Beleuchtungstechnik - Grundlagen

Vorwort

Autoren und wissenschaftliches Lektorat

Inhaltsverzeichnis

1 Grundlagen

1.1 Einleitung

1.2 Lichttechnische und optische Grundlagen

1.2.1 Das Wesen des Lichtes

1.2.2 Licht als spektrale und integrale Größe

1.2.3 Licht als Welle und Teilchen

1.2.4 Ausbreitung des Lichtes

1.2.5 Die vier Grundgrößen der Lichttechnik

1.2.5.1 Lichtstrom

1.2.5.2 Lichtstärke

1.2.5.3 Beleuchtungsstärke

1.2.5.4 Leuchtdichte

1.2.6 Ergänzende Grundgrößen der Lichttechnik

1.2.6.1 Pupillenlichtstärke

1.2.6.2 Zylindrische, halbzylindrische und sphärische Beleuchtungsstärke

1.2.6.3 Lichtmenge Q

1.2.6.4 Spezifische Lichtausstrahlung M

1.2.6.5 Lichteinfallsstärke J

1.2.6.6 Belichtung und Leitzahl

1.2.7 Strahlungsphysikalische Größen

1.2.8 Abgeleitete Größen

1.2.8.1 Stoffkennzahlen

1.2.8.2 Ergänzende Stoffkennzahlen

1.2.8.3 Wirkungsgrade

1.2.9 Beziehungen zwischen den Grundgrößen

1.2.9 Beziehungen zwischen den Grundgrößen

1.2.10 Berechnung einfacher Elementarstahler

1.2.10.1 Zusammenhang zwischen Lichtstärke im Maximum der Ausstrahlung und dem Lichtstrom

1.2.10.2 Anwendung des Raumwinkelprojektionsgesetzes auf Lambertstrahler

1.2.10.3 Anwendung des Raumwinkelprojektionsgesetzes fu?r Sekundär- und Primärstrahler

1.2.10.4 Berechnung der Beleuchtungsstärke mittels zonalem Lichtstromverfahren

1.2.11 Grundbegriffe der Beleuchtungsoptik

1.2.11.1 Geometrische Optik

1.2.11.2 Wellenoptik

1.2.11.3 Nichtabbildende Optik – Beleuchtungsoptik

1.3 Grundlagen der Farbmetrik

1.3.1 Farbreiz, CIE-Normvalenzsystem, CIE-Normfarbtafel, MACADAM-Ellipsen, Farbmischung

1.3.2 Farberscheinung, Farbumstimmung, Farbräume, Farbdifferenzformeln

1.3.3 Farbwiedergabe, Farbwiedergabeindex und dessen semantische Deutung

1.3.4 Wahrnehmung und Präferenz der Weißpunkte

1.3.5 Zusammenfassung und Ausblick

1.4 Physiologische und psychologische Grundlagen

1.4.1 Aufbau des Auges

1.4.1.1 Optische Abbildung

1.4.1.2 Streulicht im Auge

1.4.1.3 Retina (Netzhaut)

1.4.2 Anpassung des Auges an die visuellen Bedingungen

1.4.2.1 Pupillenweite

1.4.2.2 Akkommodation

1.4.2.3 Adaptation des Auges

1.4.2.4 Augenbewegungen

1.4.3 Von der Beleuchtung beeinflusste Sehfunktionen

1.4.3.1 Kontrastwahrnehmung

1.4.3.2 Sehschärfe

1.4.3.3 Wahrnehmungsgeschwindigkeit

1.4.3.4 Hellempfindung

1.4.3.5 Sehfunktionen bei komplizierten Sehobjekt- und Umfeldstrukturen

1.4.4 Störgrößen der Beleuchtung

1.4.4.1 Physiologische Blendung

1.4.4.2 Psychologische Blendung

1.4.4.3 Wahrnehmen von Flimmern

1.4.4.4 Stroboskopeffekt

1.4.5 Nicht-visuelle Wirkungen von Licht

1.4.5.1 Anatomische Strukturen der visuellen Bahnen und Hellempfindlichkeitfu?r Tagessehen

1.4.5.2 Entdeckung der intrinsisch fotosensitiven retinalen Ganglienzellen

1.4.5.3 Anatomische Strukturen der nicht-visuellen Bahnen und melanopische Wirkungen

1.4.5.4 a-opische und melanopische Bewertung von Strahlungsgrößen

1.4.5.5 Einfluss des Lebensalters auf die nicht-visuellen Wirkungen des Lichtes

1.4.5.6 Bedeutung der nicht-visuellen Wirkungen fu?r die Beleuchtungstechnik

1.4.6 Fotobiologische Gefährdung des Auges

1.4.6.1 Schädigung durch UV-Strahlung

1.4.6.2 Schädigung durch IR-Strahlung

1.4.6.3 Blaulichtschädigung (BLH)

1.4.6.4 Altersbedingte Makuladegeneration (AMD)

1.5 Lichttechnische Berechnungen

1.5.1 Berechnung der ebenen Beleuchtungsstärke

1.5.1.1 Lichtstrommethode

1.5.1.2 Lichtstärkemethode

1.5.2 Berechnung von Raumbeleuchtungsstärken

1.5.2.1 Mittlere räumliche Beleuchtungsstärke (sphärische Beleuchtungsstärke) Es

1.5.2.2 Halbsphärische Beleuchtungsstärke Ehs

1.5.2.3 Raumbeleuchtungsstärke E0

1.5.2.4 Zylindrische Beleuchtungsstärke EZ

1.5.2.5 Halbzylindrische Beleuchtungsstärke EhZ

1.5.3 Berechnung der Leuchtdichte

1.5.3.1 Leuchtdichteberechnung der Raumbegrenzungsflächen im Innenraum

1.5.3.2 Leuchtdichte bei der Blendungsberechnung im Innenraum

1.5.3.3 Leuchtdichte in der Außenbeleuchtung

1.5.3.4 Gegenu?berstellung von Beleuchtungsstärke- und Leuchtdichteberechnung

1.5.3.5 Festlegungen zur Beobachtungsgeometrie

1.5.3.6 Ermittlung und Darstellung der Leuchtdichtekoeffizienten

1.5.3.7 Kennzeichnung und Klassifizierung des Leuchtdichtequotienten fu?r Straßendeckschichten

1.5.3.8 Bestimmung der Leuchtdichtekoeffizienten

1.5.3.9 Punktleuchtdichten

1.5.3.10 Mittlere Leuchtdichte

1.5.3.11 Leuchtdichtegleichmäßigkeit

1.5.3.12 Leuchtdichteberechnungen bei Lichtimmissionen

1.5.4 Lichtberechnungsprogramme

1.5.4.1 Rechenalgorithmen

1.5.4.2 Wirkungsgradmethode

1.5.4.3 Punkt-zu-Punkt-Verfahren

1.5.4.4 Rechengenauigkeiten und Toleranzen

1.5.4.5 Darstellung der Berechnungsergebnisse in Innenraumbereich

1.5.4.6 Darstellung der Berechnungsergebnisse in Außenraumbereich

1.5.4.7 Raytracing-Verfahren

1.5.4.8 Lichtplanungsprogramme: Relux Desktop, DIAlux evo, sowie weitere Programme

1.5.4.9 Echtzeit-Lichtsimulationsprogramme

1.5.4.10 Virtual Reality

1.5.4.11 Building Information Modelling

1.6 Lichttechnische Messungen

1.6.1 Messung fotometrischer Größen

1.6.1.1 Grundlagen

1.6.1.2 Messprinzipien und Geräte

1.6.2 Messungen an Lampen und Leuchten

1.6.3 Messung an LED-Leuchten

1.6.3.1 Grundlegendes

1.6.3.2 Einflussgrößen bei der Messung

1.6.3.3 Richtlinien fu?r die Messtechnik an LED-Quellen

1.6.4 Messunsicherheiten

1.6.5 Messung an Beleuchtungsanlagen

1.6.5.1 Innenraumbeleuchtung

1.6.5.2 Außenbeleuchtung

2 Lichtquellen und Zubehör

2.1 Lampen

2.1.1 Übersicht zur Lichterzeugung

2.1.2 Glu?hlampen

2.1.3 Halogenglu?hlampen

2.1.4 Leuchtstofflampen

2.1.4.1 Leuchtstofflampen mit den Durchmessern 38 mm (T12) und 26 mm (T8)

2.1.4.2 Leuchtstofflampen mit 16 mm Durchmesser (T5)

2.1.4.3 Leuchtstofflampen mit 7 mm Durchmesser (T2)

2.1.5 Kompaktleuchtstofflampen

2.1.5.1 Kompaktleuchtstofflampen mit Stecksockel

2.1.5.2 Kompaktleuchtstofflampen mit Schraubsockel

2.1.6 Induktionslampen

2.1.7 Natriumdampf-Niederdrucklampen

2.1.8 Hochdruck-Entladungslampen

2.1.8.1 Quecksilberdampf-Hochdrucklampen

2.1.8.2 Natriumdampf-Hochdrucklampe

2.1.8.3 Halogen-Metalldampflampen

2.1.9 LED-Lampen (Retrofitlampen

2.1.10 Allgemeine Eigenschaften und Kennwerte von Lampen

2.1.10.1 Brennstellung

2.1.10.2 Lebensdauer

2.1.10.5 Energiebilanz

2.1.10.6 Lampenbezeichnungssysteme

2.1.11 Richtlinien der EU

2.1.11.1 Richtlinien und Verordnungen zum Ökodesign

2.1.11.2 Elektro- und Elektronik-Altgeräte (WEEE)

2.1.11.3 Stoffverbotsrichtlinie (RoHS)

2.2 Betriebsmittel fu?r Niedervolt-Halogenglu?hlampen

2.2.1 Elektromagnetische Transformatoren

2.2.2 Elektronische Transformatoren

2.3 Betriebsmittel fu?r Entladungslampen

2.3.1 Elektromagnetische Vorschaltgeräte

2.3.1.1 Aufbau

2.3.1.2 Effizienzanforderungen an Vorschaltgeräte fu?r Leuchtstofflampen

2.3.2 Starter

2.3.3 Elektromagnetische Vorschaltgeräte fu?r die Leistungsreduzierung

2.3.4 Zu?ndgeräte

2.3.5 Kondensatoren fu?r die Parallelkompensation

2.4 Elektronische Vorschaltgeräte

2.4.1 Allgemeine Merkmale und Eigenschaften

2.4.2 Nicht dimmbare EVGs

2.4.2.1 Nicht dimmbare EVGs fu?r Leuchtstofflampen und Kompaktleuchtstofflampen

2.4.2.2 Nicht dimmbare EVGs fu?r Hochdruck-Entladungslampen

2.4.3 Dimmbare EVGs

2.4.3.1 Dimmbare EVGs fu?r Leuchtstofflampen und Kompaktleuchtstofflampen

2.4.3.2 Dimmbare EVGs fu?r Hochdruck-Entladungslampen

2.4.4 Normen fu?r EVGs

2.5 Anorganische und organische Leuchtdioden

2.5.1 Physikalisches Prinzip, Bändermodell

2.5.2 Farbiges und weißes LED-Licht, Spektren

2.5.3 Packaging, thermische Aspekte des LED-Aufbaus [2.28]

2.5.4 Elektrisches und thermisches Betriebsverhalten [2.29], [2.30], [2.31], [2.32]

2.5.4.1 Erfassung der Änderung der fotometrischen und elektrischen Kenngrößen weißer LEDs

2.5.4.2 Erfassung der Änderung der farbmetrischen Kenngrößen weißer LEDs

2.5.5 Spektrale und farbmetrische Eigenschaften

2.5.5.1 Weiße LEDs von 2 700 K bis 3 000 K

2.5.5.2 Weiße LEDs von 4 000 K bis 4 800 K

2.5.5.3 Melanopische Wirksamkeit weißer LEDs von 2700 K bis 6500 K

2.5.6 Alterung, Lebensdauer

2.5.6.1 Alterungsaufbau und LED-Auswahl

2.5.6.2 Datenauswertung und Ergebnisse

2.5.6.3 Fehlermechanismen und Analyse

2.5.7 Dimmverfahren fu?r anorganische Leuchtdioden und lichttechnische Aspekte [2.35]

2.5.8 Physikalische Erzeugungsprinzipien von organischen Leuchtdioden [2.36], [2.37], [2.38]

2.5.9 Lichttechnische und elektrische Eigenschaften von organischen Leuchtdioden

2.6 Betriebsmittel fu?r Leuchtdioden

2.6.1 Betriebsgeräte

2.6.2 Steuergeräte

3 Leuchten

3.1 Lichttechnische Anforderungen an Leuchten

3.1.1 Leuchtenanforderungen

3.1.2 Lichttechnische Leuchteneinteilung und -kennziffern [3.29]

3.1.3 Ermittlung des Leuchtenlichtstroms fu?r Leuchten mit Lampen- oderLED-Bestu?ckung

3.2 Lebensdauer von Leuchten

3.2.1 Lebensdauer von Leuchten mit konventioneller Bestu?ckung

3.2.2 Lebensdauer von Leuchten mit LED-Bestu?ckung

3.2.2.1 Spezielle Einflussfaktoren auf die wirtschaftliche Nutzlebensdauer von LED-Leuchten

3.2.2.2 Lebensdauerdefinition von LED-Leuchten (LxBy, LxCy etc.)

3.3 Elemente der Lichtlenkung

3.3.1 Reflektoren

3.3.1.1 Reflektoren mit spiegelnder Reflexion

3.3.1.2 Spiegelreflektoren fu?r LED

3.3.2 Transmittoren aus klaren Materialien (Refraktoren)

3.3.2.1 LED-Linsen

3.3.2.2 Miniaturisierte Optik

3.3.2.3 Mikrooptik

3.3.3 Schatter

3.3.4 Transmittoren mit diffuser Transmission [3.25]

3.3.5 Kombinationen von spiegelnden Reflektoren und klaren Transmittoren(Hybridoptik)

3.3.6 Kombinationen von diffusen Reflektoren und Transmittoren

3.3.7 Wellenoptische Elemente der Lichtmodellierung

3.3.8 Lichtleiter

3.4 Prinzipien des Leuchtenaufbaus

3.4.1 Innen- und Außenleuchten mit konventioneller Bestu?ckung

3.4.1.1 Scheinwerfer

3.4.1.2 Konzentratoren

3.4.1.3 Projektoren

3.4.1.4 Mikroskopbeleuchtung

3.4.1.5 Lichts

3.4.1.6 Konventionelle Leuchten mit LED-Retrofit-Lampen

3.4.2 Innen- und Außenleuchten mit integrierter LED Bestu?ckung

3.5 Mechanische und elektrische Ausfu?hrung von Leuchten

3.5.1 Schutzklassen

3.5.2 Schutzarten

3.5.3 Brandschutzkennzeichnung an Leuchten

3.5.4 Kennzeichnung der elektromagnetischen Verträglichkeit an Leuchten

3.5.5 Weitere Kennzeichnungen an Leuchten

3.6 Thermomanagement von LED-Leuchten

3.6.1 Wärmeu?bertragung

3.6.2 Wärmepfad durch die Leuchte

3.7 Leuchtenausfu?hrungen

3.7.1 Leuchten fu?r den Innenraum

3.7.1.1 Lineare und Flächenleuchten

3.7.1.2 Downlights

3.7.1.3 Arbeitsplatzleuchten

3.7.1.4 Strahlerleuchten

3.7.1.5 Hochleistungsleuchten

3.7.1.6 Funktionale Lichtlinien

3.7.1.7 Sicherheitsleuchten

3.7.1.8 Leuchten mit Lichtleitertechnik

3.7.2 Leuchten fu?r den Außenraum

3.7.2.1 Straßenleuchten

3.7.2.2 Scheinwerfer

4 Lichtsteuerung, Regelung und Management

4.1 Anforderungen und Anwendungen

4.2 Steuerung und Regelung

4.2.1 Datennetzwerke

4.3 Analoge drahtgebundene Schnittstellen

4.3.1 Schnittstelle Schalter, Taster, Relais und Schu?tz

4.3.1.1 Schnittstelle Dimmer

4.3.2 Analoge Schnittstelle 1–10 V und 0–10 V (Drahtgebunden)

4.3.3 Touch-and-Dim-Schnittstelle

4.4 Drahtgebundene Digitale Schnittstellen

4.4.1 Digitale Schnittstelle DSI, DALI und DALI 2

4.4.2 Digitale Schnittstelle DMX 512

4.4.3 Digitale Schnittstelle Powerline

4.4.4 Digitale Schnittstelle Ethernet und Power Over Ethernet PoE

4.5 Drahtlose Schnittstellen

4.5.1 Bluetooth

4.5.2 Zigbee

4.5.3 Multi-Protokoll Zigbee 3.0 + Bluetooth Low Energy

4.5.4 W-LAN/Wi-Fi

4.5.5 Proprietäre Funkschnittstellen

4.6 Optische drahtlose Kommunikation

4.7 Industrial Ethernet, Feldbus und Gebäudemanagement

4.7.1 KNX in der Gebäudetechnik

4.7.2 Weitere Netzwerke der Gebäudetechnik

4.8 Sensorik und Anwendungen

4.9 Konzepte fu?r Steuerungen

5 Beleuchtung mit Tageslicht

5.1 Allgemeine Gesichtspunkte

5.2 Meteorologische Grundlagen

5.3 Anforderungen an Fenster aus psychologischer Sicht

5.4 Anforderungen an die funktionelle Beleuchtung mit Tageslicht

5.5 Tageslichttechnische Begriffe

5.6 Tageslichttechnische Grundlagen

5.7 Berechnung

5.7.1 Berechnung des Tageslichtquotienten D bei seitlicher Fensteranordnung

5.7.2 Berechnung des mittleren Tageslichtquotienten DOLbei Räumen mit Oberlicht

5.8 Tageslichtlenksysteme, Sonnen- und Blendschutz

5.9 Anmerkungen zur Tageslichtplanung

5.10 Kombination von Tageslichtbeleuchtung und Beleuchtungmit elektrischem Licht

6 Beleuchtungsanlagen im Innenraum

6.1 Anforderungen, Kriterien und Kenngrößen

6.1.1 Anforderungen an die Beleuchtungsanlage

6.1.2 Kriterien der Beleuchtung

6.1.3 Kenngrößen

6.1.3.1 Beleuchtungsstärke

6.1.3.2 Leuchtdichte

6.1.3.3 Blendung

6.1.3.4 Farbe

6.1.3.5 Lichtrichtung und Schattigkeit

6.1.3.6 Flimmern

6.2 Richtlinien

6.2.1 Arbeitsplätze im Innenraum

6.2.2 Not- und Sicherheitsbeleuchtung

6.3 Kombination von Tageslichtbeleuchtung und Beleuchtungmit ku?nstlichem Licht

6.4 Planung

6.4.1 Planungsablauf

6.4.2 Beleuchtungskonzepte

6.4.3 Beleuchtungsarten

6.4.3.1 Direktbeleuchtung

6.4.3.2 Direkt-Indirektbeleuchtung

6.4.3.3 Indirekte Allgemeinbeleuchtung

6.4.3.4 Weitere Beleuchtungskonzepte

6.4.4 Lichtberechnungsmethoden

6.4.4.1 Radiosity

6.4.4.2 Backward Raytracing

6.5 Wirtschaftlichkeit, Umwelt, Energieeffizienz

6.5.1 Wirtschaftlichkeit von Beleuchtungsanlagen

6.5.1.1 Simple-Payback-Methode

6.5.1.2 Life-Cycle-Cost-Methode

6.5.1.3 Berechnungsbeispiel

6.5.2 Umweltverträglichkeit von Beleuchtungsanlagen

6.5.3 Energieeffizienz von Beleuchtungsanlagen

6.6 Weitere Gebiete

6.6.1 Dynamische Beleuchtung

6.6.2 Wahrnehmungsbasierte Planung nach Cuttle

6.6.3 Lichtqualität

7 Beleuchtungssysteme im Außenraum

7.1 Anforderungen, Gu?temerkmale und Kenngrößen

7.1.1 Gu?temerkmale

7.1.1.1 Leuchtdichte Lv

7.1.1.2 Visibility Level

7.1.1.3 Beleuchtungsstärke

7.1.1.4 Gleichmäßigkeit

7.1.1.5 Randbeleuchtungsstärkeverhältnis EIR

7.1.1.6 Blendung ƒTI, G, D, GR, RG

7.1.2 Begriffe und Definitionen

7.1.3 Normen und Richtlinien

7.1.3.1 Straßenbeleuchtung

7.1.3.2 Tunnelbeleuchtung

7.1.3.3 Arbeitsplätze im Außenraum

7.1.3.4 Nicht u?berdachte Sportstätten

7.1.3.5 Architekturbeleuchtung

7.2 Planung

7.2.1 Planungsablauf

7.2.2 Allgemeines zur Lichtplanung

7.2.2.1 Wirkungsgradverfahren zur Lichtstromermittlung

7.2.2.2 Fahrbahnbelag

7.2.2.3 Optische Fu?hrung

7.2.2.4 Lichtgestaltung und Modellierung

7.2.3 Straßenbeleuchtung

7.2.3.1 Auswahl der Beleuchtungsklassen

7.2.3.2 M-Klassen

7.2.3.3 P-Klassen

7.2.3.4 C-Klassen

7.2.3.5 Platzierung von Leuchten in der Straßenbeleuchtung

7.2.3.6 Fußgängeru?berwege und Fußgängerquerungshilfen

7.2.4 Tunnelbeleuchtung

7.2.4.1 Kurze Tunnel und Unterfu?hrungen

7.2.4.2 Lange Tunnel

7.2.5 Arbeitsplätze im Außenraum

7.2.5.1 Besonderheiten

7.2.5.2 Beleuchtung von Werksstraßen

7.2.5.3 Beleuchtung von Lagerplätzen

7.2.5.4 Beleuchtung von Parkplätzen

7.2.6 Nicht u?berdachte Sportstätten

7.2.6.1 Fußballplätze

7.2.6.2 Tennisplätze

7.2.7 Architekturbeleuchtung

7.2.7.1 Anstrahlungen

7.2.7.2 Masterplan

7.3 Nachhaltige Beleuchtung

8 Anhang

8.1 Anhang Formelzeichen

8.2 Messprotoll Beispiel

8.3 Lichtströme von Lichtquellen

8.4 DMX-Adressen und -Anschluss

8.5 Kabelhinweis

Literatur

Autoren

Bildquellen

Register