"Pumpschaltungen für EVG von
Niederdruckgasentladungslampen"
2. Gasentladungslampen
2.1. Grundlagen der Lichterzeugung
Bei der Lichterzeugung mittels elektrischer Energie werden mehrere verschiedene
physikalische Erscheinungen angewendet. Das sind die Glühemission von festen
Stoffen, die Photoemission in Gasen und die Gasentladung. In herkömmlichen
Glühlampen und Halogenglühlampen wird mittels Glühemission Licht
erzeugt. Diese sogenannten Temperaturstrahler haben einen geringen Wirkungsgrad,
denn ein Großteil der Energie wird als Wärme abgegeben. Mit Gasentladungslampen,
wie Natriumdampflampen, Quecksilberdampflampen und edelgasgefüllten Gasentladungslampen
kann eine höhere Lichtausbeute erreicht werden.
Bild 2.1: Verschiedene Lampenarten
2.2. Gasentladung
Mit Gasentladung wird allgemein der Stromfluß in Gasen, wie bei Blitzen
und Durchschlägen bei hohen Spannungen bezeichnet. In Gasentladungsröhren
wird dieser Vorgang technisch angewendet.
Bei kleinen Feldstärken wirkt ein Gas alsuelle der Ladungsträgergeneration
ist die Ionisation, insbesondere die Stoßionisation. Dabei werden neutral
geladene Atome und Moleküle durch Zusammenstoß Isolator. Um einen Stromfluß
hervorzurufen, müssen im Gas Ladungsträger generiert und durch ein elektrisches
Feld oder Diffusion gerichtet bewegt werden. Hauptqen mit anderen Teilchen in
ein- oder mehrfach geladene Ionen und Elektronen zerlegt. Bei Erhöhung der
an den Elektroden anliegenden Spannung und der damit verbundenen Feldstärkeerhöhung
im Innern der Gasentladungsröhre kommt es zu einer unselbständigen Entladung.
Eine unselbständige Entladung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil
der Ladungsträger durch externe Quellen (Elektroneninjektion durch die geheizte
Kathode; Ionisation durch Röntgenstrahlung, UV-Licht oder Höhenstrahlung)
erzeugt wird. Der Stromfluß im Gas wird unterbrochen, wenn diese Zufuhr
von Ladungsträgern wegfällt. Bei einer weiteren Spannungserhöhung
werden weitere Ladungsträger generiert, bis beim Überschreiten einer
gewissen Feldstärke, der Durchschlagsfeldstärke E BR,
eine stabile Entladung eintritt. Ursache dafür ist der Lawineneffekt. Der
Lawineneffekt tritt ein, da sich durch die hohe Anzahl von Ladungsträgern
im Gas die mittlere freie Weglänge verringert und, sich damit die Wahrscheinlichkeit
eines Zusammenstoßes der Teilchen erhöht. Man sagt, die kritische Verstärkung
ist erreicht. Der Entladungsprozeß ist jetzt in der Lage, die benötigten
Ladungsträger selbst zu generieren. Es gelangen mehr oder mindestens genausoviel
Ladungsträger an die jeweils andere Elektrode, wie an Anode (positive Ionen)
oder Kathode (Elektronen) generiert wurden. Dieses Verhältnis wird mit M
bezeichnet und wie folgt ausgedrückt:
Bei einer unselbständigen Entladung ist M kleiner als 1, bei einer selbständigen
Entladung ist M gleich 1. Wird M größer als 1, kommt es zu einer Ladungsträgerverstärkung,
welche zur Ausbildung eines Entladungskanals führt, der einen Durchschlag
der Gasstrecke zur Folge hat [8] [10] .
Jeder Entladungsvorgang ist durch die Aussendung von Energie in Form von Wärme
und Licht gekennzeichnet. Bei Gasentladungslampen wird durch die Begrenzung des
Stromes verhindert, daß sich der Entladungskanal zu sehr aufheizt. Damit
wird der vorrangige Teil der Energie als Licht abgegeben. Das ausgesandte Licht
ist größtenteils ultraviolette Strahlung, d.h. sie liegt im nichtsichtbaren
Bereich.
2.3. Grundsätzlicher Aufbau
Den Aufbau einer Gasentladungslampe zeigt Bild 2.2. Zusammen mit einem Quecksilbertropfen
dient ein Puffergas, im allgemeinen Argon oder eine Argon-Krypton-Mischung, als
Gasfüllung. Da Quecksilber einen niedrigen Dampfdruck hat, wird durch den
Einsatz des Puffer- oder Grundgases ein Dampfdruck von 100-500Pa erreicht, der
zum Betrieb der Lampe notwendig ist.
Bild 2.2: grundsätzlicher Aufbau einer Gasentladungslampe
Die Enden des Entladungsgefäßes werden mit den Sockeln verschlossen,
die zusammen mit den Anschlüssen den Lampenfuß bilden. Das gasgefüllte
Glasrohr ist auf der Innenseite mit einem Leuchtstoff beschichtet, der die ultraviolette
Strahlung in sichtbares Licht umwandelt. Als Leuchtstoff dienen verschiedene anorganische
oxidische Verbindungen. Mit verschiedenen Materialien und Materialmischungen lassen
sich die Leuchtfarbe und die Effektivität der Lampe verändern [8].
Gasentladungslampen gibt es in den unterschiedlichsten Bauformen und Sockeltypen,
stabförmig, ringförmig oder U-förmig, mit E14-, E27- oder Stecksockeln.
Außerdem kann man Gasentladungslampen in Kalt- und Warmstartlampen unterscheiden.
Kaltstartlampen („coldstarted”) werden ohne Vorheizen der Glühwendeln
beim Einschalten mit dem vollen Betriebsstrom beaufschlagt. Damit erreichen diese
Lampen erst nach dem Erreichen der Betriebstemperatur der Glühwendeln ihre
volle Helligkeit. Bei Warmstartlampen werden erst mit einem speziellen Vorheizkreis
die Wendeln mit einem geringen Strom auf Betriebstemperatur vorgeheizt. Damit
haben diese Lampen eine wesentlich höhere Lebensdauer als Kaltstartlampen.
Für den Einsatz von Gasentladungslampen als Energiespar- bzw. Kompaktleuchtstofflampen
gibt es zwei Ausführungsvarianten: mit separatem und mit integriertem
Vorschaltgerät. Kompaktleuchtstofflampen mit integriertem Vorschaltgerät
sind für den Ersatz herkömmlicher Glühlampen gedacht und können
in die vorhandenen E14- und E27-Sockel eingeschraubt werden.
Tabelle 2.1 zeigt am Beispiel der Produktpalette der Firma OSRAM die Leistungsbereiche
von heute hergestellten Gasentladungslampen.
Lampentyp |
Leistungsbereich |
Leuchtstofflampe |
8-70W |
Kompaktleuchtstofflampe ohne integriertes Vorschaltgerät (DULUX
L) |
5-55W |
Kompaktleuchtstofflampe mit integriertem Vorschaltgerät (DULUX
EL) |
7-23W |
Tabelle 2.1: Ausführungsformen und Leistungsbereiche von Gasentladungslampen
(OSRAM )
2.4. Betriebsverhalten
Die Kennlinie einer Gasentladungslampe weist eine negative U-I-Charakteristik
auf. Das bedeutet, daß bei einer Erhöhung des Lampenstromes die Brennspannung
der Lampe kleiner wird (Anlage B3). Daher muß der Lampenstrom begrenzt werden,
damit sich ein stabiler Arbeitspunkt einstellen kann.
Für das Betriebsverhalten und die Lichtausbeute ist vor allem auch die Temperatur
des „Cold Spot”, des kältesten Punktes der Lampe, entscheidend.
Die höchste Lichtausbeute hat eine Gasentladungslampe bei einer Temperatur
des „Cold Spot” von 40ºC. Bei höheren und tieferen Temperaturen
ändern sich Lichtausbeute und Lichtfarbe, aber auch die elektrischen Eigenschaften,
wie Lampenstrom und Brennspannung.
Bei dem Betrieb einer Gasentladungslampe mit höherer Frequenz als mit Netzfrequenz
ändert sich das Betriebsverhalten. Ab Frequenzen von über 10kHz erhöht
sich die Lichtausbeute. Außerdem tritt keine Phasenverschiebung zwischen
Lampenstrom und -spannung mehr auf. Damit läßt sich der Gasentladungsprozess
durch einen ohmschen Ersatzwiderstand darstellen. Grund für das veränderte
Betriebsverhalten ist die Trägheit der Ladungsträger. Über einer
Frequenz von 10kHz geht die Gassäule in den Nulldurchgängen der Spannung
nicht mehr aus und die Gassäule brennt stabil.
Größe |
Wert |
Ersatzwiderstand |
250 Ohm |
Bemessungsstrom |
360mA |
Bemessungsspannung |
90 ±10V |
Lampenleistung |
32W |
min. Betriebsstrom |
300mA |
max. Betriebsstrom | 500mA |
Tabelle 2.2: Betriebsdaten der Lampe vom Typ DULUX L36W