"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.
 
Wärme und Licht
 
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.
 

 Bild22

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
 
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