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WP's Lichtheizung

Überblick
Messplatz, Instrumentierung

Die völlig berührungslose Temperaturmessung erfolgt mittels Ellipsometer. Gemessen wird die temperaturabhängige Polarisationsänderung eines Laserstrahls. Er durchläuft zweimal eine mit Halogenlampen aufheizbare 1 mm dünne Quarzglasplatte, deren Brechungswinkel bei der inneren Totalreflexion sich mit der Temperatur ändert. Die 180° Umlenkung nach dem ersten Durchgang durch die Glasplatte und die Einkopplung in den Detektor nach dem zweiten Durchgang auf dem Rückweg erfolgt über Prismen.
Eine Eichkurve mit Polarisationsänderung und Temperatur aufgetragen über der Zeit ist das Ergebnis.

 

Temperaturmessung mit einem Ellipsometer

Die Glühbirne als Heizelement

Leuchtstoffröhren, Energiesparlampen und LEDs

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Temperaturmessung mit einem Ellipsometer

Ellipsometer
Die Macht des Lichts - fast wie im Sonnenstudio

 

Blendschutz
Der Messaufbau im Betrieb

Dieser Aufwand! - Warum? Thermoelemente benötigen einen guten Kontakt zum Messobjekt. Schlecht also, wenn der Anpressdruck beschränkt ist. Bei geringem Wärmeleitvermögen des Messobjekts bzw. seiner Oberfläche (z.B. wegen Lackierung), wirkt das Thermoelement zudem als Kühlrippe oder bei schnellen Temperaturänderungen als thermische Last. Die Abweichung kann leicht einmal jenseits von ±10 °C oder im zweistelligen Prozentbereich liegen.
Und Pyrometer? Sie messen die Wärmestrahlung eines Objektes und errechnen daraus die Temperatur über das Stefan-Boltzmann Gesetz, siehe unten, und die Messfläche. Diese Abstrahlungsleistung ist aber massiv vom Objekt abhängig und wird mit dem Korrekturfaktor Emissionsgrad 0 < ε ≤ 1 berücksichtigt. Bei glänzenden Metalloberflächen liegt ε deutlich unter 0,1, beim schwarzen Körper (in Näherung z.B. Ruß) bei 1. Üblicherweise ist über 0,7 eingestellt. Daneben sollte man Verfälschungen durch Fremdeinstrahlung (z.B. Reflexionen und andere Quellen im Bildausschnitt analog wie bei einer Videokamera) und stehende Wellen in transparenten Schichten nicht unterschätzen. Die Ergebnisse des wilden Herumfuchteln mit Pyrometern in zahllosen pseudowissenschaftlichen »Wissensmagazinen« sind also mit Vorsicht zu genießen. (Neben manch anderer dort verbreiteter »Info«. ;-)

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Die Glühbirne als Heizelement

Die Glühbirne - der bessere Ofen: Locker schaffen die sieben 500 W Halogenlampen innerhalb Sekunden 1 200 °C. In der Industrie und Halbleiterfertigung wird diese Möglichkeit gerne für RTP (rapid thermal processing; dt.: schnelle thermische Behandlung) genutzt.

Den maßgeblichen Zusammenhang zwischen Strahlung und Wärme stellt das Plancksche Gesetz her. In Wellenlängenform (Wellenlänge λ in m) liefert es für die temperaturabhängige spektrale Strahlungsenergiedichte eines schwarzen Körpers (den Körper mit der höchst möglichen Emissivität)

r(λ, T) dλ = 2 π h c25 (exp (h c / (k T) λ-1) -1)-1

mit
Plancksches Wirkungsquantum h = 6,6262 10-34 Js
Lichtgeschwindigkeit c = 2,99792 108 m
Boltzmann Konstante k = 1,3807 10-23 J/K
Absolute Temperatur T in Kelvin

Plancksches Strahlungsgesetz
Wirkungsgrad von Sonne und Glühlampen im Vergleich


Im Diagramm aufgetragen ist die Strahlung eines schwarzen Körpers nach Planck mit der Temperatur der Sonnenoberfläche (ca. 6 100 °C), der Wendel einer normalen Glühbirne (ca. 2 800±200 °C) und der einer Halogenlampe (ca. 3 500±300 °C).
Der Bereich des sichtbaren Lichts ist gelb hervorgehoben.

 

Aufintegriert über alle Wellenlängen erhält man mit dem Stefan-Boltzmann Gesetz die temperaturabhängige Strahlungsstärke

R(T) = ∫ r(λ, T) dλ = σ T4

mit
Stefan-Boltzmann Konstante σ = 5,670 10-8 W/(m2 K4)
Absolute Temperatur T in Kelvin
(In obiger Formel die Fläche A [m2] des schwarzen Körpers als Multiplikator eingeführt, ergibt die Strahlungsleistung.)

Integriert man (numerisch) über den sichtbaren Wellenlängenbereich 380 - 780 nm für die Glühbirne (Temperatur der Glühwendel 2 500 K) kommt man auf einen Wirkungsgrad von ca. 6%. Bei der Halogenbirne (Temperatur der Glühwendel 3 200 K) liefert diese Rechnung einen Wirkungsgrad von ca. 16%. Unter Berücksichtigung der geringeren Empfindlichkeit des Auges an den Grenzen des Wahrnehmungsbereichs, hier dem Infraroten, sind die »Literaturwerte« von ca. 3% bei einer 100 Watt Birne bzw. maximal 8 bis 10% bei Halogenbirnen nachvollziehbar.

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Leuchtstoffröhren, Energiesparlampen und LEDs

Die Lichterzeugung bei diesen Leuchtmitteln geschieht nicht durch eine aufgeheizte Quelle, sondern durch elektrische Anregung, siehe Franck-Hertz-Versuch. Bei den vom Prinzip her gleichen Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen stoßen durch die Netzspannung beschleunigte freie Elektronen auf die um die Atomkerne kreisenden Elektronen des Füllgases und heben diese bei genügender Energie auf ein höheres Orbital. Nach der Relaxationszeit von 10-8 Sekunden fallen die Elektronen wieder zurück und senden dabei ein ultraviolettes Photon der Energie hf aus. Die milchige Spezialbeschichtung des Glaskolbens wandelt diese UV Strahlung in sichtbares weißes Licht um. Diese Lampen zeigen ein mehr oder weniger kontinuierliches Spektrum, bedienen also alle Wellenlängen.

Das Halbleitermaterial von LEDs (light emitting diodes, dt.: Leuchtdioden; Lumineszenzdioden) wird unmittelbar elektrisch angeregt. Die abgestrahlten Photonen mit der Energie hf sind eng um eine Frequenz bzw. Wellenlänge gruppiert, ca. ±10 nm bis 30 nm, sind also monochromatisch. Für weißes Licht muss man eine rote, eine grüne und eine blaue LED bündeln, entweder als drei diskrete LEDs oder innerhalb eines LED Gehäuses. (Oft sind es zwei blaue LEDs, da ihr Wirkungsgrad recht gering ist.) Das so entstehende Spektrum ist diskontinuierlich.
Es besteht auch die vergleichbare Möglichkeit wie bei den Leuchtstoffröhren. Eine effiziente meist blaue LED bestrahlt eine spezielle gelbliche Beschichtung, die dann zusammen weißes Licht mit einem halbwegs kontinuierlichen Spektrum emittieren.

Für die Verschwörungsanhänger - ja, Industrie und Staat verdienen an Energiesparlampen und LED Leuchten wesentlich mehr als an Glühbirnen. Und der politische Druck angesichts der Tatsache, dass in einem Privathaushalt weniger als 2% des Energiebedarfs auf Beleuchtungszwecke entfällt, ist recht hoch. Doch unbestritten weisen diese einen deutlich höheren Wirkungsgrad von über 20% als die herkömmlichen Glühlampen auf, auch wenn manchmal die Vorteile schön gerechnet werden.

Man vergleicht schon mal gerne die fallweise schmale Lichtkeule einer LED (z.B. mit nur ±6° Öffnungswinkel), daneben ist es dunkel, mit der praktisch kompletten 360° Ausleuchtung einer Glühbirne. Tut also so, als würde die LED auch 360° mit ihrer vollen Intensität ausleuchten.
Daneben wird noch verschwiegen, dass die LEDs als Ersatz für Haushaltslampen einen Vorschalttrafo mit Gleichrichter benötigen, da sie nicht mit der Netzwechselspannung betrieben werden können. (LEDs leuchten nur in Flussrichtung je nach Typ bei ca. 2 bis 5 V.) Nahezu völlig geht unter, dass der Einbau von hochenergetischen LEDs problematisch sein kann. Während eine Glühbirne ihre Verlustleistung zu großen Teilen im Infraroten abstrahlt, klappt das bei LEDs nur per Konvektion und Wärmeleitung. Ein Kühlkörper oder Lüfter können nötig werden.
Bei Energiesparleuchten übersieht man gerne das Füllgas (u.a. Quecksilber), den Kunststoffanteil und die schwer verrottende Leiterplatte mit der Elektronik. Leuchtstoffröhren und Energiesparleuchten sind Sondermüll, Glühbirnen können in den Hausmüll.

Fazit: LEDs als generellen 1:1 Ersatz für alle Glühbirnen zu bezeichnen ist als würde man Brücken nach der Erfindung des Stahlbaus weiterhin aus Stahlblöcken statt aus Steinen schlichten. Energiesparleuchten sind hier eher geeignet, oder eben Halogenbirnen. Als Spot oder großflächige (programmierbare?) Leuchten machen LEDs eher Sinn. Und sie werden ihren Weg machen. Ganz zu schweigen von den OLEDs.

 



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Stand: V9.0, 2017-03-02


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