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Vorschaltgerät

Leuchtstofflampen, genauso wie alle anderen Arten von Gasentladungslampen, eignen sich nicht zum direkten Anschluss an das Stromnetz oder eine Gleichspannungsquelle wie eine Batterie. Sie können nur mit einem Vorschaltgerät betrieben werden, welches im Wesentlichen die folgenden zwei Funktionen erfüllt:

• Zum Starten einer Gasentladungslampe muss ein hoher Spannungsimpuls geliefert werden, damit die Ionisation des Gases gestartet wird und das Gas damit elektrisch leitfähig wird.
• Im Betrieb muss der durch die Röhre fließende Entladungsstrom begrenzt werden. Eine Gasentladungslampe weist nämlich typischerweise einen negativen differenziellen Widerstand auf: Bei zunehmender Stromstärke nimmt der Spannungsabfall an der Lampe ab. Dies schließt den direkten Betrieb an einer Spannungsquelle aus.

Es gibt sehr unterschiedliche Arten von Vorschaltgeräten, die im Folgenden beschrieben werden. Bei konventionellen (größeren) Leuchtstofflampen befindet sich das Vorschaltgerät meist unter oder direkt neben der Leuchtstoffröhre und ist relativ gut zugänglich. Bei kleinen tragbaren Lampen sowie bei Kompaktleuchtstofflampen (Energiesparlampen) ist es von außen nicht sichtbar im Gehäuse untergebracht und enthält keine auswechselbaren Komponenten. Ansonsten gibt es auch Aufsteck-EVG für die Umrüstung alter Lampen mit ursprünglich konventionellem Vorschaltgerät, die jedoch wegen diverser Probleme kaum verbreitet sind. Auch Kompaktleuchtstofflampen, bei denen die Leuchtstoffröhren und das Vorschaltgerät separat erhältlich und zusammensteckbar sind, sind wenig gebräuchlich.

Dieser Artikel befasst sich im Folgenden hauptsächlich mit Vorschaltgeräten für gängige Leuchtstofflampen. Geräte für andere Lampentypen wie z. B. Halogen-Metalldampflampen oder elektrodenlose Leuchtstofflampen arbeiten auf ähnliche Weisen, jedoch mit gewissen Anpassungen. Vorschaltgeräte für Leuchtdioden werden unten erwähnt.

Konventionelle Vorschaltgeräte

Konventionelle Vorschaltgerät die, wie sie im Folgenden beschrieben werden, waren für konventionelle (relativ große) Leuchtstofflampen für lange Zeit die praktisch einzige verwendete Lösung, werden allerdings heute zunehmend durch elektronische Vorschaltgeräte der (siehe unten) verdrängt.

Ein konventionelles Vorschaltgerät besteht häufig lediglich aus einer Drosselspule (Vorschaltdrossel, Ballast) und einem sogenannten Starter. Der Starter enthält zwei Bimetallstreifen in einem Glasgehäuse, welches mit einem Edelgas (meist Neon) unter geringem Druck gefüllt ist. Der Starter ist üblicherweise in einem kleinen zylindrischen Plastikgehäuse untergebracht und über eine Steckfassung angeschlossen, sodass er bei Bedarf leicht ausgewechselt werden kann.

Die typischerweise verwendete elektrische Schaltung für den Betrieb einer Leuchtstoffröhre an einem Wechselstromnetz mit z. B. 230 V Effektivspannung wird in Abbildung 1 gezeigt. Wenn der Schalter geschlossen wird, liegt an der Leuchtstoffröhre zunächst fast die volle Netzspannung an. Diese reicht jedoch nicht aus, um die Gasentladung in der Lampe zu zünden. Dagegen zündet eine Glimmentladung zwischen den Bimetallkontakten im Starter. Dadurch erwärmen sich diese Kontakte und verbiegen sich schließlich so, dass sie sich berühren. Dadurch kann nun ein relativ starker Strom durch den Starter, die beiden Glühfäden der Leuchtstoffröhre und die Drosselspule fließen. Da die Glimmentladung im Starter nun gestoppt ist, kühlen sich die Kontakte bald wieder ab und unterbrechen den Stromfluss. Wenn dies nicht gerade sehr nahe des Nulldurchgangs des Wechselstroms geschieht, entsteht beim Unterbrechen des Stroms in der Drosselspule eine hohe Rückschlagspannung, welche die Leuchtstoffröhre zündet. (Durch einen zusätzlichen Entstörkondensator im Starter wird dieser Spannungsanstieg ein wenig gebremst, um elektromagnetische Störungen zu vermindern.) Die Zündung wird dadurch erleichtert, dass die Glühfäden der Röhre bereits warm sind.

Wegen des Stromflusses durch die Röhre fällt nun (anders als vor dem Starten) ein wesentlicher Teil der Netzspannung an der Drosselspule ab, sodass die Spannung an der Leuchtstoffröhre auf einen meist zwischen 50 und 100 V liegenden Wert absinkt. Der Starter ist so gebaut, dass diese Spannung nicht mehr genügt, um darin die Glimmentladung zu starten. Der Starter bleibt während des Normalbetriebs also völlig passiv. Die Glühfäden (Elektroden) werden nun zwar nur noch von einem geringen Betriebsstrom durchflossen, werden aber zusätzlich durch Auftreffen der Elektronen und Ionen genügend warm gehalten, um die Glühemission zu ermöglichen.

Es kann vorkommen, dass der Startversuch zunächst misslingt, beispielsweise weil die Unterbrechung des Stroms durch den Starter zufällig in einem Zeitpunkt erfolgte, wo der fließende Wechselstrom ohnehin annähernd einen Nulldurchgang hatte. Dann gibt es nämlich keine ausreichend hohe Rückschlagspannung in der Spule. In diesem Fall startet aber wiederum die Glimmentladung im Starter, und es erfolgt bald ein neuer Startversuch.

Im Fall einer defekten Röhre, die nicht mehr starten kann, erfolgen weitere Startversuche, solange die Stromzufuhr erhalten bleibt. Dadurch kann der Starter schließlich auch beschädigt werden, falls die defekte Lampe nicht rechtzeitig abgeschaltet wird. Bei unbeaufsichtigtem Betrieb, oder in Anlagen mit sehr vielen Leuchtstoffröhren, kann dies häufiger vorkommen. In diesem Fall sollte der Starter zusammen mit der Röhre ausgewechselt werden, da ein defekter oder geschädigter Starter sonst die neue Röhre wiederum schädigen kann.

Konventionelle Vorschaltgeräte sind relativ billig zu bauen und sind sehr robust; allenfalls muss der Starter alle paar Jahre ausgewechselt werden, was einfach ist und nur geringe Kosten verursacht. Jedoch haben solche Vorschaltgeräte etliche Nachteile:

• Das Starten der Röhren ist nicht ganz zuverlässig, und das dabei auftretende Flackern kann lästig sein.
• Die Startvorgänge sind außerdem nicht sehr schonend für die Röhre; häufiges Ein- und Ausschalten kann die Lebensdauer der Röhre erheblich vermindern.

• Die üblicherweise verwendeten Drosselspulen weisen relativ hohe Energieverluste auf, sodass sich der Stromverbrauch um einige Watt erhöht. Außerdem ist die Energieeffizienz der Leuchtstoffröhre beim Betrieb mit konventionellem Vorschaltgerät etwas niedriger als mit einem elektronischen Vorschaltgerät (siehe unten), wo die Lampe mit einer sehr viel höheren Frequenz betrieben wird.
• Im Fall, dass eine Röhre nicht mehr startet, folgen ständige erfolglose Startversuche, die ein lästiges andauerndes Flackern verursachen und den Starter schädigen.

• Der Betrieb der Röhre erfolgt zwangsläufig mit der Netzfrequenz von beispielsweise 50 Hz. Dies bedeutet, dass der Stromfluss 100 mal pro Sekunde unterbrochen wird, wobei die Helligkeit der Lampe entsprechend einbricht. (Das Nachleuchten des Leuchtstoffs vermindert diesen Effekt nur ein Stück weit.) Die Modulationsfrequenz der Leuchtstärke von 100 Hz ist normalerweise zu hoch, um vom menschlichen Auge wahrgenommen zu werden, kann jedoch bei bewegten Gegenständen lästige Stroboskopeffekte zur Folge haben. Gesundheitliche Auswirkungen der Modulation des Lichts werden von manchen Menschen befürchtet, sind aber nicht belegt. (Das sichtbare Flackern von Lampen am Ende ihrer Lebensdauer kann durchaus störend sein, hat jedoch nichts mit der genannten 100-Hz-Modulation zu tun.)
• Der Betrieb mit einer Drosselspule verursacht einen relativ großen Blindleistungsanteil, was bei größeren Installationen mit vielen Leuchten nachteilig sein kann. Dieser Nachteil kann allerdings ggf. mit zusätzlichen Kondensatoren für die Blindleistungskompensation vermieden werden. Man kann auch einen Teil der Lampen mit einem zusätzlichen Kondensator in Serienschaltung verwenden, wodurch die betroffenen Lampen eine kapazitive (statt induktive) Blindleistung verursachen.
• Manchmal entstehen lästige Brummgeräusche, wenn die Drosselspule Vibrationen auf das Gehäuse der Lampe überträgt.
• Das Dimmen, d. h. eine Reduktion der Lichtleistung, ist bei konventionellen Vorschaltgeräten nicht möglich. (In Verbindung mit einem Glühlampen-Dimmer, der in der Regel eine Phasenanschnittsteuerung praktiziert, funktionieren sie nicht.)

Da die Drosselspule der größte und auffälligste Bestandteil eines konventionellen Vorschaltgeräts ist und in ihr ein elektrisch erzeugtes Magnetfeld eine wichtige Rolle spielt, werden solche Vorschaltgeräte der auch als magnetische Vorschaltgeräte bezeichnet.

Obwohl für einzelne Leuchtstofflampen typischerweise die beschriebene elektrische Schaltung verwendet wird, gibt es auch diverse andere Varianten. Beispielsweise gibt es die Tandemschaltung für den Betrieb eines Paars von Leuchtstoffröhren, die eine gewisse Materialersparnis durch die Verwendung nur einer Drosselspule ermöglicht. Manchmal werden Beleuchtungsanlagen auch so betrieben, dass die oben genannten Nulldurchgänge der Stromstärke in den verschiedenen Röhren nicht gleichzeitig, sondern zeitlich gegeneinander verschoben auftreten. Dadurch fällt die Oszillation der gesamten Lichtleistung wesentlich geringer aus.

Es gibt auch sogenannte verlustarme Vorschaltgeräte (VVG), die nach genau dem gleichen Prinzip arbeiten, jedoch mit einer hochwertigeren Drosselspule, die deutlich geringere Energieverluste verursacht (aber auch größer und teurer ist). Besonders sparsame Geräte werden teils als ultra-low-loss ballast bezeichnet.

Manche der oben genannten Nachteile können mit ausgefeilten Abwandlungen der oben genannten Schaltung zumindest zum Teil reduziert oder vermieden werden. Beispielsweise gibt es Starter, die ihre Funktion mithilfe elektronischer Bauelemente besser erfüllen; sie können z. B. die Lampe zuverlässiger starten und/oder nach mehreren erfolglosen Startversuchen die Lampe abschalten.

In einigen Jahren werden konventionelle Vorschaltgeräte in der EU nicht mehr verkauft werden dürfen, da die steigenden Anforderungen an die Energieeffizienz von Geräten (Ökodesignrichtlinie) den Einsatz elektronischer Vorschaltgeräte nötig machen. Diese Geräte erleiden damit ein ähnliches Schicksal wie die Glühlampe (→ Glühlampenverbot).

Elektronische Vorschaltgeräte

Elektronische Vorschaltgeräte starten und betreiben eine Leuchtstofflampe auf deutlich andere Art als konventionelle Vorschaltgeräte. Typischerweise wird aus der Netzspannung (bei Betrieb am öffentlichen Stromnetz) zunächst mithilfe eines Gleichrichters eine Gleichspannung gewonnen. Dann wird daraus meist mithilfe von Schalttransistoren wiederum eine Wechselspannung erzeugt (→ Wechselrichter), jedoch mit einer wesentlich höheren Frequenz in der Gegend von ca. 30 bis 40 kHz. Eine Drosselspule oder ein Transformator wird nach wie vor benötigt, jedoch kann wegen der hohen Betriebsfrequenz hierfür eine deutlich kleinere Ausführung gewählt werden. Deswegen ist ein elektronisches Vorschaltgerät trotz der viel höheren Anzahl der verwendeten Teile unter Umständen sogar kompakter als ein konventionelles. Dies gilt insbesondere für die Vorschaltgeräte von Kompaktleuchtstofflampen (Energiesparlampen), die in deren kleines Gehäuse integriert und von außen nicht sichtbar sind.

Elektronische Vorschaltgeräte können je nach Bauart eine Reihe von Vorteilen aufweisen:

• Die Energieeffizienz ist meistens erheblich höher als bei konventionellen Vorschaltgeräten, da in der Elektronik und auch der Drosselspule (oder im Transformator) nur ziemlich geringe Energieverluste auftreten. Durch die hohe Betriebsfrequenz arbeitet zusätzlich auch die Leuchtstofflampe energieeffizienter, da die sonst relativ langen Zeiten des Nulldurchgangs, in denen die Leitfähigkeit des Plasmas stark abnimmt, massiv verkürzt werden.
• Manche Geräte erlauben das Dimmen, d. h. eine stufenlose Einstellung der Lichtleistung (siehe unten).

• Spezielle Einrichtungen können den besonders zuverlässigen und schonenden Warmstart der Röhren ermöglichen und ermöglichen damit eine sehr lange Lebensdauer selbst bei häufigem Ein- und Ausschalten. Diesbezüglich am günstigsten ist es, wenn die Glühfäden der Lampe für rund eine Sekunde vorgeheizt werden, bevor die Lampe dann gestartet wird. (Ein Sofortstart ohne Vorwärmung belastet die Elektroden der Lampe wesentlich stärker.)

• Durch die hohe Betriebsfrequenz wird dadurch die Modulation des Lichtstroms nicht nur viel schneller, sondern gleichzeitig auch wesentlich schwächer, weil der verwendete Leuchtstoff zu lange nachleuchtet, um die Lichtstärke den schnellen Oszillationen folgen zu lassen. Allerdings kann es vorkommen, dass wegen eines zu knapp bemessenen Glättungskondensators die erzeugte Gleichspannung immer noch eine deutliche Modulation mit 100 Hz aufweist und dass diese sich auch auf den Lichtstrom auswirkt (allerdings meist schwächer als bei konventionellen Vorschaltgeräten).
• Die Erzeugung einer nennenswerten Blindleistung wird meist vermieden (außer u. U. bei Kompaktleuchtstofflampen), was bei größeren Beleuchtungsanlagen nützlich sein kann.

Die Lebensdauer eines elektronischen Vorschaltgeräts ist typischerweise kürzer als die eines konventionellen Geräts, jedoch immerhin meist erheblich länger als die einer Leuchtstoffröhre. Selbst bei Dauerbetrieb sollten solche Geräte etliche Jahre lang durchhalten.

Die Baukosten für ein elektronisches Vorschaltgerät waren in der Anfangszeit relativ hoch, sind mittlerweile aber stark gesunken. Die Kosten für diverse elektronische Bauteile werden zum Teil kompensiert durch die Verwendung einer wesentlich kleineren Spule. Wenn eine verlängerte Lebensdauer der Leuchtstoffröhren erzielt wird, führt auch dies zu Einsparungen – zusätzlich zur Einsparung über den verminderten Stromverbrauch. Die Summe von Investitions- und Betriebskosten sollte mit einem EVG deutlich geringer ausfallen, außer bei seltener Verwendung einer Lampe.

Elektronische Vorschaltgeräte können ohne Weiteres auch für den Betrieb an wesentlich kleineren Spannungen, auch an Gleichspannungen, ausgelegt werden. Beispielsweise ist damit der Betrieb an einer 12-V-Batterie möglich. Eine solche kann beispielsweise mit einem Solarmodul geladen werden, sodass eine netzunabhängige Beleuchtung in einem abgelegenen Häuschen möglich ist. Es wäre teurer und weniger effizient, hier für einen Wechselrichter in Verbindung mit einem 230-V-Vorschaltgerät zu verwenden.

Für den Betrieb größerer Beleuchtungsanlagen gibt es elektronische Vorschaltgeräte, die mehrere Leuchtstofflampen kombiniert (in Serie geschaltet) betreiben können, was deutliche Material- und Kosteneinsparungen ermöglicht.

Dimmbare elektronische Vorschaltgeräte

Manche elektronische Vorschaltgeräte erlauben das Dimmen, d. h. eine stufenlose Einstellung der Lichtleistung.

An einem analog dimmbaren Vorschaltgerät wird im einfachsten Fall ein Potentiometer angeschlossen, d. h. ein über einen Drehknopf regelbarer elektrischer Widerstand. Das Vorschaltgerät erzeugt einen Konstantstrom, der durch das Potentiometer fließt, und verwendet den dabei auftretenden Spannungsabfall als Maß für die gewünschte Lichtstärke. Digital dimmbare EVG erhalten dagegen ein spezielles digitales Bussignal.

Das Dimmen von Leuchtstofflampen ist nicht trivial. Die Elektroden sind so ausgeführt, dass sie beim Betrieb mit voller Leistung ausreichend warm bleiben für die benötigte Glühemission. Beim Betrieb mit deutlich reduzierter Leistung ist dies nicht mehr der Fall. In diesem Fall müssen die Glühfäden zusätzlich elektrisch beheizt werden. Dafür muss das Vorschaltgerät sorgen. Eine Folge davon ist, dass die Effizienz der Leuchte beim heruntergedimmten Betrieb etwas geringer wird. Dieser Effekt ist bei Leuchtstofflampen allerdings viel geringer als beim Dimmen von Glühlampen.

Es kann vorkommen, dass bei starker Absenkung der Lichtleistung ein gewisses Flackern der Lampe auftritt, weil es für das Vorschaltgerät schwieriger wird, die Gasentladung dann noch stabil aufrecht zu erhalten. Eine gewisse Mindestleuchtstärke wird meist auch vorgesehen, damit man das Ausschalten nicht wegen zu geringer Helligkeit der Lampe vergisst.

Die Elektronik digital dimmbarer EVG bleibt immer am Stromnetz, selbst bei ausgeschalteter Lampe, und verursachen deswegen einen gewissen Standby-Verbrauch. Dieser kann bei sorgfältig ausgeführter Elektronik allerdings sehr gering sein.

Vorschaltgeräte für Kaltkathodenlampen

Für Beleuchtungszwecke werden fast nur sogenannte Heißkathodenlampen eingesetzt, die mit Vorschaltgerät wie oben beschrieben betrieben werden können. Für Kaltkathodenlampen (CCFL), die mit kalten (nicht beheizbaren) Elektroden arbeiten, sind etwas andere Arten von Vorschaltgeräten nötig. Häufig wird hierfür ein so genannter Streufeldtransformator verwendet, bei dem die Ausgangsspannung bei Strombelastung stark einbricht, sodass die Betriebsstromstärke stabilisiert wird. Häufig wird ein Streufeldtransformator mit einer Art von Wechselrichter wie in anderen elektronischen Vorschaltgeräten betrieben.

Vorschaltgeräte für Leuchtdioden

Leuchtdioden verhalten sich elektrisch völlig anders als Leuchtstofflampen, können aber wie diese auch nicht direkt an eine Spannungsquelle angeschlossen werden. Ein entsprechendes Vorschaltgerät ist allerdings technisch sehr einfach realisierbar; es muss einfach eine relativ niedrige Gleichspannung erzeugen und deren Höhe so einstellen, dass die gewünschte Stromstärke erreicht wird. Da die Stromstärke bei Leuchtdioden sehr stark von der angelegten Spannung abhängt, ist meist eine entsprechende Stabilisierung notwendig. (Ein einfacher Vorwiderstand mag dafür ausreichend sein, ist allerdings keine energieeffiziente Lösung.) Zu beachten ist auch, dass unterschiedliche Leuchtdioden deutlich unterschiedliche Spannungen und Stromstärken benötigen und das verwendete Vorschaltgerät darauf eingerichtet sein muss. Ein Vorschaltgerät sollte auch eine Schutzeinrichtung gegen Überspannungen aus dem Stromnetz enthalten, die Leuchtdioden sonst schnell zerstören könnten.

Deutlich überdimensionierte oder unsachgemäß gebaute Vorschaltgeräte können eine reduzierte Energieeffizienz zu aufweisen. Sie sind daran erkennbar, dass sie im Betrieb deutlich warm werden.

Das Dimmen ist bei manchen Geräten ebenfalls möglich; hierzu muss einfach die Stromstärke durch die Leuchtdioden entsprechend reduziert werden können.

In manchen Fällen ist es nützlich, wenn das Vorschaltgerät die für die LEDs benötigte Niederspannung galvanisch getrennt vom Stromnetz zur Verfügung stellt.

Manche LED-Leuchtmittel sind mit einem internen Vorschaltgerät versehen, das den Betrieb an einer einfachen 12-Volt-Gleichspannung ermöglicht. In diesem Fall kann die gleiche Stromversorgung wie für Halogenlampen verwendet werden, was auch die Umrüstung auf LEDs erleichtert. Allerdings erweist sich diese Stromversorgung nach Austausch alle Halogenlampen durch LED-Lampen als völlig überdimensioniert und wird deswegen meist nicht besonders effizient arbeiten, sofern es sich nicht um ein modernes Schaltnetzteil handelt.

Entsorgung von Vorschaltgeräten

Vorschaltgeräte aller Bauarten enthalten elektrische und elektronische Bauelemente, die nach Beendigung der Betriebszeiten nicht in den Hausmüll gehören. Hier gilt dasselbe wie für praktisch alle anderen elektrischen Geräte.

Siehe auch: Gasentladungslampe, Leuchtstofflampe, Beleuchtung