Helligkeit von Lampen – oder warum Lumen nur die halbe Wahrheit sind

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Die LED ist schon länger auf dem Vormarsch und aus den aktuellen Tauchlampen nicht mehr wegzudenken.

Aber mit dieser „neuen“ Technologie lassen wir uns leichter täuschen als je zuvor. Watt-Angaben zum Vergleich der Helligkeit gibt es nicht mehr und Aussagen wie: „Die Lampe ist so hell, wie eine 21W HID.“ helfen dir als normalsterblichem Taucher nicht wirklich weiter.

Aufbau einer LED

Aufbau einer LED

Also wird von einigen Herstellern eine Größe zur Angabe der Helligkeit gemacht, die zwar schön klingt, aber für den Kunden zunächst keine verwertbaren Informationen enthält…

Die Lumen.
Der Großteil der Lampenhersteller zieht die Angabe der Lumen-Zahl für Vergleiche der Lichtstärke heran:
Spot-Hauptlampen mit 1000 Lumen
5000 Lumen Videolampen
und sogar 10.000 Lumen in einigen Lampen auf Ebay?

Aber bringt dich eine Angabe der Lumen denn wirklich weiter?

 

Lumen (lm)

Zunächst solltest du dir bewusst machen, was Lumen eigentlich sind.

Lumen ist die Angabe der Helligkeit über den gesamten Lichtstrom, den ein Leuchtmittel, also eine Glühbirne oder eine LED in ALLE Richtungen abstrahlt.

Funktion einer Ulbrichtkugel

Glühlampen, wie sie in den klassischen Halogen-Strahlern zum Einsatz kommen, strahlen ihr Licht Kugelförmig ab.

Anders ist es bei LEDs. Hier wird das Licht durch die spezielle Bauweise, gerichtet abgegeben. Das heißt in einem Winkel, der deutlich geringer ist, als die 360° einer Halogenlampe.

Um die Lumen einer Lampe zu messen und zu vergleichen müssten die Lampenhersteller ihre Leuchten eigentlich in einer sogenannten Ulbricht-Kugel messen, oder messen lassen. In dieser wird das gesamte Licht, das aus der Lampe austritt, gleichmäßig gestreut. Mit Hilfe eines Sensors, der vor dem Direktlicht aus der Lampe geschützt ist, kann so der gesamte Lichtstrom errechnet werden.

Die Messgeräte und Tests in den Labors sind nicht besonders günstig, weshalb einige Lampenhersteller statt zu messen, ganz unverfroren die maximal möglichen Lumen angeben, die das Leuchtmittel alleine unter Laborbedingungen erreichen kann. Das bedeutet unter Kühlung des LED-Chips und bei einer festgelegten Spannung, die von einem überwachten Generator bereitgestellt wird.

Deshalb liegen die Lumen-Werte bei einigen Herstellern schon 20% über dem, was tatsächlich nach einem Einbau in der Lampe erreicht wird.
Weitere Faktoren wie zusätzlich zwischengeschaltete Elektronik, Optiken wie Linsen und Reflektoren oder auch der Akku sorgen dafür, dass niemals 100% der maximal theoretischen Lichtleistung erreicht werden können.

Aber 1200 Lumen lesen sich einfach besser als 960 Lumen…

Einen interessanten Artikel dazu gab es übrigens auch schon in der Novemberausgabe der Unterwasser von 2011.

 
Die Lichtverteilung ist entscheidend
Lässt du die Lumenangabe unter Laborbedingungen zunächst außen vor, wirst du vielleicht schon festgestellt haben, dass die Lumen als Angabe für die Helligkeit einer Lampe nur bedingt tauglich sind.

Unterschiedliche Lux bei gleicher Lumen ZahlWie schon erwähnt, bezieht sich die Angabe der Lumen auf die Lichtabgabe in jede Richtung. Eine Halogenlampe strahlt in einem Winkel von 360°, daher macht hier eine Angabe der Lichtleistung in Lumen Sinn. Auch bei Videolampen, deren Lichtverteilung besonders breit und gleichmäßig ist, sind Lumen eine nützliche Angabe.

Bei klassischen Tauchlampen hingegen ist ein Abstrahlen des Lichts in jede Richtung denkbar ungünstig.

Mit einer ungerichteten Lichtquelle würdest du dich und deinen Tauchpartner blenden und den Großteil der Lichtleistung verschenken.
Deshalb kommen in Taschen- und Unterwasserlampen Reflektoren zum Einsatz, die das Licht bündeln und in die gewünschte Richtung lenken.

Anders als ein Halogenbrenner strahlt eine LED jedoch schon aus fertigungstechnischen Gründen in einem deutlich kleineren Winkel (ca. 120°). Das kommt dir als Taucher schon entgegen und um den Strahl weiter zu bündeln, werden auch bei den LEDs zusätzliche Reflektoren eingesetzt.

Doch sobald das Licht gebündelt ist und in eine bestimmte Richtung strahlt, ist eine Angabe der Lumen zwar möglich aber nicht mehr besonders aussagekräftig. Deshalb wird in der (professionellen) Lichttechnik eine weitere Größe verwendet, die angibt, wie viel Licht auf eine Fläche von einem Quadratmeter fällt.

 

Die Einheit Lux (lx)

Um also die Stärke einer Lichtquelle mit einem gezielten Abstrahlwinkel anzugeben, ist eigentlich die Größe Lux besser geeignet. Denn dieser Wert gibt an, wie viel Licht in einem Meter Abstand auf einer Fläche von einem Quadratmeter ankommt.

Prinzipiell ist es möglich, anhand des Abstrahlwinkels und der Lumen im Datenblatt die theoretischen Lux zu errechnen1. Eine Formel findest du im Anhang.

Die Hersteller, die den Lux-Wert mit angeben, messen diesen an Land. Und von Lampe zu Lampe können sich hier gänzlich unterschiedliche Werte ergeben.

Welcher Abstand zur Messung des Lux-Wertes gewählt wird, bleibt dem Lampenhersteller überlassen. Grundsätzlich sollte er aber mit angegeben sein. Der Einfachheit halber beziehen die meisten Hersteller ihre Messwerte auf einen Abstand von einem Meter und das Zentrum des Lichtkegels.

Hier ein Beispiel, wie sehr sich die rechnerischen Werte von den Messwerten an Land unterscheiden. Unter Wasser ist der Lux-Wert nochmals geringer, was an der lichtabsorbierenden Eigenschaft des Wassers liegt.

Unterschiedliche 1000 Lumen Lampen

Unterschiedliche Helligkeit je nach Lampe bei 1000 Lumen Lichtleistung

Alle drei Lampen verwenden eine CREE XM-L2 LED und geben im Datenblatt einen Lichtstrom von 1000 Lumen an. Trotzdem unterscheidet sich, wie du siehst, die Helligkeit jeder Lampe von der anderen.

Gemessen wurden im Zentrum der jeweiligen Lampen folgende Lux-Zahlen:
Lampe 1 (Wide 70°) – 352 lx | rechnerisch 880 lx
Lampe 2 (Spot 10°) – 13251 lx | rechnerisch 41800 lx
Lampe 3 (Spot 8°) – 18580 lx | rechnerisch 65000 lx

Für die realen Messwerte spielen neben dem Abstand und dem Winkel weitere Faktoren eine Rolle. Z.B. die Gleichmäßigkeit der Lichtverteilung und die Bildung einer Korona außerhalb des angegebenen Abstrahlwinkels.
Nun wird dir vielleicht klar, warum die alleinige Angabe einer Lumenzahl für Tauchlampen nicht besonders aussagekräftig ist. Hier werden sämtliche äußere Faktoren vernachlässigt und es von einer technisch optimalen Leuchte ausgegangen, die das Licht wie gewünscht in einem gleichmäßigen Kegel nach vorn abstrahlt.

Je nach dem wie ungleichmäßig die Korona ausläuft, wird hier Licht erzeugt, das dir nachher beim Tauchen nicht besonders hilfreich ist.
Trotzdem ist auch die Lux-Zahl nicht ein alleiniges Kriterium für die Helligkeit einer Tauchlampe. Diese lässt dich als Taucher aber ungefähr einschätzen, welche Lampe im Zentrum heller ist und weniger Verluste in Form einer Korona erzeugt.

 

Warum also Lumenangaben?

Woran liegt es, dass die Hersteller die Lumen der Lampe angeben, nicht aber die Lux, mit denen eine zusätzliche Einschätzung der Helligkeit möglich wäre?

Aus genau einem Grund: Lux lassen sich bei Spot-Lampen deutlich besser vergleichen als die Lumen. Gleichzeitig werden die Verluste, die in Form einer ungewollten Korona entstehen, vernachlässigt.
Und genau diese Vergleiche wollen einige Hersteller verhindern. Denn so ist der Kunde quasi gezwungen, seine Entscheidung anhand einer nur scheinbar relevanten Größe zu treffen.

Trotzdem ist auch bei den Lux-Werten Vorsicht geboten.
Mit den Lux-Angaben kann für Tauchlampen mit engem Spot relativ einfach eine Entscheidung getroffen werden.
Bei Videolampen hingegen sind die Lux nur bedingt aussagekräftig. Hier kannst du getrost auf die gemessenen Lumen zurückgreifen und zusätzlich auf einen gleichmäßigen Lichtkegel achten.

 
Es gibt nur wenige Hersteller und Händler, die auf diese Unterschiede hinweisen und gemessene Lux oder Lumenwerte angeben.

FOC TEC | Thor Tauchlampen | Scaleo Tauchlampen | Scubapro

Noch hilfreicher ist es, wenn der Hersteller zusätzlich Bilder der Lichtverteilung der Lampenköpfe zeigt, wie es z.B. die Firma TillyTec tut.

Optimal wäre ein Diagramm zur Lichtverteilung, wie es für jede industriell verwendete Lampe zum Einsatz kommt. Die sogenannte LVK oder Lichtverteilungskurve.
Hier würde sich die Helligkeit und die Gleichmäßigkeit des Lichtkegels wirklich anhand des Datenblatts einschätzen lassen.

 

Wie stark sollte eine Lampe also sein?

Hauptlampen mit Spot bis 10°
Ein Abstrahlwinkel von 10° und einem leicht abflachenden Schein nach außen hin ist zum Tauchen die wohl am besten universell einsetzbare Beleuchtung. Mit dem engen Lichtkegel kann einerseits noch gut kommuniziert und gezeigt werden. Gleichzeitig ist der Schein so breit, dass sich problemlos auch größere Riffbereiche ausleuchten lassen.

Die Leistung sollte hier 1000 theoretische Lumen oder etwa 10.000 gemessene Lux nicht unterschreiten.

Liegen die Werte darunter, ist der Lichtschein tagsüber quasi nicht zu sehen. Diese Leuchten wären höchstens als Backuplampe im Notfall okay. Aber zum entspannten Beleuchten der Unterwasserwelt taugen sie nur bedingt.

Eine Obergrenze gibt es für Tauchgänge am Tag nicht. Hier sollte dir nur klar sein, dass eine hohe Lichtleistung größere oder mehr Akkus erfordert und die Lampen damit schwerer und größer werden. Anders verhält es sich bei Nachttauchgängen. Bei hohen Lichtleistungen und einem engen Abstrahlwinkel sollte die Lampe dimmbar sein. Das entlastet nicht nur deine Augen, weil du den Unterschied zwischen dem Lichtschein und der Dunkelheit um dich herum verringerst, sondern verhindert auch ein versehentliches Verscheuchen von Tieren.

Winkel bis 30°
Bei Winkeln bis 30° sind minimal 3000 Lumen-Leuchten mit deutlich hellem Zentrum empfehlenswert. Von diesen Lampen gibt es nur wenige, da dieser Winkel unnötig groß ist und damit Lichtleistung verschenkt. Gleichzeitig ist der Winkel trotzdem noch zu klein um Foto- oder Videoaufnahmen zu beleuchten.

Foto- und Videoleuchten
Willst du einen großen Bereich unter Wasser gleichmäßig auszuleuchten ohne unnötiges Bildrauschen zu erzeugen, bedarf es normalerweise mehr als einer Lampe.

Hier ein kleines Rechenbeispiel:
Um mit einer Videoleuchte bei 100° Abstrahlwinkel die gleiche Helligkeit (in Lux) wie bei einer 10° Spotlampe (mit 1000 Lumen) zu erreichen, müsste die Videolampe über 30.000 Lumen haben. Lampen mit 26.000 Lumen gibt es beim Schweizer Hersteller Keldan und kosten knapp 4.000€ pro Leuchte.

Leistungstechnisch kann hier keine andere Empfehlung ausgesprochen werden als so viel wie möglich!
Da bei den Videolampen die Lux-Zahl nur bedingt eine Orientierung bietet solltest du auf ein möglichst gleichmäßiges Leuchtbild achten. Für optimale Ergebnisse solltest du daher besser zwei Leuchten verwenden.
Sollen die Lampen dann noch leistungsstark und farbecht sein, ist wahrscheinlich dein Budget der limitierende Faktor.

Willst du Videos unter Wasser beleuchten, wirst du um Dauerlicht nicht herumkommen.

In der Fotografie hingegen solltest du, wenn es keinen triftigen Grund gibt, auf LED-Lampen verzichten und stattdessen einen Blitz verwenden.
Mehr dazu gibt es im Artikel Blitz oder Lampe

Selbst die schwächsten Unterwasserblitze schaffen es bei einer Leitzahl von 15 immerhin noch auf einen vergleichbaren Wert von etwa 600.000 Lux und das gleichmäßig auf einen Winkel von 100° bei einem Meter Abstand…

Das heißt, der Blitz liefert bei maximaler Leistung innerhalb der Abbrendauer von 20µs etwa 1 Mio Lumen. Etwa 1000 mal so viel Licht, wie eine kleine Handlampe erzeugt…
Eine solche Lichtleistung wird keine Lampe in den nächsten Jahren erreichen.

Welche Kriterien neben der Helligkeit einer Lampe noch eine Rolle spielen kannst du hier lesen:
Die perfekte Tauchlampe finden

 

Übersicht über Lampen

Hier eine Auswahl und Übersicht über einige beliebte Lampen:

HerstellerBezeichnungLumenWinkelLuxLink
Anchor
Divelights
1K Spot1.00010°9.500 lx1k Spot
bei Anchor Divelights
Anchor
Divelights
3k Spot3.00020°4.315 lx3k Spot
bei Anchor Divelights
Anchor
Divelights
Video 5k2.400120°791 lxVideo 5K
bei Anchor Divelights
Foc-TecMPL 1000-15000-101.20010°15.000 lxFoc-Tec MPL 1000-15000-10
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Foc-TecMPL 3000-35000-153.60015°35.000 lxFoc-Tec MPL 3000-35000-15
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Foc-TecMPL 3000 VIDEO Kurz3.000120°3.600 lxFoc-Tec MPL 3000 Video
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HeserBackup Selected LED240keine AngabeHeser Backup
bei deepstop.de
KowalskiPico XR90012° / 70°keine AngabeTest der
Kowalski Pico XR
MaresEOS 562010°13.000 lxMares EOS 5
bei TS-Heinemann
Light&MotionSola Dive 1200 Spot1.200
12°keine AngabeSola Dive 1200 Spot
auf Amazon.de
MaresEOS 12rz1.00012°-75°12.000 lxMares EOS 12rz
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MaresEOS 20RZ2.30012°-75°20.000 lxMares EOS 20rz
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RiffTL 3000 MK32.600Keine AngabeRiff TL3000 MK3
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ScubaproNovalight 720 R Wide72080°Keine AngabeNovalight 720 R Wide
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ThorRev. 2.02.20070.000 lxThor Rev. 2.0
auf Trockiklinik
TillyTecMaxi Uni 3600-50000-152.10015°50.000 lx
TillyTec Maxi Uni
TillyTecMaxi Uni 1500-35000-1590010°35.000 lx
TillyTec Maxi Uni


 


Appendix

Hier gibt es noch ein wenig Hintergrundwissen zu den gemessenen Lux-Werten, der Physik dahinter und die Formeln zur Berechnung der theoretischen Lux.

 

Abweichungen bei der Messung verschiedener Lampen

Nach einigen Interessanten Gesprächen mit den Herstellern stellte sich heraus, dass trotz ähnlicher (gemessener) Lumenwerte und scheinbar gleicher Helligkeit sehr unterschiedliche Lux-Werte auftreten können.

Ein Teil der Verluste ist auf die Art der Beschichtung und die Position des Reflektors zurückzuführen.
Wird der Reflektor beispielsweise nicht optimal platziert kann Licht in den Innenraum der Lampe dringen und verlässt das Lampengehäuse nicht. Auch satinierte Reflektoren, die zur Schaffung einer gleichmäßigen Korona dienen, führen zu deutlich messbaren Verlusten.

Ein weiterer Punkt an dem vor allem Hersteller aus Fernost tricksen, ist der Verzicht auf eine Spannungsregelung. Hier liegt vor allem bei voll geladenem Akku eine eine höheren Spannung an der LED an, als empfohlen. Das führt zu einer frühzeitigen Alterung des Leuchtmittels, äußert sich aber bei Tests im Laden in einem anfänglich deutlich helleren Lampenschein.

Ein weiterer Punkt ist der Langzeit-Test der Lampen. LEDs verlieren mit höherer Temperatur und längerer Brenndauer an Lichtleistung. Diese kann je nach Akku und Bauweise innerhalb einer halben Stunde um bis zu 30% sinken. Deshalb ist die Leuchte zu Beginn des Tauchgangs auch heller, als am Schluss.

 

Umrechnung der Lumen in Lux

Um die in alle Richtung abgegebenen Lumen in Lux umzurechen, benötigen wir den Abstrahlwinkel θ(Grad) und eine Angabe zum Abstand r der Lampe zur Messebene.

Dabei müssen wir einen Umweg nehmen – über den Candela-Wert.
Dieser gibt unter Einbezug des Winkels an, welche Lichtmenge in Richtung unserer Messebene fließt.

Candela I(cd) sind also die Lumen Θ(lm) in einem definierten Raumwinkel.

Mit Hilfe des Abstrahlwinkels können wir den Raumwinkel Ω(sr) berechnen.
Da wir uns gedanklich in einer Kugel befinden, ist der Raumwinkel wie der Name schon zeigt, ein räumlicher Winkel, der einen Teil der Kugelfläche einschließt.

Der Raumwinkel wird folgendermaßen berechnet:

oder

Damit haben wir den „Trichter“ bestimmt, in dem unser Licht strahlen soll.

 
Um nun die Candela zu errechnen, teilen wir die Lumen durch den Raumwinkel.
Das heißt: Candela = Lumen / Raumwinkel

Damit wissen wir, wie viel Licht sich in diesem Trichter ausbreitet.

Um die Menge des Lichts auf einer Fläche zu berechnen, teilen wir nun die Candela durch das Quadrat des Abstands der Messebene von der Lichtquelle.

Warum das Quadrat?
Weil sich mit jeder Verdopplung des Abstands die Fläche der Messebene vervierfacht.

Damit haben wir eine Formel, mit der sich zumindest rechnerisch ein Lux-Wert für jede beliebige Abstrahlwinkel – Lumen – Kombination errechnen lässt.

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