Vorschaltgerät
Als Vorschaltgerät wird die bei Gasentladungslampen und Leuchtstofflampen zur Strombegrenzung erforderliche Vorrichtung bezeichnet.
Grundlagen
Ein Vorschaltgerät wird zum Betrieb einer Gasentladungslampe benötigt. Anderenfalls würde der Entladungsstrom durch die zu ihrer Funktion erforderliche Stoßionisation immer weiter ansteigen, bis die Lampe zerstört oder die Sicherung ausgelöst wird.
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 Elektroden / Glühwendeln bei Leuchtstofflampen) enthalten.
Vorschaltgeräte (VG) gibt es in zwei Bauarten:
- sogenannte Konventionelle Vorschaltgeräte (kurz KVG, herkömmliche Vorschaltdrosseln)
- Elektronische Vorschaltgeräte (Abkürzung EVG)
Konventionelle Vorschaltgeräte (KVG)
Konventionelle Vorschaltgeräte sind Vorschaltdrosseln, die bei Netzfrequenz arbeiten und aus einem Eisenkern mit Luftspalt und einer Kupfer- oder Aluminiumlackdraht-Wicklung bestehen.
Bedingt durch den ohmschen Widerstand der Wicklung (die sogenannten Kupferverluste) und die Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste im Kern kommt es zu Verlusten von etwa 10–20 % der Lampen-Nennleistung. Es entsteht Wärme in der Drossel.
Die Berechnung des erforderlichen induktiven Widerstandes ist an diesem Beispiel gezeigt.
Das KVG ist in Reihe mit der 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 mit der 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 Lampe geschaltet ist, für die Funktion nicht erforderlich. Teilweise werden auch in Reihe zur Drossel geschaltete Kompensationskondensatoren eingesetzt, um den Stromstoß einer Parallelkompensation beim Einschalten zu vermeiden. Der Kapazitätswert solcher Serienkondensatoren muss eng (z. B. 2 %) 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.
Man ist jedoch schon längere Zeit bemüht, die Verluste der Vorschaltdrosseln zu verringern, was jedoch in der Regel eine größere Masse (geringere magnetische Flussdichte, geringere Stromdichte) und/oder teurere Magnetwerkstoffe erfordert. Dafür sind Bezeichnungen wie Verlustarmes Vorschaltgerät (VVG) oder Ultra-Low-Loss-Ballast eingeführt worden.
Auch KVG für explosionsgeschützte Bereiche weisen geringere Verluste auf, weil deren Oberflächentemperatur begrenzt sein muss.
KVG sind wegen der geringen Materialvielfalt leichter wiederverwertbar als elektronische Vorschaltgeräte.[1][2]
Zu Vorschaltgeräten für Leuchtröhren siehe auch dort. Konventionelle Vorschaltgeräte für Leucht- oder Kaltkathodenröhren sind Streufeldtransformatoren und vereinen die Transformation der Netzspannung in eine höhere Spannung sowie die erforderliche Strombegrenzung. Sie besitzen oft eine Einstellmöglichkeit für den Strom in Form eines mechanisch veränderbaren magnetischen Nebenschlusses.
Elektronische Vorschaltgeräte (EVG)
Elektronische Vorschaltgeräte (EVG) betreiben die Lampe mit einer höheren Frequenz als der Netzfrequenz (einige kHz bis meist 32 bis über 40 kHz)[3] und weisen daher bei geringerem Materialeinsatz geringere Verluste auf als KVG. EVG für Leuchtstofflampen enthalten auch den Startmechanismus. Es existieren auch EVG-Typen, welche bis zu vier Leuchtstofflampen versorgen können. Systembedingt können EVG auch dimm- und fernbedienbar hergestellt werden.
EVG haben bei größeren Einheiten einen besseren Leistungsfaktor (0,97 bis 0,99) und die Lampe erreicht an ihnen einen höheren Wirkungsgrad. Durch die systemimmanente höhere Betriebsfrequenz können Leuchtstofflampen nicht physisch wahrnehmbar flackern.
Beim sogenannten Warmstart (ein Kaltstart kann die Lampenkathoden schädigen) werden für einen Zeitraum von etwa 0,5–2 Sekunden die Glühkathoden der Leuchtstofflampe vorgeheizt bevor diese gezündet wird. Die Start- und Zündvorgänge von EVG erfolgen flackerfrei im Gegensatz zu konventionellen Vorschaltgeräten (KVG) mit konventionellem Starter. Der Startvorgang ist dadurch meist merklich schneller als bei KVG.
Kleine EVG in Energiesparlampen besitzen bisher oft keine Leistungsfaktorkorrektur, haben negative Leistungsfaktoren und belasten das Netz mit Oberschwingungen. Fest installierte EVG haben hingegen meist eine Leistungsfaktorkorrektur und einen Leistungsfaktor nahe eins.
Dimmbare EVG
Dimmbare EVG gibt es in zwei Ausführungen:[4]
- Analog dimmbare EVG
- werden mit einem Steuersignal von 1 bis 10 Volt angesteuert. Das EVG ist im ausgeschalteten Zustand der Leuchte netzgetrennt und hat somit keine Stand-by-Verluste.
- Digitale dimmbare EVG
- werden mit einem DALI-Bussignal angesteuert. Das System ermöglicht, bis zu 64 Leuchten an einem Bussegment zu betreiben. Zustände können rückgemeldet werden. Das EVG ist auch im ausgeschalteten Zustand der Leuchte immer am Netz und verursacht somit Stand-by-Verluste.
Bei beiden Varianten werden die Steuerleitung zusätzlich in der Versorgungsleitung mitgeführt. Durch die Steuerblindleistung ist der Lichtstromrückgang immer größer als der Stromrückgang.
Aufsteck-EVG/T5-Adapter
Für Modernisierungen werden von verschiedenen Anbietern Aufsteck-EVG angeboten, bei denen bereits vorhandene Leuchten weiter verwendet werden. Das EVG wird dabei zwischen die alte Fassung und ein herkömmliches Leuchtmittel kleinerer Bauart gesteckt. Mit diesen Aufsteck-EVG treten allerdings konstruktionsbedingt erhebliche Probleme auf (Lebensdauer der EVG, korrekter Betrieb der Lampe, elektromagnetische Verträglichkeit, fehlende Prüfzeichen und Zulassungen), so dass sich diese Lösung bislang nicht am Markt durchsetzen konnte. Dies betrifft vor allem den Betrieb von T8-Lampen mit EVG. Seit 2004 haben einzelne Anbieter zwar alle notwendigen Prüfzeichen und Zulassungen, allerdings stellen diese EVG einen Eingriff in die Bauart der Leuchte dar und deren Prüfzeichen sowie Zulassungen erlöschen. Ebenso versagen die meisten Hersteller Garantie und Produkthaftung. Nach einer Umrüstung gilt der Hersteller des EVG als Leuchtenhersteller und muss Garantieansprüche und Produkthaftung der Leuchte abwickeln. Da Anbieter mehrfach falsche Angaben machten, sollte man auf Prüfbescheide von TÜV, VDE und Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin achten.
Eine andere Variante der Umrüstung sind Adapter, um T5-Lampen in T8-Fassungen zu betreiben. Vorteile sind Einsparungen ohne einen Wechsel des Leuchtengehäuse, also geringe Umrüstkosten. Es ergeben sich zwar Vorteile der T5-Lampengeneration in den alten Leuchtengehäusen, allerdings werden lichttechnische Eigenschaften der Leuchten nur bedingt erreicht. Nachteilig können ein niedriger Lichtstrom und Feuergefährdung durch Erhitzen der Adapter im Betrieb sein. Auch der Leistungsfaktor λ der gesamten Leuchte verändert sich bei dieser Umrüstung durch die geringere Leistung einer T5-Lampe. Das in der Leuchte enthaltene KVG oder VVG wird nur noch als Netzfilter verwendet, sie verbleiben in dieser.
Die Lebensdauer der Umrüst-EVG liegt bei rund 15 Jahren. Die T5-Lampen bietet jeder renommierte Anbieter an, die Lebensdauer liegt bei rund 16.000–30.000 Stunden, statt 6.000–8.000 Stunden bei den T8-Lampen der Lichtfarbe 840.
Anmerkung: Aus Sicherheits- und EMV-Gründen ist der Einsatz von T5-Adaptern in T8-Leuchten als sehr bedenklich zu erachten.[5] Zu den elektrischen Problemen kommt hinzu, dass einige Adaptersysteme das zulässige T8-Lampen-Gesamtgewicht nicht berücksichtigen (z. B. CB Scheme). Komplette Leuchten, die mit Hilfe von EVG T5-Lampen beidseitig ansteuern, können bei gegebener elektromagnetischer Verträglichkeit bedenkenlos eingesetzt werden, um die Vorteile der T5-Lampe zu nutzen. Hersteller von Lampen[6] und Leuchten[7][8] raten vom Einsatz von Adaptern in Leuchten ab. Messungen in der Schweiz weisen keine Sinnhaftigkeit für T5-Adapter nach.[9]
EVG zum Betrieb an Kleinspannung
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. Leuchten mit solchen Vorschaltgeräten werden auch als Transistorleuchte bezeichnet.[10]
Oft sind solche Lampen wie auch Netzspannungs-Energiesparlampen mit einem E27-Schraubsockel ausgestattet, dadurch besteht eine hohe Verwechslungsgefahr.
EVG für Leuchtröhren
Vorschaltgeräte für Kaltkathodenröhren (CCFL, Hintergrundbeleuchtung von LCD und Leuchtröhren für Werbung) werden oft als Inverter ausgeführt; 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 Leuchtstofflampen in Reihe an einem Vorschalt- bzw. Stromversorgungsgerät betrieben. Deren maximale Wechselspannung ist durch VDE-Vorschriften auf 7,5 kV beschränkt.
Betriebsbesonderheiten von EVG
Der hohe Einschaltstromstoß kann je nach Bauart eine Begrenzung der Anzahl der EVG innerhalb eines Stromkreises erfordern. Die Zuverlässigkeit und Lebensdauer erreicht aufgrund alternder elektronischer Bauteile noch nicht die Werte eines KVG. Man rechnet mit 50.000 Stunden (ca. 6 Jahre Non-Stop-Nenn-Lebensdauer), was in der Amortisation zu berücksichtigen ist.[11]
Kritisch ist der Betrieb mehrerer EVG mit einem Fehlerstrom-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-Schutzschalters angesetzt werden: bei einem FI-Schutzschalter mit einem Auslösestrom von 30 mA ist der halbe Auslösestrom 15 mA;
- 15 mA / 0,5 mA (pro EVG) = 30 EVG.
Die Wirtschaftlichkeit von EVG hängt stark von den Jahresbrennstunden ab, diese sollten nicht unter 1.500 Stunden sein.
EVG sind empfindlich auf Neutralleiterbruch, die dabei entstehende höhere Phasenspannung verkraften sie nicht.
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, Hüthig Verlag, Heidelberg, 2003, ISBN 3-7785-2909-9
Einzelnachweise
- Vossloh-Schwabe: PDF, abgerufen am 1. Februar 2012
- Enerlux: , abgerufen am 1. Februar 2012
- http://www.tridonic.com/com/de/products/ueberblick-evg.asp
- Osram: , abgerufen am 2. Februar 2012 (PDF)
- Qualität und Wirtschaftlichkeit von T5-Lampenadaptern. (PDF; 407 kB) Abgerufen am 19. August 2012.
- Osram: PDF, abgerufen am 2. Februar 2012 (PDF)
- Siteco: PDF (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiven) Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. , abgerufen am 2. Februar 2012 (PDF; 155 kB)
- Regiolux: PDF (Memento des Originals vom 14. Juli 2014 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis., abgerufen am 2. Februar 2012 (PDF; 822 kB)
- Hans R. Ris, Elektrotechnik, Aarau: PDF, abgerufen am 2. Februar 2012 (PDF; 453 kB)
- https://books.google.de/books?id=DFc7AAAAMAAJ&q=Transistorleuchte&dq=Transistorleuchte&hl=en&sa=X&ved=2ahUKEwj45Zn5ndLuAhVP3KQKHfz9Bg4Q6AEwCnoECA8QAg
- Helvar: [Archivierte Kopie (Memento des Originals vom 18. Dezember 2007 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.], abgefragt am 1. Februar 2012.
Weblinks
- Zündgeräte für Metallhalogenlampen in der Veranstaltungstechnik
- lightingeurope.org – Verband der nationalen Verbände der Hersteller von Leuchten und elektrotechnischen Komponenten für Leuchten in der EU.