Glühbirne Optische Eigenschaften
Fast die gesamte der Lampe zugeführte Energie wird in Strahlung umgesetzt, die Verluste durch Wärmeleitung und -konvektion sind gering. Aber nur ein kleiner Wellenlängenbereich der Strahlung ist für das menschliche Auge sichtbar, der Hauptanteil liegt im unsichtbaren Infrarotbereich und kann für Beleuchtungszwecke nicht genutzt werden.
Die Wellenlängenverteilung des erzeugten Lichtes entspricht dem planckschen Strahlungsgesetz, sein Spektrum ist wie bei der Sonne kontinuierlich. Da aber die Temperatur des Glühfadens wesentlich geringer ist, überwiegt der Rotanteil bei weitem, Blau ist nur sehr schwach vertreten. Das Strahlungsmaximum der Strahlung verschiebt sich mit steigender Temperatur gemäß dem Wienschen Verschiebungsgesetz zu kleineren Wellenlängen und damit zu sichtbarem Licht hin, bleibt aber immer im IR-Bereich. Zugleich erhöht sich die spektrale Strahlungsflussdichte und damit das Strahlungsmaximum mit der vierten Potenz der Temperatur. Die Helligkeit einer Glühlampe hängt daher stark überproportional von der Temperatur des Glühfadens ab, wobei die Höhe der Betriebsspannung ausschlaggebend ist.
Um eine möglichst hohe Lichtausbeute zu erhalten, muss also das Strahlungsmaximum durch Temperaturerhöhung aus dem Bereich der langwelligen Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) möglichst weit in den Bereich des sichtbaren Lichtes verschoben werden, ohne der Schmelztemperatur von Wolfram zu nahe zu kommen. Denn bereits vorher sublimiert Wolfram, wodurch die Nutzungsdauer der Glühlampe vermindert wird:
- Die abgelösten Atome kondensieren an der kühleren Glasinnenwand, schwärzen sie und verringern die Lichtausbeute. Dieses Problem wird in der Halogenlampe weitgehend beseitigt.
- Der Glühfaden wird immer dünner und heißer und beschleunigt seine eigene Zerstörung.
Teilweise wird versucht, den infraroten Strahlungsanteil mittels einer Beschichtung des Glaskolbens (Dichroitischer Spiegel) teilweise zurück auf den Glühfaden zu reflektieren, wodurch die Stromaufnahme bei gleicher Fadentemperatur sinkt (sogenannte IRC-Beschichtung,[1] siehe unten bei Halogenglühlampe).
Die Lichtausbeute beträgt bei einer Glühfadentemperatur von etwa 2700 K etwa 12 lm/W. Erhöht man die Temperatur auf 3400 K, so steigt die Lichtausbeute auf etwa 34 lm/W. Die höhere Temperatur führt jedoch zu einer stark verkürzten Lebensdauer. Die Lichtausbeute typischer Allgebrauchsglühlampen wird mit 10–20 lm/W angegeben.[2]
| Leistung | Lichtstrom (bei 230 V) |
Licht- ausbeute |
Sockel |
|---|---|---|---|
| 25 W | 230 lm | 9,2 lm/W | E27 |
| 40 W | 430 lm | 10,8 lm/W | |
| 60 W | 730 lm | 12,2 lm/W | |
| 100 W | 1380 lm | 13,8 lm/W | |
| 150 W | 2220 lm | 14,8 lm/W | |
| 200 W | 3150 lm | 15,8 lm/W | |
| 300 W | 5000 lm | 16,7 lm/W | E40 |
| 500 W | 8400 lm | 16,8 lm/W | |
| 1000 W | 18 800 lm | 18,8 lm/W |
Die Höchsttemperatur wird durch die Eigenschaften des Glühfadenmaterials begrenzt. Um möglichst hohe Temperaturen zu ermöglichen, verwendet man heute für Glühfäden das hochschmelzende Metall Wolfram (Schmelztemperatur 3422 °C), früher auch Osmium oder Kohle. Allerdings lässt sich mit keinem dieser Stoffe die für tageslichtähnliches Licht wünschenswerte Farbtemperatur von etwa 6200 K erreichen, da Wolfram bei dieser Temperatur sogar bereits gasförmig (Siedetemperatur 5660 °C) ist. Selbst wenn es gelänge, betrüge die Lichtausbeute aufgrund des breiten emittierten Wellenlängenbandes maximal 95 lm/W (bei ca. 6600 K).
Glühlampen geben mit Farbtemperaturen von etwa 2300–2900 K ein Licht ab, das deutlich gelb-rötlicher als das natürliche Tageslicht ist. Je nach Sonnenschein liegt Tageslicht bei 5000–7000 K. Andere Lichtquellen mit dieser typischen Farbtemperatur von Glühlampen (Energiesparlampen, Leuchtstofflampen und LED-Lampen) werden als „Warmton“ angeboten. Leuchtstofflampen erzeugen aber im Gegensatz zu Glühlampen kein kontinuierliches Lichtspektrum, weshalb der Farbwiedergabeindex häufig schlechter ist.
Die Glühfadentemperatur entspricht nicht der Farbtemperatur des abgestrahlten Lichts, da Wolfram kein idealer Schwarzer Körper ist; Die Farbtemperatur ist um etwa 60 bis 80 K höher als die Glühfadentemperatur (im Temperaturbereich üblicher Glühlampen).[4] Der Grund ist der wellenlängenabhängige Emissionsgrad des metallischen Wolframs, welcher mit geringerer Wellenlänge etwas ansteigt.
Um beispielsweise für Projektions- und Bühnenbeleuchtungszwecke sowie für Fotoarbeiten eine höhere Farbtemperatur zu erreichen, werden entsprechende Glühlampen mit sehr hohen Glühfadentemperaturen betrieben, die Farbtemperaturen von 3400 K erlauben. Die Lebensdauer sinkt dementsprechend auf teilweise wenige Stunden ab. Oft werden zusätzlich auch Wärmeschutzfilter eingesetzt, die die Farbtemperatur weiter erhöhen. Vergleiche auch Kaltlichtspiegellampe.
Auf der anderen Seite werden Glühlampen oft mit Unterspannung betrieben (gedimmt), um stimmungsvolles Licht zu erzeugen, ähnlich demjenigen von Kerzen (ca. 1600 K) oder Feuer.
Die Leuchtdichte des Glühdrahtes einer Glühlampe beträgt 5–36 Mcd/m².[5] Auch wenn dieser Wert von anderen künstlichen Lichtquellen (zum Beispiel Hochdruck-Gasentladungslampen, Kohlebogenlampen, LEDs) noch übertroffen wird, eignen sich Glühlampen daher gut für Anwendungen, bei denen das Licht gebündelt werden muss, etwa für Projektoren und Scheinwerfer.
Die wirksame Leuchtdichte lässt sich durch die Gestaltung des Glühfadens (Doppelwendel, Flachwendel) weiter erhöhen. Generell besitzen dicke Glühdrähte (für niedrige Betriebsspannungen) höhere wirksame Leuchtdichten als dünne Glühdrähte.
Aufgrund der thermischen Trägheit des Glühfadens weisen auch an netz- bzw. niederfrequenter Wechselspannung betriebene Glühlampen nur geringe Schwankungen der Helligkeit auf. Die Helligkeitsmodulation mit der doppelten Betriebsfrequenz ist umso stärker, je dünner der Glühfaden ist. Sie ist also besonders bei Lampen geringer Leistung für Netzspannung ausgeprägt und beträgt bei einer Glühlampe 15 W und 230 V etwa 30 %.
Insbesondere Kleinspannungsglühlampen gelten aufgrund ihrer dicken, thermisch trägen Glühdrähte als flimmerfrei – ein Vorteil bei der Beleuchtung von rotierenden Maschinen. Glühlampen mit sehr dünnem Glühfaden für Betriebsströme von weniger als 0,1 A können mit Frequenzen bis zu einigen 100 Hz moduliert werden und wurden früher in Bastelprojekten zur optischen Sprachübertragung verwendet.
- ↑ HALOGEN ECO-Technologie von OSRAM für verbesserte Halogenlampen. (Memento vom 6. November 2013 im Internet Archive) In: osram.de.
- ↑ Leuchtmittelvergleich (Memento vom 8. Mai 2006 im Internet Archive)
- ↑ Häberle, Häberle, Jöckel, Krall, Schiemann, Schmitt, Tkotz: Tabellenbuch Elektrotechnik. 25. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2013, ISBN 978-3-8085-3227-0, S. 190.
- ↑ Halogen-Niedervoltlampen (Memento vom 18. Januar 2012 im Internet Archive) (PDF; 2,6 MB), Osram
- ↑ Leuchtmittel – Applikationen & Lichtmessung. (Memento vom 19. Januar 2012 im Internet Archive; PDF; 1,2 MB) Gigahertz-Optik (Hrsg.), 2008, S. 4.