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Gasentladungslampen
 
     
 
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Inhalt:
 Allgemeines
 Neonlampen
 Leuchtstofflampen
      Energiesparlampen
 Metalldampf-Niederdrucklampen
 Metalldampf-Hochdrucklampen
  Weitere Themen:
 LASER
      Aufbau eines Gas-LASERs
      Wirkungsweise eines Gas-LASERs
      Feststoff-LASER
 Thermische Lampen
      Glühlampen
      Halogenlampen
      Metalldampf-Hochdrucklampen
      Edelgas-Hochdrucklampen


Allgemeines

Leuchtstofflampen, häufig fälschlicherweise Neonlampen genannt, sind zwar sehr weitverbreitet, aber der Aufbau und erst recht die Funktionsweise dürften den meisten Leuten ein Rätsel sein. Nachfolgend erfahren Sie, wie Neonlampen, Leuchtstofflampen und Metalldampf-Niederdrucklampen funktionieren, die nach dem Prinzip der Gasentladung arbeiten und daher Gasentladungsröhren genannt werden. Hochdrucklampen arbeiten grundsätzlich nach dem gleichen physikalischen Prinzip, jedoch unter anderen Rahmenbedingungen und erheblicher Wärmeentwicklung, weshalb sie unter  Thermische Lampen beschrieben sind.


Neonlampen

Neonlampen, nicht zu verwechseln mit  Leuchtstofflampen, sind sehr einfach aufgebaute Gasentladungslampen. Sie bestehen lediglich aus einem dünnen, klaren Glasrohr, das an den beiden Enden je eine eingeschmolzene Elektrode besitzt. Dieses Glasrohr ist mit Neon, einem Edelgas, unter geringem Absolutdruck gefüllt. Legt man eine ausreichend hohe Spannung von einigen zehntausend Volt an die Elektroden an, so kommt ein Stromfluß in Gange.
Neonroehre/Neonlampe
Bild 1: Neonröhre

Die von einer zur anderen Elektrode fliegenden Elektronen kollidieren mit den Neon-Atomen, an die sie Bewegungsenergie abgeben wie eine Murmel, die mit einiger Geschwindigkeit eine andere streift. Hierbei wird ein Elektron eines Neon-Atoms auf eine weiter außen liegende Schale mit einem höheren Energieniveau abgelenkt, wie in Bild 2 anhand eines Helium-Atoms, dem am einfachsten aufgebauten Edelgas, dargestellt ist (Helium deshalb, um Sie nicht durch viele, an der Lichterzeugung unbeteiligte Elektronen zu verwirren; denn Neon besitzt 10 davon, nämlich 2 auf der ersten und 8 auf der zweiten Schale). Wird ein Elektron aus seiner Schale herausgeschlagen, kann es nur wie in Bild 2 dargestellt auf eine weiter außen liegende Schale springen und nicht auf beliebigen Abständen um den Atomkern kreisen. Dies liegt in der Wellenmechanik begründet, die aber leider viel zu kompliziert ist, um an dieser Stelle in einfachen Worten vermittelt zu werden. In der überwiegenden Mehrzahl der Zusammenstöße reicht die Energie lediglich aus, um ein Elektron auf die 2. Schale zu katapultieren. Diese besitzt ein Energieniveau, das um einen genau definierten Betrag höher ist als das Energieniveau der 1. Schale. Von dort wird das Elektron jedoch sofort wieder aufgrund der elektrostatischen Anziehung in die 1. Schale zurückgezogen, wobei es eine definierte Energiemenge, nämlich die Differenz zwischen 2. und 1. Schale abgeben muß. Die physikalischen Ursachen sind die gleichen wie bei den  Glühlampen. Auch hier wird die Differenzenergie in Form von Photonen d.h. in Form von Licht abgegeben.
Atomaufbau von Helium
Bild 2: Atomaufbau von Edelgasen (hier Helium)

Im Unterschied zu den Glühlampen ist die abgegebene Energie immer exakt gleich, weil der Unterschied der Energieniveaus zwischen den 2 Schalen auch immer exakt gleich ist. Die Folge ist ein Linienspektrum mit genau einer einzigen Linie. Unter bestimmten Umständen können Elektronen nicht nur auf die nächste sondern gleich auf die übernächste Schale mit einem noch höheren Energieniveau katapultiert werden. Auf diese Weise entstehen weitere Linien. Bei Neon wird rot-/oranges Licht abgestrahlt. Auch andere Edelgase wie Argon oder Krypton geben sichtbares Licht ab und werden in Gasentladungslampen für Reklameschriftzüge gerne eingesetzt.

Die Hochspannungserzeugung ist nicht gerade billig. Auf der anderen Seite kann man die dünnen Glasröhren vor dem Füllen mit Edelgas nahezu beliebig biegen. Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind die bekannten Reklameschriftzüge. Für Beleuchtungszwecke sind Neonlampen und andere Gasentladungslampen mit Edelgasen hingegen weniger geeignet.


Leuchtstofflampen

Leuchtstofflampen sind ähnlich wie Neonröhren aufgebaut. Allerdings besteht das gewünschte weiße Licht aus einer Mischung von unzähligen Lichtfarben, während Gasentladungslampen ein Linienspektrum mit einer begrenzten Anzahl von Wellenlängen (oft nur einer einzigen mit nennenswerter Intensität) abstrahlen. Um zu weißem Licht zu gelangen, muß man daher einen etwas anderen Weg einschlagen. Man verwendet eine evakuierte Glasröhre, die als lichtemittierende Substanz kein Gas sondern geringe Mengen an Quecksilber enthält. Quecksilber strahlt, wenn man es wie schon oben beschrieben mit Elektronen bombardiert, hauptsächlich ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von ca. 185 und 254 nm ab. Solche Quecksilberdampf-Niederdrucklampen finden in der Technik als UV-Lampen Verwendung. Bei Leuchtstofflampen trifft dieses ultraviolette Licht auf einen Leuchtstoff, mit dem die Innenseite der Röhre im Gegensatz zu den Quecksilberdampflampen flächendeckend beschichtet ist. Dieser Leuchtstoff absorbiert das ultraviolette Licht und läßt es nicht nach außen durch, wird durch das Ultraviolettlicht jedoch seinerseits zum Leuchten angeregt. Leuchtstoffe emittieren allerdings ebenfalls kein kontinuierliches Spektrum. Durch Mischung mehrerer Leuchtstoffe kann man jedoch erreichen, daß in Summe ein mehr oder weniger als weiß empfundenes Licht abgestrahlt wird. Durch geeignete Mischung gelingt es zudem, warmes oder kaltweißes Licht zu erzeugen. Wie gut die Annäherung an das kontinuierliche Spektrum des Sonnenlichts bzw. des Glühlampenlichts ist, hängt stark von der Qualität der Leuchtstoffmischung ab. Es gibt auf die Farbwiedergabe hin optimierte Leuchtstoffröhren, die allerdings nicht im Baumarkt erhältlich sind, deren Licht dem Sonnenlicht in puncto Farbwiedergabe nahe kommt, wobei deren Spektrum aber trotzdem stark zerklüftet aussieht und keineswegs kontinuierlich ist. Man kann sie oft über den Foto- bzw. Fotolaborhandel beziehen. Nachteilig ist hierbei, daß der Wirkungsgrad ein gutes Stück unter dem normaler Leuchtstoffröhren liegt.

Leuchtstofflampe
Bild 3: Leuchtstofflampe

Während man bei Glühlampen und auch Neonlampen einfach den Strom anknipsen muß, damit sofort Licht emittiert wird, ist dies bei Leuchtstoffröhren bei Betrieb an der üblichen Netzspannung von 230 V nicht möglich. Denn ohne weitere Maßnahmen fließt kein Strom durch die Röhre, und folglich wird auch kein Licht emittiert. Leuchtstofflampen müssen vielmehr, wie man sagt, gezündet werden, damit auch bei Netzspannung ein Stromfluß erfolgt. Dies geschieht durch einen Hochspannungsimpuls. Um das Zünden zu begünstigen, sind die Elektroden an beiden Enden der Röhre als Glühwendeln ausgeführt. Im Einschaltaugenblick ermöglicht der geschlossene Starterkontakt einen Stromfluß durch die beiden Glühwendeln wie in Bild 4 dargestellt, wodurch diese sehr heiß werden und daher hell aufleuchten (de facto sind die Heizwendeln nichts anderes als Glühlampen kleiner Leistung). Dies erklärt auch, warum Leuchtstoffröhren an den beiden Röhrenenden aufleuchten, kurz bevor die Röhre startet, und dort auch hell bleiben, wenn ein Startversuch nicht erfolgreich war.
Heizvorgang
Bild 4: Heizvorgang

Durch die Heizwendeln erreicht man gleich 2 Dinge: Erstens verdampft durch die hohe Temperatur von mehr als 2000 °C ein wenig Quecksilber und zweitens können Elektronen viel leichter aus heißen als aus kalten Elektroden austreten. Beides ist für den nachfolgenden Zündvorgang wichtig. Denn wenn der Starterkontakt nach typischerweise etwa 0,5 bis 2 s öffnet, will die Vorschaltdrossel, wie es dem Wesen einer Drossel (=Spule/Induktivität) entspricht, den Stromfluß aufrecht erhalten. Der Starterkontakt ist jedoch nun geöffnet, so daß der Stromfluß hier unterbunden ist. Die Spannung steigt daher schlagartig an, bis salopp gesagt irgendwo ein "Funke" überspringt. Der gewollte Weg ist hierbei durch die Röhre, wobei man es durch das Vorheizen den Elektronen einfach macht, die Elektroden zu verlassen; denn die beim Öffnen des Starterkontakts plötzlich stromlosen Glühwendeln glühen noch eine ganze Weile nach, so daß aus ihnen relativ leicht Elektronen austreten können, und auch das verdampfte Quecksilber schlägt sich nicht schlagartig nieder. Trotzdem ist die Konzentration an gasförmigem Quecksilber, das in den ersten Sekunden zum großen Teil nur im Bereich um die Glühwendeln vorhanden ist, noch viel zu gering, als daß die Röhre zünden würde. Deshalb ist jede Leuchtstoffröhre zusätzlich mit einer geringen Menge eines Zündgases (meistens Argon) gefüllt, das viel leichter zündet. Durch diese Maßnahme zündet die Röhre bei einer Spannung von größenordnungsmäßig 1000 V, d.h. es findet ein Stromfluß von einer Elektrode zur anderen statt, wodurch sich ein Kanal aus ionisiertem Zündgas und Quecksilbergas bildet. Die gezündete Röhre besitzt dank des ionisierten Kanals einen erheblich geringeren elektrischen Widerstand als eine ungezündete Röhre, wodurch die Spannung an der Röhre auf die sogenannte Brennspannung von rund 100 V begrenzt wird. Zudem bleibt der Ionisationskanal durch den nun zunehmenden und nur durch die Vorschaltdrossel limitierten Strom erhalten, obwohl sich die Heizwendeln wegen des nach dem Starten abgeschalteten Heizstroms langsam abkühlen.

Zuenden der Leuchtstoffroehre
Bild 5: Zünden der Röhre

Durch den Stromfluß durch die Röhre werden die bereits gasförmigen Quecksilberatome zum Leuchten angeregt. Das Prinzip ist dabei das gleiche wie bei z.B. den  Neonlampen, nur daß bei Quecksilber die Energie zum Erreichen der nächsthöheren Elektronenschale höher und damit das ausgesandte Licht kurzwelliger ist. Die Lampe heizt sich dabei durch den Stromfluß langsam auf, so daß nach und nach das gesamte Quecksilber in der Röhre verdampft und aktiv an der Lichterzeugung teilnimmt. Aus diesem Grund dauert es einige Minuten, bis eine Leuchtstoffröhre ihre maximale Helligkeit erreicht. Außerdem wird durch Kenntnis dieser Zusammenhänge klar, warum Leuchtstoffröhren bei niedriger Temperatur schlecht zünden: Unter diesen Bedingungen verdampft trotz Vorheizens nur relativ wenig Quecksilber, welches sich im ersten Moment zudem nur schlecht in der Röhre verteilt, weil die Röhre ziemlich lang ist und sich die Heizwendeln an den Enden befinden. Es gibt zwar auch für niedrige Temperaturen geeignete Leuchtstofflampen, bei denen die Zündgaskonzentration erhöht ist, aber abgesehen davon, daß diese normalerweise nicht im nächsten Baumarkt erhältlich sind, reduziert das Zündgas den Wirkungsgrad, weil es kein UV-Licht aussendet. Das vom Zündgas emittierte Licht im sichtbaren Bereich (das fast ausschließlich verwendete Argon leuchtet blau) wird nämlich von der Leuchtschicht fast vollständig absorbiert und leistet damit nahezu keinen Beitrag zur Lichtemission. Deshalb beschränkt man die Menge des Zündgases auf das für den jeweiligen Anwendungsfall absolute Minimum.

Normalerweise verwehrt die weiße, undurchsichtige Leuchtschicht einer Leuchtstofflampe den Blick auf deren Innenleben. Quecksilberdampf-Niederdrucklampen sind jedoch bis auf die fehlende Leuchtschicht identisch mit diesen, so daß man sich dort das Innenleben anschauen kann, ohne die Lampe zerstören zu müssen. In Bild 6 ist eine solche Quecksilberdampf-Niederdrucklampe abgebildet, die bzgl. ihrer Bauform identisch mit Leuchtstofflampen ist, wie sie in Küchenzeilen zur Beleuchtung der Arbeitsfläche verwendet werden. Diese besitzen einen etwas geringeren Durchmesser und sind auch kürzer als die üblichen 36-W-Röhren. In Bild 7 sieht man sehr schön die Heizwendel einer 4-W-Quecksilberdampf-Niederdrucklampe.

Hg-Niederdrucklampe
Bild 6: Quecksilberdampf-Niederdrucklampe

Hg-Niederdrucklampe Heizwendel
Bild 7: Heizwendel einer Quecksilberdampf-Niederdrucklampe

Die Vorschaltdrossel, die beim Zünden für die Erzeugung der Hochspannung verantwortlich war, erfüllt im normalen Betrieb einen weiteren Zweck: Sie begrenzt den Strom durch die Röhre auf einen zulässigen Wert. Da es sich um eine Induktivität handelt, geschieht dies theoretisch verlustlos. In der Praxis bleiben in einer für eine übliche 36-W-Röhre geeigneten Drossel aufgrund ihres ohmschen Widerstands etwa 9 W hängen, die einfach in Wärme umgewandelt werden. Sie können das daran erkennen, daß die Drossel bei längerem Betrieb ziemlich heiß wird, obwohl sie die Wärme recht gut auf das Blechchassis, auf dem sie befesigt ist, abführen kann. Die gesamte Aufnahmeleistung beträgt in diesem Fall daher ca. 45 W und nicht 36 W, wie vielfach aufgrund der Leistungsangabe auf der Röhre vermutet wird.

Bimetallstarter   Elektronischer Starter
Bild 8a: Bimetallstarter   Bild 8b: Elektronischer Starter


Beim Zündvorgang gibt es leider oft Probleme, die ursächlich damit zusammenhängen, daß die Lampe vom Wechselstromnetz versorgt wird. Die Spannung und damit der Strom, der durch die beiden Heizwendeln fließt, ist daher nicht konstant sondern sinusförmig. Der in überwiegender Mehrheit anzutreffende Bimetallstarter (in Bild 8a ist dessen Innenleben abgebildet) öffnet den Kontakt zu einem zufälligen Zeitpunkt. Ideal wäre, wenn dies im Strommaximum geschähe, damit ein energiereicher Zündfunke induziert wird. Gar nicht selten öffnet jedoch der Bimetallstarter im falschen Moment d.h. bei niedrigem Strom, so daß die Röhre zwar kurz aufblitzt, aber sofort wieder verlöscht, weil sich aufgrund des geringen und kurzen Stromflusses kein stabiler Ionisationskanal bilden konnte. Dadurch ergibt sich der bekannte Effekt, daß oft mehrere Startversuche notwendig sind, bis die Lampe stabil brennt. Abhilfe schafft ein sogenannter elektronischer Starter (Bild 8b), der im Elektronikversandhandel meistens weniger als als 2,50 Euro kostet und sein Geld mehr als wert ist: Nicht nur zündet er die Röhre in der Regel schon beim ersten Versuch und vermeidet damit das nervige Geflackere, sondern er verringert durch die sich dadurch ergebende Reduzierung der Heizzyklen den Verschleiß an den Heizwendeln und erhöht so die Lebensdauer der Röhre deutlich. Ganz nebenbei liegt die Lebensdauer eines elektronischen Starters ganz deutlich über der eines Bimetallstarters, weil in ihm keine Verschleißteile vorhanden sind.

Startprobleme werden zusätzlich auch dadurch verursacht, daß das Wechselstromnetz mit 50 Hz (USA und einige andere Länder 60 Hz) ziemlich niederfrequent ist. Alle hundertstel Sekunde geht nämlich die Netzspannung auf Null zurück und wechselt dann die Polarität. Kurz vor jedem Nulldurchgang ist die Spannung so gering, daß die Röhre verlöscht und das ionisierte Quecksilber und auch das ionisierte Zündgas abkühlt. Bei niedriger Umgebungstemperatur kann die Abkühlung so stark sein, daß dadurch die Ionisation nicht bis zur nächsten Halbwelle aufrecht erhalten werden kann und daher der Stromfluß abreißt, wodurch ein neuer Startversuch notwendig ist. Bei niedriger Temperatur sind deshalb oft etliche Startversuche erforderlich, bis das Quecksilbergas in der Röhre soweit angeheizt ist, daß die Lampe stabil brennt. Für den kalten Keller sind die normalen, für den Wohnraum ausgelegten Leuchtstoffröhren daher nicht sonderlich gut geeignet, sofern nicht eine im Regelfall lange Betriebsdauer die Startprobleme in den Hintergrund treten läßt; ein überwiegender Betrieb über mehrere Stunden ist bei Anwendungen im Keller aber eher untypisch. Hinzu kommt, daß Leuchtstofflampen ganz besonders in kühler Umgebung erst einmal ziemlich funzeliges Licht abgeben und etliche Minuten brauchen, bis sie ihre volle Helligkeit erzielen. Bis dies passiert, hat man normalerweise seine Erledigung im Keller aber schon längst abgeschlossen. Für den Anwendungsfall "kalter Keller plus überwiegend kurze Einschaltdauer" sind Glühlampen die beste Lösung, vor dem Hintergrund des unvermeidlichen Quecksilbergehalts der Leuchtstoffröhren auch aus ökologischer Sicht.

In Büroräumen kommen schon seit Jahren oft Hochfrequenzsysteme zum Einsatz, die meistens mit 35 bis 40 kHz arbeiten. Wegen der infolge der deutlich höheren Frequenz ganz erheblich kürzeren Zyklenzeit kann das Quecksilber beim Nulldurchgang der Lampenspannung kaum abkühlen, so daß die Röhre nach einem Polaritätswechsel sofort wieder weiterleuchtet. Auch die Vorglühzeit kann viel kürzer sein, so daß fast unmittelbar nach dem Einschalten der Spannung die Röhre Licht abgibt. Zusätzlich sind die Verluste im Vorschaltgerät deutlich geringer als in einer konventionellen Vorschaltdrossel, wodurch sich ein höherer Wirkungsgrad ergibt und damit die gleiche Lichtintensität weniger Geld kostet. Ein Starter wird bei solchen Systemen nicht benötigt, da die Spannungsüberhöhung zum Starten automatisch erfolgt. Nachteilig ist der verglichen mit einer Vorschaltdrossel höhere Anschaffungspreis, der in den letzten Jahren aber deutlich sank. Heutzutage liegt der Endkundenpreis solcher sogenannten "elektronischen Vorschaltgeräte" nur noch wenig über dem von konventionellen Vorschaltdrosseln. Wenn Sie Leuchtstofflampen neu installieren, sollten Sie diese Systeme unbedingt in Erwägung ziehen. Abgesehen vom deutlich sichereren und schnelleren Start, der einen geringeren Röhrenverschleiß nach sich zieht, und dem höheren Wirkungsgrad entfällt auch das 50-Hz-Flimmern konventioneller Leuchtstoffröhrensysteme völlig. Zusätzlich unternehmen die meisten elektronischen Vorschaltgeräte keine Zündversuche, wenn die Lampe defekt ist, bzw. brechen die Zündversuche nach kurzer Zeit ab, wenn die Lampe nicht zündet. Das nervige Flackern konventioneller Systeme, bei denen defekte Leuchtstoffröhren wegen permanenter Zündversuche ohne Unterlaß alle paar Sekunden kurz aufblitzen, entfällt damit ebenfalls. Aufgrund der zahlreichen Vorteile bei nur geringen Kosten ist es sogar sinnvoll, über die Umrüstung bestehender Leuchtstofflampensysteme nachzudenken. Selbst 5-Euro-Leuchtstofflampensysteme aus dem Baumarkt sind heutzutage oft mit elektronischen Vorschaltgeräten statt einer Vorschaltdrossel ausgestattet. Erkennen können Sie solche Leuchten an ihrem geringen Gewicht und ihrer verminderten Bauhöhe, die dem Entfall der schweren und relativ großen Vorschaltdrossel geschuldet ist.

Aufgrund des Quecksilberanteils sind Leuchtstofflampen aller Bauformen nicht unproblematisch. Keinesfalls sollte man die Röhren zur Entsorgung zerschlagen, denn Quecksilber ist bereits in geringer Menge hochgradig gesundheitsgefährdend. Quecksilber ist immerhin im Periodensystem das giftigste, nicht radioaktive chemische Element! Auch die Leuchtschicht besteht nicht gerade aus völlig unbedenklichen Chemikalien. Leuchtstofflampen gehören daher unbedingt in den Sondermüll und keinesfalls in die Hausmülltonne, selbst wenn man sie hierzu nicht zerstören muß. Denn irgendwann bei der Entsorgung zerbricht die Röhre doch, wobei das Quecksilber in die Umwelt oder gar ins Grundwasser gelangen würde. Man kann defekte Röhren stets dort zurückgeben, wo man neue kaufen kann, wodurch eine fachgerechte Entsorgung gewährleistet ist, und das sollte man auch unbedingt tun.

Ein leider weitverbreitetes Märchen ist übrigens, man müsse Leuchtstofflampen regelmäßig auswechseln, weil ihr Wirkungsgrad nach einem halben bis ganzen Jahr auf die Hälfte abgesunken sei, d.h. bei gleicher Stromaufnahme nur noch den halben Lichtstrom d.h. die halbe "Lichtmenge" abstrahlt. Es ist zwar richtig, daß nagelneue Leuchtstofflampen mehr Licht abgeben als ältere, aber der Unterschied im besagten Zeitraum beträgt über den Daumen gepeilt nur 10% und stabilisiert sich zudem in dieser Größenordnung. Der genaue Verlauf ist normalerweise in den einschlägigen Datenblättern der Hersteller enthalten. Man kann daher in aller Regel eine Leuchtstofflampe bis zum Ende ihrer Lebensdauer benutzen, was dem Durchbrennen einer Heizwendel entspricht. Nur wer mit sehr spitzem Bleistift den durch den nachlassenden Lichtstrom virtuell vergeudeten Strom dem Restwert der Röhre gegenüberstellt, wird seine Röhren nach etwa 4 bis 5 Jahren Nutzungsdauer bei täglich 12 h Brenndauer durch neue ersetzen. Als Überwinterungsbeleuchtung, die z.B. nur 4 Monate im Jahr benutzt wird, macht es daher wenig Sinn, vor Ablauf von ca. 12 bis 15 Jahren an einen Austausch zu denken - es sei denn, neue Röhren hätten durch technische Weiterentwicklung inzwischen einen nennenswert höheren Wirkungsgrad. Der nachlassende Lichtstrom ist jedoch kein realer Verlust, denn der Stromverbrauch nimmt mit nachlassendem Lichtstrom nicht zu. Neue Röhren bedeuten jedoch eine reale Investition. Ich selbst nutze Leuchtstoffröhren daher, bis sie nicht mehr starten. Höchst sinnvoll ist es in diesem Zusammenhang, spätestens einmal im Jahr die Leuchtstofflampe aus ihrer Fassung zu nehmen und mit einem feuchten Tuch und ggf. etwas Reinigungsmittel gründlich zu reinigen, denn selbst eine leichte Staubschicht dämpft die Lichtabgabe meßbar. Der Wiedereinbau sollte aus Sicherheitsgründen selbstverständlich erst dann erfolgen, wenn die Lampen wieder ganz trocken sind.


Energiesparlampen

Leuchtstofflampen sind sehr weit verbreitet, vor allem als gerade Röhren (in Büros etc.). Der Wirkungsgrad von Leuchtstofflampen ist mit zwischen ca. 8 und 15 % deutlich höher als der von Glühlampen. Daher bestand schon früh der Wunsch, die wirkungsgradschwachen Glühlampen durch Leuchtstofflampen zu ersetzen. In konventioneller Technik, also Vorschaltdrossel und Bimetallstarter, war dies aufgrund der Baugröße aber schlicht unmöglich. Erst durch Verfügbarkeit sehr preiswerter Hochspannungshalbleiter gelang es, diese voluminösen Teile durch ein sehr kleines HF-Vorschaltgerät zu ersetzen. Zusammen mit der stark verkürzten Rohrlänge und dem gleichzeitig verkleinerten Röhrendurchmesser war es möglich, das Ganze auf eine Größe zu schrumpfen, die nicht mehr sehr viel größer als eine konventionelle Glühlampe ist, und gleichzeitig die Herstellkosten durch Produktion in China auf akzeptable Werte zu reduzieren. Die Kompaktleuchtstoflampen, werbewirksam gern als Energiesparlampen (abgekürzt ESL) bezeichnet, sind daher nichts anderes als geschrumpfte Leuchtstofflampen mit integriertem Vorschaltgerät. Nur leider werden sie ihrem Namen überhaupt nicht gerecht und sparen im Vergleich zu  konventionellen Leuchtstofflampen überhaupt keine Energie sondern verschwenden sie, da sie einen erheblich geringeren Wirkungsgrad als diese und zusätzlich noch weitere Nachteile besitzen; denn es gibt triftige physikalische Gründe, warum die Baulänge und der Durchmesser konventioneller Leuchtstofflampen so groß sind.

Die Energieeffizienz von Kompaktleuchtstofflampen ist trotzdem naturgemäß ein gutes Stück höher als die koventioneller Glühlampen, aber sie ist deutlich geringer, als die Werbung es einem verkaufen möchte. Im Vergleich mit den geraden Röhren befinden sich solche "Energiesparlampen" wirkungsgradmäßig jedenfalls stark im Hintertreffen. Das liegt einerseits daran, daß die Röhren gefaltet sind und sich gegeneinander abschatten, andererseits sinkt der Wirkungsgrad durch die hohe Energiedichte in den dünnen, kurzen Röhren. Wenn man darüber nachdenkt, vorhandene Glühlampen durch Lampen mit höherem Wirkungsgrad zu ersetzen, sollte man sie nicht der Bequemlichkeit halber einfach stur gegen Energiesparlampen austauschen, sondern sich überlegen, ob man sie gleich durch konventionelle Leuchtstofflampen (d.h. mit geradem, langem Rohr) ersetzen kann. Deren Wirkungsgrad ist nämlich ziemlich genau doppelt so hoch wie derjenige der sogenannten Energiesparlampen. Oder anders gesagt: Der Stromverbrauch der geraden Röhren ist bei gleicher Lichtabgabe um ungefähr 50% geringer als bei den "Energiesparlampen". Am leichtesten gelingt der Einsatz dieser empfehlenswerten gerade Röhren im Wohnbereich in Zimmern mit weißer Decke und hohen Schränken, auf denen man die Lichtleisten "unsichtbar" montieren kann. Dies ergibt ein herrlich indirektes Licht mit hoher Helligkeit im gesamten Raum. Wen das 100-Hz-Flackern von Röhren mit einfacher Vorschaltdrossel stört, verwendet einfach ein Hochfrequenzvorschaltgerät.

Nicht verschweigen sollte man die anderen Nachteile von Energiesparlampen. Der größte Nachteil ist nicht so sehr die vielbeschworene mangelhafte Schaltfestigkeit, denn die wurde zumindest bei guten (und leider ziemlich teuren) Markenprodukten deutlich erhöht. Der größte Nachteil ist vielmehr der, daß diese Lampen direkt nach dem Einschalten nur sehr funzeliges Licht aussenden. Es dauert je nach Modell und Umgebungstemperatur bis zu etwa 10 Minuten, bis sie ihre normale Helligkeit erreichen. Je kühler es ist, desto geringer ist die Anfangshelligkeit und desto länger dauert es, bis die volle Helligkeit erreicht wird, denn das lichtemittierende Quecksilber ist bei Raumtemperatur weitgehend flüssig und verdampft nach dem Einschalten nur langsam, weshalb auch die Helligkeit nur langsam steigt. In Kellerräumen und anderen kühlen Räumen sowie immer dann, wenn das Licht nur kurz eingeschaltet wird (Treppenhauslicht), sind Kompaktleuchtstoffröhren genauso wie gerade Leuchtstoffröhren völlig fehl am Platz. Speziell bei kurzer Einschaltdauer ist die Energieersparnis auch viel zu gering, als daß sich eine Energiesparlampe jemals auch nur ansatzmäßig rechnen würde. Unter ökologischen Gesichtspunkten sind Energiesparlampen ohnehin ein zweischneidiges Schwert: Einerseits kann man mit ihnen bei sinnvollem Einsatz gegenüber Glühlampen Energie sparen, aber noch mehr Energie könnte man bei Verwendung der geraden Röhren sparen. Andererseits ist im Vergleich zu Glühlampen viel Energie für die Herstellung erforderlich, und man hat am Ende der Lebensdauer einen Haufen Elektronikschrott in der Hand, denn im Gegensatz zu den Anfängen bilden heutzutage Vorschaltgerät und Leuchtstofflampe eine untrennbare Einheit. Hinzu kommt, daß Energiesparlampen immer Quecksilber enthalten - ohne funktioniert nun mal keine Leuchtstofflampe, da Quecksilber die lichtemittierende Substanz ist. Energiesparlampen müssen daher als Sondermüll entsorgt werden. Auch wenn jede Lampe nur eine geringe Menge an Quecksilber beinhaltet, sollte man im Hinterkopf behalten, daß Quecksilber immerhin das giftigste, nicht radioaktive chemische Element des Periodensystems ist! Wenn eine Energiesparlampe zerbricht, wird ein Großteil des Quecksilbers freigesetzt - vor allem, wenn sie beim Bruch in Betrieb ist. Die Empfehlung, sofort das Fenster zu öffnen und den Raum zu verlassen, sind daher alles andere als bloß ein schlechter Scherz, um die Leute zu erschrecken. Im Falle des Falles: Atem möglichst sofort anhalten, Fenster weit öffnen, Raum umgehend verlassen und Tür schließen; frühestens nach einer halben Stunde mit Gummihandschuhen Reste aufsammeln (Papierblatt unter die Bruchstücke schieben, auch bei Teppichen die Splitter aufsammeln bzw. kehren statt aufzusaugen) und sofort nach draußen bringen. Verwenden Sie keinesfalls einen Staubsauger, denn dieser würde nur das feinstverteilte Quecksilber in die Luft pusten! Quecksilber ist nämlich für den Menschen am schädlichsten, wenn es eingeatmet wird. Konventionelle Glühlampen sind hingegen nicht umweltgefährdend, denn sie bestehen nur aus unkritischen Bestandteilen wie Glas, Keramik, ungiftigen Metallen und Edelgas, weshalb sie problemlos im normalen Hausmüll entsorgt werden können. Ein weiterer negativer Punkt sind die von der Elektronik der Energiesparlampen verursachten Störsignale, die salopp gesagt das 230-V-Netz verseuchen und daher andere Geräte stören können.

Als ob dies alles noch nicht genug wäre, sind Angaben wie "entspricht Glühlampe mit x W" leider nahezu ausnahmslos zugunsten der ESL übertrieben, mitunter sogar ziemlich schamlos. Auch die versprochene lange Lebensdauer von größenordnungsmäßig 8000 h ist von der Realität ziemlich weit entfernt. Die Bestätigung lieferte die Zeitschrift Ökotest, in deren Tests die ersten ESL schon nach 1500 h ausfielen. Zudem wurde festgestellt, daß nach nur 2000 Betriebsstunden bei einem Teil der getesteten Energiesparlampen der Lichtstrom (="Helligkeit der Lampe") auf weniger als die Hälfte des Neuzustandes abnahm, sodaß man hinter die Wirtschaftlichkeit von Energiesparlampen und auch die Gesamtenergiebilanz ein großes Fragezeichen setzen muß.

Im Wohnumfeld kann man Energiesparlampen grob gesagt nur in normal temperierten Räumen sinnvoll einsetzen, wenn sie im Durchschnitt erheblich länger als 10 Minuten am Stück eingeschaltet werden. Für alle anderen Anwendungen sollte man es eigentlich bei herkömmlichen Glühlampen belassen. Nur leider hat die deutsche Politik beschlossen, eine EU-Direktive umzusetzen und mit dem völlig sinnfreien, stufenweise umgesetzten Herstellungs- und Importverbot herkömmlicher Glühlampen seit September 2009 die Welt retten zu wollen, obwohl es unstrittig ist, daß in Deutschland der Anteil der Beleuchtung am Gesamtstromverbrauch deutlich unter 10% mit weiter fallender Tendenz liegt, und der durch Glühlampen verursachte Stromverbrauch nur einen kleinen Teil davon ausmacht. Für den überwiegenden Teil der Beleuchtung werden nämlich ohnehin schon Leuchtstofflampen oder Gasentladungslampen verwendet (Büros, Fabriken, Verkaufsräume etc.), und auch im privaten Bereich wurden in vielen Haushalten schon freiwillig und mit zunehmender Tendenz vor dem Stichtag Glühlampen durch Leuchtstofflampen, Energiesparlampen oder LED-Lampen ersetzt, wo dies sinnvoll war. Das reale Einsparpotential durch das Glühlampenverbot ist daher kaum der Rede wert und damit ähnlich hoch wie bei der Sommer-/Winterzeitumstellung. Es wurde zudem offenbar überhaupt nicht bedacht, daß bei weitem nicht jede Leuchte mit einer Energiesparlampe ausgestattet werden kann, was nach dem Willen der Politik eine Menge Schrott produzieren wird und aus ökologischer Sicht ein genauso großer Unfug ist wie die im Jahr 2009 gezahlte Abwrackprämie für Autos, die dazu führte, daß zum großen Teil voll funktionsfähige Autos in die Presse anstatt sinnvollerweise nach Afrika gefahren wurden, wo sie noch ältere Fahrzeuge mit höherem Schadstoffausstoß hätten ersetzen können. Wegen der zahlreichen Nachteile und auch gesundheitlichen Gefahren, die insbesondere vom enthaltenen Quecksilber ausgehen, werden die von der EU ohne Sinn und Verstand aufoktroyierten Kompaktleuchtstofflampen gern auch hämisch Quecksilber-Energiesparfunzel genannt. Decken Sie sich ggf. noch rechtzeitig mit einer ausreichenden Anzahl von Glühlampen ein, solange sie noch verkauft werden, um ein unnötiges Verschrotten Ihrer Leuchten zu vermeiden! Später hilft nur noch der private Import passender Glühlampen aus dem Non-EU-Ausland, welches den europäischen Unsinn glücklicherweise nicht mitmacht.

Am wenigsten fällt die Verwendung von Energiesparlampen bei Lampentypen auf, bei denen im Normalfall die Glühlampen von einem Lampenschirm abgedeckt werden. In allen anderen Fällen muß man ausprobieren, ob man mit dem im Vergleich zu Glühlampen entweder grellweißen oder komisch gefärbten Licht überhaupt klarkommt. Auch wenn die Hersteller gerne von warmweißem Licht sprechen, erreicht man damit noch lange nicht die gemütliche Lichtfarbe von Glühlampen. Mitunter ist das versprochene warmweiße Licht ganz merkwürdig orange oder sogar grünlich-orange und wirkt alles andere als gemütlich, denn Leuchstofflampenlicht enthält generell nicht genug rotes Licht ausreichend langer Wellenlänge. Unabhängig von der Lichtfarbe ist die Farbwiedergabe im Vergleich zu Glühlampen in jedem Fall miserabel, d.h. die Farben der damit beleuchteten Gegenstände werden abhängig von deren Farbstoffeigenschaften falsch wiedergegeben (Erklärung im nächsten Abschnitt). Bei gleicher Lichtqualität sollte man aufgrund des deutlich höheren Wirkungsgrads statt der Energiesparfunzeln lieber nach Möglichkeiten suchen, gerade Röhren einsetzen zu können, denn diese liefern bei gleicher Stromaufnahme rund doppelt soviel Licht wie die sogenannten Energiesparlampen oder andersherum gesagt benötigen Sie nur halb soviel Strom für die gleiche Helligkeit.

Ganz tabu sind Energiesparlampen dort, wo es auf eine korrekte Farbwiedergabe ankommt. Der Ort, an dem sich die Dame des Hauses schminkt, muß unbedingt leuchtstofflampenfreie und damit auch energiesparlampenfreie Zone bleiben, wenn man seine Frau oder Freundin nicht als grell überschminkte Krähe aus dem Haus schicken möchte. Das Problem liegt darin, daß Leuchtstofflampenlicht einerseits zu wenig rotes Licht enthält, und andererseits kein kontinuierliches Spektrum besitzt sondern ein sogenanntes Linienspektrum, d.h. in einem großen Bereich des sichtbaren Lichts wird kein Licht in nennenswerter Intensität abgestraht. Rote Farbe erscheint dadurch im Leuchtstofflampenlicht zu blaß, und Farben, deren Reflexionsmaxima sich nicht zu 100% mit den Emissionsmaxima der Leuchtstofflampe decken, werden im falschen Farbton und zudem mit verringerter Intensität wiedergegeben. Was unter Leuchtstofflampenlicht gut aussieht, ist deshalb unter natürlichem Licht meistens viel zu grell. In Form von geraden Röhren sind z.B. im Foto- bzw. Fotolaborhandel Modelle erhältlich, die bei deutlich geringerem Wirkungsgrad eine Farbwiedergabe besitzen, die nah an das Sonnenlicht herankommen. Aber sie sind teuer, sehr schlecht erhältlich, ihr Wirkungsgrad ist vergleichsweise gering, und sie werden wie gesagt ausschließlich als gerade Röhren hergestellt. Es lohnt nicht, hier hohen Aufwand zu treiben; deutlich einfacher ist es, am Schminkspiegel simple Glühlampen zu installieren.


Metalldampf-Niederdrucklampen

Im Prinzip kennen Sie Metalldampf-Niederdrucklampen bereits in spezieller Form als Leuchtstofflampe bzw. Quecksilberdampf-Niederdrucklampe. Denn bei beiden ist die Glasröhre evakuiert und enthält eine geringe Menge an Quecksilber, das bei Stromdurchgang ultraviolettes Licht mit den Wellenlängen 184,9 und 253,7 nm abstrahlt. Als Niederdrucklampe bezeichnet man diesen Lampentyp deshalb, weil der Glaskolben in aller Regel fast vollständig evakuiert ist und zudem nur wenig Material, das zum Leuchten angeregt wird (hier Quecksilber), eingefüllt wird. Dadurch erreicht man, daß sich die Atome durch den großen Abstand bei der Anregung durch den elektrischen Strom nicht gegenseitig beeinflussen. Abhängig vom Abstand könnte ein getroffenes Elektron sich zum benachbarten Atom bewegen, wodurch eine zufällige (weil vom Abstand abhängige) Energiemenge aufgenommen und dann auch wieder in Form von Licht abgegeben würde. Durch einen großen Abstand erreicht man, daß ein getroffenes Elektron nur in eine andere Schale wechseln kann. Somit ist die beim Rücksprung in Form von Licht abgegebene Energie immer gleich, so daß als Folge nur Licht einer einzigen oder unter bestimmten Bedingungen einiger weniger Wellenlängen emittiert wird.

Neben Quecksilberdampf-Niederdrucklampen, die ultraviolettes Licht aussenden, sind vor allem Natriumdampf-Niederdrucklampen üblich, die gelb-oranges Licht mit den Wellenlängen 589,0 und 589,6 nm abgeben. Letzere dürften Ihnen als Beleuchtung von Fußgängerüberwegen und zunehmend aufgrund des sehr hohen Wirkungsgrades auch als ganz normale Straßenbeleuchtung bekannt sein. In der Dunkelkammer werden Sie sie als hochwertige weil monochromatische (genaugenommen handelt es sich um eine Doppellinie) Lichtquelle für die Verarbeitung von Color-Fotopapieren ebenfalls antreffen. Auch als Pflanzenbeleuchtung werden Natriumdampflampen verwendet, dann aber immer als  Hochdrucklampen.

Natriumdampf-Niederdrucklampen sind wie die meisten Metalldampf-Niederdrucklampen mit unbeheizten Elektroden ausgestattet. Dadurch, daß keine Heizwendel durchbrennen kann, ist ihre Lebensdauer nur durch den unvermeidlichen Materialabtrag an den Elektroden bedingt, der allerdings sehr gering ist. Dadurch ist die Lebensdauer dieser Röhren sehr hoch. Auf der anderen Seite muß man einen höheren Aufwand betreiben, um die Röhren zu zünden, denn der Spannungsbedarf ist trotz Verwendung eines Zündgases hoch. Dementsprechend ist ein sogenanntes Zündgerät erforderlich, das die Hochspannungserzeugung übernimmt. Dieses wird entweder in Reihe zu einer Vorschaltdrossel geschaltet oder es ist in ein Vorschaltgerät integriert, welches Srombegrenzung und Zündung gleichermaßen übernimmt. Außer Quecksilber sind alle Metalle bei Raumtemperatur fest, wodurch direkt nach Zündung nur das gering dosierte Zündgas den Strom leitet und dadurch schwach leuchtet. Die dadurch in der Lampe erzeugte Wärme erhitzt langsam das Metall, wodurch einige Atome in den gasförmigen Zustand übergehen und an der Stromleitung sowie Lichterzeugung teilnehmen. Dadurch steigt der Strom durch die Lampe, wodurch mehr Wärme erzeugt wird. Durch diesen selbstaufschaukelnden Effekt wird mit zunehmender Geschwindigkeit Metall verdampft. Dies erklärt, daß Metalldampf-Niederdrucklampen direkt nach Zündung nur ganz schwach glimmen und etliche Minuten bis zum Erreichen der Maximalhelligkeit benötigen.

Natriumdampflampe unmittelbar nach Zündung Bild 9: Natriumdampfniederdrucklampe
unmittelbar nach Zündung
Natriumdampflampe nach kurzer Anwärmzeit Bild 10: Leuchtfarben nach Zündung
Natriumdampflampe mit voller Lichtleistung Bild 11: Natriumdampfniederdrucklampe
mit voller Lichtleistung
(viel dunkler als in Realität dargestellt,
sonst wäre alles weiß)
Natriumdampflampe mit voller Lichtleistung Bild 12: Extrem stark abgedunkeltes Foto zum Erkennen von Details
(volle Lichtleistung)

Kurz nach dem Zünden einer Natriumdampfniederdruckröhre ist die Helligkeit des ausgesandten Lichts sehr gering (siehe Bild 9). Da im ersten Moment nur das Zündgas leuchtet, ist es auch eher bläulich; lediglich das beim Abkühlvorgang auf den Elektroden niedergeschlagene Natrium sorgt für das typische gelborange Licht in der Nähe der Elektroden (Bild 10).) Die "Flecken" in der Röhre sind übrigens noch festes Natrium, das an der Glaswandung haftet. Durch den Stromdurchgang durch das Zündgas heizt nach und nach die Röhre auf, so daß mit der Zeit immer mehr Natrium flüssig wird und schließlich verdampft. Erst nach etlichen Minuten erreicht die Röhre die volle Leuchtstärke. Die Helligkeit ist so hoch, daß bei gleicher Belichtung wie bei der Aufnahme kurz nach dem Zünden das ganze Foto total weiß (d.h. gnadenlos überbelichtet) wäre. Deshalb wurde bei Bild 11 schon heftig abgeblendet. Bild 12 wurde noch viel stärker abgeblendet, damit man Details der Röhre erkennen kann. In der Realität ist die Helligkeit so hoch, daß man nicht mehr ins Licht sehen kann, ohne daß es den Augen weh tut.


Metalldampf-Hochdrucklampen

Bei Metalldampf-Hochdrucklampen handelt es sich zwar einerseits um Entladungslampen, andererseits kann man sie auch als Lichtbogenlampen ansehen, die in einer bestimmten Atmosphäre brennen. Eine Erklärung dieses Lampentyps finden Sie auf der Seite "thermische Lampen" unter  Hochdrucklampen.


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Letztes Update dieser Seite: 23.08.2014 (Untergeordnete Seiten können aktueller sein)