Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen

Grundlagen und Fachwissen

Wichtiger Hinweis zu dieser Seite:

In Neuanlagen ist die Zeit der Leuchtstofflampen praktisch vorbei, seit die LED zu einer marktfähigen Technik gereift ist. In Bestandsanlagen werden jedoch voraussichtlich noch auf Jahrzehnte hinaus Leuchtstofflampen anzutreffen sein.

So wird auch diese Seite nicht mehr gewartet und aktualisiert, gibt jedoch für Maßnahmen an und in Bestandsanlagen noch brauchbare Hinweise und wird hier deswegen weiterhin zur Verfügung gestellt. Sie gibt jedoch den Stand der Technik und des Wissens von etwa 2010 wieder.

Zum Betrieb einer Leuchtstofflampe benötigt man ein Vorschaltgerät. Warum?

Gas-Entladungslampen, also solche, deren Prinzip darauf beruht, ein Gas elektrisch leitfähig zu machen und es so zum Leuchten zu bringen, stellen eine relativ alte Technik dar. Insbesondere Leuchtstofflampen haben eine sehr weite Verbreitung gefunden. Es ist jedoch nicht möglich, die Netzspannung, ob Gleich- oder Wechselspannung, hoch oder niedrig, direkt an die Lampe zu legen.

Ursprünglich wurden diese Lampen an Wechselstromnetzen zur Begrenzung des Lampenstroms ausschließlich mit einem so genannten induktiven oder magnetischen Vorschaltgerät (konventionelles Vorschaltgerät KVG) betrieben, das aus nichts weiter als einer Drosselspule bestand. In den letzten Jahren ist mit der Entwicklung der Leistungselektronik eine alternative Betriebsweise entwickelt worden, das so genannte elektronische Vorschaltgerät (EVG), das die aufgenommene Netzfrequenz auf eine wesentlich höhere Frequenz umrichtet, üblicherweise im Bereich von 20 kHz bis 80 kHz, womit dann die Lampe betrieben wird.

KVG erzeugen sehr viel Blindleistung, die den Wirk-Anteil sogar deutlich übersteigt, doch diese lässt sich recht einfach und billig ohne Risiko irgendwelcher Störungen kompensieren, wenn man es richtig macht (siehe den Abschnitt »Kompensation«). Ein EVG produziert keine nennenswerten Mengen an Grundschwingungs-Blindleistung (Verschiebungs-Leistungsfaktor DPF oder cosφ) – oder sollte es jedenfalls nicht. Es muss nicht notwendigerweise, kann jedoch sehr wohl für verschiedene Frequenzen bis hin zum Gleichstrom und für verschiedene Spannungen ausgelegt sein, wodurch es auch gleichzeitig gegen Schwankungen der Eingangsspannung unempfindlich wird. Das Haupt-Argument für seinen Einsatz jedoch besteht in der besseren Licht-Ausbeute, die weniger auf seine geringeren inneren Verluste zurück geht als vielmehr auf den bei der hohen Betriebsfrequenz besseren Wirkungsgrad der Lampe. Deswegen speist ein EVG weniger Leistung in die Lampe ein als ein KVG. EVG kosten jedoch ein Mehrfaches eines einfachen, soliden KVG, sind empfindlich gegen bestimmte Störungen und können ihrerseits zu Störquellen werden. Als Alternative wurde das verbesserte induktive Vorschaltgerät (VVG) auf den Markt gebracht, das nicht auf billigsten Preis, sondern auf reduzierte Verluste ausgelegt ist.

Anders als KVG bzw. VVG, die den Gesetzen der Physik zu Folge stets nach ein- und demselben Grundprinzip arbeiten, bietet die Elektronik eine üppige Auswahl an Auslegungs-Varianten zum Betrieb der Lampe.

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Vorbemerkungen und physikalische Grundlagen

Bild 1.1
Bild 1.1: Charakteristik einer 58-W-Leuchtstoffröhre, mit Gleichstrom gemessen und mit einer empirischen Formel angenähert

Gase sind generell keine elektrischen Leiter, können aber unter bestimmten Umständen dazu werden, wie es bei jedem Isolierstoff etwa durch Überschreitung der Durchschlagspannung vorkommen kann. Das Aufkommen der Leitfähigkeit vollzieht sich bei Gasen in drei Stufen. Damit der Vorgang überhaupt einsetzen kann, sind freie Ladungsträger erforderlich, die zumeist als Ionen, aber auch als freie Elektronen auftreten. Spuren davon sind in atmosphärischer Luft und anderen Gasen stets vorhanden, jedoch nicht genug, um einen Stromfluss in Gang zu setzen. Die Isolierfähigkeit von Gasen nimmt aber mit fallendem Druck ab. Das erscheint zunächst widersprüchlich, denn weniger Gas pro Volumen enthält auch absolut weniger Ladungsträger, gleichen relativen Anteil unterstellt – und weniger Ladungsträger führen eigenartigerweise schneller zur Leitfähigkeit, wenn auch auf eine eher indirekte Art: Man muss sich vor Augen halten, wie die Leitfähigkeit zu Stande kommt, nämlich durch die Kraft, der die Ionen (griechisch ionein = wandern) sich im elektrischen Feld zwischen den Elektroden ausgesetzt sehen und wodurch sie beschleunigt werden. Dabei ist »wandern« in diesem Zusammenhang eine krasse Untertreibung. Tatsächlich muss man die Fluggeschwindigkeit der geladenen Teilchen in Kilometer pro Sekunde messen. Die Ionen sind wahrscheinlich zuerst als in Wasser gelöste Teilchen entdeckt worden, und dort bewegen sie sich in der Tat wie die Elektronen in metallisch leitenden Stoffen weniger als einen Millimeter pro Sekunde fort, weshalb man sie heute Ionen nennt.

Erreichen die geladenen Teilchen ihr Ziel und gelangen in Kontakt mit der Elektrode, so geben sie ihre Ladung ab und werden zu einem neutralen Molekül oder Atom, beziehungsweise das freie Elektron wird von dem Elektrodenmaterial aufgenommen. Der Weg dorthin jedoch ist lang und steinig. Kaum haben die geladenen Teilchen etwas an Schwung gewonnen, kollidieren sie mit anderen, nicht geladenen Teilchen und müssen erneut beschleunigt werden. Ist die Dichte der Luft oder des sonstigen Gases sehr hoch, so ereignet sich der nächste Zusammenstoß schon recht bald, ehe das Ion nennenswert an kinetischer Energie gewonnen hat. Mit abnehmender Dichte jedoch nimmt die mittlere freie Weglänge zu und damit auch die Wahrscheinlichkeit, dass das Ion hinreichend Energie sammeln kann, um ein oder mehrere Elektronen aus dem nächsten getroffenen Gasmolekül heraus zu schlagen oder das Molekül zu zerlegen und somit zwei weitere Ladungsträger zu erzeugen. Sobald im Mittel jeder Ladungsträger vor Erreichen der entsprechenden Elektrode mehr als ein neues Ion erzeugt hat, setzt ein Lawinen-Effekt ein, und dies erklärt, warum zum Betrieb von Gas-Entladungslampen, Lichtbogen-Anwendungen und dergleichen stets geeignete Maßnahmen zur Begrenzung des Stromflusses getroffen werden müssen: Ein Plasma ist entstanden, das heißt, eine Mischung unveränderten Gases im ursprünglichen Zustand mit erheblichen Anteilen an Ionen und freien Elektronen. Diese bewegen sich einzeln von einer Elektrode zur anderen, die positiven anders herum als die negativen, und bilden so den Stromfluss, dessen Erhaltung in atmosphärischer Luft jetzt nur noch etwa 30 V erfordert, bei hohen Stromdichten sogar noch weniger. In diesem Stadium schützt das Plasma sich selbst, indem es sich durch die magnetischen Kräfte des Stroms zusammenzieht und von der umgebenden Luft abgrenzt, was die Stromdichte erhöht und die Wärme-Abgabe vermindert. Es darf jedoch nicht übersehen werden, dass bei diesen Temperaturen ein hoher Anteil der Wärme durch Strahlung abgegeben wird. Die Wärme-Abstrahlung steigt mit der vierten Potenz zur absoluten Temperatur!

Doch dies ist bereits das Endstadium der Leitfähigkeit eines Gases. Die erste Stufe erfolgt bei sehr niedrigen Stromdichten um 10 nA/mm² und ohne irgendwelche Abstrahlung von Licht. Die zweite ist die Glimm-Entladung bei Stromdichten bis etwa 1 mA/mm² und stellt somit diejenige dar, die in elektrischen Lampen von der Glimmlampe bis zur Leuchtstofflampe zum Einsatz kommt. Die Wirkungsweise ist bei beiden Lampenarten die gleiche. Bei der Leuchtstofflampe wird der leuchtende Abschnitt der Gassäule künstlich sehr stark verlängert. Das Licht selbst ist ultraviolett und damit nicht sichtbar, sondern regt die fluoreszierende Leuchtstoffschicht auf der Innenseite des Glasrohres zum Leuchten an. Somit lässt sich über die Zusammensetzung des Leuchtstoffs die Lichtfarbe beeinflussen. Das dritte Stadium ist dann der so genannte Lichtbogen, der bis einige 10 A/mm² reicht.

Was sich über alle drei Stadien hinzieht ist die Eigenschaft, dass die zur Aufrecht-Erhaltung des Stromflusses erforderliche Spannung mit zunehmender Stromdichte abnimmt. Das ohmsche Gesetz scheint in sein Gegenteil verkehrt. Man könnte mit einigem Recht von einem »negativen Widerstand« sprechen, denn der differentielle Quotient du/di ist in der Tat negativ (Bild 1.1). Dies erscheint in diesem Fall jedoch verständlich, denn je höher der Strom, desto mehr Ladungsträger werden erzeugt.

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