Leuchtstofflampe

Schlagwörter: Leuchtstofflampe, Leuchtstoffröhre, Neonröhre, Hg-Dampf, Quecksilberdampf Lampe, Spektrum

Eine Leuchtstofflampe (auch Leuchtstoffröhre oder Neonröhre) ist ein Leuchtmittel, das mit u.a. Quecksilberdampf gefüllt ist. Der Glaskörper, der die Röhre umgibt, trägt eine weiße Schicht. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung können wir ein helles weißes Leuchten beobachten.

Umgangssprachlich wird die Leuchtstoffröhre häufig als Neonröhre bezeichnet. Diese Bezeichnung ist aber mindestens irreführend. Woher kommt diese Bezeichnung?

  1. Aufbau einer Leuchtstoffröhre / Leuchtstofflampe
  2. Funktion einer Leuchtstoffröhre im Betrieb
  3. Beschichtung der Leuchtstoffröhre
  4. Start einer Leuchtstoffröhre

1. Aufbau einer Leuchtstoffröhre

1.1 Aufbau einer Leuchtstoffröhre allgemein

Eine Leuchtstoffröhre besteht im Wesentlichen aus einer gasgefüllten Röhre, die an den Enden mit einem nach innen ragenden elektrischen Kontakt versehen ist. Praktisch würde es reichen, wenn ein elektrisch leitender Draht auf jeder Seite der Röhre von außen nach innen führt. Die Spektrallampen ►01 funktionieren nach diesem Prinzip.

spektralroere-allg-quer
01 Spektralröhre

Um die Röhre in dieser Bauform zu betreiben, wird eine sehr hohe Spannung (im 1 kV Bereich) benötigt. Um auch bei Netzspannungen (230 V in Europa, 110 V in UK und den USA) die Leuchtstoffröhren betreiben zu können, benötigen wir ein paar zusätzliche Bauteile.

1.2 Aufbau einer Leuchtstofflampe

02 externe Beschaltung der Leuchtstofflampe

Im Innenraum der Leuchtstoffröhre befindet sich u.a. Quecksilberdampf bei einem Unterdruck. Die Leuchtstofflampe wird an eine Netzspannung angeschlossen.

Parallel zur Netzspannung wird ein Starter geschaltet. Dieser hat die Aufgabe die erforderliche Startspannung zu generieren, um den Prozess der Stoßionisation zu initiieren.

In Reihe zur Netzspannung ist eine Drosselspule geschaltet. Die Kombination aus Starter und Drosselspule erzeugt die nötige Spannung, um die Leuchtstofflampe zum Leuchten anzuregen.

⇒ zur ausführlichen Erklärung des Startvorgangs

2. Funktion der Leuchtstofflampe

Anders als beim Franck-Hertz-Versuch, soll das Gas hier ionisiert werden. Es sollen viele freie Ladungsträger erzeugt werden.  

03 Leuchtstofflampe halbseitig beschichtet

Die „üblichen“ Leuchtstofflampen, die helles weißes Licht liefern, sind u.a. mit Quecksilberdampf gefüllt. Abbildung ►03 zeigt eine Leuchtstoffröhre, die nur auf der linken Seite die übliche Beschichtung hat. Die rechte Seite der Röhre ist unbeschichtet. Auf der rechten Seite ist zu erkennen, dass die Leuchtstofflampe primär ein bläuliches Leuchten liefert. Das bläuliche Leuchten resultiert aus den Anregungen der Quecksilberatome. (vgl. Franck-Hertz) Es entsteht durch die Farbaddition der einzelnen Spektrallinien ►04.

04 Spektrum Quecksilber - Hg

Beschreibung - Funktion

Zwischen den Polen der Leuchtstoffröhre liegt eine Spannung an. Diese Spannungen liegen i.d.R zwischen 110 V und 230 V. In dem Feld zwischen den Polen werden einige Quecksilberatome ionisiert.

Die freien Elektronen werden in Richtung des Pluspols beschleunigt. Auf ihrem Weg treffen die Elektronen auf weitere Quecksilberatome. Dabei können wir zwischen drei Fällen unterscheiden(vgl. Energieniveau):

  1. Die Energie reicht nicht aus, um die Atome anzuregen.
  2. Die Energie reicht aus die Atome anzuregen
  3. Die Energie reicht aus, um das Aton zu ionisieren.

zu 1) Die Energie reicht nicht aus, um die Atome anzuregen

Wenn die Energie der Elektronen kleiner ist, als die erste Energiestufe im Atom, dann kommt es zwischen Elektron und Atom zu einem elastischen Stoß. Dabei geben die Elektronen quasi keine Energie an das Atom ab.

zu 2) Die Energie reicht aus die Atome anzuregen

Wenn die Energie ausreichend groß ist, dann werden Elektronen der äußeren Schale auf ein höheres Energieniveau gehoben. Nach einer Verweildauer von 10-6 s bis 10-8 s fallen die Elektronen direkt oder über Zwischenniveaus in den Grundzustand zurück. Die dabei freiwerdende Energie wird in Form von Licht abgegeben. Da die Energieniveaus materialspezifisch sind, sind auch die Leuchterscheinungen charakteristisch für einen bestimmten Stoff.

{\large \left. \begin{array}{l}\Delta E=h\cdot f\\f=\frac{c}{\lambda }\end{array} \right\}\Delta E=\frac{h\cdot c}{\lambda }\,\,\,\Leftrightarrow \lambda =\frac{h\cdot c}{\Delta E}}

zu 3) Die Energie reicht aus, um das Aton zu ionisieren

Wenn die Elektronen ausreichend Energie besitzen, um die Atome zu ionisieren (Stoßionisation), dann erhöht sich die Anzahl der freien Ladungsträger im Gas. Damit können die Leuchtescheinungen stärker werden. Wenn freie Elektronen und ionisierte Quecksilberatome rekombinieren, dann wird die dabei frei werdende Energie in Form von Strahlung abgegeben.

05 Anregung der Quecksilberatome mikroskopisch (Lupe 1 – Anregung), (Lupe 2 – Emission)

Beschichtung

Das Quecksilber liefert ein bläuliches Leuchten. Das ist am Spektrum ►04 und dem Foto ►03 zu erkennen. Dieses bläuliche Leuchten würde aber nicht ausreichen, einen Raum zu beleuchten.

Woher kommt das weiße Licht?

Dem Energieniveau von Quecksilber können wir entnehmen, dass neben den farbig markierten Übergängen im sichtbaren Bereich, weitere Übergänge im Energieniveauschema existieren. Bei Sprüngen in den Grundzustand werden u.a. Energien von 4,9 eV bzw. 6,7 eV frei.

Die Ionisationsenergie von Quecksilber beträgt 10,5 eV. Wenn ein freies Elektron und ein Quecksilberatom rekombinieren, dann können theoretisch diese Energien frei werden.

Energieniveau-Hg
06 Energieniveau Quecksilber

{ \large \left. \begin{array}{l}E=h\cdot f\\f=\frac{c}{\lambda }\end{array} \right\}E=\frac{h\cdot c}{\lambda }\,\Leftrightarrow \lambda =\frac{h\cdot c}{E} }

Beispiel:

{ \large\begin{array}{l}\Delta E=6,7\,\text{eV}\\\lambda =\frac{h\cdot c}{E}\\\\\lambda =\frac{4,136\cdot {{10}^{-15}}\,\text{eVs}\,\cdot 3\cdot {{10}^{8}}\,\text{m}}{6,7\,\text{eV}\,\,\,\cdot \,\text{s}}\\\\\lambda =\,1,85\cdot {{10}^{5}}\,m=185\,nm\end{array} }

 Bei einem Sprung vom Niveau 6,7­ eV in den Grundzustand wird UV-Strahlung der Wellenlänge 185 nm emittiert.

Die Emissionen dieser Strahlung können wir nicht sehen, da sie im UV-Bereich liegen. Wir können Sie aber durch ein geschicktes Verfahren sichtbar machen. Andere Atome und Moleküle haben andere Energieniveaus. Es werden also Stoffe benötigt, deren Energieniveaus so aufgebaut sind, dass sie von der UV-Strahlung der Quecksilberatome angeregt werden und dann Licht im sichtbaren Spektrum emittieren. Die Stoffe der Beschichtung müssen jetzt so geschickt gewählt werden, dass die Überlagerungen der emittierten Strahlungen in der Addition Weiß ergeben.

Die Auswahl und die Kombination dieser Stoffe ist ein aufwendiger Forschungsprozess. Daher sind die genauen Zusammensetzungen der  Beschichtung gut gehütete Firmengeheimnisse. 

 Die Anregung von Stoffen mit UV-Strahlung wird auch bei der Einbringung von Sicherheitsmerkmalen in Geldscheinen, einigen Dokumenten und Kreditkarten genutzt. Dazu gibt es hier mehr.

⇒ Sicherheitsstreifen

Sprachliche Entwicklung - "Neonröhre"

Die ersten Leuchtstoffröhren waren Geißelröhren. Beim Einsatz der Geißelröhren ging es nicht um eine effiziente Lichtversorgung. Die Röhren waren mit Neon und anderen Gasen gefüllt und erzeugten farbiges Licht, das für Aufmerksamkeit sorgte.

Auch die ersten Leuchtstofflampen (1909) waren mit Neon gefüllt. Sie erzeugten schon mehr Licht als die Geißelröhren und sorgten für Helligkeit. Für die weiße Ausleuchtung waren sie aber noch ungeeignet. Erst später begann man damit die Röhren zu beschichten und mit anderen Gasen zu füllen. Der Name „Neonröhre“ ist aber bis heute erhalten geblieben.

Anregung – externe Beschaltung

Leuchtstoffroehre-blau-Anschluss-klein
07 Leuchtstofflampe ohne Beschichtung
Leuchtstoffroehre-Heizung
08 Pol mit Heizwendel (beidseitig)

Starter und Drosselspule

Im Einschaltmoment ist die Leuchtstofflampe noch kalt, es stehen keine freien Ladungsträger zur Verfügung. Über die Leuchtstofflampe kann noch kein Strom fließen.

Der Starter besteht im Wesentlichen aus einer Glimmlampe (Zündspannung ca. 100 V) mit parallel geschaltetem Thermoschalter. Wenn der Stromkreis geschlossen ist, dann zündet die Glimmlampe. Die Wärme der Glimmlampe führt dazu, dass der Thermoschalter des Starters schließt (Bimetall). Durch den Thermoschalter wird die Glimmlampe kurzgeschlossen und erlischt. Der Thermoschalter wird sich nach einer Abkühlung wieder öffnen und der Prozess beginnt erneut.

09 Funktion Starter

Wenn der Thermoschalter geschlossen ist, dann kann ein Strom durch die Heizwendeln der Leuchtstofflampe fließen. Das Gas um die Heizwendeln in der Leuchtstofflampe erwärmt sich. Gleichzeitig werden durch Glühemission Elektronen aus den Heizdrähten emittiert.

Wenn sich der Thermoschalter öffnet, dann wird der Stromkreis wieder unterbrochen. Die abrupte Unterbrechung des Stromflusses führt zu einer starken Änderung des Stroms in der Drosselspule und damit zu einer hohen Induktionsspannung. Die Induktionsspannug kann Spannungsspitzen von mehr als 1000 V erreichen. Diese Spannungsspitze reicht aus, um das erwärmte Gas in der Leuchtstofflampe zu ionisieren. Der Innenraum der Leuchtstofflampe ist jetzt elektrisch leitend. Der Strom fließt nicht mehr über den Starter.  

Leuchtstoffroehre-aufbau-mit-starter
10 externe Beschaltung mit Drossel und Starter

In der Praxis reicht die erste Spannungsspitze i.d.R. nicht aus. Das ist auch beim Startvorgang einer Leuchtstofflampe zu beobachten. Dieser Vorgang kann einige Sekunden dauern.

Praktisch werden dem Quecksilberdampf in der Leuchtstofflampe auch noch Gase wie Argon beigemischt, um den Startprozess zu ermöglichen.

Quecksilber ist unter Normaldruck 20°C im flüssigen Aggregatzustand. Damit sich das Quecksilber auch bei Raumtemperatur im gasförmigen Zustand befindet, muss in der Röhre ein Unterdruck herrschen.  (vgl. FHV)