Lichtstrommessung von Energiesparlampen

Energiesparlampen, auch als Kompaktleuchtstofflampen bezeichnet, sind wegen ihrer höheren Lichtausbeute und längeren Lebensdauer eine Alternative zu Glühlampen. Die wesentlichen lichttechnischen Messgrößen zur Bewertung der Energiesparlampen in Entwicklung, Produktionskontrolle, Qualitätssicherung und Wareneingangskontrolle sind der Lichtstrom, die Farbtemperatur, das Lichtspektrum und das Einschaltverhalten des Lichtstroms. Für schnelle und kostengünstige Messungen des Lichtstroms bieten sich Ulbrichtsche Kugeln in Kombination mit einem Lichtmessgerät für Lichtstrom und Lichtfarbe an. Dieser Fachartikel beschreibt die Lichtstrommessung und die Messung der Lichtfarbe einer kompakten Energiesparlampe unter Verwendung des Light Analyzers BTS256-LED und einer Ulbrichtschen Kugel.      

Der Anlass für diesen Fachartikel war eine Anfrage an den Vertrieb der Gigahertz-Optik GmbH, eine Kompaktleuchtstofflampe als Referenzobjekt zu vermessen. Die Messdaten sollten mit denen eines anderen Messlabors verglichen werden, um dadurch die Eignung des kompakten Light Analyzers für qualitativ hochwertige Messaufgaben mit anderen als LED-Lichtquellen zu erbringen. Die Spezifikationen der Prüflampe waren mit 7 W bei 230 V/50 Hz bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C angegeben. Die Lampe sollte
mit dem Sockel senkrecht nach oben betrieben werden. Vor der Messung sollte die Lampe mindestens 8 Stunden eingebrannt werden, um Einflüsse durch Transport und Lagerung möglichst ausschließen zu können. Zur Durchführung der Messungen für diesen Fachartikel wurde weitestgehend auf Vorführgeräte des Vertriebs zurückgegriffen. Der Fachartikel bietet dadurch auch Information zur praktischen Anwendung unserer Produkte.

Nachstehend beschriebene Produkte wurden eingesetzt:

Ulbrichtsche Kugel:
Abgestimmt auf die Größe und Intensität der Prüflampe wurde eine Ulbrichtkugel mit 50 cm Durchmesser gewählt, bei der sich eine der beiden Kugelhälften öffnen lässt, um die Lampe im Kugelzentrum betreiben zu können. Die Befestigung und die elektrische Kontaktierung erfolgen mit einem Lampenhalter mit E27-Lampensockel. Der Lampenhalter ist in seiner Länge einstellbar, um die Lampe möglichst präzise im Kugelmittelpunkt zu positionieren, was die gleichförmige Lichtausbreitung in der Kugel unterstützt. Der Lampensockel ist in Vierpoltechnik ausgeführt. Dabei werden zwei Kontakte für den Lampenbetriebsstrom und zwei getrennte Kontakte für die Messung der Lampenbetriebsspannung verwendet. Die Spannungsmessung erfolgt somit über Leitungen mit sehr geringem Stromfluss. Die Spannungsabfälle an der Zuleitung und den Kontakten des Lampensockels sind dadurch vernachlässigbar gering. Wegen des geringen Lampenstroms von ca. 30 mA der 7-W-Testlampe könnte die Spannungsmessung in der vorliegenden Applikation auch am Netzteil mit geringer Messunsicherheit gemessen werden.

Die Ulbrichtsche Kugel ist mit einer Hilfslampe ausgeführt, die es ermöglicht, den Absorptionseinfluss des Prüflings auf das Messsignal zu ermitteln und zu kompensieren. Eine Blende schützt den Detektor vor direktem Lichteinfall aus einem Raum mit 100 mm Durchmesser im Kugelzentrum. Dieses Maß bestimmt auch die maximale Probengröße.

Lichtmessgerät:
Der BTS256-LED Light Analyzer der Gigahertz-Optik GmbH bietet den neuesten Stand der Technik für die präzise Lichtstrommessung und die Messung der Lichtfarbe. In Verbindung mit einer zusätzlichen Ulbrichtschen Kugel mit größerem Durchmesser bietet sich dieses eigentlich für die LED Vermessung konstruierte Gerät auch für die Messung anderer Lampentypen an, z. B. für Energiesparlampen. Der Garant für präzise Lichtstrommessungen ist der Bi-Tech-Sensor mit Fotodiode und Diodenarray-Spektrometer. Die Fotodiode mit fotometrischem Korrekturfilter bietet schnelle Messungen und hohe Linearität, das Diodenarray präzise Spektraldaten mit denen die relevanten Werte der Lichtfarbe berechnet werden. Der Light Analyzer wird mit seinem Bajonettanschluss an der Kugel befestigt, kann also jederzeit auch ohne die Ulbrichtkugel genutzt werden. Die Kalibrierung der Ulbrichtschen Kugel mit dem Light Analyzer erfolgt mittels Kalibrierlampen für spektralen Strahlungsfluss und Lichtstrom des Kalibrierlabors für optische Strahlungsmessgrößen der Gigahertz-Optik GmbH.  

Elektronik:

• AC-Spannungskonstanter für präzis eingestellte und stabilisierte Betriebsspannung während der Messung
• DC-Stromkonstanter für den Betrieb der Hilfslampe
• Voltmeter zur Messung der Lampenbetriebsspannung am Lampensockel
• Temperaturmessgerät zur Messung der Betriebstemperatur in der Kugel. Die Messung erfolgt hinter der Blende.
• Laptop mit Windows 7 und der Software S-BTS256-LED der Gigahertz-Optik.

Durchführung der Messung:

Substitutionsfehlerkorrektur:
Um den Messfehler durch die Eigen- absorption des Prüflings in der Kugel zu kompensieren, wird die Eigenabsorption messtechnisch ermittelt. Dazu wird der durch die Hilfslampe erzeugte Lichtstrom einmal ohne und einmal mit dem in der Kugel montierten Prüfling gemessen. Anhand der Abweichung wird ein Korrekturwert ermittelt. Für die 7-WKompaktleuchtstoffröhre wurde ein Korrekturwert von −8 % ermittelt.

Einschalt- und Aufwärmverhalten von Energiesparlampen:
Zur Dokumentation des Einschalt- und Aufwärmverhaltens der Energiesparlampe wurde die Datenlogger-Messfunktion des BTS256-LED Light Analyzers genutzt. Für eine schnelle Messrate und zur Reduzierung der Datenmenge wurde das Diodenarray-Spektrometer des Bi-Tech-Sensors deaktiviert. Die Temperatur in der Kugel betrug zu Beginn der Messung 25 °C. Der Temperatur am Lampensockel stieg während der Messung auf 60 °C, die Betriebstemperatur in der Kugel stieg um 1,5 °C bis 2 °C. 12,5 Sekunden nach dem Einschalten der Lampe erreichte diese 60 % (185,90 lm) ihres maximalen Lichtstrom (309,84 lm). Ein spezieller Messmodus der S-BTS-256-LEDSoftware unterstützt diese Auswertung. Der Lichtstrom stabilisierte sich nach ca. 20 Minuten.

Spektraler Strahlungsfluss von Energiesparlampen:
Der spektrale Strahlungsfluss wurde nach einer Einbrennzeit von 8 Stunden gemessen. Drei Messungen im Abstand von jeweils 15 Minuten bestätigten den stabilen Zustand der Lampe und die Reproduzierbarkeit des Messmittels. Die spektrale Strahlungsleistung bei der Wellenlänge der Spitzenintensität von 612 nm betrug dabei:

• 0.02904 W
• 0.029038 W
• 0.029038 W

Lichtstrom:
Zur Lichtstrommessung wird die fotometrische Fotodiode des Bi-Tech-Sensors verwendet. Mit dieser besonderen Eigenschaft des BTS256-LED Light Analyzers wird das übliche Pixelübersprechen und die begrenzte Intensitätsdynamik von CCD- und CMOS-Diodenarray-Detektoren verhindert. Die spektralen Anpassungsfehler hinsichtlich der fotometrischen Empfindlichkeit der Fotodiode zur CIE-V(λ)-Standardfunktion werden durch Nutzung der spektralen Messdaten für jede Messung kompensiert.
Der Lichtstrom wurde nach einer Einbrennzeit von 8 Stunden gemessen. Drei Messungen im Abstand von jeweils 15 Minuten bestätigten erneut den stabilen Zustand der Lampe und die Reproduzierbarkeit des Messmittels. Die Messwerte betrugen dabei:

• 301 lm
• 301 lm
• 301 lm

Lichtfarberelevante Messwerte:
Sämtliche lichtfarberelevanten Messwerte wurden aus dem Lampenspektrum berechnet. Nach einer Einbrennzeit von 8 Stunden wurden drei Messungen im Abstand von jeweils 15 Minuten durchgeführt, die wieder den stabilen Zustand der Lampe und die Reproduzierbarkeit des Messmittels bestätigten. Die ermittelten Messwerte waren:    

1. Farbtemperatur:

2732K, 2732K, 2722K

2. Farbwiedergabeindex:

Ra	80,39	Ra	80,387	Ra	80,387
R1	95,17	R1	95,166	R1	95,166
R2	94,00	R2	93,997	R2	93,997
R3	56,58	R3	56,583	R3	56,583
R4	87,41	R4	87,41	R4	87,41
R5	84,41	R5	84,414	R5	84,414
R6	82,08	R6	82,083	R6	82,083
R7	85,35	R7	85,35	R7	85,35
R8	58,09	R8	58,092	R8	58,092
R9	-18,19	R9	-18,187	R9	-18,187
R10	51,53	R10	51,525	R10	51,525
R11	75,34	R11	75,344	R11	75,344
R12	45,52	R12	45,524	R12	45,524
R13	98,04	R13	98,035	R13	98,035
R14	69,75	R14	69,75	R14	69,75

Messung der Abhängigkeit des Lichtstroms von der Lampen Betriebslage:
Zum besseren Verständnis der Abhängigkeit des Lichtstroms von der Betriebslage der Energiesparlampe (Lampensockel oben, seitlich oder unten) wurden Datenlogger-Messungen in diesen drei Lagen durchgeführt. Die Lichtstrommessdaten des Prüflings zeigen eine deutliche Abhängigkeit von der Betriebslage.

Softwareunterstützung
Zur Durchführung der Messungen und zur Dokumentation der Messwerte wurde auf die Software S-BTS256-LED zurückgegriffen,
die zum Lieferumfang des Messgerätes BTS256-LED gehört. Bei dieser Software kann der Benutzer die grafischen
Benutzeroberfläche entsprechend seinen Bedürfnissen konfigurieren. Das erste abgebildete Konfigurationsbeispiel zeigt eine
Oberfläche mit dem CIE-1936-x,y-Farbortdiagramm, das zweite bietet numerische Daten kombiniert mit einer großflächigen
Darstellung des Spektrums. Optional ist das Entwicklungswerkzeug S-SDK-BTS256-LED erhältlich. Es bietet DLLs für C- und
C++-Programmierung und Labview VI für Kunden, die das Messgerät in ihre eigene Software einbinden wollen.