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Gasentladungslampe
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Gasentladungslampen sind Lichtquellen, welche zur Lichterzeugung eine Gasentladung verwenden und dabei die spontane Emission durch atomare oder molekulare elektronische Übergänge und die Rekombinationsstrahlung eines durch elektrische Entladung erzeugten Plasmas ausnutzen.
Bei dem das Plasma bildenden Gas handelt es sich um Metalldämpfe (Natrium, Quecksilber, siehe auch Metalldampflampe), wobei immer auch Edelgase enthalten sind, um reine Gase (Xenon, Krypton, Neon) oder Gemische aus Halogenen und Metallen (Halogen-Metalldampflampe). Spektrallampen verwenden auch andere Gase.
Hochdruck-Gasentladungslampen werden auch als HID-Lampen bezeichnet (von engl. High Intensity Discharge); Stromdichte und Leuchtdichte sind hier wesentlich höher als bei Niederdruck-Plasmen, die Entladung arbeitet im Bereich eines Lichtbogens bzw. einer Bogenentladung.
Inhaltsverzeichnis |
Unterteilung
- Niederdruck-Entladungslampen (Niederdruck-Plasma, Glimmentladung, z.B. Leuchtröhren, Leuchtstofflampen, Neonröhren)
- Hochdruck-Entladungslampen (Drücke bis etwa 1 MPa, z.B. Quecksilberdampflampen, Krypton-Bogenlampen zur Laser-Anregung)
- Höchstdruck-Lampen (Drücke bis ca. 10 MPa, z.B. Quecksilberdampf-Höchstdrucklampen in der Fotolithografie, Xenon-Kurzbogenlampen zu Projektionszwecken)
Bei Quecksilberdampflampen unterscheidet man noch sogenannte Mitteldrucklampen; diese werden in großen Längen mit großen Leistungen gefertigt und dienen u.a. zur UV-Aushärtung von Lacken und Harzen.
Die typische Strom-Spannungs-Kennlinie einer Gasentladung (rechts) steht in engem Zusammenhang mit den Leuchterscheinungen. Im Bereich der unselbstständigen Entladung (1) fließt ein kleiner Strom. Bei (2) setzt die Glimmentladung ein. Die zur Aufrechterhaltung der Glimmentladung notwendige Betriebsspannung ist niedriger als die Zündspannung. Eine Steigerung des Stromes führt bei (3) zur Lichtbogenentladung. Sie zeichnet sich durch niedrige Betriebsspannung und hohen Strom bzw. hohe Stromdichte aus; die Elektroden beginnen zu glühen.
Aufbau
Die Elektroden können kalt oder glühend sein.
Alle Gasentladungslampen außer Blitzlampen benötigen zum Betrieb eine Strombegrenzung, da ansonsten die Ladungsträgerdichte und der Strom aufgrund der Stoßionisation schnell ansteigen, was bei Überspannungsableitern und Nulloden gewünscht ist, bei Lampen jedoch zu deren Zerstörung führt (siehe Kennlinie oben). Die Strombegrenzung wird durch einen Widerstand (Glimmlampen), eine Drossel oder ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG, engl. ballast) erreicht.
Blitzlampen arbeiten dagegen oft ohne Strombegrenzung aus einem Speicherkondensator. Sie sind meist mit Xenon (zum Pumpen von Festkörperlasern auch mit Krypton) gefüllt und erzeugen innerhalb ca. 0,1…5 Millisekunde sehr hohe Lichtleistungen tageslichtähnlicher Qualität. Siehe hierzu auch Blitzlicht, Blitzröhre, Blitzlampe.
Eine Art von Gasentladungslampen ist auch die Schwefellampe. Sie ist elektrodenlos, das Plasma wird durch Mikrowellenstrahlung erzeugt.
Neuerdings gibt es auch elektrodenlose Energiesparlampen; diese arbeiten mit Hochfrequenz.
Niederdruckentladungslampen
Besonderheiten
Die Niederdruckentladungslampe zeichnet sich dadurch aus, dass die Elektronen- und Gastemperatur kaum gekoppelt sind. Es herrscht kein thermisches Gleichgewicht. Die Entladungsform wird auch als Glimmentladung bezeichnet. Eine typische Anwendung ist die Leuchtstoffröhre, die eine Sonderform der Quecksilberdampflampe darstellt.
In einem teilevakuierten Glasrohr bildet sich an gegenüberliegenden Elektroden bei ausreichend hoher Spannung (Brennspannung ca. einhundert bis mehrere 100 V) eine Glimmentladung aus. In der Nähe der Kathode (−) tritt das negative Glimmlicht auf, in der Mitte bis zur Anode (+) die sogenannte positive Säule.
Niederdrucklampen arbeiten
- mit kalten Elektroden (z.B. Kaltkathoden-Leuchtröhre, Neonröhren, Glimmlampen)
oder
- mit direkt beheizten Glühkathoden (z.B. Leuchtstofflampen und Niederdruck-Natriumdampflampen). Die Glühkathoden werden vor dem Zünden meist beheizt und behalten anschließend ihre Temperatur von selbst.
Beispiele
Glimmlampen
Die Abbildungen zeigen verschiedene Bauformen von Glimmlampen, die aufgrund ihrer Konstruktion nur das negative Glimmlicht für die Lichterzeugung nutzen. Das Gas bestimmt die Farbe der Glimmentladung, z. B. strahlt Neon in intensivem Rot (siehe Spektrum). Es leuchtet immer die Kathode.
Kleine Glimmlampen finden sich beleuchteten Tastern, Betriebsspanungsanzeigen und auch in Phasenprüfern. Früher gab es nach diesem Prinzip auch Ziffernanzeigeröhren (sog. Nixieröhren), Zählröhren und Abstimmanzeigen.
Vor dem Aufkommen der Halbleiter wurden Glimmlampen als Stabilisatoren von Spannungen im Bereich ca. 100 V verwendet sowie zum Aufbau von einfachen Kippschaltungen z.B. als Zündgenerator in dekorations-Stroboskoplampen.
Auch Plasmabildschirme arbeiten mit Glimmentladungen.
Glimmlampe.jpg
Glimmlampe, Durchmesser ca. 10 mm. Die obere und untere Elektrode sind so geformt, dass sie, von oben betrachtet, eine leuchtende Scheibe bilden. |
Glimmlampe spektrum.jpg
Glimmlampe, Durchmesser ca. 8 mm (sockellos). Elektroden stabförmig; an Wechselspannung leuchten sie abwechselnd pro Halbwelle, wie die zwei Momentaufnahmen zeigen; Spektrum: rote und gelbe Neon-Linien sowie die schwache grüne Linie bei 540 nm. |
Neonowki.jpg
Unterschiedliche Glimmlampen. Betriebsspannung <230 V, oft mit Vorwiderstand im Sockel |
Leuchtröhren
In Leuchtröhren (Kaltkathodenröhren) und Neonröhren (dann mit rot emittierender Neonfüllung), liegen die Elektroden weit entfernt voneinander in einem Glasrohr. Hier leuchtet die positive Säule, wenn eine Spannung von mehreren 100 Volt anliegt. Andere Farben werden durch andere Füllungen und Leuchtstoffe erreicht. Leuchtröhren, Neonröhren und Kaltkathodenröhren haben kalte Kathoden und benötigen höhere Spannungen als Glimmlampen oder Leuchtstofflampen.
Leuchtstofflampen
Manchmal werden auch Leuchtröhren als Leuchtstofflampen bezeichnet, den sie enthalten oft ebenso wie Leuchtstofflampen einen Leuchtstoff. Leuchtstofflampen (auch Leuchtstoffröhren genannt) sowie Kompaktleuchtstoffröhren und sogenannte Energeisparlampen haben jedoch Glühkathoden (direkt beheizte Oxidkathoden). Durch Glühemission sinkt die erforderliche Betriebsspannung auf Werte ab, die einen Betrieb über eine Vorschaltdrossel direkt an Netzspannung erlauben.
Hochdruck-Entladungslampen (HID-Lampen)
Besonderheiten
Die Stromdichte ist so hoch, dass die Niederdruck-Entladung beim Start sofort in eine Bogenentladung übergeht, sodass sich der Innendruck durch steigende Temperatur und verdampfende Füllbestandteile stark erhöht. Die Elektroden erreichen je nach Bauart Temperaturen von ca. 1000 bis mehrere 1000 °C und werden nicht vorgeheizt. Bei Quecksilberdampflampen befinden sich neben den Hauptelektroden noch Zündelektroden, sodass ein Zündgerät, wie es bei anderen Hochdruck-Gasentladungslampen erforderlich ist, entfallen kann.
Aufgrund der höheren Dichte und der daraus resultierenden kleineren freien Weglänge der Teilchen befinden sich bei der Hochdruckentladungslampe (p > 0,1 bar bzw. > 10000 Pa) Elektronen- und Gastemperatur annähernd im Gleichgewicht. Im Gegensatz zu Leuchtröhren sind die Spannungen niedrig (50…200 V) und die Entladungsströme (typisch 1…10 A) liegen deutlich höher.
Hochdruck-Gasentladungslampen werden auch HID-Lampen (von engl. high intensity discharge) genannt.
Bei Hochdruck-Gasentladungslampen tritt bereits eine Linienverbreiterung aufgrund der thermischen Bewegung auf, weshalb diese Lampen auch ohne Leuchtstoff bereits eine etwas bessere Farbwiedergabe besitzen als Niederdruck-Entladungslampen ohne Leuchtstoff.
Hochdruck-Gasentladungslampen haben oft einen zusätzlichen Schutzglaskolben, der auch der thermischen Isolierung dient und teilweise einen Leuchtstoff trägt.
Beispiele
- Quecksilberdampf-Hochdrucklampe (Industrie- und Straßenbeleuchtung); Bild eines Entladungsgefäßes siehe bei Aufbau
- Natriumdampf-Hochdrucklampe (Straßenbeleuchtung)
- Halogen-Metalldampflampe (Geschäfts-Auslagen, Stadionbeleuchtung, Architektur, Beamer)
Höchstdruck-Gasentladungslampen
Diese Lampen werden als Projektionslichtquelle oder in Sonnenlicht-Simulatoren mit Xenonfüllung und zu Zwecken der Fotolithografie mit Quecksilberdampf-Füllung hergestellt.
Höchstdruck-Gasentladungslampen haben ein Leuchtzentrum von nur wenigen Millimetern Ausdehnung; sie werden daher auch als Kurzbogenlampen bezeichnet. Die geringe Größe der Lichtquelle und ihre hohe Intensität erlaubt eine effektive Fokussierung bzw. Kollimation u.a. bei Leuchttürmen, Scheinwerfern und in Projektoren.
Höchstdruck-Gasentladungslampen weisen eine starke thermische Linienverbreiterung ihres Emissionsspekrums auf und geben im Falle von Xenon-Höchstdrucklampen ein fast kontinuierliches, tageslichtähnliches Spektrum ab.
Höchstdrucklampen müssen aufgrund der Explosionsgefahr mit Vorsicht gehandhabt (Handschuhe, Schutzbrille) und betrieben (keine freie Montage möglich, Betriebslage oft vorgeschrieben) werden.
Anwendungen
Zur Straßen- und Industriebeleuchtung werden oft Natriumdampflampen eingesetzt. Natrium hat eine Doppellinie bei 589,0 und 589,6 nm (Natrium-D-Linie), die die dominierende gelb-orange Farbwiedergabe bewirken. Das untere Niveau dieser Linien ist der Grundzustand, so dass die Strahlungsdichte dieser Resonanzlinien sehr hoch ist.
In Flutlichtanlagen werden Hochdruck-Gasentladungslampen mit Quecksilber-, Metall-Halogenid- oder Natriumdampffüllung eingesetzt. Die beste Farbwiedergabe haben Xenonlampen. Eine relativ gute Farbwiedergabe haben Metall-Halogenid-Gasentladungslampen (auch Halogen-Metalldampflampen, nicht Halogen-Glühlampen!), die auch Quecksilberdampf enthalten. Sie werden oft in Geschäftsauslagen eingesetzt.
Ein prominentes Einsatzgebiet von Bogenlampen sind Kinoprojektoren. Dort werden Xenon-Gasentladungslampen eingesetzt. Die Leistung von Projektorlampen bewegt sich von 500 W bis 8 kW bzw. 15 kW bei IMAX-Kinos.
Bei Kraftfahrzeugen wird seit 1991 Xenonlicht in den Scheinwerfern verwendet. Hierbei handelt es sich um Quecksilberdampflampen mit Xenon als Füll- bzw. Startgas. Sie haben gegenüber Glühlampen bei gleicher Leistungsaufnahme einen höheren Lichtstrom. Ihre Blendwirkung ist umstritten. Vor allem bei Nebel wirkt sich der Blauanteil nachteilig aus, da die kurzwelligen blauen Spektralanteile des Lichts weitaus stärker gestreut werden als die eher langwelligen Anteile von Halogen-Glühlampen.
Siehe auch
Weblinks
- http://www.jogis-roehrenbude.de/Roehren-Geschichtliches/Glimmroehren/Glimmroehren.htm
- http://www.lampenmuseum.de
- www.landesgesundheitsamt.de zur Blendwirkung
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