Licht und Technik

Glühlampen.

Entwicklung.

Glühlampen heissen umgangssprachlich wegen ihrer Form auch Glühbirnen.

Die Geschichte der Glühbirne ist eigentlich die Geschichte des Glühfadens. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurde mit verschiedenen Metallen, mit Papierleitern und Holzkohlestreifen experimentiert. Die Lichtausbeute blieb aber immer sehr gering und die Birnen hielten nicht lange. Thomas Alva Edison änderte das 1879. Seine Glühbirne mit einem Kohlefaden aus Bambus leuchtete ansehnlich hell und hielt schon 1200 Stunden. Der Nachteil: Kohlefadenlampen sind sehr empfindlich gegen Erschütterungen. Edisons General Electric Company patentierte anfangs des 20. Jahrhundert ein System mit Wolframfaden. Noch heute findet sich dieses Metall als Glühfaden in den allermeisten Glühbirnen. Wolfram erlaubt eine Erhöhung der Betriebstemperatur und damit eine bessere Lichtleistung pro Watt.

In der Glühbirne wird ein leitender Draht mit Elektrizität aufgeheizt und zum Glühen und Leuchten gebracht. Er besteht in der Regel aus Wolfram. Je nach Bauart erreicht der Glühfaden eine Temperatur zwischen 1500°C und 3000°C. Die dabei freigesetzte Strahlung liegt vor allem im sichtbaren Teil des Lichtspektrums. Um die Leuchtleistung der Glühbirne zu erhöhen, wird der Glühfaden zu einer Spirale, einer sogenannten Wendel gebogen, was die leuchtende Fläche stark vergrössert. So lassen sich kleinere Birnen produzieren, ohne die Lichtleistung zu verringern. Mit der reduzierten Grösse der Birnen lässt sich das Licht auch besser bündeln.

Beim Einschalten einer Glühbirne bringt ein hoher Stromstoss, der bis zum 10-fachen des Nennstroms betragen kann, die Glühwendel auf Betriebstemperatur. Mit steigender Temperatur nimmt der elektrische Widerstand zu und der Strom sinkt auf den Nennwert ab.  

Der hohe Einschaltstrom ist eine Belastung für die Energieversorgung der Lampe, insbesondere für die Netzsicherungen. Oft ist der massive Einschaltstrom verantwortlich für das Bersten von Glühlampen beim Einschalten. Um dies zu verhindern wird auch in Glühlampen, die im Haushalt Verwendung finden, eine Schmelzsicherung eingebaut.

Die Aufgabe des Glaskolbens ist es, die Glühwendel vom sauerstoffhaltigen Milieu fernzuhalten, um ein sekundenschnelles Verglühen zu verhindern. Deshalb setzte man früher den Glaskolben unter Vakuum, heute ist er gefüllt mit einem Schutzgas. Beim Glühen dampft Metall vom Glühfaden ab und setzt sich auf dem Glaskolben an. Das Schutzgas verringert die Sublimationsrate des Wolframs und damit den Niederschlag am Kolben. Leistungsfähige Glühbirnen sind idealerweise grösser, damit sich der Niederschlag auf einer grösseren Fläche verteilen kann und so eine Trübung des Glaskolbens weitgehend verhindert.

Die Lebensdauer von Glühbirnen beträgt 1000 h bis 2000 h. In der Anschaffung ist sie das billigste Leuchtmittel. Und mit einem Farbwiedergabeindex von 100 CRI das Leuchtmittel mit der natürlichsten Farbwiedergabe. Im Vergleich zu anderen Leuchtmitteln arbeiten Glühbirnen aber ausgesprochen ineffizient. Die benötigte elektrische Energie wird nur zu einem sehr geringen Teil in sichtbares Licht umgewandelt. Der Wirkungsgrad bei konventionellen Glühlampen beträgt ca. 5%. Der weitaus grösste Teil der Energie wird als Wärme abgestrahlt. Glühlampen enthalten weder Gifte noch rare Stoffe, ihre Entsorgung ist unproblematisch. Ihr Betrieb führt nicht wie bei anderen Leuchtmitteln zu Netzverseuchung durch pulsierende Entnahmeströme.  

Aufgrund der geringen Energieeffizienz wurden oder werden konventionelle Glühbirnen in vielen Ländern aus dem Markt genommen. Sie sollen durch ökonomischer und ökologischer arbeitende Technologien, zum Beispiel durch LED-Lampen, ersetzt werden.

Halogenlampen.

Entwicklung.

Halogenlampen sind eine Weiterentwicklung der Glühlampe. Ihr Licht entsteht ebenfalls durch die Erhitzung einer Wolframwendel. Im Unterschied zur klassischen Glühbirne ist der Kolben aber mit Halogengas gefüllt. Dies reduziert den Verschleiss der Glühwendel und die Trübung oder Schwärzung des Glaskolbens. Halogenlampen arbeiten effizienter als Glühlampen.

Die Glühwendel in einer klassischen Glühlampe arbeitet mit einer Betriebstemperatur von 2500°C bis 3000°C. Dabei sublimiert ein kleiner Teil des Wolframwendels und setzt sich im Innern des Glaskolbens ab. Dadurch wird die Wolframwendel dünner und der Kolben trübt ein. Füllt man den Kolben mit einem Halogengas wie Iod oder früher Brom setzt man den Wolfram-Halogen-Kreisprozess in Gang. In diesem Prozess setzt sich das gasförmige Wolfram nicht an den Glaskolben, sondern geht mit dem Halogen eine gasförmige Verbindung ein. Teile dieser Verbindung kommen dem Glühdraht wieder nahe. Dadurch zerfällt die Verbindung und Wolfram wird wieder vom Glühfaden aufgenommen. Trotz der hohen Betriebstemperatur bleibt der Glühdraht stabil und der Glaskolben klar.

Der Glaskolben von Halogenlampen ist klein dimensioniert, was eine Erhitzung auf über 250°C gewährleistet. Die hohe Temperatur verhindert ein Anlagern von sublimiertem Wolfram und verbessert den Energiehaushalt und die Effizient. Der Glühfaden sollte einen grossen Durchmesser aufweisen, um die Lebensdauer der Lampe zu erhöhen, denn Wolfram wird kaum gerade dort wieder aufgenommen, wo es sich vorher gelöst hat.

Für Halogenlampen mit einer niedrigen Betriebsspannung bis 24 Volt werden einfach gewendelte Glühfäden verwendet. Bei Hochvolt-Halogenlampen kommen Doppelwendel zum Einsatz, Wendel, deren «Faden» bereits gewendelt ist. Die damit erreichte höhere Dichte bewirkt ein gegenseitiges Aufheizen der Wendeln, eine höhere Temperatur und eine höhere Lichtleistung bei gleichem Energieverbrauch.

Mit der Infra-Red-Coating-, IRC-Technik lässt sich der Energieverbrauch bei gleicher Lichtleistung um bis zu 30% senken. Dabei wirft eine spezielle Beschichtung des Lampenkolbens die Wärmestrahlung der Glühwendel wieder auf die Wendel zurück. Die damit erzielte Temperatursteigerung ermöglicht eine signifikante Reduktion der Energiezufuhr.

Die Lebensdauer von Halogenlampen beträgt zwischen 2000 h und 6000 h. Durch die Steigerung der Betriebstemperatur ist die Lichtleistung deutlich höher, rund 15 – 20 Lumen pro Watt im Vergleich zu 9 – 14 Lumen pro Watt bei der klassischen Glühbirne. Auch die Energieeffizienz liegt deutlich höher. Eine Halogenlampe erzielt die gleiche Helligkeit mit einem rund 30% kleineren Energieaufwand.

Die Betriebsspannung von Niedervolt-Halogenlampen erfordert das Zwischenschalten eines 12-Volt-Netzteils. Dies kann die Effizienz von Halogen-Beleuchtungen wiederum reduzieren.

Vor allem wenn, wie bei Transformatoren, beträchtlicher Standby-Verbrauch entsteht.

Halogenlampen strahlen einen geringen Teil von UV-Licht ab. Bei ungewöhnlich langen Aufenthalten in nächster Nähe, zum Beispiel einer Bürolampe, kann die Gefahr eines Sonnenbrandes entstehen. Verhindern lässt sich dieser Makel mit Halogenlampen, deren Glaskolben UV-absorbierende Substanzen enthalten.  

Wie die klassischen Glühbirnen werden auch wenig energieeffiziente Halogenlampen heute aus dem Markt genommen.

Leuchtstoffröhren.

Entwicklung.

Heinrich Geissler gilt als Erfinden der Leuchtstoffröhre. Seine mit den Edelgasen Argon oder Neon gefüllte Röhre mit je einer Elektrode an beiden Ende begann zu leuchten, wenn sie unter Spannung gesetzt wurde. Noch heute lehnt sich der volkstümliche Begriff«Neonröhre» an die Erfindung aus dem Jahre 1857 an. In einer Weiterentwicklung wurde das zur Entzündung notwendige Edelgas in der Röhre mit Quecksilberdampf angereichert und das Innere der Röhre mit einem Leuchtstoff beschichtet, der die ultraviolette Strahlung in sichtbares Licht verwandelt. Leuchtstoffröhren sind in standardisierten Durchmessern und Längen erhältlich. Der Röhrendurchmesser, abgekürzt T, vom englischen tube für Röhre, erstreckt sich von T2 bis T12. Die Ziffern stehen für eine entsprechende Anzahl Achtel Zoll. Die gebräuchlichsten Leuchtstoffröhren sind die T8 und die T5. Mit 8/8, bzw. 5/8 Zoll haben sie einen Durchmesser von 25,4, bzw. 16 mm. Leuchtstoffröhren sind als T9 auch in Ring- und U-Form erhältlich

Eine hohe elektrische Spannung im Innern der Röhre ist die Bedingung, dass die Lampe gezündet werden kann. Zur Steuerung von Spannung und Strom benötigen Leuchtstofflampen eine Vorschaltgerät mit Drossel und Starter. Konventionelle Vorschaltgeräte, KVG, werden heute von EVG, elektronischen Vorschaltgeräten, abgelöst. Diese arbeiten flackerfrei und schneller als KVG.

Durch das Zünden wird das Gas elektrisch leitend. Das Plasma benötigt zum Erhalt der elektrischen Leitfähigkeit einen bestimmten Mindeststrom, der unter anderem vom Gasdruck abhängig ist. Solange der Mindeststrom gewährleistet ist, leuchtet die Lampe. Für das Leuchten verantwortlich ist der Leuchtstoff auf der Innenseite der Röhre, deshalb auch der Name «Leuchtstoffröhre».

Sobald der Leuchtstoff mit dem vom Plasma freigesetzten UV-Licht bestrahlt wird, beginnt er im sichtbaren Spektrum zu fluoreszieren. Der Leuchtstoff setzt den grössten Teil der Energie in Fluoreszenzlicht um, der Rest an UV-Strahlung wird vom Glas der Röhre weitgehend absorbiert. Durch eine Mischung unterschiedlicher Leuchtstoffe kann die Lichtfarbe präzise eingestellt werden.

Erst nach der Erwärmungsphase von wenigen Sekunden entwickeln Leuchtstoffröhren den notwendigen Betriebsdruck und die ganze Leuchtkraft. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann die Leuchtstärke signifikant abnehmen. Für den Aussenbereich und für Kühlräume sind deshalb spezielle Leuchtstoffröhren erhältlich.

Die Entwicklung geht hin zu schlankeren Röhren mit höherer Leistungsfähigkeit. Ein kleinerer Material-, Transport- und Lageraufwand auf der Produktionsseite und ein geringerer Energieaufwand auf der Betriebsseite schlagen positiv zu Buche.

Moderne Leuchtstoffröhren haben eine Lebensdauer von über 15000 Stunden. Sie erzielen eine Leistung zwischen 45 und 100 Lumen pro Watt. Im Vergleich zu Glühbirnen mit einer Leistung von 10 bis 15 Lumen pro Watt entspricht das einer Effizienzsteigerung um den Faktor 4 bis 7.

T5-Leuchtstofflampen sind in zwei Varianten erhältlich: als HO, High Output und als HE, High Efficiency. HO-Lampen sind bei gleicher Leistung kürzer als HE-Lampen. Seit kurzem stehen neue HO- und HE-Typen zur Verfügung, die für die gleiche Lichtstärke einen um acht bis zehn Prozent geringeren Energieaufwand benötigen.

Energiesparlampe.

Entwicklung.

Energiesparlampe umfassen Lampentypen unterschiedlicher Technologien, sie zeichnen sich durch einen besonders kleinen Energieaufwand aus. In der Schweiz versteht man unter einer Energiesparlampe in der Regel eine Kompakt-Leuchtstofflampe, CFL. Diese kleine Leuchtstofflampe sollte die traditionelle, verbrauchsintensive Glühbirne ablösen.

Kompakt-Leuchtstofflampen sind eine Weiterentwicklung der Leuchtstoffröhre und seit ca. 1980 im Handel. Die ersten Modelle konnten durch ihre Abmessungen und des hohen Gewichts wegen nicht in allen Leuchten eingesetzt werden.

Kompakt-Leuchtstofflampen unterscheiden sich auch heute noch durch ihre Grösse und die Farbe deutlich von vergleichbaren Glühbirnen. Ein transparenter Glaskolben ist technisch nicht möglich. Die generierte Lichtenergie im UV-Bereich ist unsichtbar und wird erst durch die Innenbeschichtung der Gasentladungsröhre mit Leuchtstoff in sichtbares Licht umwandelt. Das weniger gleichmässige Lichtspektrum der Energiesparlampe vermittelt den Eindruck, das Licht sei kälter, auch wenn die Farbtemperatur-Werte denjenigen der Glühbirne entsprechen.  

Energiesparlampen gehören zu den Quecksilberdampf-Niederdrucklampen. Die Gasentladungsröhre ist im Vergleich zur klassischen Leuchtstoffröhre sowohl im Durchmesser als auch in der Länge kleiner. Aus Platzgründen, und um dem gewohnten Bild der traditionellen Glühbirnen zu entsprechen, wurde die Röhre gebogen, gewendelt oder gefaltet. Durch die Erhöhung des Gasdrucks in der Röhre wird eine höhere Leuchtdichte erzielt.

Man unterscheidet zwischen Lampentypen mit und solchen ohne integriertes Vorschaltgerät. Heute sind Lampen mit integriertem elektronischem Vorschaltgerät, EVG, die Regel. Die kleineren Abmessungen sind der entscheidende Vorteil. Sie wiegen auch die teurere Anschaffung und den Nachteil auf, dass Lampe und EVG als Konstruktionseinheit nur zusammen entsorgt werden können. Energiesparlampen verfügen normalerweise über einen Schraubsockel mit E14- oder E27-Gewinde und können in die klassischen Glühbirnenfassungen eingedreht werden.

Energiesparlampen erreichen ihre ganze Leuchtkraft erst nach einigen Sekunden. Diese Erwärmungsphase ist besonders in Umgebungen ohne jedes Tageslicht gewöhnungsbedürftig.

Energiesparlampen erreichen eine Leistung von etwa 50 bis 60 Lumen pro Watt. Im Vergleich zu Glühbirnen bedeutet dies eine vier- bis fünffache Steigerung der Effizienz. Die Haltbarkeit liegt zwischen 6000 und 10000 Stunden. Kurze Schaltzyklen und fehlende Kühlung in geschlossenen Leuchten können die Lebensdauer aber signifikant verkürzen.

Energiesparlampen enthalten das giftige Schwermetall Quecksilber. Defekte Lampen müssen deshalb schnell und vollständig fachgerecht entsorgt werden und gehören keinesfalls in den Hausabfall. Dazu schreibt die Direktion Verbraucherschutz des Bundesamtes für Gesundheit BAG in einem Merkblatt:

«In der Schweiz und der EU erhältliche Energiesparlampen enthalten einen Quecksilberanteil von maximal 3,5 mg. Das ist in etwa 285 Mal weniger, als in einem Quecksilberthermometer enthalten ist. Quecksilber ist giftig und kann unter anderem das zentrale Nervensystem schädigen. Dennoch stellt nicht jedes Gift automatisch ein Risiko dar. Die Dosis und die Exposition sind entscheidend. Solange die Glashülle der Energiesparlampe intakt ist, kann das Quecksilber nicht austreten und die Lampe stellt kein Risiko dar. Hingegen kann aus einer zerbrochenen Lampe Quecksilber in die Raumluft gelangen und eingeatmet werden. Verschiedene Studien in den USA und Deutschland haben jedoch gezeigt, dass die Quecksilberkonzentration durch sofortiges Lüften und anschliessendes Beseitigen der Scherben sehr rasch auf einen gesundheitlich unbedenklichen Wert sinkt.

Auch intakte Energiesparlampen sollen Medienberichten zufolge nicht ungefährlich sein, weil sie krebserregende Stoffe freisetzen können, wie eine Untersuchung unter extrem harten

Versuchsbedingungen gezeigt hat. Tatsächlich können Kunststoffmaterialien und vor allem Kunstharze, die bei Energiesparlampen und bei konventionellen Glühbirnen als Kleb- und Dichtungsstoffe eingesetzt werden, flüchtige Stoffe in die Luft freisetzen, darunter auch solche mit gefährlichen Eigenschaften.»

LED-Lampen.

LED-Lampen zeichnen sich durch einen sehr niedrigen Energieverbrauch aus und äusserst lange Haltbarkeit. LED-Lampen bieten überdies völlig neue Möglichkeiten im farbbetonten Lichtdesign. Eine optimale Dimmbarkeit ist aber nicht ohne Weiteres gewährleistet. Bis 2020 rechnen Fachleute mit einem Marktanteil der LED-Lampen von rund 2/3.

LED ist die Abkürzung für Lichtemittierende Diode. Eine Diode ist ein Halbleiter. Ein Ventil, das den Stromfluss nur in eine Richtung erlaubt. Eine Lichtemittierende Diode gibt während des Stromflusses Licht ab. Drei Stationen standen am Anfang der LED Entwicklung:

Karl Ferdinand Braun erforschte die stromleitenden Eigenschaften von Kristallen. Er fand heraus, dass sie Strom in einer Richtung gut leiten können, in die andere Richtung jedoch nur sehr schlecht.

Der englische Forscher H.J. Round entdeckte 1907, dass gewisse anorganische Stoffe unter elektrischem Strom Licht abstrahlen.

Lossev entdeckte 1921 die Fähigkeit von Kristallen, kaltes Licht abzugeben, er gilt als der Erfinder der Leuchtdiode.

Leuchtdioden bestehen aus zwei Schichten von Halbleitermaterial. Die eine Schicht verfügt über einen Überschuss an Elektronen. Die andere ist unterdotiert an Elektronen, diese Schicht ist durchsetzt mit «Elektronenlöchern». Die unterschiedliche Ladungsverteilung wird erreicht durch die Zugabe von anderen Atomen, wie Bor oder Silizium, zum jeweiligen Halbleitermaterial.

Es genügt, eine kleine Spannung in Flussrichtung aufzubauen, um einen Stromfluss zwischen den beiden Schichten zu starten. Die Elektronen fliessen von der Schicht mit Elektronenüberschuss in die Schicht mit Elektronenmangel und werden dort von den Elektronenlöchern absorbiert. Dabei geben die Elektronen ihre Energie ab – in Form von Licht. Die Lichtstärke wächst proportional zur Stromstärke.

Durch die Auswahl von Halbleitermaterialien und ihre Dotierung mit Fremdatomen können die Eigenschaften des abgestrahlten Lichtes gezielt variiert werden. Anders als Glühlampen sind LED-Lampen keine Wärmestrahler. Ihr Licht umfasst einen begrenzten Spektralbereich, es ist nahezu monochromatisch. Ohne Verwendung von Farbfiltern, wie sie bei anderen Lichtquellen erforderlich sind, kann mit der Wahl des entsprechenden Halbleitermaterials praktisch jede Lichtfarbe erreicht werden. Die Kombination unterschiedlicher LEDs ist dank geringster Abmessungen einfach und erlaubt ein optimal steuerbares Licht- und Farbmanagement.

LED-Lampen, die für die Beleuchtung von Wohn- und Arbeitsräumen verwendet werden und ein möglichst neutrales oder eher warmes Licht abgeben sollen, nutzen ein ähnliches Prinzip wie die Leuchtstoffröhren. Das Licht einer blauen LED bringt eine ummantelnde Phosphormischung zum Leuchten und erzeugt dabei ein Licht, das mit demjenigen der klassischen Glühbirne vergleichbar ist.

LED-Systeme weisen einen Wirkungsgrad von ca. 30% auf. Für 100 Lumen pro Watt benötigen sie eine sechs Mal kleinere Leistungsaufnahme als eine traditionelle Glühbirne. Die grossen Unterschiede im Bereich des Power Factor, PF, von 0,5 bis 0,95 zeigen aber, dass die Effizienz von LED-Lampen sehr unterschiedlich sein kann. Mit einem Farbindex zwischen 70 und 80 CRI verfügen Sie nur über eine eingeschränkte Farbwiedergabetreue. Handelsübliche LED-Lampen in Glühbirnenform erreichen eine Lebensdauer von 25000 h bis 45000 h. Dabei gilt nicht der LED-Chip in erster Linie der begrenzende Faktor. Ein LED-Chip ist bedeutend unempfindlicher gegenüber Schaltvorgängen als Glühlampen oder Energiesparlampen und überlebt viele Million Schaltprozesse. Der begrenzende Faktor der Schaltzyklen von LED-Lampen ist in der Vorschaltelektronik zu finden, in der Steuerelektronik und im eingebauten Netzteil. Diese Bauteile sind weitaus empfindlicher gegenüber Schaltungen und den damit verbundenen thermischen Wechselbelastungen als die LED selbst. LED-Lampen sind inklusive der damit verbundene Vorschaltelektronik schaltfester als normale Energiesparlampen. Die Herstellerangaben für Qualitäts-LED-Lampen liegen im Bereich von 50.000 bis 1 Million Schaltzyklen.