Leitfaden für Beleuchtungsbegriffe und -metriken

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Begriffe und Definitionen im Zusammenhang mit Beleuchtung

Dieser Artikel wird Dir helfen, nicht mit allen möglichen Begriffen, Metriken und Abkürzungen durcheinander zu kommen, welche zur Beschreibung verschiedener Arten von Beleuchtungskörpern verwendet werden. Die meisten Begriffe, die Dir begegnen, wenn du entweder kabelgebundene, tragbare und Solarleuchten oder Glühbirnen betrachtest, haben wir kurz erklärt, so dass Du alle Informationen hast, die du brauchst, um die beste Beleuchtung für Deine Situation zu kaufen und in weiteren Artikeln verwendete Begriffe zu verstehen.

Ein Arduino Mikrokontroller.

(Quelle: pixabay.com)

Definition von Lichtmetriken

Eine kurze, sehr einfach gehaltene Erklärung verschiedener Begriffe.

Lumen Definition

Ein Lumen ist eine Maßeinheit für das Licht, welche die Lichtleistung einer Lampe misst, um abzuschätzen, wie hell eine Lampe sein wird.

Heute werden Lumen als wichtigste Methode zum Vergleich verschiedener Glühbirnen und Lampen verwendet (obwohl auch andere Messungen wie „nützliche Lumen“ und „LUX“ verwendet werden), um festzustellen, welche von ihnen heller ist. Generell gilt: Je höher der Lumenwert einer Lampe ist, desto heller wird die Lampe. Wenn Du also einen helle Außenfluter benötigst, um Dein Haus oder Deinen Garten zu beleuchten, suche nach einer Lampe mit höherer Lichtstärke, aber wenn Du ein dimmbares Licht für Dein Schlafzimmer brauchst, besorg Dir eine Lampe mit weniger Lichtstärke. Um die Anzahl der Lumen einer Leuchte zu messen, wird eine spezielle Licht Ulbrichtkugel verwendet, jedoch wird zur Messung der Lichtleistung in einem bestimmten Bereich ein Gerät namens Luxmeter verwendet.

Watt (W) Definition

Watt wird verwendet, um eine elektrische Leistung zu beschreiben, und Watt (W) ist eine Leistungseinheit im Internationalen System der Einheiten, welche die mit Strom geleistete Arbeit in einer Sekunde misst. Watt kann durch Multiplikation von Volt (V) mit Ampere (A) berechnet werden. Der einfachste Weg, Watt zu verstehen, ist der Gedanke, dass eine 100-W-Glühbirne 100 Wattstunden Energie in einer Stunde verbraucht, oder mit anderen Worten, 100 Watt Energie würden eine 100-W-Glühbirne für eine Stunde beleuchten.
Als CFL- und LED-Glühbirnen noch nicht vorhanden waren, war Watt eine gängige Methode, um die Helligkeit einer Glühbirne zu messen, je höher die Watt-Zahl, desto heller wird die Glühbirne sein. Dies ist nicht mehr der Fall, denn LED-Dioden sind zum Beispiel viel energieeffizienter und verbrauchen viel weniger Leistung, um die gleiche Helligkeit (Anzahl der Lumen) zu erreichen wie alte Glühlampen. Um beispielsweise 800 Lumen Licht zu erzeugen, verbraucht eine Glühbirne 60 Watt Strom, eine CFL-Lampe etwa 15 Watt und eine LED-Lampe weniger als 10 Watt.

Spannung (V) Definition

Spannung ist eine elektrische Potentialdifferenz oder Ladungsdifferenz zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis. Die Spannung wird in Joule pro Coulomb gemessen und die elektrische Einheit der Spannung ist Volt (V).

Volt kann auch durch Multiplikation von Strom (Ampere) mit dem elektrischen Widerstand (Ohm) berechnet werden. Eine einfache Möglichkeit, an Volt, Ampere, Ohm und Watt zu denken, ist auf diese Weise – Volt bewegt Ampere durch Ohm, die Watt erzeugen. Bezüglich der Beleuchtung sind Lumen und Watt viel häufiger Begriffe zur Beschreibung der Leistung (Helligkeit) einer Glühbirne, aber die Spannung wird erwähnt, wenn es um batteriebetriebene Solar- und tragbare Beleuchtung geht, da verschiedene Batterietypen unterschiedliche Spannungen aufweisen.

Die Spannung kann auch mit einem Multimeter gemessen werden.

Ampere (A) Definition

Amperestunde (Ah), Milliamperestunde (mAh) oder Ampere ist eine elektrische Strommesseinheit, die verwendet wird, um den Durchfluss der elektrischen Ladung in einem elektrischen Leiter mit einer Rate von einem Coulomb pro Sekunde zu messen.

Eine Amperestunde (Ah) ist eine Einheit, die verwendet wird, um die Menge an elektrischer Ladung zu messen, die benötigt wird, damit ein Ampere Strom für eine Stunde fließen kann, denn 1 Ampere entspricht einer Durchflussrate von 1 Coulomb Elektronen pro Sekunde, 1 Amperestunde entspricht 3600 Coulomb. So könnte ein Akku mit einer Kapazität von 1 Ah 1A Strom für 1 Stunde liefern, danach würde er vollständig entladen. Wie Du inzwischen ahnen kannst, werden Amperestunden hauptsächlich zur Kapazitätsmessung einer Batterie verwendet. Um die Kapazität kleinerer Batterien zu messen, wird der Begriff Milliamperestunde (mAh) verwendet, 1 mAh = 0,001 Ah, was 3,6 Coulomb entspricht.

Wenn Du Dir Beleuchtung ansiehst, wirst du meist Amperestunden und Milliampere-Stunden finden, die verwendet werden, um die Kapazität von tragbaren Batterien und Batterien für z.B. Solarflutlicht zu beschreiben. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Anzahl der Ah, die auf dem Akku angegeben ist, desto mehr Ladung kann er speichern und längere Beleuchtungszeiten für das Licht bieten, wenn er mit dem Akku arbeitet.

LUX Definition – Lumen pro Quadratmeter

LUX ist eine Einheit im SI, mit der die Beleuchtungsstärke oder Lichtintensität auf einer bestimmten Fläche gemessen wird. Ein Lux entspricht einem Lumen, das auf eine ein Quadratmeter große Fläche fällt.

In der Praxis wird die Verwendung einer Glühbirne, welche 100 Lumen erzeugt, die alle auf einen Quadratmeter große Fläche konzentriert sind, die Lichtintensität von 100 Lux in diesem Bereich messen, aber die Verwendung derselben Glühbirne zur Beleuchtung von zwei Quadratmetern großer Fläche wird zu einem Dimmer mit 50 Lux Beleuchtungsstärke führen. Die Luxzahl kann verwendet werden, um zu messen, wie viele Lumen (wie helles Licht) Du benötigst, um einen bestimmten Bereich zu beleuchten. Um einen großen Bereich zu beleuchten, musst Du entweder hellere Glühbirnen oder mehrere Beleuchtungskörper zusammen verwenden, die den Gesamtstromverbrauch von Leuchten erhöhen. Lux ist die genaueste Messung, um verschiedene Arten von Lampen und Glühbirnen zu vergleichen, wenn Du genau weißt, welchen Bereich Du beleuchten möchtest. Lux kann mit einem Luxmeter an der zu beleuchtenden Fläche gemessen werden.

Kelvin (Farbtemperatur) Definition

Die Farbtemperatur gibt den von einer bestimmten Lichtquelle erzeugten Farbton an und wird in Kelvin (K) gemessen.

Die Farbtemperatur wird verwendet, um das von einer Lichtquelle erzeugte Farbbild zu beschreiben, so dass man im Grunde sagen kann, dass die Farbtemperatur die Farbe eines Lichts ist. Jede Lichtquelle hat eine Farbtemperatur, die von „wärmer“ (rot) über „mittel“ (gelb) bis „kühl“ (blau) reichen kann. Wärmere Leuchten haben eine niedrigere Farbtemperatur und kühlere Leuchten haben eine höhere Farbtemperatur. Die ungefähre Farbtemperatur verschiedener natürlicher und künstlicher Lichtquellen ist:

  • 1700-1900 Kelvin – Kerzenlicht, Flamme
  • 2500 Kelvin – Glühbirne
  • 3000 Kelvin – Halogenlampe, Sonnenauf- und -untergang
  • 4200 Kelvin – CFL, Leuchtstoffröhren, Frühmorgenlicht
  • 5500 Kelvin – LED-Leuchten (LEDs kommen oft mit wärmeren Farbtemperaturen), Tageslicht
  • 7500-10000+ Kelvin – klarer, blauer Himmel

Die Kelvin Skala beschreibt die Farbtemeratur von Licht.

Gehäuse von Elektronik

Viele Bauteile, Lampen und elektronische Komponenten werden mit einer IP-Schutz-Nummer beziffert. Aber was genau ist darunter zu verstehen?

IP-Metriken

Die IP- oder Eindringschutzmarkierung ist eine allgemeine Norm, die den Schutzgrad eines elektrischen Gerätes gegen das Eindringen von Fremdkörpern definiert, welche so groß wie menschliche Hände oder so klein wie Schmutz und Staub und sogar Wasser sein können.

IP-Schutzarten werden in der Form IP – 65 definiert, wobei die erste Ziffer (6 in diesem Fall) den Grad des festen Schutzes oder der Staubbeständigkeit und die zweite Ziffer (5 in diesem Fall) den Flüssigkeitsschutz oder die Wasserbeständigkeit beschreibt. Es gibt insgesamt 6 feste Schutzstufen und 8 flüssige Schutzstufen.

Tatsächlich geben die Hersteller von Beleuchtungskörpern nicht die IP-Schutzart einer Leuchte an, sondern schreiben, dass die Leuchte „100% wasserdicht“, „wetterfest“ und andere ähnliche Aussagen ist. Was „wasserdicht“ oder „wetterfest“ bedeutet, ist, dass die Leuchte eine Staubdichtigkeit von normalerweise 4-6 aufweist, je nachdem, ob es sich um eine Solarleuchte oder eine herkömmliche Leuchte handelt (Leuchten mit weniger Teilen wie herkömmliche Kabelfluter haben in der Regel eine höhere Schutzart) und eine Wasserdichtigkeit von 4-5 und höher. Für die meisten regulären und solaren Flutlichtanlagen wirst Du IP-Schutzarten wie IP44, IP54, IP55, IP64 vorfinden.

Bewegungsmelder

Bewegungsmelder/-sensor – Ein Bewegungsmelder ist ein Gerät, welches Bewegungen in einem bestimmten Arbeitsbereich erfasst. Die gebräuchlichsten Techniken zur Bewegungserkennung sind entweder die Überwachung eines Infrarotlichts oder die Übertragung von Mikrowellensignalen.

Bewegungsmelder werden häufig in Verbindung mit Scheinwerfern, insbesondere Solar-Flutern, eingesetzt. LED-Flutlichter bieten wichtige Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Flutlichtanlagen wie geringeren Energieverbrauch und Wirtschaftlichkeit. Bewegungsaktivierte Lichtanlagen können in Bereichen nützlich sein, in denen kein Lichtschalter installiert werden kann oder die nicht praktisch zu erreichen sind.
Für Flutlichtanlagen wird am häufigsten ein Infrarot- oder PIR-Sensor verwendet. Beleuchtungskörper, die Bewegungssensoren zur Bewegungserkennung verwenden, werden oft als „bewegungsaktivierte Lichter“, „Bewegungssensorleuchten“, „Bewegungssensorleuchten“, „PIR-Lichter“, „IR-Lichter“ bezeichnet.

Erfassungsbereich und Entfernung

Der Erfassungsbereich gibt an, wie weit ein Bewegungsmelder den Weitwinkel überwachen kann. Diese Zahl wird in Grad angegeben.

So haben beispielsweise die meisten Außenlicht-Bewegungsmelder einen Erfassungsbereich von 180 Grad, was bedeutet, dass sie Bewegungen von 180 Grad in der Vorderseite und an den Seiten des Melders erfassen können. Es gibt auch Detektoren mit immer größeren Erfassungsbereichen. Beispielsweise können einige Bewegungssensoren Bewegungen sogar um 360 Grad erfassen. Leuchten mit solchen Detektoren werden in der Regel an einem Mast montiert, um einen großen Erfassungsbereich um die Leuchte herum zu gewährleisten.

Der Erfassungsabstand gibt an, wie weit entfernt vom Detektor ein Bewegungssensor eine Bewegung erfassen kann und wird in Metern oder Fuß gemessen.

Sowohl der Erfassungsbereich als auch der Abstand eines Bewegungssensors werden üblicherweise als „Empfindlichkeit des Bewegungssensors“ bezeichnet und können bei den meisten Außenleuchten eingestellt werden.

PIR/IR/Proximity-Sensor

Eine Art Bewegungssensor, der Infrarot-Energie erfasst, die von einem beliebigen Objekt abgegeben wird, das eine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt hat.

Der PIR-Sensor erkennt Temperaturänderungen in seinem Überwachungsbereich, z.B. wenn ein Mensch den PIR-Erfassungsbereich betritt, erkennt der Sensor, dass die Temperatur in diesem Bereich höher wird und erkennt somit eine Bewegung. PIR-Sensoren können so eingestellt werden, dass sie Objekte mit einer höheren oder niedrigeren Lichtmenge erfassen, so dass der Sensor Bewegungen nur von Menschen und nicht von Tieren aufnimmt.

Der PIR-Sensor ist die häufigste Art von Bewegungssensor, der in LED-Außenleuchten verwendet wird. PIR-Detektoren sind billig herzustellen und funktionieren ziemlich gut im Innen- und Außenbereich, da sie so eingestellt werden können, dass sie nur auf Menschen regieren. Wenn der Hersteller nicht angegeben hat, welchen Sensortyp eine Leuchte verwendet, ist es wahrscheinlich, dass die Leuchte mit einem PIR-Bewegungsmelder ausgestattet ist. Flutlichter mit einem Infrarot-Bewegungsmelder werden oft als „PIR-Leuchten“, „Infrarot-Leuchten“, „IR-Leuchten“ und wie oben erwähnt, können auch als normales Bewegungslicht bezeichnet.

Leuchtmittel (Glühbirne)

Es gibt die unterschiedlichsten Arten von Leuchtmitteln. Welche, das erfährst Du in diesem Abschnitt.

CFL-Glühbirne

Die Kompaktleuchtstofflampe ist eine der häufigsten Arten von Glühbirnen, die in der normalen Heimbeleuchtung verwendet werden. CFL-Glühlampen sind meistens in Deckenleuchten, Tischleuchten und ähnlichen Beleuchtungskörpern im ganzen Haus zu finden.

CFL-Glühlampen werden auch in der Flutlichtbeleuchtung eingesetzt, jedoch deutlich weniger als LED- oder Halogen-Glühlampen, da sie zerbrechlich sind, empfindlich auf Temperaturschwankungen reagieren, nicht sofort auf volle Helligkeit schalten können und die Lebensdauer beim regelmäßigen Ein- und Ausschalten verkürzt wird, was sie für die Außenbeleuchtung ungeeignet macht. CFL-Lampen enthalten auch ein giftiges Element – Quecksilber, welches für Mensch und Umwelt gefährlich ist.

LED Definition

Die LED oder lichtemittierende Diode ist eine der neuesten Arten von Leuchtmitteln, die mit wesentlich unterschiedlichen Technologien zur Erzeugung von Licht arbeiten, wie z.B. Halbleitern und pn-Übergangsdioden. LEDs werden nicht nur in Innenleuchten, sondern auch in Außenleuchten, Solarleuchten und in vielen anderen Branchen wie der Automobilindustrie immer beliebter.

Eine LED Beleuchtung spart Energie im Haushalt.

(Quelle: pexels.com)

LEDs bieten mehrere Vorteile für Innen- und Außenleuchten. LED-Dioden haben eine deutlich längere Lebensdauer als jede andere Art von Leuchtmittel und erreichen durchschnittlich 50000 Stunden. LEDs sind auch viel effizienter und verbrauchen weniger Energie als Halogen- oder CFL-Lampen, und das ist einer der Hauptgründe, warum LEDs die CFL-Lampen in Innenleuchten und Halogenlampen in Außenleuchten ersetzen. Die Effizienz von LED ist ein wesentlicher Vorteil für Solar- und Handleuchten. Neben diesen Vorteilen sind LED-Dioden sehr klein in ihrer Baugröße und langlebiger als andere Leuchtmittel, so dass sie der beste Leuchtmitteltyp für Außenstrahler sind. LEDs leuchten ebenso wie Halogenlampen sofort auf, enthalten keine giftigen Stoffe und können gedimmt werden. Der einzige Nachteil von LED-Dioden ist derzeit, dass sie deutlich mehr kosten als andere Glühlampentypen, aber die Kosten für LEDs sinken von Jahr zu Jahr, und Stromeinsparungen durch den Einsatz von LED-Dioden machen den hohen Preis von Glühlampen in wenigen Jahren der Nutzung aus.

 

Die Halogenlampe

Halogenlampen gelten als eine verbesserte Version alter Glühlampen, da das Funktionsprinzip dieser Lampen den Glühlampen sehr ähnlich ist. Halogenlampen werden hauptsächlich in Leuchten eingesetzt, die eine hohe Helligkeit erzeugen und große Flächen ausleuchten müssen. Halogenlampen waren die beliebteste Glühlampenart, die in der Flutlichttechnik und anderen Arten der hochdichten Beleuchtung verwendet wurde, doch inzwischen werden sie durch effizientere LEDs ersetzt.

Halogenlampen bieten Vorteile wie hohe Helligkeit, sehr guter Farbwiedergabeindex, sofortiges Einschalten auf volle Helligkeit, relativ kompakte Größe im Vergleich zu CFL-Lampen und sie kosten auch viel weniger als ihre Mitbewerber – LED-Dioden. Halogenleuchten haben aber auch erhebliche Nachteile wie einen deutlich geringeren Wirkungsgrad sowie eine kürzere Lebensdauer als LED-Leuchten. Ausserdem können Halogenlampen im Betrieb sehr heiß werden. Aufgrund dieser Faktoren gelten LEDsals eine bessere Option für den Einsatz in Außenstrahlern und Solarleuchten.

Glühbirnen

Die „klassische“ Glühlampe, wird seit über 100 Jahren verwendet und wurde erst kürzlich durch andere Leuchtmittel ersetzt. Glühlampen verwenden Strom, um einen Glühfaden zu erwärmen, welcher dabei Licht emittiert.

Farbwiedergabeindex (CRI) – Definition

Der Farbwiedergabeindex oder CRI misst die Fähigkeit einer Lichtquelle, wie beispielsweise einer Glühbirne, alle Farben eines Objekts, das sie beleuchtet, präzise wiederzugeben und darzustellen.

Der Farbwiedergabeindex wird von 1-100 bewertet und kann bei einigen Lichtquellen auch negativ sein. Die höchste CRI-Zahl ist 100 für Glühlampenlicht. CFL-Leuchten haben in der Regel einen CRI von 70-80, LED-Leuchten über 85 und Halogenleuchten 100 oder nahezu 100 CRI.

Elektrisches Vorschaltgerät

Ein Elektrisches Vorschaltgerät wird verwendet, um den Strom in einem Stromkreis zu begrenzen.

Vorschaltgeräte werden in unterschiedlicher Komplexität hergestellt, z.B. gibt es in LED-Dioden primitive Vorschaltgeräte wie Widerstände, die den Stromfluss durch eine LED-Diode begrenzen. In CFL-Lampen müssen wesentlich komplexere Vorschaltgeräte verwendet werden, sogenannte induktive Vorschaltgeräte.

Das Solarmodul

Solarmodule, oder Solarpanel, sind Geräte, die dazu dienen, Sonnenenergie zu sammeln und durch einen photovoltaischen Effekt Strom zu erzeugen.

Das Solarmodul besteht aus mehreren Solarzellen. Solarmodule werden z.B. an Gebäuden verwendet, um Strom für ein Haus zu liefern. Große Mengen an Solarmodulen werden am Boden in sehr sonnigen Gebieten verwendet, um eine hohe Strommenge zu erzeugen, und Solarmodule werden auch für kleinere Geräte wie Solarleuchten verwendet. Die beliebtesten Arten von Solarmodulen, die derzeit in Häusern und auch in Geräten wie Solarleuchten verwendet werden, sind monokristalline, polykristalline und amorphe Solarmodule.

Monokristalline Solarmodule

Monokristalline Solarmodule sind die effizientesten Arten von Solarmodulen mit einem Zellwirkungsgrad von 15-21%, sind aber gleichzeitig die teuersten. Monokristalline Zellen bestehen aus einem reinen Siliziummaterial mit sehr geringem Anteil an anderen Elementen, weshalb die Kosten für monokristalline Module höher sind als für andere Module.

Monokristalline Solarmodule werden meist an Gebäuden eingesetzt und werden aufgrund ihrer Effizienz auch in höherwertigen Solarstrahlern verbaut.

Polykristalline Solarmodule

Polykristalline Paneele sind die zweithäufigste Art von Solarmodulen mit einem Wirkungsgrad von 13-16%, der niedriger als der monokristalline und höher als der Wirkungsgrad von amourphous Solarmodulen ist.

Diese Solarmodule haben niedrigere Herstellungskosten, da das Siliziummaterial bei der Herstellung von Solarzellen effizient eingesetzt wird und der Preis für diese Module deutlich unter dem monokristallinen Preis liegt. Polykristalline Solarmodule werden auch in Häusern, größeren Industriegebäuden und in Solarparks am Boden eingesetzt. Polykristalline Solarmodule werden in der gleichen Art von High-End-Solarleuchten wie monokristalline Module verwendet, da es keinen signifikanten Preis-Leistungsunterschied zwischen beiden Modultypen bei einer so kleinen Größe gibt, die zur Stromversorgung von Solarleuchten verwendet wird.

Amorphe (Dünnschicht-)Solarmodule – Amorphe oder Dünnschicht-Solarmodule sind neuere Arten von Solarmodulen, die aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Herstellungskosten und Wirkungsgraden hergestellt werden, wie Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS), amorphes Silizium (a-Si), organische Photovoltaikzellen. Diese Platten haben einen Wirkungsgrad von 10% und darunter, basierend auf dem in der Platte verwendeten Material.

Dünnschicht-Solarzellen

Dünnschicht-Solarzellen sind einfacher und billiger herzustellen und können flexibel gestaltet werden, was den Einsatz in einer Vielzahl von Geräten ermöglicht. Amorphe Solarmodule werden in Solarleuchten der mittleren und unteren Leistungsklasse eingesetzt, weil sie viel billiger herzustellen sind, was den Gesamtpreis einer Leuchte senkt. Dünnschichtmodule sind weniger effizient als monokristalline oder polykristalline Module, so dass sie nicht die beste Lösung für Hochleistungs-Solarstrahler sind. Sie können jedoch immer noch einen Wirkungsgrad von bis zu 10% bieten, was ausreicht, um ein schwach helles Solarflutlicht zu betreiben, und sie sind perfekt für die Versorgung anderer Arten von Solarleuchten wie z.B. Scheinwerfer. Die Dünnschicht-Solarmodultechnologie befindet sich noch in der Entwicklung, so dass wir in Zukunft effizientere Dünnschicht-Solarmodule sehen könnten.

Batterien und Akkus

Um es einfach zu machen, Batterien speichern Strom. Es gibt aber verschiedene Arten von Energiespeichern, welche jeweils Ihre Vor- und Nachteile haben.

Wiederaufladbarer Akku

Eine elektrischer Akku, der mehrfach aufgeladen, entladen und wiederaufgeladen werden kann.

Wiederaufladbare Batterien werden auch als Sekundärbatterien bezeichnet, während nicht wiederaufladbare Batterien als Primärbatterien bezeichnet werden.

Batteriegrößen AA, AAA, C, D

Standard zylindrische Batteriegrößen. Wiederaufladbare Batterietypen, die in diesen standardmäßigen zylindrischen Batteriegrößen hergestellt werden, sind Ni-Cd, Ni-MH und einige Li-Ionen-Akkus.

Batterielebensdauer

Die Batterielebensdauer wird verwendet, um zu beschreiben, wie oft ein sekundärer (wiederaufladbarer) Akku aufgeladen und entladen werden kann, bis er an Kapazität verliert.

Der Begriff Lebensdauer wird verwendet, um die Lebensdauer verschiedener Sekundärbatterien zu vergleichen.

Ni-Cd-Akku

Ni-Cd ist ein wiederaufladbarer Akkutyp, der in kleinen, tragbaren elektronischen Geräten, die eine große Menge an Energie benötigen, welche in kurzer Zeit freigesetzt wird Verwendung findet. Ni-Cd-Batterien werden auch als Nickel-Cadmium-Batterien bezeichnet, da sie Nickeloxid-Hydroxid als positive Elektroden und metallisches Cadmium als negative Elektroden verwenden.

Ni-Cd Batterien

Ni-Cd war die beliebteste Art von Batterien bis Mitte der 90er Jahre, als die meisten von ihnen durch effizientere und umweltfreundlichere Ni-MH-Akkus ersetzt wurden. Warum sind Ni-Cd nicht umweltfreundlich? Da Ni-Cd-Akkus ein für Mensch und Umwelt giftiges und schwer zu entsorgendes Schwermetall-Cadmium enthalten, hat die EU-Batterierichtlinie die Verwendung von Ni-Cd-Akkus in vielen Geräten stark eingeschränkt.

Ni-Cd-Batterien sind in den gleichen Größen wie nicht wiederaufladbare Alkalibatterien erhältlich – von AAA bis D, haben sie eine Zellenspannung von 1,2V und können beim Entladen eine konstante Spannung beibehalten. Ni-Cd-Akkus haben eine Lebensdauer von ca. 1000 Zyklen und eine Selbstentladerate von ca. 10%.

Ni-Cd-Akkus werden meist in billigeren, weniger leistungsstarken Elektrogeräten verwendet, die mit Ni-MH-Akkus konkurrieren, welche einige wesentliche Vorteile gegenüber Ni-Cd-Akkus haben. Die Vorteile von Ni-Cd-Akkus in der tragbaren und solaren Beleuchtung liegen im niedrigen Preis (Ni-Cd-Akkus sind billiger als Ni-MH- und Li-Ionen-Akkus), in der guten Zyklenlebensdauer und in der guten Tieftemperaturverträglichkeit, so dass sie in Außenstrahlern in kalten Klimazonen eingesetzt werden können. Ihre Nachteile sind jedoch die geringe Kapazität (ca. das 2-fache von Ni-MH und das 3-fache von Li-Ion), der Memory-Effekt (wenn der Akku mehrfach auf das gleiche Niveau entladen wird, verliert er einen Teil seiner Kapazität) und das in der Batterie verwendete giftige Cadmium, was ihn zur am wenigsten bevorzugten Sekundärbatterie für die Beleuchtung macht.

Ni-MH-Akku

Ni-MH, auch Nickel-Metallhydrid-Akku genannt, ist eine Art wiederaufladbare Batterie, die in der kleinen, tragbaren Unterhaltungselektronik und auch in einem breiten Spektrum von tragbaren und Solarleuchten verwendet wird. Ni-MH-Batterien verwenden eine wasserstoffabsorbierende Legierung als negative Elektrode anstelle von metallischem Cadmium, das in Ni-Cd-Batterien verwendet wird, was sie wesentlich umweltfreundlicher macht. Da Ni-MH-Akkus in der Unterhaltungselektronik in den meisten Fällen Ni-Cd-Akkus ersetzt haben, sind Größe und Formfaktor sehr ähnlich wie bei Ni-Cd-Akkus, so dass Ni-MH auch in den Größen AAA bis D erhältlich sind, aber meist in Akkupacks verwendet werden.

Ni-MH-Batterien

Die Batterie wurde 1989 auf den Markt gebracht und war bis 2010 die beliebteste Batterieart in der tragbaren Unterhaltungselektronik, als sie in vielen Branchen durch Lithium-Ionen-Batterien ersetzt wurde. Ni-MH-Akkus sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte (viel höher als Ni-Cd- und Blei-Säure-Akkus) nach wie vor sehr beliebt, sie können mit einer Ladung mindestens doppelt so lange Betriebszeiten bieten wie ähnliche Ni-Cd-Akkus, aber weniger als Lithium-Ionen-Akkus. Die Zellenspannung der Ni-MH-Batterie beträgt 1,2V und die durchschnittliche Lebensdauer ca. 800 Zyklen. Diese Akkus können in ca. 1 Stunde schnell aufgeladen werden. Der größte Nachteil von Ni-MH-Akkus ist ihre hohe Selbstentladerate, ein typischer Ni-MH-Akku verliert an den ersten Tagen etwa 4-20% seiner Ladung und an den folgenden Tagen etwa 1% seiner Ladung, was fast dreimal so hoch ist wie die Selbstentladerate eines Ni-Cd-Akkus und sogar noch höher als die Rate von Li-Ionen- und Bleibatterien.

Ni-MH-Batterien werden in Sportlichtern und allen Arten von Solarflutern verwendet, von billigeren, unteren Scheinwerfern bis hin zu teuren, hochwertigen Scheinwerfern, aber Sie werden sie meist im Wettbewerb mit Ni-Cd-Batterien in niedrigen Scheinwerfern und Lithium-Ionen-Batterien in mittleren Solarflutern finden, die hauptsächlich in Haushaltsbereichen als Dekorationsbeleuchtung, Gartenbeleuchtung, Terrassenbeleuchtung und Sicherheitsbeleuchtung eingesetzt werden. Im Durchschnitt werden in diesen Leuchten 3-5 AA-Akkus mit einer Kapazität von 2000mAh Ni-MH-Akkus verwendet.

Die Hauptvorteile von Ni-MH-Akkus in tragbaren Leuchten sind die hohe Kapazität, so dass sie eine längere Arbeitszeit mit einer Ladung bieten, was in Solar-Flutlichtquellen nützlich ist, sie entwickeln keine Memory-Effekte als Ni-Cd-Akkus und sie sind billiger als Li-Ionen-Akkus, was auch Leuchten mit Ni-MH im Allgemeinen billiger macht als ähnliche Leuchten mit Li-Ionen-Akkus. Die Hauptnachteile sind eine geringere Lebensdauer als Ni-Cd- und Lithium-Ionen-Batterien, eine hohe Selbstentladerate und Probleme mit Überladung und Überladung, so dass eine Leuchte einen speziellen Mechanismus haben muss, der dieses Problem lösen kann.

LSD-Ni-MH-Akku

LSD-Ni-MH oder Ni-MH-Akkus mit niedriger Selbstentladung wurden entwickelt, um das Problem der hohen Selbstentladung von herkömmlichen Ni-MH-Akkus zu lösen. LSD-Ni-MH-Akkus haben eine viel geringere Selbstentladerate, aber um dies zu erreichen, müssen sie einen Teil ihrer Kapazität opfern. Auch sind Sie im Vergleich zu herkömmlichen Ni-MH-Akkus ein wenig teurer.

Die meisten LSD-Ni-MH-Batterien können im ersten Jahr etwa 85% ihrer Kapazität beibehalten und nach 2 Jahren Lagerung bis zu 70%.

Lithium-Ionen-Akku

Lithium-Ionen oder Li-Ionen ist derzeit die beliebteste Art von wiederaufladbaren Akkus, die in einer Vielzahl von Branchen und Geräten wie tragbare Unterhaltungselektronik und der Automobilindustrie verwendet werden.

Die ersten Lithium-Batterien wurden in den 1970er Jahren eingeführt, aber es handelte sich um nicht wiederaufladbare Batterien, die das metallische Lithium als Anodenmaterial verwendeten, welches reaktiv ist und einige ernsthafte Sicherheitsprobleme verursachte, weshalb Wissenschaftler nach Wegen suchten, sicherere Batterien mit Lithium herzustellen. Anfang der 90er Jahre führte Sony den ersten kommerziell erhältlichen wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akku ein. Im Gegensatz zu Blei-Säure und anderen Arten von Batterien, die ihr maximales Potenzial erreicht haben, arbeiten die Wissenschaftler immer noch an Möglichkeiten zur Verbesserung der Kapazität, Lebensdauer, Leistung und Sicherheit bestehender Lithium-Ionen-Batterien und entwickeln jedes Jahr neue Arten von Lithium-Ionen-Batterien. Lithium-Ionen-Akkus haben gewisse Vorteile gegenüber anderen Arten von wiederaufladbaren Akkus, wie z.B. eine hohe Energiedichte, die sie zum am besten geeigneten Akkutyp in der tragbaren Elektronik wie Laptops, Smartphones, Tablets sowie in der mobilen und Solarbeleuchtung macht.

Die derzeit gebräuchlichsten Li-Ionen-Batterietypen sind Li-Kobalt, Li-Mangan, Li-Phosphat und Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid oder NMC-Batterie. Jeder dieser Lithium-Ionen-Batterietypen hat seine eigenen Vor- und Nachteile und wird in verschiedenen Branchen eingesetzt. So haben beispielsweise Li-Cobalt-Batterien eine höhere Kapazität, so dass sie in der tragbaren Unterhaltungselektronik wie Laptops und Smartphones eingesetzt werden. Li-Co-Mangan-Batterien haben eine höhere Leistung , die für verschiedene Elektrowerkzeuge geeignet ist, Li-Co-Mangan-Batterien eine lange Lebensdauer haben, einen weiten Betriebstemperaturbereich und sind sicherer, wodurch sie sich sowohl für Elektroautos als auch für tragbare und Solarbeleuchtung eignen. NMC-Batterien haben die beste Gesamtleistung bieten, was sie zum bevorzugten Batterietyp in Elektrofahrzeugen macht.

Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht aus reinem Lithium-Metalloxid als Kathode (Lithium-Kobaltoxid in Lithium-Kobalt-Batterien, Lithium-Mangan-Oxid in Lithium-Mangan-Batterien, Lithium-Eisen-Phosphat in Lithium-Phosphat-Batterien und Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid in NMC-Batterien), porösem Kohlenstoff als Anode, Lithiumsalzen mit organischem Lösungsmittel als Elektrolyten. Wenn Li-Ionen-Batterien geladen werden, wandern die Ionen von der positiven Elektrode zur negativen und in entgegengesetzter Richtung, wenn sich die Batterien entladen. Die Zellen-Nennspannung der Li-Cobalt-Batterie beträgt 3,6V, der Li-Mangan-Batterie 3,8V, der Li-Phosphat-Batterie 3,2/3,3V, der NMC-Batterie 3,6/3,7V. Lithium-Ionen-Batterien sind in vielen verschiedenen Formen und Größen erhältlich, von kleinen, runden Batterien über AAA- und AA-Batterien bis hin zu großen Batterien für Elektroautos. Die Selbstentladerate von Li-Ionen-Batterien ist bei jedem Batterietyp unterschiedlich, aber im Durchschnitt beträgt sie 2-8% pro Monat, die durchschnittliche Lebensdauer liegt bei 500-2000 Zyklen, wobei Li-Kobalt-Batterien die kürzeste Lebensdauer haben und Li-Phosphat-Batterien (in Beleuchtungskörpern verwendet) eine der längsten Lebensdauer haben. Der größte Vorteil von Li-Ionen-Batterien ist die hohe spezifische Energie, was bedeutet, dass sie mehr Energie pro Masse speichern können als Ni-MH, Ni-Cd und dreimal mehr Energie als Blei-Säure-Batterien, was der Hauptgrund dafür ist, dass sie in einer so breiten Palette von Geräten eingesetzt werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass Li-Ionen-Batterien hohe Herstellungskosten und hohe Verkaufspreise haben, weshalb Batterien wie Bleisäure z.B in herkömmlichen Autos immer noch beliebter sind als Li-Ionen.

In der Beleuchtung finden sich Li-Ionen, ähnlich wie Ni-MH-Akkus, in allen Beleuchtungsarten, von kleineren Solarspots bis hin zu leistungsstarken tragbaren Flutern, werden aber hauptsächlich in der mittleren und oberen Beleuchtungsklasse eingesetzt. Dank ihrer hohen Kapazität eignen sich Lithium-Ionen-Batterien hervorragend für kleinere tragbare und Solarleuchten. Die Kapazität der in diesen Leuchten verwendeten Batterien liegt in der Regel bei 2Ah bis 30Ah und mehr. Die gebräuchlichste Art von Lithium-Ionen-Batterie, die in tragbaren und solaren Scheinwerfern und Scheinwerfern verwendet wird, ist die Lithiumphosphat- oder LiFePO4-Batterie, die solche Vorteile wie eine hohe Lebensdauer mit bis zu 2000 Ladezyklen, Entladezyklen, eine große spezifische Energie von 120Wh/kg, Sicherheit und die Fähigkeit, hohe Ströme für Hochleistungsbeleuchtungssysteme zu erzeugen, bietet.

Die Hauptvorteile der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien für tragbare und Solarleuchten sind ihre hohe spezifische Energie, so dass die Batterien in viel kleinerer Größe und geringerem Gewicht hergestellt werden können, während sie die gleiche Kapazität wie andere Arten von wiederaufladbaren Batterien behalten, was für kleinere Scheinwerfer- und Flutlichtanlagen nützlich ist, eine relativ niedrige Selbstentladerate, die Sicherheit der Li-Phosphat-Batterie, eine gute Lebensdauer von bis zu 2000 Zyklen und sie können auch wartungsfrei laufen. Die Hauptnachteile dieser Batterien für tragbare Leuchten sind höhere Herstellungskosten, was zu höheren Preisen für Beleuchtungskörper und niedriger Temperaturintoleranz führt, obwohl Li-Phosphat-Batterien eine verbesserte Tieftemperatur-Toleranz aufweisen und bei Temperaturen unter -20°C (- 4°F) arbeiten können.

Li-Phosphat (LiFePO4)-Akku

Li-Phosphat oder LiFePO4 ist ein wiederaufladbarer Lithium-Ionen-Akku, der in einer Vielzahl von Elektronikprodukten von tragbarer Unterhaltungselektronik bis hin zu Elektrofahrzeugen verwendet wird.

Dieser Batterietyp wurde erstmals 1996 eingeführt und hat sich inzwischen zu einer der am weitesten verbreiteten Li-Ionen-Batterien entwickelt. Die Eigenschaften von Li-Phosphat-Batterien im Vergleich zu anderen Arten von Lithium-Ionen-Batterien sind Sicherheit, verbesserte Lebensdauer, Fähigkeit zur Erzeugung hoher Ströme, aber sie haben auch eine der niedrigsten Kapazitäten von Li-Ionen-Batterien.

Blei-Säure-Batterie

Blei-Säure-Batterie ist die älteste Art von wiederaufladbaren Batterien, die, im Gegensatz zu anderen Batterietypen wie Ni-Cd, noch heute weit verbreitet ist, vor allem in der Automobilindustrie als Starterbatterie.

Die erste Bleibatterie wurde 1859 erfunden. Wie bereits erwähnt, wird Blei-Säure-Batterien hauptsächlich in der Transportindustrie als Starterbatterie verwendet, sie werden auch als Notstromversorgung verwendet und viele Hochleistungs-Flutlichter und Arbeitsleuchten werden mit Blei-Säure-Batterien betrieben. Es gibt zwei Arten von Bleibatterien – Start und Tiefzyklus. Starterbatterien können einen kurzen und kräftigen Energieschub liefern, der z.B. für den Antrieb von Automobilmotoren genutzt wird. Im Gegensatz dazu sind Deep-Cycle-Batterien für den langfristigen Gebrauch ausgelegt und können deutlich mehr Entladezyklen bewältigen.

Der Hauptkonkurrent für Bleibatterien sind viel neuere und fortschrittlichere Lithium-Ionen-Batterien, die langsam den Markt von Bleibatterien erobern, aber aufgrund des billigen Herstellungsverfahrens und der ausgereiften Technologie der Bleibatterien werden sie nicht in kürzester Zeit vollständig durch Lithium-Ionen-Batterien ersetzt werden, zumindest nicht in der Automobilindustrie.

Eine Bleibatterie besteht aus Bleidioxidpaste als Positivplatte, Schwammblei als Negativplatte, Schwefelsäure als Elektrolyt und das Batteriegehäuse besteht in der Regel aus Kunststoff. Diese Batterien bestehen aus mehreren Zellen und die Spannung einer einzelnen Zelle beträgt 2,1 Volt, so dass eine 12V Bleibatterie aus 6 Einzelzellen besteht. Es gibt 3 weitere gängige Arten von Blei-Säure-Batterien – Nasszellen, die die älteste Art sind und meist als Auto-Starterbatterien verwendet werden, Gel-Batterien, bei denen der Elektrolyt in Gel-Konsistenz statt in flüssiger Form vorliegt, und AGM- oder absorbierende Glasmatten-Batterien, bei denen Glasmikrofasermatten-Separatoren zwischen den Batterieplatten verwendet werden. Die letzten beiden werden auch als VRLA- oder ventilgeregelte Bleibatterien bezeichnet, sie können sehr tiefe Entladezyklen überstehen und können dank einer Vollversiegelung in jeder Ausrichtung eingesetzt werden.

Die Lebensdauer von Bleibatterien kann je nach Batterietyp von 500-3000 Zyklen variieren, die Selbstentladerate liegt bei 5-20% für Nassbatterien, aber AGM-Bleiakkus haben eine sehr niedrige Selbstentladerate von ca. 2-3% pro Monat, was die niedrigere Rate zwischen allen wiederaufladbaren Batterien ist. Der größte Vorteil von Bleibatterien sind ihre niedrigen Herstellungskosten, sie haben einen der niedrigsten Kosten pro Wattstunde aller wiederaufladbaren Batterien, was der Hauptgrund dafür ist, dass sie immer noch in so vielen Branchen eingesetzt werden. Sie haben aber auch einige große Nachteile wie Größe und Gewicht, die ihren Einsatz in kleinen, tragbaren Elektronikgeräten verbieten, und diese Batterien haben auch eine sehr niedrige spezifische Energie.

Wenn es um tragbare und solare Beleuchtung geht, werden Blei-Säure-Batterien meist in Hochleistungs-Flutlichtanlagen verwendet, finden sich aber auch in einigen Leuchten der mittleren Leistungsklasse. Im Gegensatz zu anderen Arten von wiederaufladbaren Batterien, die auch in Solarspots verwendet werden, werden Bleibatterien meist zur Versorgung von Flutlicht oder Außenbeleuchtungssystemen verwendet. Blei-Säure-Batterien, die in Scheinwerfern verwendet werden, gibt es in einem breiten Spektrum von Kapazitäten von 4Ah bis 50Ah und noch größer. Obwohl Lithium-Ionen-Batterien langsam zum Standard in vielen Branchen werden, einschließlich tragbarer und Solarbeleuchtung, sind Blei-Säure-Batterien aufgrund ihrer niedrigen Herstellungskosten immer noch gängige Batterietypen für Hochleistungs-Flutlichtanlagen.

Die Hauptvorteile der Verwendung von Bleibatterien in tragbaren und solaren Scheinwerfern sind der günstige Preis, der auch den Preis der Leuchte senkt, die geringe Selbstentladerate von Gelzellen- und AGM-Batterien, die geringe Temperaturtoleranz (Bleibatterien können bei niedrigen Temperaturen unter -30°C, -22°F verwendet werden) und die ventilgeregelten Batterien sind sehr wartungsarm. Die Hauptnachteile der Verwendung von Blei-Säure-Batterien in tragbaren und solaren Beleuchtungen sind ihre geringe Energiedichte, was bedeutet, dass Beleuchtungskörper in einer größeren Größe hergestellt werden müssen, um die gleiche Kapazität wie andere Arten von wiederaufladbaren Batterien zu bieten, und die große Größe dieser Batterien begrenzt auch ihre Verwendung, so dass sie hauptsächlich in Hochleistungsleuchten verwendet werden. Blei-Säure-Batterien haben auch eine kurze Lebensdauer von ca. 500 Zyklen, obwohl neuere Gell Cell und AGM-Batterien eine Lebensdauer von 2000 Zyklen erreichen können.

AGM-Batterie

AGM oder absorbierende Glasmattenbatterie ist eine Art Bleibatterie, die einen Glasmikrofasermatten-Separator zwischen den Batterieplatten verwendet. AGM-Batterien werden auch als ventilgeregelte Bleibatterien bezeichnet, sie gelten als wartungsfrei, können in jeder Ausrichtung verwendet werden und haben eine längere Lebensdauer als normale Bleibatterien.

AGM-Batterien, ähnlich wie Gel-Cell-Batterien, werden in leistungsstarken Anwendungen eingesetzt.

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Carsten Hack ist begeisterter Hobby-Bastler auf vielen Gebieten und Autor von e-hack.de. Seine Erfahrung und Expertise schreibt er in informativen Beschreibungen verschiedener elektrischer Bauteile nieder und gibt Tipps zu allen Fragen der Beleuchtung und LED-Leuchtmitteln.

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