Allgemeines

Neonlampen

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 Elektronen zu verwirren, denn Neon besitzt 10 davon, nämlich 2 auf der ersten und 8 auf der zweiten Schale). Da die einzelnen Atome sehr weit voneinander entfernt sind, können die Elektronen, sofern sie aus ihrer Schale herausgeschlagen werden, 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. Bei entsprechend hoher Energie ("Frontalzusammenstoß") kann eines der zum Atom gehörenden Elektron auch den Anziehungsbereich des Atomkerns verlassen. Aber 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 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.
 

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 mit kürzerer Wellenlänge. Bei Neon wird rot-/oranges Licht abgestrahlt. Auch andere Edelgase wie Argon oder Krypton geben sichtbares Licht ab und werden als 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

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 sprich Hochspannung 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. Zu diesem Zweck sind die Elektroden an beiden Enden der Röhre als Glühwendel ausgeführt. Im Einschaltaugenblick ermöglicht der geschlossene Starterkontakt einen Stromfluß durch die beiden Glühwendeln wie in Bild 3 dargestellt.
 

Durch die Heizwendeln erreicht man gleich 2 Dinge: Erstens verdampft durch die Hitze 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 typisch etwa 0,5 bis 2 s öffnet, will die Vorschaltdrossel, wie es dem Wesen einer Drossel (=Spule) entspricht, den Stromfluß aufrecht erhalten. Der Starterkontakt ist jedoch geöffnet, so daß der Stromfluß hier unterbunden ist. Die Spannung steigt daher schlagartig an, bis irgendwo ein Funke überspringt, damit der Stromfluß aufrecht erhalten werden kann. Der gewollte Weg ist hierbei durch die Röhre, wobei man es durch das Vorheizen dem Strom relativ einfach macht. Denn die jetzt stromlosen Glühwendeln glühen noch eine Weile nach, so daß aus ihnen relativ leicht Elektronen austreten können, und auch das verdampfte Quecksilber schlägt sich nicht schlagartig nieder. Bei einer Spannung von größenordnungsmäßig 1000 V zündet die Röhre, d.h. es findet ein Stromfluß von einer Elektrode zur anderen statt. Einmal gezündet, braucht man keine sehr hohe Spannung mehr. Sofort nach dem Zünden bricht daher die Spannung auf die sogenannte Brennspannung von ungefähr 100 V zusammen. Zudem bleibt der Stromfluß erhalten, obwohl sich die Heizwendeln langsam abkühlen.
 
 

Durch den Stromfluß durch die Röhre werden die Quecksilberatome zum Leuchten angeregt. Das Prinzip ist dabei das gleiche wie bei z.B. den Neonlampen. Hierbei heizt sich die Lampe ein wenig auf, so daß langsam 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 klar, warum Leuchtstoffröhren bei niedrigen Temperaturen schlecht zünden; denn hierbei verdampft trotz Vorheizens nur relativ wenig Quecksilber, weil die Röhre ziemlich lang ist und die Heizwendeln sich nur an den Enden befinden.

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 etwa 9 W hängen, die einfach in Wärme umgewandelt werden. 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.

Beim Zündvorgang gibt es leider öfter Probleme: Der in überwiegender Mehrheit anzutreffende Bimetallstarter öffnet den Kontakt zu einem beliebigen Zeitpunkt. Ideal wäre, wenn dies im Strommaximum geschieht, damit ein energiereicher Zündfunke induziert wird. Gar nicht selten passiert dies jedoch im falschen Moment d.h. bei niedrigen Strömen, so daß die Röhre zwar kurz aufblitzt, aber sofort wieder verlöscht. Abhilfe schafft ein sogenannter elektronischer Starter, der meistens nur wenig mehr als 5 DM kostet und sein Geld mehr als wert ist, weil er nicht nur die Röhre in der Regel beim ersten Versuch zündet sondern zudem durch die sich dadurch ergebende Reduzierung der Heizzyklen den Verschleiß an den Heizwendeln verringert und damit die Lebensdauer der Röhre deutlich erhöht. Außerdem werden Leuchtstoffröhren in aller Regel mit niederfrequentem Wechselstrom betrieben, d.h. bei den üblichen 50 Hz geht alle hundertstel Sekunde der Strom auf Null zurück und wechselt die Polarität. Kurz vor jedem Nulldurchgang ist die Spannung so gering, daß die Röhre verlöscht und das ionisierte Quecksilber abkühlt. Bei kalter Röhre kann die Abkühlung so stark sein, daß sie in der nächsten Halbwelle, in der sie normalerweise auch bei Netzspannung sofort wieder zündet, dies nicht tut. Deshalb sind oft mehrere Startversuche erforderlich, bis die Röhre stabil brennt.

In Büroräumen kommen oft Hochfrequenzsysteme zum Einsatz, die meistens mit 35 bis 40 kHz arbeiten. Wegen der infolge der deutlich höhreren Frequenz ganz erheblich kürzeren Zeit kann das Quecksilber beim Nulldurchgang kaum abkühlen, so daß die Röhre zuverlässig sofort wieder zündet. Auch die Vorglühzeit kann viel kürzer sein, so daß fast unmittelbar nach dem Einschalten der Spannung die Röhre Licht abgibt. Zudem sind die Verluste im Vorschaltgerät deutlich geringer als in einer konventionellen Vorschaltdrossel. Nachteilig ist der verglichen mit einer Vorschaltdrossel ganz erheblich höhere Preis.

Aufgrund des Quecksilberanteils sind Leuchtstofflampen aller Bauformen nicht unbproblematisch. Keinesfalls sollte man die Röhren zur Entsorgung zerschlagen, denn Quecksilber ist bereits in geringer Menge hochgradig gesundheitsgefährdend. 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. Meistens kann man defekte Röhren dort zurückgeben, wo man neue kaufen kann.

Leuchtstofflampen sind sehr weit verbreitet, vor allem als gerade Röhre. Ebenfalls erhältlich sind die sogenannten Energiesparlampen. In diesen ist ein elektronisches Vorschaltgerät mit einer odere mehreren dünnen, gefalteten Röhren zusammengefaßt, so daß man sie anstelle von normalen Glühlampen verwenden kann. Der Wirkungsgrad von Leuchtstofflampen ist mit zwischen ca. 8 und 15 % deutlich höher als der von Glühlampen, wobei lange Lampen mit großem Durchmesser einen höheren Wirkungsgrad besitzten als solche mit kurzer Röhre ("Energiesparlampen"). Die Lichtfarbe von vor allem preisgünstigen Leuchtstofflampen wird oft als unnatürlich empfunden. Zudem stört oft das Flackern von konventionell mit Vorschaltdrossel betriebenen Röhren. Für Pflanzen ist auch das Licht von sehr einfach gebauten und daher preiswerten Leuchtstofflampen gut geeignet, sofern das Verhältnis von blauem zu rotem Licht günstig ist, was für Röhren mit der Lichtfarbe "kaltweiß" zutrifft.
 
 

Metalldampf-Niederdrucklampen

Neben Quecksilberdampf-Niederdrucklampen, die ultraviolettes Licht aussenden, sind vor allem Natriumdampf-Niederdrucklampen bekannt, die gelbes Licht mit einer Wellenlänge von 589 nm abgeben. Letzeres dürfte 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 Lichtquelle für die Verarbeitung von Color-Fotopapieren ebenfalls antreffen. Auch als Pflanzenbeleuchtung sind Natriumdampf-Niederdrucklampen aufgrund des hohen Wirkungsgrads weit verbreitet. Ganz optimal ist dieses Licht jedoch nicht, weil es ein wenig zu langwellig ist und damit Pflanzen geringfügig zur Vergeilung d.h. zum Monsterwuchs anregt. Dies kann man ggf. durch zusätzlichen Einsatz einer Lampe, die bläuliches Licht aussendet, gut kompensieren. Im Erwerbsgartenbau ist diese leichte Vergeilung jedoch meistens erwünscht, weil dadurch die Pflanzen monströser wachsen und sich über ihre Wuchshöhe ein höherer Preis erzielen läßt.