DE102007022566A1 - Beleuchtungseinheit bestehend aus Entladungslampe, LEDs und Konversionsleuchten - Google Patents

Beleuchtungseinheit bestehend aus Entladungslampe, LEDs und Konversionsleuchten Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit mit einstellbarem Farbort, bestehend aus einer Entladungslampe als primäre Lichtquelle sowie LEDs als sekundäre Lichtquelle und zusätzlich einer Leuchtstoffschicht in Form eines Leuchtstoffschirmes aus Konversionsleuchtstoffen. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Beleuchtung von Nutzflächen durch die erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit mit einstellbarem Farbort bestehend aus einer Entladungslampe als primäre Lichtquelle sowie LEDs als sekundäre Lichtquelle und zusätzlich einer Leuchtstoffschicht in Form eines Leuchtstoffschirmes aus Konversionsleuchtstoffen. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Beleuchtung von Nutzflächen durch die erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit.
  • Hochdruck- und Niederdruck-Natriumdampfentladungslampen sind extrem energieeffizient. Das wichtigste Einsatzgebiet dieser Lampen stellt die Straßenbeleuchtung dar, da hier sowohl die hohe Energieeffizienz („luminous efficiency” in lm/W), als auch die sehr lange Lebensdauer von über 30.000 Stunden zum Tragen kommen. Erkennbar sind diese Lampen durch das gelborange Licht, welches von ihnen emittiert wird und das mit einer schlechten Farbwiedergabe verbunden ist (Das Fehlen von blauen und gelbgrünen Anteilen im Spektrum führt dazu, dass kein Farben sehen möglich ist). Die schlechte Farbwiedergabe stellt auch für das Straßenbeleuchtungssegment einen Nachteil dar, weil dadurch z. B. Verkehrsschilder nachts nicht in den korrekten Farben abgebildet werden. Zudem können Na-Dampflampen nicht in Segmenten, wie z. B. der Gewächshausbeleuchtung ohne zusätzliche Fluoreszenzlampen eingesetzt werden und eignen sich aufgrund der schlechten Farbwiedergabe nicht für Architektur- und Allgemeinbeleuchtung. Der Grund für die hohe Energieeffizienz und die schlechte Farbwiedergabe liegt in den Entladungsspektren, die zur Emission von gelb-orange farbigem Licht führen. In diesem Wellenlängenbereich besitzt das menschliche Auge eine sehr gute Empfindlichkeit (Grund für die hohe Lumeneffizienz in lmM), allerdings ist es für gute Farbwiedergabe („Farbsehen") erforderlich, dass multichromatische Beleuchtungsquellen eingesetzt werden. Die Niederdruck-Natriumdampflampe weist lediglich einen im sichtbaren Bereich liegenden Peak bei 589 nm (gelborange) im Emissionsspektrum auf.
  • Die Hochdruck-Natriumdampflampe weist ebenfalls ein Emissionsmaximum bei 589 nm auf, wobei die Peak Halbwertsbreite größer ist als bei der Niederdruckversion. Es sind allerdings auch hier keine Anteile genügender Intensität z. B. im blauen bzw. blau-grünen Spektralbereich vorhanden.
  • Aus der DE 200 07 134 U1 ist eine Beleuchtungsanlage bekannt, bei welcher neben einer primären Lichtquelle zusätzlich einfarbig emittierende sekundäre Lichtquellen vorgesehen sind. Bei dieser Beleuchtungsanlage kann die Intensität der sekundären Lichtquellen stufenlos verstellt werden, um den Farbort und insbesondere auch die Farbtemperatur oder Lichtfarbe zu ändern.
  • Aus der EP 1 557 604 ist weiterhin eine Beleuchtungsanlage mit mindestens einem Leuchtmittel bekannt um Nutzflächen zu beleuchten, wobei zur Veränderung des durch das Leuchtmittel auf die Nutzfläche eingestrahlten Lichtspektrums weitere einfarbig emittierende Lichtquellen (LEDs) zusätzlich zu dem Leuchtmittel vorgesehen sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Beleuchtungseinheit zu entwickeln, die den Nachteil der schlechten Farbwiedergabe von Natrium-Dampflampen eliminiert, wobei die hohe Energieeffizienz erhalten bleibt und bei der sich durch einfache Art und Weise der Farbort und insbesondere auch die Farbtemperatur individuell regeln lassen.
  • Diese Aufgabe wird überraschenderweise dadurch gelöst, dass man eine Beleuchtungseinheit bestehend aus einer Entladungslampe, LEDs und zusätzlich einer Leuchtstoffschicht aus Konversionsleuchtstoffen bereit stellt. Diese Beleuchtungseinheit ermöglicht die Anpassung des Emissionsspektrums und die Einstellung der Farbtemperatur durch Dimmen der LEDs an die jeweilige Anwendung. Unter Dimmen ist generell eine Änderung der Ansteuerungsparameter der LED zu verstehen. Diese kann beispielsweise darin bestehen, dass die LED kontinuierlich mit variablen Stromstärken betrieben wird oder mit Strompulsen betrieben wird mit variablen stromlosen Zeitspannen zwischen den Strompulsen. Dadurch besitzen diese Leuchten eine breites Anwendungsspektrum als hoch energieeffiziente und mit hoher Farbwiedergabe aufweisenden Lampen. Der Einsatz reicht von verbesserter Verkehrsbeleuchtung über Architekturbeleuchtung bis hin zur Allgemeinbeleuchtung. Auch für die Gewächshausbeleuchtung lassen sich geeignete Spektren mit insbesondere blauen und roten Anteilen realisieren, die das Pflanzenwachstum günstig beeinflussen.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit eine Beleuchtungseinheit mit einstellbarem Farbort, mit einem Gehäuse (2), in dem mindestens eine primäre und eine sekundäre Lichtquelle angeordnet ist, wobei der Farbort beider Lichtquellen unterschiedlich ist und wobei die primäre Lichtquelle (6) orange-gelbes Licht eines gegebenen Farbortes mit einer gegebenen Farbtemperatur und Lichtfarbe emittiert, während die sekundäre Lichtquelle (10) Licht eines anderen Farbortes, insbesondere mit einer anderen Lichtfarbe oder farbiges Licht, emittiert, und wobei die Intensität der sekundären Lichtquelle (10) stufenlos verstellbar ist, und wobei die primäre und sekundäre Lichtquelle so zusammenwirken, dass der Farbort, insbesondere auch die Farbtemperatur und die Lichtfarbe, der von der Beleuchtungseinheit abgegebenen Strahlung sich von der primären Lichtquelle unterscheiden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das im Gehäuse befindliche Umlenkmittel (4) eine Leuchtstoffschicht (12), enthaltend ein oder mehrere Konversionsleuchtstoffe, enthält und dass diese Leuchtstoffschicht von der sekundären Lichtquelle (10) zur Emission einer Strahlung anregbar ist, deren Farbort sich von den Farborten der primären und sekundären Lichtquellen unterscheidet.
  • Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit besteht aus einem üblichen Gehäuse für Entladungslampen. Es befinden sich zusätzlich LEDs in dem Gehäuse (siehe 1). Hierbei wird das blaue Licht der LEDs und das Licht der Entladungslampe im Strahlengang gemischt und durch den Reflektor (Umlenkmittel) auf das zu beleuchtende Objekt gerichtet. Das Spektrum, d. h. die Farbtemperatur und der Farbpunkt dieser Leuchte kann durch Dimmen der LEDs für die jeweilige Anwendung angepasst werden. Dadurch wird ein zusätzlicher blauer Anteil dem Emissionsspektrum hinzugefügt, wodurch die Farbwiedergabe steigt. Das Umlenkmittel bzw. der Reflektor ist innen zusätzlich mit Konversionsleuchtstoffen beschichtet, welche von dem blauen Licht der LEDs angeregt werden können. Diese Konversionsleuchtstoffe dürfen aber kein oder nur gering ausgeprägtes Hochtemperaturlöschen aufweisen, weil die Temperaturen am Umlenkmittel bis auf 200–300°C steigen können.
  • Erfindungsgemäß ist durch diese Beleuchtungseinheit eine insgesamt höhere Farbwiedergabe als bei Beleuchtungssystemen aus dem Stand der Technik erzielbar, weil durch den oder die Konversionsleuchtstoffe im Umlenkmittel zusätzliche Banden emittiert werden. Es resultiert eine sog. Mehrbandenlampe mit n > 2, wobei n = Entladungslampe, LED, Leuchtstoff 1, Leuchtstoff 2 etc.). Durch Dimmen der LED lässt sich das Spektrum der Lampen (Farbpunkt u. Farbtemperatur) an die Anwendung anpassen. Insbesondere für eine Nachtbeleuchtung von z. B. Verkehrwegen lässt sich mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit eine vorteilhafte höhere Farbtemperatur als üblichen Natriumdampflampen einstellen, weil das menschliche Auge nachts mit bläulichem Licht besser sehen kann.
  • Die primäre Lichtquelle besteht aus einer Entladungslampe, wobei eine Natriumdampfentladungslampe (6) bevorzugt ist. Unter dem Begriff „Natriumdampfentladungslampe" sind Natriumdampf-Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdrucklampen zu verstehen, die ihr gelbes Licht aus einer Gasentladung in Natriumdampf gewinnen. In dieser Lampe herrschen Drücke von 100 μbar bis 10 bar. Anders als Leuchtstoffröhren benötigen Natriumdampflampen keinen fluoreszierenden Leuchtstoff. Bei diesen Lampen erzeugt die Gasentladung selbst schon sichtbares Licht und muss nicht erst in dieses umgewandelt werden.
  • Die sekundäre Lichtquelle besteht aus mindestens einer lichtemittierenden Diode (LED) 10, die UV oder blaues Licht mit Wellenlängen zwischen 250 bis 500 nm emittiert. Als blaue LEDs werden high-power (Energieaufnahme mind. 1 Watt) InGaN LEDs eingesetzt mit Emissionsmaxima, welche je nach Typ der LED zwischen ca. 440 und 480 nm Wellenlänge liegen. Besonders bevorzugt ist es, wenn in einer Lampe verschiedene Typen blauer LEDs vorhanden sind: jeweils mindestens vier blaue dimmbare LEDs mit Emissionsmaxima von jeweils 445, 460, 468 und 482 nm Wellenlänge. Dann sind alle Farbpunkte mit Hilfe der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit einstellbar, die sich innerhalb der Fläche befinden, welche von den schwarzen Punkten (= Farbpunkt der jeweiligen Komponente) aufgespannt wird (siehe 4 und 5).
  • Die LEDs 10 sind derart rechts und links von der primären Lichtquelle bzw. Entladungslampe 6 symmetrisch angeordnet, dass die Zumischung der von den LEDs 10 emittierten Strahlung bzw. der von der Leuchtstoffschicht 12 emittierten Strahlung zu der Strahlung der Entladungslampe 6 unterhalb der Beleuchtungseinheit 1 in einem Bereich erfolgt, der sich möglichst nah an den Sekundärlichtquellen 10 befindet.
  • Die Leuchtstoffschicht 12, die auf dem Umlenkmittel 4 sitzt, wird hergestellt, indem die mikrokristallinen Leuchtstoffpartikel mit gewünschter Partikelgrößenverteilung mit einem arithmetisch gemittelten Durchmesser von 0,6 μm bis 70 μm, bevorzugt zwischen 1 μm bis 25 μm und insbesondere bevorzugt von 1,2 μm bis 15 μm zunächst über dem Fachmann bekannte Methoden unter Einsatz dem Fachmann bekannten Substanzen in eine Suspension überführt werden. Beispiele hierzu sind in der Fachliteratur beschrieben, z. B. in Keith H. Butler, Fluorescent Lamp Phosphors, Pennsylvania State University Press, 1980, ISBN 0-271-00219-0.
  • Diese Suspension kann auf wässriger oder organischer Basis formuliert werden. Im Falle der wässrigen Formulierung werden die Leuchtstoffpartikel in einem auf Acrylatlatices bestehenden Dispergiermittel suspendiert, welches Tenside, Schaumverhinderungsmittel und Antiflockungsadditive enthalten kann. Im Falle einer organischen Formulierung können die Leuchtstoffpartikel beispielsweise in einem auf Ethylcellulose oder Nitrocellulose als Bindemittel basierenden Medium suspendiert werden. Mögliche Zusammensetzungen sind beispielsweise im Falle auf Basis der Nitrocellulose: 5 wt-% Nitrocellulose, 2,5 wt-% Ethanol, 87,5 wt-% Butylacetat, 5 wt-% Diethylphthalat und im Falle der Etylcellulose: 6,2 wt-% Ethylcellulose, 3,2 wt-% Dibutylphthalat, 86,3 wt-% Xylol, 4,3 wt-% Butanol.
  • Diesen Mischungen werden mit bis zu 30 wt-% Leuchtstoffpartikelkonzentration beispielsweise über Sprühverfahren mit Hilfe eines Trägergases wie Luft (Airbrush), Tauchverfahren oder mit Hilfe von Inkjetventilen und/oder Nadelventilen auf das Umlenkmittel aufgebracht. Danach erfolgt ein Trocknen der Schicht und ein nachfolgendes Erhitzen auf Temperaturen, bei welchen organische Bestandteile in einem bestimmten Ausmass vollständig oder teilweise pyrolytisch entfernt werden. Die Leuchtstoffe können in einer bevorzugten Ausführung auch dispergiert in Epoxid-, Silikon- oder Acrylatharzen auf das Umlenkmittel 4 aufgebracht werden, wodurch das Aufbringen ebenfalls über Sprühen mit bzw. ohne Trägergas, Tauchen, Inkjetten bzw. Nadelventilen erfolgen kann. Nach der Aufbringung ist eine Verfestigung der Mischung erforderlich, die durch eine erhöhte Temperatur oder die Aussetzung des beschichteten Umlenkmittels 4 einer Strahlung erfolgen kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die Leuchtstoffschicht Additive enthalten, wie beispielsweise Haftverbesserer für die Adhäsion der Leuchtstoffschicht an das Umlenkmittel 4, die beispielsweise aus Feinstpartikeln von SiO2 oder Al2O3 bestehen können. Diese Additive können auch durch Brechzahlanpassung dazu beitragen, die Lichteinkopplung und Lichtauskopplung in bzw. aus der Leuchtstoffschicht heraus zu optimieren bzw. den Lichtweg in der Leuchtstoffschicht durch Streuprozesse zu optimieren.
  • Die Leuchtstoffschicht 12 enthält ein oder mehrere Konversionsleuchtstoffe, welche aus folgenden Leuchtstoffmaterialien bestehen:
    Y, Gd, Lu, Sc, Sm, Tb)3 (Al, Ga)5O12:Ce (mit oder ohne Pr), (Ca, Sr, Ba)2SiO4:Eu, YSiO2N:Ce, Y2Si3O3N4:Ce, Gd2Si3O3N4:Ce, (Y, Gd, Tb, Lu)3Al5-xSixO12-xNx:Ce, BaMgAl10O17:Eu (mit oder ohne Mn), SrAl2O4:Eu, Sr4Al14O25:Eu, (Ca, Sr, Ba)Si2N2O2:Eu, SrSiAl2O3N2:Eu, (Ca, Sr, Ba)2Si5N8:Eu, CaAlSiN3:Eu, Molybdate, Wolframate, Vanadate, Gruppe-III Nitride, Oxide, jeweils einzeln oder Gemischen derselben mit einem oder mehreren Aktivatorionen wie Ce, Eu, Mn, Cr, Tb und/oder Bi.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die Lichtaustrittsöffnung 7 der Beleuchtungseinheit mit einem Streumittel 8, einem Diffuser o. ä. versehen sein, der die Öffnung ganz oder nur teilweise abdeckt.
  • Die beiden verschiedenen Lichtquellen können vorteilhaft mit einem einzigen speziellen Vorschaltgerät angesteuert werden, insbesondere bei Verwendung einer Entladungslampe in Kombination mit mehreren LEDs.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Beleuchtung von Nutzflächen durch die erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit 1, wobei die primäre und sekundäre Lichtquelle und das Umlenkmittel 4 mit der Beleuchtungsschicht 12 derart angeordnet werden, dass eine Mehrbandenlampe mit hoher Farbwiedergabe und Farbtemperatur sowie einem hohen Nutzbeleuchtungswirkungsgrad resultiert.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:
  • 1: Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit 1, bestehend aus einem Gehäuse 2 mit einer Oberwand 3, zwei Seitenflächen bzw. Umlenkmittel 4 und einer Unterwand 5 sowie zwei Seitenwänden (nicht sichtbar). Die Seitenwände sind schräg an die Oberwand 3 angesetzt. Die Unterwand 5 besitzt eine zentrale Lichtaustrittsöffnung 7, die durch ein Streumittel (Diffusorplatte) 8 abgeschlossen ist. Im Inneren des Gehäuses 2 ist eine Natriumdampfentladungslampe 6 an einer Halterung 11 untergebracht, deren Licht vor dem direkten Austritt durch die Öffnung 7 durch einen im Querschnitt V-förmigen Reflektor 9 geschützt ist. Das gelbe Licht der als primäre Lichtquelle dienenden Natriumdampfentladungslampe wird über die Wände des Gehäuses zur Öffnung 7 gelenkt. Außerdem sind an der Unterwand 5 jeweils vier dimmbare LEDs 10 (mit unterschiedlichen Emissionsmaxima 445, 460, 468 und 482 nm Wellenlänge) zu beiden Seiten der Natriumdampfentladungslampe 6 angebracht. Diese LEDs 10 regen die im Umlenkmittel 4 vorhandene Leuchtstoffschicht 12, die Konversionsleuchtstoffe enthält, an.
  • 2: Spektrum der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit 1 bei Verwendung einer Na-Niederdruckentladungslampe mit 480 nm LEDs
  • 3: Spektrum der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit 1 bei Verwendung einer Na-Hochdruckentladungslampe mit 480 nm LEDs
  • 4: zeigt den erzielbaren Farbraum der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit 1, falls eine Hochdruck-Natriumdampflampe und vier blaue LEDs mit Emissionsmaxima bei 445 nm, 460 nm, 468 mn und 482 nm und eine Konversionsleuchtstoffschicht, bestehend aus LuAG:Ce [(Lu, Y)3Al5O12:Ce] auf dem Umlenkmittel 4 verwendet werden.
  • 5: zeigt den erzielbaren Farbraum der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit 1, falls eine Niederdruck-Natriumdampflampe und vier blaue LEDs mit Emissionsmaxima bei 445 nm, 460 nm, 468 mn und 482 nm und eine Konversionsleuchtstoffschicht, bestehend aus LuAG:Ce [(Lu, Y)3Al5O12:Ce] auf dem Umlenkmittel 4 verwendet werden.
  • 6: zeigt die Lichtverteilung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit, wobei 6 = primäre Lichtquelle, 8 = Streu- bzw. Diffusorplatte, 9 = Reflektor, 10 = sekundäre Lichtquellen (LEDs), 12 = Leuchtstoffschicht, 13 = Nutzfläche bedeutet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 20007134 U1 [0004]
    • - EP 1557604 [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Keith H. Butler, Fluorescent Lamp Phosphors, Pennsylvania State University Press, 1980, ISBN 0-271-00219-0 [0014]

Claims (8)

  1. Beleuchtungseinheit (1) mit einstellbarem Farbort, mit einem Gehäuse (2), in dem mindestens eine primäre und eine sekundäre Lichtquelle angeordnet ist, wobei der Farbort beider Lichtquellen unterschiedlich ist und wobei die primäre Lichtquelle orange-gelbes Licht eines gegebenen Farbortes mit einer gegebenen Farbtemperatur und Lichtfarbe emittiert, während die sekundäre Lichtquelle (10) Licht eines anderen Farbortes, insbesondere mit einer anderen Lichtfarbe oder farbiges Licht, emittiert, und wobei die Intensität der sekundären Lichtquelle stufenlos verstellbar ist, und wobei die primäre und sekundäre Lichtquelle so zusammenwirken, dass der Farbort, insbesondere auch die Farbtemperatur und die Lichtfarbe, der von der Beleuchtungseinheit abgegebenen Strahlung sich von der primären Lichtquelle unterscheiden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das im Gehäuse befindliche Umlenkmittel (4) eine Leuchtstoffschicht (12), enthaltend ein oder mehrere Konversionsleuchtstoffe, enthält und dass diese Leuchtstoffschicht von der sekundären Lichtquelle zur Emission einer Strahlung anregbar ist, deren Farbort sich von den Farborten der primären und sekundären Lichtquellen unterscheidet.
  2. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Lichtquelle eine Entladungslampe (6), insbesondere eine Natriumdampfentladungslampe ist.
  3. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Lichtquelle mindestens eine LED (10) ist, die UV oder blaues Licht emittiert.
  4. Beleuchtungseinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffschicht (12) nur homogene Konversionsleuchtstoffpartikel oder in Harz dispergierte homogene Konversionsleuchtstoffpartikel enthält.
  5. Beleuchtungseinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffschicht (12) Additive enthält.
  6. Beleuchtungseinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffschicht (12) ein oder mehrere Konversionsleuchtstoffe enthält, die aus mindestens einem der folgenden Leuchtstoffmaterialien bestehen: Y, Gd, Lu, Sc, Sm, Tb)3 (Al, Ga)5O12:Ce (mit oder ohne Pr), (Ca, Sr, Ba)2SiO4:Eu, YSiO2N:Ce, Y2Si3O3N4:Ce, Gd2Si3O3N4:Ce, (Y, Gd, Tb, Lu)3Al5-xSixO12-xNx:Ce, BaMgAl10O17:Eu (mit oder ohne Mn), SrAl2O4:Eu, Sr4Al14O25:Eu, (Ca, Sr, Ba)Si2N2O2:Eu, SrSiAl2O3N2:Eu, (Ca, Sr, Ba)2Si5N8:Eu, CaAlSiN3:Eu, Molybdate, Wolframate, Vanadate, Gruppe-III Nitride, Oxide, jeweils einzeln oder Gemischen derselben mit einem oder mehreren Aktivatorionen wie Ce, Eu, Mn, Cr, Tb und/oder Bi.
  7. Beleuchtungseinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die direkt emittierte Strahlung der Lichtquellen ein Streumittel (8) durchläuft.
  8. Verfahren zur Beleuchtung von Nutzflächen durch eine Beleuchtungseinheit (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen und das Umlenkmittel (4) derart angeordnet werden, dass eine Mehrbandenlampe mit hoher Farbwiedergabe und Farbtemperatur sowie einem hohen Nutzbeleuchtungswirkungsgrad resultiert.
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