Glühlampe

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Die Glühlampe, Glühfadenlampe (früher Glühlicht, umgangssprachlich auch Glühbirne genannt) ist eine künstliche Lichtquelle, in der ein elektrischer Leiter durch elektrischen Strom aufgeheizt und dadurch zum Leuchten angeregt wird.

Die weit verbreitete Bauform der Glühlampe mit Schraubsockel wird fachsprachlich als Allgebrauchslampe bezeichnet (abgekürzt A-Lampe oder AGL).

Inhaltsverzeichnis 1 Funktionsprinzip 2 Aufbau 2.1 Glaskolben 2.2 Schutzgas 2.3 Glühfaden 3 Elektrische Eigenschaften 4 Lampensockel 4.1 Edisonsockel 4.2 Stecksockel 4.3 Bajonettsockel 4.4 Glasquetschsockel 5 Lichtausbeute und Lebensdauer 6 Kompromiss zwischen Lebensdauer und Lichtausbeute 7 Halogenglühlampen / Wolfram-Halogen-Kreisprozess 8 Sonderformen 9 Geschichte 10 Verbot von Glühlampen 11 Alternativen zur Glühlampe 11.1 Elektrische Lichtquellen 11.2 Nichtelektrische Lichtquellen 12 Entsorgung 13 Siehe auch 14 Quellen 15 Anmerkungen 16 Literatur 17 Weblinks

Funktionsprinzip

In einer Glühlampe wird ein elektrischer Leiter (Glühfaden bzw. Glühwendel) durch Stromfluss (Joulesche Wärme) so stark erhitzt, dass er glüht, d. h. kurzwellige thermische Strahlung emittiert.

Die aufgenommene elektrische Leistung wird jedoch nur zum Teil in Form elektromagnetischer Strahlung (hauptsächlich Infrarot, sowie sichtbares Licht und sehr wenig Ultraviolett) abgestrahlt. Ein nennenswerter Teil wird über Wärmeleitung und -konvektion an Füllgas und Glaskolben sowie über Wärmeleitung an die Zuleitungs- und Haltedrähte der Glühwendel abgegeben. Der Anteil des sichtbaren Lichts erreicht maximal ca. 5 Prozent.

Der Glühfaden strahlt mit einer Wellenlängenverteilung entsprechend dem Planckschen Strahlungsgesetz. Das Strahlungsmaximum der Strahlung verschiebt sich mit steigender Temperatur gemäß dem Wienschen Verschiebungsgesetz zu kleineren Wellenlängen hin. Um eine möglichst hohe Lichtausbeute zu erhalten und auch damit das Licht möglichst natürlich „weiß“ erscheint, strebt man danach, das Strahlungsmaximum durch Temperaturerhöhung aus dem Bereich der langwelligen Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) in den Bereich des sichtbaren Lichtes zu verschieben.

Die Höchsttemperatur wird allerdings durch die Eigenschaften des Glühfadenmaterials begrenzt. Um möglichst hohe Temperaturen zu ermöglichen, verwendet man heute für Glühfäden das hochschmelzende Metall Wolfram (Schmelztemperatur (3422 ± 15 °C), früher auch Osmium oder Kohle. Allerdings lässt sich auch mit diesem Material die für tageslichtähnliches Licht wünschenswerte Farbtemperatur von etwa 6200 K nicht erreichen, da Wolfram bei dieser Temperatur bereits gasförmig (Siedetemperatur 5660 °C) ist. Selbst wenn das gelänge, betrüge die Lichtausbeute aufgrund des breiten emittierten Wellenlängenbandes nur weniger als 15%.

Bei den praktisch in Glühlampen erreichbaren Temperaturen von etwa 2300 bis 2900 °C erreicht man kein Tageslicht und auch kein weißes Licht; Glühlampenlicht ist daher immer deutlich gelb-rötlicher als weißes oder Tageslicht. An diese typische Farbtemperatur von Glühlampen werden auch andere Lichtquellen für Wohnräume (z. B. Energiesparlampen und andere Leuchtstofflampen) angeglichen, sie wird hier als „Warmton“ bezeichnet.

Aufbau

Die Glühlampe besteht aus einem Befestigungssockel einschließlich der elektrischen Stromzuführungen und einem Glaskolben, der den Glühfaden und dessen Halterung vor der Außenumgebung abschirmt.

Glaskolben

In normaler Umgebungsluft würde der Glühfaden aufgrund des Sauerstoffs und der hohen Betriebstemperaturen sofort zu Wolframoxid-Pulver verbrennen, deshalb wird er durch den Glaskolben von der Umgebungsluft abgeschirmt. Da während des Betriebs ständig Metall vom Glühfaden abdampft, richtet sich die Größe des Kolbens im Wesentlichen nach der Sublimationsrate des Draht-Materials. Konventionelle Glühlampen bzw. Glühlampen mit hoher Leistung benötigen einen großen Glaskolben, damit sich der Niederschlag auf einer größeren Fläche verteilen kann und die Transparenz während der Lebensdauer der Lampe nicht allzu sehr einschränkt.

Schutzgas

Früher wurde der Glaskolben evakuiert. Heute sind die Glühlampen mit einem Schutzgas gefüllt. Das vereinfacht die Herstellung und reduziert die Sublimationsrate. Die bei einer Gasfüllung auftretenden Wärmeverluste durch Wärmeleitung und Konvektion begrenzt man durch die Wahl von möglichst schweren Inertgasmolekülen oder -atomen. Stickstoff-Argon-Gemische sind ein Zugeständnis an die Herstellungskosten. Teure Glühlampen enthalten Krypton oder Xenon (Molmasse bzw. Atommassen: Stickstoff (Molekül, N₂): 28,0134 g/mol; Argon: 39,948 g/mol; Krypton: 83,798 g/mol; Xenon: 131,293 g/mol)

Glühfaden

Die ersten patentierten Glühlampen in den 1840er Jahren hatten Glühfäden aus Platin. Aus diesen Entwicklungen wurde allerdings kein Produkt. Erst bei Temperaturen knapp unter dem Schmelzpunkt von Platin wurde eine akzeptable Lichtausbeute erzielt. Die exakte Temperatursteuerung für haltbare Glühfäden erwies sich als zu schwierig. Edison gab diesen Technikansatz auf.

Die ersten kommerziell hergestellten Glühlampen enthielten einen Faden aus Kohle (Sublimationspunkt: 3.550 °C). Die Verkohlung von natürlichen dünnen Fasern schnellwachsender tropischer Pflanzen wie Bambus war geeignet. Der Herstellungsprozess ist wesentlich komplexer als die Herstellung dünner Fäden aus Platin. Ferner erfordert der Betrieb von Kohlefäden eine höhere Vakuumqualität im Glaskolben. Kohlefadenlampen sind heute noch erhältlich. Das leicht rötliche Licht und das sanfte Ansteigen der Helligkeit beim Einschalten wird oft als angenehm empfunden.

Bei der um 1900 gebräuchlichen Nernstlampe wurde der Ionenleiter Zirkoniumoxid (mit Zusätzen) verwendet. Später wurden Tantal oder Osmium verwendet, heute kommen fast ausschließlich Drahtwendeln aus Wolfram (Schmelzpunkt: 3.422 +/- 15 °C) zum Einsatz.

Alle in Frage kommenden Materialien sind aufgrund ihrer hohen Schmelztemperatur und ihrer Sprödigkeit schwierig zu verarbeiten. Der Draht ist oft doppelt gewendelt, um durch eine kleine Langmuirschicht (Irving Langmuir, Nobelpreis 1932) die Wärmekonvektion zu begrenzen.

Elektrische Eigenschaften

Glühlampen müssen an der angegebenen Nennspannung betrieben werden, damit die zugesicherte Lichtausbeute und Lebensdauer erreicht werden. Die Stromstärke I ergibt sich aus der Leistungsformel P = U•I. Bei einer Leistungsaufnahme von 60 W an einer Betriebsspannung von 230 V fließt somit ein Betriebsstrom von 0,26 A. Der Widerstand des glühenden Drahtes ergibt sich nach dem ohmschen Gesetz (R = U/I ) und muss dann 0,88 kΩ betragen, was einen langen und dünnen Draht erfordert. Die Fadendicke für 230-V-Glühlampen beträgt je nach Leistung ca. 40 bis 50 µm.

Aufgrund der positiven Temperatur-Widerstands-Charakteristik (Kaltleiter) fließt beim Einschalten einer Metalldraht-Glühlampe ein sehr hoher Einschaltstrom (das Fünf- bis Fünfzehnfache des Nennstromes), der die Glühwendel schnell auf die Betriebstemperatur aufheizt. Um diesen Stromstoß geringer zu halten, werden z. B. Bühnenscheinwerfer bei Nichtbenutzung nur herabgedimmt und somit der Glühfaden auf Temperatur gehalten.

Der Einschaltstromstoß ist die Ursache für Ausfälle von Glühlampen unmittelbar beim Einschalten: Enge oder dünne Bereiche der Wendel erhitzen sich schneller und in der Folge so stark, dass sie schmelzen und (bei höheren Betriebsspannungen) ein Lichtbogen zündet. Dieser kann auf die Anschlussdrähte übergehen, wodurch der Widerstand des Glühdrahtes entfällt und ein hoher Strom fließt, was zum Auslösen der Sicherung und/oder zum Bersten des Glaskolbens führen kann. Manche Glühlampen für Netzspannung sind daher im Sockel mit einer Schmelzsicherung versehen.

Mit der Zunahme des elektrischen Widerstands bei steigender Temperatur sinkt der Strom auf den Nennwert. Die früher gebräuchlichen Kohlenfadenlampen zeigten dagegen eine sanfte Zunahme des Stromes beim Einschalten, da erst mit steigender Temperatur genügend Ladungsträger für den Stromtransport freigesetzt werden (Kohle ist ein Heißleiter).

Lampensockel

Edisonsockel

Die Form und die Bezeichnung des in Deutschland üblichen Edisongewindes als Sockel für Glühlampen geht auf Thomas Alva Edison zurück. Die Abmessungen des Edisongewindes sind nach DIN 40400 bzw. u. A. in der IEC 60238:1998 genormt. Übliche Edisongewinde nach DIN 40400 sind:

Gewindekennung	englische Bezeichnung	Ø Außen [mm]	Ø Kernloch [mm]	Steigung [mm]	Verwendung
E5,5	Lilliput Edison Screw LES	5,5	4,9	1,00	Kleinsignallampen und Lämpchen im Modellbau (Niedervolt)
E10	Miniature Edison Screw (MES)	10,0	8,8	1,81	Taschenlampen und Signallampen (Niedervolt) und Glimmlampen (230 V)
E12	Candelabra Edison Screw (CES)	12,0	??	??
E14		14,0	12,5	2,82	Kerzenlampen bis 60 W, heute (ab ca. 2000) auch für normale Glüh- und Energiesparlampen bis 40 Watt (230 V); auch für Schraubsicherungen (Neozed 4 - 16A)
E16		16,0	14,7	2,50	Schraubsicherungen (Diazed DI 2 - 16 A)
E18	E17: Small Edison Screw (SES)	18,0	17,0	3,00	Schraubsicherungen (Neozed 20 - 63A)
E27	E26: (Medium) Edison Screw (ES)	27,0	24,5	3,62	siehe Abbildung einer Glühlampe (230 V), im Bereich bis 40 Watt teilweise durch das E 14-Gewinde verdrängt; auch für Schraubsicherungen gebräuchlich (Diazed 6 - 25A)
E33		33,0	30,8	4,23	Schraubsicherungen (Diazed 35 - 63A)
E40	Giant Edison Screw (GES)	40,0	36,3	6,35	für Glühlampen mit mehr als 200 W Leistungsaufnahme (230 V)

Da der Außenkontakt der Lampenfassung sehr leicht berührt werden kann, soll dieser bei fest installierten Lampenfassungen mit dem geerdeten Neutralleiter verbunden sein, der schwerer zu berührende Fußkontakt mit der Phase. Aus Unkenntnis werden allerdings viele Leuchten ohne Rücksicht auf die korrekte Polung angeschlossen; man darf sich daher nicht darauf verlassen, dass der Außenkontakt keine Spannung führt. Bei transportablen Leuchten, die über einen Euro- oder Schuko-Stecker angeschlossen werden, kann prinzipbedingt keine Annahme über die Polung der Lampenfassung gemacht werden, da beide Steckersysteme nicht verpolungssicher sind.

Das Berühren der Sockel-Kontakte lässt sich zumindest bei eingeschraubter Lampe konstruktiv durch einen über das Ende der Fassung hinausreichenden Isolierstoff-Kragen verhindern.

Stecksockel

• MG5,7S/9 Miniaturlampen, etwa für Modellbau
• G 17 q, z.B. für Projektionslampen

Bajonettsockel

Der Bajonettsockel wird nach Joseph Wilson Swan auch als Swansockel bzw. Swanfassung bezeichnet. Er besteht aus einem glatten Metallzylinder mit zwei abisolierten Erhebungen. Zum Befestigen wird er zunächst eingeschoben und dann durch eine Drehung fixiert (Bajonettverschluss). Diese Sockelbauweise wird insbesondere an Geräten und Maschinen – etwa bei Autoscheinwerfern – verwendet, um ein Lösen infolge mechanischer Schwingungen bzw. Erschütterungen sicher zu vermeiden. Für Beleuchtungszwecke sind Bajonettsockel z. B. in Großbritannien und Irland, den USA, teilweise auch in Frankreich, gebräuchlich (B15d + B22d).

6 V-Einfadenlampe mit Bajonettsockel, 21 W

12 V-Einfadenlampe mit Bajonettsockel BA15s, 21 W

12 V-Zweifadenlampe mit Bajonettsockel, 21 W und 5 W

BA9S

Sockelbezeichnungen für KFZ-Glühlampen

• BA7s Innenraumbeleuchtung (z. B. Hintergrundbeleuchtung von Tachometern)
• BA9s Standlicht (auch für Signalleuchten weit verbreitet)
• BA15s Blink-, Stopp-, Rückfahr-, Nebelschluss-, Schluss- oder Kennzeichenlampen
• BAU15s Blinkleuchten (farbige Leuchtmittel)
• BA15d Zweifadenlampe für Brems- und Schlusslicht
• BAX15d, BAY15d, BAZ15d: wie BA15d, jedoch mit höhen- oder gradversetzten Sockelpins

Weitere Bajonettsockel

• Prefokus-Sockel (mit Kragen als Anschlag)
• P13,5 für Taschenlampen

Früher hatten auch die Arbeitsplatz-Leuchten von Nähmaschinen (Singer, Pfaff) eine Bajonettfassung.

Glasquetschsockel

Lampen mit Glasquetschsockel (engl.: wedge-base lamps) kommen meist als Instrumentenlampen, im KFZ-Bereich, bei Halogenglühlampen und in Lichterketten zum Einsatz. In den letzten Jahren halten sie auch als Blinker- und Bremslicht Einzug in Kraftfahrzeuge; gebräuchliche Quetschsockelbezeichnungen sind hier W2x4,6d, W2,1x9,5d, W3x16d oder W3x16q.

Sockel für Halogenlampen^{[Anmerkung 1]}

• GU5,3 für Niedervoltreflektorlampen d = 50 mm
• GU4 für Niedervoltreflektorlampen, Reflektordurchmesser 35 mm
• G4 für Niedervoltstiftsockellampen, Durchmesser 9 mm
• GY6,35 / GY6.35 für Niedervoltstiftsockellampen, Durchmesser 12 mm
• G9 für Hochvoltstiftsockellampen
• GU10 für Hochvoltreflektorlampen

Der Buchstabe U steht hier für eine Ausführung mit mechanischem Halt der Lampe im Fassungssystem. Die Lampen haben eine Nut im Sockelbereich für das Einrasten der fassungsseitig eingebauten Feder.

Pilotlämpchen

(in Form von Feinsicherungen)

• D6,3 x L30 mm

Soffittenlampe

etwa für Kennzeichen- und Innenraumbeleuchtung in KFZ

• D8, L31 mm
• D11, L39 mm
• SV8,5-8 Soffittenlampe für Schluss-, Kennzeichen- oder Innenraumleuchten

H1-Lampe mit Sockel R14 5s, 12 V, 55 W

H3-Lampe 12V 55W

H7-Lampe mit Sockel PX26d, 12 V, 55 W

Lampensockel für Scheinwerferlampen in KFZ

• P45t, R2-Scheinwerferlampe (alt)
  

  

  Darstellung des Wirkungsgrades einer Glühlampe in einem Sankey-Diagramm

• P14,5s H1-Halogenlampe, auch für Rundumkennleuchten verwendet
• PK22s H3-Halogenlampe
• P43t H4-Halogen- oder Biluxzweifadenlampe
• PX26d H7-Halogenlampe
• PGJ19-5 H9-Halogenlampe

Lichtausbeute und Lebensdauer

Fast die gesamte der Lampe zugeführte Energie wird in Strahlung umgesetzt, die Verluste durch Wärmeleitung und -konvektion sind gering. Aber nur ein kleiner Wellenlängenbereich der Strahlung ist für das menschliche Auge sichtbar. Der Hauptanteil liegt im unsichtbaren Infrarotbereich und wird als Wärme wahrgenommen. Die Lichtausbeute erreicht bei einer Glühfadentemperatur von ca. 3400 K einen Anteil von maximal ca. 5 %. Praktisch erreichbare Temperaturen liegen bei 2700 K, der dabei erzielbare Lichtanteil bei 3 %.

Eine Glühlampe erreicht eine Lichtausbeute von etwa 12-15 lm/W (sprich: Lumen pro Watt). Mit steigender Temperatur nimmt die Lichtausbeute zu, aber die Brenndauer fällt drastisch ab. Bei 2700 K erreichen konventionelle Glühlampen eine Standzeit von ca. 1000 Stunden, bei 3400 K (Studiolampen) von nur wenigen Stunden. Wie das Diagramm oben zeigt, verdoppelt sich die Helligkeit, wenn man die Betriebsspannung um 20 % erhöht. Gleichzeitig reduziert sich die Lebensdauer um 95 %. Eine Halbierung der Nominalspannung (zum Beispiel durch Reihenschaltung zweier gleichartiger Glühlampen) verringert demnach zwar den Wirkungsgrad, verlängert aber die Lebensdauer um mehr als das Tausendfache.

Wichtig für die optimale Auslegung einer Schaltung sind auch die Kosten für das Auswechseln einer Lampe. Edison hatte schon erkannt, dass leichtes Auswechseln, auch durch Laien, wichtig ist und deshalb den Edison-Sockel entwickelt. In Geräten eingebaute Lampen sind nur durch Fachleute zu wechseln. Dem Entwickler ist deshalb anzuraten, die Glühlampen mit deutlich niedriger Spannung als Nennspannung zu betreiben.

Die Lebensdauer einer Glühlampe wird oft weniger durch das gleichmäßige Abdampfen von Wendelmaterial während des Betriebs begrenzt, als durch entstehende Inhomogenitäten im Glühfaden: Der geringe Widerstand der kalten Glühwendel hat einen hohen Einschaltstrom zur Folge, der zu schnellerer und extremer Erwärmung der Wendel entlang besonders dünner, durch ungleichmäßiges Abdampfen entstandener, Stellen führen kann. Diese werden dann noch dünner und schmelzen oder verdampfen schließlich, wodurch eine Unterbrechung oder sogar eine Bogenentladung im Füllgas entsteht.

Der hohe Einschaltstrom von Metalldrahtglühlampen belastet außerdem die Zuleitungen zur Glühwendel, insbesondere bei Halogenglühlampen. Elektronische Vorschaltgeräte zur Strombegrenzung für Glühlampen (Dimmer) werden bisher selten eingesetzt.

Eine Möglichkeit, die Lebensdauer zu verlängern ist der Einsatz eine Einschaltstrombegrenzung oder der in der Veranstaltungstechnik häufiger angewandten Vorheizung durch Betrieb mit einem permanentem Stromfluss knapp unterhalb einer beginnenden Lichtabgabe, englisch: Pre Heat.

Die Ausfallwahrscheinlichkeit von Glühlampen lässt sich durch eine Exponentialverteilung oder, mit Berücksichtigung der Historie, durch eine Weibullverteilung beschreiben.

Kompromiss zwischen Lebensdauer und Lichtausbeute

Heute unterscheidet sich die Lebensdauer von Allgebrauchs-Glühlampen verschiedener Hersteller stark. Für Anwendungen, bei denen das Auswechseln aufwendig ist oder eine hohe Zuverlässigkeit erforderlich ist, gibt es Glühlampen, die eine lange Lebensdauer durch eine ähnlich geringe Lichtausbeute wie frühe Glühlampen erreichen: Sogenannte Sig-Lampen haben eine Lebensdauer von bis zu 6.000 Stunden.

Die Lebensdauer von Projektor-Glühlampen beträgt hingegen aufgrund der hohen Glühfadentemperaturen (hohe Effizienz und Leuchtdichte) oft nur 50 bis wenigen 100 Stunden.

Halogenglühlampen / Wolfram-Halogen-Kreisprozess

Die Zugabe des Halogens Brom oder Iod steigert die Lebensdauer auf 2.000 bis 4.000 Stunden – bei einer Betriebstemperatur von ca. 3.000 K. Die so genannten Halogenglühlampen erreichen eine Lichtausbeute von ca. 25 lm/W (vergleiche mit herkömmlicher Glühlampe ca. 15 lm/W, Energiesparlampe 60 lm/W).

Das Iod reagiert (zusammen mit Restsauerstoff) mit den vom Glühdraht verdampften Wolframatomen und stabilisiert eine wolframhaltige Atmosphäre. Der Prozess ist reversibel: Bei hohen Temperaturen zerfällt die Verbindung durch Pyrolyse wieder in ihre Elemente – Wolframatome kondensieren auf oder in der Nähe der Glühwendel. Kleine Temperaturdifferenzen entlang der Wendel spielen für die Zersetzung nur eine untergeordnete Rolle. Die Vorstellung, dass sich Wolfram ausschließlich an den dünnen überhitzten Bereichen der Wendel niederschlagen würde, ist falsch.^[1] Ein interessanter Nebeneffekt dieser Überlegung hätte darin bestanden, dass sich der Glühfaden an den dünnsten Stellen selbst repariere. In Wirklichkeit findet die Kondensation von Wolframatomen jedoch an den kältesten Stellen der Wendel statt – es entstehen Whisker.^[2] Das Prinzip ist der chemische Transport, welcher sich in ähnlicher Weise auch beim Van-Arkel-de-Boer-Verfahren findet.

Der Halogenzusatz verhindert bei einer Glastemperatur von mehr als 250 °C den Niederschlag von Wolfram auf dem Glaskolben. Aufgrund der nicht vorhandenen Kolbenschwärzung kann der Glaskolben einer Halogenlampe sehr kompakt gefertigt werden. Das kleine Volumen ermöglicht einen höheren Betriebsdruck, der wiederum die Abdampfrate des Glühdrahtes vermindert. Daraus ergibt sich der lebensverlängernde Effekt bei Halogenlampen. Jedoch wird der Halogenprozess durch Dimmung der Halogenleuchte vermindert, da die dafür notwendige Temperatur nicht mehr erreicht wird.

Das kleine Volumen ermöglicht zur Reduktion der Wärmeleitung die Befüllung mit schweren Edelgasen zu vertretbaren Kosten. Verunreinigungen auf dem Kolben (zum Beispiel Fingerabdrücke durch Anfassen des Glases) verkohlen im Betrieb und führen zu lokalen Temperaturerhöhungen, die zum Platzen des Glaskolbens führen können. Zurückbleibende Salze können auch als Kristallisationskeime zur Entglasung beitragen und so Schäden verursachen.

Die erforderliche hohe Glaskolbentemperatur erzwingt eine kleine Bauform, um die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft zu reduzieren, und den Einsatz von Kieselglas (Quarzglas), das der hohen Temperatur standhält.

Gasdichte Stromdurchführungen werden bei den Quarzglas-Kolben von Halogenglühlampen und auch bei Quarzglas-Brennern von Gasentladungslampen mittels Molybdän-Foliebändern realisiert.

Aufgrund der hohen Wärmestrahlung und der hohen Lebensdauer werden Halogen-Glühlampen u. a. auch zum Verdampfen von Wirkstoffen in Vaporizern, zum Heizen der Fixierwalzen in elektrostatischen Kopiergeräten, Laserdruckern und in Thermokopiergeräten sowie bei Herdplatten und in der Halbleiterprozesstechnik (RTA) eingesetzt.

Eine neuere Entwicklung sind die IRC-Halogenlampen (IRC = Infra Red Coating, Infrarotbeschichtung). Diese Lampen haben eine spezielle Beschichtung des Glaskolbens, die Licht passieren lässt, aber Wärmestrahlung (Infrarot) auf die Glühwendel zurück reflektiert. Dadurch wird der Wärmeverlust vermindert und folglich die Lichtausbeute erhöht. Nach Angaben von OSRAM können so der Energieverbrauch gegenüber Standard-Halogenlampen zusammen mit Verwendung von Xenon als Füllgasbestandteil um bis zu 30 % vermindert werden.

IRC-Halogenlampen erreichen damit zwar nicht die Effizienz von Energiesparlampen, haben aber sowohl den Vorteil, dass sie als direkter Ersatz für Standard-Halogenlampen eingesetzt werden können, als auch die spektral kontinuierliche und vom Menschen als angenehm empfundene Lichtqualität.

Sonderformen

Neben besonderen Kolbenformen, deren Material (zum Beispiel mattiert oder Opalglas) und deren Einfärbungen (zum Beispiel auch „Schwarzlicht“-Glühlampen) gibt es folgende Sonderformen:

• Bilux-Lampen: sie werden in Fahrzeug-Frontscheinwerfern verwendet und enthalten einen freien (Fernlicht) und einen mit einer Blende versehenen Glühfaden (Abblendlicht) ähnlicher Leistungsaufnahme.
• Glühlampen mit zwei Glühwendeln unterschiedlicher Leistung (Zweifadenlampen, zum Beispiel als Kombination Rücklicht / Bremslicht)
• Glühlampen mit Innenreflektor
  • Projektionslampen mit Wendel im Brennpunkt einer Innen-Verspiegelung
  • sogenannte Kuppelspiegellampen mit Glühwendel im Mittelpunkt einer spiegelnden Halbkugelschale
• Wolframbandlampen: sie besitzen ein Band statt einer Glühwendel; Einsatz als Strahlungsnormal oder in älteren Pyrometern (visueller Vergleich der Leuchtdichte und der Farbtemperatur mit der des Messobjektes)
• Hochtemperatur-Heizstrahler: Glühwendel relativ niedriger Temperatur in einem oft teilweise verspiegelten Glaskolben, der nach vorn vorrangig den Infrarot-Anteil passieren lässt („Rotlicht“)
• Glühlampen zu Heizzwecken: zum Beispiel stabförmige Halogen-Glühlampen in der Fixierwalze von Xerox-Kopierern und Laserdruckern
• Kaltlichtspiegellampen: sie besitzen einen externen dichroitischen Reflektor, der nur sichtbares Licht reflektiert, Infrarot jedoch passieren lässt (Anwendung: Niedervolt- und Hochvolt-Halogenglühlampen, Projektionslampen).
• Linienlampen: dies sind im Prinzip große Soffittenlampen für Netzspannung. Langgezogene Glasröhren mit einem Glühfaden über die ganze Länge. Linienlampen haben entweder eine Steckfassung in der Mitte der Röhre oder zwei Steckfassungen an den beiden Enden. Oftmals werden sie mit Leuchtstoffröhren verwechselt, mit denen Sie jedoch nur die ähnliche Form verbindet.

Bei blinkenden Lampen ist manchmal in Serie mit dem Glühfaden ein Bimetallschalter geschaltet. Diese Ausführung ist z. B. in Leuchtstäben zum Martinstag anzutreffen. Im kalten Zustand ist dieser Schalter geschlossen. Durch die Wärmeeinwirkung des Glühfaden und Wärmekapazität des Bimetalls verbiegt sich das Bimetall und öffnet eine Kontaktstelle; die Glühlampe verlischt. Nach ausreichender Abkühlung schließt der Kontakt wieder, dadurch blinkt dieser Glühlampentyp selbständig.

Geschichte

Eine funktionstüchtige Bogenlampe wurde bereits 1809 durch Humphry Davy vorgestellt. Bogenlampen sind zwar vor Prinzip her Gasentladungslampen, erzeugen jedoch einen hohen Lichtanteil durch die glühenden Graphitelektroden. In den 1840er Jahren stellte William Edwards Staite mehrere verbesserte Bogenlampen vor.

Quellen belegen eine frühe Glühlampe mit Platinfaden unter einer evakuierten (luftleeren) Glasglocke aus der Zeit um 1820. Herkunft und Datierung der als "De-la-Rue-Lampe" oder auch "De-la-Rive-Lampe" bezeichneten Lampe sind unklar ^[3].Später benutzte man wegen des höheren Schmelzpunktes und besserer Lichtausbeute Kohlefäden, wobei von Edison 1880 patentierte verkohlte Bambusfäden besonders gut geeignet waren.

Am 25. Juli 1835 führte der Schotte James Bowman Lindsay ein konstantes elektrisches Licht bei einem öffentlichen Meeting in Dundee vor. Er gab an, dass er „ein Buch in einem Abstand von eineinhalb Fuß lesen“ könne. Lindsay vervollkommnete die Vorrichtung zu seiner eigenen Zufriedenheit, wandte sich danach jedoch von seiner Erfindung ab und dem Problem drahtloser Telegraphie zu.
Frederick de Moleyns erhielt 1841 das erste bekannte Patent auf eine Glühlampe. Er verwendete Kohlepulver zwischen Platindrähten unter einem luftleeren Glaskolben.
Der Amerikaner John Wellington Starr erhielt 1845 durch Edward Augustin King in London ebenfalls ein Patent auf eine Glühlampe. In diesem Patent werden Karbonstifte als geeignetes Glühmaterial für helles Licht genannt.

Heinrich Göbel gab 1893 in Patentprozessen zwischen amerikanischen Industrieunternehmen an, bereits ab den frühen 1850er Jahren mit Kohlefadenglühlampen experimentiert zu haben, konnte seine Behauptung aber vor Gericht nicht beweisen.^[4] Er galt dennoch im 20. Jahrhundert in Deutschland als Erfinder der Kohlefadenglühlampe.

1872 erhielt Alexander Nikolayevich Lodygin ein Patent auf eine Glühlampe mit einem dünnen Kohlefaden in einem mit Stickstoff gefüllten Glaskolben. In den 1890er Jahren experimentierte er mit verschiedenen Metallfäden; einige betrachten ihn als den Erfinder der Lampe mit Wolframglühfaden. 1906 verkaufte Lodygin ein diesbezügliches Patent an General Electric, wo dieser auch heute noch gebräuchliche Lampentyp fortan industriell hergestellt wurde.

Der britische Physiker und Chemiker Joseph Wilson Swan entwickelte 1860 ebenfalls eine Glühlampe, bei der er als Glühfaden verkohltes Papier in einem luftleeren Glaskolben benutzte. Erst 1878 gelang ihm die Herstellung einer praktisch brauchbaren elektrischen Glühlampe. Er erwarb sein Patent in England 1878 mithin 2 Jahre früher als Edison sein vergleichbares Patent in den USA. Er stattete seine Glühlampen mit einer speziellen Fassung, der Swanfassung aus, die sich im Gegensatz zu den Schraubgewinden der Edisonglühlampen bei Erschütterung, zum Beispiel in Fahrzeugen, nicht lösten. Nach anfänglichen Patentrechtsstreitigkeiten einigten sich Edison und Swan und gründeten schließlich 1883 in London eine gemeinsam betriebene Firma.

Thomas Alva Edison verbesserte die Glühlampe und erhielt am 27. Januar 1880 das Basispatent Nummer 223898^[5] für seine Entwicklungen in den USA. Seine Glühlampe bestand aus einem evakuierten Glaskolben mit einem Kohleglühfaden aus verkohlten Bambusfasern. Zahlreiche Verbesserungen insbesondere bei der Präzisionsherstellung des Glühfadens führten zu Glühlampen, mit denen Edison den Wettbewerb gegen die damals üblichen Gaslampen erfolgreich aufnahm. Haltbarkeit, Lichtausbeute und Energiekosten spielten dabei eine Rolle.

Die Benutzung von Kohlefadenglühlampen in privaten Haushalten in den 1880er Jahren ging einher mit dem Aufbau von Versorgungsnetzen für elektrische Energie. Diese Produkte markieren mithin den Beginn der durchdringenden Elektrifizierung in der kulturellen Entwicklung.

Die erste deutsche Glühlampe soll 1883 in Stützerbach (Thüringen) hergestellt worden sein. Diesbezügliche Quellen stehen allerdings im Widerspruch zur älteren oben abgebildeten Glühlampe vom C.H.F. Müller .

Die Eignung von Osmium, Tantal oder Wolfram für Glühfäden war wegen des hohen Schmelzpunktes dieser Metalle bekannt. Aber erst technische Entwicklungen in der Pulvermetallurgie wie die Sintertechnik ermöglichten deren wirtschaftliche Verarbeitbarkeit. Osmium und Tantal sind seltene und mithin teure Rohstoffe. Bei dem sehr harten und spröden Wolfram waren die zu lösenden Verarbeitungsprobleme am größten.

Der österreichische Chemiker und Gründer von OSRAM Carl Auer von Welsbach leistete einen wichtigen Beitrag zu der Erfindung der Glühlampe, in dem er ein Verfahren zur Herstellung von Drähten aus Osmium (Patent 1890) und Wolfram entwickelte, die damals als Metalle mit den höchsten Schmelzpunkten galten.

1897 erfand der Physikochemiker Walther Nernst in Göttingen die nach ihm benannte Nernstlampe, die von der AEG und von Westinghouse (Nernst Lamp Company) produziert wurde. Bei dieser Glühlampe dient ein dünnes Stäbchen (Nernststift) aus einem Festkörper-Elektrolyt (überwiegend Zirkoniumoxid mit Zusätzen) statt eines Kohle- oder Metallfadens als Glühkörper. Der Nernststift benötigt kein Schutzgas, sondern kann in normaler Umgebungsluft betrieben werden.

Im Jahre 1903 erfand Willis Whitnew einen Glühfaden, der die Innenseite einer Glühlampe nicht schwärzte. Es war ein metallummantelter Kohlefaden. Bereits ein Jahr zuvor (1902) erkannte der deutsche Chemiker Werner von Bolton mit dem schweizer Physiker Otto Feuerlein das chemische Element Tantal (Ta) als geeignetes Material zur Herstellung von metallischen Glühfäden. 1905 wurden die ersten Glühlampen mit Tantalfäden ausgeliefert und ersetzten allmählich die bisherigen Kohlefadenlampen. Die Tantallampe war zwar eine kurze Episode in der Geschichte der Glühlampe im Vorfeld der Entwicklungen zur heute verwendeten Wolframlampe, aber bis zum Ausbruch des Ersten Weltkriegs konnten weltweit über 50 Millionen Tantallampen nach Bolton und Feuerleins Verfahren hergestellt und verkauft werden. Im Jahre 1906 wurde von der General Electric Company das Patent für eine Methode zur Herstellung von Wolframglühfäden in Glühlampen angemeldet. Im selben Jahr experimentierte auch der Kroate Franjo Hannaman aus Zagreb mit einer Wolframlampe. Wolframglühfäden waren teuer, aber im Jahre 1910 gelang William David Coolidge eine verbesserte Methode der Herstellung. Coolidge bekam auch die Kosten der Herstellung für den Wolframglühfaden so in der Griff, dass er schließlich alle anderen Glühfaden-Typen überdauerte. Im Jahre 1911 entdeckte Irving Langmuir, dass durch die Verwendung eines Argon-Stickstoff-Gemischs in einer Glühlampe die Lebensdauer des Wolfram-Glühfadens verlängert wird. Seit 1936 wird Krypton als Füllgas benutzt, seit 1958 erstmals auch Xenon für Hochleistungslampen.

Der Berliner Erfinder Dieter Binninger entwickelte für seine Mengenlehreuhr eine langlebige (150.000 h) „Ewigkeitsglühbirne“, auch als SIG-Lampe bezeichnet. Sie war besonders für die Anwendung in Leuchten gedacht, bei denen ständig hohe Auswechselkosten entstehen, wie etwa bei Verkehrsampeln oder seiner Mengenlehreuhr. Seine zwischen 1980 und 1982 eingereichten Patente zur „Verlängerung der Lebensdauer von Allgebrauchsglühlampen“ beruhen im Wesentlichen auf eine veränderte Wendelgeometrie und dem Betrieb mit Unterspannung mittels einer Diode.

Das Centennial Light (englisch hundertjähriges Licht) leuchtet seit 1901 fast ununterbrochen in der Feuerwache von Livermore im US-Bundesstaat Kalifornien. Die 4-Watt-Kohlefadenlampe gilt damit als dienstälteste Glühbirne der Welt.^[6]

Verbot von Glühlampen

Australien kündigte als erster Staat im Februar 2007 an, herkömmliche Glühlampen zu verbieten. Indem ab 2010 nur noch Kompaktleuchtstofflampen („Energiesparlampen“) in den Handel kommen, soll dem Klimawandel entgegengewirkt werden. Die Regierung geht davon aus, dass durch diese Maßnahme jährlich vier Millionen Tonnen Treibhausgase weniger in die Luft ausgestoßen werden.^[7]

Bereits am 17. November 2005 forderte Fidel Castro die Kubaner auf, Glühlampen durch Energiesparlampen zu ersetzen. Hintergrund ist die Energieknappheit in Kuba. Es soll dort ein Verbot für Leuchtmittel mit über 15 Watt Energieverbrauch geben.

Irland plant als erster Staat der EU, den Verkauf von Glühlampen ab Januar 2009 zu verbieten und sie durch Energiesparlampen zu ersetzen.^[8]

Nach Neuseeland und Australien gibt die Kommission der Europäischen Union im Juni 2008 Pläne bekannt, schrittweise die herkömmlichen Glühlampen verbieten zu wollen. Im Rahmen der EuP-Richtlinie wird momentan dazu eine Vorbereitungsstudie erarbeitet. ^[9] In der Schweiz ist ab 2009 der Verkauf von Glühlampen, die nicht mindestens der Energieeffizienklasse E - das sind fast alle - entsprechen, ebenfalls verboten.^[10]

Alternativen zur Glühlampe

Elektrische Lichtquellen

Lichtquellen mit besseren Wirkungsgraden bzw. einer höheren Lichtausbeute sind z. B. Gasentladungslampen (Halogen-Metalldampflampen, Leuchtstofflampen, Quecksilberdampflampen, Natriumdampflampen). Diese haben zwar ebenfalls häufig Edisonsockel, benötigen jedoch Vorschaltgeräte zum Betrieb und sind daher nicht direkt im Austausch gegen Glühlampen verwendbar.
Leuchtstofflampen sind auch in kompakten Formen als sogenannte Energiesparlampen gebräuchlich. Sie haben Start- und Vorschaltgerät im Sockel integriert und können daher direkt im Austausch gegen Edison-Glühlampen verwendet werden.

In Entwicklung sind derzeit Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute auf Basis von Leuchtdioden, die andere Leuchtmittel in vielen Bereichen bereits ersetzen können, wo es auf Wartungsfreiheit, lange Lebensdauer, geringen Energieverbrauch oder Erschütterungsunempfindlichkeit und weniger auf den Preis ankommt. Beispiele sind Taschenlampen, Befeuerung von Hindernissen, Fahrradscheinwerfer und Lichtquellen mit einstellbarer bzw. veränderlicher Farbtemperatur bzw. Lichtfarbe.

Besonders interessant ist die Anwendung von Leuchtdioden in Kraftfahrzeugen, weil der Strom dort teuer erzeugt werden muss. Die Antriebsquelle Verbrennungsmotor hat einen sehr niedrigen Wirkungsgrad.

Nichtelektrische Lichtquellen

Nichtelektrische Lichtquellen sind nur dann eine Alternative zu Glühlampen, wenn kein Stromanschluss zur Verfügung steht.
Lichtquellen von geringer Lebensdauer und Helligkeit, jedoch ohne externe Energiequelle sind die sogenannten Knicklichter, die auf Chemolumineszenz beruhen.
Tritiumgaslichtquellen haben eine Lebensdauer von einigen Jahren und benötigen wie die Knicklichter ebenfalls keine externe Energiequelle. Sie werden hauptsächlich als Notfallbeleuchtung für Notausgänge etc. eingesetzt und beruhen wie Leuchtstofflampen auf Fluoreszenz, angeregt jedoch durch die Betastrahlung des radioaktiven Tritium. Ihre Helligkeit ist sehr gering.
Beide Lichtquellen werden nur als Notlicht eingesetzt.

Gaslaternen haben nur historische Bedeutung, ihre Energie-Effizienz ist jedoch vergleichbar mit Langlebensdauer-Glühlampen; sie können wie auch Camping-Gasleuchten oder die mit Petroleum betriebenen Starklichtlampen Gas (Erdgas, Stadtgas, Flüssiggas) bzw. Petroleumdampf statt Strom nutzen. Die gegenüber Petroleumlampen wesentlich höhere Effizienz erreichen diese Leuchten durch einen Glühstrumpf.

Entsorgung

Glühlampen können als Hausmüll oder hausmüllähnlicher Gewerbeabfall entsorgt werden. Sogenannte Allgebrauchs- und auch Halogenglühlampen enthalten keine umweltbelastenden Inhaltsstoffe – sie bestehen im Wesentlichen aus Metall und Glas. Die geringen Halogenmengen in Halogenglühlampen können als unschädlich angesehen werden.

Anders ist es bei Entladungslampen wie Leuchtstofflampen, Energiesparlampen und Hochdruck-Entladungslampen, in denen Quecksilber für die Lichterzeugung verwendet wird. Diese sind nach dem amtlichen Abfallkatalog Sondermüll. Die Entsorgung von Entladungslampen aus dem Privathaushalt übernehmen die kommunalen Sonderabfall-Sammelstellen. Wichtig ist, dass die Lampen unbeschädigt dort abgegeben werden, sie können dann entsprechenden Recyclingunternehmen zugeführt werden.

Im Abfallgesetz ist festgelegt, dass der Besitzer von Abfällen zu deren Entsorgung verpflichtet ist, und die Wiederverwertung Vorrang vor sonstiger Entsorgung (Deponierung, Verbrennung) hat. Der Wolfram- und Buntmetallanteil von Glühlampen wird bisher kaum wiederverwendet, lediglich die Edisonsockel können von automatischen Trenn- und Sortieranlagen mit Magnetscheidern erfasst werden.

Siehe auch

• Soffittenlampe
• Nernstlampe
• Beleuchtung
• Ewigkeitsglühbirne
• Eiernippel
• Lichtausbeute
• Glimmlampe
• Dunkelbirne (wissenschaftlicher Witz)
• Centennial Light (ältestes funktionierendes Exemplar einer Glühlampe)
• Bipin

Quellen

1. ↑ http://physicsed.buffalostate.edu/pubs/TPT/TPTDec99Filament.pdf
2. ↑ Musterseite
3. ↑ „E.Covington: Eine Lampe unbekannten Ursprungs.“,abgerufen 27. Februar 2007
4. ↑ Hans-Christian Rohde: Die Göbel-Legende – Der Kampf um die Erfindung der Glühlampe. Zu Klampen, Springe 2007, ISBN 978-3-86674-006-8
5. ↑ United States Patent and Trademark Office
6. ↑ Livermore's Centennial Light Live Cam
7. ↑ www.oekotest.de (ak) ÖKO-TEST Aktuelles/News
8. ↑ Department of the Environment, Heritage and Local Government: Gormley Outlines Position on Plan to Introduce Minimum Energy Efficiency Standards for Light Bulbs, 10. Januar 2008
9. ↑ Welt: EU plant Glühbirnen-Verbot ab 2009 (Zugriff am 18. Juni 208)
10. ↑ http://www.nzz.ch/nachrichten/schweiz/strommarkt_bundesrat_1.690947.html NZZ

Anmerkungen

1. ↑ Siehe auch Artikel Bipin zu Details über die IEC Normierung der Sockel

Literatur

• Peter Berz, Helmut Höge und Markus Krajewski (Hrsg.): Das Glühbirnenbuch. (Reihe ArtExit). Wien, 2001 [1]

Weblinks

• Story-of-The-Lamp - englisch mit vielen Bildern
• Die am längsten leuchtende Glühlampe - brennt bereits seit 1901 (Centennialbulb - longest burning light bulb in history) - englisch
• Chemie in Glühlampen – Warum Glühlampen früher groß und dunkel waren, heute aber hell und klein
• Vergleichstabelle für alle üblichen Leuchtmittel
• Helmut Höge auf taz.de: Hier spricht der Aushilfshausmeister! über geplanten Verschleiß bei Glühlampen