Die Leuchtstoffröhre ist eine Niederdruck-Gasentladungslampe, die innen mit einem fluoreszierenden Leuchtstoff beschichtet ist.
Als Gasfüllung dient Quecksilberdampf (Emission von Ultraviolettstrahlung) und zusätzlich meist Argon. Die Ultraviolettstrahlung wird von der Leuchtstoff-Beschichtung in sichtbares Licht umgewandelt (siehe Spektrum weiter unten).
Geschichte
Der erste Vorläufer der modernen Leuchtstoffröhre ist die so genannte Geißlersche Röhre (benannt nach Heinrich Geißler, der sie 1857 erfand). Die Geißlersche Röhre besteht aus einer evakuierten Glasröhre mit jeweils einer Elektrode an den Enden. Die Röhre ist mit einem Gas (z.B. Neon, Argon oder auch einfach nur Luft) unter niedrigem Druck befüllt. Legt man nun eine Hochspannung an die beiden Elektroden an, so beginnt das Gas im Inneren zu leuchten. Diese Röhre wurde in den 1880er Jahren in größeren Stückzahlen produziert. Sie dienten vorwiegend nur der Unterhaltung, da sie für Beleuchtungszwecke nicht hell genug waren.
Nikola Tesla verwendete in seinem Labor die ersten Leuchtstoffröhren und hatte vor, alle Haushalte mit Leuchtstoffröhren auszustatten, die in Anwesenheit des elektromagnetischen Wechselfelds einer Teslaspule drahtlos leuchten.
1901 erfand Peter Cooper-Hewitt die Quecksilber-Dampflampe, die blaugrünes Licht ausstrahlt. Diese Lampe wurde aufgrund ihrer hohen Effizienz in der Fotografie genutzt. Die Lichtfarbe spielte bei der damaligen Schwarz-Weiß-Fotografie noch keine besondere Rolle.
Edmund Germer schlug 1926 vor, den Druck innerhalb der Röhre zu erhöhen und die Röhre mit einem Leuchtstoff zu beschichten, der ultraviolette Strahlung in sichtbares Licht umwandelt. Die Firma General Electric kauft später Germers Patent und produzierte ab 1938 Leuchtstofflampen mit kommerziellem Erfolg.
Seither haben Leuchtstofflampen große Verbreitung erfahren, 70% des künstlichen Lichtes werden mit Fluoreszenzlampen erzeugt.
Funktion
Gasentladung
Beim Starten ist eine Zündspannung erforderlich, um die Gasfüllung der Leuchtstoffröhren zu [ionisieren|Ionisation]. Dadurch wird das Gas elektrisch leitfähig. Es entsteht ein Niederdruck-Plasma, welches so lange erhalten bleibt, wie die u.a. von der Röhrenlänge und dem Gasdruck abhängige Brennspannung aufrechterhalten bleibt. Das trifft auf alle Gasentladungslampen zu.
Das Plasma weist aufgrund der Stoßionisation einen negativen differentiellen Innenwiderstand auf. Das bedeutet, dass die Spannung bei zunehmendem Strom sinkt, der Betriebspunkt ist somit instabil, die Lampe würde ohne Strombegrenzung zerstört. Deshalb müssen Leuchstofflampen, wie auch alle anderen Gasentladungslampen, mit einem Vorschaltgerät betrieben werden. Dieses besteht aus einer Induktivität (Drossel) in Reihe zur Röhre, die mit Wechselstrom betrieben wird. Der direkte Betrieb an Gleichstrom, der mit einem Stromregler prinzipiell denkbar wäre, ist aufgrund von Entmischungsvorgängen der Ionenarten in der Röhre problematisch, man benötigt daher einen Inverter, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.
Das Plasma strahlt Licht aus, wenn die Hüllenelektronen des Quecksilbers von den beschleunigten freien Elektronen angeregt werden, und dann wieder auf ein niedrigeres Energieniveau zurückfallen. Im Falle von Quecksilbergas wird überwiegend UV-Strahlung emittiert. Der Anteil des sichtbaren Lichts, welches das Plasma abstrahlt, ist eher gering.
Leuchtstoff
Um den Anteil des sichtbaren Lichts zu erhöhen, wird das Entladungsgefäß von innen mit einem Leuchtstoff beschichtet (daher der Name Leuchtstoffröhre), der im sichtbaren Spektrum zu leuchten beginnt, sobald er mit UV-Licht bestrahlt wird (in diesem Fall von innen). Der Leuchtstoff setzt einen Großteil der UV-Strahlung in sichtbares Fluoreszenzlicht um. Der Rest der ultravioletten Strahlung wird durch das Glas der Röhre weitgehend absorbiert, sodass nur unbedenklich wenig gesundheitsschädliche UV-Strahlung aus der Röhre dringt.
Der eingesetzte Leuchtstoff ist entsprechend der Lampenfarbe aus verschiedenen Leuchtstoffen zusammengesetzt. Durch das Mischungsverhältnis kann die Lichtfarbe eingestellt werden. Eine besonders gute Farbwiedergabe wird mit den sog. Fünfbanden-Leuchtstoffen erreicht. Hierbei treten nicht nur einzelne Farben auf, um den Lichteindruck „weiß“ zu erzeugen, sondern es sind breitere, aneinander grenzende Bereiche pro Leuchtstoff, sodass keine Farbe fehlt. Zu Dekorations- und Werbezwecken werden auch einfarbige Leuchtstoffröhren angeboten.
Lichtfarbe
Vielleicht der größte Nachteil von Leuchtstoffröhren ist, dass sie im Gegensatz zur Glühlampe kein kontinuierliches Farbspektrum aufweisen. Dass der Kunde die Wahl zwischen etwa einem Dutzend Farben hat, davon viele unterschiedliche Varianten von Weiß, macht ihm die Auswahl nicht einfacher. Grob teilt man die weißen Leuchtstoffröhren in warmweiß (warm white), neutralweiß (white) und tageslichtweiß (day light) bzw. kaltweiß (cool white) ein. In vielen Anwendungsfällen bilden die neutral weißen Lampen einen guten Kompromiss, die kaltweißen oder tageslichtähnlichen haben Vorteile bei gleichzeitigem Tageslichteinfall, wogegen die warmweißen sich mit Glühlampenlicht besser vertragen. Leuchtstofflampen mit Standardleuchtstoffen (sogenannte 'Halophosphate') haben neben dem Vorteil eines günstigen Preises aber den großen Nachteil einer schlechten Farbwiedergabe bei relativ geringer Lichtausbeute. Deutlich verbessert im Hinblick auf die Farbwiedergabe und den erzielten Lichtstrom sind die sogenannten 'Drei-Banden-Leuchtstofflampen'. Hierbei besteht die Leuchtstoffbeschichtung aus einer Mischung von drei Leuchtstoffen, die im roten, grünen, und blauen Bereich des sichtbaren Spektrums relativ scharfbandige Emissionen zeigen und deren Spektren sich entsprechend dem Prinzip der additiven Farbmischung in der Lampe zu weißem Licht addieren. Die beste Farbwiedergabe haben sogenannte Vollspektrum-Leuchtstofflampen - hier treten die geringsten Farbverfälschungen auf. Das Spektrum ist tageslichtähnlich und fast ebenso kontinuierlich. Dies wird durch Einsatz von mindestens vier unterschiedlichen Leuchtstoffen erreicht.
Die Farbwiedergabe von Lampen wird durch den Farbwiedergabeindex Ra beschrieben.
Die farbliche Zusammensetzung des Lichtes wird bei Leuchtstoffröhren wesentlich durch die Zusammensetzung der Beschichtung des Glases, zu einem Teil aber auch durch die primären Emissionslinien der Gasfüllung und deren Hindurchtreten durch den Leuchtstoff und das Glas bestimmt. Die Leuchtstoffbeschichtung besteht aus kristallinen Pulvern (vorwiegend anorganische Oxide), die im Falle von 3-Banden-Leuchtstoffen Spuren von zwei- oder dreiwertigen Lanthanoid-Kationen enthalten, welche je nach eingesetztem Lanthanoid und des zugrundeliegenden Wirtsgittersystems unterschiedliche Farben erzeugen. Diese Farben ergeben additiv die Leuchtfarbe der Röhre. Die Standardleuchtstoffe basieren auf dem System des sogenannten Calciumhalophosphats der allgemeinen Formel Ca10(PO4)6(F,Cl):Sb,Mn, wobei die unterschiedliche Farbtemperatur durch Variationen in der Konzentration der beiden Dotierelemente Mangan (Mn) und Antimon (Sb) erzielt wird.
Die Farbtemperatur ist auch abhängig von der Raumtemperatur. Gewöhnliche Leuchtstoffröhren sind für eine Raumtemperatur von etwa 20 °C ausgelegt, bei dieser Raumtemperatur erwärmen sie sich auf knapp 35 °C. Wird diese Temperatur wesentlich unterschritten, beginnt das Argon stärker zu leuchten, und die Leuchtstoffröhre sendet mehr infrarotes Licht aus. Für Anwendungen im Außenbereich und in Kühlanlagen gibt es spezielle Leuchtstoffröhren für niedrige Umgebungstemperaturen.
Die Lichtfarbe der Lampen ist für die Raumqualität mit von Bedeutung. Auch die Lichtfarben sind den verschiedenen Arbeitsaufgaben bzw. Arbeitsstätten zugeordnet. Weißes Licht ist gemäß DIN 5035 in drei Farbtemperaturbereiche eingeteilt:
| Abkürzung | Bezeichnung | Farbtemperatur | Anwendung |
|---|---|---|---|
| ww | warmweiß / warm white | < 3300 K | Konferenz- u. Büroräume, Gasträume, Wohnräume |
| nw | Neutralweiß / cool white | 3300 K bis 5300 K | Schulen, Büros, Werkstätten, Ausstellungsräume |
| tw | Tageslicht / day light | > 5300 K | Tageslichtersatz in geschlossenen Räumen und für technische Anwendungen |
Die Farbe nw wird am häufigsten ausgewählt. In einem Raum sollte stets die gleiche Lichtfarbe eingesetzt werden.
Die Hersteller Osram und Philips nutzen ein Farbnummernsystem mit 3stelligen Zahlen, bei denen die erste die Farbwiedergabequalität angibt. Eine 8 bedeutet Ra=80-89. Eine 9 bedeutet Ra=90-100. Die beiden letzten Ziffern bezeichnen - wenn man sie um 2 Nullen verlängert - die Farbtemperatur in Kelvin. Für den Wohnbereich kann z.B. die Farbnummer 827 oder 930 gewählt werden. Im Büro ist 840 üblich, wobei 854, 865 oder gar 880 laut einiger Studien zu gesteigerter Leistungsfähigkeit führen sollen, da tageslichtähnlicher und mit entsprechend mehr Blau-Anteil. Osram bietet hier eine Übersicht der Farbnummern bei Leuchtstofflampen zum Download an. Die fast ideale Wohnzimmer-Farbe 927 wird von Osram jedoch leider (noch) nicht angeboten.
Farbige Leuchtstofflampen und Leuchtröhren
Leuchtstofflampen und Energiesparlampen werden u.a. zu Dekorationszwecken auch einfarbig (rot, gelb, grün, blau) angeboten. Das wird durch Variationen des fuoreszierenden Leuchtstoffes erreicht.
Auch die sogenannten „Schwarzlichtlampen“ arbeiten mit einem Leuchtstoff (Europium-dotiertes Strontium-Fluorborat oder -Tetraborat für 370 nm bzw. Blei-dotiertes Bariumsilikat für 350 nm), um die in UV-B liegende Quecksilberlinie in den UV-A-Bereich zu konvertieren. Diese Lampen haben ein mit Nickeloxid dotiertes Glasrohr, um sichtbares Licht >400 nm zu absorbieren.
Farbige Leuchtröhren werden wie Leuchtstofflampen angeregt. Es gibt sowohl Kaltkathoden- als auch Heißkathodenröhren für verschiedene Farben. Die Farben werden durch die Gasfüllung, meist jedoch durch unterschiedliche Leuchtstoffe wie bei einer Leuchtstoffröhre erreicht.
Die Neonröhre arbeitet im Gegensatz zu Leuchtstofflampen mit einer Neon-Füllung und leuchtet rot-orange. Sie ist daher keine Leuchstoffröhre, sondern hat einen unbeschichteten klaren oder rot getönten Glaskolben. Neonröhren werden zum Beispiel in der Lichtwerbung (Leuchtreklame) und zur Befeuerung hoher Bauwerke verwendet.
Einteilung
Man unterscheidet zwischen so genannten Heißkathodenröhren (Leuchtstofflampen im engeren Sinne) und Kaltkathodenröhren (Leuchtstoffröhren oder CCFL von engl. cold cathode fluorescent lamp).
Heißkathodenröhren
Bei den Heißkathodenröhren (Leuchtstofflampen, Energiesparlampen) ist an den Enden jeweils ein Heizdraht eingebaut. Eine geeignete Beschichtung reduziert die Austrittsarbeit der Elektronen, damit der Heizdraht bei moderaten Temperaturen genügend Elektronen emittiert. Beim Startvorgang werden zunächst beide Elektroden von Strom durchflossen, um sie zu heizen. Dann wird durch die Starteinrichtung zwischen den Elektroden die eigentliche Betriebsspannung freigegeben. Es ist eine Wechselspannung, daher wirken beide Elektroden jeweils eine halbe Periode lang abwechselnd als Anode (Positive Elektrode) bzw. Kathode.
Diese Entladungs-Spannung beschleunigt die Elektronen, die sich um den Kathodenheizdraht angesammelt haben, im elektrischen Feld in Richtung Anode. Bei ihrem Flug durch die Röhre stoßen die Elektronen mit den Quecksilberatomen zusammen. Dabei wird das Gas ionisiert (Stoßionisation), und es entsteht ein Plasma innerhalb der Glasröhre.
Durch Ionen- und Elektronenbeschuss der Elektroden wird nun die Erwärmung der Kathoden durch den Entladungsstrom selbst aufrechterhalten, und der Heizstrom durch die Kathoden ist nicht weiter erforderlich.
Heißkathodenröhren ohne Leuchtstoff werden vorwiegend zur Entkeimung von künstlich angelegten Gewässern und Trinkwasser verwendet, da sich die UV-Strahlung besonders gut zum Abtöten von Kleinstlebewesen eignet. Dazu muss die Röhre aus Quarzglas gefertigt sein. Eine weitere Anwendung ist das Löschen von EPROMs. Für die Verwendung in Solarien oder in Diskotheken werden Glassorten eingesetzt, welche die Emission des krebserregenden UV-B- und UV-C-Anteils auf ein zulässiges Minimum reduzieren.
Sogenannte Schwarzlichtröhren sind außerdem mit Nickeloxid beschichtet, welches den sichtbaren Teil des Quecksilber-Spektrums absorbiert und nur den Ultraviolettanteil (UV-A) spezieller Leuchtstoffe austreten lässt (Verwendung in Diskotheken, in der Mineralogie und im Schwarzen Theater).
Auch Kompaktleuchtstofflampen bzw. sogenannte „Energiesparlampen“ sind Heißkathodenröhren.
Niederdruck-Natriumdampflampen sind ähnlich wie Heißkathoden-Leuchtstoffröhren aufgebaut, jedoch ohne Leuchtstoff und mit Natrium statt des Quecksilbers. Sie haben noch höhere Lichtausbeute als Leuchstofflampen, jedoch wegen des hohen Gelb-Anteils eine sehr schlechte Farbwiedergabe.
Auch Kompaktleuchtstofflampen und sogenannte Energiesparlampen, haben heiße Oxidkathoden.
Zündung und Betrieb mit konventionellem Vorschaltgerät (KVG)
KVG bestehen aus einer Netz-Drossel (Drosselspule für 50 Hz), zusätzlich ist ein Starter erforderlich. Er ist nahe der Lampe oder bei manchen Kompaktleuchtstofflampen in dieser integriert.
Drossel
Die Drossel, in Reihe zur Röhre geschaltet, hat die Aufgabe, die zur Zündung der Röhre erforderliche Spannung zu erzeugen und im Betrieb den durch die Röhre fließenden Strom zu begrenzen. Die Drosselspule wird auch als „Konventionelles Vorschaltgerät“ (KVG) bezeichnet. Sie hat bei einer 58W-Röhre eine Verlustleistung von ca. 12W. „Verlustarme Vorschaltgeräte“ (VVG) sind eine (selten anzutreffende) Weiterentwicklung mit ca. 5W Verlustleistung.
Starter
Das Bild rechts zeigt einen geöffneten Starter, links das Gehäuse, rechts ein Streichholz zum Größenvergleich. Der Starter leitet die Zündung der Lampe ein. Er ist parallel zur Röhre angeschlossen und enthält in seiner traditionellen Ausführung eine Glimmlampe, deren Elektroden als Bimetallstreifen (siehe Bild rechts) ausgeführt sind. Parallel zur Glimmlampe liegt ein Entstörkondensator, im Bild rechts neben der Glimmlampe zu sehen.
Sicherungsschnellstarter (Osram ST171, ST172, Philips SiS10) lösen nach mehreren erfolglosen Zündversuchen (ca. eine Minute) eine integrierte mechanische Sicherung (zweiter Bimetall) aus, welche durch Drücken eines (meist roten) Knopfes wieder zurückgestellt werden kann.
Als Alternative sind mittlerweile auch elektronische Starter für Leuchtstofflampen auf dem Markt. Deren Schaltung sorgt für einen schonenden, die Lebensdauer der Lampe verlängernden Startvorgang und eine Deaktivierung bei Defekt. Der Startvorgang eines elektronischen Starters kann auf zwei verschiedene Weisen ablaufen. Die häufigere Methode ist das Vorheizen der Kathoden durch Gleichstrom mit niedriger Spannung. Die Kathoden glühen dabei leicht auf. Nach einer kurzen Zeit von 1-3 Sekunden (abhängig vom Modell) öffnet der Starter (idealerweise im Strommaximum), wodurch eine hohe Induktionsspannung in der Drossel entsteht, welche die Röhre zündet.
Die zweite, seltenere Methode verlängert die Lebensdauer der Lampe gegenüber einem herkömmlichen Starter nicht erheblich. Dabei wird der Netzstrom mit relativ hoher Spannung auf die Kathoden geleitet, um diese schnell vorzuheizen. Die Lampe wird dadurch innerhalb weniger als einer halben Sekunde gezündet. Ein weiterer Nachteil dieser Methode ist die Belastung der Drossel: Ist diese auf Metall montiert, so ist während der Startphase ein lautes Brummen zu hören.
Hat eine Röhre nach dem Startvorgang nicht gezündet, ist sie meist defekt. Da keine weiteren Startversuche unternommen werden, flackert die Röhre am Ende ihrer Lebensdauer nicht ständig weiter, wie es bei einem konventionellen Starter der Fall ist.
Startvorgang
Bild 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Leuchtstoffröhre, angeschlossen an einen Bimetallstarter und eine Drosselspule. Der Startvorgang geht hier wie folgt vor sich: Nach dem Einschalten liegt, da durch die Röhre noch kein Strom fließt, die volle Netzspannung am Starter an. Die Glimmlampe des Starters zündet (siehe Bild 2).
Der Bimetallstreifen erwärmt und verbiegt sich, so dass beide Kontakte kurzgeschlossen werden. Nun fließt ein großer Strom durch die Heizwendeln in der Leuchtstoffröhre und die Drosselspule. Die Wendeln beginnen zu glühen und senden Elektronen aus, die das Gas in der Röhre mit Ladungsträgern anreichern (siehe Bild 3).
Die nun fehlende Glimmentladung im Starter lässt das Bimetall abkühlen, wodurch sich der Bimetallkontakt wieder öffnet. Da die Glimmlampe und die noch nicht gezündete Leuchtstoffröhre einen hohen Widerstand besitzen, fällt der Strom in der Drosselspule schnell ab, und durch Selbstinduktion entsteht kurzzeitig eine hohe Spannung, die das mit Ladungsträgern angereicherte Gas in der Röhre zündet (siehe Bild 4). Der Strom fließt nun durch das ionisierte Gas in der Röhre.
Da die Röhre mit Wechselstrom betrieben wird, kann es geschehen, dass beim Öffnen des Bimetallkontakts der momentane Strom in der Drossel zu niedrig ist, um die nötige Zündspannung aufzubauen. Dann beginnt der Startprozess von vorn, indem die Glimmentladung wieder zündet und den Bimetall erwärmt. Deshalb verläuft der Start meist etwas unregelmäßig, und die Röhre flackert oft ein- oder zweimal auf, bevor sie startet.
Nach der Zündung teilt sich die Betriebsspannung an Röhre und Drossel so auf, dass eine ausreichende Spannung (zwischen 50 V und 110 V) erhalten bleibt, um die Röhre am Leuchten zu halten. Für die Glimmlampe im Starter ist sie zu niedrig, eine weitere Zündung unterbleibt. Diese Spannung reicht nun aus, um nach jeder Richtungsumkehr des Stroms einen weiteren Zündvorgang auszulösen, da das Gas genügend ionisiert ist und die Elektroden erwärmt sind.
Betrieb mit elektronischem Vorschaltgerät (EVG)
Die Anordnung aus konventionellem Vorschaltgerät und Starter kann durch ein elektronisches Vorschaltgerät ersetzt werden. Das Bild zeigt den Aufbau für eine Kompaktleuchtstofflampe („Energiesparlampe“). Zusammen mit dem Siebkondensator (Elektrolytkondensator, großer aufrecht stehender Zylinder) erzeugt der Gleichrichter (kleines schwarzes Bauteil mit dem Aufdruck „+ -“ über dem Kondensator) eine Gleichspannung. Die beiden aufrecht stehenden Bipolartransistoren links vom Siebkondensator wandeln sie in eine hochfrequente Wechselspannung um, die einen LC-Reihenschwingkreis (Drossel mit dem Aufdruck „3.5 mH“ und einer der Kondensatoren in den rechteckförmigen Plastikgehäusen) mit der Leuchtstofflampe als Last treibt. Der kleine Transformator, bestehend aus einem Ferritkern mit 2x3 und 1x5 Windungen, dient zur Steuerung der Halbbrücke aus den beiden Transistoren. Ins Lampengehäuse integrierte EVGs enthalten üblicherweise eine eingebaute Sicherung.
Die Zündung der Leuchtstofflampe erfolgt nach vorheriger Vorheizung durch die Einstellung der Taktfrequenz der Halbbrücke auf einen Wert, der den Reihenschwingkreis in dessen Resonanz steuert, was zu einer hohen Spannung über der Lampe führt, die die Leuchtstofflampe schließlich durchzünden lässt. Nach der Zündung fällt die Impedanz der Lampe auf ihren Betriebswert, wodurch sich an der Lampe Betriebsspannung einstellt.
Als Vorteile gegenüber dem konventionellen Vorschaltgerät ergeben sich, je nach Bauform:
- fast keine Blindleistung
- geringere Verlustleistung in Vorschaltgerät und Lampe (Ersparnis bis zu 30 %)
- zuverlässiger und schneller Start
- flimmerfreier Betrieb ohne Stroboskopeffekt, daher auch an rotierenden Maschinen einsetzbar
- Fehlererkennung und Abschaltung bei defekter Lampe
- geringere Geräuschentwicklung (kein Netzbrummen)
- adaptive Spannungsanpassung, z.B. 154...254 V DC bei Notstrombetrieb und 220...240 V AC bei normaler Netzverfügbarkeit.
- Betrieb mit Niedervolt-Gleichstrom (zum Beispiel 24 oder 12 V). Diese EVG können an Batterien betrieben werden. Das eignet sie für den Einsatz in Fahrzeugen, auf Booten oder etwa im Kleingarten.
Die Wirkverlustleistung ist ca. 4...6 W bei einer 58-Watt-Leuchtstofflampe, der Preis ist im Vergleich zum konventionellen Vorschaltgerät höher. Die Energieeinsparung begründet sich zum Teil damit, dass die hohe Frequenz der Wechselspannung (zwischen 10 und 100 kHz) den ionisierten Atomen weniger Zeit lässt, um sich mit den freien Elektronen zu rekombinieren. Die Leitfähigkeit des Plasmas nimmt daher in den Pausen während des Nulldurchgangs der Spannung weniger stark ab, als bei den 50 Hz Netzfrequenz der konventionellen Vorschaltgeräte. Dieser Effekt wird als HF-Gewinn bezeichnet. Das Nachleuchten der fluoreszierenden Leuchtstoffschicht trägt ebenfalls dazu bei, die Dunkelphase beim Nulldurchgang der Spannung zu reduzieren.
Zur Beurteilung des Energieverbrauchs werden EVG wie andere elektrische Verbraucher in Energieeffizienzklassen des Energie-Effizienz-Index (EEI) eingeteilt. Der EEI berücksichtigt sowohl die Leistungsaufnahme des EVG als auch die Lichtausbeute der Lampe. Innerhalb dieser Klassifizierung erreichen gute EVG die Klasse „A2“. Der Wirkungsgrad eines EVG kann bis zu 95 % erreichen.
Dimmbare EVG können den Lampenstrom variieren, um so eine Helligkeitsregelung (z.B. 3 % bis 100 % Helligkeit) der Lampe zu erreichen. Bei geringerer Helligkeit ist die Leistungsaufnahme des EVG gleichsam niedriger, wodurch dimmbare EVG unter Umständen in die EEI-Klasse „A1“ eingeteilt werden können.
Kaltkathodenröhren
Kaltkathodenröhren (auch CCFL von eng. cold cathode fluorescent lamp) sind prinzipiell genauso aufgebaut wie die Heißkathodenröhren, nur dass hier keine Heizdrähte vorhanden sind - die Elektroden bestehen stattdessen aus Blechhülsen.
Bei diesen Röhren kann der Elektronenfluss zwischen Kathode und Anode nur durch eine gegenüber Heißkathodenlampen höhere Spannung erreicht werden. Auch die Zündspannung ist höher. Grund ist der sog. Kathodenfall - unmittelbar an den Kathoden ist eine hohe Feldstärke nötig, um Elektronen daraus zu lösen. Das führt gegenüber Leuchtstofflampen zu einem geringeren Wirkungsgrad, vermeidet jedoch die Heizung und Beschichtung der Elektroden, wodurch die Lebensdauer erheblich höher ist. Siehe auch Kaltkathode.
Kaltkathodenröhren werden für Leuchtreklame und als Hintergrundbeleuchtung (backlight) von Flüssigkristallbildschirmen (LCD) eingesetzt.
Vorschaltgerät
Kaltkathodenröhren für Netzbetrieb wurden früher mit Streufeldtransformatoren betrieben, die einerseits die hohen erforderlichen Betriebsspannungen (5…10 kV) zum Betrieb oft mehrerer, in Reihe geschalteter Röhren erzeugten und andererseits durch deren Streuinduktivität ähnlich einer Drossel den Betriebsstrom begrenzten.
Heute und bei Gleichstrombetrieb (z.B. Notebook) werden Inverter eingesetzt, die die hohen Spannungen auf elektronischem Wege erzeugen. Es gibt Inverter mit Ferrit-Transformator und solche mit Piezo„transformatoren“. Letztere arbeiten nach dem Piezoeffekt und sind für Notebooks entwickelt worden.
Effizienz
Leuchtstoffröhren erreichen eine Lichtausbeute von etwa 50…100 Lumen pro Watt (zum Vergleich: normale Glühlampe: ca. 15 lm/W) und haben somit eine hohe Energieeffizienz, die nur von Natriumdampflampen - allerdings bei schlechterem Farbwiedergabeindex - übertroffen wird.
Leuchtstofflampen sparen somit gegenüber Glühlampen 75 bis 80% Energie ein. In Messeinrichtungen werden neue Leuchtstoffröhren erst 100 - 200 Stunden gealtert, die eigentliche Messung erfolgt erst nach etwa 10-20 Minuten (je nach Typ) nach dem Einschalten.
Alle Leuchtstofflampen erreichen erst einige Zeit nach dem Einschalten ihre volle Leuchtkraft. Besonders deutlich ist dieser Effekt bei Kompaktleuchtstofflampen (z. B. Energiesparlampen) zu beobachten, da diese ihren höheren Betriebsdruck erst nach Erwärmung erreichen.
Der etwa 4-fach bis 6-fach höhere Lichtausbeute der Leuchtstoffröhre gegenüber der Glühlampe steht ein erheblich höherer Anschaffungspreis gegenüber.
Der Vergleich lässt sich besonders gut bei Energiesparlampen anstellen, die direkt in eine Glühlampenfassung hineingeschraubt werden können. Dabei kann für gleichen Lichtstrom eine 60 Watt Glühbirne durch eine 12 Watt Energiesparlampe ersetzt werden. Während der Anschaffungspreis für eine Glühbirne bei unter 1 Euro liegt, muss man für die Energiesparlampe etwa 5 Euro ausgeben.
Bei 10.000 Betriebsstunden würde eine 60 Watt Glühlampe eine Energie von 600 kWh verbrauchen. Bei einem Stromtarif von 0,17 Euro/kWh sind das Stromkosten von 102 Euro. Für diese Betriebsdauer müssen 10 Glühlampen zu 1 Euro angeschafft werden, ausgegangen von einer durchschnittlichen Lebensdauer von 1000 Betriebsstunden für eine Glühlampe. Als Gesamtkosten fallen also 102 + 10 = 112 Euro an.
Die vergleichbare 12 Watt Energiesparlampe verbraucht in der gleichen Zeit nur eine Energie von 120 kWh oder 20,40 Euro Stromkosten. Wegen der weit höheren Lebensdauer braucht für die gesamte Betriebsdauer von 10000 Stunden nur eine Energiesparlampe zu etwa 5 Euro angeschafft zu werden. Als Gesamtkosten entstehen rund 25 Euro. Die Energiesparlampe amortisiert sich gegenüber 60 Watt Glühlampen zu 1 Euro bereits nach 490 Betriebsstunden. Bei höherem Stromtarif fallen die Relationen für die Energiesparlampe noch günstiger aus.
Lebensdauer
Leuchtstoffröhren zeichnen sich durch eine sehr lange Lebensdauer aus, die durch die Adsorption des Quecksilbers an den Lampenkomponenten, durch Degradation des Leuchtstoffes und - bei Heißkathodenröhren - durch die Lebensdauer der Glühkathoden begrenzt ist.
Eine normale Leuchtstofflampe (Osram Lumilux T5, 14-80W) erreicht eine Nutzleuchtdauer von 18.000 Stunden. Eine Kompaktleuchtstofflampe erreicht eine Nutzleuchtdauer von meist zwischen 5.000 und 15.000 h (zum Vergleich: konventionelle Glühlampen haben eine Lebensdauer von etwa 1.000 Stunden). Nach dieser Zeit sollten die Röhren ausgetauscht werden, da sie weniger als 80% des ursprünglichen Lichtstromes aussenden. In dieser Zeit haben sich diese Lampen allerdings durch die reduzierten Stromkosten mehrfach bezahlt gemacht. Neuere Leuchtstoffe erlauben einen Betrieb bis zum Versagen der Kathoden, da sie dann noch 80 % des ursprünglichen Lichtstromes liefern.
Leuchtstofflampen (heiße Kathode) eignen sich nur bedingt für wiederholte Schaltvorgänge und kurze Brenndauern unter 10 Minuten, eine solche Betriebsweise verschleißt die Kathoden. Eine Ausnahme bilden neuere Typen von Energiesparlampen, die durch eine Steuerung der Vorheizphase statt für wenige 10.000 für mehrere 100.000 Schaltvorgänge ausgelegt sind.
Kompaktleuchtstofflampen mit integriertem Vorschaltgerät (sog. Energiesparlampen) versagen häufig durch Ausfälle des elektronischen Vorschaltgerätes; dieses ist sehr empfindlich gegenüber erhöhten Umgebungstemperaturen, was besonders in geschlossenen Leuchten zu Frühausfällen führt.
„Flimmern“ und Stroboskopeffekt
Bedingt durch die 50 Hz Wechselspannung erlischt das Lampenlicht bei konventionellen Vorschaltgeräten im Bereich eines jeden Nulldurchganges. Es entstehen Hell-Dunkel-Phasen im 100-Hz-Rhythmus („Flimmern“), die Stroboskopeffekte hervorrufen können, welche sich bei schnellen Bewegungen bemerkbar machen oder bei rotierenden Arbeitsmaschinen eine langsame oder stehende Maschine vortäuschen können.
Das menschliche Auge ermüdet durch das Flimmern nachweislich schneller.
Abhilfe bietet die Duoschaltung oder bei großen Anlagen die Versorgung mit 3-Phasen-Wechselstrom (Drehstrom), wodurch mehrere Lampen ihr Licht phasenverschoben abgeben.
Auch elektronische Vorschaltgeräte liefern nahezu flimmerfreies Licht, da sie die Röhre mit Wechselstrom einer höheren Frequenz betreiben, um einerseits den Stroboskopeffekt zu mindern und andererseits die Baugröße der Drossel zu verringern.
Energiesparlampen haben heutzutage meist ein elektronisches Vorschaltgerät integriert und flimmern daher kaum.
Recycling
Das Quecksilber in Leuchtstoffröhren ist giftig für Mensch und Umwelt, die Beschichtung der Röhre ebenfalls. Zudem sind die verwendeten seltenen Elemente relativ teuer und können zurückgewonnen werden, weshalb ausgediente Leuchtstoffröhren unbedingt zu einem Händler gebracht werden sollten, der auch solche verkauft. Alternativ können die Röhren in größeren Recyclinghöfen zurückgegeben werden. Das gilt zumindest für die Schweiz, Österreich und Deutschland. Leuchtstoffröhren sind Sondermüll und dürfen nicht über den Hausmüll oder den Altglas-Container entsorgt werden.
„Elektrosmog“ und elektromagnetische Verträglichkeit
Grundsätzlich müssen Leuchtstoffröhren und die für diese konstruierten Leuchten, wie alle anderen im Handel erhältlichen elektrischen Geräte, Grenzwerte der elektromagnetischen Verträglichkeit erfüllen. Dies wird durch das auf den Geräten angebrachte CE-Kennzeichen dokumentiert. Damit sind Störaussendungen auf ein Maß begrenzt, bei dem eine Beeinträchtigung anderer Geräte hinnehmbar (weil gering oder kurzzeitig) ist.
Die nachfolgend aufgelisteten Störungen sind möglich:
- Leuchtstoffröhren mit elektronischem Vorschaltgerät erzeugen durch den darin befindlichen Inverter breitbandige hochfrequente Strahlung, die von der Lampe und deren Zuleitungen abgestrahlt werden. Maßgeblich sind dabei die Arbeits-Frequenzen von meist knapp unterhalb 50 kHz sowie deren Oberwellen (Harmonische).
- Auch Leuchtstofflampen mit konventionellem Vorschaltgerät geben ein breitbandiges Störspektrum im Bereich des AM-Rundfunks ab. Gestört werden können unter anderem Rundfunkempfänger für amplitudenmodulierte Sendungen auf Lang-, Mittel- und Kurzwelle.
- Störend kann sich der Startvorgang konventioneller Leuchstofflampen auch auf Audioanlagen auswirken - der generierte breitbandige Störimpuls breitet sich auf den Netzleitungen aus und gelangt meist kapazitiv auf verschiedenen Wegen in Signalzuleitungen und Verstärker. Die wirksamste Maßnahme dagegen und auch gegen die breitbandigen Störungen im Betrieb ist die sog. Nahentstörung in der Leuchte (Kondensator im Glimmstarter) oder ein Netzfilter vor der Leuchte oder den gestörten Verbrauchern.
- Durch das 50-Hz-Magnetfeld konventioneller Drossel-Vorschaltgeräte können Bildschirme mit Kathodenstrahlröhre (CRT) gestört werden.
- Gelegentlich stört EVG-erzeugtes Licht die IR-Empfänger (Fernsteuerung) von Unterhaltungsgeräten, da deren Arbeitsfrequenzen ähnlich sind.
Elektrosmog ist ein pseudowissenschaftlicher Begriff, der nichtionisierende Strahlung (Funkwellen) und elektrische sowie magnetische Felder und deren unterstellte gesundheitliche Beeinträchtigungen umfasst. Insbesondere konventionelle Vorschaltgeräte erzeugen ein magnetisches Streufeld mit einer Frequenz von 50 Hz. Gesundheitliche Auswirkungen sind jedoch weder belegt noch anzunehmen.
Standardisierung
Der Röhrendurchmesser von Leuchtstofflampen ist standardisiert: T2 = 7 mm, T3 = 9 mm, T4 = 13 mm, T5 = 16 mm, T8 = 26 mm, T9 = 30 mm, T12 = 38 mm.
Die Zahl nach dem Buchstaben „T“ steht dabei für Achtel Zoll (engl. inch). Eine T5-Röhre hat also einen Durchmesser von 5/8 Zoll, was etwa 16 mm entspricht.
Standardlängen von Leuchtstofflampen (gerade Form):
T5: 14 W/24 W = 549 mm, 21 W/39 W = 849 mm, 28 W/54 W = 1149 mm, 35 W/49 W/80 W = 1449 mm
T8: 18 W = 589,8 mm, 36 W = 1199,4 mm, 58 W = 1500 mm
Daneben findet man runde und U-förmige Röhren.
Irrtümer
Leuchtstofflampen werden im Volksmund oft als Neonröhren bezeichnet, obwohl sie kein Neon, sondern Quecksilberdampf und als Edelgas das wesentlich häufigere und billigere Argon enthalten.
Eine ebenso verbreitete unzutreffende Annahme ist, dass Leuchtstofflampen beim Einschalten viel Energie verbrauchen würden. Richtig ist, dass kurzzeitig ein Einschaltstrom fließt, der höher als im Betrieb ist. Der Energieinhalt ist jedoch unbedeutend - die zum Start notwendige Energie ist sehr gering - der Startvorgang ist nur Sekundenbruchteile lang und die aufgenommene Wirkleistung ist dabei oft sogar geringer als im Betrieb.
Bei Ausschaltdauern unter ca. 10 Minuten wiegt jedoch, vor allem bei billigen und älteren Modellen, die dadurch auftretende Lebensdauerkürzung die eingesparten Energiekosten auf (früherer Neukauf).
Siehe auch
- Lichtausbeute
- Leuchte
- Kompaktleuchtstofflampe (z. B. Energiesparlampen)
- Metalldampflampe
- Glühlampe
- Energieeinsparung
- Wirkungsgrad
- Vorschaltgerät
Weblinks
- Technisches zu Gasentladungslampen
- Wissenswertes zum Einsatz von Leuchtstofflampen in Büros, etc.
- Osram-Servicecorner - Erklärungen zur Leuchtstofflampe
- Philips-Licht Deutschland Online-Schulung, sehr umfassend
- Welche Farbcodes bedeuten was? - Erklärung der Farbcodes