Beleuchtungstechnik (eBook)

Vorwort 6
Autoren und wissenschaftliches Lektorat 7
Inhaltsverzeichnis 11
1 Grundlagen 18
1.1 Einleitung 18
1.2 Lichttechnische und optische Grundlagen 22
1.2.1 Das Wesen des Lichtes 22
1.2.2 Licht als spektrale und integrale Größe 22
1.2.3 Licht als Welle und Teilchen 25
1.2.4 Ausbreitung des Lichtes 26
1.2.5 Die vier Grundgrößen der Lichttechnik 29
1.2.5.1 Lichtstrom 29
1.2.5.2 Lichtstärke 30
1.2.5.3 Beleuchtungsstärke 32
1.2.5.4 Leuchtdichte 33
1.2.6 Ergänzende Grundgrößen der Lichttechnik 34
1.2.6.1 Pupillenlichtstärke 34
1.2.6.2 Zylindrische, halbzylindrische und sphärische Beleuchtungsstärke 35
1.2.6.3 Lichtmenge Q 36
1.2.6.4 Spezifische Lichtausstrahlung M 36
1.2.6.5 Lichteinfallsstärke J 36
1.2.6.6 Belichtung und Leitzahl 36
1.2.7 Strahlungsphysikalische Größen 37
1.2.8 Abgeleitete Größen 37
1.2.8.1 Stoffkennzahlen 37
1.2.8.2 Ergänzende Stoffkennzahlen 38
1.2.8.3 Wirkungsgrade 41
1.2.9 Beziehungen zwischen den Grundgrößen 42
1.2.9 Beziehungen zwischen den Grundgrößen 42
1.2.10 Berechnung einfacher Elementarstahler 45
1.2.10.1 Zusammenhang zwischen Lichtstärke im Maximum der Ausstrahlung und dem Lichtstrom 45
1.2.10.2 Anwendung des Raumwinkelprojektionsgesetzes auf Lambertstrahler 46
1.2.10.3 Anwendung des Raumwinkelprojektionsgesetzes fu?r Sekundär- und Primärstrahler 46
1.2.10.4 Berechnung der Beleuchtungsstärke mittels zonalem Lichtstromverfahren 47
1.2.11 Grundbegriffe der Beleuchtungsoptik 49
1.2.11.1 Geometrische Optik 50
1.2.11.2 Wellenoptik 52
1.2.11.3 Nichtabbildende Optik – Beleuchtungsoptik 56
1.3 Grundlagen der Farbmetrik 62
1.3.1 Farbreiz, CIE-Normvalenzsystem, CIE-Normfarbtafel, MACADAM-Ellipsen, Farbmischung 62
1.3.2 Farberscheinung, Farbumstimmung, Farbräume, Farbdifferenzformeln 68
1.3.3 Farbwiedergabe, Farbwiedergabeindex und dessen semantische Deutung 73
1.3.4 Wahrnehmung und Präferenz der Weißpunkte 77
1.3.5 Zusammenfassung und Ausblick 78
1.4 Physiologische und psychologische Grundlagen 78
1.4.1 Aufbau des Auges 79
1.4.1.1 Optische Abbildung 79
1.4.1.2 Streulicht im Auge 80
1.4.1.3 Retina (Netzhaut) 80
1.4.2 Anpassung des Auges an die visuellen Bedingungen 83
1.4.2.1 Pupillenweite 83
1.4.2.2 Akkommodation 83
1.4.2.3 Adaptation des Auges 84
1.4.2.4 Augenbewegungen 85
1.4.3 Von der Beleuchtung beeinflusste Sehfunktionen 85
1.4.3.1 Kontrastwahrnehmung 86
1.4.3.2 Sehschärfe 92
1.4.3.3 Wahrnehmungsgeschwindigkeit 94
1.4.3.4 Hellempfindung 95
1.4.3.5 Sehfunktionen bei komplizierten Sehobjekt- und Umfeldstrukturen 96
1.4.4 Störgrößen der Beleuchtung 97
1.4.4.1 Physiologische Blendung 98
1.4.4.2 Psychologische Blendung 98
1.4.4.3 Wahrnehmen von Flimmern 100
1.4.4.4 Stroboskopeffekt 102
1.4.5 Nicht-visuelle Wirkungen von Licht 102
1.4.5.1 Anatomische Strukturen der visuellen Bahnen und Hellempfindlichkeitfu?r Tagessehen 102
1.4.5.2 Entdeckung der intrinsisch fotosensitiven retinalen Ganglienzellen 103
1.4.5.3 Anatomische Strukturen der nicht-visuellen Bahnen und melanopische Wirkungen 104
1.4.5.4 a-opische und melanopische Bewertung von Strahlungsgrößen 104
1.4.5.5 Einfluss des Lebensalters auf die nicht-visuellen Wirkungen des Lichtes 107
1.4.5.6 Bedeutung der nicht-visuellen Wirkungen fu?r die Beleuchtungstechnik 108
1.4.6 Fotobiologische Gefährdung des Auges 109
1.4.6.1 Schädigung durch UV-Strahlung 109
1.4.6.2 Schädigung durch IR-Strahlung 109
1.4.6.3 Blaulichtschädigung (BLH) 109
1.4.6.4 Altersbedingte Makuladegeneration (AMD) 110
1.5 Lichttechnische Berechnungen 111
1.5.1 Berechnung der ebenen Beleuchtungsstärke 111
1.5.1.1 Lichtstrommethode 112
1.5.1.2 Lichtstärkemethode 118
1.5.2 Berechnung von Raumbeleuchtungsstärken 129
1.5.2.1 Mittlere räumliche Beleuchtungsstärke (sphärische Beleuchtungsstärke) Es 129
1.5.2.2 Halbsphärische Beleuchtungsstärke Ehs 129
1.5.2.3 Raumbeleuchtungsstärke E0 129
1.5.2.4 Zylindrische Beleuchtungsstärke EZ 130
1.5.2.5 Halbzylindrische Beleuchtungsstärke EhZ 131
1.5.3 Berechnung der Leuchtdichte 132
1.5.3.1 Leuchtdichteberechnung der Raumbegrenzungsflächen im Innenraum 132
1.5.3.2 Leuchtdichte bei der Blendungsberechnung im Innenraum 132
1.5.3.3 Leuchtdichte in der Außenbeleuchtung 133
1.5.3.4 Gegenu?berstellung von Beleuchtungsstärke- und Leuchtdichteberechnung 134
1.5.3.5 Festlegungen zur Beobachtungsgeometrie 135
1.5.3.6 Ermittlung und Darstellung der Leuchtdichtekoeffizienten 138
1.5.3.7 Kennzeichnung und Klassifizierung des Leuchtdichtequotienten fu?r Straßendeckschichten 140
1.5.3.8 Bestimmung der Leuchtdichtekoeffizienten 145
1.5.3.9 Punktleuchtdichten 145
1.5.3.10 Mittlere Leuchtdichte 146
1.5.3.11 Leuchtdichtegleichmäßigkeit 146
1.5.3.12 Leuchtdichteberechnungen bei Lichtimmissionen 147
1.5.4 Lichtberechnungsprogramme 148
1.5.4.1 Rechenalgorithmen 149
1.5.4.2 Wirkungsgradmethode 150
1.5.4.3 Punkt-zu-Punkt-Verfahren 152
1.5.4.4 Rechengenauigkeiten und Toleranzen 152
1.5.4.5 Darstellung der Berechnungsergebnisse in Innenraumbereich 154
1.5.4.6 Darstellung der Berechnungsergebnisse in Außenraumbereich 156
1.5.4.7 Raytracing-Verfahren 156
1.5.4.8 Lichtplanungsprogramme: Relux Desktop, DIAlux evo, sowie weitere Programme 158
1.5.4.9 Echtzeit-Lichtsimulationsprogramme 160
1.5.4.10 Virtual Reality 161
1.5.4.11 Building Information Modelling 162
1.6 Lichttechnische Messungen 164
1.6.1 Messung fotometrischer Größen 164
1.6.1.1 Grundlagen 164
1.6.1.2 Messprinzipien und Geräte 175
1.6.2 Messungen an Lampen und Leuchten 188
1.6.3 Messung an LED-Leuchten 190
1.6.3.1 Grundlegendes 190
1.6.3.2 Einflussgrößen bei der Messung 191
1.6.3.3 Richtlinien fu?r die Messtechnik an LED-Quellen 192
1.6.4 Messunsicherheiten 192
1.6.5 Messung an Beleuchtungsanlagen 196
1.6.5.1 Innenraumbeleuchtung 197
1.6.5.2 Außenbeleuchtung 200
2 Lichtquellen und Zubehör 206
2.1 Lampen 206
2.1.1 Übersicht zur Lichterzeugung 206
2.1.2 Glu?hlampen 208
2.1.3 Halogenglu?hlampen 211
2.1.4 Leuchtstofflampen 213
2.1.4.1 Leuchtstofflampen mit den Durchmessern 38 mm (T12) und 26 mm (T8) 214
2.1.4.2 Leuchtstofflampen mit 16 mm Durchmesser (T5) 217
2.1.4.3 Leuchtstofflampen mit 7 mm Durchmesser (T2) 218
2.1.5 Kompaktleuchtstofflampen 218
2.1.5.1 Kompaktleuchtstofflampen mit Stecksockel 220
2.1.5.2 Kompaktleuchtstofflampen mit Schraubsockel 221
2.1.6 Induktionslampen 222
2.1.7 Natriumdampf-Niederdrucklampen 222
2.1.8 Hochdruck-Entladungslampen 223
2.1.8.1 Quecksilberdampf-Hochdrucklampen 223
2.1.8.2 Natriumdampf-Hochdrucklampe 225
2.1.8.3 Halogen-Metalldampflampen 227
2.1.9 LED-Lampen (Retrofitlampen 231
2.1.10 Allgemeine Eigenschaften und Kennwerte von Lampen 235
2.1.10.1 Brennstellung 235
2.1.10.2 Lebensdauer 235
2.1.10.5 Energiebilanz 242
2.1.10.6 Lampenbezeichnungssysteme 242
2.1.11 Richtlinien der EU 244
2.1.11.1 Richtlinien und Verordnungen zum Ökodesign 244
2.1.11.2 Elektro- und Elektronik-Altgeräte (WEEE) 245
2.1.11.3 Stoffverbotsrichtlinie (RoHS) 246
2.2 Betriebsmittel fu?r Niedervolt-Halogenglu?hlampen 246
2.2.1 Elektromagnetische Transformatoren 246
2.2.2 Elektronische Transformatoren 248
2.3 Betriebsmittel fu?r Entladungslampen 251
2.3.1 Elektromagnetische Vorschaltgeräte 251
2.3.1.1 Aufbau 251
2.3.1.2 Effizienzanforderungen an Vorschaltgeräte fu?r Leuchtstofflampen 254
2.3.2 Starter 255
2.3.3 Elektromagnetische Vorschaltgeräte fu?r die Leistungsreduzierung 256
2.3.4 Zu?ndgeräte 257
2.3.5 Kondensatoren fu?r die Parallelkompensation 259
2.4 Elektronische Vorschaltgeräte 259
2.4.1 Allgemeine Merkmale und Eigenschaften 260
2.4.2 Nicht dimmbare EVGs 261
2.4.2.1 Nicht dimmbare EVGs fu?r Leuchtstofflampen und Kompaktleuchtstofflampen 261
2.4.2.2 Nicht dimmbare EVGs fu?r Hochdruck-Entladungslampen 264
2.4.3 Dimmbare EVGs 265
2.4.3.1 Dimmbare EVGs fu?r Leuchtstofflampen und Kompaktleuchtstofflampen 265
2.4.3.2 Dimmbare EVGs fu?r Hochdruck-Entladungslampen 271
2.4.4 Normen fu?r EVGs 271
2.5 Anorganische und organische Leuchtdioden 271
2.5.1 Physikalisches Prinzip, Bändermodell 272
2.5.2 Farbiges und weißes LED-Licht, Spektren 275
2.5.3 Packaging, thermische Aspekte des LED-Aufbaus [2.28] 279
2.5.4 Elektrisches und thermisches Betriebsverhalten [2.29], [2.30], [2.31], [2.32] 282
2.5.4.1 Erfassung der Änderung der fotometrischen und elektrischen Kenngrößen weißer LEDs 283
2.5.4.2 Erfassung der Änderung der farbmetrischen Kenngrößen weißer LEDs 285
2.5.5 Spektrale und farbmetrische Eigenschaften 288
2.5.5.1 Weiße LEDs von 2 700 K bis 3 000 K 289
2.5.5.2 Weiße LEDs von 4 000 K bis 4 800 K 292
2.5.5.3 Melanopische Wirksamkeit weißer LEDs von 2700 K bis 6500 K 293
2.5.6 Alterung, Lebensdauer 294
2.5.6.1 Alterungsaufbau und LED-Auswahl 294
2.5.6.2 Datenauswertung und Ergebnisse 294
2.5.6.3 Fehlermechanismen und Analyse 296
2.5.7 Dimmverfahren fu?r anorganische Leuchtdioden und lichttechnische Aspekte [2.35] 298
2.5.8 Physikalische Erzeugungsprinzipien von organischen Leuchtdioden [2.36], [2.37], [2.38] 301
2.5.9 Lichttechnische und elektrische Eigenschaften von organischen Leuchtdioden 303
2.6 Betriebsmittel fu?r Leuchtdioden 306
2.6.1 Betriebsgeräte 307
2.6.2 Steuergeräte 311
3 Leuchten 312
3.1 Lichttechnische Anforderungen an Leuchten 312
3.1.1 Leuchtenanforderungen 312
3.1.2 Lichttechnische Leuchteneinteilung und -kennziffern [3.29] 314
3.1.3 Ermittlung des Leuchtenlichtstroms fu?r Leuchten mit Lampen- oderLED-Bestu?ckung 316
3.2 Lebensdauer von Leuchten 316
3.2.1 Lebensdauer von Leuchten mit konventioneller Bestu?ckung 317
3.2.2 Lebensdauer von Leuchten mit LED-Bestu?ckung 317
3.2.2.1 Spezielle Einflussfaktoren auf die wirtschaftliche Nutzlebensdauer von LED-Leuchten 318
3.2.2.2 Lebensdauerdefinition von LED-Leuchten (LxBy, LxCy etc.) 319
3.3 Elemente der Lichtlenkung 320
3.3.1 Reflektoren 322
3.3.1.1 Reflektoren mit spiegelnder Reflexion 322
3.3.1.2 Spiegelreflektoren fu?r LED 326
3.3.2 Transmittoren aus klaren Materialien (Refraktoren) 329
3.3.2.1 LED-Linsen 329
3.3.2.2 Miniaturisierte Optik 330
3.3.2.3 Mikrooptik 331
3.3.3 Schatter 331
3.3.4 Transmittoren mit diffuser Transmission [3.25] 332
3.3.5 Kombinationen von spiegelnden Reflektoren und klaren Transmittoren(Hybridoptik) 334
3.3.6 Kombinationen von diffusen Reflektoren und Transmittoren 334
3.3.7 Wellenoptische Elemente der Lichtmodellierung 335
3.3.8 Lichtleiter 336
3.4 Prinzipien des Leuchtenaufbaus 338
3.4.1 Innen- und Außenleuchten mit konventioneller Bestu?ckung 338
3.4.1.1 Scheinwerfer 338
3.4.1.2 Konzentratoren 339
3.4.1.3 Projektoren 339
3.4.1.4 Mikroskopbeleuchtung 340
3.4.1.5 Lichts 341
3.4.1.6 Konventionelle Leuchten mit LED-Retrofit-Lampen 342
3.4.2 Innen- und Außenleuchten mit integrierter LED Bestu?ckung 343
3.5 Mechanische und elektrische Ausfu?hrung von Leuchten 344
3.5.1 Schutzklassen 344
3.5.2 Schutzarten 344
3.5.3 Brandschutzkennzeichnung an Leuchten 346
3.5.4 Kennzeichnung der elektromagnetischen Verträglichkeit an Leuchten 347
3.5.5 Weitere Kennzeichnungen an Leuchten 347
3.6 Thermomanagement von LED-Leuchten 348
3.6.1 Wärmeu?bertragung 348
3.6.2 Wärmepfad durch die Leuchte 352
3.7 Leuchtenausfu?hrungen 355
3.7.1 Leuchten fu?r den Innenraum 355
3.7.1.1 Lineare und Flächenleuchten 356
3.7.1.2 Downlights 363
3.7.1.3 Arbeitsplatzleuchten 364
3.7.1.4 Strahlerleuchten 364
3.7.1.5 Hochleistungsleuchten 366
3.7.1.6 Funktionale Lichtlinien 367
3.7.1.7 Sicherheitsleuchten 368
3.7.1.8 Leuchten mit Lichtleitertechnik 368
3.7.2 Leuchten fu?r den Außenraum 371
3.7.2.1 Straßenleuchten 371
3.7.2.2 Scheinwerfer 373
4 Lichtsteuerung, Regelung und Management 376
4.1 Anforderungen und Anwendungen 376
4.2 Steuerung und Regelung 377
4.2.1 Datennetzwerke 379
4.3 Analoge drahtgebundene Schnittstellen 384
4.3.1 Schnittstelle Schalter, Taster, Relais und Schu?tz 384
4.3.1.1 Schnittstelle Dimmer 385
4.3.2 Analoge Schnittstelle 1–10 V und 0–10 V (Drahtgebunden) 387
4.3.3 Touch-and-Dim-Schnittstelle 388
4.4 Drahtgebundene Digitale Schnittstellen 389
4.4.1 Digitale Schnittstelle DSI, DALI und DALI 2 389
4.4.2 Digitale Schnittstelle DMX 512 392
4.4.3 Digitale Schnittstelle Powerline 394
4.4.4 Digitale Schnittstelle Ethernet und Power Over Ethernet PoE 395
4.5 Drahtlose Schnittstellen 397
4.5.1 Bluetooth 402
4.5.2 Zigbee 410
4.5.3 Multi-Protokoll Zigbee 3.0 + Bluetooth Low Energy 417
4.5.4 W-LAN/Wi-Fi 418
4.5.5 Proprietäre Funkschnittstellen 424
4.6 Optische drahtlose Kommunikation 426
4.7 Industrial Ethernet, Feldbus und Gebäudemanagement 433
4.7.1 KNX in der Gebäudetechnik 438
4.7.2 Weitere Netzwerke der Gebäudetechnik 439
4.8 Sensorik und Anwendungen 440
4.9 Konzepte fu?r Steuerungen 443
5 Beleuchtung mit Tageslicht 446
5.1 Allgemeine Gesichtspunkte 446
5.2 Meteorologische Grundlagen 448
5.3 Anforderungen an Fenster aus psychologischer Sicht 456
5.4 Anforderungen an die funktionelle Beleuchtung mit Tageslicht 457
5.5 Tageslichttechnische Begriffe 457
5.6 Tageslichttechnische Grundlagen 463
5.7 Berechnung 465
5.7.1 Berechnung des Tageslichtquotienten D bei seitlicher Fensteranordnung 465
5.7.2 Berechnung des mittleren Tageslichtquotienten DOLbei Räumen mit Oberlicht 468
5.8 Tageslichtlenksysteme, Sonnen- und Blendschutz 470
5.9 Anmerkungen zur Tageslichtplanung 473
5.10 Kombination von Tageslichtbeleuchtung und Beleuchtungmit elektrischem Licht 475
6 Beleuchtungsanlagen im Innenraum 477
6.1 Anforderungen, Kriterien und Kenngrößen 477
6.1.1 Anforderungen an die Beleuchtungsanlage 478
6.1.2 Kriterien der Beleuchtung 478
6.1.3 Kenngrößen 479
6.1.3.1 Beleuchtungsstärke 479
6.1.3.2 Leuchtdichte 480
6.1.3.3 Blendung 480
6.1.3.4 Farbe 481
6.1.3.5 Lichtrichtung und Schattigkeit 482
6.1.3.6 Flimmern 483
6.2 Richtlinien 484
6.2.1 Arbeitsplätze im Innenraum 484
6.2.2 Not- und Sicherheitsbeleuchtung 485
6.3 Kombination von Tageslichtbeleuchtung und Beleuchtungmit ku?nstlichem Licht 485
6.4 Planung 487
6.4.1 Planungsablauf 487
6.4.2 Beleuchtungskonzepte 489
6.4.3 Beleuchtungsarten 490
6.4.3.1 Direktbeleuchtung 490
6.4.3.2 Direkt-Indirektbeleuchtung 490
6.4.3.3 Indirekte Allgemeinbeleuchtung 491
6.4.3.4 Weitere Beleuchtungskonzepte 492
6.4.4 Lichtberechnungsmethoden 492
6.4.4.1 Radiosity 492
6.4.4.2 Backward Raytracing 494
6.5 Wirtschaftlichkeit, Umwelt, Energieeffizienz 496
6.5.1 Wirtschaftlichkeit von Beleuchtungsanlagen 496
6.5.1.1 Simple-Payback-Methode 497
6.5.1.2 Life-Cycle-Cost-Methode 497
6.5.1.3 Berechnungsbeispiel 498
6.5.2 Umweltverträglichkeit von Beleuchtungsanlagen 499
6.5.3 Energieeffizienz von Beleuchtungsanlagen 500
6.6 Weitere Gebiete 501
6.6.1 Dynamische Beleuchtung 501
6.6.2 Wahrnehmungsbasierte Planung nach Cuttle 502
6.6.3 Lichtqualität 503
7 Beleuchtungssysteme im Außenraum 505
7.1 Anforderungen, Gu?temerkmale und Kenngrößen 505
7.1.1 Gu?temerkmale 505
7.1.1.1 Leuchtdichte Lv 505
7.1.1.2 Visibility Level 507
7.1.1.3 Beleuchtungsstärke 508
7.1.1.4 Gleichmäßigkeit 509
7.1.1.5 Randbeleuchtungsstärkeverhältnis EIR 510
7.1.1.6 Blendung ƒTI, G, D, GR, RG 510
7.1.2 Begriffe und Definitionen 513
7.1.3 Normen und Richtlinien 515
7.1.3.1 Straßenbeleuchtung 515
7.1.3.2 Tunnelbeleuchtung 516
7.1.3.3 Arbeitsplätze im Außenraum 516
7.1.3.4 Nicht u?berdachte Sportstätten 517
7.1.3.5 Architekturbeleuchtung 517
7.2 Planung 517
7.2.1 Planungsablauf 517
7.2.2 Allgemeines zur Lichtplanung 518
7.2.2.1 Wirkungsgradverfahren zur Lichtstromermittlung 518
7.2.2.2 Fahrbahnbelag 519
7.2.2.3 Optische Fu?hrung 520
7.2.2.4 Lichtgestaltung und Modellierung 520
7.2.3 Straßenbeleuchtung 520
7.2.3.1 Auswahl der Beleuchtungsklassen 521
7.2.3.2 M-Klassen 521
7.2.3.3 P-Klassen 521
7.2.3.4 C-Klassen 522
7.2.3.5 Platzierung von Leuchten in der Straßenbeleuchtung 522
7.2.3.6 Fußgängeru?berwege und Fußgängerquerungshilfen 525
7.2.4 Tunnelbeleuchtung 526
7.2.4.1 Kurze Tunnel und Unterfu?hrungen 526
7.2.4.2 Lange Tunnel 527
7.2.5 Arbeitsplätze im Außenraum 529
7.2.5.1 Besonderheiten 529
7.2.5.2 Beleuchtung von Werksstraßen 531
7.2.5.3 Beleuchtung von Lagerplätzen 531
7.2.5.4 Beleuchtung von Parkplätzen 531
7.2.6 Nicht u?berdachte Sportstätten 531
7.2.6.1 Fußballplätze 532
7.2.6.2 Tennisplätze 532
7.2.7 Architekturbeleuchtung 534
7.2.7.1 Anstrahlungen 534
7.2.7.2 Masterplan 535
7.3 Nachhaltige Beleuchtung 536
8 Anhang 537
8.1 Anhang Formelzeichen 537
8.2 Messprotoll Beispiel 539
8.3 Lichtströme von Lichtquellen 541
8.4 DMX-Adressen und -Anschluss 542
8.5 Kabelhinweis 544
Literatur 546
Autoren 565
Bildquellen 569
Register 570