BELEUCHTUNGSTECHNIK EFFIZIENZ
Im Bereich Beleuchtungstechnik vergleichen wir verschiedene Leuchtmittel in Bezug auf Input (Leistung) und Output (Helligkeit). Außerdem schauen wir uns verschiedene Arten Räume zu gestalten an und wodurch der Effekt des Lichtes verstärkt wird. Beispielsweise den - allerdings noch nicht farblosen, und damit recht unästhetischen - "Textmarkereffekt".
Wir haben, um die Effizienz von verschiedenen Leuchtmitteln zu testen, die Leistung (P=U*I) ins Verhältnis zur Helligkeit (in Lux) gesetzt. Dazu haben wir drei Messreihen durchgeführt und im folgenden alle Werte gemittelt.
Zuerst haben wir die Halogenlampen bei steigender Spannung, in Verbindung mit Volt- und Ampere-Messgeräten betrachtet:
Nach dem gleichen Verfahren haben wir auch Glühlampen getestet und die Messwerte in einem Diagramm dargestellt:
max.
max.
Auch für LEDs:
Bei genauer Betrachtung der Diagramme fällt auf, dass die Skalen nicht alle übereinstimmen. Wir haben diese Ansicht gewählt, um den Verlauf der Kurve pro Versuch erkennbar zu machen. Trotzdem muss hervorgehoben werden, dass große Unterschiede zwischen den drei verschiedenen Leuchtmitteln bestehen. Während die Halogenlampen bei einer sehr hohen Leistung auch eine sehr große Helligkeit hervorbringen, so ist doch auffällig, dass die Leistung in sehr großen Intervallen ansteigt. Anders ist dies bei der Glühbirne, welche, bei gleichen Spannungsintervallen, eine wesentlich niedrigere benötigte Leistung aufweist. Gleichzeitig ist aber auch die Helligkeit bei weitem nicht so groß, wie bei der Halogenlampe und erreicht im Maximum etwa ein Zehntel. Als letztes bleibt nur noch die LED übrig: Diese erreicht bei sogar noch geringerer Leistung als die Glühbirne einen Maximalwert in der Helligkeit, der etwa das Vierfache des Maximums der Glühbirne entspricht.
Wenn wir nun annehmen, dass die Effizienz der Quotient aus der Helligkeit und der Leistung ist, so sehen die Werte im Maximum (bei 12V) wie folgt aus:
• Halogenlampe: 14.300 Lux / 18,16 W = 787,44 Lux/W
• Glühlampe: 1218 Lux / 2,88 W = 422,92 Lux/W
• LED: 4983 Lux / 0,84 W = 5932,14 Lux/W
Damit wird deutlich, dass die Effizienz der LED die der beiden anderen bei weitem übersteigt. Tatsächlich erreicht die Halogenlampe die größte Helligkeit, benötigt dazu aber wesentlich mehr Leistung, als LEDs.
max.
Also Augen auf:
Wie jetzt klar sein dürfte, heißt es nicht immer, dass eine helle Lampe ein Stromfresser ist. Aber trotzdem
ist es sinnvoll sich bei der Beleuchtung eines Raumes Gedanken zu machen, wie hell es sein soll und
welche Lampen verwendet werden sollten. Mit unseren Ergebnissen solltest du jetzt wissen, dass mehrere
LEDs genauso viel Licht ins Dunkel bringen können, wie eine Halogenlampe und dabei weniger Leistung
benötigen. Dass Glühlampen schon lange aus dem Rennen sind ist klar (außer du legst es gezielt darauf
an die entstehende Wärme zu nutzen).
UNSER SPIELHAUS
Das Spielhaus zum Thema EFFIZIENZ beinhaltet den gleichen Schaltkreis, wie wir ihn für unsere Messreihen verwendet haben in einer etwas modifizierten Art.
Dadurch könnt ihr sowohl die Spannung als auch die Stromstärke und somit auch die Leistung beobachten.
Es ist in zwei Segmente unterteilt. Dazu gehören das Haus selbst, welches für das Publikum und die Präsentation vorbereitet ist, und der Karton unterhalb, in welchem das Trafo, die Schaltkreise und Messgeräte enthalten und versteckt sind.
Das Haus besteht aus zwei großen Räumen, welche eine Küche und ein Wohn- oder Kinderzimer darstellen, sowie dem Außenbereich und Balkon. Jeder dieser Bereiche ist von jeweils zwei Lampen beleuchtet. Diese Lampen sind für jeden Raum individuell, das bedeutet im Erdgeschoss sind LEDs angebracht, in Obergeschoss Glühlampen und im Außenbereich
Halogenlampen. Mit den drei Schaltern auf dem Tisch vor dem Karton, kann das Publikum die Räume einzelnd beleuchten und die jeweilige Helligkeit im Vergleich zur Leistung betrachten (genauso wie wir in unserer Messreihe).
Der Karton enthält das Trafo, welches die Spannung für die Präsentation entweder auf 6 oder 9 Volt festlegt, die beiden Messgeräte, sowie alle Kabel. Diese Maßnahme ist sowohl aus Ästhetischen als auch Sicherheitstechnischen Gründen nötig und verhindert, dass ihr Einstellungen an der Technik verändern könnt und dadurch ggf. jemanden gefährdet.
Haus
Karton
Mach mit:
Schnapp dir das Helligkeitsmessgerät und lege einen der Schalter um, sodass ein Raum beleuchtet ist.
Jetzt betrachte die benötigte Leistung und die Helligkeit. Vielleicht fällt dir ja etwas auf!
Die Räume:
Das Erdgeschoss enthält die Küche und das Esszimmer und ist überwiegend in hellen und warmen Farben gehalten. Dazu gehören Weiß, Neon-Gelb und Rot.
Damit soll verdeutlicht werden, wie sehr helle Farben die Wirkung der Lampen verstärken und der gesamte Raum damit heller wirkt.
Das Obergeschoss ist ein sparsam, aber gemütlich eingerichtetes Wohn- oder Kinderzimmer. Es ist ebenfalls in hellen Farben gehalten, beinhaltet aber auch dunklere Gegenstände. Damit soll es demonstrieren, dass dunkle Gegenstände in einem Raum weniger die Helligkeit beeinflussen, je kärger der Raum eingerichtet ist. Besonders der große Blumentopf verdeutlicht diesen Effekt, da dieser sehr dunkel ist und einen großen Teil des Raumes beansprucht. Infolgedessen wirkt diese Seite des Zimmers dunkler als die Gegenüberliegende, wo nur kleine Anteile dunkler Gegenstände zu finden sind.
Der Vergleich:
Da in allen Räumen verschiedene Leuchtmittel angebracht sind, lassen sich die Effekte dieser gut vergleichen. Am offensichtlichsten ist der Unterschied zwischen Halogenlampe und den beiden anderen Leuchtmitteln im Inneren des Hauses. Dies ist allerdings in erster Linie den fehlenden Wänden zuzuschreiben. Außen am Haus trifft das Licht nicht direkt auf eine Hauswand, sondern strahlt vom Haus weg. Aus diesem Grund scheint dieses Licht weniger hell zu sein. (Trotzdem ist die Halogenlampe bei geringer Spannung dunkler als die LED.)
Als zweites bietet sich der Vergleich von LED und Glühlampe an. Dieser ist wesentlich einfacher, da beide Räume etwa die gleiche Größe haben und an beide Lampen genau die gleiche Spannung angelegt ist. Dabei wird jedem Betrachter unter euch bestimmt schnell klar, dass die Glühlampen etwas dunkler sind als die LEDs. Das liegt daran, dass durch das Glühen der Drähte ein Teil des Stromes in Wärme und nicht in Licht umgewandelt wird.
Schon gesehen?
Im Spielhaus sind drei Schränke mit Textmarker angemalt. Das sieht auf den ersten Blick komisch aus, weil gelb eine untypische Farbe für Möbel ist. Wenn du aber die UV-Lampe (Vorsicht nicht
reinschauen!) nimmst und auf die Möbel richtest, erkennst du den Grund. Durch einen Inhaltsstoff im Textmarker wird das UV-Licht in sichtbares Licht umgewandelt und die Schränke erscheinen viel heller.
Dieser „Textmarkereffekt“ (so nennen wir es) tritt auch bei Sonnenlicht auf, da es ebenfalls UV enthält.
Deswegen wollen wir betonen, dass solche neon-Farben optimal wären, um Licht und damit Strom zu
sparen. Auch wenn es noch nicht so schön aussieht.
BELEUCHTUNGSTECHNIK LEISTUNG
Der grundlegene Aufbau des Experimentes in Bezug auf die Beleuchtungstechnik dient dem Bewusstsein, wie viel Energie, bzw. Leistung, überhaupt benötigt wird, um eine Lampe zum Leuchten zu bringen. Um die Spannung im Generator der Handkurbel zu erzeugen, muss jemand die Handkurbel betätigen und damit Kraft über einen Weg und einen Zeitraum, also eine Leistung, aufbringen.
Um die erbrachte Leistung auch selbst berechnen zu können sind zwei Messgeräte (Spannung und Stromstärke) in den Stromkreis eingebaut, deren Werte nur multipliziert werden müssen, um den Betrag der Leistung (P=U*I) zu erhalten.
Dies ist ein Ausschnitt unserer Messreihe im Laborbuch, anhand derer wir die von uns erbrachte Leistung berechnet haben. Uns ist dabei aufgefallen, dass die Glühbrinen und die Halogenlampen sehr empfindlich auf Schwankungen in der von uns erzeugten Spannung reagieren. Das soll heißen, dass die Lampen angefangen haben zu flackern, sobald wir in einem ungleichmäßigen Rhythmus gekurbelt haben. Dahingegen blieb die Helligkeit der LEDs relativ konstant – auch bei kleinen
Schwankungen. Allerdings scheinen die LEDs eine gewisse Spannung von Begin an zu benötigen, da diese erst ab drei bis vier Volt Spannung anfangen zu leuchten, wohingegen die Glühbirnen und Halogenlampen scheinbar sofort beginnen zu strahlen.
Das Publikumsexperiment:
Haben sie selbst schoneinmal versucht eine Lampe zum Leuchten zu bingen? Nur mit Muskelkraft? Vielleicht haben Sie ja festgestellt, dass es sehr anstregend war. Das bedeutet, sie mussten sehr viel leisten. Oder aber, Sie haben es noch nie ausprobiert… Dann ist unser Experiment für Sie genau das Richtige!
Hier können Sie mit einer Kurbel einen Generator antreiben. Dieser erzeugt eine Spannung, mit der eine der Lampen zum Leuchten gebracht werden könnte. Schaffen Sie es schnell genug zu kurbeln, dass die Lampe leuchtet? Probieren Sie den Versuch mit verschiedenen Leuchtmitteln aus. Zum Beispiel mit einer Glühlampe, einer Halogenleuchte oder einer LED…
Hier ist veranschaulicht, wie der Versuchsaufbau mit einer Glühbirne in Realität aussehen könnte. (Das Minus ist nicht wirklich da, es erscheint nur auf dem Display durch die leicht schräge Fotoperspektive.) In diesem Fall würde die Spannung von 6,15 V mit der Stromstärke 0,17 A
multipliziert werden und man erhielte eine Leistung von 1,0455 W.
Allerdings ist hier die Helligheit der Glühbrine kaum erkennbar. Dahingegen kann man im abgedunkelten Raum den Unterschied zwischen niedrgien Tempo (niedrigere Spannung) und hohem Tempo (höhere Spannung) beim Kurbeln besser veranschaulichen.
Um dieses Verhältnis nochmal zu verdeutlichen haben wir die Messreihen digitalisiert und mit Diagrammen drgestellt. Auf der x-Achse ist die Leistung abgebildet und auf der y-Achse die Helligkeit. Dabei wird wieder deutlich, wie sehr die
Helligkeit bei ungleichmäßiger Spannung schwankt, und dass Messfehler durch einen kurzen Zeitabstand zwischen Helligkeits- und Leistungsmessung auftreten. Deswegen ist dieses Diagramm nur als Beispiel und nicht zur
Veranschaulichung der Verhältnisse geeignet. (Der Handgenerator dient eigentlich nur als Publikumsexperiment.)
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Beispiel Halogenlampen
Bei hohem Tempo (Spannung):
Bei niedrigem Tempo (Spannung):
Rote Linie: erwarteter Verlauf der Messergebnisse nach dem Publikumsexperiment zur Effizienz
