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Kaltkathodenlampen (CCFL = Cold Cathode Fluorescent Lamp) sind eine Art von Leuchtstofflampe, die z. B. für ihre Anwendung in der Hintergrundbeleuchtung von LCD-Bildschirmen bekannt sind. Sie können in dünnen, kompakten Formfaktoren hergestellt werden, was sie ideal für den Einsatz in schlanken Display-Designs macht. CCFLs verwenden Kaltkathoden-Elektroden, die im Gegensatz zu heißen Kathoden nicht vorgeheizt werden müssen. Diese Elektroden sind robust und können direkt eine Entladung erzeugen, sobald eine hohe Spannung angelegt wird.
Ein elektronisches Vorschaltgerät, auch Inverter genannt, wird verwendet, um die erforderliche hohe Wechselspannung zu erzeugen, welche typischerweise im Bereich von mehreren hundert Volt liegt. Die angelegte Hochspannung führt dazu, dass Elektronen aus der Kaltkathode emittiert und durch das elektrische Feld beschleunigt werden. Die CCFL-Röhre ist mit einem Edelgas (meist Argon) und einer kleinen Menge Quecksilberdampf gefüllt. Die beschleunigten Elektronen kollidieren mit den Quecksilberatomen, ionisieren sie und versetzen diese so in einen angeregten Zustand. Die angeregten Quecksilberatome kehren dann in ihren Grundzustand zurück und emittieren dabei ultraviolettes Licht hauptsächlich im Bereich von 254 nm.
Die Innenseite der CCFL-Röhre ist mit einer speziellen Leuchtstoffbeschichtung versehen, welche unter UV-Strahlung fluoresziert und so sichtbares Licht in verschiedenen Farben emittiert. Dieses Licht tritt durch die Wände der Röhre aus und erzeugt eine sehr gleichmäßige Beleuchtung. Da CCFL-Röhren Quecksilber enthalten, stellen diese ein Umwelt- und Entsorgungsproblem dar und werden daher zunehmend durch energieeffizientere und umweltfreundlichere LED-Technologien ersetzt.
Die Argonlinien sind zu Beginn des Betriebs sichtbar, weil das Argon als Startgas bei der initialen Ionisation und Entladung eine wesentliche Rolle spielt. Während des Betriebs erwärmt sich die Lampe dann allmählich, was dazu führt, dass mehr Quecksilber verdampft und in den gasförmigen Zustand übergeht. Sobald genügend Quecksilber verdampft ist, dominiert das Emissionsspektrum des Quecksilbers. Das Argon bleibt zwar weiterhin im Gasgemisch vorhanden, aber seine Spektrallinien treten in den Hintergrund, da die Quecksilberemissionen viel stärker sind und den Hauptteil der UV-Strahlung liefern, die dann in sichtbares Licht umgewandelt wird.
Im folgenden zeigen wir eine Reihe an Spektren von CCFL-Röhren mit unterschiedlichen Leuchtstoffen für die Erzeugung unterschiedlicher Farben.
Folgendes Bild zeigt das Spektrum einer roten Kaltkathodenlampe unmittelbar nach dem Einschalten. Neben den Quecksilberlinien sind auch noch die Argonlinien gut zu erkennen. Diese verschwinden allerdings innerhalb eines Zeitraums von ca. 20 Sekunden während die Lampe auf Betriebstemperatur kommt.
Spektrum einer roten Kaltkathodenlampe unmittelbar nach dem Einschalten mit eingeblendeten Referenzwerten ¹
Das nachfolgende Bild zeigt das Spektrum derselben Kaltkathodenlampe nach ca. einer Minute Betriebsdauer. An diesem Spektrum ändert sich auch bei längerem Betrieb nichts mehr. Die rote Farbe der CCFL wird hier durch einen Phosphor erzeugt, der neben einer starken Hauptemission bei ca. 615 nm auch eine Reihe an schwächeren Emissionen zwischen 575 nm und 625 nm besitzt.
Spektrum einer roten Kaltkathodenlampe nach etwa einer Minute Betriebsdauer mit eingeblendeten Referenzwerten ¹
Das Spektrum zeigt wieder die blaue CCFL nach erfolgter Erwärmung. Im Spektrum zeigen sich nur die Quecksilberlinien sowie eine relativ breitbandige Emission eines Phosphors im Bereich zwischen 400 – 525 nm.
Spektrum einer blauen Kaltkathodenlampe nach etwa einer Minute Betriebsdauer mit eingeblendeten Referenzwerten ¹
Hier wird die pinke Farbe durch eine Kombination der Phosphore für blaues und rotes Licht erzeugt.
Spektrum einer pinken Kaltkathodenlampe nach etwa einer Minute Betriebsdauer mit eingeblendeten Referenzwerten ¹
Spektrum einer grünen Kaltkathodenlampe nach etwa einer Minute Betriebsdauer mit eingeblendeten Referenzwerten ¹
Hier werden drei Leuchtstoffe genutzt, um aus den Grundfarben Blau, Grün und Rot die Mischfarbe Weiß zu erzeugen.
Spektrum einer weißen Kaltkathodenlampe nach etwa einer Minute Betriebsdauer mit eingeblendeten Referenzwerten ¹
¹ Die Spektren wurden mit den Czerny-Turner-Spektrometern aus unserem Optikbaukasten aufgenommen.
Die Daten der eingeblendeten Emissionslinien stammen aus der Atomic Spectra Database | NIST.
Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J., and NIST ASD Team (2023). NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.11), [Online]. Available: https://physics.nist.gov/asd [2024, June 23]. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD. DOI: https://doi.org/10.18434/T4W30F
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Aktualisiert am: 10.09.2024
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