Klassenzimmer-Beleuchtungsdesign LED-Leuchten für Schulen und Bildungseinrichtungen

Die Rolle der Beleuchtung beim Wissenserwerb und beim Lernprozess ist von grundlegender Bedeutung. Es ermöglicht die visuelle Erforschung der physischen Eigenschaften der Studienfächer sowie die Entdeckung von Konzepten aus schriftlichen und grafischen Darstellungen auf Papier, Computer und Projektion. Die Beleuchtung schafft auch die Voraussetzungen für das Zuhören, die verbale Kommunikation, die Entwicklung sozialer Fähigkeiten und das Verständnis von Situationen. Als entscheidendes Element des Designs, das großen Einfluss darauf hat, wie gut der Raum den Bedürfnissen von Schülern und Lehrern entspricht, sollte die Klassenzimmerbeleuchtung die Gesundheit, das Wohlbefinden und die Leistung unterstützen, indem sie eine komfortable, attraktive Umgebung für Schüler und Lehrer bietet. Neben der Verbesserung der Zufriedenheit der Bewohner und der Unterstützung des Bildungserlebnisses im beleuchteten Raum sollte die Beleuchtung in Schulen und Bildungseinrichtungen innerhalb strengerer gesetzlicher Auflagen erfolgen.

Die Lernumgebung

Die Bildungseinrichtungen reichen von Grundschulen, Mittelschulen, Gymnasien bis hin zu Universitäten und Hochschulen. Obwohl diese Einrichtungen unterschiedliche Arten von Räumen haben, haben sie alle gemeinsam, dass die meisten Lern- und Studienaktivitäten in Klassenzimmern stattfinden. Ein Mehrzweckklassenzimmer hat eine Grundfläche von mindestens 32 Quadratmetern und bietet Platz für 20 bis 75 Schüler. Ein typisches Klassenzimmer hat einen rechteckigen Grundriss, der bessere Sichtlinien ermöglicht als ein quadratischer Grundriss. Der Unterrichtsraum ist mit Sichtlinien parallel zu Fenstern gestaltet, die Tageslicht (Oberlicht) in den Raum bringen und sensorische Stimulation und visuellen Kontakt mit der Außenwelt bieten. Steuerungsmedien wie Jalousien oder Jalousien werden verwendet, um die äußere Leuchtdichte so zu reduzieren, dass sie mit der inneren Leuchtdichte in Einklang stehen, oder um Tageslicht zu eliminieren, wenn es nicht benötigt wird. Seitenbeleuchtung mit Tageslicht durch die Fenster sorgt für eine allgemeine Beleuchtung während eines Großteils des Schultages. Künstliche Beleuchtung spielt jedoch eine Schlüsselrolle, wenn eine ausgewogene, konsistente und kontrollierbare visuelle Umgebung benötigt wird.

Das Layout eines Klassenzimmers ist im Allgemeinen in eine Studentenzone und eine Erzieherzone unterteilt. Die Schülerzone erfordert immer eine allgemeine Beleuchtung, während die Lehrerzone eine zusätzliche Beleuchtung benötigt, um eine vertikale Beleuchtung auf die Lehrtafeln zu bringen und eine gute Modellierung der menschlichen Merkmale des Ausbilders bereitzustellen. Das gebräuchlichste Lehrmittel in Klassenzimmern sind Lehrtafeln, zu denen dunkelgraue und grüne Tafeln (Tafeln) und trocken abwischbare Tafeln wie Whiteboards und graue Tafeln gehören. Videobildschirme zur Präsentation von projizierten Medien werden häufig für den Computerunterricht verwendet. Dies erfordert, dass die Beleuchtungsstärke auf der Projektionswand minimiert wird, während ausreichend Umgebungslicht über dem Schülerbereich für Notizen zur Verfügung gestellt werden sollte. Ein Klassenzimmer kann eine computergestützte Umgebung sein, in der die Minimierung von Bildschirmreflexionen von Videoanzeigeterminals (VDTs) das Hauptanliegen sein wird. Die Lesbarkeit des Bildschirms kann durch reflektierte Bilder beeinträchtigt werden, die von Leuchten, Fenstern und umgebenden Oberflächen mit hoher Leuchtdichte erzeugt werden.

Überlegungen zum Lichtdesign

Die Klassenzimmerbeleuchtung kann als hochwertig angesehen werden, wenn sie es Schülern und Lehrern ermöglicht, Sehaufgaben genau und komfortabel auszuführen. Die Grundlage des Lichtdesigns ist die Integration menschlicher Bedürfnisse, Architektur, Ökonomie und Umwelt. Die Priorität der Klassenzimmerbeleuchtung besteht darin, menschliche Bedürfnisse wie Sichtbarkeit, Aufgabenerfüllung, Sehkomfort, soziale Kommunikation, Gesundheit, Sicherheit und Wohlbefinden zu befriedigen. Diese verschiedenen menschlichen Bedürfnisse müssen richtig ausbalanciert werden, um eine anregende Lernumgebung zu schaffen, während gleichzeitig wirtschaftliche, ökologische und architektonische Überlegungen berücksichtigt werden. Das Erreichen einer hochwertigen Beleuchtung umfasst mehr als nur die Bereitstellung geeigneter Beleuchtungsstärken, um eine bestimmte Aufgabe sichtbar zu machen. Es gibt viele Faktoren, die die Fähigkeit des Menschen, zu sehen und Aufgaben auszuführen, beeinflussen. Die sieben wichtigsten sind Blendung, Gleichmäßigkeit der Beleuchtungsstärke, Kontrast der Leuchtdichte, Flimmern, Farberscheinung, Modellierung von Gesichtern und Objekten und verschleierte Reflexionen.

Gleichmäßigkeit der Beleuchtungsstärke

Die Beleuchtungsstärke ist die Lichtmenge, die auf eine Oberfläche fällt. Die häufigsten Aufgaben und Anwendungen in Klassenzimmern erfordern eine Schreibtischbeleuchtung im Bereich von 150 lx bis 250 lx. Eine gleichmäßige horizontale Beleuchtung im Studentenbereich eliminiert Schatten, die die Sichtbarkeit der Aufgaben beeinträchtigen, und ermöglicht eine flexible Raumnutzung während der Neupositionierung von Aufgabenstandorten. In Klassenzimmern, insbesondere der Erzieherzone, sind auch die vertikale Beleuchtungsstärke und die Beleuchtungsstärke auf anderen Ebenen zwischen horizontal und vertikal sehr wichtig. Das Verhältnis von Mindestbeleuchtungsstärke zu mittlerer Beleuchtungsstärke über der Arbeitsfläche, z. B. horizontale Beleuchtungsstärke auf Schreibtischen und vertikale Beleuchtungsstärke auf Lehrtafeln, sollte 1:1,4 nicht unterschreiten.

Helligkeitskontrast

Die Leuchtdichte ist die Lichtmenge, die von einer Oberfläche oder einem Punkt ausgeht. Sie ist eine Funktion der Oberflächenbeleuchtungsstärke und des Oberflächenreflexionsgrads, was bedeutet, dass die Leuchtdichte erhöht werden kann, indem die Lichtmenge erhöht wird, die auf eine Arbeitsfläche trifft, oder das Reflexionsvermögen der Oberfläche erhöht wird. Um einen akzeptablen Kontrast für Kreidemarkierungen aufrechtzuerhalten, sollte das Reflexionsvermögen der Tafel zwischen 5 und 20 Prozent liegen . Im Vergleich dazu benötigt ein Whiteboard einen Reflexionsgrad von 70 Prozent, um im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit zu stehen. Der Reflexionsgrad von Arbeitsflächen (Desktops) sollte im Bereich von 25 Prozent bis 40 Prozent liegen, damit eine angenehme Leuchtdichtebalance erreicht werden kann. Wände und Decken sind in der Regel mit hellen, matten Oberflächen versehen. Sie erzeugen Lichtreflexionen, die eine effiziente Nutzung des Lichts für eine verbesserte horizontale und vertikale Beleuchtungsstärke bei gleichzeitiger Minimierung von Reflexblendung gewährleisten können. Das menschliche Auge reagiert auf die Leuchtdichte, nicht auf die Beleuchtungsstärke. Es ist die Leuchtdichte, die zum Helligkeitsempfinden führt. Die Fähigkeit, Details zu sehen, wird stark von der Beziehung zwischen der Leuchtdichte eines Objekts und seinem unmittelbaren Hintergrund beeinflusst. Ein angemessener Kontrast zwischen dem Aufgabendetail und seinem Hintergrund kann visuelles Interesse wecken und visuelle Hinweise liefern. Zu große Helligkeitsschwankungen führen jedoch zu Anpassungsschwierigkeiten und Sehbeschwerden. Die Obergrenze für das Leuchtdichteverhältnis zwischen einer Aufgabe und der unmittelbaren Umgebung beträgt 3:1 (dunklere Umgebung) oder 1:3 (hellere Umgebung).

Farbe Aussehen

Farbe ist ein entscheidendes Element der Beleuchtung. Hinsichtlich visueller, emotionaler und biologischer Wirkungen steht es in einer integralen Beziehung zum Licht. Inwieweit Sehleistung, Stimmung, Atmosphäre, Gesundheit und Wohlbefinden durch Licht beeinflusst werden, hängt von der spektralen Leistungsverteilung (SPD) des von einer Lichtquelle abgegebenen Lichts ab. Eine Lichtquelle kann durch ihre Farbtemperatur und durch ihre Farbwiedergabeleistung charakterisiert werden, die beide von der SPD bestimmt werden. Die Farberscheinung von Objekten, die nicht selbstleuchtend sind, ist ein Produkt der Wechselwirkung zwischen der SPD der Lichtquelle und der spektralen Reflexionsfunktion von Objekten. Bestimmte Klassenzimmer erfordern möglicherweise eine Beleuchtung, die Farben genau wiedergibt. Die Farbwiedergabe ist nur ein Aspekt der Beleuchtung. Es ist wichtiger, eine spektrale Leistungsverteilung des Lichts zu betrachten und intuitiv zu verstehen, wie die Lichtfarbe das Verhalten, die Zufriedenheit, die psychologischen Reaktionen und die Gesundheit beeinflusst. Die Farbe von Lichtquellen – ob „warm“ oder „kühl“ im Aussehen – hat enorme Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, Produktivität und das Wohlbefinden.

Blendung

Blendung tritt auf, wenn Leuchtdichten oder Leuchtdichteverhältnisse übermäßig höher sind als die Leuchtdichten oder Leuchtdichteverhältnisse, an die die Augen angepasst sind. Die Folgen von Blendung sind Behinderung (Verringerung der Seh- und Sehleistung) und Unbehagen (unangenehmes Helligkeitsempfinden, das die Sehleistung oder Sicht nicht unbedingt beeinträchtigt). Blendung kann durch Licht entstehen, das das Auge direkt von einer Lichtquelle erreicht (Direktblendung) oder durch Reflexionen hoher Leuchtdichte von einer reflektierenden Oberfläche (Reflexblendung). Deckenleuchten können eine Unified Glare Rating (UGR) oder Visual Comfort Probability (VCP) zugewiesen werden, um unangenehme Blendung in Innenanwendungen vorherzusagen. Ein maximaler UGR von 19 oder ein minimaler VCP von 70 wird als akzeptabel für Lese-, Schreib- und computerbasierte Aufgaben angesehen. Wird ein höherer Sehkomfort gewünscht, sollten Leuchten mit einem UGR von 16 oder einem VCP von 80 gewählt werden.

Flackern

Flimmern ist eine Amplitudenmodulation von Licht, die ablenkt und eine Reihe negativer Folgen hat. Sowohl Leuchtstoff- als auch LED-Leuchten, die mit minderwertigen Netzteilen betrieben werden, können mit der doppelten Netzfrequenz (dh 120 Hz oder 100 Hz) produzieren. Flimmern ist im Allgemeinen bei Frequenzen über 70 Hz wahrnehmbar. Flimmern, das für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist, kann jedoch immer noch eine Reaktion des Nervensystems hervorrufen. Sowohl sichtbares als auch nicht wahrnehmbares Flimmern sind von Bedeutung. Je nach Person kann Flimmern zu Überanstrengung der Augen, Unwohlsein, Übelkeit, verminderter Sehleistung, Panikattacken, Kopfschmerzen, Migräne, epileptischen Anfällen und Hinweisen auf sich verschlimmernde autistische Zustände führen. In Bildungseinrichtungen, in denen sich Kinder oder Jugendliche jeden Tag über einen längeren Zeitraum aufhalten, sollte eine strenge Flimmerkontrolle durchgeführt werden. Das prozentuale Flimmern sollte vorzugsweise 4 Prozent bei 120 Hz oder 3 Prozent bei 100 Hz nicht überschreiten, was für alle Populationen äußerst sicher ist. Der maximal zulässige Wert beträgt 10 Prozent bei 120 Hz oder 8 Prozent bei 100 Hz.

Verhüllende Reflexionen

Schleierreflexionen sind Flecken mit hoher Leuchtdichte (helle Bilder einer Lichtquelle), die von spiegelnden Oberflächen wie Computerbildschirmen oder glänzenden Lesematerialien reflektiert werden. Verschleierende Reflexionen von entweder primären Lichtquellen (Fenster oder Leuchten) oder sekundären Lichtquellen (reflektiert) verringern den Kontrast einer Aufgabe und verdecken Details. Um sicherzustellen, dass keine Lichtquellen spiegelnde oder diffuse Reflexionen in den Augen einer Person erzeugen, ordnen Sie Computerbildschirme in einer Position senkrecht zur Lichtquelle an oder spezifizieren Sie eine Leuchte mit einer Lichtverteilung, die minimales Licht in problematischen Winkeln abgibt.

Modellieren von Gesichtern und Objekten

Gesichts- und Objektmodellierung ist ein wichtiger Aspekt bei der Beleuchtung in Bildungseinrichtungen. Das Zusammenspiel von Licht und Schatten auf einem Gesicht kann die Lehrer-Schüler-Kommunikation unterstützen, indem es die Lesbarkeit der Lippen und die Interpretation der Gesichtsgesten erleichtert. Beleuchtung kann einer visuellen Szene Form und Tiefe verleihen, Textur und Details von Objekten enthüllen, ein wünschenswertes Muster erzeugen und Highlights und visuelle Interessen hervorheben. Starke gerichtete Beleuchtung kann unschöne tiefe Schatten verursachen, während extrem diffuses Licht Gesichter oder Objekte flach oder uninteressant erscheinen lässt. Eine richtige Mischung aus gerichteter und diffuser Beleuchtung ist daher wünschenswert.

Allgemeine Beleuchtung

Die Allgemeinbeleuchtung ist die Hauptbeleuchtungsquelle in Klassenzimmern. Es versorgt den Raum mit einer Gesamtbeleuchtung und dient gleichzeitig als Hauptquelle für die Arbeitsbeleuchtung. Die Allgemeinbeleuchtung in Klassenzimmern kann durch den Einsatz von deckenmontierten Beleuchtungssystemen mit direkter, indirekter oder kombinierter direkt/indirekter Verteilung erreicht werden. Direkte Beleuchtung liefert ununterbrochenes Licht von der Leuchte zu einer horizontalen Arbeitsfläche. Indirekte Beleuchtung verteilt Licht in Richtung einer Decke, die wiederum Licht nach unten reflektiert. Die direkte/indirekte Beleuchtung bietet sowohl nach unten als auch nach oben gerichtete Lichtverteilungen. Direktbeleuchtungssysteme liefern Licht effizient, können jedoch harte Schatten, verschleierte Reflexionen und unerwünschte visuelle Effekte wie dunkle Decken und Muscheln auf oberen Wandflächen erzeugen. Bei auf Decken gerichteter Beleuchtung verteilen indirekte Beleuchtungssysteme das Licht gleichmäßig bis zu einer übermäßigen Leuchtdichte im Sichtfeld. Indirekte Beleuchtung lässt einen Raum jedoch langweilig und leer von Highlights und visuellen Interessen erscheinen. Direkte/indirekte Beleuchtung kombiniert die Vorteile direkter und indirekter Beleuchtung, um ausgewogene Lichtverteilungen für verbesserten Sehkomfort, gleichmäßige Beleuchtung auf horizontalen Arbeitsflächen und verstärkte Eindrücke von Weite, Aufmerksamkeit und visueller Klarheit bereitzustellen.

Trotz der Sorge, Blendung und Höhleneffekte zu erzeugen, ist die direkte Beleuchtung in Klassenzimmern fast eine universelle Wahl, einfach weil die meisten Bildungsräume eine niedrige Deckenhöhe haben. Direkte Beleuchtung wird typischerweise in Form von Einbauleuchten, Einbauleuchten oder Hängeleuchten bereitgestellt. Direktbeleuchtungsvorrichtungen können in verschiedenen Formen und Größen entworfen werden. In Bildungseinrichtungen gebräuchliche Leuchten sind rechteckige Troffer, die für den Einbau in Rasterdecken ausgelegt sind, und lineare Leuchten, die für Einbau-, Oberflächenmontage- und Unterputzmontagen ausgelegt sind. Troffer sind in Form von volumetrischen Troffern, parabolischen Troffern, diffusen/Linsen-Troffern und kantenbeleuchteten LED-Panels erhältlich. Lineare Leuchten sind in Abschnitten mit Standardlänge erhältlich, z. B. 4, 8 oder 12 Fuß, oder in einer durchgehenden Konfiguration.

Lichttechnik

In den vergangenen Jahrzehnten war die Beleuchtung von Klassenzimmern und anderen Bildungsräumen ein fast ausschließliches Gebiet der Leuchtstoffbeleuchtungstechnologie. Eine Leuchtstofflampe verwendet Elektrizität, um Quecksilberdämpfe in einer Glasröhre anzuregen. Der Quecksilberdampf entlädt sich, um ultraviolettes (UV) Licht zu emittieren, das dann eine Phosphorbeschichtung zum Fluoreszieren bringt und Licht im sichtbaren Spektrum erzeugt. Leuchtstofflampen haben aufgrund ihrer hohen Lichtausbeute, diffusen Lichtverteilung und langen Betriebslebensdauer eine weit verbreitete Verwendung gefunden. Der Einsatz von Leuchtstofflampen ist jedoch umstritten. Leuchtstofflampen haben viele Nachteile wie ultraviolette Emission, lange Startzeit, Funkstörungen, hohe Zerbrechlichkeit, harmonische Verzerrungen, begrenzter Betriebstemperaturbereich und reduzierte Lebensdauer aufgrund häufigen Schaltens. Die negativste Auswirkung der Leuchtstoffbeleuchtung besteht jedoch darin, dass sie die Qualität der Innenbeleuchtung erheblich beeinträchtigt und Gesundheitsrisiken birgt. Ein übermäßiger Fokus auf die Lichtausbeute führte dazu, dass die meisten Leuchtstofflampen eine schlechte Farbwiedergabe und eine übermäßig hohe Farbtemperatur (6000 K - 6500 K) lieferten, die sich störend auf den menschlichen circadianen Rhythmus auswirken könnte äußerte die Besorgnis über die Blaulichtgefahr. Da eine Leuchtstofflampe ein Vorschaltgerät benötigt, um den über die Elektroden der Lampe gelieferten Strom zu regulieren, entsteht das Problem des Flimmerns. Leuchtstofflampen sind in puncto Lichtqualität ein besonders schlechter Start in die Geschichte der künstlichen Beleuchtung von Innenräumen.

Festkörperbeleuchtung auf der Basis von Leuchtdioden (LED)-Technologie gewinnt schnell an Popularität. LEDs sind zur vorherrschenden Lichtquelle für alle erdenklichen Beleuchtungsanwendungen geworden. Eine LED ist ein Halbleiterbauelement, das elektrische Energie direkt in Photonen umwandelt. Die Halbleitervorrichtung weist einen pn-Übergang auf, der durch entgegengesetzt dotierte Schichten eines Halbleitermaterials wie Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) gebildet ist. Wenn der pn-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, werden Elektronen und Löcher in den aktiven Bereich injiziert und rekombinieren, um Licht zu erzeugen. Die LED-Technologie überwindet viele der Nachteile herkömmlicher Technologien und bietet das Versprechen von hoher Effizienz, langer Lebensdauer, hoher spektraler Vielseitigkeit, außergewöhnlicher Steuerbarkeit (Ein/Aus/Dimmen), hoher Flexibilität im optischen Design und hoher Stoß- und Vibrationsfestigkeit. LEDs erzeugen Strahlungsleistung nur im sichtbaren Spektrum (typischerweise von 400 bis 700 nm). Das Fehlen von ultravioletter (UV) und infraroter (IR) Strahlung macht diese Technologie besonders gut geeignet für den Einsatz durch Menschen mit einer bestimmten Empfindlichkeit oder in Situationen, in denen die optische Strahlung herkömmlicher Lichtquellen eine Gefahr für den Menschen darstellen würde.

LED-Leuchten

Lange Lebensdauer und hohe Energieeffizienz sind die herausragenden Vorteile von LEDs. Dies führt zu einem weit verbreiteten Irrglauben, dass die lange Lebensdauer und die hohe Lichtausbeute von LED-Beleuchtungssystemen selbstverständlich sind. Eine Leuchtstoffleuchte verwendet eine Reihe von Lampen, z. B. die lineare T5 (5/8 Zoll Durchmesser), T8 (1 Zoll Durchmesser) und die T12 (11/2 Zoll Durchmesser), die in der gesamten Branche und bei Herstellern mit ähnlicher Lebensdauer standardisiert sind , Lichtleistung und Lichtstromerhaltung. Die Leuchte dient im Wesentlichen als Montagerahmen für die Lampen und ermöglicht eine begrenzte Kontrolle der Lichtverteilung. Im Gegensatz dazu ist eine LED-Leuchte im Allgemeinen ein hochentwickeltes System, das LEDs ganzheitlich mit thermischen, elektrischen und optischen Subsystemen integriert, um ein akzeptables Produkt bereitzustellen. Die Systemeffizienz und Lebensdauer einer LED-Leuchte hängen weitgehend von der Systemauslegung und -konstruktion ab. Die Lebensdauer einer LED-Leuchte basiert auf dem ersten Mal, wenn die Leuchte gewartet werden muss, was wahrscheinlich auf Lumenverlust, Farbverschiebung, Fehlfunktion oder sogar plötzlichen Ausfall von LED-Treibern zurückzuführen ist.

LEDs sind die effizienteste Lichtquelle, die heute verfügbar ist. Allerdings wird immer noch mehr als die Hälfte der in LEDs eingespeisten elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt. Im Gegensatz zu Glüh- und Halogenlampen, die Wärme in Form von Infrarotenergie aus den Lampen abstrahlen, wird die von LEDs erzeugte Wärme in den Halbleitergehäusen eingeschlossen und muss durch die Leuchte selbst abgeführt werden. Ein übermäßiger Wärmeaufbau innerhalb der LEDs kann den Abbauprozess des Chips, des Leuchtstoffs und der Verpackungsmaterialien beschleunigen. Es hat sich gezeigt, dass erhöhte Sperrschichttemperaturen viele Fehlermechanismen wie Keimbildung und Wachstum von Versetzungen im aktiven Bereich der Diode, Verschlechterung der Phosphor-Quanteneffizienz und Verfärbung von Einkapselungsmaterial und Kunststoffgehäusen verursachen. Daher ist ein effektives Wärmemanagement entscheidend, um LEDs mit ihrer Nennlebensdauer zu betreiben. Das thermische Design ist der wichtigste Teil des Leuchtendesigns. Alle Materialien und Komponenten im Wärmepfad vom Halbleiterchip durch die gedruckte Schaltungsplatine (PCB) zur Umgebung müssen einen geringen Wärmewiderstand aufweisen. Die Effektivität eines thermischen Designs hängt wesentlich von der Fähigkeit des Kühlkörpers ab, Wärme durch Wärmeleitung und Konvektion abzuführen. Deckenleuchten wie Troffer und lineare Hängeleuchten bieten normalerweise ein ausreichendes Volumen, um einen angemessenen Oberflächenbereich zu schaffen, der den Wärmeaustausch erleichtert.

In den meisten Fällen ist der LED-Treiber der Fehler- oder Fehlfunktionspunkt in einem LED-System. Da LEDs selbst auf sehr kleine Strom- und Spannungsänderungen empfindlich reagieren, müssen die LED-Treiberschaltungen so konfiguriert werden, dass sie den Ausgang auf einen konstanten Strom unter Versorgungsspannung oder Lastschwankungen regeln. Der Betrieb von LEDs mit einem angemessenen Ansteuerstrom ist auch Teil des Wärmemanagements. Eine Übersteuerung dessen, wofür eine LED ausgelegt ist, erhöht die Sperrschichttemperatur und verringert die interne Quanteneffizienz von LEDs. Die wichtigsten Leistungsmetriken von Treibern konzentrieren sich auf ihre Fähigkeit, die Leistung für eine LED oder eine Reihe (oder Reihen) von LEDs angemessen und effizient zu regulieren und gleichzeitig einen hohen Leistungsfaktor und eine niedrige harmonische Gesamtverzerrung (THD) über einen weiten Eingangsspannungsbereich zu liefern . Der Treiber muss außerdem Schutzfunktionen gegen Überlast, Leerlauf und Kurzschluss sowie eine Unterdrückung von Überspannungen und einen intelligenten Übertemperaturschutz bieten. Einige Beleuchtungshersteller sparen jedoch unerbittlich, indem sie die Treiberschaltkreise unterdimensionieren. Dies führt nicht nur dazu, dass die Zuverlässigkeit der Treiberschaltung beeinträchtigt wird, sondern macht auch Flimmern zu einem Problem, da kostengünstige Treiber oft eine unvollständige Brummunterdrückung bieten. Es ist im Allgemeinen nicht akzeptabel, dass der Welligkeitswert des Ausgangsstroms ±10 Prozent übersteigt.

Beim Design von LED-Systemen nimmt das optische Design einen hohen Stellenwert ein. Eine gleichmäßige Beleuchtung über eine große Fläche oder Arbeitsebene erfordert den Einsatz einer großen Anzahl von Mid-Power-LEDs. Die hohe Ausgangsintensität dieser Miniaturlichtquellen macht die Blendungsminderung zu einem vorrangigen Thema. LED-Leuchten gibt es in einer Vielzahl von Lichtverteilungscharakteristiken, die durch optische Komponenten wie Diffusoren, Linsen, Reflektoren und Raster erreicht werden. Die direkte Blendung durch LEDs könnte abgeschwächt werden, indem die Helligkeit über große Flächen gestreut wird. Linsen, die eine Reihe kleiner Prismen enthalten, können die Leuchtdichte der Leuchte bei nahezu horizontalen Betrachtungswinkeln reduzieren. Reflexion ist eine häufig verwendete Technik zur Regulierung des Lichtstroms von LEDs. Volumetrische Troffer sind eine Art von "direkt reflektierten" Leuchten, die Licht von der Innenfläche eines Einbaugehäuses reflektieren, während die LED-Module, die Licht nach oben emittieren, abgeschirmt oder in Metallkörben verdeckt sind, die mit diffusem Acryl hinterlegt sind. Kantenbeleuchtete LED-Flächenleuchten speisen Licht in eine Lichtleitplatte (LGP) ein, die dann das Licht durch Totalreflexion (TIR) ​​gleichmäßig auf einen Diffusor verteilt. Die Fähigkeit, eine gleichmäßige Beleuchtung zu liefern, ohne eine übermäßig hohe Leuchtdichte zu erzeugen, macht diese Einbauleuchten zu einem Arbeitstier in Bildungseinrichtungen.

Farbwiedergabe

Wie bei Leuchtstofflampen ist auch im Zeitalter der LED-Beleuchtung der Kompromiss zwischen Farbqualität und Lichtausbeute geblieben. Weiße LEDs sind normalerweise in Leuchtstoff umgewandelte LEDs, die kurzwelliges Licht verwenden, das von LED-Chips emittiert wird, um Leuchtstoffe (lumineszierende Materialien) zu pumpen. Die meisten Leuchtstoff-umgewandelten LEDs sind blaue Pump-LEDs, die die Elektrolumineszenz teilweise umwandeln. Eine blaue Pump-LED mit hoher Farbwiedergabe erfordert, dass ein sehr großer Teil des emittierten kurzwelligen Lichts abwärts gewandelt wird. Dieser Vorgang des Umwandelns von Pumplicht in Phosphorlicht (Photolumineszenz) ist mit einem großen Stokes-Energieverlust verbunden. Die Umwandlung der Lichtausbeute der Strahlung (LER) durch die Augenempfindlichkeit ist ineffizient gegenüber der spektralen Verteilung von längerwelligem Licht. Wenn diese Effekte verstärkt werden, ist die Lichtausbeute von LEDs mit hoher Farbwiedergabe, deren SPD gleichmäßiger über das sichtbare Spektrum verteilt ist, relativ gering als von LEDs mit niedriger Farbwiedergabe, die in den blauen und grünen Wellenlängen übersättigt sind.

Als Ergebnis der Entwicklung hin zu einer hocheffizienten Beleuchtung und einer Senkung der Kosten beinhalten die meisten LED-Leuchten, die in Bildungseinrichtungen verwendet werden, LEDs mit einem Farbwiedergabeindex (CRI) von 80, was akzeptabel (aber alles andere als gut) ist. Insbesondere dem von diesen Leuchten emittierten Licht mangelt es an Wellenlängen, die gesättigte Farben wiedergeben. Damit sich ein Klassenzimmer angenehm anfühlt und Farben natürlich erscheinen, muss die Lichtquelle in der Lage sein, eine visuelle Reaktion auf alle Wellenlängen im sichtbaren Spektrum auszulösen. Bildungseinrichtungen verdienen eine Beleuchtung mit hoher Farbqualität, z. B. einem CRI von 90. Während blaue Pump-LEDs für eine hervorragende Farbwiedergabe ausgelegt werden können, wurden violette Pump-LEDs speziell entwickelt, um weißes Licht mit breitem Spektrum zu erzeugen, das eine ziemlich breite Strahlungsleistung liefert das sichtbare Spektrum.

Die Wissenschaft hinter der Farbe des Lichts

Die ähnlichste Farbtemperatur (CCT) einer Lichtquelle soll die Lichtfarbe (z. B. warm oder kalt) charakterisieren. Weißes Licht mit einem warmen Farbton hat eine CCT im Bereich von 2700 K bis 3200 K. Weißes Licht mit einer CCT im Bereich von 3500 K bis 4100 K wird allgemein als "neutralweiß" erscheinend bezeichnet. Weißes Licht mit einer CCT über 4100 K wird als „kaltweiß“ erscheinend bezeichnet. Weißes Licht ist nicht gleich weißes Licht, ob das Erscheinungsbild von weißem Licht warm oder kühl ist, wirkt sich nicht nur visuell auf unsere Wahrnehmung aus und beeinflusst emotional unsere Stimmung, sondern hat auch Auswirkungen auf eine Reihe von neuroendokrinen und neurobehavioralen Reaktionen. Im Allgemeinen entspricht kühleres Weiß einem relativ hohen Anteil an blauem Licht im Spektrum und warmes Weiß weist auf einen niedrigen Blauanteil im Spektrum hin.

Die Forschung hat festgestellt, dass blaues Licht die intrinsisch lichtempfindlichen retinalen Ganglienzellen (ipRGC)-Photorezeptoren in der Ganglienzellschicht der Netzhaut stimulieren kann. Die ipRGCs wandeln Licht in neuronale Signale für die biologische Uhr um. Die biologische Uhr, die sich in den suprachiasmatischen Kernen (SCN) befindet, reguliert dann die Körpertemperatur und setzt endokrine Hormone wie Melatonin und Cortisol frei. Eine ausreichend hohe Dosis bioaktiven blauen Lichts veranlasst die biologische Hauptuhr, den menschlichen Körper für den Tagmodus zu programmieren. Es wurde entdeckt, dass die Exposition gegenüber blauer Strahlung die Produktion von Hormonen wie Cortisol für Stressreaktionen und Wachsamkeit stimuliert; Serotonin für die Impulskontrolle und das Verlangen nach Kohlenhydraten; und Dopamin für Freude, Wachsamkeit und Muskelkoordination. Während eine physiologische Reaktion am Tag simuliert wird, führt die Exposition gegenüber bioaktivem blauem Licht auch zu einer Unterdrückung des schlaffördernden Hormons Melatonin. Da es die Konzentration, Wachsamkeit und Leistungsfähigkeit unterstützt, wird daher beim stundenlangen Lernen oft helles weißes Licht mit hohen Blauanteilen eingesetzt.

Typischerweise wird für die Tagesbeleuchtung in Bildungsräumen kaltweißes Licht mit einer CCT von etwa 4100 K gewählt. Die maximale CCT für die Innenbeleuchtung sollte im Allgemeinen 5400 K nicht überschreiten, was der scheinbaren Farbtemperatur von direkt von oben einfallendem Sonnenlicht entspricht. Die Einführung von Leuchtstofflampen ging jedoch mit einem starken Anstieg der Farbtemperaturen für die Innenbeleuchtung einher. Lichtquellen, die weißes Licht mit Wellenlängen erzeugen, die sich am blauen Ende des Spektrums ansammeln, haben die höchste Lichtausbeute aufgrund der minimalen beteiligten Photolumineszenz und eine hohe Augenempfindlichkeit über dieses Spektralband. Dies macht CCTs im Bereich von 6000 K bis 6500 K zu einer gängigen Wahl für Bildungsbeleuchtung. Optische Strahlung mit solch einer extrem hohen CCT erscheint jedoch hart und verursacht häufig Farbverzerrungen aufgrund der fehlenden Wellenlängen zur Wiedergabe gesättigter Farben. Am wichtigsten ist, dass die Exposition gegenüber blauer Strahlung in einer extrem hohen Dosis den ganzen Tag über den menschlichen Körper überlasten und es schwierig machen kann, einen reibungslosen zirkadianen Rhythmus aufrechtzuerhalten.

Die Schüler erhalten normalerweise während der Stunden des Nachtcoachings weiterhin hochintensive blaue Strahlung, was zu einer unzureichenden Unterdrückung von Melatonin am Abend führt. Die nächtliche Ausschüttung von Melatonin von 21:00 bis 07:30 Uhr ist ein lebenswichtiger Schutzmechanismus, der die essentielle Regeneration unterstützt und die Entstehung von Krebszellen in unserem Körper unterdrückt. Am Abend, mindestens zwei Stunden vor dem Schlafengehen, sollten hohe CCT und Beleuchtung mit hoher Intensität vermieden werden. Bescheidenes warmweißes Licht, definiert als 60 Lux, reicht für kleinere Sehaufgaben ohne zirkadiane Störungen aus.

Abstimmbare weiße Beleuchtung

Die Auswirkungen der Beleuchtung auf die menschliche Gesundheit, das Wohlbefinden und die Leistung veranlassten die Beleuchtungsindustrie, eine Lösung zu entwickeln, die bestimmte menschliche biologische Reaktionen für eine verbesserte Konzentration, Wachsamkeit und Leistung hervorrufen kann und gleichzeitig einen günstigen zirkadianen Rhythmus unterstützt. Tunable White Lighting ermöglicht die Modulation der Farbtemperatur von weißem Licht, wobei die Lichtintensität unabhängig gesteuert werden kann. Diese Technologie ermöglicht den ganzen Tag über ein dynamisches Beleuchtungskonzept und ermöglicht die Anpassung der Beleuchtung an die Bedürfnisse verschiedener Zielgruppen. Tunable White Lighting auf Basis von LED-Technologie ist die treibende Kraft hinter dem beschleunigten Einsatz von Human Centric Lighting (HCL). Human Centric Lighting wurde entwickelt, um den zirkadianen Rhythmus des Körpers und den natürlichen Zyklus biologischer Funktionen zu verstärken. Es bietet eine bewusste Steuerung von hormonellen Prozessen und Lernumgebungen durch eine ganzheitliche Gestaltung der visuellen, biologischen und emotionalen Wirkung von Licht. Menge und Spektrum der Innenbeleuchtung lassen sich im Tagesverlauf an die Eigenschaften des natürlichen Tageslichts anpassen.

Photobiologische Sicherheit

Sesselexperten haben viel Aufhebens um die Blaulichtgefahr von LED-Beleuchtung gemacht. Sie behaupten, dass blaue Pump-LEDs höhere Anteile blauer Wellenlängen enthalten und daher ein größeres Potenzial als andere Arten von Lichtquellen haben, ein Risiko für Blaulichtgefahr darzustellen. Die Blaulichtgefahr ist eine photochemisch induzierte Netzhautschädigung, die durch Strahlenexposition bei Wellenlängen hauptsächlich zwischen 400 nm und 500 nm verursacht wird. Nur weil weiße LEDs blaue Emitter verwenden, um Phosphor-Abwärtswandler zu pumpen, und es möglicherweise einen deutlichen blauen Peak in ihren SPDs gibt, bedeutet dies nicht unbedingt, dass LEDs ein größeres Potenzial haben, photochemische Schäden an der Netzhaut zu verursachen. Weißes Licht unterschiedlicher Farbeindrücke entsteht grundsätzlich durch unterschiedliche Kombinationen von langen und kurzen Wellenlängen. Es besteht eine starke Korrelation zwischen CCT und Blaulichtanteil, unabhängig davon, woher weißes Licht emittiert wird. Die Blaulicht-Gefahrengewichtungsfunktion erstreckt sich über einen Bereich von Wellenlängen. Es ist wichtig, die Reichweite der gefährlichen Strahlung zu berücksichtigen, und nicht irgendeinen lokalen Spitzenwert. Die Gesamtmenge an blauen Wellenlängen in der spektralen Zusammensetzung des von LEDs emittierten Lichts ist im Allgemeinen die gleiche wie das Licht, das von jeder anderen Lichtquelle mit derselben Farbtemperatur emittiert wird.

Zur Wiederholung: LEDs unterscheiden sich in Bezug auf die photobiologische Sicherheit nicht grundlegend von Lichtquellen mit herkömmlichen Technologien. Was zu beschuldigen ist, ist die Verwendung von extrem hoher CCT in der Innenbeleuchtung. Weißes Licht mit einer CCT über 6000 K enthält eine erhebliche Menge an blauem Licht und verursacht mit größerer Wahrscheinlichkeit eine photochemische Schädigung der Netzhaut als weißes Licht, das von Lichtquellen mit niedriger CCT emittiert wird. Die Schwellenbeleuchtungsstärke für die Risikogruppeneinstufung als RG2 oder höher beträgt 1000 Lux für eine Lichtquelle mit einer CCT von 6000 K, 1600 Lux für eine Lichtquelle mit einer CCT von 4000 K und 3200 Lux für eine Lichtquelle mit einer CCT von 2700 K. Eine Blaulichtgefährdungseinstufung der Risikogruppe 2 und 3 ist jedoch für alle Arten von Weißlichtquellen sehr unwahrscheinlich, da die maximale Beleuchtungsstärke für Bildungsanwendungen selten 300 Lux übersteigt. Wichtig ist, dass ein Produkt auch den Grenzwert für die Leuchtdichte überschreiten muss, um als gefährlich eingestuft zu werden (10 mcd/k2 bei 6000 K, 16 mcd/k2 bei 4000 K, 30 mcd/k2 bei 2700 K für Risikogruppe 2). Selbst wenn eine Gefahr der Risikogruppe 2 oder 3 besteht, mindern die Abneigungsreaktionen des Menschen die Gefahr, sodass die Blaulichtgefahr für die Menschen unbedenklich ist.

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