Glühlampe (Nutzung)

Einsatzmöglichkeiten

Ein Vorteil der Glühlampe ist, dass sie stufenlos gedimmt werden kann. Viele Energiesparlampen (insbesondere Kompaktleuchtstofflampen, teilweise LED-Lampen) sind nicht dimmbar; einige sind stufenweise dimmbar; stufenlos dimmbare Energiesparlampen sind jedoch deutlich teurer. Nachteilig ist der starke Rückgang der Lichtausbeute beim Dimmen einer Glühlampe.

Ein weiterer Vorteil ist die sofortige volle Helligkeit, sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen. Demgegenüber ist die Helligkeit der meisten Energiesparlampen temperaturabhängig, die volle Helligkeit stellt sich bei Kompaktleuchtstofflampen erst verzögert ein. Insbesondere LED-Lampen vertragen keine hohen Umgebungstemperaturen.

Glühlampen funktionieren mit jeder Frequenz (bis > 100 MHz) und auch mit Gleichstrom (Notstromanlagen, Automobile).

Glühlampen werden außer zur Beleuchtung weiterhin verwendet:

• Nahinfrarot- bzw. Wärmestrahler (z. B. zur Lacktrocknung, Tierhaltung, in der Fixierwalze von Laserdruckern und Xerox-Kopierern, in Thermokopierern)
• Signalisation (Ampeln, Durchgangsprüfer usw.)
• Kaltleiter (Überlastsicherung, Amplitudenregelung)
• Strahlungsquelle in Spektrometern

Lebensdauer

Lebensdauer und Helligkeit in Abhängigkeit von der Betriebsspannung (nicht gültig für Halogenlampen)

Die Lebensdauer einer Glühlampe sinkt mit steigender Lichtausbeute, bedingt durch die höhere Glühfadentemperatur drastisch ab. Bei 2700 K erreichen konventionelle Glühlampen eine Standzeit von etwa 1000 Stunden, bei 3400 K (Studiolampen) nur wenige Stunden. Wie das Diagramm zeigt, verdoppelt sich die Helligkeit, wenn man die Betriebsspannung um 20 % erhöht. Gleichzeitig reduziert sich die Lebensdauer um 95 %. Eine Halbierung der Betriebsspannung (zum Beispiel durch Reihenschaltung zweier gleichartiger Glühlampen) verringert demnach zwar die Lichtausbeute, verlängert aber die Lebensdauer um mehr als das Tausendfache.

Sind die Kosten für das Auswechseln einer Lampe hoch (Ersatzbeschaffung, Montage), kann zu Gunsten einer höheren Lebensdauer auf eine hohe Lichtausbeute verzichtet und die Betriebsspannung abgesenkt werden. Signallampen sind meist umständlich zu wechseln oder sollen möglichst selten ausfallen. Hier werden Glühlampen oft bei geringer Lichtausbeute betrieben.

Die Lebensdauer einer Glühlampe endet nicht durch gleichmäßiges Abdampfen von Wendelmaterial, sondern durch das Durchbrennen an einer Stelle. Grund ist eine Instabilität, die mit der Zunahme des elektrischen Widerstandes mit der Temperatur zusammenhängt: Stellen des Glühfadens, die nur wenig dünner sind und sich beim Einschalten zunächst nur aufgrund der höheren Stromdichte schneller aufheizen, haben dann auch noch aufgrund ihrer Übertemperatur einen höheren Widerstand, heizen sich kurzzeitig extrem auf und verlieren dabei etwas Material durch Verdampfen. Beim nächsten Einschalten verschärft sich das Problem. Beim letzten Einschalten kann sich von der Unterbrechungsstelle ausgehend ein Störlichtbogen bilden, der sich bis zu den Anschlussdrähten ausbreiten kann und ohne sonstige Schutzmaßnahmen zur Auslösung der übergeordneten Überstromschutzeinrichtung führen kann. Um die Auslösung der übergeordneten Schutzeinrichtung zu vermeiden, haben manche Glühlampen eine entsprechend dimensionierte Feinsicherung im Sockel eingebaut.

Eine Möglichkeit, die Lebensdauer zu verlängern, ist daher die Begrenzung des Einschaltstroms oder die in der Veranstaltungstechnik häufig angewandte Vorheizung (englisch Pre Heat) durch einen permanenten Stromfluss knapp unterhalb der Leuchtschwelle.

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

Kompromiss zwischen Lebensdauer und Lichtausbeute

Die Dimensionierung von Glühlampen bei gegebener Betriebsspannung ist ein Kompromiss zwischen Lebensdauer und Lichtausbeute und ergibt sich laut der Hersteller neben den technologischen Fähigkeiten der verschiedenen Hersteller wesentlich aus der vorgesehenen Anwendung.

Durch eine Füllung mit dem teuren Edelgas Krypton wird die Abdampfrate verringert und bei den herstellungstechnisch anspruchsvolleren Halogen-Glühlampen wird sogar ein gewisser Rücktransport des abgedampften Wolframs erreicht. Entscheidenden Einfluss hat jedoch die Temperatur und die Dicke des Glühfadens.

Eine übliche 60-W-Allgebrauchsglühlampe für 230 V mit 1000 h Lebensdauer erzeugt z. B. einen Lichtstrom von 710 lm, also 11,8 lm/W.

Eine 60-W-Glühlampe für Signalanwendungen mit 8000 Stunden Lebensdauer erzeugt 420 lm (7 lm/W); eine mit 14 000 Stunden Lebensdauer 380 lm (6 lm/W)

Niedervolt-Glühlampen schneiden hinsichtlich Lebensdauer und Effizienz günstiger ab. Signallampen („Sig“) beispielsweise für Lichtsignale mit dem Bajonettsockel BA 20d und Betriebsspannungen zwischen 12 und 50 V erzielen z. B. eine Lichtausbeute um 13 lm/W und haben eine mittlere Lebensdauer von 8000 bis 12 000 Stunden. Der Vorteil einer geringeren Speisespannung ist in diesem Fall eine durch dickeren Draht mechanisch stabilere Wendel, die ihre Form im Betrieb nicht verändert. Die Wendel für Spannungen zwischen 30 und 50 Volt neigen nach längerer Betriebszeit zum Durchhängen, was aufgrund der engen Fokussierung des Lichtaustritts zu einer verschlechterten Sichtweite führt. Deshalb wird die Spannung der Lampenstromkreise etwa seit den 1960ern direkt am Signal heruntertransformiert.

Die übliche Lebensdauer von Glühlampen unterscheidet sich erheblich. So haben in der EU übliche Lampen für 230 V eine Lebensdauererwartung von 1000 Stunden. In den USA (Netzspannung 120 V) werden auch Lampen mit bis zu 20 000 Stunden Lebensdauererwartung angeboten. Die Lichtausbeute einer solchen 60-Watt-Glühlampe beträgt allerdings nur 9,6 lm/W.

Halogenglühlampen werden mit ca. 50 bis 6000 h Lebenserwartung angeboten, für Verkehrsampeln mit bis zu 15 000 Stunden. Entsprechend breit streut die Lichtausbeute.

Bei gleicher Leistung haben Glühlampen für geringere Nennspannung einen dickeren Glühfaden und damit eine höhere Lebensdauer. Umgekehrt lässt sich mit Niedervolt-Glühlampen bei gleicher Lebensdauer eine höhere Lichtausbeute erzielen. Die tatsächlich erreichte Lebensdauer hängt jedoch deutlich von den Einsatzparametern ab:

• Genaue Einhaltung der Nennspannung (die mögliche Netz-Plustoleranz von 15 % verkürzt die Lebensdauer auf weniger als ein Fünftel)
• Erschütterungen im Betrieb
• Umgebungstemperatur
• Häufiges Aus- und Einschalten: vorzugsweise ein bereits dünn gewordener Teil des Glühfadens wird aufgrund dessen geringerer Wärmekapazität beim Einschalten zerstört. Aufgrund des geringen Widerstandes des restlichen noch kalten Glühfadens (Kaltleitereffekt) fließt überdies im ersten Moment ein besonders hoher Strom.

Für Anwendungen, bei denen das Auswechseln aufwendig oder eine hohe Zuverlässigkeit erforderlich ist, gibt es Glühlampen, die eine lange Lebensdauer, verbunden mit einer ähnlich geringen Lichtausbeute wie frühe Glühlampen, erreichen: Sogenannte Sig-Lampen erreichen 14 000 h mittlere Lebensdauer (Hochvolt-Kryptonlampen).

Die Lebensdauer von Projektor-Glühlampen beträgt hingegen aufgrund der hohen Glühfadentemperaturen (hohe Effizienz und Leuchtdichte) oft nur 50 bis zu wenigen 100 Stunden. Projektor-Halogen-Lampen für 24 V/250 W erreichen bei einer Lebensdauer von 50 Stunden einen Lichtstrom von 10 000 lm (40 lm/W). Für Fotoaufnahmen und Belichtung von Fotomaterial gab es bereits früher konventionelle, mattierte Spezialglühlampen mit großem Kolben (zum Beispiel OSRAM Nitraphot S), die eine für Glühlampen sehr hohe Farbtemperatur von 3400 K erreichen. Diese Lampen haben einen Lichtstrom von etwa 4200 lm bei 200 W, also die bis zu vierfache Lichtausbeute einer hinsichtlich Leistung und Nennspannung vergleichbaren Allgebrauchs-Glühlampe, sowie die doppelte einer Halogenglühlampe mit einer Lebensdauer von 2000 Stunden.

Kraftfahrzeug-Glühlampen wiederum sind statt für ihre Nennspannung von 12 oder 24 V für die 14 oder 28 V des Bordnetzes ausgelegt. Die Betriebsspannung von Niedervolt-Halogen-Anlagen für Halogenglühlampen einer Nennspannung von 12 V beträgt demgegenüber oft nur 11,5 V.

Die auf durchschnittlich 1000 h begrenzte Lebensdauer bei Allgebrauchsglühlampen wird im Dokumentarfilm Kaufen für die Müllhalde von Cosima Dannoritzer auf Absprachen des weltumspannenden Phoebuskartells aus den 1920er Jahren zurückgeführt, unter damaliger Federführung von General Electric. Die Begrenzung wird regelmäßig als Beispiel für geplante Obsoleszenz genannt. Das Kartell wurde 1941 offiziell aufgelöst; 1953 wurden die Betreiber rechtmäßig verurteilt und ihnen unter anderem die Reduzierung der Lebensdauer von Glühlampen verboten. Die übliche Lebensdauer von Allgebrauchslampen ist jedoch weiterhin 1000 h.

Beispiele für längere Lebensdauer

Die Kohlefaden-Glühlampe in Livermore im November 2013

Das Centennial Light (englisch hundertjähriges Licht) leuchtet seit 1901 fast ununterbrochen in der Feuerwache von Livermore im US-Bundesstaat Kalifornien. Von dieser 60-Watt-Kohlefadenlampe heißt es jedoch, sie „scheine zurzeit mit 4 Watt“.

1928 fanden Bauarbeiter in einem Theater in Glasgow hinter einer vermauerten Tür einen vergessenen Raum, in dem sich eine brennende Glühlampe und ein Kalender aus dem Jahr 1906 befanden; die Lampe leuchtete also wahrscheinlich 22 Jahre lang ununterbrochen. Unter dem Pseudonym Michael Gesell schrieb Otto Ernst Hesse am 7. Juni 1928 in der Vossischen Zeitung darüber:

„Der Verbrauchsanspruch dieser Wunderlampe scheint in diesen Jahren nicht besonders gestiegen zu sein. Sonst hätte – nach den Theorien der Elektrotechniker – das Theater gewiß mittlerweile wegen zu hoher Elektrizitätsrechnungen pleite gemacht.“

– Artikel von 1928

1981 begann die ungarische Firma Tungsram mit der Produktion einer „Resista“ genannten Glühbirne, die eine Lebensdauer von 2500 Stunden aufwies und in den Folgejahren unter der Bezeichnung „Langlebensdauer-Glühlampe“ auch vom DDR-Leuchtmittelhersteller Narva hergestellt wurde. Chinesische Glühlampen besitzen sogar eine Regellebensdauer von 5000 Stunden.