Kaltlichtkathoden


Kaltlichtkathoden
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Mehrere, innen mit Leuchtstoff beschichtete Leuchtröhren
Weiße Kaltkathodenröhre (CCFL) eines Flachbettscanners und zugehöriger Inverter

Leuchtröhren sind dünne, mit Gas niedrigen Drucks gefüllte Glasrohre, in deren Enden in der Regel ungeheizte Elektroden eingelassen sind, die auch beim Betrieb kalt bleiben.

Beim Anlegen einer hohen Spannung wird das Gas zum Leuchten (Niederdruck-Gasentladung bzw. Niederdruck-Plasma) angeregt. Sie nutzen dabei die Leuchterscheinung der sogenannten positiven Säule aus. Sie unterscheiden sich darin von Glimmlampen.

Die ersten praktisch einsetzbaren Leuchtröhren wurden um 1909 von dem Franzosen Georges Claude entwickelt.

Zu Leuchtröhren zu Demonstrationszwecken im Physikunterricht siehe Geißlerröhre.

Inhaltsverzeichnis

Bezeichnung

Unter Leuchtröhren versteht man in der Regel Kaltkathodenröhren, d. h. die Elektroden sind ungeheizt und bleiben auch im Betrieb so kalt, dass keine Glühemission an ihnen stattfindet. Es gibt sowohl mit Leuchtstoff beschichtete (en.: Cold Cathode Fluorescent Lamp, kurz CCFL) als auch unbeschichtete Kaltkathodenröhren bzw. Leuchtröhren.

Während bei einer Glimmlampe die Kathode (negative Elektrode) leuchtet, ist es bei einer Leuchtröhre die sogenannte positive Säule der Niederdruck-Gasentladung.

Leuchtstofflampen haben dagegen heiße Elektroden. Sie können ebenfalls farbig gefertigt werden und für Leuchteffekte Verwendung finden; sie haben aufgrund der Glühemission einen höheren Wirkungsgrad, jedoch eine geringere Lebensdauer.

Aufbau und Betrieb

Inverter für eine Kaltkathodenröhre

Die ring- oder becherförmigen kalten Elektroden aus Blech können nur aufgrund des Kathodenfalls und des durch diesen verursachten Bombardements mit positiven Ionen Elektronen emittieren.

Aufgrund dessen liegt die Betriebsspannung ; sie beträgt ca. 400 Volt pro Meter bei Röhren mit 30 mm Durchmesser, bis zu 1000 V/m bei ca. 80 mm Durchmesser. VDE-Vorschriften begrenzen die zulässige Spannung (und damit die Länge der Röhren) auf 7,5 kV.

Geheizte Elektroden (Glühkathoden) von Leuchtstofflampen und Kompaktleuchtstofflampen ermöglichen dagegen niedrige Betriebsspannungen von ca. 200 V, was einen Betrieb an Netzspannung mit einer einfachen Drossel erlaubt.

Als Vorschaltgerät für Leuchtröhren verwendet man einen Streufeldtransformator - früher war dies die einzige Lösung zum Betrieb von Leuchtreklame. Diese Transformatoren besitzen oft eine Möglichkeit, den Betriebsstrom einzustellen bzw. an verschiedene Anzahlen in Reihe geschalteter Röhren anzupassen. Die Stromeinstellung erfolgte mit einem mechanisch verstellbaren magnetischen Nebenschluss. Übliche Spannungen sind 2 x 2,5…4 kV. Der Betrieb mit Strömen unterhalb des Nennstromes ist - wie bei anderen Kaltkathodenröhren auch - unkritisch, daher lassen sich Neonröhren mit Phasenabschnitt-Dimmern dimmen.
Heute werden meist elektronische Vorschaltgeräte nach dem Prinzip eines Schaltnetzteils verwendet; diese besitzen meist selbst eine Einstellmöglichkeit für den Strom. Bei Batterie- bzw. Gleichspannungsversorgung nennt man sie Inverter.

Im Leerlauf liefert das Vorschaltgerät eine hohe Zündspannung, die im Betrieb auf ca. 30 % abfällt. Die Leistungsaufnahme von Leuchtröhren liegt bei ca. 30 W/m, die Lichtausbeute bei 30-100 lm/W. Unbeschichtete Kaltkathodenlampen haben, je nach Füllgas, eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren. Sie ist unabhängig von Ein- und Ausschaltvorgängen; eine Eigenschaft, die für blinkende Leuchtreklame vorteilhaft ist.

CCFL-Inverter der Bildschirm-Hinterleuchtung eines Notebooks
CCFL-Inverter mit Resonanztransformator

Die für Kaltkathodenlampen zur Hintergrundbeleuchtung von LCD- und TFT-Displays verwendeten Inverter (Wechselrichter mit Resonanztransformator) gestatten die Regelung des Stromes per Steuersignal. Sie sind schaltungstechnisch meist als Resonanz-Gegentaktwandler ausgeführt, der zwei Bipolartransistoren als Schaltelemente verwendet.
Auch Vorschaltgeräte für Netzbetrieb sind oft steuerbar. Die Vorteile (flackerfreier Sofortstart, Dimmen von 0-100%, verschiedene Farben) sind auch für Kunstinstallationen und RGB-Farbwechsler vorteilhaft.

Da Gasentladungslampen einen negativen differentiellen Innenwiderstand besitzen (je mehr Strom durch die Röhre fließt, desto weniger Spannung fällt an ihr ab), müssen Vorschaltgeräte den Ausgangsstrom begrenzen. Der Leerlauf kann bei Invertern manchmal zu deren Zerstörung führen, elektronische Vorschaltgeräte besitzen eine automatische Abschaltung bei Nicht-Zünden.

Die vom Inverter erzeugte Wechselspannung hat eine hohe Frequenz von 30…100 Kilohertz, häufig ist ein Wert von <50 kHz, da hier die Störabstrahlung der dritten Harmonischen unter 150 kHz liegt (untere Grenze von EMV-Messungen). Die elektrischen Zuleitungen zwischen Inverter und Kaltkathode dürfen daher nicht zu lang oder über leitfähige Flächen (zum Beispiel das Computergehäuse) geführt werden, ansonsten geht durch die hohe Kapazität ein Teil der Inverterleistung verloren und die Röhre wird dunkler, erlischt oder leuchtet nicht mehr auf voller Länge.

Die Leitungen und die Lampenenden haben eine hochspannungsfeste Isolierung (meist Silikongummi), die nicht verletzt sein darf.

Streufeldtransformatoren und Inverter stellen meist eine zum Erdpotential symmetrische, gleichstrommäßig potentialfreie Wechselspannung zur Verfügung; Vorschaltgeräte von Leuchtreklamen können auf diese Weise Masseschlüsse feststellen. Zusätzlich wird dadurch die Störabstrahlung verringert.

Farben

Die Farbe der Leuchtröhre ist abhängig von der Art des eingefüllten Gases (alterungsanfällige Nicht-Edelgase in Klammern):

Farbige Leuchtröhren arbeiten oft wie Leuchtstofflampen mit Fluoreszenzfarbstoffen. Es gibt sowohl Kaltkathoden- als auch Heißkathodenlampen für verschiedene Farben. Die Farben werden dann nicht durch die Gasfüllung, sondern durch unterschiedliche Leuchtstoffe erreicht, die die Ultraviolett-Emission der Gasentladung einer Quecksilber/Argon-Füllung in sichtbares Licht umwandeln.

Farblose Röhren, d.h. solche ohne Farbglasfilter und/oder Fluoreszenzfarbstoff werden eher selten verwendet, da sie im ausgeschalteten Zustand schlecht sichtbar und damit für Leuchtwerbung weniger geeignet sind.

Neonröhren

Neonröhren bestehen aus durchsichtigen, mit Neon gefüllten Glasrohren

Neonröhren sind mit dem Edelgas Neon gefüllt und leuchten entsprechend dessen Emissionsspektrum rot-orange. Umgangssprachlich werden auch Leuchtstofflampen unzutreffend Neonröhre genannt - Leuchtstofflampen enthalten jedoch Quecksilberdampf und besitzen einen Leuchtstoff auf der Glasinnenseite.

Neonröhren haben einen unbeschichteten klaren oder rot getönten Glaskolben. Neonröhren werden schon sehr lange zur Lichtwerbung (Leuchtreklame) und zur Befeuerung hoher Bauwerke verwendet.

Neonröhren waren die ersten Leuchtröhren. Sie wurde 1909 vom Franzosen Georges Claude erfunden, der dafür am 19. Januar 1915 das U.S.-Patent mit der Nummer 1,125,476 erhielt.[1]

Neonröhren werden auch heute noch als Leuchtreklame und zu Dekorationszwecken eingesetzt. Sie sind hierfür oft zu Schriftzügen gebogen. Dabei ist es preiswerter, Schriftzüge aus einer langen Röhre herzustellen und die Übergänge zwischen den Buchstaben abzudecken, statt für jeden Buchstaben eine eigene Röhre anzuschließen. Die zum Betrieb nötigen Vorschaltgeräte (Streufeldtransformatoren oder elektronische Geräte) werden oft kurz Neontrafo oder NST (von engl. Neon Sign Transformer) genannt.

Spektrallinien von Neon

Im Emissionsspektrum von Neon (siehe Bild) findet man neben den intensiven Linien im roten Bereich auch welche bei Orange und Gelb, während die grünen Linien nur schwach strahlen. Daher erscheint eine Neonröhre normalerweise hellrot. Um dunkelrotes Licht zu erzeugen, färbt man die Glasröhren zusätzlich rot.

Anwendung

Typische Leuchtröhren an einem Kasino in Las Vegas

Das Hauptanwendungsgebiet von Leuchtröhren ist traditionell die Leuchtreklame. Schriftzüge werden durch entsprechend gebogene Röhren gebildet, die zwischen den Buchstaben schwarz lackiert sind. An einem Vorschaltgerät können mehrere Röhren hintereinandergeschaltet (in Reihe) betrieben werden.

Kaltkathodenröhren beleuchten in Scannern und Faxgeräten die Vorlagen.

Sie werden zur Hintergrundbeleuchtung für LCD- oder TFT-Flachbildschirme eingesetzt. In einem Notebook sind in der Regel zwei CCFL eingebaut, die eine Lebensdauererwartung von rund 15000 Stunden haben. Nach dieser Zeit fallen sie nicht aus, sondern strahlen nur noch mit geringerer Helligkeit - das Lebensdauer-Ende ist durch die halbe Helligkeit definiert. Weder im Inverter noch in der Röhre gibt es prinzipielle Ausfallursachen, die diese Lebensdauer begrenzen. Höhere Ausfallwahrscheinlichkeiten beruhen oft auf mangelhafter Isolation der sehr hohen Spannungen.

Kaltkathodenröhren werden auch zur Effekt-Beleuchtung von Computergehäusen (Case-Modding) verwendet. Sie dienen dabei zur verschiedenfarbigen Innenbeleuchtung des transparenten Gehäuses. Derartige Leuchten sind mit einem zum Betrieb an 12 V geeignetem Inverter versehen und besitzen Drahtanschlüsse oder eine für das Computernetzteil passende Steckverbindung. Eine etwa 30 cm lange Kaltkathoden-Röhre mit Inverter nimmt eine elektrische Leistung von etwa 4,5 Watt auf.

Kaltkathodenröhren mit 12- oder 24-V-Inverter zum Fahrzeugtuning beleuchten den Innenraum, den Motorraum oder sind unter dem Fahrzeug angebracht. Solche Veränderungen verletzen in Deutschland und anderen Ländern meistens die Zulassungsvorschriften.

Literatur

  • Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag - Europa - Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9
  • A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4.Auflage. Verlag - Europa – Lehrmittel, 1965

Siehe auch

Quellen

  1. bei Google Patents

Weblinks


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