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Lichttechnische Grundlagen und Grundbegriffe

von kfztech.de – neue Serie (Lernfeld 3) | Licht 2 Leuchtmittel |

Die Fahrzeugbeleuchtung - Teil 1

Das menschliche Auge ist genetisch für das Sehen mit Tageslicht ausgelegt. Bei Dunkelheit oder schlechter Sicht ist der Sehsinn auf zusätzliche Lichtquellen angewiesen. Dies gilt insbesondere auch für das Autofahren bei Dämmerung, Nacht, Nebel, Regen oder Schneefall. Hier helfen dem Autofahrer eine gute Straßenausleuchtung durch Laternen und Fahrzeugscheinwerfer, um besser sehen zu können oder besseres gesehen zu werden. Bessere Sicht verschafft dem Verkehrsteilnehmer nötige lebenswichtige Sekunden an Reaktionszeit und trägt so zur aktiven Sicherheit essentiell bei.

Die Beleuchtung des Automobils ist in den letzten Jahren immer komplexer geworden. Deshalb sollte der Kfz-Mechatroniker zum Thema Licht und Beleuchtung ein breites Grundwissen besitzen. Was ist eigentlich Licht? Welche lichttechnischen Grundbegriffe gibt es? Wie ist die Beleuchtung des Fahrzeugs aufgebaut? Welche Vorschriften sollte der Kfz-Mechatroniker kennen? Dem will die neue Serie nachgehen. Wie funktioniert die LED? Was bedeuten Matrix Licht oder Multibeam (Bild 1)? Wie arbeiten Laserscheinwerfer? Das Licht wird immer elektronischer, und damit wachsen auch die Ansprüche an die Werkstatt. Deshalb wollen wir auch die neuen Technologien in den kommenden Folgen nicht außer Acht lassen.

mercedes light

Mercedes-Benz MULTIBEAM LED-Scheinwerfer – Hohe Auflösung des Lichtbilds durch eine Raster-Lichtquelle mit 84 LED. - Bild: Mercedes Benz 

Was ist eigentlich Licht?  

In den letzten Jahrhunderten hat die Physik das Phänomen „Licht“ gründlich untersucht und versucht dessen Geheimnis zu lüften. Heute weiß man: Licht ist der kleine sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung. Diese elektromagnetische Strahlung besteht aus schwingenden Energieeinheiten (Quanten) und wird in Wellen von einer Lichtquelle aus gesendet. Sie braucht eine bestimmte Zeit vom Ort ihrer Entstehung bis zum Auge des Betrachters. Zum Thema „Wies ettz sich Licht zusammen?“ finden sie hier ein passendes Video.

Jede Wellenlänge gibt einen Farbeindruck wider. Das Spektrum des Sonnenlichtes weist einen kontinuierlichen Übergang auf: vom kurzwelligen Violett über Blau, Grün, Orange bis zum langwelligen Rot. Dies sind die elektromagnetischen Wellen im Bereich von etwa 380 bis 780 nm Wellenlänge. Dies können wir auch bei einem Regenbogen beobachten (Bild 2). Außerhalb dieses Bereichs kann das menschliche Auge keine Strahlung „sehen"; die Gamma-, Röntgen-, UV- und Infrarotstrahlen sind für uns Menschen nicht sichtbar.  

Regenbogen

Die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts sind in einem Regenbogen gut erkennbar. Bild:kfztech.de 

Das Licht breitet sich wie erwähnt als Welle aus, auch durch das absolute Vakuum. Diese Wellen besitzen eine typische Ausbreitungsgeschwindigkeit. Die Geschwindigkeit des Lichtes beträgt im Vakuum ca. 300.000 km/s und ist eine der Grundgrößen der Physik; bekannt als „Lichtgeschwindigkeit“.

Licht breitet sich grundsätzlich geradlinig aus. Nur an Grenzflächen wie z. B. zwischen Luft und Wasser kommt es durch Brechung und Reflexion zu Richtungsänderungen der Lichtstrahlen. Das kennen wir alle: Wenn wir einen geraden Stock ins Wasser halten, sieht es aus, als mache dieser einen Knick. Doch auch dann läuft der „abgelenkte“ Strahl stets geradlinig weiter.

Was das Verständnis von Licht verkompliziert: Licht besteht nicht nur aus verschiedenen Wellen sondern auch aus Teilchen. Licht besteht nämlich aus einem Strom von Energieportionen, sogenannten Photonen, die sich einerseits wie Teilchen verhalten und andererseits auch Wellencharakter haben. Das heißt jedem Photon lässt sich auch eine Frequenz bzw. Wellenlänge zuordnen.

Das Grundprinzip der Lichterzeugung

Um zu verstehen, wie Licht, z.B. in einer Lampe erzeugt wird, ist etwas Grundwissen aus der Physik aber auch der Chemie nötig. Dabei werden mehrere grundsätzliche Arten unterschieden.  

Bei der thermischen Lichtemission werden Elektronen der Elektronenhülle von Festkörper Atomen durch Wärme bzw. Atemstoß energetisch angeregt. Sie senden beim Rücksprung Licht unterschiedlicher Wellenlängen (Energie) aus. Bei relativ hohen Temperaturen entsteht so sichtbares Licht mit breitem Spektrum. Dabei wird oft nur ein kleiner Teil der thermischen Emission für die Lichterzeugung verwendet. Das beste Beispiel für eine natürliche Lichtquelle mit Wärmestrahlung ist die Sonne. Künstliche Lichtquellen nutzt man in Glühlampen oder auch Halogenglühlampen. Gute Halogenlampen von Osram oder Philips findet man im Internetfachhandel ab 7,98 €.

Bei der Lichtemission durch Gasentladung werden, die bei der Entladung „fließenden“ Elektronen genutzt (elektrische Strahlung). Diese regen die Elektronen in der Elektronenhülle der Gasatome an. Auch diese senden beim Rücksprung Licht diskreter Wellenlängen aus. Künstliche Lichtquellen nutzt man in Niederdruck- und Hochdruckgasentladungslampen. Der Blitz kann hier als Beispiel für eine elektrische Strahlung dienen.

Licht hoher Energie wie z.B. UV-Licht regt Elektronen in der Elektronenhülle von Leuchtstoffatomen an. Diese senden beim Rückfall Licht niederer Wellenlänge aus. Dieses wird durch die Leuchtstoffe auf der Innenseite der Leuchtstoffröhre in sichtbares Licht umgewandelt. Dies wird auch als Photolumineszenz bezeichnet. Glühwürmchen sind ebenfalls natürliche Lichtquellen, die Lumineszenz anwenden.

Bei der Elektrolumineszenz in Halbleitern erzeugt eine an speziell dotierten Stellen in Halbleiterkristallen angelegte Spannung einen Elektronenübergang in ein höheres Niveau. Beim Rückfall wird monochromes Licht typischer Wellenlänge ausgesendet. Die Wellenlänge hängt vom Material, der Dotierung und der Spannung ab. Das Prinzip wird z. B. für Leuchtdioden (LED) genutzt, die immer mehr als Lichtquelle der Zukunft gelten. Der zunehmende Einsatz der LED im Automobil hat in den letzten Jahren zu einer Verdrängung anderer Leuchtmittel geführt.

LASER ist die Abkürzung für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation und findet mittlerweile auch im Automobil Verwendung (Bild 3). Durch die getaktete Aussendung einer Vielzahl von Photonen gleichzeitig können höchste Energiedichten erreicht werden. Laserlicht kann als monochromer Lichtstrahl höchste Reichweiten erreichen. So kann er für die Entfernungsmessung zum Mond genutzt werden. Beim Auto ist die Reichweite des Spots auf 650 Meter begrenzt. Wegen der hohen Energiedichte eignet es sich auch zum Schweißen und Trennen oder Brennen von CD oder DVD.  

Audi Marix Laser Technologie

Bei der Audi Matrix Lasertechnologie wird der Laser als Fernlichtspot gezielt eingesetzt. Bild: Audi 

Zusammengefasst lässt sich sagen, dass bei der Lichterzeugung einzelne energetisch angeregte Elektronen der Elektronenhülle von Atomen beim Rücksprung Licht diskreter Wellenlänge (Energie) aus senden. Es wird entweder auf Grund einer Glüherscheinung bei höheren Temperaturen erzeugt (Temperaturstrahlung) oder aber wenn Gase leuchten (Gasentladung). Viele chemische Elemente wie Edelgase oder Halogene sind in den Lampen unsichtbar oder in minimalen Spuren vorhanden. Sie erhöhen durch chemische Vorgänge die Lichtausbeute oder verhindern chemische Reaktionen, um die Lebensdauer der Glühwendel zu verlängern.

Lichttechnische Grundbegriffe 

So wie ein Kfz-Mechatroniker ganz selbstverständlich mit Begriffen wie Strom, Spannung und Widerstand umgehen können muss, verhält es sich mit den lichttechnischen Grundbegriffen oftmals keineswegs genauso. Hier deshalb ein kleiner Überblick über die wichtigsten lichttechnischen Grundbegriffe und den entsprechenden Maßeinheiten.

Lichtstrom Φ

Als Lichtstrom F bezeichnet man die gesamte von einer Lichtquelle ausgestrahlte Lichtleistung.
Einheit: Lumen [lm]

Lichtstärke I

Teil des Lichtstroms, der in eine bestimmte Richtung strahlt.
Einheit: Candela [cd]

Leuchtdichte L

Die Leuchtdichte L ist der Helligkeitseindruck, den das Auge von einer leuchtenden oder beleuchteten Fläche hat.
Einheit: Candela pro Quadratmeter [cd/m2]

Beleuchtungsstärke E

Die Beleuchtungsstärke E gibt das Verhältnis des auftreffenden Lichtstroms zur beleuchteten Fläche an. Die Beleuchtungsstärke beträgt 1 lx, wenn ein Lichtstrom von 1 lm auf eine Fläche von 1 m2 gleichmäßig auftrifft.
Einheit: Lux [lx]

Lichtausbeute ŋ

Die Lichtausbeute ŋ gibt an, mit welcher Wirtschaftlichkeit die aufgenommene elektrische Leistung in Licht umgesetzt wird.
Einheit: Lumen pro Watt [lm/W]

Farbtemperatur K

Je höher die Temperatur einer Lichtquelle ist, desto größer ist im Farbspektrum der Blauanteil, und der Rotanteil wird geringer. Kelvin ist die Einheit für die Farbtemperatur. Eine Glühlampe mit warmweißem Licht hat eine Farbtemperatur von ca. 2700 K. Eine Xenon-Gasentladungslampe (D2S) hat mit 4250 K dagegen ein kühles weißes Licht, welches mit seiner Farbe aber näher am Tageslicht (ca. 5600 K) liegt (s.a. Tabelle 1).
Einheit: Kelvin [K]

Die Wattzahl alter Glühlampen mit der Lumenzahl moderner Leuchtmittel können sie hier miteinander vergleichen.

Lichtquelle, Leuchte, Leuchtmittel und Lampe

Bei den Begriffen Lichtquelle, Leuchte, Leuchtmittel und Lampe kommt man beim Versuch diese voneinander abzugrenzen, schnell an seine eigene Grenze.  

Lichtquellen sind Temperaturstrahler, die durch Wärmeenergie Licht erzeugen. Das heißt, umso stärker eine Lichtquelle erhitzt wird, umso höher ist auch die Lichtstärke I. Der niedrige Wirkungsgrad (8 % Lichtstrahlung) lässt aber gegenüber den Gasentladungslampen (28 % Lichtstrahlung) nur eine relativ geringe Lichtausbeute ŋ zu. Seit einiger Zeit kommen nun auch LEDs in den Frontscheinwerfern als Lichtquellen zum Einsatz.

Leuchten sind die Geräte oder Vorrichtungen, die elektrisches Licht für eine bestimmte Funktion abgeben. Sie sind entweder nach Funktion oder Design konstruiert. In der Automobiltechnik sind dieses meist anschlussfertige Module mit im inneren angeordneten Reflektoren, Spiegeln, Linsen und Lampenfassungen. Die vorderen Leuchten werden auch als Scheinwerfer bezeichnet, die hinteren Rückleuchten.

Leuchtmittel ist der ganz allgemeine Begriff für die Lichterzeuger, die man in die Leuchten einsetzen muss, damit sie überhaupt Licht abgeben können. In der allgemeinen Lichttechnik können dieses sein Glühlampen, LED, Gasentladungslampen oder Leuchtstofföhren.

Lampen sind die Lichterzeuger, die in der Leuchte eingesetzt werden. Sie unterscheiden sich nach Technologie, Funktion, Leistung und Fassung. Im Automobilbau spricht man eigentlich nur von Lampen beim Einsatz in Scheinwerfern, Innenleuchten und herkömmlichen Heckleuchten.

Nach Anita Paulmann von „Paulmann Licht“ ist die Antwort ganz einfach: „Eine Lampe ist das Leuchtmittel, das in eine Leuchte eingesetzt wird!“ (s.a. Videolink)  

Mercedes Scheinwerfer

Beim Mercedes-Benz MULTIBEAM LED Scheinwerfer handelt es sich lichttechnisch um eine Leuchte, die mit 24 einzelnen Hochleistungs-LED Leuchtmitteln bestückt ist. - Bild: Mercedes Benz

Fazit und Ausblick

Die wichtigsten Fragen zum Licht als solches und zur Lichterzeugung sowie zu den lichttechnischen Grundbegriffen wurden in diesem Beitrag als Grundlage erklärt. In Teil 2 geht es um die Lichtquellen. Dieser Artikel wird demnächst erscheinen. In der Zwischenzeit finden sie aber auch hier viele interessante Infos zu Scheinwerfern. Über die „kurze Geschichte des Auto Lichts“ können sie hier nachlesen.  

Anhang Tabelle 1: Farbtemperatur verschiedener Lichtquellen

Farbtemperatur Lichtquelle
1500 K Kerze
270K Glühlampe 60 W
3000 - 3200 K Halogenlampe 12V
4500 - 5000 K Xenonlampe, Lichtbogen
5500 K Vormittagssonne

Quellen: Hella, Siemens, www.licht.de, http://www.lichttechnik.beetle24.de/, https://de.paulmann.com


Autor: Johannes Wiesinger

bearbeitet: 14.05.2020









 


 
 
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