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_Wie funktioniert eine Leuchtstofflampe_ Ausführlich
Wir befassen uns in diesen Erläuterungen
mit Entladungslampen, insbesondere mit den zwei Leuchtstofflampen:
- Die Fluoreszenzröhre (FL-Röhre) mit Niederspannung
- Die Neonröhre mit Hochspannung
Das Prinzip der Entladungslampe
Wie bei einer Glühlampe der elektrische Strom durch einen Metalldraht geleitet wird, so geschieht dies bei der Entladungslampe durch ein Gas oder einen Metalldampf, die leitend sein müssen. In gewöhnlichem Zustand sind Gase und Dämpfe nicht leitend, aber dennoch befinden sich von Natur aus stets eine geringe Zahl geladener Teilchen (freie Elektronen) im Gas. Unter Einfluss der elektrischen Spannung geraten diese umhertreibenden Elektronen in rasche Bewegung. Das Gas oder der Dampf enthalten zwar im Kolben noch grosse Mengen gebundener Elektronen, aber diese sind nicht ohne weiteres verfügbar. Die Anziehungskraft des positiven Atomkerns bindet die negativen Elektroden im Atom.
Die Ionisation
Wenn man die Bindung zwischen Atomkern und Elektron
aufhebt, werden Elektronen frei und fungieren als Leiter des elektrischen
Stroms. Dies geschieht durch Zusammenprall mit den sich rasch fortbewegenden
freien Elektronen. Die auf diese Weise befreiten Elektronen erhalten gleichfalls
grosse Geschwindigkeit und prallen ihrerseits mit anderen Atomen zusammen, so
dass der Vorgang sich rasch ausbreitet (Elektronenlawine). Einen eines
Elektrons beraubten Atomkern nennt man Ion, die Trennung selbst heisst
Ionisation.
Die Zahl der freien Elektronen nimmt also allmählich zu und damit auch die Leitfähigkeit des Gases. Andererseits nimmt unter dem Einfluss der grösseren Leitfähigkeit des Gases auch die Stromstärke noch mehr zu. Durch diese Wechselwirkung setzt sich die Ionisation in beschleunigtem Tempo fort. Ohne Vorschaltung eines Stromstabilisators oder Strombegrenzers (Trafo, Vorschaltgerät) würde sich die Ionisation unbegrenzt fortsetzen; die Folge davon wäre eine Elektronenlawine und eine baldige Zerstörung der Lampe.
Die Lichterzeugung
Die Spaltung in Atomkern und Elektron (Ionisation) erzeugt
jedoch noch kein Licht. Der Zusammenstoss zwischen einem freien Elektron und
einem Atom in Ruhe ist nicht immer so heftig, dass aufs neue ein Elektron
losgerissen wird. Jedoch können, ohne Auftreten von Ionisation, Elektronen aus
ihrer gewöhnlichen Bahn um den Atomkern herausgeschleudert werden.
Jeder Zusammenprall ist mit einer Energieübertragung gepaart. Der ionisierende Zusammenstoss verleiht dem Elektron Energie, um sich aus dem Atomsystem zu befreien. Wird ein Elektron nicht befreit, sondern in eine vom Kern entferntere Aussenbahn gestossen, so sagt man, das Atom sei auf ein höheres Energieniveau gekommen. Aber das Elektron fällt unmittelbar wieder in seine ursprüngliche Bahn zurück und gibt die beim Zusammenstoss aufgenommene Energie wieder frei, und zwar in Form von Strahlungsenergie.
Sofern diese Strahlungsenergie in das sichtbare Gebiet fällt, nehmen wir sie als Licht wahr. Das Ergebnis dieser zweiten Art von Zusammenstössen nennt man die Anregung des Gases.
Die Lichtfarbe
Man kann ein Atom als ein Sonnensystem im kleinen betrachten, wobei der Kern die Sonne und die Elektroden die Planeten darstellen. Die Planeten sind durch die Anziehungskraft des Kerns gezwungen, sich in bestimmten Bahnen um den Kern zu bewegen. Sie können sich nicht zwischen diesen Bahnen aufhalten. Je nach der bei einem Zusammenstoss gewonnenen Energie wird also das Elektron in stufenweise aufeinander folgende Bahnen gestossen. Nun bestimmt die Grösse des Rücksprungs und die ursprüngliche Bahn die Wellenlänge der Strahlung, oder mit anderen Worten, die Farbe des Lichtes. Die beiden wichtigsten Erscheinungen in einer Entladungslampe sind also:
1. Das Leitendwerden des Gases oder des Dampfes durch Ionisation;
2. Der Übergang der an den Atomkern gebundenen Elektronen in weiter aussenliegende Bahnen,
wobei die Bewegungsenergie der feien Elektroden schliesslich in Strahlungsenergie verwandelt wird, die man als Anregung des Gases bezeichnet. Die "Grösse" der Strahlungsenergie bestimmt die Wellenlänge der Strahlung bzw. die Farbe des Lichtes. Die "Grösse" der Strahlungsenergie hängt im allgemeinen von der jeweiligen Edelgasmischung ab.
Neon(-Gas) selbst erzeugt lediglich ein helles orange-rotes Licht; durch die ersatzweise Füllung der Röhren mit anderen Edelgasen lassen sich weitere Farbtöne erzeugen: Argon leuchtet bläulich, Krypton violett, Helium und Xenon geben ein weisses Licht. Aus finanziellen Gründen werden heute allerdings fast ausschliesslich noch Neon und vor allem Argon als Gase verwendet, wobei alle weiteren Farbvariationen durch zusätzliche Leuchtstoffe (Leuchtstoffpulver) oder gefärbte Glasröhren erreicht werden.
Der Bau einer Entladungslampe
Eine Entladungslampe besteht aus einer luftdicht
abgeschlossenen Glasröhre, an deren Enden Stromzuführungen, die Elektroden,
eingeschmolzen sind. In die Röhre oder den Lampenkolben wird ein für die
Entladung geeignetes Gas gebracht (Neon, Argon, Helium, usw.) oder eine
kleine Menge Metall eingeschmolzen (Quecksilber, Natrium), welche zu Beginn der
Entladung verdampft. Handelt es sich um eine Lampe für Gleichstrom, so
bezeichnet man die negative Elektrode als Kathode, die positive als Anode. Bei
den Wechselstromlampen sind die Elektroden so konstruiert, dass sie
abwechselnd als Kathode und Anode dienen.
Die Abmessungen der Lampe richten sich nun weiterhin nach dem Abstand der Elektroden voneinander, nach der Gas- oder Metallmenge und ihrem Druck und nach der elektrischen Spannung an den Elektroden.
Die Stabilisierung der Entladung (Anwendung von Vorschaltgeräten und Transformatoren)
Es wurde bereits erwähnt, dass die Ionisation,
unbeschränkt weitergehen und die Stromstärke übermässig gross werden würde,
wenn man den für eine konstante Lichterregung erwünschten Zustand nicht
stabilisierte. Zu diesem Zweck muss man den elektrischen Strom begrenzen und
eine Leuchtstofflampe stets mit einem Gerät zur Stromstärkenbegrenzung (Vorschaltgerät,
Transformator) versehen.
Nach dem Ohmschen Gesetz kann die Stärke eines durch einen Leiter fliessenden Stromes nur bei einem gleichzeitigen Wachsen der Spannung zunehmen. Ein Leiter, der sich entsprechend dem Ohmschen Gesetz verhält, besitzt eine positive Widerstandcharakteristik. Es zeigt sich nun, dass eine Entladungslampe eine negative Charakteristik aufweist, d.h., dass die Spannung bei zunehmender Stromstärke sinkt. Es ist daher nötig, zur Stabilisierung des Stromes die Lampe mit einem geeignetem Widerstand in Serie zu legen, so dass die negative Charakteristik in eine positive verwandelt wird.
Hierfür könnte man einen Ohmschen Widerstand verwenden. Ein solcher Widerstand nimmt jedoch so viel Energie auf, dass der Vorteil der hohen Lichtausbeute der Lampen hierdurch weitgehend aufgehoben werden könnte. Darum benutzt man zu diesem Zwecke einen induktiven Widerstand, z.B. eine Drosselspule. Die Energieverluste sind sodann sehr gering.
Die Fluoreszenz
Ein Leuchtstoff besitzt die Eigenschaft, Strahlungen
bestimmter Wellenlänge in Strahlungen grösserer Wellenlänge umzuwandeln
(niemals umgekehrt); man könnte ihn deshalb einen Wellenlängen-Transformator
nennen. Die Entladung mancher mit Quecksilberdämpfen gefüllten Lampen liefert
ausser sichtbarer auch unsichtbare, ultraviolette Strahlung, die jedoch durch
das Glas des Lampenkolbens absorbiert wird, also nicht nach aussen tritt. Diese
unsichtbare Strahlung lässt sich nun der Beleuchtung nutzbar machen,
indem man sie durch eine Leuchtstoffschicht (Leuchtstoffpulver) in sichtbare Strahlung
umwandelt.
Zu diesem Zweck bringt man den Leuchtstoff an der Innenseite der Lampenkolbens auf. Die Art des Leuchtstoffes bestimmt die Farbe der in Licht umgewandelten Strahlung. Bei Verwendung geeigneter Leuchtstoffe kann man Licht jeder Farbzusammensetzung erzielen.
Die Fluoreszenzröhre (Leuchtstofflampe für Niederspannung)
Aus elektrischen, licht- und
gebrauchstechnischen Gründen sind die Standardlängen der am meisten
verwendeten FL-Röhren 60, 100, 120 und 150 cm. Diese Lampen werden in den
verschiedensten Farben hergestellt, vor allem jedoch in Tageslicht, Weiss und
Warmweiss. Die bei weitem
gebräuchlichste und wirtschaftlichste Leuchtstofflampe für Niederspannung ist die 40
W-Lampe. Etwa 60 % aller in der Welt hergestellten Leuchtstofflampen
sind von diesem Typ. Diese Lampe besitzt eine international genormte Länge von 120
cm, bei einem Röhrendurchmesser 38 mm.
Das Leuchtstoffpulver ist gleichmässig über die Innenwand der FL-Röhre verteilt. Die Lampe erhält dadurch das Äussere einer Milchglasröhre. Die Leuchtdichte der FL-Röhre ist verhältnismässig niedrig und liegt sogar unter der Blendungsschwelle. Die Lichtausbeute der Leuchtstofflampe für Niederspannung nimmt mit der Lebensdauer allmählich ab. Charakteristisch ist der Lichtrückgang während den ersten 100 Brennstunden mit etwa 10 %. Mit Rücksicht darauf wird unter dem nominalen Lichtstrom der Röhre der Lichtstrom nach 100 Brennstunden verstanden. Im Allgemeinen wird bei diesen Lampen der Lichtstrom nach 7500 Brennstunden auf 75 % des nominalen Lichtstroms garantiert.
Man kann die Lebensdauer der FL-Röhre als Zeitraum betrachten, während welchem die Lampe noch eine zufriedenstellende Lichtausbeute besitzt. Bei längerem Gebrauch wird die Lampe sozusagen zu teuer im Verbrauch im Verhältnis zur Lichtmenge, die sie noch abgibt. Dann ist es vorteilhafter, die alte Lampe durch eine neue zu ersetzen.
"Neonröhre" (Leuchtstofflampe für Hochspannung)
Im Laufe der Jahre ist die Bezeichnung
"Neonröhre" der Sammelname für die an die Hochspannung
anzuschliessenden Leuchtstofflampen geworden,
unabhängig davon, ob die Röhren tatsächlich mit Neon oder mit einem anderen
Gas gefüllt sind.
Die Lichtfarbe der Neonröhre hängt hauptsächlich von der verwendeten Gassorte oder dem Metalldampf ab sowie von der Farbe des Glases; bei den fluoreszierenden Hochspannungsröhren noch obendrein von der Art des in der Röhre befindlichen Pulvers. Da die Lichtausbeute der Hochspannungsröhren ziemlich hoch ist, verwendet man sie nicht nur als Lichtreklame, sondern auch zur Ausleuchtung von verschiedenen Räumlichkeiten. Vor allem dann, wenn die korrekte Ausleuchtung eine Verformung der Röhre verlangt.
Neonröhren werden an einen Hochspannungstransformator in Reihe geschalten. Man kann sie auch stückweise an einen Transformator, der für die Zündspannung einer Röhrenlänge berechnet ist, anschliessen.
Man unterscheidet Neonröhren u.a. nach solchen ohne Leuchtstoffpulver (nicht fluoreszierende) und mit Leuchtstoffpulver (fluoreszierende Röhren). Die Lichtausbeute und auch die Anzahl möglicher Farbvariationen sind bei den fluoreszierenden Röhren grösser als bei den gewöhnlichen Hochspannungsröhren. Weiterhin hängt bei beiden Sorten von Neonröhren die Lichtausbeute von Stromstärke und vom Röhrendurchmesser ab. Im allgemeinen bedeutet eine Verdoppelung der Stromstärke bei gleichen Röhrendurchmesser eine Verdoppelung des Lichtstroms. Bei gleichbleibendem elektrischen Strom bedeutet Vergrösserung des Röhrendurchmessers Verringerung des Lichtstromes, weil die Bogenspannung dann niedriger ist und damit auch die aufgenommene Leistung in Watt.
Vor- und Nachteile Vergleich Fluoreszenzröhre und Neonröhre
Hochspannungsröhren bieten den Vorteil, dass sie von hoher Lebensdauer sind (ca. 20`000 h je nach Farbe); sie zünden direkt und ohne Starter. Ihre Nachteile bestehen darin, dass eine Hochspannungs-Anlage erforderlich ist. Die Anlagekosten sind im Vergleich zur FL-Röhre um einiges höher, die Betriebskosten jedoch bedeutend niedriger als bei den Niederspannungs-Leuchtstofflampen.