5. Niederdruckentladungslampen

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1 5. Niederdruckentladungslampen Inhalt 5.1 Klassifizierung von Gasentladungslampen 5.2 Historische Entwicklung 5.3 Prinzip der Fluoreszenzlampen 5.4 Die Hg-Niederdruckentladung 5.5 Energiebilanz 5.6 Typische Abmessungen 5.7 Komponenten von Fluoreszenzlampen 5.8 Der Ballast 5.9 Elektroden und Emitter 5.10 Lampenglas 5.11 Die Beschichtung 5.12 Hg-Verbrauch 5.13 Energiesparlampen 5.14 Induktiv betriebene Lampen 5.15 Na-Niederdruckentladungslampen Folie 1

2 5.1 Klassifizierung von Gasentladungslampen Niederdruck-Gasentladungslampen Hochdruck-Gasentladungslampen Druck = 10 µbar bis 10 mbar > 1 bar Länge = ca. 1 m ca. 1 cm Leistung = 4 58 W (200 W) W Folie 2

3 5.1 Klassifizierung von Gasentladungslampen Quecksilber Natrium Edelgase Schwefel Niederdruck p < 10 mbar Hochdruck p > 1 bar Niederdruck Niederdruck Hochdruck Hg/Ar Hg/Ne Hg/Ar Na/Ar/Ne Ne S nm Breitbandspektrum 589 nm 74 nm Breitbandspektrum (Kompakt-) Fluoreszenz lampen bzw. Linienemitter NaX / TlX / InX, X = I, Br Multi-Linienemitter NaX / TlX / LnX 3 (Ln = Dy, Ho, Tm, Sc) SnX 2 Metallhalogenidlampen Hochdruck Na/Hg/Xe Mitteldruck Xe/Ne nm Leuchtstofflampen Natriumdampflampen Plasmabildschirme Folie 3

4 5.2 Historische Entwicklung 1852 Stokes: Beobachtung der Fluoreszenz 1938 General Electric: Erste Fluoreszenzlampe, Leuchtstoff = (Zn,Be) 2 SiO 4 :Mn (40 lm/w) 1942 Fluoreszenzlampen mit Halophosphat: 60 lm/w 1971 Trichromatische Fluoreszenzlampen: 100 lm/w Folie 4

5 5.3 Prinzip der Fluoreszenzlampen Glaskolben Gewünschtes Spektrum Strahlung der Gasentladung Kappe Leuchtstoffschicht angeregtes Atom Elektronen Elektrode Leuchtstoff Gasentladung UV-Strahlung sichtbares Licht Reinigung Desinfektion Beleuchtung Folie 5

6 5.3 Prinzip der Fluoreszenzlampen Folie 6

7 5.4 Die Hg-Niederdruckentladung In Gasentladungslampen wird Licht primär durch ein elektrisch angeregtes Plasma erzeugt Definition Plasma Gemisch aus Elektronen, Ionen und Neutralteilchen in verschiedenen Anregungszuständen und mit starker Wechselwirkung untereinander a) Isothermes Plasma: Alle Teilchen im thermodynamischen Gleichgewicht (Hochtemperaturplasmen: Sterne) b) Nicht-isoth. Plasma: Nur Elektronen im thermodynamischen Gleichgewicht (Elektrisch erzeugte Plasmen: Gasentladungslampen) In Gasentladungslampen sind die Gasatome faktisch nicht ionisiert. Eine signifikante Ionisierung tritt erst bei Temperaturen oberhalb von 4000 K auf Folie 7

8 5.4 Die Hg-Niederdruckentladung Das Spektrum einer Gasentladung entsteht durch mehrere physikalische Prozesse 1. Linienstrahlung (Fluoreszenz) Hg* Hg + h Ar* Ar + h Na* Na + h 2. Rekombinationsstrahlung Hg + + e - Hg + h 3. Bremsstrahlung Thermalisierung der Elektronen Zusätzlich: Excimerstrahlung Leuchtstoffemission Emission einer LnX 3 - Füllung Folie 8

9 5.4 Die Hg-Niederdruckentladung Termschema Hg-Atom und Emissionsspektrum einer Hg-Niederdruckgasentladung Level energy [ev] ( 1S 0) 6( 1P 1) 185 nm nm ionization level 6( 3D 1) 254 nm 365 nm 6( 3P 2) 265 nm 297 nm 313 nm 6( 3P 1) 546 nm 436 nm 405 nm 6( 3P 0) 7( 3S 1) Emission intensity [a.u.] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 254 nm 185 nm 365 nm 0, Wavelength [nm] 0 6( 1S 0) [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 [Xe]4f 14 5d 10 6s 1 6p 1 Grundzustandsterm: 1 S 0 (alle Schalen gefüllt) Weitere Linien im sichtbaren Bereich bei 405, 436, 546, 579 nm Plasma erscheint bläulich-weiß Folie 9

10 Prozesse in der Gasentladung 5.4 Die Hg-Niederdruckentladung e - 1. Thermische Emission von Elektronen Kathode e - e - Hg 2. Elastische Streuung an Hg und Ar e - + Hg e - + Hg e - + Ar e - + Ar 3. Anregung von Hg-Atomen e - + Hg e - + Hg* ( 3 P 1 ) e - + Hg e - + Hg* ( 1 P 1 ) 4. Ionisation von Hg-Atomen e - + Hg 2 e - + Hg + e - Hg e - Hg* e - Hg Hg e - e - 5. Relaxation angeregter Hg-Atome Hg*( 3 P 1, 1 P 1,.) Hg + h UV Hg + Bei einer Hg-Niederdruckentladung wird ca. 70% der elektrischen Eingangsleistung in UV- Strahlung umgewandelt Folie 10

11 Verlustprozesse in Fluoreszenzlampen 5.5 Energiebilanz Austrittsarbeit + Plasmaeffizienz Stokes-Shift + Quantenausbeute elektrische Eingangsleistung (100%) UV Strahlung (70%) sichtbare Strahlung (30%) Wärme 100 lm/w dis = Plasmaeffizienz = dis * QD*QA Quanten-Defizit (Stokes-Shift) = [ Plasma / Leuchtstoff ] = 0.46 Quantenausbeute = N emit. Photonen /N abs. Photonen ~ 0.9 Fluoreszenzlampen, Leuchtstoffröhren (TL) dis = 70% = 30% (100 lm/w) Kompaktfluoreszenzlampen, Energiesparlampen (CFL) dis = 40% = 18% (60 lm/w) Folie 11

12 5.6 Typische Abmessungen Leuchtstoffröhren Leistung Länge Durchmesser Typ 18 W 0.6 m T8 T8 = 8/8 inch = 2.54 cm 36 W 1.2 m T8 58 W 1.5 m T8 4 W 0.14 m T5 T5 = 5/8 inch = 1.59 cm 6 W 0.21 m T5 8 W 0.30 m T5 13 W 0.50 m T5 T12 T8 T5 T4 T3 T1 (0.32 cm): Steigende Wandbelastung! Heute: LED Retrofitlampen Folie 12

13 5.7 Komponenten von Fluoreszenzlampen Funktionelle Bestandteile 1. Ballast oder Vorschaltgerät sowie Starter 2. Elektroden und Emitter 3. Glas 4. Beschichtung = Vorbeschichtung + Leuchtstoff 5. Gasfüllung Gasfüllung (5) Ballast oder Vorschaltgerät (1) Elektrode (2) Beschichtung (4) Glas (3) Folie 13

14 5.8 Der Ballast Warum wird ein Ballast benötigt? Entladungslampen haben eine negative Strom-Spannungs-Charakteristik U U R I U I S ~ ~ steigt stärker ne als linear mit n e Glühlampen I Entladungslampen U 230 V U 230 V I I Folie 14

15 5.8 Der Ballast 230 V R FL 36 W FL: U = 100 V, I = 0.36 A U 230 V R: U R = 130 V, I R = 0.36 A R = /230 = 56% der Leistung wird in R verbraucht I = 100 lm/w * 44% = 44 lm/w Ausweg: mit Spule (Induktivität) oder Kondensator (Kapazität) ballastieren in L und C sind Strom und Spannung um 90 phasenverschoben keine Leistung wird verbraucht Cu-Fe-Ballast Folie 15

16 5.9 Elektroden und Emitter Die Elektroden geben durch thermische Emission Elektronen in die Gasphase ab Material: Wolfram (Elektronenemission ab ca C) Typischer Aufbau: Doppelwendel Folie 16

17 5.9 Elektroden und Emitter Die thermische Glühemission von Elektroden wird durch das Richardson-Gesetz beschrieben I Fläche A T 2 e - W A kt A = Richardsonkonstante = 60 A/cm 2 K 2 W A = Austrittsarbeit (4.54 ev für Wolfram) kt = thermische Energie [J] k = Boltzmannkonstante = J/K heiße Oberfläche e - e - e - e - - e W A kt Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron die Oberfläche verlässt Folie 17

18 5.9 Elektroden und Emitter Elektrode aus Wolfram Richardson: I = 0.5 A T W = 3100 K kostet Energie Effizienz sinkt Ausweg Elektrode wird mit einem Emitter beschichtet Bogen setzt auf ca. 1 mm 2 großer Fläche an Emitter = Material mit niedriger Austrittsarbeit Material W A [V] W 4.5 Ba 2.5 Sr 2.4 Ca 2.8 BaO SrO CaO Y 2 O I = 0.5 A schon bei T Ba = 1350 K Folie 18

19 Eingesetzte Emittermaterialien 5.9 Elektroden und Emitter Y 2 O 3 BaO/SrO/CaO Na-Hochdrucklampen Na/Hg-Niederdrucklampen Anwendung als stabile Carbonate Triple mix 1. Tauchbeschichtung der Elektrode mit einer Suspension des Triple mix 2. Aktivierung in der Lampe: MeCO 3 MeO + CO 2 (Me = Ca, Sr, Ba) 3. Betrieb der Lampe: W + 6 BaO Ba 3 WO Ba (Emitter) Folie 19

20 Allgemeine Anforderungen Preiswert (< 1 ct/lampe) Hohe Transparenz Strahlungsstabilität (geringe Solarisation) Thermische Stabilität 5.10 Lampenglas Zusammensetzung von Lampengläsern Komposition [%] Natriumsilikat Bleisilikat Borsilikat Aluminosilikat Aluminoborat Quarz SiO Na 2 O K 2 O CaO MgO 4 Al 2 O PbO 20 B 2 O Anwendung in Glühlampen Fluoreszenzlampen Halogenlampen Glühlampen Fluoreszenzlampen Hg-Hochdrucklampen Na-Niederdrucklampen UV-C Lampen Folie 20

21 Transmission von Lampengläsern 5.10 Lampenglas Lampenanwendung Absorptionskante [nm] Glastyp Beleuchtung 320 Natriumsilikatglas Sonnenbänke 300 modifiziertes Natriumsilikatglas Desinfektion 220 modifiziertes Natriumsilikatglas Reinigung 170 Quarzglas Transmission [%] Wavelength [nm] R4235, 69% (312.6 nm) R4276, 57% (312.6 nm) 290 glass, 35% (312.6 nm) Transmission (%) Wavelength (nm) Folie 21

22 5.11 Die Beschichtung Prinzipieller Aufbau Schematischer Aufbau Leuchtstoffschicht (Leuchtstoff + Füller) Vorbeschichtung (Al 2 O 3, Y 2 O 3, MgO...) Dispersionsmedium Butylacetat Destilliertes Wasser Binder Nitrocellulose Polyethylenoxid Leuchtstoff Halophosphate Halophosphate Farbe 80 Leuchtstoffe Farbe 80 Leuchtstoffe Farbe 90 Leuchtstoffe Farbe 90 Leuchtstoffe UV-Leuchtstoffe Haftungsmittel Alon-c (Al 2 O 3 ) Ca 2 P 2 O 7 oder Sr 2 P 2 O 7 Dispersionsmittel 2-Methoxy-1-propanol Polyacrylsäure Folie 22

23 5.11 Die Beschichtung Mit dem Leuchtstoff Halophosphat (Apatit) Ca 5 (PO 4 ) 3 (F,Cl):Sb 3+,Mn 2+ (Sb 3+ ) + h 254 (Sb 3+ )* (Sb 3+ )* (Sb 3+ ) + h 480 (Sb 3+ )* + (Mn 2+ ) (Sb 3+ ) + (Mn 2+ )* Relative intensity 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Halophosphate 6500 K Halophosphate 4000 K (Mn 2+ )* (Mn 2+ ) + h 580 0, Wavelength [nm] Sb/Mn Massenverhältnis bestimmt die effektive Farbtemperatur Lichtausbeute = lm/w el Farbwiedergabe CRI = 60 Folie 23

24 5.11 Die Beschichtung Mit einer Dreikomponenten-Leuchtstoffmischung (Rot-Grün-Blau RGB) Erforderliche Positionen der Emissionsbanden Blau nm Eu nm Grün nm Tb 3+ y [lm/w] Rot nm Eu Wavelength [nm] Lichtausbeute = 100 lm/w el Farbwiedergabe CRI = Folie 24

25 5.11 Die Beschichtung Lumenausbeute von Dreibandenlampen (trichromatische Lampen) Luminous efficacy [lm/w] Blau nm nm Wavelength [nm] CRI Luminous efficacy [lm/w] nm nm + Rot Wavelength [nm] CRI Optimum bei etwa Lichtausbeute 100 lm/w el CRI = ( Farbe 80 Lampen) Folie 25

26 5.11 Die Beschichtung Spektrum von Dreibandenlampen (trichromatische Lampen) Intensität [W/nm] 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 BAM V LAP YOX P = 36 W P rad / P 60 % P rad,vis / P 30 % 0, [nm] Folie 26

27 5.11 Die Beschichtung Farbpunkte von Farbe 80 Dreibandenlampen (trichromatische Lampen) Farbtemperatur K Nur grüner und roter Leuchtstoff 2700 K RGB Leuchtstoffmischung K je nach Mischungsverhältnis Farbpunkt Wird so eingestellt, daß er nahe der Black-Body-Line liegt Folie 27

28 Emission intensity [a.u.] Emission intensity [a.u.] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Kosmetik/Medizin Beleuchtung Eye-sensitivity curve Eu 2+ Wavelength [nm] Tb 3+ Eu 3+ 0, Wavelength [nm] 5.11 Die Beschichtung Lanthanoidionen s 2 - oder ÜM-Ionen Ce 3+ Pb 2+ LaPO 4 :Ce YPO 4 :Ce Sr 2 MgSi 2 O 7 :Pb BaSi 2 O 5 :Pb Eu 2+ Sb 3+ Sr 5 (PO 4 ) 3 (F,Cl):Eu BaMgAl 10 O 17 :Eu Ca 5 (PO 4 ) 3 (F,Cl):Sb Tb 3+ Mn 2+ LaPO 4 :Ce,Tb BaMgAl 10 O 17 :Eu,Mn CeMgAl 11 O 19 :Tb Zn 2 SiO 4 :Mn LaMgB 5 O 10 :Ce,Tb Ca 5 (PO 4 ) 3 (F,Cl):Sb,Mn LaMgB 5 O 10 :Ce,Tb,Mn Eu 3+ Mn 4+ Y 2 O 3 :Eu (Y,Gd)(V,P)O 4 :Eu Mg 4 GeO 5.5 F:Mn Folie 28

29 5.11 Die Beschichtung Color rendering (trichromatic phosphor blends) 0,35 Fairly good color rendering R a = ,3 Lack of radiation in the cyan nm 0,25 0,2 yellow nm deep red > 610 nm 0,15 Consequences 0,1 Additional broad band phosphors 0,05 Sr 4 Al 14 O 25 :Eu 0 Ca 5 (PO 4 ) 3 (F,Cl):Sb,Mn Modification of applied trichromatic phosphors BaMgAl 10 O 17 :Eu BaMgAl 10 O 17 :Eu,Mn GdMgB 5 O 10 :Gd,Tb GdMgB 5 O 10 :Ce,Tb,Mn R a ~ 88 98, but luminous efficiency ~ lm/w Typical blend (Osram Patent EP ) Sr 4 Al 14 O 25 :Eu 28.5 wt-% (Ce,Gd)(Zn,Mg)B 5 O 10 :Mn 28.5 wt-% Ca 5 (PO 4 ) 3 (F,Cl):Sb,Mn 26.9 wt-% BaMgAl 10 O 17 :Eu 6.1wt-% CeMgAl 11 O 19 :Tb 10.0 wt-% Intensity [W/nm] BaMgAl 10 O 17 :Eu LaPO 4 :Ce,Tb Y 2 O 3 :Eu Relative intensity [nm] Emission spectra of BaMgAl 10 O 17 :Eu,Mn 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Eu 2+ Mn 2+ 0, Wavelength [nm] Folie 29

30 5.11 Die Beschichtung Fluoreszenzlampen mit höherer Farbwiedergabe Verwendung von BaMgAl 10 O 17 :Eu,Mn Emissionsspektrum einer Mischung aus BaMgAl 10 O 17 :Eu,Mn + LaPO 4 :Ce,Tb + Y 2 O 3 :Eu bei 254 nm Anregung Berechnete Emissionsspektren von Fluoreszenzlampen mit einer Mischung aus BaMgAl 10 O 17 :Eu,Mn + Y 3 Al 5 O 12 :Ce + YVO 4 :Eu Emission intensity [a.u.] 1,0 LE [lm/w] 258 x y ,8 0,6 0,4 0,2 Normalised emission intensity 0,20 0,15 0,10 0,05 T2900K T4000K T5000K T6300K T8000K T8600K Tc (K) Ra , Wavelength [nm] 0, Wavelength [nm] Ra ~ 88 Ra > 90 Folie 30

31 5.12 Hg-Verbrauch Die Hg-Niederdruckentladung benötigt für den optimalen Betrieb ca. 50 µg Hg Standarddosierung: mg/lampe Ursache: Hg-Verbrauch in der Lampe Lampenbestandteil Hg-Verbrauch in h (4 ft TL Lampe) Glas 5 mg Leuchtstoff mg Elektroden mg Hg wird höher dosiert, um den Verbrauch während der spezifizierten Lebensdauer zu kompensieren Folie 31

32 5.12 Hg-Verbrauch Hg-Adsorption durch Glas und Leuchtstoff führt zur Vergrauung des Leuchtstoffes und zur Reduktion der Entladungseffizienz Material IEP [ph] Reflexionsspektrum von BaSi WO ,0 2 O 5 :Pb SiO 2 /Glass 3.0 BaSi O ,0 TiO ,0 40,0 20,0 2 LaPO Y 2 O 3 ZrO Al O ZnO 9.4 as prepared Yb 2 O from 160 W lamp after 500h operation La 2 O , MgO 11.0 Wavelength [nm] Hg/Hg + -Aufnahme steigt mit der Elektronendichte auf den Anionen (Basizität), d.h. mit der Zunahme der Reaktivität gegenüber elektrophilen Agenzien, wie CO 2, H +, Hg + Reflection [%] Folie 32

33 5.12 Hg-Verbrauch Maßnahmen zur Hg-Verbrauchsreduktion Leuchtstoffbeschichtung (Particle Coating) Glasbeschichtung (Glass Coating) mit Y 2 O 3 oder Al 2 O 3 (geringe Hg-Aufnahme) Hg-Menge/Lampe [mg] Jahr 3 mg Hg/Lampe mit Y 2 O 3 -Glasbeschichtung Folie 33

34 5.13 Energiesparlampen Energiesparlampen sind Leuchstoffröhren bestehend aus mehreren (gebogenen) Röhren und mit einem integrierten Vorschaltgerät Trends Miniaturisierung Glühlampenform (Außenkolben mit Streuschicht) incandescent look-a-like Folie 34

35 5.14 Induktiv betriebene Lampen QL Lampen besitzen eine besonders lange Lebensdauer, weil innere Elektroden fehlen (Lichterzeugung genauso wie in üblichen Fluoreszenzlampen) Vorschaltgerät 2.65 MHz Folie 35

36 Aufbau einer QL-Lampe 5.14 Induktiv betriebene Lampen Gefäß mit Hg gefüllt keine inneren Elektroden Spule Power coupler HF Generator Mit 2.65 MHz Folie 36

37 5.14 Induktiv betriebene Lampen Energieeinkopplung bei der QL-Lampe Spule elektrisches Wechselfeld magnetisches Wechselfeld (H) magnetisches Wechselfeld (H) elektrisches Wechselfeld (E) Elektronen werden in diesem Feld E beschleunigt E HF - Generator 2.65 MHz Folie 37

38 5.15 Na-Niederdruckentladungslampen Termschema des Na-Atoms Gelbe Na-D Linie [Ne]3p 1 [Ne]3s 1 _Interkonfigurations-Übergange Na-Plasmalinien bei nm, nm, nm, nm Folie 38 Zeit nach der Zündung (Sublimation des Na)

39 5.15 Na-Niederdruckentladungslampen Allgemeiner Aufbau Füllelement Na mit Betriebsdruck 1 Pa Puffergas: Argon kein Leuchtstoff Innen- und Außenkolben Hohe Effizienz ~ 200 lm/w aber schlechte Lichtqualität R a = - 50 T Wand = 270 C Na Außenkolben mit wärmereflektierender Beschichtung ( SnO 2 ) Folie 39