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Fit für die Prüfung
Schaltungen von Leuchtstofflampen
Teil 1: Standardschaltung
Elektromeister Heinz Huber hat mehrere Prüfungsaufgaben aus ehemaligen Gesellenprüfungen von seinen
Kollegen bekommen. Heute hat er eine Aufgabe zu Beleuchtungsanlagen mit Leuchtstofflampen herausgesucht, die er gemeinsam mit seinem Lehrling Max Meier durcharbeitet. Wie immer nutzt Heinz Huber
die Gelegenheit, nicht nur die gestellten Aufgaben zu lösen, sondern die angesprochenen Themen umfassend und praxisnah mit Max zu besprechen. Auch bei dieser Aufgabe zeigt sich schnell, dass Max an der
einen oder anderen Stelle noch Wissenslücken hat.
Heinz Huber: Hallo Max, ich hatte dir ja bereits angekündigt,
dass wir heute eine weitere Aufgabe aus einer früheren
Gesellenprüfung bearbeiten wollen, die sich auf Beleuchtungsanlagen mit Leuchtstofflampen bezieht. Dabei geht es
um die Teilsanierung eines Schulgebäudes in Musterstadt.
U. a. werden die vorhandenen Beleuchtungsanlagen instandgesetzt oder durch neue Anlagen ersetzt.
zwei Lichtbänder mit je sechs zweiflammigen Leuchten mit
Hochglanz-Spiegelreflektoren und Leuchtstofflampen vom
Typ 35 W / 840 vorgesehen. Die direkt / indirekt strahlenden
Leuchten werden 50 cm von der Decke abgehängt. Sie sollen
mit dimmbaren elektronischen Vorschaltgeräten (EVG) mit
Dali-Schnittstelle in Kombination mit tageslichtabhängigen
Beleuchtungsregelungen und Anwesenheitsdetektionen betrieben werden.
Kundenorientierter Auftrag
Aufgrund der begrenzten Haushaltsmittel hat der Stadtrat
beschlossen, dass die Leuchten in den Fluren und Nebenräumen zunächst nicht ausgetauscht, sondern soweit notwendig instandgesetzt werden. Bei der Besichtigung der vorhandenen, quadratischen Wannenleuchten in diesen Räumen
zeigt sich, dass bei mehreren zwei der vier eingebauten 18W-Lampen, in einigen Fällen auch alle vier Lampen, ausgefallen sind.
In den acht Unterrichtsräumen werden die alten Beleuchtungsanlagen durch neue Leuchten ersetzt. Dabei steht, bei
Einhaltung der lichttechnischen Anforderungen an Unterrichtsräume nach DIN EN 12464-1, die Einsparung von Energie im Vordergrund. Der Wartungswert der Beleuchtungsstärke wurde aufgrund der zusätzlichen Nutzung der Räume
durch die örtliche Volkshochschule zur Erwachsenenbildung
auf Em = 500 lx festgelegt (siehe Tabelle 5.6 aus DIN EN
12464-1).
Nach der Beleuchtungsplanung, die mit der Software
»DIALux« ausgeführt wurde, sind in jedem Unterrichtsraum
de 15 – 16 /2010
Fragen zur Ausführung des Auftrags
Bevor die Arbeiten zur Sanierung beginnen, sind folgende
Fragen zu klären:
• Wie ist es möglich, dass bei den defekten Leuchten in den
Fluren und Nebenräumen die Lampen immer paarweise
ausgefallen sind?
• Bei den vorhandenen alten Leuchten in den Unterrichtsräumen mit einer Leistung von 2 x 58 W sind Kondensatoren
mit einer Kapazität von C = 5,3 µF eingebaut. Wozu dienen
die Kondensatoren?
AUFGABE 1
Die Lichtausbeute η von Leuchtstofflampen wird berechnet
aus dem abgegebenen Lichtstrom Φ0 in Lumen (z. B. 5 200 lm)
und der Leistung P der Lampe in W (z. B. 58 W). Wie wirkt sich
die Verlustleistung des Vorschaltgerätes auf die Lichtausbeute des Gesamtsystems aus Lampe und Vorschaltgerät aus?
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L1
U = 230 V
N
R1
Vorschaltgerät
(Drosselspule)
E1 Leuchtstofflampe
Lampenelektroden
Glimmzünder
Entstörkondensator
Startergehäuse
A1
Bild 1: Standardschaltung (induktive Schaltung)
einer Leuchtstofflampe
• Die neuen Leuchten für die Unterrichtsräume werden ohne
Kondensatoren geliefert. Ist das richtig oder müssen diese
nachgerüstet werden?
• Für den Schutz gegen Überlast und Kurzschluss der Stromkreise für die neuen Leuchten sind Leitungsschutzschalter
vorgesehen. Welcher Typ und Bemessungsstrom ist für die
Leitungsschutzschalter zu wählen, wenn jeder Raum über
einen separaten Beleuchtungsstromkreis versorgt wird?
• Mit wieviel Adern sind die Leuchtenzuleitungen zu planen,
wenn zu einem späteren Zeitpunkt eine zentrale Steuerung
und Überwachung der Leuchten mittels der Dali-Schnittstellen an den EVGs über die Gebäudeleittechnik (KNX) möglich sein soll?
• Welcher Leitungsquerschnitt ist für die Leuchtenzuleitungen in den Unterrichtsräumen erforderlich, wenn diese
etwa 25 m lang sind und als Mantelleitungen vom Typ NYM
einzeln in der wärmegedämmten Decke verlegt werden?
Heinz Huber: Zunächst sollten wir uns mit den teilweise
defekten Beleuchtungsanlagen in den Fluren und Nebenräumen beschäftigen. Kannst du mir einen Grund nennen, weshalb bei den defekten Leuchten die Lampen immer paarweise ausgefallen sind, d. h. entweder zwei oder vier
Lampen?
Max: Eigentlich kann ich mir nur vorstellen, dass das reiner
Zufall ist. Warum sollte nicht eine einzelne Lampe defekt
sein?
Heinz Huber: Natürlich kann auch eine einzelne Lampe
defekt sein. Allerdings ist es von der angewandten Schaltung
der Leuchtstofflampen innerhalb der Leuchte abhängig, ob
sich der Ausfall einer einzelnen Lampe auch auf andere
Lampen auswirkt. Ich sehe schon, wir müssen uns doch etwas
intensiver mit den einzelnen Schaltungsvarianten von
Leuchtstofflampen beschäftigen.
Max: Eigentlich dachte ich immer, ich kenne mich damit aus.
Unterschieden werden Leuchten für Leuchtstofflampen mit
herkömmlichen Vorschaltgeräten und solche, wie die neuen
in dem Kundenauftrag, mit elektronischen Vorschaltgeräten
(EVGs).
Heinz Huber: Nun Max, so einfach ist das leider nicht. Es ist
zwar richtig, dass bei Neuanlagen aufgrund der geringeren
Verlustleistung und einiger weiterer Vorteile fast nur noch
elektronische Vorschaltgeräte zum Einsatz kommen. In Altanlagen wirst du aber überwiegend herkömmliche Vorschaltgeräte vorfinden, die in mehreren verschiedenen
Schaltungsvarianten angewandt wurden. Die unterschiedlichen Schaltungen musst du als Elektrofachkraft, ebenso
wie die Schaltungen mit elektronischen Vorschaltgeräten,
kennen.
Die Standardschaltung von Leuchtstofflampen
Max: Die Standardschaltung einer Leuchtstofflampe mit
einem herkömmlichen Vorschaltgerät kenne ich.
Bevor Heinz Huber etwas dazu sagen kann, beginnt Max
zu zeichnen (Bild 1).
Wenn eine Leuchtstofflampe eingeschaltet wird
Bild 2: Geöffneter Starter mit Glimmzünder und
Entstörkondensator
84
Heinz Huber: Sehr gut, Max, damit habe ich gar nicht gerechnet. Wenn du die Schaltung so gut kennst, kannst du mir
sicher auch deren Funktion beim Einschaltvorgang und beim
Betrieb der Lampe erläutern.
Max: Ja, das haben wir in der Berufsschule gelernt.
a) Nach Anlegen der Netzspannung liegt eine Spannung in
Höhe von annähernd 230 V am Glimmzünder des Starters
(Bild 2) an. Der gasgefüllte Glimmzünder wird gezündet,
und infolge der Glimmentladung zwischen den Bimetallelektroden fließt zunächst ein kleiner Strom über das Vorschaltgerät und die Elektroden (Heizwendel) der Leuchtstofflampe (Bild 3a).
b) Die bei der Glimmentladung entstehende Wärme führt
zum Verbiegen der Bimetallelektroden und nach kurzer
Zeit zum Schließen der Glimmzünderkontakte.
c) Durch den jetzt fließenden wesentlich höheren Strom werden die Elektroden (Heizwendel) der Lampe intensiv
erwärmt (vorgeheizt). Die dabei aus den Heizwendeln austretenden Elektronen ionisieren die Gasatmosphäre der
Lampe im Bereich der Heizwendel (Bild 3b).
d) Da nach dem Schließen der Glimmzünderkontakte die
Glimmentladung im Glimmzünder erloschen ist, kühlen die
de 15– 16/2010
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Bimetallelektroden während der Vorheizung der Lampe
AUFGABE 2
ab und öffnen den Stromkreis.
e) Durch die Unterbrechung des relativ hohen Vorheizstroms
Beim Messen der Betriebswerte an einer Leuchtstofflampe
entsteht im Vorschaltgerät infolge der Selbstinduktion ein
vom Typ 36 W / 840, mit herkömmlichem Vorschaltgerät in
Spannungsstoß, der in Überlagerung mit der angelegten
Standardschaltung, werden folgende Messwerte festgestellt:
Netzspannung zur Zündung der Lampe führt (Bild 3c).
U = 231 V, UVorschalt = 191 V, UBrenn = 102 V, I = 0,47 A
f) Der nun fließende Lampenstrom führt zu einem SpannungsBeim Addieren der Spannungen UVorschalt und UBrenn ergibt
abfall am Vorschaltgerät. An der Lampe liegt nur noch eine
sich eine Gesamtspannung, die höher ist als die angelegte
reduzierte Spannung an, die Brennspannung (Bild 3d). Die
Netzspannung. Wo liegt der Gedankenfehler?
Brennspannung ist abhängig vom Typ, der Alterung und
Temperatur der Lampe. Sie liegt zwischen 60V und 130V.
kern der Drosselspule. Diese Verlustleistung ist aber geringer
g) Nach Zündung der Lampe ist die parallel am Glimmzünder
als bei der Verwendung eines Vorwiderstandes.
anliegende Brennspannung zu gering, um eine erneute
Heinz Huber: Hast du eine Vorstellung davon, wie groß die
Glimmentladung bzw. einen erneuten Startvorgang ausVerlustleistung eines Vorschaltgerätes (Drosselspule) für eine
zulösen.
58-W-Leuchtstofflampe ist?
h) Wenn der beschriebene Zündversuch nicht zum Zünden
Max: Ich schätze, dass diese bei etwa 10 W liegt.
der Lampe führt, wiederholen sich die vorstehend beHeinz Huber: Die Größenordnung stimmt. Wegen der Verschriebenen Vorgänge solange, bis die Zündung erfolglustleistung des Vorschaltgerätes erhöht sich die Gesamtleisreich ist oder die Lampe abgeschaltet wird.
tung der Schaltung demzufolge auf etwa 68 W. Wir werden
Heinz Huber: Den Einschaltvorgang hast du sehr gut erklärt.
auf diese Thematik zu einem späteren Zeitpunkt noch einmal
Vielleicht kannst du noch einmal kurz die Aufgaben des Vorzurückkommen, wenn wir uns mit der Energieeffizienz von
schaltgerätes zusammenfassen. Wieso kann man anstelle der
Vorschaltgeräten beschäftigen.
Drosselspule nicht einfach einen Vorwiderstand einbauen?
Zunächst habe ich aber noch eine andere Frage. Du hast
Max: Die Drosselspule als Vorschaltgerät hat eine Doppelaufgesagt, dass wir den induktiven Widerstand der Drosselspule
gabe. Sie erzeugt beim Einschalten der Leuchtstofflampe in
Verbindung mit dem Glimmzünder einen Spannungsimpuls durch
L1
N
L1
N
Selbstinduktion zum Zünden der
U = 230 V
U = 230 V
Lampe und stabilisiert während
Vorschaltgerät
Vorschaltgerät
des Betriebs den Strom. Ein Vor(Drosselspule)
(Drosselspule)
widerstand könnte zwar den
IHeiz
IHeiz
IGlimm
IGlimm
Strom stabilisieren, aber keinen
Ionisierung der Lampe
Spannungsimpuls zum Zünden
Leuchtstofflampe
durch Elektronenaustritt
Leuchtstofflampe
der Lampe liefern, weil keine
Selbstinduktion möglich ist.
vorgeheizte Lampenelektroden
Lampenelektroden (Heizwendel)
Heinz Huber: Ja, Max, das hast du
richtig erkannt. Es gibt aber noch
IHeiz
IHeiz
IGlimm
IGlimm
einen weiteren Punkt, der für die
Glimmzünderkontakt
Glimmentladung
größerer
Strom
zur
geringer Strom durch
geschlossen
Vorheizung der
Starter
Nutzung einer Drosselspule zur
Starter
Glimmentladung
Lampenelektroden
Strombegrenzung spricht. Das hat
etwas mit der Verlustleistung zu
Bild 3a: Erwärmung der BimeBild 3b: Vorheizen der Lampenelektun.
tallelektroden im Glimmzünder
troden (Heizwendel) und Ionisieren
Max: Bei Nutzung des induktiven
durch Glimmentladung
der Leuchtstofflampe bei geschlosseWiderstands der Drosselspule zur
nem Glimmzünderkontakt
Stromstabilisierung ist die VerL1
N
lustleistung am Vorschaltgerät
U = 230 V
L1
N
Selbstinduktion
beim
wesentlich geringer, als wenn wir
U = 230 V
Öffnen des Glimmzünders
U =
dafür einen entsprechenden VorVorschaltgerät
mehrere
(Drosselspule)
Vorschaltgerät
100 V
widerstand verwenden würden.
U
(Drosselspule)
ILampe
ILampe
Die am induktiven Widerstand
ILampe
ILampe
Zündung der ionisierten Lampe
der Drosselspule auftretende inLeuchtstofflampe
durch Selbstinduktionsspannung
Lampenelektroden werden
Leuchtstofflampe
duktive Blindleistung wird vom
durch den Lampenstrom geheizt
ILampe
ILampe
Wirkarbeitszähler nicht gemessen
ILampe
ILampe
vorgeheizte Lampenelektroden
und sie geht somit nicht in die LeisUBrenn (Brennspannung an der Lampe)
tungsbilanz der Lampenschaltung
ein.
Glimmzünderkontakt
Brennspannung ist zu
öffnet nach Abkühlung
Heinz Huber: Heißt das, dass die
Starter
gering, um den Glimmzünder erneut zu zünden
Starter
Drosselspule keine Verlustleistung
hat?
Bild 3c: Selbstinduktion im VorMax: Nein, es entstehen Verluste
schaltgerät und Zündung der
Bild 3d: Betrieb der Leuchtstoffam ohmschen Widerstand der
Lampe beim Öffnen des Glimmlampe nach erfolgter Zündung
Kupferwicklung und durch Umzünderkontaktes nach Abkühlung
magnetisierungsverluste im Eisenind
Vorschalt
de 15 – 16 /2010
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Dipl.-Ing. (FH)
Christiane Decker
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Bild 4: Fehlerhafter Betrieb einer Leuchtstofflampe
bei defektem Starter
zur Stromstabilisierung für die Lampe nutzen. Hat das neben
den erwähnten Vorteilen auch Nachteile?
Max: Infolge der Induktivität des Vorschaltgerätes haben
unkompensierte Leuchtstofflampen einen relativ geringen
induktiven Leistungsfaktor von etwa cos ϕ = 0,5. Die Standardschaltung wird deshalb auch als induktive Schaltung
bezeichnet. Von Nachteil ist der aus dem schlechten Leistungsfaktor resultierende hohe Anteil an induktiver Blindleistung. Die Blindleistung belastet in einem erheblichen Maß
die elektrischen Anlagen, insbesondere die Kabel, Leitungen
und Schaltgeräte. Sie wird von einem Wirkarbeitszähler nicht
gemessen, sondern nur von dem in größeren elektrischen
Anlagen zusätzlich vorhandenen Blindarbeitszähler.
Häufige Fehler bei Leuchtstofflampen
Heinz Huber: Sehr gut Max, wir werden uns das Ganze im
Zusammenhang mit der Kompensation von Leuchtstofflampen noch genauer ansehen. Zunächst sollten wir aber noch
die am häufigsten auftretenden Fehler besprechen, die bei
Leuchtstofflampen auftreten. Häufig sieht man, dass eine
Leuchtstofflampe ständig ein- und ausschaltet (flackert). Vielleicht kannst du mir einen Grund dafür nennen.
Max: Mit zunehmendem Alter der Lampe nimmt die Brennspannung an den Lampenelektroden stetig zu, während
gleichzeitig die Zündspannung des Glimmzünders abnimmt.
Wenn die Brennspannung die Zündspannung des Glimmzünders überschreitet, kommt es trotz gezündeter Lampe zu
einer Glimmentladung, bis die Kontakte des Glimmzünders
schließen. Die parallel geschaltete Lampe wird kurzgeschlossen, geht aus und wird erneut vorgeheizt. Nach dem Abkühlen und Öffnen der Glimmzünderkontakte wird die Lampe
wieder gezündet. Dieses Erlöschen und Wiederzünden (Flackern) wiederholt sich solange, bis die Lampe ausgetauscht
wird oder eine der Lampenelektroden durchbrennt. Beim
Lampenwechsel sollte auch immer der Starter ersetzt
werden, weil er mit der Lampe altert. Ein Starter mit abge-
AUFGABE 3
brannten Kontakten und veränderter Zündspannung führt
ansonsten zu einem verfrühten Ausfall der neuen Leuchtstofflampe.
Heinz Huber: Das ist richtig, Max, das hast du gut begründet.
Und woran kann es liegen, wenn nur die Enden einer Leuchtstofflampe mit den Elektroden hell sind (Bild 4).
Max: Das weiß ich nicht.
Heinz Huber: Bei diesem Fehlerbild ist der Starter defekt und
muss ausgetauscht werden. Entweder ist der Entstörkondensator durchgeschlagen und schließt so den Glimmzünder kurz
oder die Kontakte des Glimmzünders sind verschweißt. In
beiden Fällen ist der Stromkreis über den Starter dauerhaft
geschlossen, die Lampe ist kurzgeschlossen und wird ständig
vorgeheizt. Die aufgeheizten Lampenelektroden erzeugen
das Licht an den Lampenenden – die Heizwendel wirken wie
Glühlampen. Nachteilig ist dabei die schnelle Alterung der
Lampe infolge der hohen Elektrodentemperaturen. In solchen Fällen sollte deshalb nicht nur der defekte Starter, sondern ebenfalls die Lampe ausgetauscht werden.
Ein weiteres Problem ist die erhebliche Erwärmung des
Vorschaltgerätes durch den über lange Zeit fließenden, relativ hohen Vorheizstrom. Bei nicht fachgerechter Montage
einer dafür nicht zugelassenen Leuchte auf leicht-, normaloder schwerentflammbaren Baustoffen oder bei Ablagerungen von brennbaren Stäuben oder Faserstoffen besteht eine
hohe Brandgefahr infolge der Überhitzung (siehe Tabelle 1 in
»de« 6 / 2010, S. 76).
Max: Das habe ich verstanden.
Heinz Huber: Dann kannst du mir sicher auch noch sagen,
welche Fehler vorliegen können, wenn die Lampe überhaupt
nicht startet, obwohl Netzspannung an den Anschlussklemmen anliegt.
Max: Ich denke, da gibt es eine ganze Reihe von Ursachen:
• der Glimmzünder im Starter ist defekt (keine Glimmentladung),
• eine oder beide Lampenelektroden sind unterbrochen,
• das Vorschaltgerät ist defekt (Unterbrechung),
• die Lampe oder der Starter sind nicht richtig eingesetzt,
• es sind Wackelkontakte an den Fassungen und Klemmverbindungen vorhanden.
Wenn in solchen Fällen der Austausch von Lampe und Starter
keinen Erfolg bringen, muss ich die Fehlerursache durch
Spannungsmessungen und Durchgangsprüfungen ermitteln.
Heinz Huber: Das ist richtig, Max. Wenn du mir jetzt folgende
Frage beantworten kannst, bin ich sehr zufrieden mit dir. Was
passiert eigentlich, wenn das Vorschaltgerät keine Unterbrechung hat, sondern einen Windungsschluss?
Max: Bei einem Windungsschluss hat das Vorschaltgerät eine
geringere Induktivität und somit einen kleineren induktiven
Widerstand und Scheinwiderstand. Daraus folgt, dass nach
Zündung der Lampe der lawinenartig ansteigende Lampenstrom nicht mehr in ausreichendem Maß begrenzt werden
kann und die Lampe zerstört wird.
(Fortsetzung folgt)
Bei dem im Bild 4 gezeigten Fehler wird bei eingeschalteter
Leuchtstofflampe versuchsweise der Starter herausgenommen. Wie wirkt sich diese Maßnahme aus?
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Werner Baade,
Fachjournalist, Bad Zwischenahn
de 15– 16/2010