Dezember 2008

Hintergrund

ENERGIE-CHRONIK


"Energiesparlampen" sind eine Weiterentwicklung der Leuchtstoff-Röhren

Die sogenannten Energiesparlampen, wie sie jetzt die EU-Kommission favorisiert (081201), sind eine Modifizierung der altbekannten Leuchtstoffröhren. Diese hatten ursprünglich ein paar unangenehme Eigenschaften: Beim Starten ging es nicht ohne Flackern ab, und beim Betrieb machten die in den Vorschaltgeräten enthaltenen induktiven Bauteile oft mit Brummen auf sich aufmerksam. An drehenden Teilen konnte das flimmernde Licht Stroboskop-Effekte bewirken. Ein weiterer Nachteil war, daß ein Dimmen, also die stufenlose Regelung von Helligkeit bzw. Stromaufnahme, nicht möglich war. Näherte sich schließlich eine Leuchtstofflampe ihrem Ende, so war dies mit lästigen Licht-Zuckungen verbunden.
Mitunter wird der normalen "Energiesparlampe" (links) ein birnenförmiger Glaskörper übergestülpt (rechts), um die Illusion zu verstärken, es handele sich lediglich um eine besonders sparsame Glühlampe.

Inzwischen muß das nicht mehr sein: Elektronische Vorschaltgeräte ermöglichen bei allen Arten von Leuchtstofflampen den flackerfreien Start und flimmerfreien Betrieb. Die grundlegende technische Neuerung ist dabei, daß die Gasentladung in den Lampen nicht mit der Netzfrequenz von 50 Hertz stattfindet, sondern mit einer weit höheren Frequenz im Bereich von 25 bis 70 Kilohertz. Wegen der extrem kurzen Zeit zwischen den Durchgängen der Wechselspannung bleibt das Gas in der Röhre ionisiert und muß nicht jedesmal neu gezündet werden. Sogar ein Dimmen der Lampen wird möglich.

Der wesentliche Unterschied zwischen Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren ist deshalb nicht so sehr technischer Art als die äußere Formgebung: Energiesparlampen sind kompakte Leuchtstoffröhren, die sich wie eine Glühlampe handhaben und in die Sockel der vorhandenen Beleuchtungskörper schrauben lassen. Mitunter wird der gefalteten Röhre sogar ein birnenförmiger Glaskörper übergestülpt, um die Illusion zu verstärken, es handele sich lediglich um eine besonders sparsame Glühlampe. Der schöne Schein trügt indessen gleich doppelt, denn gerade dadurch büßt die Lampe einen Teil ihrer Leuchtkraft wieder ein. Ohnehin sind Energiesparlampen nicht ganz so effizient wie die reinen Leuchtstoffröhren, von denen sie abstammen.

Der große Vorteil der Leuchtstofflampen besteht darin, daß sie mit derselben Menge Strom rund viermal soviel Licht erzeugen. Es verwundert deshalb nicht, daß sie im industriell-gewerblichen Bereich die Glühlampen weitgehend verdrängt haben. In Wohnräumen und anderen Bereichen, in denen man es eher "gemütlich" haben will, ist ihnen das aber bisher nicht gelungen. Im Unterschied zu Glühlampen erzeugen Leuchtstofflampen nämlich keine Temperaturstrahlung mit kontinuierlichem Licht-Spektrum, sondern eine UV-Strahlung, die erst durch die Fluoreszenz an der Beschichtung der Röhre in weißliches Licht umgewandelt wird. Je nach Art der Beschichtung lassen sich die standardisierten Lichtfarben tageslichtweiß (tw), neutralweiß (nw) und warmweiß (ww) erzielen. Außerdem können alle drei Lichtfarben in den Stufen 1,2 und 3 der Farbwiedergabeeigenschaft (FW) geliefert werden. Dennoch wird das Licht von Leuchtstofflampen noch immer vielfach als "kalt" und ungemütlich empfunden. Und das ist nicht nur ein subjektiver Eindruck. Auch physikalisch unterscheidet sich das Licht weiterhin. Beispielsweise bleiben Glühlampen überlegen, wenn es um die Beurteilung von Farben geht. Wegen ihres diskontinuierlichen Spektrums können Leuchtstofflampen nicht alle Nuancen zuverlässig wiedergeben.

An diesen systemtechnisch bedingten Unterschieden und daraus resultierenden Präferenzen wird auch die EU-Kommission nichts ändern können. Als Folge ihrer Verordnung zur Verpönung der Glühlampen dürfte deshalb eine Art Schwarzmarkt für Glühlampen entstehen. Jedenfalls werden es zahlreiche Bürger als Zumutung empfinden, sich die lichttechnische Ausgestaltung ihrer Privatsphäre von Brüsseler Bürokraten vorschreiben zu lassen...

Quecksilberdampflampen sind eine Variante der Gasentladungslampen und schon seit Ende des 19. Jahrhunderts bekannt

Technisch gesehen gehören Leuchtstofflampen zur großen Familie der Gasentladungslampen. Praktische Bedeutung für die Beleuchtung erlangten solche Gasentladungslampen erstmals in Form der elektrischen Bogenlampen, bei denen zwischen zwei Kohlestiften der elektrische Strom überspringt und ein überaus helles, weißes Licht erzeugt. Der größere Teil dieses Lichts stammt allerdings nicht von der Gasentladung im Plasma zwischen den Kohlestiften, sondern von der trichterförmig abbrennenden Kohle-Anode, die von den Plasma-Elektronen bis zur Weißglut erhitzt wird.

Bogenlampen waren im 19. Jahrhundert die einzig mögliche Art der elektrischen Beleuchtung und insoweit die Vorläufer der Glühlampen. Sie erzeugten zwar ein taghelles Licht, waren aber wegen der notwendigen Nachführung der Kohle-Elektroden überaus kompliziert zu handhaben. Außerdem ließ sich die Lichtfülle kaum dosieren und zweckmäßig einsetzen. Unter Technikern entspann sich deshalb sogar eine Diskussion um die "Teilung des Lichts". Das Problem erledigte sich mit der Entwicklung der Metallfaden-Glühlampe, die wartungsfrei war und in allen Bereichen eingesetzt werden konnte. Die Bogenlampen verschwanden daraufhin wie einst die Dinosaurier.

Alle anderen Formen der Gasentladungslampen gehen auf die "Geißlersche Röhre" zurück. Erfinder und Namensgeber war der Instrumentenbauer Heinrich Geißler (1814 - 1879), der erstmals evakuierte Glasröhren mit eingeschmolzenen Elektroden baute. Bei Experimenten mit solchen Röhren erforschten Physiker wie Julius Plücker (1801 - 1861), Wilhelm Hittorf (1824 - 1914), Eugen Goldstein (1850 - 1930) und Sir William Crookes (1832 - 1919) die Gasentladungen, die je nach Beschaffenheit und Druck des Gases zwischen Anode und Kathode in den Röhren auftraten. Ein Abkömmling dieser Forschungen ist auch die Kathodenstrahlröhre mit ihren diversen Anwendungen vom Röntgenapparat bis zur Fernsehtechnik.

Quecksilberdampflampen dienten zunächst hauptsächlich als Quelle für UV-Strahlung

Die Verwendung der Gasentladung als Lichtquelle gelang erstmals dem Physiker Martin Leo Arons (1860 - 1919). Im Jahre 1892 veröffentlichte Arons seine Versuchsergebnisse mit einer evakuierten Glasröhre, in der sich eine geringe Menge Quecksilber befand. Bei Stromzufuhr verdampfte das Quecksilber zwischen den Elektroden und erzeugte ein Licht, das hauptsächlich aus UV-Strahlung bestand. Dieses Licht war allerdings fahl und unangenehm. Trotz verschiedener Verbesserungen gelang es nicht, es für Beleuchtungszwecke wirklich brauchbar zu machen.

Über die damalige Nutzanwendung der "Quecksilberbogenlampe" gibt Meyers Großes Konversations-Lexikon aus dem Jahre 1907 die folgende Auskunft:

"Man verwendet die Q. zu Beleuchtungszwecken, besonders auch zur Herstellung von Lichtpausen und bei physikalischen Experimenten mit homogenem Licht, da ihr Licht, spektralanalytisch zerlegt, sich aus einzelnen hellen Linien zusammensetzt. Quarzlampen senden so reichlich ultraviolette Strahlen aus, daß die Luft in der Nähe ozonisiert wird und die Augen gefährdet werden können. Neuerdings werden solche aus Jenaer Uviolglas, das sich ähnlich wie Quarz verhält, zu medizinischen Zwecken konstruiert."

In der Tat wurde die von Arons entwickelte Quecksilberdampflampe zu Anfang des 20. Jahrhunderts als Quelle für UV-Strahlung entdeckt. Wenn man nämlich die Gasentladung in Röhren aus Quarzglas stattfinden ließ, konnte die UV-Strahlung fast ungehindert passieren und für medizinische Zwecke verwendet werden. Die Firma Heräus brachte 1906 erstmals eine solche Quarzglaslampe auf den Markt, die später unter der Markenbezeichnung "Höhensonne" bekannt und zum Inbegriff des UV-Strahlers wurde.

Die "Neonröhre" ist ebenfalls eine Gasentladungslampe, aber nicht dasselbe wie eine Leuchtstofflampe

Unterdessen experimentierte der Amerikaner MacFarlan Moore mit Stickstoff und Kohlendioxid, die er in verdünnter Form in die "Geißlersche Röhre" einbrachte. Während die Gasentladung bei Stickstoff ein gelbrosa Licht ergab, kam bei Kohlendioxid das Ergebnis dem Tageslicht recht nahe. Die Leuchtröhre, die Moore 1902 zum Patent anmeldete, wurde 1905 erstmals für Reklamezwecke verwendet. Sie war allerdings noch sehr teuer und erforderte pro Meter Rohrlänge eine Betriebsspannung von 500 Volt.

Größeren Erfolg hatte der Franzose George Claude (1870 - 1960), der die Gasentladungsröhre mit dem Edelgas Neon füllte. Das so erzeugte rote Licht taugte zwar nicht für die Wohnraumbeleuchtung, eignete sich aber hervorragend für allerlei Werbezwecke und wurde Ende 1910 erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt. Mit anderen Edelgasen ergaben sich zusätzliche Farbtöne: Argon leuchtete violett, Xenon blauweiß und Krypton purpur. Durch entsprechende Färbung der Glaskörper ließen sich weitere Effekte erzielen.

In der Umgangssprache werden bis heute auch die Leuchtstofflampen als "Neonröhren" bezeichnet. Diese funktionieren jedoch anders: Leuchtstofflampen enthalten hauptsächlich Quecksilberdampf, der mit einer Prise eines anderen Edelgases wie Argon vermischt ist. Das so erzeugte Licht ist größtenteils unsichtbare UV-Strahlung. Sichtbar wird es erst durch die Fluoreszenz, die es an einer speziellen Beschichtung der umgebenden Glasröhre erzeugt.

Die Leuchtstoffröhre ist auch jünger als die Neonröhre: Eine für Beleuchtungszwecke brauchbare, fluoreszierende Beschichtung der Röhren wurde erst in den dreißiger Jahren von den Firmen Osram (Deutschland), Philips (Niederlande) und General Electric (USA) unabhängig voneinander entwickelt. Osram stellte seine Leuchtstoffröhre im Jahre 1936 auf der Weltausstellung in Paris vor. Das Unternehmen war nach dem ersten Weltkrieg aus der Vereinigung des Glühlampengeschäfts von Siemens, AEG und Auergesellschaft hervorgegangen. Heute ist Osram eine hundertprozentige Tochter des Siemens-Konzerns und neben Philips und General Electric einer der drei weltweit führenden Hersteller von "Leuchtmitteln".

Die Leuchtstoffröhre gehört somit wie die Neonröhre zur großen Familie der Gasentladungslampen, die auch in Vertretern wie der Quecksilberdampf-Hochdrucklampe, der Glimmlampe als Kontrolleuchte oder Spannungsprüfer, der "Höhensonne" oder des fotografischen Blitzlichts nicht mehr aus dem Alltag wegzudenken ist. Sie unterscheidet sich aber von der Neonröhre oder vom Spannungsprüfer grundsätzlich dadurch, daß die Gasentladung nicht direkt das sichtbare Licht erzeugt, sondern erst durch die Fluoreszenz an der Beschichtung der Röhre.

Zum Starten brauchen Leuchtstofflampen eine erhöhte "Zündspannung"

Bei allen Leuchtstofflampen beginnt die selbständige Gasentladung, wenn die "Zündspannung" einen bestimmten Wert überschreitet. Dieser ist abhängig von Druck und Art des Gases, dem Abstand der Elektroden und der Beschaffenheit der Kathode. Die für die Zündung erforderliche höhere Spannung wird mit Hilfe eines "Starters" erzeugt. Durch den Spannungsstoß wird das Gasgemisch aus Argon und Quecksilberdampf soweit ionisiert, daß es den Strom leitet und zum Plasma wird. Dieser Prozeß kann thermisch unterstützt werden, indem man die Elektroden beheizt.

Die nach der Zündung erforderliche "Betriebsspannung" ist erheblich kleiner und nimmt mit wachsender Stromstärke ab. Gasentladungslampen müssen deshalb zur Begrenzung der Stromstärke mit einem Vorwiderstand ausgerüstet sein, der bei Wechselstrombetrieb zweckmäßigerweise aus einem induktiven Widerstand ("Drossel") besteht, um Wärmeverluste möglichst klein zu halten.

Dem Vorstoß ins Wohnzimmer folgte bald wieder der Rückzug

Größere Verbreitung erlangten die Leuchtstofflampen erst nach dem Zweiten Weltkrieg. In den fünfziger Jahren wurden sie geradezu enthusiastisch aufgenommen. Das Licht der Leuchtstofflampen - fälschlicherweise noch immer als "Neonröhren" bezeichnet - galt als chic. Wer auf sich hielt, installierte damit im Wohnzimmer eine modische, indirekte Decken-Beleuchtung.

Es dauerte aber nicht lange, da wurden die Leuchtstofflampen immer mehr mit den Fabrikhallen und Büros assoziiert, in denen sie die größte Verbreitung gefunden hatten. Ihr Licht galt nun als kalt, ungemütlich, billig und ordinär. Daran konnten auch "Warmtonlampen" nicht viel ändern, deren Beschichtung ein mehr der Glühlampe ähnelndes Licht abstrahlte.

Die Leuchtstofflampen boten indessen zu viele Vorteile, als daß ihr Siegeszug aufzuhalten gewesen wäre. Vor allem erzeugen sie mit derselben Strommenge ungefähr viermal soviel Licht wie eine Glühlampe. Oder anders gesagt: Um dieselbe Helligkeit wie eine Glühlampe zu erzielen, braucht die Leuchtstofflampe nur ein Viertel von deren Energie.

So wurde der weitere Vormarsch der Leuchtstofflampe zwar nicht gestoppt, aber eher als notwendiges Übel hingenommen. Zumindest im Wohnbereich wollten es viele nach wie vor "gemütlich" haben, was hieß, daß die Leuchtstofflampe vor der Tür zu bleiben hatte.

In den achtziger Jahren kamen die ersten Kompakt-Leuchtstofflampen auf den Markt

Die Hersteller von Leuchtstofflampen gaben aber den Kampf ums Wohnzimmer nicht auf. Sie machten die Lampen klein, paßten sie nach Form und Farbe noch stärker den Glühlampen an. 1981 kamen die ersten Kompakt-Leuchtstofflampen auf den Markt, bei denen der Entladungsweg durch "Falten" des dünnen leuchtstoffbeschichteten Glasrohres mehrfach umgelenkt wird.

Elektronische Vorschaltgeräte sorgen inzwischen dafür, daß diese Lampen sofort und ohne Flackern zu leuchten beginnen. Das Vorschaltgerät zur Zündung ist dabei so klein, daß es sich sogar in die Lampe integrieren läßt. Letztere kann deshalb wie eine normale "Birne" in die Fassungen für Glühlampen geschraubt werden.

Umweltfreundlicher und kostensparender sind nach wie vor separate Vorschaltgeräte, die mit der eigentlichen Leuchtstofflampe über einen Steckkontakt verbunden sind. Sie ermöglichen es, lediglich die Lampe auszuwechseln und die dazugehörige Elektronik wieder zu verwenden. Anfangs waren solche Kombinationen recht verbreitet. Inzwischen wurden sie weitgehend von solchen Kompakt-Leuchtstofflampen verdrängt, bei denen das Vorschaltgerät in den Sockel integriert ist und samt der Lampe weggeworfen wird. - Aber nicht in den normalen Restmüll. Schließlich ist in jeder Energiesparlampe Quecksilber enthalten. Man muß die ausgediente Energiesparlampe deshalb wie Sondermüll entsorgen.

Auch herkömmliche Halogen-Glühlampen für Niedervolt (links) und Hochvolt (rechts) sollen nach dem Willen der EU-Kommission längerfristig vom Markt verschwinden, obwohl sie z.B. eine erheblich bessere Farbwiedergabe als Leuchtstofflampen haben.

 

Halogenglühlampen sind eine Weiterentwicklung der Glühlampen

Noch vor den "Energiesparlampen" kamen in den siebziger Jahren die ersten Halogen-Glühlampen auf den Markt. Sie haben ihren Namen von den Halogenen, die der Gasfüllung des Kolbens beigemischt sind. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer des Wolframdrahtes erheblich und wird eine Schwärzung des Kolbens verhindert.

Bei herkömmlichen Glühlampen muß der Glaskolben relativ groß sein, damit er nicht zu schnell vom Wolfram verdunkelt wird, das von der Glühwendel abdampft und sich am Glas niederschlägt. Die gute Wärmeleitung solcher Glaskolben begrenzt aber die Temperatur der Wendel und damit deren Helligkeit. Bei Glühlampen mit schwacher Leistungsaufnahme (15 und 25 Watt) begnügt man sich aus technischen Gründen mit weitgehend luftleer gemachten Kolben. Bei höheren Wattstufen wird der Kolben in der Regel mit dem Edelgas Argon und etwas Stickstoff gefüllt, um eine höhere Temperatur der Wolfram-Wendel mit vermehrter Lichtausbeute und verringertem Abbrand zu erreichen. Demselben Zweck dient bei den sogenannten Krypton-Lampen die Füllung des Kolbens mit dem Edelgas Krypton.

Bei Halogenlampen kann der Kolben viel kleiner sein als bei diesen herkömmlichen Glühlampen, da eine Schwärzung nicht eintritt. Er muß sogar sehr klein sein, weil die dadurch bewirkte höhere Temperatur neben der Halogen-Beimischung die Voraussetzung dafür ist, daß die abgedampften Wolframatome zur Wendel zurückkehren, statt den Kolben zu schwärzen.

Wegen der hohen Temperaturen darf bei Halogenlampen der Kolben nicht aus normalen Glas bestehen. Es muß vielmehr Quarz oder Hartglas verwendet werden. Bei Quarz kann der höhere UV-Anteil der Strahlung fast ungehindert passieren und auf kurze Distanz sogar wie eine "Höhensonne" wirken. In der Regel werden deshalb Halogenlampen zusätzlich mit einer Glasscheibe vor dem Kolben versehen, die die UV-Strahlung herausfiltert. Die Glasscheibe schützt zugleich vor der Berührung des heißen Kolbens.

Halogenlampen erzeugen wie die herkömmlichen Glühlampen ein kontinuierliches, als angenehm empfundenes Lichtspektrum. Der Lichtanteil ist jedoch höher und mehr dem Tageslicht angenähert. Hinzu kommt eine annähernd doppelt so lange Lebensdauer. Die Kleinheit des Lampenkolbens eröffnete neue Anwendungsmöglichkeiten. Halogenlampen erfreuten sich deshalb bald großer Beliebtheit bei der Wohnraumbeleuchtung und zu anderen Zwecken.

Besonders effizient sind Halogen-Glühlampen im Niedervolt-Bereich (6, 12, 24 V). Für häusliche Anwendungen wird die Netzspannung über Transformatoren herabgesetzt. Bei Hochvolt-Halogenlampen (230 V) ist die Energieeffizienz geringer und die Lebensdauer der Lampen kürzer. Sehr heiß werden sie allerdings auch, weshalb aus einem Hochvolt-Halogen-Deckenstrahler schnell ein stinkendes "Fliegen-Krematorium" werden kann...

Zur Beliebtheit von Niedervolt-Halogenlampen trug auch bei, daß man die spannungsführenden Teile gefahrlos anfassen und verlegen kann. Allerdings bedingt die niedrige Spannung entsprechend hohe Stromstärken, die unter Umständen die Entstehung eines Funkenbogens und damit Brandgefahr bewirken können. Außerdem sind die Magnetfelder um Leitungen und Lampen um ein Vielfaches stärker als bei Hochvolt-Lampen.

Wenn es nach den Vorstellungen der EU-Kommission geht, müßten längerfristig auch die meisten der heute gebräuchlichen Halogen-Glühlampen vom Markt verschwinden. Eine Überlebenschance hätten nur noch besonders energieeffiziente Ausführungen mit Infrarot-Beschichtung.