Elektronisches Vorschaltgerät

Als Vorschaltgerät wird die bei Gasentladungslampen und Leuchtstofflampen zur Strombegrenzung erforderliche Vorrichtung bezeichnet.

Grundlagen

Vorschaltdrossel (KVG) für eine Kompaktleuchtstofflampe 18 Watt

Ein Vorschaltgerät ist zwingend zum Betrieb einer Gasentladungslampe erforderlich. Ansonsten würde der Entladungsstrom durch die zu ihrer Funktion erforderliche Stoßionisation immer weiter ansteigen, bis die Lampe zerstört wird oder die Sicherung anspricht.

Es kann als separates Bauelement in der Leuchte eingebaut sein oder auch im Leuchtmittel (etwa bei sogenannten Energiesparlampen) integriert sein. In diesem Fall kann das Leuchtmittel unmittelbar am Stromnetz betrieben werden.

Vorschaltgeräte können auch die bei manchen Lampen erforderliche Zünd- (je nach Lampentyp Impulse von einigen hundert Volt bis mehrere kV) und Starteinrichtung (Vorheizung der Kathoden bei Leuchtstofflampen) enthalten.

Vorschaltgeräte gibt es in verschiedenen Bauarten:

Konventionelles Vorschaltgerät (KVG)

Vorschaltdrossel (KVG) für eine Hochdruck- Metalldampflampe (eine von zwei Drosseln für 1 Kilowatt Nennleistung zum Betrieb an 400 V)

Sogenannte konventionelle Vorschaltgeräte bestehen aus einer Induktivität oder Drossel, einem meist mit Kupferdraht bewickelten Eisenkern. Bedingt durch den ohmschen Widerstand des Kupfers, die sogenannten Kupferverluste und die Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste im Kern kommt es zu Wärmeentwicklung und Leistungsverlusten von etwa 10–20 % der Lampenleistung. Die Berechnung des induktiven Widerstandes erfolgt hier.

Das KVG ist in Reihe zur Lampe geschaltet und muss zur Lampe passen, da es bei der Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz den Strom der Lampe auf ihren Nennwert begrenzt. Bei Lampen, die ein Zündgerät erfordern (etwa Natriumdampflampen und Halogen-Metalldampflampen), liegt zusätzlich dessen Zündstromkreis in Reihe zur Lampe.

KVG für Leuchtstofflampen benötigen zusätzlich einen sogenannten Starter, der die Glühkathoden beim Start zur Vorheizung direkt in den Stromkreis schaltet (siehe bei Leuchtstofflampe). Glimmstarter verursachen das charakteristische Flackern von Leuchtstofflampen beim Start, Schnellstarter weisen diesen Nachteil nicht auf.

Konventionelle Vorschaltgeräte verursachen aufgrund ihrer Induktivität Blindstrom im Netz. In manchen Fällen sind Leuchten daher mit einem den Blindstrom kompensierenden Kondensator ausgestattet (Blindstromkompensation).
Der Kondensator ist, wenn er parallel zur Netzspannung geschaltet ist, für die Funktion nicht erforderlich.
Teilweise werden auch in Reihe zur Drossel geschaltete Kompensationskondensatoren eingesetzt, um die kapazitive Last beim Einschalten zu verringern (siehe Einschaltstromstoß) und bei Ausfall des Kondensators einen Weiterbetrieb der Leuchte zu erreichen. Deren Kapazitätswert muss eng toleriert sein, um den Nennstrom der Lampe zu gewährleisten. Fallen sie durch Kurzschluss aus, arbeitet die Leuchte ohne Störung weiter, sie ist jedoch nun nicht mehr blindstromkompensiert.

KVG sind äußerst zuverlässig, sie können jahrzehntelang störungsfrei arbeiten und müssen nicht ausgewechselt werden.

Der Verkauf von KVG mit der Energieeffizienzklasse D ist in der EU seit dem 21. Mai 2002 verboten, der von Geräten aus Klasse C seit dem 21. November 2005.

Verlustarmes Vorschaltgerät (VVG)

Verlustarmes Vorschaltgerät (VVG) für eine T8-Leuchtstofflampe mit 18 Watt Leistung

Die so genannten verlustarmen Vorschaltgeräte sind eine Weiterentwicklung der KVG. Die VVG zeichnen sich durch eine geringere Verlustleistung aus. Sie haben allerdings keine große Bedeutung erlangt, weil sie zum Teil größere Abmessungen als die KVGs aufweisen und aufgrund des Einsatzes von größeren Eisenpaketen und besseren Legierungen in der Herstellung materialaufwendiger sind. Die Verluste werden durch einen größeren Wicklungsquerschnitt und hochwertigere Kernwerkstoffe bzw. durch geringere magnetische Flussdichten verringert.

KVG für Leuchtröhren

Konventionelle Vorschaltgeräte für Leuchtröhren und Kaltkathodenröhren sind Streufeldtransformatoren und vereinen die Transformation der Netzspannung in eine hohe Spannung (einige Kilovolt) sowie deren Strombegrenzung. Sie besitzen oft eine Einstellmöglichkeit für den Strom in Form eines mechanisch veränderbaren magnetischen Nebenschlusses.

Elektronisches Vorschaltgerät (EVG)

Elektronisches Vorschaltgerät für Leuchtstofflampen von 18 bis 58 W

Geöffnetes elektronisches Vorschaltgerät

Im Sockel eingebautes EVG einer Energiesparlampe; Durchmesser der Platine 42 mm

Neben KVG gibt es auch elektronische Vorschaltgeräte (EVG). Man unterscheidet Kaltstart-EVG und Warmstart-EVG. Bei Warmstart gibt es noch einseitige und beidseitige Warmstarts.

Kaltstart-EVG zünden die Leuchtstoffröhre sofort nach dem Einschalten mit einer hohen Spannung. Sie beanspruchen die Kathoden beim Start stark, daher reduziert sich die Lebensdauer der Lampe bei diesen erheblich. Sie werden nur in billigen Campingleuchten eingesetzt.

Bei Warmstart-EVG dagegen werden zuerst für einen Zeitraum von etwa 0,5–2 Sekunden die Glühkathoden der Leuchtstoffröhre vorgeheizt und dann erst gezündet. Die Start- und Zündvorgänge von EVG erfolgen im Gegensatz zu konventionellen Vorschaltgeräten (KVG) mit konventionellem Starter flackerfrei. Allerdings ist der Start- und Zündvorgang insgesamt nicht unbedingt schneller als bei KVGs.

EVG betreiben die Gasentladungslampe mit höherer Frequenz. Sie sind kleiner und leichter, haben geringere Verluste als KVG und die Lampe erreicht an ihnen einen höheren Wirkungsgrad.

Grundsätzlich gibt es zwei Bauarten von EVG. Bei Neuausrüstungen kommen vorwiegend EVG mit speziell abgestimmten Leuchten zum Einsatz. Für Modernisierungen werden hingegen von verschiedenen Anbietern auch EVG angeboten, bei denen bereits vorhandene Halterungen weiter verwendet werden. Das EVG wird dabei zwischen die alte Fassung und ein herkömmliches Leuchtmittel kleinerer Bauart gesteckt. Mit diesen Aufsteck-EVG traten allerdings konstruktionsbedingt erhebliche Probleme auf (Lebensdauer der EVG, korrekter Betrieb der Röhre, elektromagnetische Verträglichkeit, fehlende Prüfzeichen und Zulassungen), so dass sich diese Lösung bisher nicht am Markt durchsetzen konnte. Dies betraf den Betrieb von T8-Röhren mit EVG. Seit 2004 haben einzelne Anbieter aber alle notwendigen Zulassungen. Da es mehrfach zu falschen Angaben der Anbieter kam, sollte man auf Prüfbescheide von TÜV, VDE und Bundesamt für Arbeitsschutz achten.

Neue Varianten der Umrüstung sind T5-Röhren in Fassungen für T8. Vorteil hier sind große Einsparungen ohne einen Wechsel der Lampengehäuse, also geringe Umrüstkosten. Man hat alle Vorteile der neuesten T5-Röhrengeneration in den alten Gehäusen.

Der Leistungsfaktor Λ der gesamten Leuchte verändert sich bei dieser Umrüstung von etwa 0,5 auf 0,97. Die alten KVG oder MVG werden nur noch als Netzfilter verwendet, sie verbleiben in der Lampe. Der Nutzer hat zu der geringeren Leistungsaufnahme noch den Vorteil, dass die Verzerrungsblindleistung deutlich abnimmt und somit eine Kompensationsschaltung nicht nötig wird. Im Einsatz in Büros und Geschäften verringert sich zudem auch die nötige Klimatisations-Leistung. Dadurch wird diese Umrüstung noch effektiver. Bei rund 50 € Stromkosten für eine 150-cm-Röhre pro Jahr (5 Tage à 12 Stunden Brenndauer und 16 ct/kWh) liegen hier erhebliche Einsparpotentiale für den Betreiber. Solche Lösungen rechnen sich schon nach ein bis zwei Jahren.

Die Lebensdauer der Umrüst-EVG liegt inzwischen bei rund 15 Jahren. Die T5-Röhren bietet jeder renommierte Anbieter an, die Lebensdauer liegt bei rund 16.000–30.000 Stunden, statt 6.000–8.000 Stunden bei den T8-Röhren. Dazu haben die T5-Röhren nach teils 24.000 Stunden noch 95 % der ursprünglichen Lichtausbeute. T8-Röhren sind meist nach 4.000 Stunden schon 20 % schwächer. Daher kann man T5-Röhren bis zu sechs Jahre betreiben, statt ein Jahr bei T8. Dazu sind T8-Röhren auf 25 °C optimiert. T5-Röhren sind bei 35 °C optimal. Da Deckenleuchten in Einbaukästen oder direkt unter der Decke stark Hitze aufstauen, liefern T8-Röhren dort nur etwa 80 % ihrer Helligkeit. Darum täuscht der geringere angegebene Lichtstrom der T5-Röhren oft. In der Regel bieten 35-W-T5-Röhren mit einem Reflektor ähnlich viel Licht wie eine herkömmliche T8 mit 58 W. Hat man ein KVG mit Drossel, dann kann die alte T8 bis zu 88 Watt pro Röhre verbrauchen. Eine T5 mit EVG liegt bei 35 W, mit intelligenter Heizungssteuerung sogar noch etwas darunter. Dann hat man teils nur 33,5 Watt. Das spart in 20 Stunden 1 kWh, oder 0,6 kg CO₂.

Auf europäischer Ebene gibt es diverse zugelassene Prüfinstitute (in Deutschland etwa TÜV oder VDE, in Österreich OVE), die die EM-Verträglichkeit, als auch Sicherheit prüfen können. Mit solchen Prüfberichten ist dann das System ohne Bedenken einsetzbar. Zu beachten ist immer, dass die richtigen Normen geprüft sind. Gegen zwei Anbieter gab es schon gerichtliche Unterlassungsverfügungen gegen den Betrieb. Ideal ist eine Zulassung durch das Bundesamt für Arbeitsschutz.

Vorteile der EVG sind die bessere Lichtqualität (Flackerfreiheit) bei gleichzeitig geringerem Stromverbrauch sowie die geringeren Eigenverluste gegenüber KVG. Manche EVG bieten die Möglichkeit, die Lampe zu dimmen oder je nach Tageslichteinfall die Leistung zu regeln.

Eine wichtige Eigenschaft der meisten EVG ist die oberwellen- und blindstromfreie Lastcharakteristik am Netz. Fest installierte EVG haben meist eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und somit einen Leistungsfaktor nahe eins, sie benötigen daher keine Blindstromkompensation und verursachen geringere Netzoberwellen als KVG.

EVG in Energiesparlampen müssen jedoch aufgrund der geringen Leistung bisher keine Leistungsfaktorkorrektur haben.

Der hohe Einschaltstromstoß kann je nach Bauart durch eine Begrenzung der Anzahl der EVG innerhalb eines Stromkreises gelöst werden. Auch erreicht die Zuverlässigkeit durch die zum Einsatz kommenden elektronischen Bauteile noch nicht die Werte eines KVG.

Kritisch ist der Betrieb mehrerer EVG mit einem FI-Schutzschalter, da EVG aufgrund enthaltener Netzfilter einen Blindstrom über den Schutzleiter ableiten. Der Ableitstrom muss zwar unter 0,5 mA liegen, im Einschaltmoment ist er jedoch höher. Daher sollte bei einer Neuinstallation mit FI-Schutzschalter darauf geachtet werden, dass dieser impulsstromfest ist oder verzögert auslöst. Als Planungswert sollte für ein sicheres Betreiben nur der halbe Auslösestrom des FI-Schalters angesetzt werden: bei einem FI-Schalter mit einem Auslösestrom von 30 mA ist der halbe Auslösestrom 15 mA;

15 mA / 0,5 mA (pro EVG) = 30 EVG.

Aufsteckbare EVG

Selbstgebaute Lampe mit 12V-EVG-Modul (offen)

Leuchten mit KVG für T8-Röhren lassen sich mit Aufsteck-EVG auf kürzere T5-Röhren kleinerer Leistung umrüsten. Diese EVG werden als Adapter-Set beidseitig zwischen Röhre und alte Leuchten-Fassung gesteckt. Sie liefern flimmerfreien Betrieb der T5-Röhren und sparen bis 50 % der Stromkosten. Die T5-Lampe hat allerdings einen ca. 30 % niedrigeren Lichtstrom, so dass auch die Beleuchtungsstärke entsprechend abnimmt. Durch Verwendung hochwertiger Spiegelreflektoren kann dieser Verlust aber unter Umständen ausgeglichen werden. Bei der Umrüstung bleibt die konventionelle Vorschaltdrossel im Stromkreis, was den Wirkungsgrad gegenüber Lampen mit fest eingebautem EVG etwas verringert. Der Starter der konventionellen Leuchte wird bei der Umrüstung durch einen Überbrücker (Gleiche Bauform, jedoch kurzgeschlossene Anschlüsse, teilweise mit Feinsicherung) ersetzt. Betreffende Studien finden Sie unter http://electricity-research.ch/pages/berichte/2008/sb07-metas-t5adapter-sb-v6-2008-02-20.pdf

EVG zum Betrieb an Kleinspannung

Lampe, betrieben mit 12V-Akku

Es gibt auch EVGs für den Betrieb mit Niedervolt-Gleichspannung (12 oder 24 Volt). Diese können an einer Batterie betrieben werden, was sie für den Einsatz mit Solaranlagen, in Fahrzeugen, auf Booten oder im Kleingarten tauglich macht.

Oft sind solche Lampen wie auch Netzspannungs-Energiesparlampen mit einem E27-Schraubsockel ausgestattet, dadurch besteht eine hohe Verwechslungsgefahr.

EVG für Leuchtröhren

EVG für Leuchtröhren

Vorschaltgeräte für Kaltkathodenröhren (CCFL, Hintergrundbeleuchtung von LCD und Leuchtröhren für Werbung) werden oft als Inverter bezeichnet; sie erzeugen aus der Batterie- oder Netzspannung eine strombegrenzte Hochspannung (500 V bis einige kV) hoher Frequenz und benötigen keine Vorheizfunktion.

EVG für Kaltkathodenröhren besitzen oft eine elektronische oder mechanische (Potentiometer) Dimmfunktion.

In der Lichtwerbung werden häufig mehrere Leuchtröhren in Reihe an einem Vorschalt- bzw. Stromversorgungsgerät betrieben. Deren maximale Wechselspannung ist durch VDE-Vorschriften auf 7,5 kV beschränkt.

Literatur

• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag - Europa - Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9
• Alfred Hösl, Roland Ayx, Hans Werner Busch: Die vorschriftsmäßige Elektroinstallation, Wohnungsbau-Gewerbe-Industrie. 18. Auflage, Hüthing Verlag, Heidelberg, 2003, ISBN 3-7785-2909-9

Siehe auch

• Leuchtstoffröhre
• Gasentladungslampe
• Metalldampflampe
• Tandemschaltung
• Duoschaltung

Weblinks

• Celma.org - Verband der nationalen Verbände der Hersteller von Leuchten und elektrotechnischen Komponenten für Leuchten in der EU.