Leuchtstofflampen-chtaube050409.jpg Die Leuchtstoffröhre ist eine Gasentladungslampe, die innen mit einem fluoreszierenden Leuchtstoff beschichtet ist. Als Gasfüllung dient als aktives Medium Quecksilberdampf (zusätzlich meist noch Argon), wodurch hauptsächlich ultraviolettes Licht abgestrahlt wird. Dieses wird von der Leuchtstoff-Beschichtung in sichtbares Licht umgewandelt (siehe Spektrum weiter unten).
Eine ebenso verbreitete falsche Annahme ist, dass Leuchtstofflampen beim Einschalten so viel Energie verbrauchen würden wie bei einem mehrstündigen Betrieb.
Die Energie ist jedoch sehr gering - der Startvorgang (siehe unten) ist nur Sekundenbruchteile lang und die aufgenommene Wirkleistung ist dabei nicht höher als im Betrieb.
Leuchtstofflampen eignen sich jedoch nur bedingt für wiederholte Schaltvorgänge, eine solche Betriebsweise verschleißt die Kathoden.
Gleiches gilt auch für andere Entladungslampen mit heißen Kathoden. I.d.R. lohnt es sich finanziell, Leuchtstoffröhren nicht auszuschalten, wenn sie in weniger als 10-15 Minuten wieder eingeschaltet werden.
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 des Typs T5 kommen sogar auf bis zu 104 lm/W. 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.
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 seinen 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.
Fluorescent_Lamp_electrode.jpg 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 Elektronenbombardement auf die Elektroden wird nun die Erwärmung der Kathoden durch den Entladungsstrom selbst aufrechterhalten und der Heizstrom durch die Kathoden ist nicht weiter erforderlich.
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. 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, um weiß zu leuchten, aus verschiedenen Leuchtstoffen zusammengesetzt. Durch das Mischungsverhältnis kann die Lichtfarbe eingestellt werden. Eine besonders gute Farbwiedergabe wird mit den sog. Dreibanden-Leuchtstoffen erreicht. Hierbei treten nicht nur einzelne Farben auf, um den Lichteindruck "weiß" zu erzeugen, sondern es sind breitere Bereiche pro Leuchtstoff, sodass keine Farben fehlen. Zu Dekorations- und Werbezwecken werden auch einfarbige Leuchtstoffröhren angeboten.
Röhren ohne Leuchtstoff werden vorwiegend zur Entkeimung von künstlich angelegten Gewässern verwendet, da sich die harte UV-C-Strahlung besonders gut zum Abtöten von Kleinstlebewesen eignet. Dazu muss die Röhre aus Quarzglas gefertigt sein. 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. Sogenannte Schwarzlichtröhren sind außerdem mit Nickeloxid beschichtet, welches den sichtbaren Teil des Quecksilber-Spektrums absorbiert und nur den Ultraviolettanteil austreten lässt.
Niederdruck-Natriumdampflampen sind ähnlich wie Heißkathoden-Leuchstoffröhren aufgebaut, jedoch ohne Leuchtstoff und mit Natrium statt des Quecksilbers. Sie haben noch höhere Lichtausbeute als Leuchstofflampen, jedoch eine sehr schlechte Farbwiedergabe.
Auch Kompaktleuchtstofflampen, sogenannte Energiesparlampen, haben heiße Oxidkathoden.
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 Kaltkathode
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.
Zur konventionellen Zündung einer Leuchtstoffröhre sind zwei Elemente, die Drossel und der Starter wesentlich.
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.
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.
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 (siehe Bild 4). Der Strom fließt nun durch das ionisierte Gas in der Röhre.
Die Betriebsspannung teilt sich an Röhre und Vorschaltgerät 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 einen weiteren Zündvorgang mit jeder Halbwelle auszulösen, da das Gas genügend ionisiert ist und die Elektroden erwärmt sind.
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. Die linke Zuleitung enthält eine in Glas gekapselte Sicherung.
Als Vorteile gegenüber dem konventionellen Vorschaltgerät ergeben sich, je nach Bauform:
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.
leuchtstoff_spektrum.jpg 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 Leuchtstoffröhren mit reduzierter Betriebstemperatur.
Die Lichtfarbe der Lampen ist für die Raumqualität mit von Bedeutung. Auch die Lichtfarben sind den verschiedenen Arbeitsaufgaben bzw. Arbeitsstätten zugeordnet:
| Abkürzung | Bezeichnung | Farbtemperatur | Anwendung |
|---|---|---|---|
| ww | warmweiß / warm white | 2700K | Konferenz- u. Büroräume, Gasträume, Wohnräume |
| nw | Neutralweiß / cool white | 4000K | Schulen, Büros, Werkstätten, Ausstellungsräume |
| tw | Tageslicht / day light | 6500K | 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.
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. Leuchtstoffröhren sind Sondermüll und dürfen nicht über den Hausmüll oder den Altglas-Container entsorgt werden.
Leuchtstoffröhren mit elektronischem Vorschaltgerät erzeugen durch den darin befindlichen Umrichter 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). Diese Störstrahlung trägt zum Elektrosmog bei.
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.
Besonders störend kann sich der Startvorgang konventioneller Leuchstofflampen 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 ist daher die sog. Nahentstörung in der Leuchte (nur durch Fachleute auszuführen) oder ein Netzfilter vor der Leuchte.
Durch das 50Hz-Magnetfeld konventioneller Drossel-Vorschaltgeräte können Bildschirme mit Kathodenstrahlröhre (CRT) gestört werden.
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 der elektrischen und magnetischen Felder von Energiesparlampen und konventionellen Vorschaltgeräten auf den Menschen gibt es jedoch nicht.
Der Röhrendurchmesser von Leuchtstofflampen ist standardisiert: T2 = 7mm, T3 = 9mm, T4 = 13mm, T5 = 16mm, T8 = 26mm, T9 = 30mm, T12 = 38mm.
Die Zahl nach dem Buchstaben "T" steht dabei für Achtel Zoll (engl. inch). Eine T5-Röhre hat also einen Durchmesser von 5/8 inch, was etwa 16mm entspricht.
Standardlängen von Leuchtstofflampen (gerade Form): T5: 24W = 549mm, 39W = 849mm, 49W = 1449mm, 54W = 1149mm T8: 18W = 589.8mm, 36W = 1199.4mm, 58W = 1500mm
Llum fluorescent | Zářivka | Lysstofrør | Fluorescent lamp | Lámpara fluorescente | Loistevalaisin | Lampe fluorescente | Fluorescentna cijev | Lampada fluorescente | 蛍光灯 | Fluorescentielamp | Lysrør | Świetlówka | Lâmpada fluorescente | Lysrör | 螢光管
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