Leuchtstofflampe

Die Leuchtstoffröhre ist eine Gasentladungslampe, die innen mit einem fluoreszierenden Leuchtstoff beschichtet ist. Als Leuchtmittel ist eine geringe Menge Quecksilber in der Röhre, welche hauptsächlich ultraviolettes Licht abstrahlt. Dieses wird von der Beschichtung in sichtbares Licht umgewandelt.

Leuchtstoffröhren werden im Volksmund oft fälschlicherweise als Neonröhren bezeichnet, obwohl sie kein Neon, sondern Argon enthalten. Eine ebenso verbreitete falsche Annahme ist, dass Leuchtstofflampen beim Einschalten so viel Energie verbrauchen würden wie bei einem mehrstündigen Betrieb. Leuchtstoffröhren zeichnen sich durch eine sehr lange Lebensdauer aus, die durch die Adsorption des Quecksilbers an den Lampenkomponenten und durch die Lebensdauer der Kathoden begrenzt ist.

Leuchtstoffröhren haben eine hohe Lichtausbeute von ca. 80 lm/W (sprich: Lumen pro Watt; zum Vergleich: Glühlampe: weniger als 20 lm/W) und damit einen niedrigeren Energiebedarf. Die neue Generation von Leuchtstoffröhren des Typs T5 kommen sogar auf bis zu 104 lm/W. Leuchtstofflampen sparen somit gegenüber Glühlampen 75 bis 80% Energie ein.

Eine normale Leuchtstofflampe (Osram Lumilux T5, 14-80W) erreicht eine Nutzleuchtdauer von 18.000 Stunden. Kompaktleuchtstofflampen erreichen eine Nutzleuchtdauer von maximal 6.000 h (zum Vergleich: konventionelle Glühlampen haben eine Standzeit von etwa 1.000 Stunden). Nach dieser Zeit sollten die Röhren ausgetauscht werden, da sie weniger als 80% des ursprünglichen Leuchtstromes aussenden. In dieser Zeit haben sich die Lampen allerdings durch die reduzierten Stromkosten mehrfach bezahlt gemacht.

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 evakuieren 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.

1901 erfand Peter Cooper Hewitt die Quecksilber-Dampflampe, die blaugrünes Licht ausstrahlt. Diese Lampe wurde aufgrund ihrer hohen Effizienz in der Fotographie genutzt. Die Lichtfarbe spielte bei der damaligen Schwarz-Weiß-Fotographie 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. (Quelle: Osram-Homepage)

Einteilung

Im Allgemeinen unterscheidet man zwischen so genannten Heißkathodenröhren und Kaltkathodenröhren.

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 Betriebs-Spannung 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 Elektronenbombardement auf die Elektroden wird nun die Erwärmung der Kathoden durch den Entladungsstrom selbst aufrechterhalten und der Stromdurchfluss durch die Heizdrähte der Kathoden ist nicht weiter erforderlich.

Das Plasma strahlt Licht aus, im Falle von Quecksilbergas überwiegend UV-Strahlung. Der Anteil des sichtbaren Lichts, welches das Plasma abstrahlt, ist eher gering. Um den Anteil des sichtbaren Lichts zu erhöhen, wird die Röhre 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 Licht um, was den positiven Nebeneffekt hat, dass der Anteil UV-Strahlung, der aus der Röhre kommt, sehr gering ist und daher keine gesundheitsschädliche Wirkung mehr hat. Der eingesetzte Leuchtstoff muss allerdings nicht zwangsläufig weiß leuchten. Die Industrie bietet praktisch jede beliebige Farbe an.

Röhren ohne Leuchtstoff werden vorwiegend zur Entkeimung von künstlich angelegten Gewässern verwendet, da sich harte, nahezu ungefilterte UVC-Strahlung besonders gut zum Abtöten von Kleinstlebewesen eignet. Für die Verwendung in Solarien oder in Discotheken werden Glassorten eingesetzt, welche die Emission des krebserregenden UV-B- und UV-C-Anteils auf ein zulässiges Minimum reduzieren.
Sog. Schwarzlichtröhren sind außerdem mit Nickeloxid beschichtet, welches den sichtbaren Teil des Quecksilber-Spektrums absorbiert und nur den Ultraviolettanteil austreten lässt.

Energiesparlampen

Auch die so genannten Energiesparlampen sind Leuchtstofflampen (so genannte Kompaktleuchtstofflampen). Die Röhre, in der sich das Plasma ausbreitet, ist bei diesen Lampen oft mehrfach gebogen, um sie platzsparender unterzubringen.

Kompaktleuchtstofflampen gibt es in verschiedenen Ausführungen:

Mit Edison-Schraubgewinde (E14, E27), um direkt in einer 230 V Lampenfassung betrieben zu werden. Hier befindet sich das für den Betrieb erforderliche Vorschaltgerät im Sockel der Lampe und kann konventionell oder elektronisch ausgelegt sein. Diese Ausführung kann als direkter Ersatz für eine Glühlampe verwendet werden. Nachteil ist der etwas höhere Preis und der ökologische Aspekt, da hier das Vorschaltgerät untrennbar mit dem Leuchtmittel verbunden ist und die Einheit nur als Ganzes entsorgt werden kann.

Mit Stecksockel und zwei Stift-Kontakten. Zwischen den beiden Kontakten am Sockel befindet sich ein länglicher, quaderförmiger Block aus Kunststoff der den Starter (einfacher Glimmzünder mit Entstörkondensator) enthält. Die Leuchte, in die dieses Leuchtmittel eingesteckt wird, benötigt für den Betrieb nur ein Vorschaltgerät, z.B. eine normale Drosselspule. Der Starter ist fest in der Lampe integriert und wird bei jedem Leuchtmittelwechsel automatisch mit ausgetauscht. Diese Ausführung ist relativ kostengünstig. Die Schaltung entspricht elektrisch dem Betrieb einer Leuchtstofflampe mit konventionellem Vorschaltgerät. Elektronische Vorschaltgeräte können gelegentlich zu Startproblemen führen.

Mit Stecksockel und vier Stift-Kontakten. Bei dieser Version handelt es sich nur um die Leuchtstoffröhre selbst, sie ist technisch also das Äquivalent zur normalen stabförmigen Leuchtstofflampe. Der Sockel fällt relativ kurz und kompakt aus. Diese Art von Lampen kann mit elektronischen oder konventionellen Vorschaltgeräten betrieben werden.

Energiesparlampe mit im Sockel intergrierten Vorschaltgerät. 230 V, 23 W, 1.500 lm, E27, Höhe ca. 175 mm
Kompaktleuchtstofflampe 18 W U-förmig gebogen; Starter im Sockel integriert

Streng genommen ist Energiesparlampe jedoch nur ein relativer Begriff und bezeichnet eine (meist) elektrische Lichtquelle (Lampe), die weniger Energie verbraucht als alternativ vorhandene und zunächst mehrheitlich eingesetzte Technologien.

Seit einigen Jahren bezeichnet man somit die hier beschriebene Leuchtstoffröhre als Energiesparlampe im Vergleich zur konventionellen Glühlampe (Metallfadenlampe).

In der Vergangenheit war bereits z. B. um 1900 die Nernstlampe eine Energiesparlampe im Vergleich zur Kohlenfadenlampe, anschließend war die Metallfadenlampe wiederum eine Energiesparlampe im Vergleich zur Nernstlampe.

Kaltkathodenröhren

Kaltkathodenröhren sind prinzipiell genauso aufgebaut wie die Heißkathodenröhren, nur dass hier keine Heizdrähte vorhanden sind. Bei diesen Röhren kann der Elektronenfluss zwischen Kathode und Anode nur durch eine höhere Spannung, manchmal auch durch eine zusätzliche Zündspannung erreicht werden. Grund ist der sog. Kathodenfall - eine hohe Feldstärke unmittelbar an den Kathoden ist 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 Leuchtröhre

Neonröhren

Die eigentlichen Neonröhren werden ähnlich wie Leuchtstofflampen angeregt. Im Gegensatz zum Quecksilberdampfplasma leuchtet Neonplasma aber intensiv rot, siehe Neonröhre. Damit ist es zu Beleuchtungszwecken weniger geeignet, wird aber zum Beispiel in der Lichtwerbung (Leuchtreklame) verwendet.

Auch viele andere chemische Elemente wie z.B. Natrium können im gasförmigen Zustand zum Leuchten angeregt werden und finden als Hauptbestandteil oder als Zusatzstoff in verschiedenen Lampen Verwendung: Metalldampflampe, Natriumdampflampe.

Zündung mit konventionellem Vorschaltgerät KVG

Zur konventionellen Zündung einer Leuchtstoffröhre sind zwei Elemente wesentlich. 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 drosseln. Die Drosselspule wird auch als Vorschaltgerät, KVG, bezeichnet. Sie hat bei einer 58 W-Röhre eine Wirkverlustleistung von ca. 12 W.

Das Bild 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) ausgeführt ist. Parallel zur Glimmlampe liegt ein Entstörkondensator, im Bild rechts neben der Glimmlampe zu sehen.

Als Alternative sind mittlerweise auch elektronische Starter für Leuchtstofflampen auf dem Markt. Deren Schaltung sorgt für einen absolut schonenden und flackerfreien Startvorgang. Das von Glimmlampenstartern bekannte Flackern in der Einschaltphase tritt beim Einsatz dieses elektronischen Starters nicht mehr auf, ebenso wie das lästige Dauerflackern am Ende der Lebensdauer der Röhre.

Mit einer Drosselspule und einem konventionellen Bimetallstarter geht der Startvorgang 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. 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 fehlende Glimmentladung im Starter lässt das Bimetall abkühlen und den Kontakt öffnen. Die Selbstinduktion durch den schnellen Abfall des Stromes in der Drosselspule erzeugt nun kurzzeitig eine hohe Spannung, die das mit Ladungsträgern angereicherte Gas in der Röhre zündet. Die Betriebsspannung teilt sich nun an Röhre und Vorschaltgerät so, 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 einen weiteren Zündvorgang mit jeder Halbwelle auszulösen, da das Gas genügend ionisiert ist und die Elektroden erwärmt sind.

Leider erlischt der Lampenstrom bedingt durch die 50 Hz Wechselspannung im Bereich eines jeden Nulldurchganges. Es entstehen Hell-Dunkel-Phasen genannt Stroboskopeffekt, welche sich bei schnellen Bewegungen bemerkbar machen oder bei rotierenden Arbeitsmaschinen eine langsame oder stehende Maschine vortäuschen können. Das menschliche Auge ermüdet unter dem Stroboskopeffekt nachweislich schneller. Abhilfe bietet die Duoschaltung oder bei großen Anlagen die Versorgung mit 3-Phasen-Wechselstrom (Drehstrom) oder ein elektronisches Vorschaltgerät.

Betrieb mit elektronischem Vorschaltgerät EVG

Elektronisches Betriebsgerät einer Energiesparlampe

Die Anordnung aus konventionellem Vorschaltgerät und Starter kann durch ein elektronisches Vorschaltgerät ersetzt werden. Das Bild zeigt den Aufbau für eine Energiesparlampe. Zusammen mit dem Siebkondensator (großer aufrecht stehender Zylinder) erzeugt der Gleichrichter (kleines schwarzes Bauteil mit dem Aufdruck + -, links oben im Bild) eine Gleichspannung. Die beiden aufrecht stehenden Halbleiter (Power MOSFET oder 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.

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.

Die beiden aufrechtstehenden Zuleitungsdrähte waren mit der Schraubfassung, links oben im Bild, verbunden. Der linke Draht ist in Glas gekapselt (Feinsicherung?).

Als Vorteile gegenüber dem konventionellen Vorschaltgerät ergeben sich, je nach Bauform:

fast keine Blindleistung
geringere Verlustleistung in Vorschaltgerät und Lampe (bis zu ca. 25%)
zuverlässiger 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

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.

Farbe

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. Den besten Kompromiss bilden sicher die neutral weißen Lampen, die kaltweißen oder tageslichtähnlichen haben Vorteile bei gleichzeitigem Tageslichteinfall, wogegen die warmweißen sich mit Glühlampenlicht vertragen. Die beste Farbwiedergabe haben sogenannte Fünfbanden-Leuchtstoffe - hier treten die geringsten Farbverfälschungen auf, das Spektrum ist tageslichtähnlich und fast ebenso kontinuierlich.

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 Beschichtung besteht aus kristallinen Pulvern, die Spuren von zwei- oder dreiwertigen Lanthanoid-Kationen enthalten, welche je nach eingesetztem Lanthanoid unterschiedliche Farben erzeugen. Diese Farben ergeben additiv die Leuchtfarbe der Röhre.

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 Leuchtstoffröhren mit reduzierter Betriebstemperatur.

Recycling

Das Quecksilber in Leuchtstoffröhren ist giftig für Mensch und Umwelt, die Beschichtung der Röhre ebenfalls. Zudem sind die verwendeten seltenen Erden 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.

"Elektrosmog"

Leuchtstoffröhren mit elektronischem Vorschaltgerät erzeugen durch den darin befindlichen Umrichter breitbandige hochfrequente Strahlung, die von der Lampe und deren Zuleitungen abgestrahlt werden. Üblich sind dabei Arbeits-Frequenzen zwischen ca. 10 und 100 kHz sowie deren Oberwellen (Harmonische). Diese Störstrahlung trägt zum Elektrosmog bei. Gestört werden unter anderem Rundfunkempfänger für amplitudenmodulierte Sendungen auf Lang-, Mittel- und Kurzwelle. Energiesparlampen als Quellen von Elektrosmog befinden sich an vielen Stellen des täglichen Lebens und oft in unmittelbarer Nähe ihrer Benutzer. Einen Beleg für eine physiologische Wirkung oder Schädlichkeit dieser elektrischen und magnetischen Felder auf den Menschen gibt es bisher jedoch nicht.

Standardisierung

Der Röhrendurchmesser von Leuchtstofflampen ist standardisiert: T2 = 7mm, T4 = 13mm, T5 = 16mm, T8 = 26mm, T9 = 30mm, T12 = 38mm.

Siehe auch

Weblinks

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Informationen zu Leuchtstoffröhren hera-online.de - FAQ zur Leuchtstofflampe.
osram.de - Erklärungen zur Leuchtstofflampe.
Technisches zu Gasentladungslampen
Wissenswertes zum Einsatz von Leuchtstoffröhren in Büros, etc.
Informationen und Musterbestellmöglichkeit zum Thema Lichtfolien, Leuchtfliesen, EL Folien