Technik

Nachdem ich in verschiedenen Artikeln auf dieser Homepage darüber berichtet habe, was Licht eigentlich ist und auch etwas über die wichtigsten lichttechnischen Begriffe informiert habe, möchte ich im Folgenden auf die verschiedenen Lichtquellen eingehen, die uns als Aquarianer und Terrarianer zur Verfügung stehen. Dabei gehe ich mit Absicht den Fragen nach der „besten Beleuchtung“ aus dem Weg und beschränke mich hier auf die physikalischen Grundlagen der einzelnen Lichtquellen.

 

Vorab möchte ich hier gleich zwei Begriffe klären: Lampe und Leuchte.

Lampe ist immer das Ding, das leuchtet, also z.B. die Birne (Glühlampe). An der Lampe befinden sich ein oder zwei Sockel für die Stromzuführung.

Der Beleuchtungskörper, in den die Lampe eingesetzt wird, ist die Leuchte. Sie enthält die Fassung/en, welche den/die Sockel aufnimmt.

Wie allgemein bekannt sein dürfte, ist unsere größte natürliche Lichtquelle, die Sonne, als Lichtspender für unser Aquarium verpönt (Algenbildung usw.).

Auch andere natürliche Lichtquellen, wie etwa das Feuer oder Kerzen, scheiden aus. Also wenden wir uns künstlichen Lichtquellen zu.

Spectrale Strahlungsverteilung von Tageslicht




Ich möchte den Versuch machen, Ihnen die folgenden Lichtquellen in ihrer physikalischen Funktion etwas näher zu bringen:

1. Glühlampen
2. Leuchtstofflampen
3. Niedervolt-Halogenlampen
4. Quecksilberdampflampen
5. Halogen-Metalldampflampen


Allerdings muss ich noch vorausschicken, dass die hier verwendeten Bezeichnungen die neutralen Namen für die Lampen sind. Die vielfach in der Umgangssprache verwendeten Bezeichnungen (z.B. HQL für Quecksilberdampflampen, HQI für Halogen-Metalldampflampen) sind geschützte Bezeichnungen (hier der Firma Osram)..

1. Glühlampen
Heinrich Goebel (1818-1893), ein Uhrmacher und Optiker aus Springe am Deister erfand 1854, 25 Jahre vor Edison, die erste brauchbare elektrische Glühlampe. Es war eine batteriegespeiste Glühlampe mit verkohlten Bambusfasern als Glühfaden.


Im Gegensatz zur allgemeinen Überzeugung ist nicht der Amerikaner Th. A. Edison, sondern Goebel der eigentliche Erfinder der Glühlampe. Dies wurde ihm kurz vor seinem Tod auch noch einmal von einem amerikanischen Patentgericht bestätigt. Edison hat 1879 die Glühlampe verbessert.

Seit ihrer Erfindung hat sich die Glühlampe nicht wesentlich verändert. Sie besteht aus einem luftleer gepumpten Glaskolben, in den ein Glühdraht eingebracht ist. Schickt man einen genügend hohen elektrischen Strom durch diesen Draht, so beginnt er zu glühen. An der Luft würde der Draht sofort mit Sauerstoff reagieren (oxydieren) und dadurch zerstört werden. Der Glaskolben wird heute mit Argon und Stickstoff, auch mit Krypton gefüllt; dadurch wird das Verdampfen des Glühfadens unterbunden. Durch ein sauerstoffzehrendes Mittel (Getter) werden die restlichen schädlichen Sauerstoffreste gebunden.

Als Glühdraht verwendet man heute Wolfram, das sich durch einen sehr hohen Schmelzpunkt von 3410 °C auszeichnet. Das ist der höchste Schmelzpunkt aller Metalle. Einen Glühfaden mit höherer Leuchtdichte stellt die Wendel bzw. Doppelwendel, d.h. der schraubenförmig gewickelte Glühfaden dar.

Durch den Ausschluss von Luft verhindert man zwar das Verbrennen der Wendel, aber zwei Nachteile bleiben bestehen: Durch die hohe Temperatur der Wendel (ca. 2400 °C) lösen sich immer wieder einzelne Atome aus dem Glühdraht und schlagen sich als Belag auf der Innenseite des Glaskolbens nieder. Das führt einerseits zu einer Schwächung der Wendel, die dadurch früher durchbrennt, andererseits aber auch zu einer Minderung der Lichtabgabe. Beides ist natürlich unerwünscht. Man kann dem abhelfen, indem man den Glaskolben mit Gas (Krypton) füllt. Damit behindert man das Herauslösen der Atome aus der Wendel und erreicht nicht nur eine höhere Lebensdauer, sondern kann diese Wendel auch stärker erhitzen, d.h. man erzielt eine höhere Lichtausbeute.

Die Lichtausbeute einer normalen Glühlampe von 100 Watt liegt etwa bei 13,8 lm/W, während eine Kryptonlampe etwa 15 lm/W erzielt. Glühlampen werden nach ihrer Leistungsaufnahme bezeichnet, die etwa zwischen 2 Watt (Taschenlampe) und 2500 Watt (Scheinwerfer) liegt.

Das Sonnenlicht liegt im Mittel bei einer Farbtemperatur von 5800 K. Glühlampenlicht dagegen bei 2700 K, d.h. es erscheint uns als sehr rotanteilig. Das ist aber nicht der einzige Nachteil des Glühlampenlichts. Da die Glühlampe etwa 95 % ihrer aufgenommenen Energie in Wärme umwandelt, eignet sie sich eigentlich besser zur Heizung des Wohnzimmers als zur Beleuchtung des Aquariums. Ihr schlechter Wirkungsgrad ist auch der Grund dafür, dass die Glühlampe heute für die Aquarienbeleuchtung so gut wie keine Rolle mehr spielt.


Spectrale Strahlungsverteilung von Tageslicht



2. Leuchtstofflampen
Leuchtstofflampen sind Niederdruck-Entladungslampen.

Sie besitzen keinen Glühfaden im Sinne der Glühlampe. Leuchtstofflampen bestehen aus einem luftleeren, gasgefüllten Glasrohr, an dessen Enden zwei Elektroden als Stromzuführung eingeschmolzen sind.


Luft und die meisten Gase sind unter normalen Bedingungen ein sehr guter Isolator. Ein kleiner Teil von Luftmolekülen ist jedoch in der Lage, elektrischen Strom zu leiten. Diesen Stromfluss ermöglichen Ionen und freie Elektronen, die in sehr geringen Mengen in diesen Gasen (auch die Luft ist ein Gas) enthalten sind. Diese positiv und negativ geladenen Teilchen werden von Drähten entgegengesetzter Ladung angezogen, doch ist der somit mögliche Stromfluss nur sehr gering. In einer mit Luft gefüllten Glasröhre, an deren Drähte man eine sehr hohe elektrische Spannung anlegt, würde die Luft als Isolator wirken. Die in der Röhre enthaltenen Moleküle sind so dicht gepackt und haben so wenig Bewegungsfreiheit, dass die geladenen Teilchen zwar von ihrem Gegenpotential angezogen werden, aber durch die dichte Packung der Luftmoleküle keine große Geschwindigkeit erreichen können.

Wenn man aber aus der Röhre den größten Teil der Luft absaugt, wird die verbleibende Luft plötzlich zum Leiter. Die elektrischen Teilchen haben dann mehr Spielraum zwischen den Luftmolekülen und erreichen auf ihrem Weg bis zum nächsten Zusammenstoß mit einem Luftmolekül eine wesentlich höhere Geschwindigkeit. Diese hohe Geschwindigkeit ermöglicht es sogar, einem anderen Atom ein Elektron abzuschlagen. Man nennt diesen Vorgang Ionisation.

Durch die Ionisation entstehen in der Entladungslampe immer mehr geladene Teilchen, die ihrerseits wiederum weitere Elektronen und Ionen losschlagen. Es fließt also plötzlich ein elektrischer Strom. Seine Stromstärke nimmt dabei schlagartig zu und muss durch technische Maßnahmen (Vorschaltgerät) begrenzt werden, damit die Röhre nicht zerstört wird.

Ersetzt man die Luft durch ein Gas oder Gasgemisch, so lässt sich nach diesem Prinzip sichtbares Licht erzeugen. Nutzbares Licht entsteht nämlich dann, wenn die Energie des Zusammenpralls nicht ausreicht, ein Elektron fortzureißen, sondern es nur auf ein höheres Energieniveau zu heben. Die meisten Leuchtstofflampen enthalten als Grundfüllung ein Edelgas, meist Neon (daher die Bezeichnung „Neonlampe“).

Alle Entladungslampen haben eine Gemeinsamkeit: Sie sind keine Temperaturstrahler, wie die Glühlampen. Deshalb besitzen sie auch kein kontinuierliches Spektrum wie diese. Ihr Licht besteht aus wenigen Spektrallinien. Der große Vorteil gegenüber Glühlampen ist also ihr wesentlich besserer Leistungsfaktor, da sie nur einen geringen Teil ihrer aufgenommenen Energie als Wärme abstrahlen. Die Lichtausbeute beträgt im Schnitt zwischen 30 und 60 lm/W, in manchen Fällen aber auch bis über 90 lm/W.

Dem Edelgas der Leuchtstofflampe ist eine geringe Menge von Quecksilber beigegeben (daher die Forderung nach einer Entsorgung als Sondermüll!). Nach dem Start erwärmt sich die Lampe etwas und das Quecksilber mit einem Siedepunkt von 27°C verdampft. Wird das Quecksilber ebenfalls zum Leuchten angeregt, sendet es neben etwas grünem und blauem Licht sehr viel ultraviolettes Licht aus. Dieses UV-Licht mit der wichtigsten Wellenlänge von 254 nm bietet ganz besondere Möglichkeiten.

Auf der Innenseite der Lampe ist ein Belag ausgewählter Fluoreszenzstoffe aufgebracht. Diese Farbstoffmischung wandelt das UV-Licht in sichtbares Licht um. Je nach Mischung lassen sich so die verschiedensten Farbtöne erzielen.

Wie bereits erwähnt, muss der Anstieg des Elektronenflusses in der Leuchtstofflampe mit technischen Mitteln begrenzt werden. Hierzu dienen Vorschaltgeräte. Das Vorschaltgerät hat die Aufgabe, zunächst das Vorheizen der Leuchtstofflampe zu ermöglichen und eine für den Startvorgang notwendige erhöhte Zündspannung zu liefern. Bei laufendem Betrieb der Lampe sorgt das Vorschaltgerät für die Begrenzung des Betriebsstromes auf eine für die Lampe ungefährliche Größe.

Um das Startverhalten einer Leuchtstofflampe zu verbessern, sind an den Enden der Röhre Elektroden eingelassen, die wie die Glühdrähte einer Glühlampe aussehen. Wird der Strom eingeschaltet, hat im Innern des Starters eine Glimmentladung das Schließen eines Bimetallstreifens zur Folge.

Das bewirkt zunächst einen relativ großen Stromfluss durch das Vorschaltgerät (Drossel). Hierdurch werden die Glühdrähte aufgeheizt, es werden Elektronen freigesetzt und ggf. Quecksilber verdampft. Nach kurzer Zeit hat sich das Bimetall des Starters wieder abgekühlt und der Schalter öffnet sich. Das in der Drosselspule entstandene Magnetfeld bricht zusammen und erzeugt durch Induktion einen Stromstoß, der die Lampe zündet. Der Stromkreis schließt sich nun über das leitende Gas. Wenn die Lampe gezündet hat, begrenzt die Drosselspule die Betriebsspannung auf etwa 100 V. Diese Spannung liegt unter der Ansprechspannung des Starters, der bis zum nächsten Start ruht.

Konventionelle Vorschaltgeräte (Drosselspulen) haben den Nachteil, dass sie einen Stroboskopeffekt der Leuchtstofflampe erzeugen. Unser Lichtnetz arbeitet mit einer Frequenz von 50 Hertz (Hz), d.h., der Wechselstrom ändert hundertmal in der Sekunde seine Richtung. Die Stromstärke geht dabei durch den Nullpunkt. Die Leuchtstofflampe erlischt bei jedem Nulldurchgang. In jeder Sekunde ist die Lampe also hundertmal an und genau so oft aus. Normalerweise ist unser Auge zu träge, um diese Vorgänge wahrzunehmen. Aber auch wenn man diesen Effekt nicht wahrnimmt, führt dieses Flackern auf die Dauer zur Ermüdung der Augen. (Bei Glühlampen entsteht dieser Effekt nicht, weil der Glühfaden in so kurzen Zeit nicht abkühlen kann).

Gegen den störenden Stroboskopeffekt gibt es elektronische Vorschaltgeräte. Sie arbeiten mit einer wesentlich höheren Frequenz, z.B. mit 30 000 Hz. Elektronische Vorschaltgeräte haben außerdem den Vorteil, dass sie einen flackerfreien Start ermöglichen, den Stromverbrauch um ca. 20-25% senken und mit geeigneten Zusatzgeräten sogar ein Dimmen der Leuchtstofflampe ermöglichen.

Eine preiswertere Möglichkeit zur Senkung des Stroboskopeffektes, der viel zu wenig ausgenutzt wird, soll hier nicht unerwähnt bleiben: Die sogenannte Duo-Schaltung. Dabei werden zwei Lampen so geschaltet, dass sie phasenversetzt flackern. Das Flackern verdoppelt sich dann auf 200 Hz. Erreicht wird das durch die Kombination von Drosselspule in einem und Kondensator im anderen Vorschaltgerät. Der Helligkeitsverlauf des Lichtes ist wesentlich gleichmäßiger und weist keine Dunkelphase mehr auf im Gegensatz zu einer einzelnen Leuchtstofflampe.

Kurz noch ein Wort zur Sicherheit bei Glühlampen. Glühlampen haben im Sockel eine Sicherung eingebaut, die bei einem Defekt der Glühwendel verhindert, dass sich ein Lichtbogen bildet. Der würde durch seine starke Wärmebildung im Glaskolben einen sehr hohen Druck aufbauen, der das Glas zerspringen ließe.

Spectrale Strahlungsverteilung von L-Lampen

 

 



3. Niedervolt-Halogenlampen
Niedervolt-Halogenlampen sind eigentlich ganz normale Glühlampen. Sie unterscheiden sich jedoch von diesen durch eine besondere Gasfüllung.


Dieses Füllgas besteht, wie der Name schon sagt, aus einem Halogen. Zu den Halogenen gehören die Elemente Fluor, Chlor, Brom. Jod und Astat.

Als Füllgas für Lampen findet am häufigsten Brom Verwendung.

Dieses Brom bildet die Grundlage für einen Kreislaufprozess in der Glühlampe. Als Gas liegt es in Form von Molekülen, bestehend aus jeweils zwei Bromatomen vor. Auch in dieser Glühlampe werden Wolframatome aus der Glühwendel abgespalten. Kommt ein solches Wolframatom in die Nähe des Glaskolbens, der mit etwa 1400 °C kälter ist als die Glühwendel, so verbindet es sich sofort mit drei Brommolekülen zu Wolframbromid. Das gasförmige Wolframbromid schlägt sich aber nicht am Glaskolben nieder. Da das Füllgas zwischen der heißen Glühwendel und der kälteren Kolbenwand zirkuliert, kommt auch das Wolframbromid wieder in die Nähe der Wendel. Durch die dort herrschende enorme Temperatur zerfällt es in seine Bestandteile und das Brom setzt sich wieder auf der Glühwendel ab. Damit ist das Brom wieder frei für einen neuen Zyklus. Diese Vorgänge werden unterstützt durch einen sehr hohen Druck, der ungefähr 20 bar beträgt.
Der hohe Innendruck sowie der aufgezeigte Kreislaufprozess erlauben eine wesentlich höhere Temperatur der Wendel, nämlich ungefähr 3000 °C. Die Folge ist ein wesentlich weißeres Licht vom etwa 3300 K, das allerdings noch einen sehr hohen Rotanteil besitzt. Auch die Lichtausbeute der Niedervolt-Halogenlampe ist mit etwa 20 lm/W günstiger als die der Glühlampe. Aber auch sie setzt nur etwa 15% ihrer aufgenommenen Energie in Licht um. Der Rest geht als Wärmestrahlung verloren.

Da Wolframchlorid unterhalb einer Temperatur von 250 °C in den flüssigen Zustand übergeht, ist es notwendig, den Glaskolben sehr klein zu halten. Das hat aber zur Folge, dass das Glas sehr heiß wird, bis zu 600 °C. Deshalb sollte man diese Lampen nie mit bloßen Fingern anfassen. Das auf den Glaskolben übertretende Fett der Haut kann bei dieser enorm hohen Temperatur zum Einbrennen in das Glas und damit zu Schäden an der Lampe führen. Niedervolt-Halogenlampen stehen in den verschiedensten Ausführungen bezüglich Betriebsspannung und Abstrahlwinkel des Lichtes zur Verfügung. Als Effektbeleuchtung können sie ohne weiteres auch in der Aquaristik und Terraristik eingesetzt werden. Bei der Herstellung von Halogenglühlampen werden Sicherheitsvorkehrungen getroffen, die vor splitterndem Glas und vor UV-Strahlen schützen. Vor splitterndem Glas kann man sich schützen, indem man eine Scheibe vor der Leuchte anbringt. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung der sogenannten Niederdrucktechnik, die den Druck innerhalb des kleinen Glaskolbens reduziert. Das führt aber leider auch zu einer geringeren Lebensdauer der Lampe.

Halogenlicht strahlt höhere Anteile ultravioletten Lichtes aus, als herkömmliche Glühlampen. Zum Schutz bieten sich zwei Möglichkeiten an. Eine Frontscheibe (wie oben) filtert Teile des UV-Lichtes heraus, kann aber keinen vollkommenen Schutz bieten. Einen besseren Schutz bietet ein spezielles Glas des Kolbens, das die UV-Strahlen herausfiltert. Lampen dieser Art tragen z.B. die Zusatzbezeichnung „UV-Stop“.


4. Quecksilberdampf-Hochdrucklampen
(Bezeichnungen: Osram HQL, Philips HPL, Radium HRL, Sylvania: HSL).Die Quecksilberdampf-Hochdrucklampe stellt gewissermaßen das Gegenstück zur Leuchtstofflampe dar. Im Brenner dieser Lampe herrscht ein Gasdruck bis zum 9fachen des normalen Luftdrucks.


Durch diesen hohen Fülldruck verschieben sich die Strahlungsanteile des Quecksilbers mehr in den sichtbaren Bereich des Spektrums. Durch Fluoreszenzfarben wird jedoch der Rotanteil des Lichtes verstärkt.

Quecksilberdampf-Hochdrucklampen werden mit Netzspannung gestartet und benötigen zur Begrenzung des Betriebsstromes nur ein Vorschaltgerät in Form einer Drosselspule. Für unsere Zwecke verwenden wir Quecksilberdampf-Hochdrucklampen in den Leistungsstufen 80 W und 125 W. In den meisten Fällen sind die Vorschaltgeräte auf diese beiden Leistungsstufen umschaltbar. Die Quecksilberdampf-Hochdrucklampe erreicht eine Lichtausbeute von etwa 40-60 lm/W.

Wenn man eine Leuchte mit umschaltbarem Vorschaltgerät 80/125 W verwendet, sollte man darauf achten, dass die Einstellung des Vorschaltgerätes mit der verwendeten Lampe übereinstimmt. Mit einer falschen Einstellung des Vorschaltgerätes (z.B. Vorschaltgerät 80 W, Lampe 125 W) lässt sich nämlich kein Strom sparen, sondern man verschlechtert dadurch den Wirkungsgrad der Lampe (d.h. verringert die Lichtausbeute) und verkürzt ihre Lebensdauer. Die mittlere Lebensdauer liegt bei ca. 9000 Stunden. Bei der Hälfte dieser Zeit liegt der Lichtstromverlust etwa bei 10%.

Aus Sicherheitsgründen ist der eigentliche Brenner innerhalb eines zweiten Glaskolbens untergebracht. Lampen, deren äußerer Kolben beschädigt ist, dürfen auf keinen Fall weiterbenutzt werden!

Nach dem gleichen Prinzip wie die Quecksilberdampf-Hochdrucklampe arbeitet die sogenannte Mischlichtlampe. Wie der Name schon sagt, handelt es sich hier um eine kombinierte Entladungslampe mit einer Glühwendel. Sie benötigt kein Vorschaltgerät, erreicht aber nur eine Lichtausbeute von 11-30 lm/W, der Rest wird durch die Glühwendel in Wärme umgewandelt.


Spectrale Strahlungsverteilung von HQL-Lampen

 

 

 



5. Halogen-Metalldampflampen
(Bezeichnungen: Osram HQI, Philips HPI, Radium HRI, Sylvania: HSI). Auch wenn diese Lampen Halogene enthalten, unterscheiden sie sich doch erheblich von den Niedervolt-Halogenlampen. Im Prinzip sind es Quecksilberdampflampen mit einer weiterentwickelten Füllung.


Zusätzlich zum Quecksilber enthalten sie nämlich einen "Cocktail" der verschiedensten Halogen-Metallverbindungen und Metalle. Diese Zusätze gehören zur Gruppe der sogenannten "seltenen Erden". Das Ergebnis ist ein Licht, das sehr weiß wirkt und eine hochwertige Farbwiedergabe gestattet. Das ebenfalls erzeugte UV-Licht wird entweder mit Fluoreszenzfarben umgewandelt oder mit einer Filterscheibe entfernt.

Zum Starten der Lampe braucht man eine sehr hohe Spannung, so dass neben einem Vorschaltgerät zur Strombegrenzung auch ein Zündgerät erforderlich ist. Bei Halogen- Metalldampflampen ist auf die genaue Lage des Brenners zu achten (meist waagerecht mit einer erlaubten Abweichung von 15-20°). Werden diese Herstellerangaben nicht eingehalten, kann es im Brennraum zu einer Entmischung der Füllstoffe kommen, was eine Veränderung des Spektrums mit sich bringt. Die Lampen sind im Betrieb sehr sparsam. Die kleinsten Lampen von 75 W erzeugen schon einen Lichtstrom, der dem von fünf 100-W-Glühlampen entspricht. Eine 150-W-Lampe erzeugt einen Lichtstrom von 11.250 lm, was mehr als elf 100-W-Glühlampen entspricht. Die Lichtausbeute liegt bei 70-90 lm/W.


Spectrale Strahlungsverteilung von HQI-Lampen

 

 



Sicherheit
Abschließend möchte ich noch auf einige Sicherheitsaspekte, speziell von Aquarienleuchten hinweisen. Die VDE-Vorschrift 0710 Teil 12/5.81 unterscheidet folgende Leuchten:


1. Aquarienleuchten, das sind Leuchten, die auf das Aquarium gelegt werden oder darauf befestigt sind. Sie sind unterteilt in zwei Gruppen:
1.1 Unabhängige Aquarienleuchten, die als Bauteil auf dem Aquarium liegen. Sie müssen in der Schutzart "Wasserdicht“ gebaut sein.
1.2 Abhängige Aquarienleuchten, die mit dem Aquarium eine Einheit bilden, d.h. nicht von diesem getrennt werden kann. Diese Leuchten dürfen in der Schutzklasse "Spritzwassergeschützt“ gebaut sein.

2. Leuchten zur Beleuchtung von Aquarien. Bei der Montage ist ein Mindestabstand von 20 cm zum Aquarium einzuhalten. Schutzklasse mindestens "Spritzwassergeschützt“.

3. Andere Leuchten, sie sind auch für andere Anwendungen gebaut. Mindestabstand zur Wasseroberfläche 50 cm.

4. Terrarienleuchten zur Beleuchtung von Terrarien.

Auch auf diese Vorschriften sollte man beim Kauf seiner Aquarien-/Terrarienbeleuchtung ein Auge haben, ganz zu schweigen vom Selbstbau.


Dieter Friedrich