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Glühlampe

künstliche Lichtquelle
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Glühlampe. 230 V, 60 W, 720 lm, E27, Höhe etwa 110 mm

Die Glühlampe, auch Glühbirne, Glühfadenlampe und früher Glühlicht genannt, ist eine künstliche Lichtquelle, in der ein elektrischer Leiter durch elektrischen Strom aufgeheizt und dadurch zum Leuchten angeregt wird.

Funktionsprinzip

 
E14-40W Kugelbirne klar von Osram

In einer Glühlampe wird ein elektrischer Leiter (Glühfaden) durch Stromfluss so stark erhitzt, dass er glüht. Die aufgenommene elektrische Leistung wird in Form von elektromagnetischer Strahlung (Infrarot- und sichtbares Licht) abgestrahlt und über Wärmeleitung und Wärmekonvektion an das Füllgas abgegeben.

Der Glühfaden strahlt entsprechend dem Planckschen Strahlungsgesetz, so dass sich dessen Strahlung mit steigender Temperatur gemäß dem (Wiensches Verschiebungsgesetz) zu kleineren Wellenlängen hin verschiebt. Um eine möglichst hohe Ausbeute an sichtbarem Licht zu erhalten und auch, damit das Licht möglichst natürlich „weiß“ erscheint, strebt man danach, das Strahlungsmaximum durch Temperaturerhöhung aus dem Bereich der langwelligen Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) in den Bereich des sichtbaren Lichtes zu verschieben. Die Höchsttemperatur wird allerdings durch die Eigenschaften des Glühfadenmaterials begrenzt. Um möglichst hohe Temperaturen zu ermöglichen, verwendet man heute für Glühfäden das hochschmelzende Metall Wolfram (Schmelztemperatur (3422 ± 15) °C) (früher auch Osmium). Auch mit diesem Material lässt sich die für weißes Licht wünschenswerte Temperatur von etwa 6200 K) also nicht erreichen, da Wolfram bei dieser Temperatur bereits flüssig beziehungsweise gasförmig ist. Bei den praktisch erreichbaren Temperaturen von etwa 2300 bis 2900 °C erreicht man kein weißes Licht und auch nicht die Farbe von Tageslicht, Glühlampenlicht ist daher immer deutlich gelb-rötlicher als weißes oder Tageslicht. Diese so genannte Farbtemperatur wird auch zur Charakterisierung anderer Lichtquellen herangezogen.

Aufbau

 

Die Glühlampe besteht aus einem Befestigungssockel einschließlich der elektrischen Stromzuführungen und einem Glaskolben, der den Glühfaden und dessen Halterung vor der Außenumgebung abschirmt.

Glaskolben

In normaler Umgebungsluft würde der Glühfaden aufgrund des anwesenden Sauerstoffs und der hohen Betriebstemperaturen sofort zu Wolframoxid-Pulver verbrennen; er wird deshalb durch den Glaskolben hermetisch von der Umgebungsluft abgeschirmt. Da während des Betriebs ständig Metall vom Glühfaden abdampft, richtet sich die Größe des Kolbens im Wesentlichen nach der Sublimationsrate des Draht-Materials. Konventionelle Glühlampen bzw. Glühlampen mit hoher Leistung benötigen einen großen Glaskolben, damit sich der Niederschlag auf einer größeren Fläche verteilen kann und die Transparenz während der Lebensdauer der Lampe nicht allzu sehr einschränkt.

Schutzgas

Früher wurde der Glaskolben evakuiert. Heute sind die Glühlampen mit einem Schutzgas gefüllt. Das vereinfacht die Herstellung und reduziert die Sublimationsrate. Die bei einer Gasfüllung auftretenden Wärmeverluste durch Wärmeleitung und Konvektion begrenzt man durch die Wahl von möglichst schweren Inertgasmolekülen oder -atomen. Stickstoff-Argon-Gemische sind ein Zugeständnis an die Herstellungskosten. Teure Glühlampen enthalten Krypton oder Xenon (Molmasse bzw. Atommassen: Stickstoff (Molekül, N2): 28,0134 g/mol; Argon: 39,948 g/mol; Krypton: 83,798 g/mol; Xenon: 131,293 g/mol)

Glühfaden

 
Doppelwendel einer Glühlampe (Osram 200W) mit Stromzuführung und stromlosen Haltedrähten

Die ersten Glühlampen enthielten einen Faden aus Kohle (Sublimationspunkt: 3.550 °C). Bei der um 1900 gebräuchlichen Nernstlampe wurde der elektrolytische Leiter Zirkoniumoxid (mit Zusätzen) verwendet. Später wurde Osmium verwendet, und heute kommen fast ausschließlich Drahtwendeln aus Wolfram (Schmelzpunkt: 3.422 +/- 15 °C) zum Einsatz.

Alle in Frage kommenden Materialien sind aufgrund ihrer hohen Schmelztemperatur und ihrer Sprödigkeit schwierig zu verarbeiten.

Der Draht ist oft doppelt gewendelt, um durch eine kleine Langmuirschicht (Irving Langmuir, Nobelpreis 1932) die Wärmekonvektion zu begrenzen.

Glühlampen müssen an der angegebenen Nennspannung betrieben werden, damit die zugesicherte Lichtausbeute und Lebensdauer erreicht werden. Die Stromstärke I ergibt sich aus dem Ohmschen Gesetz (I=U/R) und der Leistungsformel P=U×I. Bei einer Leistungsaufnahme von 60 W an einer Betriebsspannung von 230 V fließt ein Betriebsstrom von 0,26 A. Der Widerstand des glühenden Drahtes beträgt dann 882 Ohm, was einen langen und dünnen Draht erfordert. Die Fadendicke für 230 V Glühlampen beträgt ca. 40-50 µm.

Aufgrund der positiven Temperatur-Widerstands-Charakteristik (Kaltleiter) fließt beim Einschalten einer Metalldrahtglühlampe ein sehr hoher Einschaltstrom (das drei- bis fünffache des Nennstromes), der die Glühwendel schnell auf die Betriebstemperatur aufheizt. Durch die Zunahme des elektrischen Widerstands bei steigender Temperatur wird der Strom dann stabil auf den Betriebswert begrenzt. Früher gebräuchliche Kohlenfadenlampen zeigten ein sanfte Zunahme der Helligkeit beim Einschalten, da erst mit steigender Temperatur genügend Ladungsträger für den Stromtransport freigesetzt werden (Heißleiter).

Bei Blinklampen ist in Serie mit dem Glühfaden ein Bimetallschalter geschaltet. Dadurch blinkt dieser Glühlampentyp selbständig.

Lampensockel

Edisonsockel

Die Form und die Bezeichnung des in Deutschland üblichen Edisongewindes als Sockel für Glühlampen geht auf Thomas Alva Edison zurück. Die Abmessungen vom Edisongewinde sind nach DIN 40400 bzw. u. A. in der IEC 60238:1998 genormt.

Übliche Edison-Gewinde sind:

DIN 40400 (mm)
Gewinde- Kennung Ø [mm] Außen Ø [mm] Kernloch Steigung Verwendung                               
E 5,5 5,5 4,9 1,00 Kleinsignallampen und Lämpchen im Modellbau (Niedervolt)
E 10 10,0 13,9 1,81 Taschenlampen und Signallampen (Niedervolt) und Glimmlampen (230 V)
E 14 14,0 12,5 2,82 Kerzenlampe (230 V), auch für Schraubsicherungen
E 16 16,0 14,7 2,50
E 18 18,0 17,0 3,00
E 27 27,0 24,5 3,62 siehe Abbildung einer Glühlampe (230 V), auch für Schraubsicherungen gebräuchlich
E 33 33,0 30,8 4,23
E 40 40,0 36,3 6,35 für Glühlampen mit mehr als 200 W Leistungsaufnahme (230 V), auch für Schraubsicherungen gebräuchlich

Daneben existieren eine Reihe weiterer Sockel:

Stecksockel

  • MG5,7S/9 Miniaturlampen, z. B. für Modellbau

Bajonettsockel

Der Bajonettsockel wird nach Joseph Wilson Swan auch als Swansockel bzw. Swanfassung bezeichnet. Er besteht aus einem glatten Metallzylinder mit zwei abisolierten Erhebungen. Zum Befestigen wird er zunächst eingeschoben und dann durch eine Drehung fixiert (Bajonettverschluss). Diese Sockelbauweise wird insbesondere an Geräten und Maschinen – etwa bei Autoscheinwerfern – verwendet, um ein Losschrauben infolge mechanischer Schwingungen bzw. Erschütterungen sicher zu vermeiden. Für Beleuchtungszwecke sind Bajonettsockel z.B. in Großbritannien und Irland, den USA, teils auch in Frankreich, gebräuchlich.

Sockelbezeichnungen für KFZ-Glühbirnen:

  • BA7s Innenraumbeleuchtung (z. B. Hintergrundbeleuchtung von Tachometer)
  • BA9s Standlicht (auch für Signalleuchten weit verbreitet)
  • BA15s Blink-, Stopp-, Rückfahr-, Nebelschluss-, Schluss- oder Kennzeichenlampe
  • BAU15s Blinkleuchten (farbige Leuchtmittel)
  • BA15d Zweifadenlampe für Brems- und Schlusslicht
  • BAX15d,BAY15d,BAZ15d: wie BA15d, jedoch mit höhen- oder gradversetzten Sockelpins

Früher hatten auch die Arbeitsplatz-Leuchten von Nähmaschinen (Singer, Pfaff) eine Bajonettfassung.

Weitere Bajonettsockel:

  • Prefokus-Sockel (mit Kragen als Anschlag)
  • P13,5 für Taschenlampen

Glasquetschsockel

Lampen mit Glasquetschsockel (engl.: wedge lamps) kommen meist als Instrumentenlampen zum Einsatz. In den letzten Jahren halten sie jedoch auch als Blinker- und Bremslicht Einzug in Kraftfahrzeuge; gebräuchliche Quetschsockelbezeichnungen sind z.B. W2x4,6d, W2,1x9,5d, W3x16d oder W3x16q.

Sockel für Halogenlampen

 
Leuchtdiodenlampe mit GU10-Sockel.
  • GX5,3 für Niedervoltreflektorlampen d = 50 mm
  • GU4 für Niedervoltreflektorlampen, Reflektordurchmesser 35 mm
  • G4 für Niedervoltstiftsockellampen, Durchmesser 9 mm
  • GY6,35 / GY6.35 für Niedervoltstiftsockellampen , Durchmesser 12 mm
  • G9 für Hochvoltstiftsockellampen
  • GU10 für Hochvoltreflektorlampen,

Pilotlämpchen

(in Form von Feinsicherungen)

  • D6,3 x L30 mm

Soffittenlampen

z. B. für Kennzeichen- und Innenraumbeleuchtung in KFZ

  • D8, L31 mm
  • D11, L39 mm
  • SV8,5-8 Soffittenlampe für Schluss-, Kennzeichen- oder Innenraumlampe

Lampensockel für Scheinwerferlampen in KFZ

  • P14,5s H1-Halogenlampe, auch für Rundumkennleuchten verwendet
  • PK22s H3-Halogenlampe
  • P43t H4-Halogen- oder Biluxzweifadenlampe
  • PX26d H7-Halogenlampe
  • PGJ19-5 H9-Halogenlampe
  •  
    H1-Lampe mit Sockel R14 5s, 12 V, 55 W
  •  
    H7-Lampe mit Sockel PX26d, 12 V, 55 W

Lichtausbeute und Lebensdauer

 
Lebensdauer und Helligkeit in Abhängigkeit von der Betriebsspannung (nicht gültig für Halogenlampen)

Fast die gesamte der Lampe zugeführten Energie wird in Strahlung umgesetzt, die Verluste durch Wärmeleitung und -konvektion sind gering. Aber nur ein kleiner Wellenlängenbereich der Strahlung ist für das menschliche Auge sichtbar. Der Hauptanteil liegt im unsichtbaren Infrarotbereich und wird als Wärme wahrgenommen. Die Lichtausbeute erreicht bei einer Glühfadentemperatur von ca. 3400 K einen Anteil von maximal ca. 15 %. Praktisch erreichbare Temperaturen liegen bei 2700 K und einem Lichtanteil von 5 %.

Mit steigender Temperatur nimmt die Lichtausbeute einer Glühlampe zu, aber die Brenndauer fällt drastisch ab. Bei 2700 K erreichen konventionelle Glühlampen eine Standzeit von ca. 1000 Stunden, bei 3400 K (Studiolampen) von nur wenigen Stunden. Wie das Diagramm rechts zeigt, verdoppelt sich die Helligkeit, wenn man die Betriebsspannung um 20 % erhöht. Gleichzeitig reduziert sich die Lebensdauer um 95 %. Eine Halbierung der Nominalspannung (zum Beispiel durch Reihenschaltung zweier gleichartiger Glühlampen) verringert demnach zwar den Wirkungsgrad, verlängert aber die Lebensdauer um mehr als das Tausendfache.

Die Lebensdauer einer Glühlampe wird oft weniger durch das gleichmäßige Abdampfen von Wendelmaterial während des Betriebs begrenzt, als durch entstehende Inhomogenitäten im Glühfaden: Der geringe Widerstand der kalten Glühwendel hat einen hohen Einschaltstrom zur Folge, der zu schnellerer und extremer Erwärmung der Wendel entlang besonders dünner, durch ungleichmäßiges Abdampfen entstandener, Stellen führen kann. Diese werden dann noch dünner und schmelzen oder verdampfen schließlich, wodurch eine Unterbrechung oder sogar eine Bogenentladung im Füllgas entsteht.

Der hohe Einschaltstrom von Metalldrahtglühlampen belastet außerdem die Zuleitungen zur Glühwendel, insbesondere bei Halogenglühlampen. Elektronische Vorschaltgeräte zur Strombegrenzung für Glühlampen (Dimmer) werden bisher selten eingesetzt.

Die Ausfallwahrscheinlichkeit von Glühlampen lässt sich durch eine Exponentialverteilung oder, mit Berücksichtigung der Historie, durch eine Weibullverteilung beschreiben.

Halogenglühlampen

 
Halogen-Glühlampe

Die Zugabe des Halogens Brom oder Iod steigert die Lebensdauer auf 2.000 bis 4.000 Stunden – bei einer Betriebstemperatur von ca. 3.000 K. Die so genannten Halogenglühlampen erreichen eine Lichtausbeute von 28 lm/W (sprich: Lumen pro Watt), im Vergleich zu ca. 15 lm/W bei 2.700 K.

Das Iod reagiert (zusammen mit Restsauerstoff) mit den vom Glühdraht verdampften Wolframatomen und stabilisiert eine wolframhaltige Atmosphäre. Der Prozess ist reversibel: Bei hohen Temperaturen zerfällt die Verbindung durch Pyrolyse wieder in ihre Elemente – Wolframatome kondensieren auf oder in der Nähe der Glühwendel. Kleine Temperaturdifferenzen entlang der Wendel spielen für die Zersetzung nur eine untergeordnete Rolle. Die Vorstellung, dass sich Wolfram ausschließlich an den dünnen überhitzten Bereichen der Wendel niederschlagen würde, ist leider falsch 1. Ein interessanter Nebeneffekt dieser Überlegung hätte darin bestanden, dass sich der Glühfaden an den dünnsten Stellen selbst reparierte. In Wirklichkeit findet die Kondensation von Wolframatomen jedoch an den kältesten Stellen der Wendel statt – es entstehen Whisker 2. Das Prinzip ist der chemische Transport, welcher sich in ähnlicher Weise auch beim Van-Arkel-de-Boer-Verfahren findet.

Der Halogenzusatz verhindert bei einer Glastemperatur von mehr als etwa 25 °C den Niederschlag von Wolfram auf dem Glaskolben. Aufgrund der wegfallenden Kolbenschwärzung kann der Glaskolben einer Halogenlampe sehr kompakt gefertigt werden. Das kleine Volumen ermöglicht einen höheren Betriebsdruck, welcher wiederum die Abdampfrate des Glühdrahtes vermindert. Hierdurch ergibt sich schlussendlich der lebensverlängernde Effekt bei Halogenlampen. Jedoch wird der Halogenprozess durch Dimmung der Halogenleuchte vermindert, da die hierfür notwendige Temperatur nicht mehr erreicht wird.

Das kleine Volumen ermöglicht zur Reduktion der Wärmeleitung die Befüllung mit schweren Edelgasen zu vertretbaren Kosten. Verunreinigungen auf dem Kolben (zum Beispiel Fingerabdrücke durch Anfassen des Glases) verkohlen im Betrieb und führen zu lokalen Temperaturerhöhungen, die zum Platzen des Glaskolbens führen können.

Die erforderliche hohe Glaskolbentemperatur erzwingt eine kleine Bauform, um die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft zu reduzieren, und den Einsatz von Kieselglas (Quarzglas), das der hohen Temperatur standhält. Gasdichte Stromdurchführungen lassen sich nur mit Molybdän-Bändern erreichen.

Aufgrund der hohen Wärmestrahlung und der hohen Lebensdauer werden Halogen-Glühlampen u.a. auch zum Verdampfen von Wirkstoffen in Vaporizern, zum Heizen der Fixierwalzen in elektrostatischen Kopiergeräten, Laserdruckern und in Thermokopiergeräten sowie bei Herdplatten und in der Halbleiterprozesstechnik (RTA) eingesetzt.

Eine neuere Entwicklung sind die IRC-Halogenlampen (IRC = Infrared Coating, Infrarotbeschichtung). Diese Lampen haben eine spezielle Beschichtung des Glaskolbens, die Licht passieren lässt, aber Wärmestrahlung (Infrarot) auf die Glühwendel zurück reflektiert. Dadurch wird der Wärmeverlust vermindert und folglich die Lichtausbeute erhöht. Nach Angaben von OSRAM können so der Energieverbrauch gegenüber Standard-Halogenlampen um bis zu 45 % vermindert und die Lebensdauer verdoppelt werden [1].

IRC-Halogenlampen erreichen damit zwar nicht die Effizienz von Energiesparlampen, haben aber den Vorteil, dass sie als direkter Ersatz für Standard-Halogenlampen eingesetzt werden können.


Andere Lichtquellen

 
Leuchtdioden in E27-Fassung mit 230 Volt.

Lichtquellen mit besseren Wirkungsgraden sind die Gasentladungslampen oder Metalldampflampen, zum Beispiel Leuchtstofflampen, die auch in ihren kompakten Formen als Energiesparlampen gebräuchlich sind.

In Entwicklung sind derzeit Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute auf Basis von Leuchtdioden, die in wenigen Jahren Glühlampen in vielen Bereichen ersetzen sollen.

Lichtquellen von begrenzter Lebensdauer ohne externe Energiequelle sind die sogenannten Knicklichter, die auf Chemilumineszenz beruhen.

Entsorgung

Glühlampen müssen ordnungsgemäß entsorgt werden. Normal- und Halogenglühlampen enthalten keine umweltbelastenden Inhaltsstoffe - sie bestehen im Wesentlichen aus Metall und Glas. Die geringen Halogenmengen in Halogenglühlampen können als unschädlich angesehen werden.

Anders ist es bei Entladungslampen wie Leuchtstofflampen, Energiesparlampen und Hochdruck-Entladungslampen, wo Quecksilber für die Lichterzeugung gebraucht wird. Diese sind nach dem amtlichen Abfallkatalog Sondermüll. Die Entsorgung von Entladungslampen aus dem Privathaushalt übernehmen die kommunalen Sonderabfall-Sammelstellen. Wichtig ist, dass die Lampen unbeschädigt dort abgegeben werden, sie können dann entsprechenden Recyclingunternehmen zugeführt werden.

Im Abfallgesetz ist festgelegt, dass der Besitzer von Abfällen zu deren Entsorgung verpflichtet ist, und die Wiederverwertung Vorrang vor sonstiger Entsorgung hat.

Siehe auch

Literatur

  • Peter Berz, Helmut Höge und Markus Krajewski (Hrsg.): Das Glühbirnenbuch. (Reihe ArtExit). Wien, 2001 [2]
Wiktionary: Glühlampe – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Glühlampe – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
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