mini|hochkant=1.6|Edelgase Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon in Gasentladungsröhren mini|hochkant=1.6|Wasserstoff, Deuterium, Stickstoff, Sauerstoff und Quecksilber in Gasentladungsröhren
Die Gasentladungsröhre – manchmal auch nur Entladungsröhre genannt – ist eine Anordnung von Kathode und Anode innerhalb einer gasgefüllten Glasröhre, in der es bei Anlegen einer bauartspezifischen Mindestspannung zu einer Gasentladung mit Aussendung von Licht kommt. Der physikalische Wirkungsmechanismus der Lichtaussendung nach äußerer Anregung wird als Lumineszenz bezeichnet, die technische Weiterentwicklung zu Lichtquellen im Allgemeinen als Gasentladungslampe.
Geschichte Im 19. Jahrhundert entwickelte und baute Heinrich Geißler die nach ihm benannten Geißler’schen Röhren. Sie zeigen je nach Gasfüllung verschiedene spektrale Zusammensetzungen des emittierten Lichtes. Mit ihnen kann der druckabhängige Durchmesser und die Struktur der Gasentladung gut beobachtet werden.
Philipp Lenard experimentierte mit Entladungsröhren und trug damit wesentlich zur Weiterentwicklung der Atomphysik bei. Bei seinen Versuchen schloss er an der kolbenförmig aufgebauten Entladungsröhre eine Vakuumpumpe an, welche den Luftdruck in der Röhre stark reduziert. An der Seite der Röhre befand sich ein so genanntes Lenard-Fenster, welches aus einer Aluminium-Folie bestand (rund 0,5 Mikrometer dick). Dieses ist dick genug, um dem Druckunterschied standzuhalten, lässt aber dennoch Kathodenstrahlen (Elektronen) passieren, welche somit einer Untersuchung außerhalb der Röhre zugänglich sind. Dazu befand sich neben dem Fenster zum Beispiel ein Fluoreszenzschirm.
Aufbau mini|hochkant=1.6|Entladungsgefäß einer Quecksilberdampf-Hochdrucklampe (NARVA NF80, 80 Watt); Schutzglaskolben entfernt (siehe auch: Gesamtansicht mit Schutzglaskolben) Gasentladungsröhren bestehen aus einem annähernd röhrenförmigen Entladungsgefäß aus Glas (Niederdrucklampen), aus Quarzglas (Hoch- und Höchstdrucklampen) oder aus Aluminiumoxid-Keramik (Hochdrucklampen). Im Gehäuse befinden sich zwei Elektroden, zwischen denen ein elektrisches Feld aufgebaut wird und eine Gasentladung stattfindet. Die elektrischen Anschlüsse werden durch einen Quetschfuß gasdicht nach außen geführt. Die Elektroden können „kalt“ oder glühend sein.
Alle Gasentladungslampen außer Blitzlampen benötigen zum Betrieb eine Strombegrenzung, da ansonsten die Ladungsträgerdichte und der Strom aufgrund der Stoßionisation schnell ansteigen, was bei Überspannungsableitern und Nulloden gewünscht ist, bei Lampen jedoch zu deren Zerstörung führt (siehe Kennlinie). Die Strombegrenzung wird durch einen Widerstand (Glimmlampen), eine Drossel oder ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG, engl. ballast) erreicht.
Blitzlampen arbeiten dagegen oft ohne Strombegrenzung aus einem Speicherkondensator. Der mittlere Leistungsumsatz ist dennoch durch die im Kondensator gespeicherte Energiemenge und die Blitzfrequenz begrenzt. Blitzlampen sind meistens mit Xenon (zum Pumpen von Festkörperlasern auch mit Krypton) gefüllt und erzeugen innerhalb etwa 0,1 bis 5 Millisekunden sehr hohe Lichtleistungen tageslichtähnlicher Qualität.
Es gibt Bauformen mit geheizten oder mit ungeheizten (kalten) Elektroden. Weiterhin gibt es auch Gasentladungsröhren ohne Elektroden, wie Nulloden und Mikrowellenlampen (etwa die Schwefellampe). Neuerdings gibt es auch elektrodenlose Energiesparlampen, die mit Hochfrequenz arbeiten.
Füllung mini|Niederdruckentladungslampen (Spektrallampen)(Neon, Quecksilber, Natrium) mit Spektren Der Entladungskolben ist grundlegend mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllt, kann aber auch Stoffe enthalten, die erst zu einem späteren Zeitpunkt durch Verdampfung aktiv werden.
Bei Zimmertemperatur weisen diese Gase im Kolben einen geringen Druck auf, der die Zündung der Entladung durch Stoßionisation und damit die Erzeugung des Plasmas begünstigt. Die Füllung mit Gasgemischen bestimmt gewisse Eigenschaften der Entladung oder dient alleine dem Zweck, genügend Wärme zur Verdampfung des für das eigentliche Plasma gedachten Stoffes zur Verfügung zu stellen. Durch die entstehenden Temperaturen wird ein im Kolben befindlicher Vorrat des plasmabildenden Materials verdampft und erhöht somit den Druck im Entladungsraum.
Bei den plasmabildenden Stoffen handelt es sich um Metalle, bzw. deren Dämpfe (Natrium, Quecksilber, siehe auch Metalldampflampe), wobei zur Zündung immer auch Edelgase enthalten sind, oder reine Edelgase (Xenon, Krypton, Neon) oder Gemische aus Halogenen und Metallen (Halogenmetalldampflampe). Spektrallampen verwenden auch andere Gase.
Hochdruck-Gasentladungslampen werden auch als HID-Lampen bezeichnet (von ); Strom- und Leuchtdichte sind hier wesentlich höher als bei Niederdruck-Plasmen, die Entladung arbeitet im Bereich eines Lichtbogens bzw. einer Bogenentladung.
Kategorisierung mini|Strom-Spannungs-Kennlinie einer Gasentladung (Zahlen siehe Text)Ein wesentliches Unterscheidungskriterium der Gasentladungsröhren ist der Druck im Entladungsgefäß bzw. dem Brenner. Man unterscheidet: Niederdruck-Entladungslampen (Niederdruck-Plasma, Glimmentladung, beispielsweise Leuchtröhren, Leuchtstofflampen, Neonröhren), Mitteldruck-Entladungslampe (überwiegend Mitteldruck-Quecksilberdampflampen zur Desinfektion oder UV-Aushärtung von Lacken, Harzen u. ä.) Hochdruck-Entladungslampen (Drücke bis etwa 1 MPa, beispielsweise Quecksilberdampflampen, Krypton-Bogenlampen zur Laser-Anregung), Höchstdruck-Lampen (Drücke bis etwa 10 MPa, beispielsweise Quecksilberdampf-Höchstdrucklampen in der Fotolithografie, Xenon-Kurzbogenlampen zu Projektionszwecken).
Die typische Strom-Spannungs-Kennlinie einer Hochdruck Gasentladung (rechts) steht in engem Zusammenhang mit den Leuchterscheinungen. Im Bereich der unselbstständigen Entladung (1) fließt ein kleiner Strom (Zündung; Bruchteile einer Sekunde). Bei (2) setzt die Glimmentladung ein (Beginn der Entladung; Sekundenbruchteile). Die zur Aufrechterhaltung der Glimmentladung notwendige Betriebsspannung ist niedriger als die Zündspannung. Eine Steigerung des Stromes führt bei (3) zur Lichtbogenentladung. Sie zeichnet sich durch niedrige Betriebsspannung und hohen Strom bzw. hohe Stromdichte aus; die Elektroden beginnen zu glühen.
In der Umgebung der gestrichelten Übergänge im nebenstehenden Bild wirken alle Gasentladungslampen wie negative differentielle Widerstände. Bei steigender Spannung sinkt die Stromstärke beziehungsweise die Stromstärke steigt bei sinkender Spannung. Um den Strom zu begrenzen, müssen Gasentladungslampen stets mit einem Vorwiderstand betrieben werden. Bei hohen Leistungen und Speisung mit Wechselstrom verwendet man meist Vorschaltdrosseln, um die Wärmeentwicklung gering zu halten.
Ein negativer differentieller Widerstand kann zum Anregen (Entdämpfen) von Schwingkreisen im Lichtbogensender oder zur Erzeugung von Kippschwingungen verwendet werden.
Niederdruckentladungslampen Besonderheiten mini|Hell- und Dunkelräume einer Niederdruck-Gasentladung mit kalten Kathoden. Unten: SpannungsverteilungDie Niederdruckentladungslampe zeichnet sich dadurch aus, dass die Elektronen- und Gastemperatur kaum gekoppelt sind. Es herrscht kein thermisches Gleichgewicht. Die Entladungsform wird auch als Glimmentladung bezeichnet. Eine typische Anwendung ist die Leuchtstofflampe, die eine Sonderform der Quecksilberdampflampe darstellt.
In einem teilevakuierten Glasrohr bildet sich an gegenüberliegenden Elektroden bei ausreichend hoher Spannung (Brennspannung etwa einhundert bis mehrere 100 V) eine Glimmentladung aus. In der Nähe der Kathode (−) tritt das negative Glimmlicht auf, in der Mitte bis zur Anode (+) die sogenannte positive Säule.
Niederdrucklampen arbeiten mit kalten Elektroden (Kaltkathoden-Leuchtröhre, Neonröhren, Glimmlampen) oder mit direkt beheizten Glühkathoden (Heißkathoden-Leuchtstofflampe und Niederdruck-Natriumdampflampen). Die Glühkathoden werden vor dem Zünden meistens beheizt und behalten anschließend ihre Temperatur von selbst durch Rückheizung.
Wenn die Elektroden unterschiedlich starkes Vermögen der Emission von Elektronen haben, kann eine Niederdruckentladungsröhre auch zur Gleichrichtung verwendet werden, was beim Quecksilberdampfgleichrichter ausgenutzt wurde.
Beispiele Überspannungsschutz mini|Gasgefüllte Überspannungsableiter, Durchmesser etwa 8 mm Gasgefüllte Überspannungsableiter isolieren, solange die Spannung unterhalb ihrer Zündspannung bleibt, und stören nicht wegen ihrer geringen Kapazität von nur etwa 2 pF. Wird die Zündspannung überschritten, fällt der Widerstand innerhalb von Mikrosekunden auf sehr geringe Werte, wobei Stromspitzen bis zu 20.000 A abgeleitet werden können. Bleibt der Strom bestehen, werden sie thermisch überlastet. Daher wird üblicherweise eine Überstromschutzeinrichtung (z. B. Schmelzsicherung) vorgesehen, die durch den abgeleiteten Strom anspricht.
Glimmlampen
Die Glimmlampe nutzt die Glimmentladung und dient meist zu Signalisierungsszwecken in verschiedenen Anwendungen. Das Glimmlicht entsteht an der Kathode, bei Betrieb mit Wechselspannung leuchten abwechselnd beide Elektroden. Da Glimmlampen meist mit dem Edelgas Neon gefüllt sind, zählen sie in dieser Bauform zu den Neonröhren.
Die Glimmlampe ist kostengünstig herstellbar, wird aber in ihrer Funktion als Signalisierungsanzeige zunehmend durch Leuchtdioden (LED) abgelöst.
Leuchtröhren
In Leuchtröhren als Kaltkathodenröhren und Neonröhren (dann mit rot emittierender Neonfüllung), liegen die Elektroden weit entfernt voneinander in einem Glasrohr. Hier leuchtet die positive Säule, wenn eine Spannung von mehreren 100 Volt anliegt. Andere Farben werden durch andere Füllungen und Leuchtstoffe erreicht. Leuchtröhren, Neonröhren und Kaltkathodenröhren haben kalte Kathoden und benötigen höhere Spannungen als Glimmlampen oder Leuchtstofflampen.
Leuchtstofflampen
mini|Schaltzeichen einer Leuchtstofflampe mit den vier Anschlüssen für die Glühkathoden Manchmal werden auch Leuchtröhren als Leuchtstofflampen bezeichnet, denn sie enthalten oft ebenso wie Leuchtstofflampen einen Leuchtstoff. Echte Leuchtstofflampen (auch Leuchtstoffröhren genannt) sowie Kompaktleuchtstofflampen und sogenannte Energiesparlampen haben jedoch Glühkathoden (direkt beheizte Oxidkathoden). Durch Glühemission sinkt die erforderliche Betriebsspannung auf Werte ab, die einen Betrieb über eine Vorschaltdrossel direkt an Netzspannung erlauben.
Der Punkt im Schaltzeichen der Röhre symbolisiert die Füllung mit einem Gas oder Dampf. Ohne den Punkt wäre es eine Vakuumröhre.
Natriumdampf-Niederdrucklampen
Diese werden auch als LS-, NA- oder SOX-Lampen bezeichnet. Sie gehören zu den effizientesten Leuchtmitteln, ermöglichen aber mit ihrem annähernd monochromatischen Orange nur eine sehr schlechte Farbwiedergabe. Sie finden daher überwiegend in der Straßenbeleuchtung Verwendung.
Quecksilberdampfgleichrichter
Eine Gasentladungsröhre bei der eine Elektrode beheizt ist oder als Quecksilberteich ausgeführt ist, während die andere aus festen Metall besteht emittiert wenn erstere Elektrode negativ geladen ist besser Elektronen als wenn letztere negativ geladen ist. Dieser Effekt kann zur Gleichrichtung ausgenutzt werden.
Hochdruck-Entladungslampen (HID-Lampen) Hierbei handelt es sich in der Regel um Metalldampflampen, die weiter in Quecksilber-, Natrium- und Halogen-Metalldampflampen unterteilt werden können.
Besonderheiten mini|Pumplampe eines FestkörperlasersFüllgas: Krypton, wassergekühlt, etwa 2 Kilowattmini|Detail (Kathode) von Bild oben mini|Quecksilberdampf-Hochdrucklampe 80 Watt mit Leuchtstoff-beschichtetem Schutzglaskolben (Entladungsgefäß siehe oben bei Aufbau). Zum Betrieb ist ein Vorschaltgerät erforderlichDie beiden Elektroden in dem Quarzglas- oder Keramik-Entladungsgefäß bestehen aus Wolfram (massiv oder Drahtwickel) und besitzen im neuen Zustand eine Spitze. Diese brennt während der Lebensdauer etwas zurück.