Funktionsweise von Leuchtstoffröhren

In Leuchtstoffröhren leuchtet ein Quecksilber-Plasma, hauptsächlich (zu 95%) wird Licht im UVC-Bereich abgestrahlt, das durch eine aufgeschlämmte Leuchtstoffschicht auf der Innenseite des Rohres in sichtbares Licht umgewandelt wird.

Leuchtstoffröhren bestehen aus einem Glasrohr mit zwei Wolfram-Glühwendel-Elektroden. Der Druck des Quecksilbers entspricht nur dem Sättigungsdampfdruck bei der Temperatur der Rohrwand, d.h. bei 25 °C 10^–6 bis 10^–5 bar.

Das Leuchten in der Leuchtstoffröhre entsteht dadurch, dass Quecksilberatome durch den Stoß mit Elektronen des elektrischen Stroms in einen energetisch höheren Zustand gehoben wird (Singlet-Zustand 2P bzw. Triplett-Zustand 2p₂) und beim “herunterfallen” in den Grundzustand (1S) Energie in Form von UVC Strahlung der Wellenlänge 185 nm (2P→1S, Lebensdauer 3×10^-10s) bzw. 254 nm (2p₂→1S, Lebensdauer 1,1×10^-7s) abstrahlen. Übergänge von stärker angeregten Zuständen in die ersten angeregten Zustände, die beim Quecksilber sichtbare Strahlung erzeugen, sind hier sehr selten, nur weniger als 5% der Strahlung liegt im sichtbaren Bereich. 85% der UVC Strahlung ist Strahlung der Wellenlänge 254 nm und nur 15% der Wellenlänge 185 nm.

Da der Druck des Quecksilbers extrem gering ist (5×10^–3 torr = 6,6×10^–6 bar) um eine hohe Effizienz der Strahlungserzeugung bei den gewünschten Wellenlängen von 254 nm und 185 nm zu erreichen, muss ein zusätzliches Gas in die Röhre eingefüllt werden, da die Wahrscheinlichkeit für Stöße der Elektronen mit den Quecksilberatomen sonst zu gering wäre. Die mittlere freie Weglänge läge sonst bei etwa 5cm, durch das Puffergas wird sie auf 10µm reduziert [426Ropp, R. C. (1993). The chemistry of artificial lighting devices: Lamps, phosphors and cathode ray tubes. Elsevier.]. Man verwendet dazu meist Argon, da es schwer genug ist, um eine hohe Wirkung zu erziehlen, aber immer noch nicht so teuer wie Krypton oder Xenon sind, die z.T. auch andere Nachteile haben (Krypton zündet schlecht). Ein Zusatz von Neon von etwa 25% erhöht die Spannung über dem Lichtbogen und führt zu so zu höherer Lichtausbeute. Der Druck des zusätzlichen Füllgases beträgt einige 10^–6 bar. Dieses zusätzliche Füllgas hat auf das abgestrahlte Licht aber keinen Einfluss.

Um den gewünschten Druck des Quecksilbers zu erreichen muss die Temperatur in der Röhre mindestens bei 40 °C bis 45 °C liegen.

Insgesamt werden etwa 60% der aufgenommenen elektrischen Leistung in UV-Strahlung umgewandelt und 2% in sichtbare Strahlung.

In einer Leuchtstoffschicht, wird die UVC-Strahlung absorbiert, und die so aufgenommene Energie durch Lumineszenz wieder als sichtbares Licht abgegeben. Als Leuchtstoff deinen dabei meist anorganische Kristalle. Bei diesem Kristall ist eine hohe Reinheit und eine geringe Beimischung von Aktivatoren nötig. Ein UVC-Lichtquant wird ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband angehoben. Das “Loch” das im Valenzband zurückbleibt wird vom einem Elektron aus dem Aktivatorband gefüllt. Das freie Elektron verliert im Leitungsband thermisch Energie und fällt nach einer Weile ins Aktivatorband zurück, wobei sichtbares Licht ausstrahlt wird. Die jeweilige Wellenlängen werden durch die Art des Kristalls und der Aktivatoren festgelegt. Gute Leuchtstoffe erreichen hier eine Quantenausbeute von 0,8, d.h. 80% der UV-Lichtquanten werden in sichtbares Licht umgewandelt.

Selbst bei maximaler Quantenausbeute von 1,0 entsteht ein Energieverlust, da ein UV-Quant der Wellenlänge 245 nm eine Energie von 4,9 eV besitzt und ein Lichtquant im sichtbaren Wellenlängenbereich nur etwa eine Energie von 2,2 eV (555 nm). Die Energiedifferenz landet als Schwingungsenergie (=Wärme) im Gitter des Kristalls.

In den Leuchtstofflampen mit Farbwiedergabewert 60 werden seit den 1950ern werden Calciumhalophosphat-Leuchtstoffe Ca₁₀(PO₄)₆(F,Cl)₂Sb,Mn verwendet die mit Antimon (Sb) als primären Aktivator und Mangan (Mn) als sekundären Aktivator angereichert sind. Dieser Leuchtstoff hat zwei breite Emissionsbande im blauen Bereich (480 nm durch Antimon Sb) und orangen Bereich (580 nm durch Mangan Mn), durch das relative Verhältnis von Antimon und Mangan lassen sich so verschiedene Farbtemperaturen erzeugen [353Kane, R., & Sell, H. (2001). Revolution in lamps: A chronicle of 50 years of progress 2nd ed. Fairmont Press.]. Überlagert ist das Spektrum von den diskreten Quecksilberlinien bei 405nm (violett), 436nm (blau), 546nm (grün) und 579nm (gelb).

Typisches Zweibandenspektrum, 6500K, Quelle: CIE standard illuminant

Typisches Zweibandenspektrum, 3000K, Quelle: CIE standard illuminant

Sie gelten für den Einsatz in Aquaristik und Terraristik als veraltet.

Quelle: Osram Kundeninformation

Nachdem zunächst in den 1970ern theoretisch nachgewiesen wurde, dass für einen hohen Farbwiedergabewert nicht grundsätzlich ein kontinuierliches Spektrum nötig ist, sondern auch die Kombination von drei Linien im roten, grünen und blauen Farbbereich ausreicht wurden Leuchtstoffe mit diesen Eigenschaften gesucht und die Dreibandenleuchtofflampe entwickelt.

Die Leuchtstoffe sind Aluminate der seltenen Erden. Verwendet werden [428Jüstel, T., Nikol, H., & Ronda, C. R. (1998). New developments in the field of luminescent materials for lighting and displays. Angewandte Chemie International Edition, 37(22), 3084–3103.][427Srivastava, A. M., & Ronda, C. R. (2003). Phosphors. The Electrochemical Society Interface,]

Häufig wird die Kombination Certerbiumaluminat [„CAT“, grün], Yttriumeuropiumoxid [„YOE“, Y2O3:Eu, rot] und Bariummagnesiumaluminat [„BAM“, blau] verwendet, die drei Emmissionsmaxima liegen bei 447 nm, 545 nm und 611 nm. Durch Variation der relativen Anteile lassen sich verschieden Farbtemperaturen erzeugen. Die restliche UV-Strahlung wird von der Glasröhre absorbiert. Man erhält eine Farbwiedergabe 85 bei einer hohen Lichtausbeute, die etwa 25% höher liegt als die Lichtausbeute bei Standardleuchtstofflampen. Insbesondere die höhere Temperaturbeständigkeit dieser Leuchtstoffe hat es ermöglicht dünnere Röhren (und Kompaktleuchtstofflampen) herzustellen [427Srivastava, A. M., & Ronda, C. R. (2003). Phosphors. The Electrochemical Society Interface,].

Lebensdauer

Für besonders hohe Anforderungen an die Farbwiedergabe existieren de-Luxe-Leuchtstoffe mit einer Farbwiedergabe von 93-97. Das blaue Band weiter zu längeren Wellenlängen verschoben und der grüne und rote Leuchtstoff durch breitbandigere Leuchtstoffe ersetzt um die Lücken im Spektrum besser aufzufüllen.

Verwendet werden [428Jüstel, T., Nikol, H., & Ronda, C. R. (1998). New developments in the field of luminescent materials for lighting and displays. Angewandte Chemie International Edition, 37(22), 3084–3103.]

Typisches Spektrum einer Fünfbanden-Leuchtstoffröhre, Quelle: CIE standard illuminant

Die Geschichte der Solarienleuchtstoffe ist eng verknüpft mit den Erkentnissen über die Wirkung von UV-Strahlung auf die Haut. Zu den ersten Leuchtstoffen zählten Ca₃(PO₄)₂:Tl und SMS: In den späten 70ern erkannte man, dass UVB- und UVC-Strahlung schädigende Wirkung haben und verwendete Leuchtstoffe die mit einer geringen Breite im UVA abstrahlen. Eingesetzt wurden BSP, SBE. Als in den 1990ern auch schädigende Wirkung von UVA-Strahlung aber auch Reperaturmechanismen entdeckt wurde, ging man dazu über, die Leuchtstoffe so zu designen, dass die möglichst sonnenähnliches Licht abgeben. [425Jüstel, T. (2000). Designing uv phosphor blends for suntanning lamps. In C. R. Ronda (Ed.), Physics and chemistry of luminescent materials (pp. 77–90).The Electrochemical Society.]

Geordnet nach ihrer Peakwellenlänge

• SrB₆O₁₀:Pb
  λ_max = 290nm, Δλ (FWHM) = 22nm
  Blei aktivierstes Strontoium Hexaborat wird häufig in Kombination mit SBF eingesetzt um den UVB-Anteil abzudecken. 353
• (Ba,Mg,Zn)₃Si₂O₇:Pb²⁺
  λ_max = 295nm, Δλ (FWHM) = 27nm
  Wurde für Solarienlampen eingesetzt, jedoch aufgrund schneller Alterung durch (Ca,Zn)₃(PO₄)₂:Tl⁺ ersetzt 414.
• SAC: SrAl₁₂O₁₉:Ce³⁺
  λ_max = 310nm/295nm, Δλ (FWHM) = 34nm, Absorbtion (254nm) = 85%, Quanteneffizienz = 95%
  SAC Wird heute häufig zusammen mit BSP verwendet 428.
• Ca₃(PO₄)₂:Tl⁺
  λ_max = 310nm / 328nm, Δλ (FWHM) = 55nm / 56nm
  Thallium aktivierer Calcium Orthophosphat war in den Jahren 1950-1970 einer der ersten Leuchtstoffe, die in Solarien und bei der Behandlung von Psoriasis eingesetzt wurden, Nachteil ist seine geringe Stabilität. 353
• (Ca,Zn)₃(PO₄)₂:Tl⁺
  λ_max = 310nm, Δλ (FWHM) = 41nm
  Wird für Solarienlampen eingesetzt 414.
• GLBB = (Gd,La)B₃O₆:Bi
  λ_max = 311nm
  GLBB wird in der Psoriasis Behandlung eingesetzt 428
• JUP-1810 = SrAl₂O₇:Pb
  λ_max = 313nm
• LAP = LaPO₄:Ce³⁺
  λ_max = 320nm, Δλ (FWHM) = 38nm
  LAP wird wie SAC zusammen mit BSP eingesetzt um den UVB-Anteil abzudecken und hat gegenüber SAC den Vorteil das weniger kurzwellige Strahlung erzeugt wird, die durch ein entsprechendes Glas absorbiert werden muss 425.
• CAM = LaMgAl₁₁O₁₉:Ce³⁺
  λ_max = 340nm, Δλ (FWHM) = 52nm\\425
• BDS/BSP (JUP-1820) = BaSi₂O₅:Pb²⁺
  λ_max = 355nm/350nm, Δλ (FWHM) = 40nm/39nm, Absorbtion (254nm) = 85%, Quanteneffizienz = 95%
  Blei aktiviertes Barium Disilicat wurde bereits ab 1940 für Photokopierer eingesetzt und nachdem die schädigende Wirkung von UVB erkannt ab den 1970ern vermehrt als Solarienleuchtstoff verwendet. Er altert relativ schnell, was durch Beschichtung mit Aluminiumoxid seit den 1980ern verbessert wurde, so dass er nun mit SFB mithalten kann. 353
  Ab den 1980ern wurde dieser Leuchtstoff oft auch mit SBE gemischt 428. Heute wird er häufig zusammen mit SAC verwendet 428. 414
• (Ba,Sr,Mg)₃Si₂O₇:Pb²⁺
  λ_max = 360nm, Δλ (FWHM) = 16nm
  414
• SMS = (Sr,Zn)₂MgSi₂O₇:Pb²⁺
  λ_max = 365nm, Δλ (FWHM) = 68nm, Absorbtion (254nm) = 88%, Quanteneffizienz = 85%
  SMS hat ein breites Emissionsband mit UVA und UVB und war einer der ersten Solarienleuchtstoffe 425, der jedoch schnell altert 353, 428 .
• JUP-1830 = SrFB₂O_3.5:Eu²⁺
  λ_max = 366nm
• SFB = SrFB₄O_6,5
  λ_max = 370nm, Δλ (FWHM) = 16nm
  Europium aktiviertes Strontium Fluoroborat wurde in den 1970ern wegen der geringeren Alterung als Ersatz für BDS gebracht, ist jedoch aufwändig in der Herstellung und entsprechend teuer. 353
• SBE (JUP-1840) = SrB₄O₇:Eu²⁺
  λ_max = 370nm, Δλ (FWHM) = 20/15nm, Absorbtion (254nm) = 95%, Quanteneffizienz = 90%
  Auch SBE gehörte wie BSP zu den Leuchtstoffen mit schmalbandiger UVA-Strahlung, die ab den 1970ern eingesetzt wurden 425, in den 1980ern wurde der Leuchtstoff auch mit BSP gemischt 428.
  SBE wäre außerdem ein guter Leuchtstoff um das Spektrum einer Mischung von LAB/BSP im langwelligen UVA-Bereich zu erweitern und so zwischen 290nm und 400nm ein sonnenähnliches Spektrum zu erzeugen. Leider absorbiert SBE Teile der von LAB/BSP erzeugten Strahlung und ein reproduzierbares Spektrum stellt sehr hohe Anforderungen an die Fertigung 425.
• (Ba,Sr,Mg)₃Si₂O₇:Pb²⁺
  λ_max = 370nm, Δλ (FWHM) = 68nm
  Wird in Insektenfallen eingesetzt 414

Heute wird häufig die Kombination BSP/LAP oder BSP/SAC eingesetzt.

Leuchtstoffe altern mit der Zeit, lassen als in ihrer Effizienz nach, die Lampen werden dunkler und ändern u.U. ihre Farbe. Zur Alterung tragen verschiedene Prozesse bei: [428Jüstel, T., Nikol, H., & Ronda, C. R. (1998). New developments in the field of luminescent materials for lighting and displays. Angewandte Chemie International Edition, 37(22), 3084–3103.], [429Lakshmanan, A. (2007). Luminescence and display phosphors: Phenomena and applications. Nova Science Publishers.]

• Quecksilber wird sowohl vom Glas als auch von Leuchtstoff absorbiert. Bei den Leuchtstoffen neigen Silicate besonders stark dazu Quecksilber aufzunehmen, was zu komplexen chemischen Reaktionen mit Zerstörung der Leuchtstoffe führt. Im Glas finden chemische Reaktionen zwischen Quecksilber und Natrium statt 15.
• Durch das Ionenbombardement wird die Oberfläche der kristallinen Leuchtstoffe in eine amorphe Schicht umgewandelt, die nicht mehr luminesziert.
• Durch die energiereiche UV-Strahlung (insbesondere 185nm) werden Defekte in der Kristallstruktur erzeugt. Diese Farbzentren absorbieren UV-Strahlung und sichtbare Strahlung

Zu einem gewissen Grad lassen sich die Leuchtstoffe durch einen Schutzmantel vor frühzeitiger Alterung schützen.

Zum Starten der Leuchtstofflampe wird meist ein Glimmstarter eingesetzt. Durch dessen Bimetallelektroden fließt Strom, der sie erwärmt, und verbiegt. Sobald sich die beiden Elektroden berühren verschweißen sie leicht miteinander und es kann ein Vorstrom durch die die Wolfram-Glühwendel-Elektroden fließen, so dass sich diese auf etwa 600 bis 800°C erwärmen, wodurch Elektronen leichter austreten können. Nach etwa 1 bis 2 Sekunden sind die Bimetallstreifen soweit abgekühlt dass sie auseinander reißen und der Vorstrom wird unterbrochen und eine plötzliche hohe Zündspannung induziert.

Diese hohe Zündspannung (bis zu 1.500 V) führt auch im nur sehr schlecht elektrisch leitenden Quecksilbergas zu einem schwachen Strom von etwa 10^–4A. Die Elektronen bewegen sich von der Kathode zur Anode und ionisieren dabei die Quecksilberatome, so dass ein Plasma entsteht, das den Strom besser leitet.

Damit es überhaupt zu Stößen zwischen den Elektronen und den Quecksilberatomen kommen kann, müssen die Elektronen in regelmäßigen Abständen abgebremst werden, damit sie nicht nur mit der Wand kollidieren. Zu diesem Zweck ist die Lampe mit etwas Krypton oder Argon (Druck 10^–2 bar) gefüllt.

Zusätzlich befindet sich ein Entstörungskondensator im Starter.

Durch diesen verringerten Widerstand steigt der Strom auf einige mA an, und es setzt eine Glimmentladung vor der negativ geladenen Kathode (hohe Feldstärke durch Raumladung) ein, die sich mit Stromanstieg weiter ausbreitet. Hier muss durch ein Vorschaltgerät der Strom begrenzt werden, da der Widerstand des Plasmas mit steigender Stromstärke immer geringer wird, und die Lampe sonst zerstört würde.

Im Betrieb bei Wechselspannung kann ein solches strombegrenzendes Vorschaltgerät durch den induktiven Widerstand einer Spule (“Drosselspule”) realisiert werden. Diese Schaltung nennt man konventionelles Vorschaltgerät (KVG). Hierbei wird mit der normalen 50 Hz Wechselspannung gearbeitet, d.h. 100 mal in der Sekunde wechseln Anode und Kathode ihre Seiten, und der Strom seine Richtung. Dadurch entsteht ein kurzer Einbruch der Bogenentladung, in dem die Lichtstärke auf etwa 25% abfällt. Dieses Flackern mit der Frequenz von 100 Hz kann vom Menschen nicht wahrgenommen werden (Grenze liegt bei 60-85 Hz), kann aber zu Stroboskopeffekten führen (drehende Geräte scheinen sich unter Leuchtstoffröhren rückwärts zu drehen), und bei empfindlichen Personen zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen.

Ein EVG besteht aus deinem Hochfrequenzgenerator mit Strombegrenzung. Um Netzrückwirkungen klein zu halten und Funkstörstrahlung zu begrenzen ist davor ein Gleichrichter mit Oberwellenbegrenzung und ein Funkentstörer geschaltet.

Bei elektronischen Vorschaltgeräten wird mit einer Frequenz von 20.000 bis 30.000 Hz gearbeitet. Schon bei Frequenzen ab etwa 1.000 Hz kann der Ionisationszustand des Plasmas den schnellen Stromänderungen nicht mehr folgen [15Coaton, J. R., & Marsden, A. M. (Eds). (1996). Lamps and lightning 5th ed. Butterworth Heinemann.]. Die Lichtausbeute bei einem EVG steigt durch die fehlenden Rekombinationsverluste um etwa 10% gegenüber dem Betrieb an einem KVG. Zusätzlich verbraucht ein EVG sehr viel weniger Strom als ein KVG so dass insgesamt eine Effinzienzsteigerung von etwa 25% durch Umstellung von KVG auf EVG erreicht wird.
Eine normale 58 W Leuchtstoffröhre liefert 5.200 lm am KVG, das KVG verbraucht 13 W, so dass insgesamt eine Leistung von 71 W verbraucht wird. Die Lichtausbeute liegt bei 73 lm/W.
Die selbe Leuchtstoffröhre wird am EVG nur mit 51 W betrieben, das EVG selbst verbraucht 4,5 W, so dass der gesamte Stromverbrauch bei 55,5 W liegt, trotzdem aber 5.000 lm Licht produziert werden, was einer Lichtausbeute von 90 lm/W entspricht, 23% mehr als am KVG!

Ein Betrieb an Gleichspannung ist nicht sinnvoll, da in diesem Fall irgendwann alle Quecksilberatome an der negativ geladenen Kathode sitzen, und die Röhre nicht mehr leuchtet.

Leuchtstoffröhren sind in den Durchmessern 7 mm (T2), 16 mm (T5), 26 mm (T8) und 38 mm (T12) erhältlich. Die T12-Lampen wurden von den T8-Lampen abgelöst, die aber mittlerweile auch am Verschwinden sind. T5-Lampen sind mit 16 mm Durchmesser deutlich schmaler und lassen sich daher platzsparender verbauen, bzw. man bekommt auf der gleichen Fläche mehr Lampen unter. Zusätzlich liegt das Lichtstrommaximum bei T5-Röhren erst bei 35 °C und nicht schon bei um die 20 °C, so dass die Lampen eher am optimalen Temperaturbereich betrieben werden können, und daher eine höhere Lichtausbeute haben.

Die T5 Röhren gibt es in zwei Varianten: High Efficiency (HE) haben ein hohes Lumen zu Watt Verhältnis, High Output (HO) sind bei vorgegebener Röhrenlänge besonders hell.

Die obige Tabelle zeigt: T8 sind nicht so veraltet und schlecht wie uns die Werbung oft weiß machen will! Vom Stromverbrauch her kann eine T8 (am EVG) mit einer T5HE mithalten, eine T5HO überholt sie sogar mühelos.

T5HE sind etwa gleich hell (auf die Röhrenlänge bezogen) wie T8 (am EVG), dafür von der Effizienz her unschlagbar. Beim Umstieg von T8 auf T5HE kann man seine Stromkosten bei gleicher Helligkeit um etwa 15% (EVG) bis 40% (KVG) senken.

T5HO und T8 (am EVG) sind von der Effizienz her etwa gleich gut, T5HO aber (auf die Röhrenlänge bezogen) 1,5 bis 2 mal so hell wie T8.

Als Beispiel eine typische Aquarienabdeckung mit zwei Röhren. Einmal 80 cm Aquarienlänge und einmal 150 cm Aquarienlänge:

• Aquarienabdeckung eines 80 cm Beckens
  (Röhrenlänge T8: 59 cm, T5: 54 cm)
  • 2 x T8KVG = 2.700 lm, 60 W → 45 lm/W
  • 2 x T8EVG = 2.600 lm, 38 W → 68 lm/W
  • 2 x T5HE = 2.700 lm, 32 W → 84  lm/W
    
  • 2 x T5HO = 4.000 lm, 53 W → 75  lm/W
    

Die Helligkeit bei T8 und T5HE ist etwa gleich groß, T5HO liefert 1,5 mal so viel Licht.
Die Effizienz (lm/W) von T5HE ist besser als die von T8EVG

• Aquarienabdeckung eines 150 cm Beckens
  (Röhrenlänge T8: 120 cm, T5: 115  cm)
  • 2 x T8KVG = 6.700 lm,  92 W → 73 lm/W
  • 2 x T8EVG = 6.400  lm,  76 W → 84 lm/W
  • 2 x T5HE = 5.800  lm, 64 W → 91 lm/W
    
  • 2 x T5HO = 9.800 lm, 122 W → 80 lm/W

Die Helligkeit bei T8 und T5HE ist etwa gleich groß, T5HO 1,5 mal so viel Licht.
Die Effizienz (lm/W) von T5HEO ist schlechter als die von T8EVG

[426] Ropp, R. C. (1993). The chemistry of artificial lighting devices: Lamps, phosphors and cathode ray tubes. Elsevier.
[353] Kane, R., & Sell, H. (2001). Revolution in lamps: A chronicle of 50 years of progress 2nd ed. Fairmont Press.
[428] Jüstel, T., Nikol, H., & Ronda, C. R. (1998). New developments in the field of luminescent materials for lighting and displays. Angewandte Chemie International Edition, 37(22), 3084–3103.
[427] Srivastava, A. M., & Ronda, C. R. (2003). Phosphors. The Electrochemical Society Interface,
[425] Jüstel, T. (2000). Designing uv phosphor blends for suntanning lamps. In C. R. Ronda (Ed.), Physics and chemistry of luminescent materials (pp. 77–90).The Electrochemical Society.
[429] Lakshmanan, A. (2007). Luminescence and display phosphors: Phenomena and applications. Nova Science Publishers.
[15] Coaton, J. R., & Marsden, A. M. (Eds). (1996). Lamps and lightning 5th ed. Butterworth Heinemann.