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Lichtspektrum: LED vs. andere Leuchtmittel

8. Juli 2019
Pro-emit Team

Das Licht ist bekanntermaßen Teil der elektromagnetischen Strahlung, die (u.a.) die Sonne abgibt. Es strahlt in unterschiedlichen Wellenlängen bzw. in diesen unterschiedlich intensiv. Je nachdem, wie sich dies bei einer Lichtquelle zusammensetzt, ergibt sich ein spezielles Lichtspektrum und das ist von Leuchtmittel zu Leuchtmittel verschieden. In diesem Beitrag nehmen wir die Lichtspektren von LED und Co. unter die Lupe.

Spektrum und Farbtemperatur: Was versteht man darunter?

Über Spektrum und Farbtemperatur und dergleichen stolpert man gerne mal, wenn man Licht sozusagen kaufen will. Die unterschiedlichen Leuchtmittel haben dann so Angaben wie „warmweiß“ oder sogar genauer „2700K“ etc. Doch was bedeutet das nun genau? Holen wir dafür etwas aus.

Licht strahlt in unterschiedlichen Wellenlängen, die das Farbenspektrum ergeben, die etwa einen Regenbogen ergeben. Bei einem Regenbogen wird das Licht in seine verschiedenen Wellenlängen zerlegt – von kurzwellig (violett, ab etwa 380 Nanometer) bis langwellig (rot, bis etwa 750 Nanometer). All diese Wellenlängen zusammen ergeben das neutrale bzw. weiße Licht, das wir kennen.

elektromagnetische Strahlung
Von Horst Frank / Phrood / Anony - Horst Frank, Jailbird and Phrood, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3726606

Nun ist es aber so, dass sich diese Wellenlängen unterschiedlich zusammensetzen können und demnach das Weiß, das sie zusammen ergeben, dann leicht färben. Hier ist im blauen Wellenlängenbereich mehr Intensität da, dort im rot-orangen Bereich, wodurch das Licht auch bläulich bzw. rötlich wirkt.

Übrigens: Ein wirkliches „Vollspektrum“, wie viele Produktinformationen versprechen, gibt es eigentlich nicht. Nicht einmal das Sonnenlicht gibt in jedem Wellenlängenbereich gleich starke Strahlung ab, im Gegenteil: Das Sonnenlicht variiert seine „farbliche“ Zusammensetzung sogar je nach Sonnenstand.

Aus diesen unterschiedlichen Zusammensetzungen der Wellenlängen ergibt sich also der Charakter bzw. eben das Spektrum des Lichts. Das wäre auch gar nicht weiter beachtenswert, wenn nicht bereits minimale Veränderungen große Effekte auf verschiedensten Gebieten erzielen würden.

Beobachtbar ist das beispielsweise bei der Fotografie. Das menschliche Auge stellt sich automatisch auf verschiedene Lichtverhältnisse ein, sodass wir die Unterschiede in der Farbwiedergabe der Gegenstände um uns herum gar nicht wahrnehmen. Eine Kameralinse dagegen braucht eine entsprechende Software, um den sogenannten Weißabgleich entsprechend zu steuern. Wenn man mal eine Kamera mit feststellbarem Weißabgleich in die Finger bekommt, kann man das einmal ausprobieren und sich über die plötzlich extrem blaustichigen Fotos wundern, wenn man erst draußen bei Tageslicht und dann drinnen bei Glühlampenlicht fotografiert.

Vergleich der Lichtspektren mit Lichtquellen

Das Emissionsspektrum verschiedener Lichtquellen variiert also. Stellt sich die Frage, inwiefern und warum genau. Wir werden versuchen, diese Fragen zu beantworten und außerdem hie und da einen Blick darauf zu werfen, was das in unterschiedlichen Bereichen bedeutet. Dabei werden wir auf unserem Feld der Expertise bleiben und vor allem das LED-Spektrum im Vergleich zu anderen Leuchtmitteln – nun ja – näher beleuchten.

LED Schreibtischleuchte
Das Spektrum einer LED-Schreibtischleuchte.

Lichtspektrum der LED

LEDs, also light-emitting diodes, leuchten durch ein sogenanntes Halbleitermaterial. Nun gibt es davon unterschiedliche Sorten und diese leuchten auch in entsprechend verschiedenen Farben.

Sie strahlen also unterschiedliche Kombinationen aus Wellenlängen ab. Das verschafft den LEDs im Vergleich zu anderen Leuchtmitteln einen wesentlichen Vorteil:

Das Lichtspektrum der LEDs ist variabel. Und zwar lässt es sich beispielsweise mit folgenden Halbleitermaterialen wie folgt färben.

  • Aluminiumgalliumarsenid: Rot und selbst Infrarot
  • Galliumarsenidphosphid oder Aluminiumindiumgalliumphosphid: Rot, Orange und Gelb
  • Galliumphosphid: Grün
  • Indiumgalliumnitrid oder Galliumnitrid: Ultraviolett, Violett, Blau und Grün

Für weiße LEDs beispielsweise wird eine blaue Grundschicht verwendet, die mit einer gelblichen Lumineszenzschicht ergänzt wird, die somit quasi als Wellenlängen-Konverter wirkt.

 

 

 

LED vs. Tageslicht/Sonnenlicht

Das Tages- bzw. eher Sonnenlicht lässt sich mit dem der LEDs insofern vergleichen, als dass es ebenfalls variabel ist. Hier ist der Sonnenstand dafür verantwortlich, dass sich die Qualität des Lichts verändert. Verschwindet die Sonne langsam hinter dem Horizont, schafft es nämlich nur noch das langwellige Spektrum über die Erdkrümmung, was für den beeindruckenden Farbverlauf beim Sonnenunter- und -aufgang verantwortlich ist.

Lichtspektrum Sonnenlicht Das Lichtspektrum bei Sonnenaufgang um 6:20, um 9:30 und um 10:00 Uhr.

Tageslicht – also das Licht, das etwa zu Mittag herrscht, hat seine Intensitätsspitzen bei den grünen und blauen Wellenlängen. Wenn man das Ganze in Kelvin ausdrücken wollen würde, also in der Einheit, die die Farbtemperatur des Lichts bezeichnet, siedelt die grelle Sonne etwa bei 6000K an. Der strahlend blaue Himmel liegt bereits bei 12.000K aufwärts, während morgens und abends die Kelvinzahl bis etwa 4000K sinkt.

Halogenlampe Farbspektrum
Das Spektrum der Halogenlampe ähnelt dem der Glühbirne.

LED vs. Glühbirne

Unter den Glühbirnen gibt es ebenfalls leichte Unterschiede bei den Farbtemperaturen.

Tendenziell handelt es sich beim Licht von Glühbirnen aber immer um eher wärmeres Lichtspektrum. Interessant ist auch, dass das Spektrum der Glühbirne kontinuierlich verläuft.

Es sind keine Spitzen erkennbar, wie bei LEDs oder bei der Leuchtstofflampe, sondern ein steter Verlauf, der aber in Richtung der langwelligen Strahlung (also Rot) zunimmt.

LED vs. Halogenlampe

Die Halogenlampe ist, was ihr Lichtspektrum betrifft, mit der Glühbirne vergleichbar.

Höchstens ist eine leichte Verlagerung in Richtung Kurzwellen beobachtbar.

Allerdings verfügt sie über mehr Anteile an sichtbarem Licht, während die Glühbirne mehr Licht im Bereich der Infrarotstrahlung emittiert.

 

 

 

Leuchtstofflampe neutralweiß
Das Spektrum der Leuchtstofflampe.

LED vs. Leuchtstofflampe

Das Spektrum der Leuchtstofflampe ist ein diskontinuierliches. Ihr Licht weist also einige Spitzen auf, und zwar vor allem im blauen, gelben und grünen Bereich.

Vereinzelt gibt es mittlerweile auch wärmere Varianten der Leuchtstofflampe.

Die Auswahl an Farbtemperaturen reicht hier in etwa von 3000K bis 5500K, also um den neutralweißen Bereich herum.

LED vs. Natriumdampflampen

Natriumdampflampen haben ebenfalls kein kontinuierliches Spektrum. Ihre Spitzen liegen aber im gelben und orangen Bereich, wodurch ihr Licht besonders warm wirkt.

Dadurch wurde und wird sie teilweise noch immer gerne als Pflanzenlampe genutzt, da Pflanzen mit dieser Lichtart recht viel anfangen können.

Allerdings geht bei der NDL viel Energie in Form von Wärme verloren.

Farbtemperaturen messen: Kelvinskala und Spektraldiagramm

Wie bereits erwähnt, wird die Farbtemperatur in Kelvin angegeben. Diese Angabe gibt eine grobe Information über das jeweils gemessene Lichtspektrum, allerdings nur bis zu einem gewissen Grad. Für eine genauere Analyse braucht es ein detailliertes Spektraldiagramm, das alle Spitzen und die genaue Verteilung der Intensität der Wellenlängen anzeigt.

Wenn wir bei Leuchtmitteln bleiben, bewegen sich die meisten Lampen im Bereich von 2700 bis 6500 Kelvin, was sich in folgende Kategorien teilen lässt:

KelvinFarbtemperaturVergleich
Unter 1000KRoter Bereich-
2700KWarmweißBehagliche Lichtfarbe etwa für Wohnzimmerlampen
4000KNeutrales WeißNeutrale Lichtfarbe etwa für Bürolampen
6500KKaltweißTageslicht
Über 10.000KBlauer Bereich-

Die Kelvinangabe ergibt sich übrigens daher, dass man die Temperatur angibt, die ein Titanblock hat, wenn man ihn so sehr erhitzt, dass er die jeweilige Farbe annimmt. Wenn man ihn also auf etwa 2700K erhitzt, glüht er warmweiß. Je höher die Temperatur wird, desto bläulicher glüht der Titanblock.

Lichtspektrum und biologische Wirksamkeit

Was bedeutet das ganze Tamtam rund um das Lichtspektrum von LEDs und Co. aber? Unser Spezialbereich betrifft natürlich die Wirkung von Licht auf Pflanzen und dabei spielt das Lichtspektrum eine riesige Rolle. So eignet sich bei der Pflanzenbeleuchtung beispielsweise eine bestimmte Lichtfarbe eher für die Keim- und Wachstumsphase, während andere Spektren eher für die Blütenphase einzusetzen sind.

Dank der farblichen Variationsmöglichkeiten der LEDs kann man sich für jede Wachstumsphase bestens ausstatten, wobei ausdrücklich darauf hingewiesen sei, dass die Pflanze definitiv mehr zum Wachsen braucht als nur die roten und blauen Wellenlängenbereiche. Aus dem Fakt, dass die Pflanze weite Teile der grünen Wellenlängen reflektiert, ist der Irrglaube entstanden, dass dieser Farbanteil im Licht nicht für die Photosynthese benötigt wird. Jedoch brauchen Pflanzen definitiv ein ausgewogenes Lichtspektrum.

LED-Spektrum und andere Bereiche

Neben der Pflanzenbeleuchtung spielt das Spektrum der LED-, Glüh- und sonstigen Lampen auch in anderen Bereichen eine Rolle. Wenn in einem Raum ein bestimmtes Ambiente geschaffen werden oder das Aquarium beleuchtet werden soll, kann und sollte durchaus beim Kauf zumindest auf die Farbtemperatur geachtet werden.

Schädliches Licht: circadianer Biorhythmus und Gesundheit

Der Mensch reagiert eigentlich ziemlich empfindlich auf Lichtverhältnisse. Der sogenannte circadiane Rhythmus steuert den menschlichen Organismus in Bezug auf das Licht, dem er ausgesetzt ist. So wirken Lichtverhältnisse bei Sonnenaufgang anregend und aufputschend, während jene bei Sonnenuntergang einschläfernd bzw. beruhigend wirken.

In konkreten Zahlen ausgedrückt kann man diesbezüglich sagen, dass Farbtemperaturen des Lichts um die 3000K entspannend wirken, während 6500K eher anregend wirken. Das ist für die Stimmung im Raum als auch für das allgemeine Wohlbefinden von Bedeutung, da sich durch zu aggressives Blaulicht etwa nervöse Unruhe und Schlafstörungen einstellen können.

LED Lichtspektrum im Aquarium?

Farbspektrum Aquarium
Durch die Verwendung von Leuchtstoffröhren und LEDs wirken die Farben im Aquarium noch satter.

In aller Kürze möchten wir zum Abschluss noch auf die Beleuchtung von Aquarien eingehen, denn auch hier wird dem LED-Spektrum Aufmerksamkeit zuteil. Meist werden dort Leuchtstoffröhren eingesetzt, vereinzelt auch LEDs, wobei diese vor allem aufgrund ihres Abstrahlwinkels gerne eingesetzt werden. Farbtechnisch bewegt man sich hier gerne im neutralweißen Bereich.

Das hat vor allem den Grund, dass das Grün der Aquariumspflanzen durch die eher kühle Lichtfarbe satt zur Geltung kommen. So kommt ein frischer, „saftiger“, kühler Eindruck zustande, während mit warmem Licht beleuchtete Aquarien eher modrig und verstaubt aussehen.

Abschließend lässt sich sagen, dass das Spektrum und die Lichtfarbe zu den wichtigsten Parametern des Lichts gehören – neben Intensität etc. Besonders in unserem Fachbereich, der Pflanzenbeleuchtung, hat das Spektrum, das sich wie erwähnt am besten ausgeglichen gestaltet, eine große Wichtigkeit. Ob das Licht nun eher gelblich oder eher bläulich aussieht, kann große Unterschiede im Wachstum hervorrufen.

 

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