Die Leuchtstofflampe ist eine Niederdruck-Gasentladungslampe, die innen mit einem fluoreszierenden Leuchtstoff beschichtet ist. Sie besitzt im Gegensatz zur Leuchtröhre bzw. zur Kaltkathoden-Fluoreszenzröhre heiße Kathoden, die Elektronen durch Glühemission emittieren.

Als Gasfüllung dient Quecksilberdampf (Emission von Ultraviolettstrahlung) und zusätzlich meist Argon. Die Ultraviolettstrahlung wird von der Leuchtstoff-Beschichtung in sichtbares Licht umgewandelt (siehe Spektrum weiter unten).

Gasentladung

Beim Starten ist nach dem Vorheizen der Kathoden eine Zündspannung erforderlich, um die Gasfüllung der Leuchtstofflampen zu ionisieren. Dadurch wird das Gas elektrisch leitend. Es entsteht ein Niederdruck-Plasma, das so lange erhalten bleibt, wie die u. a. von der Lampenlänge und dem Gasdruck abhängige Brennspannung aufrechterhalten bleibt. Das trifft auf alle Gasentladungslampen zu.

Das Plasma weist aufgrund der Stoßionisation einen negativen differentiellen Innenwiderstand auf. Prägt man der Lampe mehr Strom auf, sinkt der Spannungsabfall an ihr. Das bedeutet andererseits, dass der Strom bei Erhöhung über die Brennspannung extrem stark ansteigt, der Betriebspunkt ist somit unzureichend stabil, die Lampe würde ohne Strombegrenzung zerstört. Deshalb müssen Leuchtstofflampen, wie auch alle anderen Gasentladungslampen, mit einem Vorschaltgerät betrieben werden. Dieses besteht aus einer Induktivität (Drossel) in Reihe zur Lampe, die mit Wechselstrom betrieben wird. Der direkte Betrieb an Gleichstrom, der mit einem Vorwiderstand als Strombegrenzer prinzipiell denkbar wäre, ist aufgrund von Entmischungsvorgängen der Ionenarten in der Lampe problematisch, man benötigt daher einen Inverter, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Seit den 1990er Jahren werden Leuchtstofflampen vorteilhaft an elektronischen Vorschaltgeräten (EVG) betrieben.

Das Plasma strahlt Licht aus, wenn die Hüllenelektronen des Quecksilbers von den beschleunigten freien Elektronen angeregt werden, und dann wieder auf ein niedrigeres Energieniveau zurückfallen. Im Falle von Quecksilbergas wird überwiegend UV-Strahlung emittiert. Der Anteil an sichtbarem Licht ist eher gering. Beobachtbar ist das, wenn die Beschichtung nicht ganz bis zur Endkappe reicht oder durch Erschütterung abgefallen ist.

Leuchtstoff

Um die Ausbeute an sichtbarem Licht zu erhöhen, wird das Entladungsgefäß von innen mit einem Leuchtstoff beschichtet (daher der Name Leuchtstofflampe), der im sichtbaren Spektrum zu leuchten beginnt, sobald er mit UV-Licht bestrahlt wird, in diesem Fall von innen. Der Leuchtstoff setzt einen Großteil der UV-Strahlung in sichtbares Fluoreszenzlicht um. Der Rest der ultravioletten Strahlung wird durch das Glas der Lampe weitgehend absorbiert, so dass nur unbedenklich wenig gesundheitsschädliche UV-Strahlung aus der Lampe dringt.

Der eingesetzte Leuchtstoff ist entsprechend der Lampenfarbe aus verschiedenen Leuchtstoffen zusammengesetzt. Durch das Mischungsverhältnis kann die Lichtfarbe eingestellt werden. Eine besonders gute Farbwiedergabe wird mit den sogenannten Fünfbanden-Leuchtstoffen erreicht. Hierbei treten nicht nur einzelne Farben (Wellenlängen) auf, um den Lichteindruck ?weiß? zu erzeugen, sondern es sind breitere, aneinandergrenzende Bereiche pro Leuchtstoff, so dass keine Farbe fehlt. Leuchtstoffe mit 1/100 s Abklingzeit der Fluoreszenz verringern das 100-Hz-Flackern (doppelte Netzfrequenz), längeres Nachleuchten (> 1 s) ist hingegen unerwünscht.

Zu Dekorations- und Werbezwecken werden auch einfarbige Leuchtstofflampen angeboten. Schwarzlichtröhren sind ebenfalls mit einem Leuchtstoff beschichtet, der gefährliche UV-B-Strahlen in den UV-A-Bereich wandelt. Außerdem ist der Glaskolben so gefertigt, dass er sichtbares Licht zum größten Teil absorbiert, außer dem leichten Violettschimmer, welcher durch die schwache Wahrnehmbarkeit von langwelligem UV-Licht entsteht.

Lichtfarbe

Spektrum einer Leuchtstofflampe - Die Zahlen geben die Wellenlänge der Spektrallinien des Quecksilbers an. Angeregt durch die UV-Strahlung des Quecksilbers emittieren die Leuchtstoffe bei mehreren Farben im sichtbaren Bereich.

Vielleicht der größte Nachteil von Leuchtstofflampen ist, dass sie im Gegensatz zur Glühlampe kein kontinuierliches Farbspektrum aufweisen. Dass der Kunde die Wahl zwischen etwa einem Dutzend Farben hat, davon viele unterschiedliche Varianten von Weiß, macht ihm die Auswahl nicht einfacher. Grob teilt man die weißen Leuchtstofflampen in warmweiß (engl. warm white), neutral-/kaltweiß (engl. cool white) und tageslichtweiß (engl. day light) ein. In vielen Anwendungsfällen bilden die neutral weißen Lampen einen guten Kompromiss, die kaltweißen oder tageslichtähnlichen haben Vorteile bei gleichzeitigem Tageslichteinfall, wogegen die warmweißen sich mit Glühlampenlicht besser vertragen. Leuchtstofflampen mit Standardleuchtstoffen (sogenannte Halophosphate) haben neben dem Vorteil eines günstigen Preises aber den großen Nachteil einer schlechten Farbwiedergabe bei relativ geringer Lichtausbeute. Deutlich verbessert im Hinblick auf die Farbwiedergabe und den erzielten Lichtstrom sind die sogenannten Drei-Banden-Leuchtstofflampen. Hierbei besteht die Leuchtstoffbeschichtung aus einer Mischung von drei Leuchtstoffen, die im roten, grünen, und blauen Bereich des sichtbaren Spektrums relativ scharfbandige Emissionen zeigen und deren Spektren sich entsprechend dem Prinzip der additiven Farbmischung in der Lampe zu weißem Licht addieren. Die beste Farbwiedergabe haben sogenannte Vollspektrum-Leuchtstofflampen ? hier treten die geringsten Farbverfälschungen auf. Das Spektrum ist tageslichtähnlich und fast ebenso kontinuierlich. Dies wird durch Einsatz von mindestens vier unterschiedlichen Leuchtstoffen erreicht (Fünf-Banden-Leuchtstofflampen).

Die Farbwiedergabe von Lampen wird durch den Farbwiedergabeindex Ra beschrieben.

Die farbliche Zusammensetzung des Lichtes wird bei Leuchtstofflampen wesentlich durch die Zusammensetzung der Beschichtung des Glases, zu einem Teil aber auch durch die primären Emissionslinien der Gasfüllung und deren Hindurchtreten durch den Leuchtstoff und das Glas bestimmt. Die Leuchtstoffbeschichtung besteht aus kristallinen Pulvern (vorwiegend anorganische Oxide), die im Falle von 3-Banden-Leuchtstoffen Spuren von zwei- oder dreiwertigen Lanthanoid-Kationen enthalten, welche je nach eingesetztem Lanthanoid und des zugrundeliegenden Wirtsgittersystems unterschiedliche Farben erzeugen. Diese Farben ergeben additiv die Leuchtfarbe der Lampe. Die Standardleuchtstoffe basieren auf dem System des sogenannten Calciumhalophosphats der allgemeinen Formel Ca10(PO4)6(F,Cl):Sb,Mn, wobei die unterschiedliche Farbtemperatur durch Variationen in der Konzentration der beiden Dotierelemente Mangan (Mn) und Antimon (Sb) erzielt wird.

Die Farbtemperatur ist auch abhängig von der Raumtemperatur. Gewöhnliche Leuchtstofflampen sind für eine Raumtemperatur von etwa 20 °C ausgelegt, bei dieser Raumtemperatur erwärmen sie sich auf knapp 35 °C. Wird diese Temperatur wesentlich unterschritten, beginnt das Argon stärker zu leuchten, und die Leuchtstofflampe sendet mehr infrarotes Licht aus. Für Anwendungen im Außenbereich und in Kühlanlagen gibt es spezielle Leuchtstofflampen für niedrige Umgebungstemperaturen. Bei großer Kälte (um −25 °C) ist bei Leuchtstofflampen-Straßenbeleuchtung eine reduzierte Helligkeit wahrnehmbar.

Die Lichtfarbe der Lampen ist für die Raumqualität mit von Bedeutung. Auch die Lichtfarben sind den verschiedenen Arbeitsaufgaben bzw. Arbeitsstätten zugeordnet.

Die Farbe ?nw? wird am häufigsten ausgewählt. In einem Raum sollte stets die gleiche Lichtfarbe eingesetzt werden. Die Hersteller Osram und Philips nutzen ein Farbnummernsystem mit 3-stelligen Zahlen, bei denen die erste Ziffer die Farbwiedergabequalität angibt. Eine 8 bedeutet einen Ra-Wert von 80 bis 89, 9 bedeutet Ra-Wert von 90 bis 100. Die beiden letzten Ziffern bezeichnen ? wenn man sie um zwei Nullen verlängert ? die Farbtemperatur in Kelvin. Für den Wohnbereich kann z. B. die Farbnummer 827 oder 930 gewählt werden. Im Büro ist 840 üblich, wobei 854, 865 oder gar 880 laut einiger Studien zu gesteigerter Leistungsfähigkeit führen sollen, da tageslichtähnlicher und mit entsprechend mehr Blau-Anteil.

Die fast ideale Wohnzimmer-Farbe 927 wird von Osram (noch) nicht angeboten. Zu beachten ist, dass eine Leuchtstofflampe mit der Voraussetzung einer Farbwiedergabe über 90 (Klasse 1A) im niedrigeren Kelvin-Bereich noch deutlich mehr Lichtausbeute einbüßt als im höheren. Eine Lampe mit Dreibanden-Leuchtstoffen der Farbe 840 und 15 Watt Leistung erreicht einen Lichtstrom von ca. 900 Lumen. Die Lampe der Farbe 950 erreicht 750 Lumen, die Lampe der Farbe 940 etwa 700 Lumen, und diejenige der Farbe 930 nur noch rund 600 Lumen. Die Zahlen legen nahe, dass eine Leuchtstofflampe der Farbstufe 927 mit einer geringeren Lichtausbeute zwar die ideale Wohnzimmerfarbe hat, dafür jedoch entsprechend mehr Leistung für eine helle Ausleuchtung benötigen würde.

Farbige Leuchtstofflampen

Leuchtstofflampen und Energiesparlampen werden u. a. zu Dekorationszwecken auch einfarbig (rot, gelb, grün, blau) angeboten. Das wird durch Variationen des fluoreszierenden Leuchtstoffes erreicht. Siehe auch: LHGL-Wanne.

Auch die sogenannten ?Schwarzlichtlampen? arbeiten mit einem Leuchtstoff (Europium-dotiertes Strontium-Fluoroborat oder -Tetraborat für 370 nm bzw. Blei-dotiertes Bariumsilikat für 350 nm), um die in UV-B liegende Quecksilberlinie in den UV-A-Bereich zu konvertieren. Diese Lampen haben ein mit Nickeloxid dotiertes Glasrohr, um sichtbares Licht > 400 nm zu absorbieren.

Requiem für die Glühbirne!

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