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Lampen

Als Lampe bezeichnet man die eigentliche Lichtquelle der Beleuchtungsanlage, z.B. die Glühlampe oder die Röhre (Entladungslampe). Mittlerweile werden in der Licht- und Beleuchtungstechnik auch immer mehr Leuchtdioden (LED) eingesetzt.

Technische Daten von Lampen

Den Herstellerangaben sind neben der Lichtfarbe und Farbwiedergabeeigenschaft weitere wichtige Daten über Lampen zu entnehmen, wie die äußeren Abmessungen, die Nennleistung, die Nennspannung, der Lichtstrom und die Lichtausbeute.

Die Nennleistung P wird in Watt (W) angegeben und bezieht sich auf die aufgenommene elektrische Leistung der Lampe, wenn sie ihre volle Helligkeit erreicht hat. Dabei bezieht sich die Nennleistung bei Lampen, die ein Vorschaltgerät benötigen, erstmal nur auf die Lampe selbst ohne die Verlustleistung des Vorschaltgeräts. Wenn allerdings das Vorschaltgerät mit in den Lampenkörper eingebaut ist, wird die Summe aus Lampenleistung und Vorschaltgeräteverlustleistung angegeben, wie bei Energiesparlampen.

Die Nennspannung U wird in Volt (V) angegeben und gibt die Nennspannung des Netzes an, an dem die Lampe betrieben werden darf. Dies geschieht bei Lampen, die entweder kein Vorschaltgerät benötigen oder in deren Körper das Vorschaltgerät bereits eingebaut ist.

Der Lichtstrom Φ wird in Lumen (lm) angegeben und ist ein Maß für die Lichtleistung allgemein. Umso größer der Lichtstrom innerhalb eines Raumes, umso heller ist dieser beleuchtet. Der Lichtstrom einer Lampe wird mit Φ0 angegeben und kennzeichnet die abgestrahlte Lichtleistung. Im Gegensatz zur Technik wird die Leistung hier nicht in Watt sondern in Lumen angegeben. Das Lumen ist eine auf die Empfindlichkeit des menschlichen Auges abgestimmte Einheit. Beispiele für Lichtströme ausgewählter Lampen:

  • Standard-Glühlampe, 40W/230V → Φ0 = 430 lm
  • Leuchtstofflampe 36W → Φ0 = 3350 lm
  • „High-Power“-LED → Φ0 = ca. 10-100 lm

Die Lichtausbeute η wird in lm/W angegeben und ist der Wirkungsgrad einer Lampe, sie ist das Verhältnis zwischen dem abgestrahlten Lichtstrom Φ0 zur aufgenommenen elektrischen Leistung P einer Lampe. Beispiele für Lichtausbeuten ausgewählter Lampen:

  • Standard-Glühlampe, 40W/230V → η = 10,8 lm/W
  • Leuchtstofflampe 36W → η = 93,1 lm/W
  • „High-Power“-LED → η = ca. 100 lm/W

Im allgemeinen bestimmt man die Lichtausbeute ohne Berücksichtigung der Vorschaltgeräteverlustleistung, es sei denn, das Vorschaltgerät ist im Lampenkörper eingebaut. Soll die Verlustleistung des Vorschaltgeräts mit berücksichtigt werden, spricht man von der „Systemlichtausbeute“.

Glühlampen

Die erste Glühlampe wurde 1854 von dem Mechaniker HEINRICH GÖBEL erfunden. 1879 erfand dann THOMAS A. EDISON ein zweites Mal die Glühlampe. Dabei verwendete er einen Kohlefaden innerhalb eines evakuierten Glaskolbens. Das Vakuum ist notwendig, um das augenblickliche Reagieren des Fadens mit Sauerstoff und die daraus entstehende Verbrennung zu verhindern. Seit 1905 wird der Glühfaden aus Wolfram hergestellt.

Aufbau und Eigenschaften

Eine Standard-Glühlampe besteht aus einem Schraubsockel E27, einem Pumprohr, ggf. einer Sicherung, einer Stromzuführung und einem Glühfaden. Dieser besteht heute aus einem dünnen Wolframdraht, da Wolfram das Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt ist (3380° C). Mittlerweile wird der Glaskolben nicht mehr evakuiert, sondern mit einem Schutzgas aufgefüllt, was die Verdampfungsgeschwindigkeit des Glühfadenmaterials auf etwa ein Hundertstel vermindert.

Die mittlere Lebensdauer ist bei Standard-Glühlampen auf 1000 h abgestimmt, bei Halogen-Glühlampen häufig 2000 h und mehr. Die Lichtausbeute einer Standard-Glühlampe liegt zwischen 9,2 und 18,8 lm/W. Da dies jedoch sehr ineffizient ist, verglichen mit ca. 100 lm/W bei LEDs, wurde in einer Reihe von Staaten, wie in der EU, ein Herstellungs- und Vertriebsverbot von Glühlampen mit geringer Energieeffizienz in Kraft gesetzt.

Als direkter Ersatz für die Glühlampe bieten sich neben Halogenglühlampen vor allem Kompaktleuchtstofflampen, auch Energiesparlampen genannt, mit im Sockel integriertem Vorschaltgerät an. Daneben sind mittlerweile für die meisten Anwendungsbereiche LED-Lampen mit hoher Lichtausbeute verfügbar. Deren Vorteil sind die hohe Zuverlässigkeit, die lange Lebensdauer und der geringe Energieverbrauch.

Halogenglühlampen

Sie haben sich aufgrund ihres kompakten Aufbaus und ihrer besonderen Eigenschaften in verschiedenen Bereichen durchgesetzt. Die Lichterzeugung erfolgt wie bei Standard-Glühlampen über einen hocherhitzten Wolfram-Glühfaden. Die besonderen Eigenschaften berruhen auf der Beimischung eines Halogens zur Schutzgasfüllung. Dadurch haben diese Lampen auch bei erhöhter Betriebstemperatur eine höhere Lebensdauer. Halogenglühlampen haben ein weißeres Licht und eine Lichtausbeute von 10 bis 19,5 lm/W. Ein weiterer Vorteil des Halogens ist, dass diese Lampen keine Kolbenschwärzung aufweisen und dadurch während ihrer gesamten Lebensdauer einen praktisch konstanten Lichtstrom besitzen.

Aufgrund der hohen Temperatur dieser Lampen erhöht sich die Platzgefahr am Ende der Lampenlebensdauer, weshalb die Lampen mit einer Scheibe geschützt werden müssen. Auch im kalten Zustand darf der Glaskolben einer Halogenglühlampe nicht mit bloßen Fingern berührt werden. Da dabei Hautfett auf das Glas der Lampe übertragen würde, welches beim Betrieb verbrennen und die Lampe schädigen würde.

IRC-Halogenglühlampen mit infrarot-reflektierender Beschichtung lassen durch ihre Beschichtung zwar das Licht passieren, reflektieren aber die Wärmestrahlung auf die Glühwendel. So lässt sich der Wärmeverlust vermindern und die Lichtausbeute erhöhen. Halogenlampen für 230 V in E 27 Standardbauform sparen so gegenüber Standard-Glühlampen ca. 20% Energie und können diese ersetzen.

Energiespar- und Kompaktleuchtstofflampen

Energiespar- und Kompaktleuchtstofflampen sind sehr kompakt geformte L-Lampen. Sie besitzen ein meist mehrfach gebogenes Entladungsrohr, dessen Innenseite in der Regel mit 3-Banden-Leuchtstoff beschichtet ist.

Energiesparlampen enthalten ein integriertes, meist elektronisches, Vorschaltgerät zum Betrieb an 230 V und einen Schraubsockel E27 oder E14. Somit können sie Glühlampen innerhalb geeigneter Leuchten ersetzen. Allerdings ist die Lichtbündelung in einer ursprünglich für Glühlampen konstruierten Leuchte nicht immer optimal, da Energiesparlampen meist größer als vergleichbare Glühlampen sind. Dafür haben sie aber eine deutlich größere Lichtausbeute und längere Lebensdauer. Bei gleichem Lichtstrom beträgt ihre Leistungsaufnahme nur etwa 20-25% der einer Glühlampe für 230 V. Bei einer Betriebszeit von 3 Std / Tag beträgt die Lebensdauer ca. 6 bis 12 Jahre.

Kompaktleuchtstofflampen dagegen besitzen kein integriertes Vorschaltgerät, sie müssen also wie normale L-Lampen mit externem Vorschaltgerät betrieben werden. Durch ihre kompakte Bauform sind heute viele optisch sehr ansprechende Leuchten auf dem Markt, die oft für representative Beleuchtungsanlagen eingesetzt werden. Allerdings liegt der Energieverbrauch 15-20 % über dem stabförmiger L-Lampen. Sie sind mit 2- oder 4-Stift-Sockel erhältlich. Bei den Lampen mit 2-Stift-Sockel ist ein Glimmstarter integriert und sie müssen mit einem induktiven Vorschaltgerät betrieben werden. Die Lampen mit 4-Stift-Sockel können sowohl mit induktivem als auch mit elektrischem Vorschaltgerät betrieben werden.

Das finanzielle Einsparpotential von Energiespar-/Kompaktleuchtstofflampen durch Strompreisgewinn wird gegenüber dem höheren Kaufpreis erst nach einer gewissen Einsatzzeit der Lampe erreicht. Weiterhin kann wegen der weniger abgestrahlten Wärme der Bedarf an Heizenergie in der Heizperiode steigen. Weiterhin sind defekte Lampen Sondermüll, da sie Quecksilber sowie weitere problematische Stoffe enthalten.

Leuchtdioden (LED)

LEDs (Licht emittierende Dioden) dienten ursprünglich ausschließlich als Anzeigelampen kleiner Leistung zum Betrieb mit kleiner Spannung innerhalb elektronischer Schaltungen. Durch die ständige Erhöhung ihrer Lichtausbeute und die Entwicklung einer sehr effizienten, blauen LED haben sie nun auch Anwendungsbereiche der Licht- und Beleuchtungstechnik erobert, wie als Ersatz für die Standard-Glühlampe. Ihre Vorteile sind unter anderem:

  • sehr geringe Abmessungen (wenige Millimeter)
  • Betrieb ist mit kleiner Spannung möglich
  • lange Lebensdauer (geringe Wartungskosten)
  • konstante Lichtfarbe während der gesamten Betriebszeit
  • erzeugen allgemein keine UV-Strahlung
  • hohe Lichtausbeute
  • geringe Wärmebelastung
  • niedrigere Gesamtkosten (Investitions- und Stromkosten)

Die Lebensdauer einer LED kann bis zu 100.000 Stunden betragen, in dieser Zeit sinkt ihr Lichtstrom auf etwa 50% des Neuwertes. Da dies für viele Anwendungsbereiche allerdings eine zu große Lichtstromminderung ist, werden in der Praxis häufig kürzere Lebensdauern angesetzt.

LED sind mit den Lichtfarben Blau, Grün, Gelb, Orange oder Rot erhältlich. Dabei ist die abgegebene Strahlung nicht monochromatisch, es wird eher ein Band mehrerer Wellenlängen um den Bereich der Lichtfarbe der jeweiligen LED erzeugt. Für weiß strahlende LEDs gibt es folgende Varianten:

  1. Bei der Multi-LED bzw. Mixed-LED sind drei LED-Chips der Lichtfarben Blau, Grün und Rot innerhalb eines LED-Gehäuses zusammengefasst, da die Mischung dieser Lichtfarben bekanntlich weiße Strahlung ergibt. Durch Dimmung jeder einzelnen LED kann so jede Farbtemperatur zwischen 3000 und 5500 K erreicht werden, sowie nur eine der drei LED-Lichtfarben oder eine bunte Mischfarbe.
  2. Bei der Mono-LED wird eine blau leuchtende LED verwendet, der eine interne Leuchtschicht eingefügt ist. Diese wandelt dabei einen Teil der blauen Strahlung in gelbes Licht um. Auch diese Mischung aus Blau und Gelb ergibt wieder weißes Licht. Die Tönung der weißen Mischstrahlung ist dabei variierbar, handelsübliche weiß leuchtende Mono-LEDs sind auffällig blauweiß mit einer Farbtemperatur von 7000 bis 8000 K.

Dabei sind die Herstellungskosten weiß leuchtender Multi-LED noch höher als die der weißen Mono-LED. Auch die Farbwiedergabeeigenschaften der Multi-LED bleiben noch hinter den Werten der Mono-LED zurück. Weiße LED-Leuchtmittel erreichen heutzutage eine Lichtausbeute von bis zu 150 lm/W, wobei im Jahr 2020 um die 200 lm/W erreicht werden sollen.

Der Lichtstrom einer LED ist abhängig von der Halbleitertemperatur, bei den meisten LED sinkt der Lichtstrom bei einer Temperaturerhöhung um 100° C auf weniger als die Hälfte. Für Werte bis 0° C gilt, dass eine LED umso effizienter strahlt, je kühler die Umgebung ist. Die zulässige Betriebstemperatur liegt meistens zwischen -30° und 65° C. Eine weitere aufbauabhängige Eigenschaft von LEDs ist der Abstrahlwinkel und die Verteilung der Lichtfarbe in ihm, da LEDs prinzipiell keine Rundum-Abstrahlung besitzen, sondern mit einem Winkel <2π strahlen. Ein größerer Abstrahlwinkel muss deswegen durch die Anordnung mehrerer LEDs oder mit Diffusoren erreicht werden.

Aus diesem Grund wurden so genannte LED-Module und LED-Leuchtfadenlampen entwickelt, die aus mehreren einzelnen LEDs bestehen. Diese Module sind meist für eine DC-Betriebsspannung von 10 oder 24 V ausgelegt. Für den Anschluss ans 230V/50Hz-Netz werden spezielle Netzgeräte (Treiber) mit elektronisch stabilisierter DC-Ausgangsspannung angeboten. Diese realisieren die galvanische Trennung zwischen Modul und Netz und schalten bei Kurzschluss, Überlast oder Überhitzung ab. Sie erfüllen in der Regel auch die Anforderungen der Schutzmaßnahme SELV (Schutzkleinspannung). Der direkte Betrieb mit Wechselspannung ist nur möglich, wenn der Treiber im Körper des Leuchtmittels verbaut ist.

Leuchtstofflampen

Leuchtstofflampen sind Entladungslampen, die anstelle des Glühfadens ein röhrenförmiges Gefäß aus Glas, Quarzglas oder einer speziellen hitzebeständigen Keramik besitzen, in das ein Gas eingeschlossen ist, welches bei Stromdurchgang zum Leuchten angeregt wird. Verwendet werden hier Metalldämpfe wie Quecksilberdampf (Hg), Natriumdampf (Na) oder Quecksilberdampf mit Zusätzen spezieller Halogene sowie verschiedene Edelgase, z.B. Neon, Helium, Argon und Xenon.

Leuchtstofflampen (L-Lampen) sind in heutiger Form Quecksilberdampf-Niederdrucklampen für Niederspannung. Dabei enthält das Entladungsrohr neben Quecksilber noch ein Hilfsgas wie Argon oder Krypton. An den Enden der L-Lampe befinden sich jeweils Heizwendeln mit zwei Anschlussstiften. Diese Heizwendeln müssen während des Betriebes immer eine Temperatur von ca. 800° bis 900° C haben, damit die Entladung innerhalb der Röhre störungsfrei ablaufen kann. Um eine frühzeitige Schwärzung des Glaskolbens an den Lampenenden zu vermeiden, werden über den Heizwendeln oftmals Schutzkappen angeordnet.Die Leuchtschicht am Inneren des Glasrohrs ist dafür da, die unsichtbare UV-Strahlung des zum Leuchten angeregten Quecksilberdampfs in sichtbares Licht umzuwandeln. Durch diese Leuchtschicht erreicht man unterschiedlich farbige oder weiße (ww, nw, tw) Tönungen der Gesamtstrahlung der L-Lampe und die Farbwiedergabequalität kann dadurch beeinflusst werden.

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Baugrößen von Leuchtstofflampen

Das Herstellerkernprogramm enthält heute vorwiegend T8-Leuchtstofflampen mit 26 mm Rohrdurchmesser und T5-Leuchtstofflampen mit 16 mm Rohrdurchmesser. Der dünnere Rohrdurchmesser moderner Lampen reduziert den Materialverbrauch bei der Herstellung sowie für die Verpackung und führt zu einer Erhöhung der Lichtausbeute, da der Leuchtstoff nun näher an das Zentrum der Gasentladung rückt. Auch die Abmessungen der Leuchten verringern sich, wodurch Reflektoren konstruiert werden können, die eine präzisere Lichtbündelung und somit stärkere Entblendung der Leuchte zur Folge haben. Da sich das dünnere Lampenrohr selbst nicht mehr im Wege ist, erhöht sich auch der Leuchtenwirkungsgrad. Zum Nachteil ist allerdings, dass die Leuchtdichte an der Lampenoberfläche zunimmt und damit die Gefahr einer Direktblendung beim Einsatz in freistrahlenden Leuchten entsteht. Ebenfalls vorteilhaft wirkt sich das geringere Volumen beim Transport und der Lagerung aus. Grundsätzlich können stabförmige Leuchtstofflampen vertikal oder waagerecht betrieben werden, die T5-L-Lampe muss bei vertikalem Betrieb allerdings mit der Beschriftung nach unten eingebaut werden.

Der Lichtstrom von Leuchtstofflampen ist erheblich von der Umgebungstemperatur abhängig, da er sowohl bei höheren als auch bei niedrigeren Temperaturen abnimmt. Für T8-L-Lampen wurde das Maximum des Lichtstroms auf 20° C eingestellt. Problematisch ist dabei, dass es beim Betrieb an induktiven Vorschaltgeräten häufig schon ab 10° C Umgebungstemperatur zu Zündproblemen kommt und in Innenräumen sich innerhalb der Leuchten meist deutlich höhere Temperaturen einstellen. Für die T5-L-Lampe wurde das Lichtstrommaximum deshalb auf ca. 35° C erhöht. Damit sind sie für den Einsatz im Außenbereich allerdings noch weniger geeignet. Der Nennlichtstrom Φ0 wird unabhängig davon für eine Umgebungstemperatur ϑ = 25° C angegeben.

Die Lichtausbeute stabförmiger L-Lampen liegt je nach Lampenkonstruktion zwischen etwa 45 und 100 lm/W, ohne dabei die Verlustleistung des jeweiligen Vorschaltgeräts zu beachten. Die Nutzbrenndauer der Lampen ist von der Schalthäufigkeit und vom verwendeten Vorschaltgerät abhängig. Bei induktiven Vorschaltgeräten in Standardschaltung geht man im allgemeinen von 7500 h aus, dabei werden Einschaltphasen von 3 h zugrunde gelegt. Selteneres Schalten verkürzt die Nutzbrenndauer. Beim EVG geht man sogar von 10000 oder mehr Stunden aus, bevor das EVG die Lampe endgültig abschaltet, dabei spielt aber auch die Art des EVGs eine Rolle.

Typische Nenngrößen für T8-L-Lampen sind:

  • 18 W mit 590 mm Rohrlänge
  • 36 W mit 1200 mm Rohrlänge
  • 58 W mit 1500 mm Rohrlänge

Typische Nenngrößen für T5-L-Lampen sind:

  • 35 W mit 1449 mm Rohrlänge
  • 49 W mit 1449 mm Rohrlänge
  • 80 W mit 1449 mm Rohrlänge

Die T8-L-Lampe besitzt einen G13-Sockel mit 12,7 mm Stiftabstand, wohingegen die T5-L-Lampe einen G5-Sockel mit 5 mm Stiftabstand besitzt.

Neben dem Durchmesser unterscheiden sich L-Lampen durch den Aufbau ihrer Leuchtschicht, diese beeinflusst die Lichtausbeute und die Farbwiedergabeeigenschaft der Lampe und damit auch deren Anschaffungskosten. In neuen Anlagen werden sie am meisten mit einem sog. 3-Banden-Leuchtstoff eingesetzt. Bei diesem Leuchtstoff werden Partikel miteinander vermischt, die nicht alle Farben des Lichtspektrums abdecken und im Wesentlichen nur blaues, grünes und rotes Licht erzeugen. Durch die Mischung dieser drei Farben entsteht dann wieder weißes Licht. Da die vorhandenen Lücken bei den meisten Sehaufgaben nicht wahrgenommen werden können, reicht dies in den meisten Fällen. Es wird hiermit die hohe Farbwiedergabestufe 1B erreicht und diese mit einer hohen Lichtausbeute kombiniert. In Beleuchtungsanlagen mit sehr hohen Ansprüchen an die Farbwiedergabequalität werden Lampen mit 5-Banden-Leuchtstoff eingesetzt, der ein weitgehend komplettes Spektrum der Lichtfarben liefert. Hier erzielt man auch die höchste Farbwiedergabestufe 1A, allerdings ist die Lichtausbeute ca. 30 % kleiner als beim 3-Banden-Leuchtstoff.

T5-L-Lampen benötigen immer ein EVG, aufgrund ihrer Abmessungen sind die dafür notwendigen Leuchten sehr kompakt und besser an die üblichen Deckenraster angepasst. Die Lampen gibt es einmal als HE (High Efficiency) Typ mit besonders hoher Lichtausbeute und als HO (High Output) Typ mit hoher Lichtleistung. Beim allgemeinen Einsatz sollten die HE-Typen aufgrund der besseren Energienutzung bevorzugt werden. Erst bei hohen Beleuchtungsstärken, ab ca. 1000 lx, ist der Einsatz der lichtstarken HO-Typen sinnvoll, um die Leuchtenanzahl kleinzuhalten.

Ersatz der Leuchtstofflampen durch LED-Röhren

Mittlerweile werden auch LED-Röhren als Ersatz von Leuchtstofflampen angeboten. Hier ist meist neben dem Austausch der eigentlichen Lampe auch ein Austausch von Starter, Vorschaltgerät und Verkabelung notwendig. Beim Tausch des Starters werden Starter mit interner Kurzschlussbrücke verwendet, ebenso kann eine Seite der LED-Röhre eine Kurzschlussbrücke enthalten und die andere Seite zur Zuführung der Spannung verwendet werden. Das alte Vorschaltgerät muss nicht ausgetauscht werden, ist dann aber eine Altlast im Stromkreis, die zusätzliche Verluste bringt. Es gibt auch Systeme in denen das Vorschaltgerät gegen einen Treiber ausgetauscht wird. Hier ist allerdings Vorsicht geboten, da durch den Umbau die Herstellergarantie erlöscht und man so selber zum Hersteller der Lampe wird. Moderne LED-Röhren erreichen eine höhere Energieeffizienz als Leuchtstofflampen von >100 lm/W.

Siehe auch