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Leuchtstofflampe

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Definition: ein Leuchtmittel, in welchem eine fluoreszierende Schicht durch UV-Strahlung von einer Gasentladung zum Leuchten angeregt wird

Englisch: fluorescent lamp

Kategorien: Energieeffizienz, Haustechnik, Licht und Beleuchtung

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 27.05.2010; letzte Änderung: 17.09.2016

Leuchtstofflampen (oder Fluoreszenzlampen) sind meist röhrenförmige Leuchtmittel, welche nach dem folgenden Prinzip arbeiten. Das Innere der Röhre ist meist mit Quecksilberdampf und Argon unter geringem Druck gefüllt, und durch Stromfluss zwischen zwei Elektroden an den Enden wird der Quecksilberdampf zur Emission von ultraviolettem Licht (UV-Strahlung) angeregt. Dieses trifft auf eine weiße Schicht aus einem Leuchtstoff an der Innenseite der Glasröhre und regt damit den Leuchtstoff zur Abstrahlung von weißem Licht (durch Fluoreszenz) an. Der Leuchtstoff wandelt also UV-Licht in sichtbares Licht um. Geringe Mengen von UV-Licht, die die Leuchtschicht durchdringen, werden im Glaskolben weitestgehend absorbiert, dringen also kaum nach außen.

Man beachte, dass das ursprünglich UV-Licht aussendende Gas nicht als Leuchtstoff bezeichnet wird; dies ist vielmehr der Stoff, der davon angeregt das schließlich nutzbare sichtbare Licht erzeugt.

Die meisten Leuchtstofflampen sind sogenannte Heißkathodenlampen mit Glühkathoden, die meist nur während des Startens elektrisch beheizt werden (beim Dimmen aber oft auch im Betrieb). Für manche Anwendungen (z. B. Flachbildschirme) werden jedoch sogenannte Kaltkathodenlampen verwendet, die nicht beheizbare Elektroden haben. Sie sind tendenziell langlebiger, aber weniger energieeffizient.

Der Start der Gasentladung beim Einschalten erfordert kurzzeitig das Anlegen einer wesentlich höheren elektrischen Spannung. Er erfolgt bei älteren Lampen durch einen einfachen Starter in Verbindung mit der Drosselspule, die im Normalbetrieb den Strom begrenzt; das Starten dauert wenige Sekunden. Elektronische Vorschaltgeräte (siehe unten) können Leuchtstoffröhren deutlich schneller starten und vermindern gleichzeitig die Belastung für die Lampe, verlängern also ihre Lebensdauer. Die Details des Startens von Leuchtstofflampen werden im Artikel über Vorschaltgeräte erklärt.

Die gelegentlich gebrauchte Bezeichnung Neonröhre für Leuchtstoffröhren ist falsch; sie würde zutreffen für Lampen, in denen Neon durch eine Gasentladung angeregt wird und keine Leuchtschicht verwendet wird. Echte Neonröhren (die zu den Kaltkathodenlampen gehören) werden für farbige Reklameleuchten verwendet, normalerweise aber nicht für die Beleuchtung von Räumen.

Leuchtstoffröhre

Abbildung 1: Eine Leuchtstoffröhre mit ca. 59 cm Länge (ohne Anschlussstifte) und einer elektrischen Leistungsaufnahme von 18 W. Sie gibt ähnlich viel Licht ab wie eine Glühlampe, die 100 W benötigt.

Besonders kompakte Arten von Leuchtstofflampen werden als Energiesparlampen oder Kompaktleuchtstofflampen bezeichnet. Viele, aber nicht alle Details der größeren herkömmlichen Leuchtstofflampen treffen auch auf sie zu.

Warum gerade Quecksilber?

Es mag ungünstig erscheinen, dass Leuchtstofflampen ausgerechnet das sehr giftige Quecksilber verwenden, während es ja auch andere Gasentladungslampen mit völlig ungiftigen Gasen wie Neon und Krypton gibt. Jedoch erfordert das Prinzip der Leuchtstofflampe die Erzeugung von ultraviolettem Licht zur Anregung des Leuchtstoffs, und hierfür ist Quecksilber viel besser geeignet als alle bislang bekannten anderen Stoffe: Es emittiert einen wesentlichen Teil der Energie bei für die Anregung des Leuchtstoffs geeigneten Wellenlängen. Die Verwendung von solchen Leuchtstoffen wiederum ist notwendig, weil praktisch nur so weißes Licht mit einem mehr oder weniger optimierten Lichtspektrum (siehe unten) möglich ist. Neonlampen, Kryptonlampen usw. erzeugen farbiges Licht, welches für Beleuchtungszwecke kaum brauchbar ist, sondern eher für Reklameleuchten.

Leuchtstofflampen enthalten giftiges Quecksilber. Sie sollten deswegen am Ende ihrer Lebensdauer stets dem Recyling zugeführt werden. Die Quecksilber-Gefahren sind allerdings bei Weitem nicht so groß, wie oft behauptet wird – siehe hierzu einen Extra-Artikel.

Bei der Einschätzung der Gefahren, die durch das Quecksilber in den Lampen entstehen, wird häufig nicht berücksichtigt, dass es sich um recht kleine Mengen (einige Milligramm) handelt – weitaus weniger als z. B. früher in Quecksilber-Fieberthermometern enthalten war. Dadurch, dass Leuchtstofflampen viel weniger elektrische Energie als Glühlampen verbrauchen, wird die Stromerzeugung in Kohlekraftwerken reduziert. Da deren Abgase selbst bei Verwendung moderner Filtereinrichtungen noch nennenswerte Mengen von Quecksilber enthalten, wird die Quecksilberbelastung der Umwelt durch Leuchtstofflampen meistens nicht etwa erhöht, sondern sogar reduziert. Zwar wird beim Bruch einer Leuchtstofflampe in einem Wohnraum giftiger Quecksilberdampf freigesetzt, aber wegen der geringen Menge ist die damit verbundene Gefährdung weitaus geringer, als viele Menschen annehmen [2].

Kompaktleuchtstofflampen mit stark reduziertem Quecksilbergehalt oder sogar ganz ohne Quecksilber scheinen aber technisch möglich sein; gewisse elektrodenlose Lampen werden z. Zt. entwickelt, die auch eine nochmals stark verlängerte Lebensdauer hätten.

Gemäß der Minamata-Quecksilber-Konvention werden voraussichtlich ab 2020 keine quecksilberhaltigen Lampen mehr verkauft werden dürfen. Wenn bis dahin Leuchtstofflampen nicht ohne Quecksilber produziert werden können, wird man keine mehr verwenden können. Voraussichtlich werden jedoch viele davon durch LED-Röhren (siehe unten) in ähnlicher äußerer Form ersetzt werden können.

Lichtspektrum von Leuchtstofflampen; Warmton- und Kaltton-Lampen

Weißes Licht ist zusammengesetzt aus verschiedenen Spektralfarben. Das Spektrum des emittierten Lichts einer Leuchtstofflampe ist nicht gleichmäßig wie bei einer Glühlampe, sondern stark strukturiert: Manche Farben sind recht stark vertreten, andere wenig. Durch Variation der Zusammensetzung des Leuchtstoffs kann der entstehende Farbton recht gut den Bedürfnissen angepasst werden. Jedoch führt das strukturierte Spektrum dazu, dass die Wahrnehmung der Farben von beleuchteten Gegenständen von der mit Tageslicht etwas abweichen kann. Dieser Effekt ist stark bei den billigsten Lampen, den 2-Banden-Röhren. Eine bessere Farbwiedergabe bei gleichzeitiger höherer Energieeffizienz wird erzielt mit 3-Banden-Lampen. Darüber hinaus gibt es sogenannte 5-Banden-Leuchtstoffröhren, die ein Spektrum mit nur geringen Lücken erzeugen, also eine noch bessere Farbwiedergabe ermöglichen, jedoch eine reduzierte Effizienz aufweisen.

Spektrum Lumilux 865

Abbildung 2: Spektrum einer Leuchtstoffröhre von OSRAM (Lumilux) mit Farbcode 865, also einem Farbwiedergabeindex zwischen 80 und 89 und einer hohen Farbtemperatur von 6500 K. Das Diagramm zeigt die Intensitäten der Lichtanteile in verschiedenen schmalen Bereichen von Lichtwellenlängen in Nanometern (nm). Es handelt sich um eine Kalttonlampe, wie sie für ein Büro geeignet wäre, aber nicht für ein Wohnzimmer.

Spektrum Lumilux 827

Abbildung 3: Spektrum einer Leuchtstoffröhre von OSRAM (Lumilux) mit Farbcode 827, also einem Farbwiedergabeindex zwischen 80 und 89 und einer niedrigen Farbtemperatur von 2700 K (ähnlich der einer Glühlampe). Dies ist eine Warmtonlampe, die für Wohnräume geeignet ist. Der Anteil blauen Lichts (Wellenlängen um 450 nm) ist viel schwächer als in Abbildung 2, während mehr rotes Licht enthalten ist.

Für Wohnräume werden bevorzugt sogenannte Warmton-Lampen (Farbton warmweiß) verwendet, in deren Spektrum die Rottöne stärker betont sind und der Blauanteil geringer ist (siehe Abbildung 3). Solches Licht wirkt gemütlicher und entspannender. Für Büroräume geeigneter sind Kaltton-Lampen, deren höhere Farbtemperatur der des Sonnenlichts besser entspricht (Abbildung 2), oder auch Tageslichtlampen, die zusätzlich ein gleichmäßigeres Lichtspektrum haben. Der höhere Blauanteil (ähnlich wie beim Sonnenlicht) reduziert Ermüdungserscheinungen beim Arbeiten, die mit “wärmerem” Licht stärker wären.

Wie erkennt man, von welcher Art das Weißlicht von einer Leuchtstoffröhre ist?

Feine Abstufungen von Farbtönen werden mit diversen international standardisierten Codes gekennzeichnet, die Fachleuten eine genaue Abstimmung auf den jeweiligen Einsatzzweck ermöglichen. Wenn eine Röhre z. B. den Schriftzug “L 18 W/827” enthält, kann man aus den letzten Ziffern (827) Folgendes ermitteln:

Das Modell 827 wäre also z. B. für eine indirekte Beleuchtung in Wohnräumen gut geeignet. Für einen Büroraum dagegen würde man viel besser eine Lampe mit dem Code 840 oder auch 865 wählen – sie hat eine höhere Farbtemperatur und eine noch höhere Lichtausbeute. (Man beachte, dass Licht mit höherer Farbtemperatur als “kälter” empfunden wird, nicht etwa als wärmer.)

Von Laien werden diese Codes leider mangels Wissen meist nicht beachtet. So entstehen dann z. B. Klagen über zu “kaltes” Licht dieser Lampen, wenn die falschen ausgewählt wurden.

Übrigens haben Lampen mit einem hohen Farbwiedergabeindex nicht zwangsläufig ein “kontinuierlicheres” Spektrum, sondern u. U. nur mehr verschiedene (aber relativ schmale) Linien, da dieser Index auf einer bestimmten (kleinen) Auswahl von Testfarben basiert. Für praktische Zwecke dürfte dies jedoch wenig bedeutsam sein.

Bauformen und Sockel für lineare Leuchtstoffröhren

Die meisten Leuchtstofflampen haben die Form linearer Röhren, für die es standardisierte Baugrößen und Sockel gibt. Der Röhrendurchmesser wird über eine Angabe wie T5, T8 oder T12 bezeichnet, wobei die Zahl mit einem Achtel Zoll zu multiplizieren ist. (Beispielsweise bedeutet die heute übliche Größe T8 einen Durchmesser von ca. einem Zoll = 25,4 mm.) T8-Lampen passen genauso wie die alten T12-Lampen in G13-Sockel, während die kleineren T5-Lampen einen G5-Sockel benötigen.

Die elektrische Leistung einer Leuchtstoffröhre ist nicht zwingend mit einer bestimmten Länge der Röhre verbunden; jedoch sind gewisse Leistungen für bestimmte häufig verwendete Längen üblich. Für die besonders verbreiteten T8-Röhren zeigt die Tabelle unten die üblichen Leistungen für typische Röhrenlängen.

Länge Leistung
438 mm15 W
590 mm18 W
895 mm30 W
1200 mm36 W
1500 mm58 W

Vorschaltgeräte

Eine Leuchtstoffröhre kann nicht direkt an eine Gleich- oder Wechselspannungsquelle angeschlossen werden; man braucht ein Vorschaltgerät. Die einfachste Bauart hierfür (siehe Abbildung 5) enthält eine Drosselspule (die sich vor allem beim Starten manchmal durch ein gewisses Brummen bemerkbar macht) und einen Starter.

Leuchtstofflampe mit konventionellem Vorschaltgerät

Abbildung 4: Schaltplan der üblichen konventionellen Schaltung für den Betrieb einer Leuchtstoffröhre.

Der Starter enthält eine Glimmlampe und einen Bimetall-Schalter, der dieselbe kurzschließt, sobald er von ihr ausreichend erwärmt wurde. Das Starten der Lampe funktioniert nach dem Einschalten also folgendermaßen:

Das Starten funktioniert allerdings nicht, wenn der Starter zufällig den oszillierenden Strom nahe einem Nulldurchgang unterbricht; dann entsteht nämlich eine zu geringe Rückschlagspannung, und die Röhre zündet nicht. Das führt dazu, dass der Starter erneut aktiv wird, bis das Starten schließlich funktioniert.

Leuchtstofflampe mit Vorschaltgerät

Abbildung 5: Eine Leuchte mit entfernter Leuchtstoffröhre, in der das Vorschaltgerät sichtbar ist. Es handelt sich um ein konventionelles Vorschaltgerät mit einer Drosselspule (im beschrifteten Gehäuse). Ganz links ist der auswechselbare Starter zu sehen.

Elektronische Vorschaltgeräte sind etwas aufwendiger, weisen aber diverse Vorteile auf:

In der Regel ist es sinnvoll, Leuchtstofflampen mit einem elektronischen Vorschaltgerät zu betreiben.

Der Artikel über Vorschaltgeräte behandelt diese Thematik eingehend.

Vor- und Nachteile von Leuchtstofflampen

Im Vergleich zu Glühlampen bieten Leuchtstofflampen eine Reihe von Vorteilen:

Es gibt aber auch diverse Nachteile:

Obwohl die Liste möglicher Nachteile lang ist, sind Leuchtstofflampen vielfältig einsetzbar – auch in Wohnräumen.

Eindeutig falsch ist der verbreitete Glaube, Leuchtstofflampen würden beim Einschalten so viel Strom brauchen, dass gelegentliches Ab- und Anschalten energetisch gesehen schädlich sei. Lediglich die Lebensdauer kann leiden. Wenn allerdings ein hochwertiges Vorschaltgerät verwendet wird, verträgt eine Leuchtstoffröhre zigtausende von Schaltvorgängen, so dass auch nichts gegen das Abschalten z. B. für nur fünf Minuten spricht.

Diverse Befürchtungen über gesundheitliche Beeinträchtigungen durch die Verwendung von Leuchtstofflampen sind im Umlauf, insbesondere wegen des Quecksilbers, des Lichtspektrums, des Flimmers und des Elektrosmogs. Diese erweisen sich jedoch allesamt nicht als stichhaltig [3].

Rechenbeispiel für die Betriebskosten

Die niedrigeren Betriebskosten von Leuchtstofflampen im Vergleich zu Glühlampen sind gegen den höheren Anschaffungspreis abzuwägen.

Die wesentlich niedrigeren Betriebskosten von Leuchtstofflampen können auch deutlich höhere Anschaffungspreise rechtfertigen.

Ein Rechenbeispiel zeigt, dass der niedrige Strombedarf von Leuchtstofflampen selbst erheblich höhere Anschaffungskosten rechtfertigt. Wenn eine Leuchtstofflampe mit 60 W eine Lebensdauer von 8000 Betriebsstunden erreicht, verbraucht sie in dieser Zeit 0,06 kW · 8000 h = 480 kWh elektrischer Energie, was bei einem Tarif von 0,25 €/kWh Stromkosten von 120 € verursacht. Etwa die gleiche Helligkeit würde erzielt mit drei 100-W-Glühlampen, die die fünffache elektrische Leistung benötigen und entsprechend auch fünffach erhöhte Stromkosten von 600 € in 8000 Stunden verursachen.

Auf Seite der Anschaffungskosten ist eine Leuchtstoffröhre zu vergleichen mit 24 Glühlampen (da jeweils drei Glühlampen gleichzeitig brennen und die Lebensdauer ca. achtmal geringer ist). Man sieht, dass die Stromkosten in der Regel weit wichtiger sind als die Anschaffungskosten. Somit könnte allenfalls ein massiv höherer Preis der Leuchte (des Lampengehäuses) den Kostenvorteil der Leuchtstoffröhre in Frage stellen.

Der energetische Vorteil der Leuchtstofflampen wird durch den wesentlich höheren Energieaufwand für ihre Herstellung (graue Energie) nur geringfügig reduziert.

Ersatz von Leuchtstoffröhren durch LED-Röhren

Es gibt heute LED-Röhren, die Leuchtdioden anstatt einer Gasentladungslampe enthalten und dieselbe äußere Form wie Leuchtstoffröhren aufweisen. Sie passen deswegen direkt in die für Leuchtstoffröhren vorgesehen Fassungen (z. B. G13 für T8-Röhren). Zusätzlich muss meist noch der Starter gegen ein ähnlich aussehendes Teil mit einer eingebauten Brücke ersetzt werden, was normalerweise einfach sein dürfte. In manchen Fällen muss auch die Drosselspule entfernt werden.

Der Hauptvorteil dieser Umrüstung besteht darin, dass eine LED-Lampe meistens eine noch deutlich höhere Energieeffizienz aufweist. Dies kommt zum Teil auch daher, dass LEDs gerichtet abstrahlen, wodurch der bei Leuchtstoffröhren übliche Verlust von Licht, welches zur Fassung hin abgestrahlt wird, vermieden wird. Außerdem sind LED-Lampen frei von Quecksilber (siehe oben) und können deswegen auch nach Umsetzung der Minamata-Quecksilber-Konvention verkauft werden.

Elektrodenlose Leuchtstofflampen: Induktionslampen

Die Lebensdauer einer gewöhnlichen Leuchtstofflampe wird in der Regel durch die Elektroden begrenzt, die die Gasentladung erzeugen. Sie ist zwar schon recht hoch (teils über 10 000 Stunden), aber für manche Anwendungen sind noch deutlich längere Lebensdauern wünschenswert. Dies ist möglich mit elektrodenlosen Typen von Leuchtstofflampen, sogenannten Induktionslampen oder Induktionsleuchten, die Lebensdauern von teils mehr als 50 000 Stunden erreichen. Hier erfolgt die Anregung der Gasentladung durch eine oder mehrere Induktionsspulen, die durch Wechselstrom mit einer erhöhten Frequenz von hunderten von Kilohertz oder auch mehreren Megahertz gespeist werden. Hierfür wird ein spezielles Betriebsgerät (Vorschaltgerät) benötigt. Solche Lampen werden bisher vor allem für höhere Leistungen eingesetzt, z. B. für Industriehallen und für die Straßenbeleuchtung. Die Lichtausbeute kann höher sein als bei herkömmlichen Leuchtstoffröhren – häufig weit oberhalb von 100 lm/W. Der höhere Anschaffungspreis rechtfertigt sich häufig allein schon durch das wesentlich seltener nötige Auswechseln der Lampen, vor allem bei Lampen an schlecht zugänglichen Stellen wie z. B. an hohen Hallendecken oder in Tunneln.

Literatur

[1]Blog-Artikel: Die Minamata-Quecksilber-Konvention: das Ende der Leuchtstofflampen, aber nicht der Kohlekraftwerke
[2]Extra-Artikel: Energiesparlampen: tödliche Gefahr durch Quecksilber?
[3]Extra-Artikel: Sind Energiesparlampen und Leuchtstofflampen gesundheitsschädlich?

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Beleuchtung, Tageslichtlampe, Glühlampe, Energiesparlampe, Leuchtdiode, Gasentladungslampe, Vorschaltgerät, RP-Energie-Blog 2013-11-04
sowie andere Artikel in den Kategorien Energieeffizienz, Haustechnik, Licht und Beleuchtung

Alles verstanden?


Frage: Welche der folgenden Aussagen sind korrekt?

(a) Neonröhren sind keine Leuchtstofflampen.

(b) 100 große Leuchtstofflampen enthalten insgesamt ähnlich viel Quecksilber wie ein einziges Quecksilber-Fieberthermometer.

(c) Wenn man Glühlampen statt Leuchtstofflampen verwendet, kann dies zu einer stärkeren Umweltbelastung mit Quecksilber führen.

(d) Die die Lampen am besten schonenden Vorschaltgeräte führen zu einem sofortigen Start nach dem Betätigen des Schalters.


Siehe auch unser Energie-Quiz!

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