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Das gesamte Lichtspektrum der Sonne in einer LED

Autor / Redakteur: Simone Hettinger * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Bestimmte LEDs können annähernd das Lichtspektrum der Sonne erzeugen. Welche Vorteile bieten die aktuellen Generationen von LEDs gegenüber anderen Lichtquellen und welchen Einfluss haben sie auf den Menschen? Ein Überblick.

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Evolution des Lichts: Vom Sonnenlicht über das künstliche Licht bis zur LED, die das Farbspektrum der Sonne wiedergibt.
Evolution des Lichts: Vom Sonnenlicht über das künstliche Licht bis zur LED, die das Farbspektrum der Sonne wiedergibt.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Das Sonnenlicht trägt seit der Entstehung der Erde über die Evolution aller Lebewesen hinweg bis in unsere heutige Gesellschaft essenziell zur Entwicklung des Lebens bei. Es beeinflusst die gesamte Dynamik der Erde. So bietet die Sonne nicht nur allen Lebewesen Licht zum Sehen, sondern dient auch als grundlegende Energiequelle, die Leben und Wachstum erst ermöglicht.

Mit der Möglichkeit, künstliches, elektrisches Licht zu erzeugen, hat sich der Lebensraum des Menschen vermehrt in Gebäude verlagert. Glaubt man einer Studie, so verbringt ein Europäer durchschnittlich 90% des Tages in Innenräumen [1]. Seit dem Einsatz von künstlicher Beleuchtung wird der Mensch jedoch mit einem Licht konfrontiert, das nicht mehr den natürlichen Lichtverhältnissen entspricht. Als erste großindustrielle Leuchtquelle kam die Glühfadenlampe auf den Mark.

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Heute nutzen wir Leuchtmittel wie Leuchtstoffröhren, Energiesparlampen und vermehrt LED-Lampen. Damit wurde künstliches Licht so energieeffizient und langlebig wie möglich. Allerdings wurde die Wirkung auf den Menschen nicht berücksichtigt. Denn der Mensch ist an den Tag- und Nacht-Rhythmus gewöhnt. So kann eine zu jeder Tages- und Nachtzeit unnatürlich hohe Menge an Kunstlicht Schlafstörungen verursachen, da es über deutlich abweichende Eigenschaften im Vergleich zum Sonnenlicht verfügt. Das kann auf Dauer wiederum zu Diabetes, Magen-Darm- und Herzkreislauf-Problemen sowie weiteren gesundheitlichen Problemen führen.

Die verschiedenen Lichtquellen und ihre Eigenschaften

Das Sonnenlicht enthält das gesamte Farbspektrum in einer gleichmäßigen Verteilung und versorgt den Menschen mit elektromagnetischer Strahlung – vom ultravioletten über den sichtbaren Bereich bis weit in das infrarote Spektrum – und schafft damit für das Wohlbefinden und die Gesundheit bestmögliche Voraussetzungen. Auch der visuelle Komfort und das Farbsehen bleiben beim natürlichen Sonnenlicht unübertroffen und es stellt für hohe Farbtemperaturen mit einem maximalen Farbwidergabe-Index (Ra) von 100 die ideale Lichtquelle dar.

Die Glühlampe ist wie die Sonne ein Temperaturstrahler. Das Licht wird durch Wärme erzeugt und deshalb weist die Glühlampe das volle Lichtspektrum auf. Es kommt dem warm-weißen Licht der Sonne am Abend nahe. Im Vergleich zum Sonnenlicht (Bild 1) ist im Farbspektrum der Glühlampe (Bild 2) ein deutlich geringerer Blauanteil und die Lichtverteilung steigt zum Rot- und Infrarotanteil kontinuierlich stark an. Mit diesen Eigenschaften ist die Glühlampe die ideale Lichtquelle für warm-weiße Farbtemperaturen.

Zu viel Wärmestrahlung bei der Glühlampe

Bei der Glühlampe zeigt sich allerdings das Problem, dass sie mehr als 90% der aufgenommen Energie als Wärmestrahlung im unsichtbaren Infrarot abgibt und dadurch mit rund 9 bis 15 lm/W im Vergleich zu anderen Leuchtmitteln eine geringere Lichtausbeute aufweist. Unter diesem Aspekt dürfen viele Ausführungen der Glühlampe in der EU und anderen Staaten nicht mehr verkauft werden. Die positiven Effekte von Infrarotstrahlung auf den menschlichen Körper werden bei dieser ausschließlich auf die Effizienz und visuell beschränkte Bewertung außer Acht gelassen.

Weitere aktuell verfügbare Leuchtmittel, die auf dem Lichterzeugungsprinzip von Gasentladung und Elektrolumineszenz basieren, geben jedoch ein Lichtspektrum ab, das sich deutlich zum idealen Lichtspektrum, also in hohen Farbtemperaturen von dem der Sonne und in niedrigen Farbtemperaturen von dem der Glühbirne, unterscheidet. Die weit verbreiteten Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen weisen im Vergleich zum idealen Sonnenlichtspektrum große Lücken im Farbspektrum auf, da sie nur Licht in den Wellenlängen des angeregten Gases emittieren, wie im Vergleich der Spektren deutlich zu erkennen ist.

Bild 3: Das typische Spektrum einer Leuchtstofflampe mit drei ausgeprägten Banden.
Bild 3: Das typische Spektrum einer Leuchtstofflampe mit drei ausgeprägten Banden.
(Bild: euroLighting)

Das Bild 3 zeigt ein typisches Lichtspektrum einer Leuchtstofflampe, welches hauptsächlich drei ausgeprägte Banden im blauen (bei 440 nm), grünen (bei 545 nm) und roten (bei 610 nm) Spektrum aufweist. Diese Gasentladungslampen haben zudem das Problem des Flackerns. Auch wenn das Flackern meist nicht visuell erkennbar ist, können diese Lichtimpulse im Gehirn nachgewiesen und beim Menschen unterbewusst Stress auslösen.

Weiße LED mit unausgeglichenem Farbspektrum

Heute sind in fast allen Leuchtmitteln LEDs verbaut, die vor allem aufgrund ihrer kleinen Bauform den Vorteil bieten, dass sie gegenüber konventionellen Glühlampen und Leuchtstofflampen nahezu uneingeschränkt von der Leuchtenbauform eingesetzt werden können. Zudem ermöglichen es LEDs, auf kleinster Fläche deutlich mehr Lichtstrom zu erzeugen und eine Lichtausbeute von über 200 lm/W zu erreichen.

Bild 4: Bei einer konventionellen LED ist deutlich der Peak im blauen Spektrum bei rund 450 nm zu erkennen.
Bild 4: Bei einer konventionellen LED ist deutlich der Peak im blauen Spektrum bei rund 450 nm zu erkennen.
(Bild: euroLighting)

Doch auch die konventionellen weißen LEDs unterscheiden sich vom natürlichen, gleichmäßigen Spektrum der Sonne. Das weiße Licht wird durch die Konversion aus einer blauen LED mit gelbem Phosphor erzeugt, welches ein unausgeglichenes Farbspektrum mit einem starken Blauanteil bei rund 450 nm erzeugt (Bild 4). Der Cyanbereich, der vor allem für optimales Kontrastsehen sorgt, und der Rotbereich, der für die Energieversorgung und Regeneration über die Hautzellen verantwortlich ist, sind hier kaum vorhanden.

Obwohl die derzeit genutzte künstliche Beleuchtung mit Gasentladungslampen und herkömmlichen LED-Leuchtmitteln die visuellen Bedürfnisse der Menschen scheinbar erfüllt, fehlen dieser konventionellen Beleuchtung im Vergleich zum natürlichen Vollspektrum-Licht wichtige Teile des Spektrums. Folglich bereitet dieses unausgeglichene, künstliche Licht dem Menschen allmählich gesundheitliche Probleme, die von Schlafproblemen über Kurzsichtigkeit bis hin zu schwerwiegenden Krankheiten reichen können. Unter diesen Voraussetzungen ist es schwierig, sowohl die physiologischen als auch die psychologischen Bedürfnisse der Menschen zu berücksichtigen.

Spezielle Phosphor-Mischung

Bild 5: Das Spektrum der Daylight-LED, die von euroLighting vertrieben wird mit einem nahezu idealen Sonnenlichtspektrum bei Farbtemperaturen über 5000 K.
Bild 5: Das Spektrum der Daylight-LED, die von euroLighting vertrieben wird mit einem nahezu idealen Sonnenlichtspektrum bei Farbtemperaturen über 5000 K.
(Bild: euroLighting)

Die LED-Produkte von euroLighting sind auf das Konzept der physikalischen Beleuchtung ausgerichtet, das sowohl die visuellen Bedürfnisse – wie natürliches Farbsehen und leichtes Unterscheiden von Kontrasten – als auch die der physiologischen Bedürfnisse – wie die Förderung des Wohlbefindens und der Gesundheit erfüllt, unter dem Namen Human Sun Lighting.

Mit dem Einsatz von blauen und violetten Chips sowie einer speziell entwickelten Phosphor-Mischung statt des gelben Phosphors lässt sich ein Lichtspektrum erzeugen, das dem gleichmäßigem Sonnenlichtspektrum nahe kommt – ohne dem ausgeprägten Blaupeak. LEDs wie die Serie Daylight von Smart Eco Lighting bieten ein nahezu ideales Sonnenlichtspektrum bei einer Farbtemperatur von über 5000 K (Bild 5) sowie auch bei niedrigeren Farbtemperaturen. Das erreichen sie durch ein sehr ähnliches Spektrum zur idealen thermischen Lichtquelle über den gesamten sichtbaren Bereich.

Bild 6: Das Farbspektrum der breitbandigen Sonnenlicht-LED reicht bis in Infrarot.
Bild 6: Das Farbspektrum der breitbandigen Sonnenlicht-LED reicht bis in Infrarot.
(Bild: euroLighting)

Es sind alle wichtigen Anteile des Lichts enthalten, wie sie das Sonnenlicht bietet. Damit lassen sich die LEDs in Büros, Schulen und an Arbeitsplätzen einsetzen. Sie schaffen die Voraussetzung, um den natürlichen Bedürfnissen des Menschen, aber auch der Pflanzen und Tiere gerecht zu werden. Zu den weltweiten Neuentwicklungen zählen breitbandige Sonnenspektrum-LEDs, die das gesamte sichtbare Lichtspektrum der Sonne reproduzieren und zusätzlich Licht bis in Infrarot von 1000 nm aussenden (Bild 6). Damit lassen sich die heilenden und regenerativen Wellenlängen, die bereits in der medizinischen Phototherapie zur Wundheilung und Förderung des Blutflusses eingesetzt werden, in die Beleuchtung integrieren – ganz nach dem Vorbild des Sonnenlichts. In Zukunft lassen sich so nicht nur die sichtbaren Anteile des Lichts zur Förderung der körperlichen und geistigen Gesundheit, sondern auch die für den Energiehaushalt so wichtigen infraroten Wellenlängen direkt in der alltäglichen Beleuchtung nutzen.

LED-Spezialist euroLighting bietet ein zur Beleuchtung umfassendes Leistungsspektrum von der LED als kleines Bauteil über LED-Module mit und ohne direkt integrierte Treibertechnik bis hin zu fertigen LED-Beleuchtungen, wie kundenspezifischen Leuchten oder der Umsetzung von Beleuchtungsprojekten für Industrie, Büro, Pflege- oder Bildungseinrichtungen.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 8/2020: Sonderteil LED & Optoelektronik (Download PDF)

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Referenz

[1] Detail.de, https://www.detail.de/artikel/bauen-fuer-die-innenraumgesellschaft-32305/ (abgerufen am 5.3.2020)

* Simone Hettinger ist Produktmanagerin LED bei euroLighting in Nagold.

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