Leuchtmittel

Die Glühlampe - Eine bewegte Geschichte

Bei der Glühlampe handelt es sich um eine künstliche Form der Lichtquelle. Die Glühlampe oder auch Glühfadenlampe genannt, wird unter Verbrauchern umgangssprachlich als Glühbirne bezeichnet. Die ersten Glühlampen wurden 1840 hergestellt und die Glühbirne besaß bis zum Jahr 2009 eine lange Tradition. Seit 2009 wurde sie jedoch in vielen Ländern verboten, da die Nutzung nicht effizient genug war. Patentiert wurde die Glühlampe von Thomas Alva Edison. Erfunden wurde sie neben Edison, von Joseph Wilson Swan und Hiram Maxim.

Funktionsweise der Glühlampe

Elektrischer Strom fließt in einer Glühlampe durch einen bestehenden Faden. Dieser Faden ist so konzipiert, dass er dünn ist und in den meisten Fällen aus Wolfram besteht. Dadurch wird gewährleistet, dass er nicht schmälzen kann. Die Form des Fadens entspricht dabei der einer Glühwendel. Je nach Bauform der Glühwendel, kann die Temperatur zwischen 1500 und 300 ° Grad betragen.

Der entscheidende Nachteil der Glühlampen liegt in der abstrahlenden Wärme. Diese wird nur zu einem geringen Prozentsatz weitergeleitet. Der restliche Teil der aufgenommenen elektrischen Leistung, wird als Wärmestrahlung im Bereich des Infrarots abgestrahlt. Ein unbedeutender Rest der Leistung wird mit Konvektion an den Glaskolben und das Füllgas sowie weitere Drähte abgegeben. Die tatsächliche abgestrahlte Lichtleistung liegt im Endeffekt bei nur ca. 2,2 %. Die weiteren Bestandteile der Glühlampe sind ein Sockel, der über eine elektrische Stromzuführung verfügt und einem Glaskolben. Dieser schützt den Glühfaden und die Halterung vor äußerlichen Schäden.

Die Lichtausbeute liegt bei einer Glühlampe von 2700 K bei 12 IM/W. Die Lichtausbeute kann erhöht werden, in dem die Temperatur hochgefahren wird. Allerdings bedeutet dies im Endeffekt, dass die Lebensausdauer stark verkürzt wird. Die Glühlampe wurde bis zum Verbot in verschiedenen Wattbereichen produziert und verkauft.

Eine besondere Eigenschaft der Glühlampen liegt in dem abgebenden Licht. Bei Farbtemperaturen von 2300 K bis 2900 K wird ein Licht abgestrahlt, welches deutlich gelb-rötlicher als das natürliche Licht ist.

Als Vorteil der Glühlampe gilt zum einen, dass sie stufenlos dimmbar ist und zum andern zeigt die Glühlampe bei Einschaltung sofort die volle Helligkeit.

Die Glühlampe wurde bis zum Verbot für verschiedene Einsatzbereiche verwendet. So wurde sie unter anderem als Wärmestrahler oder Kaltleiter verwendet. Aber auch als Strahlungsquelle in Spektrometern wurde die Glühlampe gern verwendet. Nicht zu vergessen, dass sie viele Jahrzehnte in sämtlichen Haushalten eingesetzt wurde.

Hergestellt wurden die Glühlampen von AEG, Osram und Shelby.

Halogenlampe

Bei Verwendung eines Quarzglaskolbens und der Zugabe von Halogen Iod lassen sich Glühlampen entwickeln, die auch bei erhöhten Temperaturen zwischen 2800 K und 3100 K eine deutlich erhöhte Lebensdauer haben. Die Lebensdauer bei den sogenannten Halogenglühlampen liegt zwischen 2000 und 5000 Stunden und somit deutlich über der Dauer bei den normalen Glühlampen. Halogenlampen haben ein deutlich weißeres und verbessertes Licht und eine erhöhte Lichtausbeute.

Funktionsweise der Halogenlampe

Die Kombination von Iod und Restsauerstoff sorgt im Zusammenhang mit den verdampften Wolframatomen für eine Atmosphäre, die stabilisiert und zudem wolframhaltig ist. Dabei ist der Prozess umgekehrt und somit reversibel. Die Verbindung zerteilt sich dabei wieder in die ursprünglichen Elemente, sobald hohe Temperaturen erreicht werden. Hierbei schlagen die Wolframatome sich auf der Glühwendel nieder, wobei Temperaturdifferenzen nur eine unbedeutende Rolle für die Zersetzung einnehmen. Dabei ist die Theorie, dass sich Wolfram nur an überhitzten Bereichen der Glühwendel niederschlage, eindeutig falsch. Tatsächlich findet der Prozess der Kondensation von Atomen an den kältesten Stellen der Glühwendel statt. Hierbei entstehen sogenannte Whisker.

Bei einer Glastemperatur von mehr als 250 °C verhindert der Halogenzusatz den Niederschlag von Wolfram auf dem Glaskolben. Die nicht vorhandene Kolbenschwärzung sorgt dafür, dass der Glaskolben bei einer Halogenlampe äußerst kompakt und einfach produziert werden kann. Die Abdampfrate des Glühdrahtes wird vermindert und das kleine Volumen der Halogenlampe ermöglicht zudem einen bedeutend höheren Betriebsdruck, wodurch die Halogenlampen deutlich haltbarer sind. Ein weiterer Vorteil des kleinen Volumens ist die Ermöglichung der Reduktion von der Wärmeleitung. Dadurch wird die Befüllung zu geringeren Produktionskosten geschaffen. Für den Halogenprozess ist eine hohe Innenwandtemperatur des Glaskolbens nötig. Möglich macht dies der geringe Abstand des Kolbens zum Glühfaden in Kombination von Kieselglas. Um die Druckfestigkeit gegenüber Gasausdehnung zu gewährleisten, wird eine höhere Wandstärke benötigt. Dies liegt bei etwa 1 mm.

Neben den normalen Halogenlampen gibt es noch eine spezielle Form. Diese nennt sich IRC-Halogenlampe und sind mit einer speziellen Beschichtung des Glaskolbens ausgestattet. Diese Beschichtung sorgt für eine bessere Lichtausstrahlung und eine optimierte Wärmestrahlung auf die Glühwendel. Der Vorteil liegt darin, dass der Wärmeverlust vermindert und die Lichtausbeute folglich erhöht wird. In Kombination mit der Verwendung von Xenon wird der Energieverbrauch so um bis zu 30 % vermindert.

Es sollte in jedem Fall vermieden werden, den Kolben der Halogenlampe zu verunreinigen. Dies kann zu einer Erhöhung der Temperatur führen, wodurch der Glaskolben platzen kann. Aus diesem Grund empfiehlt es sich, die Halogenlampe lediglich mit fettlösenden Mitteln zu reinigen. Halogenlampen können nach Verwendung im Restmüll entsorgt werden.

Energiesparlampen

Bei Kompaktleuchtstofflampen handelt es sich um besonders kleine Lampen, die in der Umgangssprache vielerorts auch als Energiesparlampe bezeichnet werden. Dabei werden mit dem Begriff Energiesparlampe auch weitere energiesparende Leuchtmittel in Assoziation gebracht. Energiesparlampen werden auch als Kompaktleuchtstofflampe bezeichnet, weil die Lampen im gesamten Durchmesser deutlich kleiner und kürzer sind. Zudem werden die Lampen bei der Produktion gebogen, gewendelt und mehrfach gefaltet um für eine Platzeinsparung in der Unterbringung zu sorgen. Bei Energiesparlampen muss unterschieden werden, dass es Modelle mit und ohne integriertem Vorschaltgerät gibt. Lampen mit einem integrierten Vorschaltgerät besitzen in den meisten Fällen einen Schraubsockel. Diese Variation ist so konzipiert, dass sie als direkter Ersatz für Glühlampen verwendet werden können.

Dabei weisen Energiesparlampen eine verbesserte Umweltbilanz als Glüh- und Halogenlampen auf. Allerdings haben die Lampen das Nachsehen gegenüber LED-Lampen, die im Leistungstest doppelt so effektiv sind.

Es gibt einige bedeutende Unterschiede bei den Energiesparlampen untereinander. So unterscheiden sich diese in der Lichtqualität und der Schaltfestigkeit und auch in der Lebensdauer, sowie der Umweltverträglichkeit.

So sollte eine gute Energiesparlampe über eine Lichtausbeute zwischen 60 und 65 Im/W liegen. Damit ist die Lichtausbeute bei Energiesparlampen vier- fünfmal so hoch wie die Lichtausbeute bei klassischen Glühlampen. Dadurch verbrauchen Sie im Endeffekt bei gleichem Lichtstrom 75 bis % weniger elektrische Leistung.

Gegen die Verwendung von Energiesparlampen wird nur der Aspekt genannt, dass Sie ein kaltes Licht abgeben. Es gibt allerdings auch Lampen, deren Farbtemperatur bei 2700 K liegt und dadurch ein sehr angenehmes und warmes Licht ausstrahlen.

Die Lebensdauer der Kompaktleuchtstofflampen liegt zwischen 3000 und 15000 Stunden. Je nach Qualität der Lampe kann die Lebensdauer stark variieren, weshalb sich ein etwas höher Preis in der Anschaffung trotzdem lohnt. Die Anschaffungskosten kann man in der Regel durch die längere Lebensdauer wieder einsparen.

Neben der reinen Betriebsdauer ist noch ein zweiter Aspekt wichtig für die Lebensdauer einer Energiesparlampe, die sogenannte Schalthäufigkeit. Dabei gibt es zwei Arten der Kompaktleuchtstofflampen.

Die eine Variante sind die Sofortzündenden Modelle, die ohne jegliches Vorglühen gezündet werden. Bei dieser Variante verringert sich bei jedem Zündvorgang die Lebensdauer um eine gewisse Stundenzahl. Je nach Lampe kann die Stundenzahl zwischen 2 und 5 Stunden liegen. Bei der anderen Variante werden die Lampen mit einer gewissen Verzögerung vorgeheizt. Die Elektroden heizen sich zwischen 0,2 und 2 Sekunden vor und erst danach erfolgt die Zündung der Lampe. Laut diversen Herstellern wird ein Schaltzyklus von bis zu 600.000 versichert.

Bei vielen Kompaktleuchtstofflampen ist die temperaturabhängige Helligkeit ein sehr großer Nachteil. Je nachdem wie die Qualität der Lampe und die verwendete Technik ist, wird die optimale Helligkeit erst nach bis zu 4 Minuten erreicht. Während des Einschaltvorgangs liegt die Helligkeit zwischen 50 und % der Endhelligkeit.

Die Betriebstemperatur bei üblichen Kompaktleuchtstofflampen liegt bei 20 bis 30 °C. Liegt die Temperatur darüber, hat das Einfluss auf die Lichtausbeute und die Lebensdauer der Lampe. Ähnlich sieht es bei zu geringen Temperaturen aus. Aus diesem Grund sollte man auf die optimale Temperatur der Umgebung achten.

LED

Eine Leuchtdiode ist ein lichtemittierendes Bauelement, das zumeist als Halbleiter-Element produziert wird. Die Leuchtiode wird umgangssprachlich als LED bezeichnet und besitzt die elektrischen Eigenschaften einer Diode.

In den ersten 30 Jahren seit der Erfindung der LED im Jahr 1962, besaß die LED lediglich den Zweck der Leuchtanzeige sowie der Signalübertragung. Seit dem Ende der 90er-Jahre werden LED-Leuchtmittel im Alltag verwendet und gelten als Leuchtmittel der Zukunft.

Funktionsweise von LEDs

Dabei fließt durch die Diode elektrischer Strom und strahlt somit Licht aus. Der elektrische Strom fließt dabei in Durchlassrichtung und ist stark abhängig von dem gewählten Halbleitermaterial und der Dotierung. Auch die abhängige Wellenlänge spielt eine essentielle Rolle für die Lichtausstrahlung.

Die Leuchtdiode entspricht im Bereich des Aufbaus im Prinzip einer pn-Halbleiterdiode und auch die Grundeigenschaften sind dieselben. Der große Unterschied zwischen LEDs und einer pn-Halbleiterdiode liegt im verwendeten Halbleitermaterial. LEDs verwenden zumeist als Material eine Galliumverbindung, während eine nichtleuchtende Diode aus Silizium besteht.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Glüh-oder auch Halogenlampen sind Leuchtdioden keine Wärmestrahler, sondern emittieren das Licht in einem begrenzten Bereich. Dieser Bereich wird unter Fachleuten als Spektralbereich bezeichnet und bedeutetet, dass das Licht nahe monochromatisch ist.

Für den Einsatz von Leuchtdioden als Beleuchtungsmittel werden zumeist blaue Leuchtdioden mit speziellen Leuchtstoffen kombiniert. Eine besondere Eigenschaft ist dabei, dass sie ein breites Spektrum an Lichtanteilen besitzen.

Die Lebensdauer bei LEDs beträgt je nach Nutzung des Anwenders bis zu 100.000 Stunden. Dabei sinkt die Helligkeit im Laufe der Nutzung auf 70 % herab.

Derzeit beträgt die Lichtausbeute von LEDs bei ungefähr 160 Im/W. Diese soll in den nächsten Jahren einen Wert von ca. 200 Im/W erreichen.

Anschaffungskosten der verschiedenen Leuchtmittel

Um einen exakten Vergleich der Gesamtkosten aufzuzeigen, ist zunächst die Betrachtung der Anschaffungskosten notwendig. Ein Stromverbrauch kann noch so gering sein, wenn die möglichen Mehrkosten in der Anschaffung nicht ausgeglichen werden können.

Im Durchschnitt liegen die Leuchtmittel in den folgenden Preissegmenten:

• Glühlampe 1 Euro
• LED Lampe 10 – 40 Euro
• Energiesparlampe 5 – 15 Euro
• Halogenlampe 2 – 6 Euro

Setzt man in den Vergleich der Gesamtkosten nun die Anschaffungskosten mit ein, so ist die LED Lampe trotz des hohen Anschaffungskostenpreises die effektivste. Die Gründe hierfür liegen auf der Hand – Die LED benötigt einen sehr geringen Leistungsaufwand und die Lebensdauer ist höher als bei den anderen Lampen. Eine LED Lampe brennt beispielsweise 20.000 Stunden, das sind bei einer täglichen Nutzung von 8 Stunden knapp 10 Jahre. In diesem Zeitraum werden dagegen 10 Glühlampen verwendet, wodurch die LED schon die Differenz im Kaufpreis ausgleicht. Der geringere Stromverbrauch kommt zusätzlich hinzu. Im Vergleich der LED Lampen gegenüber der Halogenlampe und der Energiesparlampe sieht es ähnlich aus, sodass im Aspekt Anschaffungskosten die LED Lampe als Sieger hervorgeht.

Stromverbrauch und Stromkosten

Stromverbrauch von Glühlampe/Halogenlampe: Der Stromverbrauch ist bei Glühlampen am größten. Da sie meistens nicht einzeln brennen, können die Kosten weiter steigen. Eine 60W-Glühbirne verursacht in 8 Stunden Stromkosten in Höhe von 0,13 €.

Stromverbrauch von Energiesparlampen: Energiesparlampen haben viele Nachteile, aber in Puncto Einsparpotenzial sind diese Lampen im Vergleich zu den Anschaffungskosten am größten. So verbraucht eine Energiesparlampe mit 23W 0,052 € und liegt damit im Vergleich zu einer Glühbirne um 0,188 € besser dar.

Die effizienteste Form einer Lichtquelle stellt die LED-Lampe dar. Diese benötigt bei derselben Brenndauer 0,022€.

Unterschiede in der Haltbarkeit

Im Bereich der Haltbarkeit bzw. Lebensdauer gibt es gravierende Unterschiede der 4 Lampen. So bringt es die Glühlampe lediglich auf 1000 Stunden Brennzeit, was in etwa einem Jahr entspricht. Bei der Halogenlampe beträgt die Lebensdauer in etwa 2000 bis 4000 Stunden was 2 bis 4 Jahren entspricht. Die exakte Lebensdauer variiert je nach Hersteller. Energiesparlampen sind gegenüber den 2 genannten Lampen deutlich haltbarer und halten je nach Nutzung, bis zu 11 Jahre. Der Sieger im Bereich Haltbarkeit ist auch hier die LED Lampe, die je nach Hersteller zwischen 20 und 50 Jahren hält.

Verschiedene Lichtfarben sind nicht zu unterschätzen

Die Aussage die Lichtfarbe sei weiß, ist falsch. Bei der Lichtfarbe kommt es auf die Farbtemperatur an und in diesem Vergleich sieht es so aus, dass sowohl Glüh- als auch Halogenlampen am angenehmsten empfunden werden. Der Grund hierfür ist die Tatsache, dass diese wärmer erscheinen und das Lichtspektrum zudem einheitlicher ist. Im Vergleich ist die LED hierbei auf einem guten Weg und wird in Zukunft noch besser erscheinen. Bei LED Lampen kommt es auf die Kevin-Zahl an. Warme Lichtfarbe hat eine geringere Kelvinzahl als kaltes oder weißes Licht.

Generell unterscheidet sich die Stimmung einer LED von der Kelvinzahl. LED Lampen mit in etwa 2.800 K werden als warm-weiß bezeichnet. Mit warm ist das Farbspektrum im Übrigen gemeint. Bei einem warmen Farbspektrum überwiegt der Gelbanteil. LED Lampen die als warm bezeichnet werden, haben ihren Einsatzort zumeist in Wohnzimmern. In Badezimmer dagegen, werden häufig Lampen mit einer Kelvinzahl von 5.500 oder höher verwendet. Ein reines Weiß erhält man bei rund 7.000 Kelvin. Die letzte Stufe liegt bei etwa 10.000 Kelvin, wo die Farbtemperatur bläulich-weiß ist. Diese hohen Werte eignen sich ideal für den Außenbereich.

Komfort bei der Verwendung

Die Glühlampe ist eine der Lampen, die stufenlos dimmbar ist und sofort volle Helligkeit zeigt. Die Halogenlampe und auch die Energiesparlampe sind nicht dimmbar und brauchen ein wenig Einschaltzeit, bevor sie auf 100% der Helligkeit sind. LED-Lampen sind ebenfalls dimmbar und in der Helligkeit sind diese sehr schnell auf 100 % der verfügbaren Helligkeit.

Umweltaspekte

Aufgrund des Umweltaspektes kam es zum Verbot der klassischen Glühlampe, die über sehr schlechte Werte verfügte. Laut verschiedenen Messungen sieht es bei der Halogenlampe allerdings kaum besser aus, sodass in diesem Bereich die Wahl eher auf Energiesparlampen oder auf LED Lampen fällt. Diese beiden Modelle sind sowohl in der Herstellung, als auch in der Entsorgung deutlich besser und werden auf lange Sicht den Markt dominieren.

Ökologisch gesehen, ist die Glühbirne völlig zurecht verboten worden. Schuld daran sind der enorm hohe Stromverbrauch und das häufige Entsorgen bzw. Wechseln. Die Halogenlampe hat ebenfalls einen hohen Stromverbrauch und muss genauso oft wie die Glühlampe ausgetauscht werden. Die Energiesparlampe schneidet deutlich besser ab und weist einen geringeren Stromverbrauch auf. Allerdings ist auch diese Variante im Bereich der Produktion bzw. Entsorgung eher mittelmäßig und kommt nicht an den Sieger heran.

Der Sieger ist wie in so ziemlich jedem Testbereich die LED Lampe, die einen äußerst geringen Stromverbrauch aufweist und nur sehr selten gewechselt werden muss.

Zukunftsaussichten der verschiedenen Leuchtmittel

Laut einstimmigen Experten-Meinungen gelten Halogen-und auch Energiesparlampen nur als Übergangstechnologie, während LED Lampen die Zukunft gehören wird. LED Lampen bieten eine ganze Reihe von Vorteile, wo gegenüber nur der Anschaffungspreis bisher noch als Nachteil gilt, was sich in den kommenden Jahren ändern dürfte.

Die Glühbirne dagegen hat völlig ausgedient und wird EU-weit mittlerweile nicht mehr produziert und es herrscht sogar ein Verkaufsverbot. Wer von der bisherigen Glühlampe allerdings überzeugt war, muss nicht gänzlich verzichten. Die Halogenlampe ist eine Alternative und verfügen über eine gleichwertige Lichtqualität, bei 20 Prozent geringerem Stromverbrauch.

Der Handel bietet als weitere Alternativen zur klassischen Glühbirne, Energiesparlampen und LEDs an. So gehen Hersteller wie beispielsweise Osram davon aus, dass bereits im Jahre 2020 ein Drittel aller Lampen in den Haushalten LEDs sein werden. Dies wäre ein enormer Sprung und ein klares Zeichen für die LED Lampen.

Zum heutigen Zeitpunkt wandelt eine LED Lampe bereits genauso effizient Licht um, wie die Energiesparlampe. Dennoch gibt es zwischen den einzelnen Herstellern für LED Lampen große Unterschiede und eine Hürde dieser Modelle ist noch der Aspekt, dass die Anschaffungskosten zurzeit noch sehr hoch sind. Der Anschaffungspreis wird zwar im Laufe der Lebensdauer wieder hereingeholt, dennoch sind viele Menschen noch sehr skeptisch gegenüber LED Lampen.

Dabei ist das Potenzial der LED noch lange nicht ausgeschöpft und die Entwicklungen werden soweit laufen, dass die LEDs einerseits deutlich haltbarer und qualitativ besser werden, andererseits wird der Preis mit der Zeit senken. Grund hierfür wird der Markt sein, der von Jahr zu Jahr größer wird.