Lux eine bedeutende Rolle.

  • Lumen (Einheit lm)

    Der Lichtstrom wird in Lumen gemessen und ist ein Maß für die gesamte von einer Strahlungsquelle ausgesandte sichtbare Strahlung mit der Hellempfindlichkeitskurve:

    Lichtstrom φ [in lm] = Strahlungsleistung x Hellempfindlichkeitsgrad V(λ)

    Für den Helligkeitseindruck am menschlichen Auge wird eine bestimmte Empfindlichkeitskurve V(λ) zugrunde gelegt, die das Empfinden des Auges in Bezug zur Wellenlänge wiedergibt. Das Maximum dieser Kurve liegt bei etwa 555 nm (grün); bei dieser Wellenlänge sehen wir am besten; V(555nm) = 1).

  • Candela (Einheit cd)
    Candela

    Für die Angaben in der Signaltechnik ist jedoch nur der Anteil des Lichtstroms zu berücksichtigen, der in eine bestimmte Richtung abgestrahlt wird. Diese Lichtstärke wird in Candela gemessen. Sie ist bestimmt durch den Lichtstrom einer Lampe und den Raumwinkel.

    Lichtstärke [in cd] = Lichtstrom φ/ Raumwinkel Ω

    Candela

    Eine komplette Kugel hat den Raumwinkel Ω = 4 π sr. sr steht hierbei für den Steradiant und ist die Einheit für den Raumwinkel.

    Beispiel: Für eine Haushaltskerze, die einen Lichtstrom von 12,566 Lumen erzeugt, beträgt die Lichtstärke 12,566 lm / 4π sr ≈1cd.

    Dies erklärt die Namensgebung: Candela ist das lateinische Wort für Kerze.

  • Lux (Einheit lx)

    Für Beleuchtungsanlagen ist die Beleuchtungsstärke eine wichtige Größe. Sie ist ein Maß für die Helligkeit, mit der eine Fläche ausgeleuchtet wird. Im Gegensatz zur Lichtstärke (in cd), welche eine Eigenschaft der Lichtquelle ist, bezieht sich die Beleuchtungsstärke auf die beleuchtete Fläche. Bei gleichmäßiger Lichtstromverteilung gilt:

    Beleuchtungsstärke E [in Lux] = Lichtstrom φ / Fläche A