Grundlagen

Grundlagen

Einleitung:

Erst einmal zur Frage - warum eine Helligkeitssteuerung?
Immer wieder kommen allgemeine Diskussionen über LEDs auf, die mitunter mit sehr sonderbaren Argumenten geführt werden. Man könnte auch sagen, es sind Diskussionen aus dem Bauch heraus, oder halt rein subjektiv. Dies trifft im Übrigen auch auf die beliebten LED-Blinker zu. Die Sachlage dazu ist für Nicht-Elektroniker nicht ganz so einfach zu verstehen, wie es die Produzenten von LED-Produkten einem weismachen wollen.

Zum besseren Verständnis betrachten wir einfach das menschliche Auge, weil eben damit Lichtreize erfasst werden. Die Sehleistung des Auges ist nicht linear mit der Helligkeit. Und damit es nicht etwa einfach wird (wäre ja noch schöner ;-) ) von Mensch zu Mensch verschieden. Das liegt an der unterschiedlichen Empfindlichkeit der Rezeptoren im Auge. An dieser Stelle kommt auch noch das farbliche Sehen in den Betrachtungsfokus, für das wiederum noch einmal andere Regeln gelten. Das dem so ist, kann man z.B. gut daran erkennen, dass der Mensch im Fast-Dunkeln keine Farbe mehr sehen kann. Und schließlich kommt noch eine spektrale Empfindlichkeit hinzu. Der Eine empfindet grün subjektiv heller als rot, ein Anderer gelb mehr als grün usw.. Das ist immer subjektiv. Das ganze Thema ist aber auch wissenschaftlich hinterlegt. In der DIN 5031 ist die Helligkeitsempfindlichkeitskurve des menschlichen Auges (das ist die durchschnittliche Empfindlichkeit) definiert.

Auch sollte man bei allen Betrachtungen unterscheiden, ob es sich um direkt abgestrahltes Licht handelt oder um reflektiertes Licht. Also schaue ich in die LED hinein oder sehe ich einen durch die LED angestrahlten Gegenstand.

Was kann man hieraus ableiten?
Zumindest erst einmal grundlegend - wo ist das Auge farblich am empfindlichsten? In der Entstehungsgeschichte der Menschheit waren grüne Pflanzen die überwiegende Farbe der Natur. Es war also vorteilhaft, wenn das Auge in diesem Bereich besonders empfindlich ist, um den Leitsinn (Sehen) bestens auszuführen. Demzufolge ist also das Auge im Grün bis hin zum grün/gelb Bereich am empfindlichsten.

Beim Tag Sehen ist die Empfindlichkeit bei 500 nm (grün) am größten, während sie bei Dämmerung bei 560 nm (gelbgrün) liegt.
Interessanter als der Grünbereich ist die Aussage über die Farben, die mehr am Rande des Sehens liegen. Rot liegt bei 700 nm und blau bei 450 nm. Die Empfindlichkeitskurve des Auges zeigt hier, dass bei Nachtsehen die Empfindlichkeit für blau deutlich höher ist, als bei rot. Sie ist bei einem Faktor von ca. 0,5 des Grünsehens. Das bedeutet, dass blau in der Dämmerung oder Nachts durchaus als zu hell empfunden werden kann. Sehr schön auch zu sehen bei den aktuellen Krankenwagen, die bei Nacht mit blauem Lichtgewitter durch die Gegend fahren. Bei Rot ist die Empfindlichkeit gegen Null gehend. Das bedeutet nicht, dass man nun rote LEDs bzw. rotes Licht nicht mehr sehen kann, sondern dass rote Gegenstände nicht mehr als rot wahrgenommen werden. Rotes Licht einer LED ist direktes emittiertes Licht. Sie wird also sichtbar sein, unter Umständen eben auch zu hell.
Beim Tag Sehen sind die Verhältnisse etwas anders durch die Verschiebung der Empfindlichkeit des Auges. Die Empfindlichkeit ist sowohl bei blau als auch bei rot annähernd gleich, weshalb man beide Farben gleich gut erkennen kann. Man kann hier also verallgemeinern, dass rote und blaue LEDs bei gleicher Lichtausstrahlung und gleichem Öffungswinkel als gleich hell wahrgenommen werden (durchschnittlich).

LEDs haben je nach Bauart eine recht hohe Leuchtkraft. Das liegt unter anderem an dem begrenzten Austrittswinkel des Lichtes. Dies führt recht schnell in ungünstigen Lichtverhältnissen (Dämmerung oder Dunkelheit) zu Blenderscheinungen. Im Sichtfeld angebracht kann das auf Dauer recht unangenehm sein. Bei roten LEDs tritt dieser Effekt nicht so sehr auf wie bei blauen oder weißen LEDs (siehe Dunkel-Empfindlichkeit). Das Licht letzterer wird vom Auge als heller wahrgenommen. Dem Problem kann man mit technischen Hilfsmitteln entgegenkommen.

Nehmen wir beispielsweise eine blaue LED-Anzeige. Ein zusätzlicher minimaler Spezial-Blaufilter mit einer Transmission (Lichtdurchlässigkeit) oberhalb 90 % bei 450 nm lässt den Kontrast durch Ausfiltern der übrigen Wellenlängen (rot, gelb grün usw.) steigen. So ist die Anzeige auch bei Sonnenschein noch gut sichtbar. Bei einer roten Anzeige müsste der Filter für 700 nm bemessen sein. Stimmt die Transitwellenlänge des Filters nicht, wird Gesamthelligkeit der Anzeige verringert, weil die monochrome Wellenlänge der LEDs dann ebenfalls mit gedämpft wird. Sie sind dann schlechter zu erkennen. Es nützt also wenig, irgendeine getönte Scheibe davor zu legen. Solche Kontrasthilfsmittel dämpfen jedoch nicht die Helligkeit entsprechend der Umgebungshelligkeit. Die Lösung dazu - die Helligkeitssteuerung reduziert bei Dunkler Werden der Umgebungshelligkeit den LED-Strom und lässt damit die LEDs ebenfalls dunkler werden.

Gelbe LED-Blinker liegen in der Taghelligkeit bei einem Faktor von 0,6 gegenüber grün - sind also gut sichtbar.
Die Ableitung aus dem zuvor gesagten ist Folgende. Nehme ich eine rote, eine grüne , eine gelbe und ein blaue LED mit gleicher Lichtausstrahlung und gleichem Abstrahlwinkel, dann wird die Grüne die Hellste sein, gefolgt von der Gelben. Erst dann kommen Rot und Blau. Es ist also durchaus sinnvoll eine Helligkeitssteuerung einzusetzen, da damit die unterschiedliche Empfindlichkeit des Auges berücksichtig werden kann.
Sinnvollerweise nutzt man bei der Klassifizierung der LEDs die gewichtete Maßeinheit Candela (cd ). Dadurch sollten LEDs mit gleicher Candela Angabe als gleich hell empfunden werden. Das sollte man beim Einsatz von LEDs beachten. Will man allerdings superhelle LEDs einsetzen, um möglichst hohe Tag-Helligkeit zu erreichen, wird man gleichartige LEDs (gleiche Lichtstärke) jedoch kaum finden. Anpassungen sind also notwendig.