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Die Leuchtstoffröhre ist eine Niederdruck-Gasentladungslampe, die innen mit einem fluoreszierenden Leuchtstoff beschichtet ist. Als Gasfüllung dient Quecksilberdampf und zusätzlich meist Argon. Die Ultraviolettstrahlung wird von der Leuchtstoff-Beschichtung in sichtbares Licht umgewandelt
Leuchtstoff
Um den Anteil des sichtbaren Lichts zu erhöhen, wird das Entladungsgefäß von innen mit einem Leuchtstoff beschichtet, der im sichtbaren Spektrum zu leuchten beginnt, sobald er mit UV-Licht von innen bestrahlt wird. 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, so dass nur unbedenklich wenig gesundheitsschädliche UV-Strahlung aus der Röhre dringt.
Der eingesetzte Leuchtstoff ist entsprechend der Lampenfarbe aus verschiedenen Leuchtstoffen zusammengesetzt. Durch das Mischungsverhältnis kann die Lichtfarbe eingestellt werden. Eine besonders gute Farbwiedergabe wird mit den so genannten Fünfbanden-Leuchtstoffen erreicht. Hierbei treten nicht nur einzelne Farben auf, um einen weißen Lichteindruck zu erzeugen, sondern es sind breite, aneinander grenzende Bereiche pro Leuchtstoff, so dass keine Farbe fehlt. Zu Dekorations- und Werbezwecken werden auch einfarbige Leuchtstoffröhren angeboten.Funktionweise der Leuchtstoffröhre
Gasentladung: Beim Starten ist eine Zündspannung erforderlich, um die Gasfüllung der Leuchtstoffröhren zu ionisieren. Dadurch wird das Gas elektrisch leitfähig. Es entsteht ein Niederdruck-Plasma, welches so lange erhalten bleibt, wie die u.a. von der Röhrenlänge und dem Gasdruck abhängige Brennspannung aufrechterhalten bleibt.
Das Plasma weist aufgrund der Stoßionisation einen negativen differentiellen Innenwiderstand auf. Das bedeutet, dass der Strom bei zunehmender Spannung sinkt, der Betriebspunkt ist somit instabil, die Lampe würde ohne Strombegrenzung zerstört. Deshalb müssen Leuchtstofflampen, wie auch alle anderen Gasentladungslampen, mit einem Vorschaltgerät betrieben werden. Dieses besteht aus einer Induktivität (Drossel) in Reihe zur Röhre, die mit Wechselstrom betrieben wird. Der direkte Betrieb an Gleichstrom, der mit einem Vorwiderstand als Strombegrenzer prinzipiell denkbar wäre, ist aufgrund von Entmischungsvorgängen der Ionenarten in der Röhre problematisch, man benötigt daher einen Inverter, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.
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.Lichtfarbe
Vielleicht der größte Nachteil von Leuchtstoffröhren ist, dass sie im Gegensatz zur Glühlampe kein kontinuierliches Farbspektrum aufweisen. Man hat die Wahl zwischen etwa einem Dutzend Farben, davon viele unterschiedliche Varianten von weiß. Grob teilt man die weißen Leuchtstoffröhren in warm-weiß, neutral-/kalt-weiß und tageslicht-weiß ein. In vielen Anwendungsfällen bilden die neutral weißen Lampen einen guten Kompromiss, die kalt-weißen oder tageslichtähnlichen haben Vorteile bei gleichzeitigem Tageslichteinfall, wogegen die warm-weißen sich mit Glühlampenlicht besser vertragen. Leuchtstofflampen mit Standardleuchtstoffen („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 „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 „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 im wesentlichen durch die Zusammensetzung der Beschichtung des Glases, 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 spezielle Leuchtstoffröhren für niedrige Umgebungstemperaturen. Die Lichtfarbe der Lampen ist für die Raumqualität mit von Bedeutung. Die Lichtfarben sind den verschiedenen Arbeitsaufgaben bzw. Arbeitsstätten zugeordnet. Weißes Licht ist gemäß DIN 5035 in drei Farbtemperaturbereiche eingeteilt.
Die Farbe nw wird am häufigsten ausgewählt. In einem Raum sollte stets die gleiche Lichtfarbe eingesetzt werden. Die Hersteller Osram und Philips nutzen ein Farbnummernsystem mit 3stelligen Zahlen, bei denen die erste die Farbwiedergabequalität angibt. Eine 8 bedeutet Ra=80-89. Eine 9 bedeutet Ra=90-100. Die beiden letzten Ziffern bezeichnen, wenn man sie um 2 Nullen verlängert, die Farbtemperatur in Kelvin. Für den Wohnbereich kann z.B. die Farbnummer 827 oder 930 gewählt werden. Im Büro ist 840 üblich, wobei 854, 865 oder gar 880 laut einiger Studien zu gesteigerter Leistungsfähigkeit führen sollen, da sie tageslichtähnlicher und mit entsprechend mehr Blau-Anteil sind.
Die fast ideale Wohnzimmer-Farbe 927 wird von Osram leider noch nicht angeboten. Zu beachten ist, dass eine Leuchtstoffröhre mit der Voraussetzung einer Farbwiedergabe über 90 (Klasse 1A) im niedrigeren Kelvin-Bereich noch deutlich mehr Lichtausbeute einbüßt als im höheren. Eine Röhre mit Dreibanden-Leuchtstoffen der Farbe 840 und 15 Watt Leistung erreicht einen Lichtstrom von ca. 900 Lumen. Die Röhre der Farbe 950 erreicht 750 Lumen, die Röhre der Farbe 940 etwa 700 Lumen, und diejenige der Farbe 930 nur noch rund 600 Lumen. Die Zahlen legen nahe, dass eine Leuchtstoffröhre der Farbstufe 927 mit einer geringeren Lichtausbeute zwar die "ideale" Wohnzimmerfarbe hat, dafür jedoch entsprechend mehr Leistung für eine helle Ausleuchtung benötigen würde.Recycling
Das Quecksilber in Leuchtstoffröhren ist giftig für Mensch und Umwelt, die Beschichtung der Röhre ebenfalls. Zudem sind die verwendeten seltenen Elemente relativ teuer und können zurück gewonnen 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.
Farbige Leuchtstofflampen und Leuchtröhren
Leuchtstofflampen und Energiesparlampen werden u.a. zu Dekorationszwecken auch einfarbig (rot, gelb, grün, blau) angeboten. Das wird durch Variationen des fluoreszierenden Leuchtstoffes erreicht. Auch die sogenannten „Schwarzlichtlampen“ arbeiten mit einem Leuchtstoff (Europium-dotiertes Strontium-Fluoroborat oder -Tetraborat für 370 nm bzw. Blei-dotiertes Bariumsilikat für 350 nm), um die in UV-B liegende Quecksilberlinie in den UV-A-Bereich zu konvertieren. Diese Lampen haben ein mit Nickeloxid dotiertes Glasrohr, um sichtbares Licht >400 nm zu absorbieren. Farbige Leuchtröhren werden wie Leuchtstofflampen angeregt. Es gibt sowohl Kaltkathoden- als auch Heißkathodenröhren für verschiedene Farben. Die Farben werden durch die Gasfüllung, meist jedoch durch unterschiedliche Leuchtstoffe wie bei einer Leuchtstoffröhre erreicht. Die Neonröhre arbeitet im Gegensatz zu Leuchtstofflampen mit einer Neon-Füllung und leuchtet rot-orange. Sie ist daher keine Leuchtstoffröhre, sondern hat einen unbeschichteten klaren oder rot getönten Glaskolben. Neonröhren werden zum Beispiel in der Lichtwerbung und zur Befeuerung hoher Bauwerke verwendet.Lebensdauer der Leuchtstoffröhre
Leuchtstoffröhren zeichnen sich durch eine sehr lange Lebensdauer aus, die durch die Adsorption des Quecksilbers an den Lampenkomponenten, durch Degradation des Leuchtstoffes und, bei Heißkathodenröhren, durch die Lebensdauer der Glühkathoden begrenzt ist. Herkömmliche Leuchtstofflampen (T8) hat eine echte Nutzlebensdauer von 3000 bis 4000 Stunden. Eine moderne Leuchtstofflampe (Osram Lumilux T5, 14-80 W) mit EVG erreicht eine Nutzleuchtdauer von 18.000 Stunden. Eine Kompaktleuchtstofflampe erreicht eine Nutzleuchtdauer von meist zwischen 5.000 und 15.000 Stunden. Nach dieser Zeit sollten die Röhren ausgetauscht werden, da sie weniger als 80% des ursprünglichen Lichtstromes aussenden.
Wichtig für die Lebensdauer von Leuchtstofflampen sind: möglichst wenige Schaltvorgänge, beidseitiger Warmstart vor dem Einschaltvorgang und gute Netzfilterung. Leuchtstofflampen (heiße Kathode) eignen sich nur bedingt für wiederholte Schaltvorgänge und kurze Brenndauern unter 10 Minuten, eine solche Betriebsweise verschleißt die Kathoden. Eine Ausnahme bilden neuere Typen von Energiesparlampen, die durch eine Steuerung der Vorheizphase statt für wenige 10.000 für mehrere 100.000 Schaltvorgänge ausgelegt sind. Kompaktleuchtstofflampen mit integriertem Vorschaltgerät (Energiesparlampen) versagen häufig durch Ausfälle des elektronischen Vorschaltgerätes, welches sehr empfindlich gegenüber erhöhten Umgebungstemperaturen ist.Effizienz
Leuchtstoffröhren erreichen eine Lichtausbeute von etwa 50 bis 100 Lumen pro Watt und haben somit eine hohe Energieeffizienz, die nur von Natriumdampflampen übertroffen wird. Leuchtstofflampen sparen somit gegenüber Glühlampen 75 bis 80% Energie ein.
Alle Leuchtstofflampen erreichen erst einige Zeit nach dem Einschalten ihre volle Leuchtkraft. Besonders deutlich ist dieser Effekt bei Kompaktleuchtstofflampen, z.B. Energiesparlampen, zu beobachten.
Der etwa 4- bis 6-fach höhere Lichtausbeute der Leuchtstoffröhre gegenüber der Glühlampe steht ein erheblich höherer Anschaffungspreis gegenüber.
Der Vergleich lässt sich besonders gut bei Energiesparlampen anstellen, die direkt in eine Glühlampenfassung hineingeschraubt werden können. Dabei kann für gleichen Lichtstrom eine 60 Watt Glühbirne durch eine 12 Watt Energiesparlampe ersetzt werden. Während der Anschaffungspreis für eine Glühbirne bei unter 1 Euro liegt, muss man für die Energiesparlampe ca. 1,50 - 5,00 Euro ausgeben. Bei 10.000 Betriebsstunden würde eine 60 Watt Glühlampe eine Energie von 600 kWh verbrauchen. Bei einem Stromtarif von 0,17 Euro/kWh sind das Stromkosten von 102 Euro. Für diese Betriebsdauer müssen 10 Glühlampen zu 1 Euro angeschafft werden, ausgegangen von einer durchschnittlichen Lebensdauer von 1000 Betriebsstunden für eine Glühlampe. Als Gesamtkosten fallen also 102 + 10 = 112 Euro an.
Die vergleichbare 12 Watt Energiesparlampe verbraucht in der gleichen Zeit nur eine Energie von 120 kWh oder 20,40 Euro Stromkosten. Wegen der weit höheren Lebensdauer braucht für die gesamte Betriebsdauer von 10000 Stunden nur eine Energiesparlampe zu etwa 1,50 Euro angeschafft zu werden. Als Gesamtkosten entstehen rund 21,90 Euro. Die Energiesparlampe rechnet sich gegenüber 60 Watt Glühlampen zu 1 Euro bereits nach 490 Betriebsstunden. Bei höherem Stromtarif fallen die Relationen für die Energiesparlampe noch günstiger aus.Standardisierung
Der Röhrendurchmesser von Leuchtstofflampen ist standardisiert. Die Zahl nach dem Buchstaben „T“ steht dabei für Achtel Zoll (engl. inch). Eine T5-Röhre hat beispielsweise einen Durchmesser von 5/8 Zoll, was etwa 16 mm entspricht.Die Längen sind für die gerade Bauform von Leuchtstofflampen ebenfalls genormt.Flimmern und Stroboskopeffekt
Bedingt durch die 50 Hz Wechselspannung erlischt das Lampenlicht bei konventionellen Vorschaltgeräten im Bereich eines jeden Nulldurchganges. Es entstehen Hell-Dunkel-Phasen im 100-Hz-Rhythmus, die Stroboskopeffekte hervorrufen können, welche sich bei schnellen Bewegungen bemerkbar machen oder bei rotierenden Arbeitsmaschinen eine langsame oder stehende Maschine vortäuschen können. Das menschliche Auge ermüdet durch das Flimmern nachweislich schneller.
Abhilfe bietet die Duoschaltung oder bei großen Anlagen die Versorgung mit 3-Phasen-Wechselstrom (Drehstrom), wodurch mehrere Lampen ihr Licht, phasenverschoben, abgeben. Auch elektronische Vorschaltgeräte liefern nahezu flimmerfreies Licht, da sie die Röhre mit Wechselstrom einer höheren Frequenz betreiben, um den Stroboskopeffekt zu vermindern und die Baugröße der Drossel zu verringern. Herkömmliche Röhren lassen sich mit Aufsteck-EVGs Umrüsten. Mit Kosten von 35 – 45,- € pro Röhre ist dies in wenigen Minuten gemacht. Diese EVGs ersparen dann mit den flimmerfreien T5 Röhren rund 50 % der Stromkosten.
Wenn eine 150cm Röhre 50 Stunden pro Woche leuchtet, dann verbraucht diese für rund 40,- € Strom pro Jahr. Bei 15 Jahren Lebensdauer eine sinnvolle Umrüstung. Es ist darauf zu achten, dass die Umrüstkits ein VDE-Zertifikat haben, TÜV oder CE-Siegel sind nicht ausreichend.
Energiesparlampen haben heute normalerweise ein elektronisches Vorschaltgerät integriert und flimmern daher kaum.Elektrosmog und elektromagnetische Verträglichkeit
Grundsätzlich müssen Leuchtstoffröhren, wie alle anderen im Handel erhältlichen elektrischen Geräte, Grenzwerte der elektromagnetischen Verträglichkeit erfüllen. Dies wird durch das auf den Geräten angebrachte CE - Kennzeichen dokumentiert. Damit sind Störaussendungen auf ein Maß begrenzt, bei dem eine Beeinträchtigung anderer Geräte hinnehmbar ist.