METALLHALOGENID bzw. TAGESLICHTLAMPEN

Begriffserklärung: Das durch den Wolframfaden erzeugte Licht, also das Licht von einem Halogenleuchtmittel mit üblichen 3200K nennt man Kunstlicht. Unter Tageslicht verstehen wir Scheinwerfertypen die mit einer Entladungslampe arbeiten die eine Farbtemperatur von ca. 5.600-6.500K aufweisen. Die hier besprochenen Metalldampfleuchtmittel sind mit Farbtemperaturen von 5400 – 8000K bei einem Leistungsspektrum von 35 – 18.000 Watt verfügbar. Weiterhin haben Sie einen guten Farbwiedergabeindex von ca. 70-95 Ra sowie eine hohe Lichtausbeute von 70-105 lm/W. Durch die genaue Dosierung der seltenen Erden wie Dysprosium, Holmium oder Thulium unter Zusatz von Brom, Jod und natürlich Quecksilber werden verschiedene Lichtspektren so zueinander ins Verhältnis gesetzt, so das eine möglichst gleichmäßige Spektralverteilung zustande kommt, das dem natürlichen durchschnittlichen Tageslicht entspricht.

Spektrum eines HMI-Leuchtmittels zum Vergleich mit gemittleten Tageslicht (weiße Kurve)

Und da auch hier wie bei dem Halogenleuchtmittel mit Wolframfaden ein Halogenkreisprozess stattfindet, um das schwärzen des Glaskolbens zu verhindern, spricht man bei diesem Entladungslampentyp von der Halogen Metalldampflampe. Nebenbei, der Halogenkreisprozess wird nicht nur bei zu kalter Lampe unterbrochen, sondern auch wenn das Leuchtmittel zu heiß wird. Aber nicht nur die Tagelicht ähnliche Farbtemperatur ist Ausschlag gebend, sondern auch die ca. vier mal höhere Lichtleistung gegenüber der Halogenlampe und dann noch eine 20 mal größere Lichtdichte, was bedeutet das das Licht aus einem kleineren Punkt herausstrahlt und damit für die anschließende Optik schon eine fast ideale Punktlichtquelle bedeutet. Und wollte man mit der Wolfram-Halogen-Leuchte mittels Konvertierung den Typ Tageslicht erreichen, verringert sich die Lichtleistung nochmals erheblich aufgrund der Transmissionverluste der Folie. Natürlich gibt es auch Entladungslampen die versuchen den Halogenlampen von der Farbtemperatur zu ähneln wie z.B. die CDM Leuchtmitteltypen, oder gar mit nur einer Farblinie ganz auf gestalterische Wirkung setzen wie die gelb leuchtende Natrium Niederdruck Lampe. Jedoch wollen wir uns hier hauptsächlich mit den Halogenmetalldampflampen bzw. deren notwendigen technischen Umfeld beschäftigen um die Unterschiede in einem Scheinwerfer zu erläutern. Osram war einer der Vorreiter in der Entwicklung der Metalldampflampen und hatte ihrem Produkt den Namen HMI gegeben, während Philips z.B. den Leuchtmitteltyp mit MSR bezeichnet.

UV-Strahlung Nicht vergessen darf man, daß die Leuchtmittel auch UV-Strahlung abgeben. Dementsprechend sind auch die BG Vorschriften für Scheinwerfer oder die DIN auch eindeutig. Erschwerend kommt hinzu das je nach verwendeten Glas ein Leuchtmittel mehr oder weniger UV abstrahlen kann, da durch das verwendete Glas eine UV-Filterung beginnen kann. Erwähnungswert ist aber an dieser Stelle das durch die UV-Strahlung, bzw. gerade beim Zünden durch die Funkenstrecke, Luft von O2 zu O3 umgewandelt werden kann und somit eine Belastung darstellen könnte. Jedoch die Werte liegen in der Regel unter den der MAK-Werten. Nebenbei, man kann Ozon nicht riechen, aber durch O3 entstehen auch Stickoxide die man dann als Ozonriechen interpretiert wie zB auch bei einem Kopierer.

Brennlage Da die Schwerkraft und die Thermodynamik auch innerhalb des Quarzglases ihre Gültigkeit beibehält, wird auch das Plasma innerhalb des Quartzglases ein wenig verformt und erhält eine leicht gebogene Form. Wenn man z.B. ein zweiseitig gesockeltes Leuchtmittel in eine Lage bringt, bei der die eine Elektrode oberhalb der anderen Elektrode befindet, also um 90° senkrecht nach oben gedreht, so ist einzusehen, das eine Elektrode viel stärker vom Plasma umgeben ist, als die unten liegende Elektrode. Eine einseitige Belastung ist die Folge die die Lebensdauer des Leuchtmittels erheblich verringert. Nun ist es so, dass bei einem zweiseitig gesockelten Leuchtmittel bei einem Moving Head trotz Pan- und Tilt Bewegung die Höhe der beiden Elektroden im Kopf immer die gleiche hoch ist bzw. anders ausgedrückt, der Leuchtstab bleibt immer horizontal. Jedoch nur unter einer Vorraussetzung. Das Movinglight steht auf dem Boden oder hängt mit dem Kopf herunter. Wird dagegen der Moving Head seitlich an eine Truss angeschlagen, so ist sehr oft eine Seite der Elektrode stärker belastet. Aus diesem Grunde weisen einige Hersteller auf die Vermeidung von seitlicher Montage hin. Thermodynamische Prozesse können auch bei Zwangskühlung noch erheblichen Einfluss ausüben.

Dimmen Nachdem einige Movinglights mit Funktionen wie Half Power Half Noise Geräuschprobleme begegnen oder wenn bei einem Black out die Leuchtmittelleistung reduziert wird, dann begegnet man dem Problem der Übertemperatur im Leuchtmittelkopf. Was dabei verschwiegen wird ist jedoch das eine elektrisch gedimmte Entladungslampe Ihre optimale Betriebstemperatur verlässt, was erhebliche Auswirkungen auf die empfindlichen Prozesse der Füllstoffe hat. Sind dann diese Geräte über eine längere Zeit in diesem Modus und was noch viel gravierender ist, ist wenn diese Geräte in diesem Modus abgeschaltet werden oder, ja es lässt sich noch steigern, in dem Modus gestartet werden, dann laufen einige von den Prozessen der Verdampfungen nicht mehr vollständig ab und das Leuchtmittel kann dann mit unterschiedlichsten Symptomen reagieren. Es kann z.B. Flackern, seine Lichtfarbe verändern oder nur noch schwer bis gar nicht

mehr zünden. Deshalb sollte man vor dem Abschalten von diesen Movingheads die mit energiereduzierenden Dimmfunktionen aufwarten, das Leuchtmittel noch einmal mit 100% laufen lassen, damit die Zusammensetzung der Elemente betriebsbedingt definiert ist. Auch sollte man beim Starten des Leuchtmittels darauf achten das diese Modi nicht aktiviert sind, wenn das der Scheinwerfer in seiner Software das nicht von selbst berücksichtigt. Auch das nachlaufen lassen der Lüfter nach dem Löschen des Leuchtmittels wird gerne gesehen, und das auch nicht nur um kältere Movingheads ins Flightcase zu packen.

Ein- oder Zweiseitig Bei Hochdruck Metallhalogendampflampen wird ein Entladungsbogen zwischen zwei Elektroden erzeugt. Die Füllbestandteile Ionisieren und eine Stromleitung ist damit möglich. Durch die hohe Temperatur und der Anregung durch den Stromfluss geben Füllstoffe wie Natrium (gelb), Thallium (grün), Indium (Blau), und als Viellinienstrahler Zinn, Lithium, Dysprosium, Holmium, Thulium und nicht zu vergessen Quecksilber mit Lichtemission im bläulichen aber auch mit UV-Strahlungsemission. Man kann aber auf Quecksilber nicht verzichten, da es die elektrische Feldstärke im Plasma vergrößern muss und als Puffergas die Elektronenwanderverluste reduziert. Die Halogen-Metalldampflampe erreicht gegenüber anderen Hochdruck-Gasentladungslampen einen sehr hohen Farbwiedergabeindex von bis 96 sowie hohe Lichtausbeuten von bis zu 117 Lumen pro Watt und gehört zu den effizientesten Lampen überhaupt. Durch Ihre hohe Leuchtdichte und kleinen Lichtbogen eignen Sie sich hervorragend für Scheinwerfer. Durch die Hochspannung vom Zündgerät wird zunächst ein Lichtbogen gezündet. Nach der Zündung verringert sich der Widerstand durch Stoßionisation stark. Zusätzlich erhitzen sich die Elektroden und verringern dadurch ihre Austrittsarbeit für Elektronen. Da zunächst hauptsächlich die Quecksilber-Ionen zum Leuchten beitragen und der Gasdruck gering ist, gibt die Lampe anfangs nur wenig Licht mit hohem Blau- und Ultraviolett-Anteil ab, bis die anderen Beimengungen stark genug erhitzt sind und im zur Lichtentwicklung beitragen. Diese Hochlaufphase dauert ca. 3-5 Minuten. Auch hier muss der Strom begrenzt werden durch ein Vorschaltgerät. Halogenmetalldampflampen haben ähnlich wie Halogenleuchtmitteln ein Lageproblem. Jedoch aufgrund des Aufbaues der Metalldampflampe kommen erschwerende Faktoren hinzu. Einmal befinden sich zwei Elektroden im Glaskörper an deren Ende sich das Licht spendende Plasma befindet.

Luftzieher bei einem einseitig gesockelten Leuchtmittel Quelle: Osram

Luftzieher bei einem zweiseitig gesockelten Leuchtmittel verursacht durch einen Quetschungssprung im Außenkolben Quelle: Osram Aber viel gewichtiger bei den einseitigen Leuchtmitteln ist die mögliche kompaktere Bauform des Scheinwerfers, da hier beide Zuleitungen an einem Isolierenden Sockel angeschlossen werden und der Mindestabstand zu metallisch leitenden Gehäuseteilen, den man wegen der überschlagsfähigen Zündspannung benötigt, eine kompaktere Konstruktion erlaubt als beim zweiseitigen Leuchtmittel. Dagegen ist das zweiseitig gesockelte Leuchtmittel besser in den optischen Eigenschaften, da erstens kein zweites Glas die Quarzglasbrennkammer umhüllt und weil die interne zweite Zuleitung nicht am Quarzkolben vorbeigeführt werden muss. Weiterhin erzeugt das zweiseitig gesockelte Leuchtmittel durch den einfacheren mechanischen Aufbau weniger Geräusche bei elektronischen Vorschaltgeräten als die einseitig gesockelte.

Einseitig gesockelte Metalldampf Leuchtmittel

Zweiseitig gesockelte Metalldampf Leuchtmittel

Quelle Lightpower

Kritische Bauelemente

An den Wänden der Brennkammer werden 950° erreicht sowie ein Druck von typischen 10 Bar bis hin zu 35 Bar. Deshalb ist die Brennkammer aus Quarzglas gefertigt welches erst bei 1100°C erweicht. Dagegen ist im kalten Zustand der Druck ein kleiner Unterdruck, warum die Handhabung, also das Wechseln des Leuchtmittels im kalten Zustand ungefährlich ist. Durch diesen Unterdruck kann bei beschädigten Leuchtmittel erst das so genannte Luftziehen eintreten. In der Brennkammer befinden sich die Elektroden und die Füllung. Der Nabel der Brennkammer ist notwendig, da über Ihn beim Herstellungsprozess die Füllung der Kammer erfolgt. Die Elektroden, die aus Wolfram bestehen, sind symmetrisch ausgeführt also auf beiden Seiten gleich, denn das Leuchtmittel arbeitet ja mit Wechselstrom. Die Anordnung der Elektroden hat großen Einfluss auf das Temperaturprofil was sehr empfindlich reagiert. Zwischen den gegenüberliegenden Elektroden, bildet sich der Entladungsbogen. Demnach entspricht der Abstand der Elektroden dem Lichtbogen im heißen Betriebszustand. Damit die Elektroden mit Strom versorgt werden aber keine Luft in die Brennkammer gelangt, werden die Lampenschäfte benötigt, die den Übergang von den Elektroden zu den Lampensockel bilden aber die Brennkammer abgedichtet hält. Dazu werden Molybdänfolien benötigt, da diese sich von den Metallen am wenigsten ausdehnen. Würden die Elektroden einfach weitergeführt werden, dann würde das Elektrodenmetall mit 10mal so großen Ausdehnungskoeffizient das Glas einfach wegsprengen. Das Molybdän dagegen wird als 20µm dickes Bändchen gefertigt, das über der Fläche zu wenig Kraft aufbringt um das Glas zu brechen und an den Kanten sich eher in das Glas schneidet statt es zu sprengen. Diese Molybdänfolie muss aber auch noch den Leuchtmittelstrom transportieren und bildet somit einen der kritischen Bauteile.

Entladungslampe im Betrieb

Zweiseitig gesockelte Entladungslampe – deutlich zu sehen ist das Molybdänband, Elektroden und die erkalteten Betriebsstoffe am Glaskörper Manchmal findet man auch mattierte Lampenschäfte. Die Milchglasoberfläche minimiert den Lichtleiteffekt, so dass weniger Wärmestrahlung durch den Schaft an den Sockel gelangt, was immerhin bis zu 80° ausmachen kann. Der Sockel darf auch nicht thermisch übermäßig belastet werden, daher sind zeitweise auch Kühlrippen an den Sockeln zu finden. Eine weitere Problematik der Sockel insbesondere bei einseitigen Sockeln, ist die Gefahr von Überschlag bei der Zündspannung. So sagt man allgemein, das 10KV ca. 1cm Luft bzw. Kriechstrecke benötigen. Bei einer Zündspannung von 70KV können das schon 7cm sein. Aber ein G 38 Sockel misst gerade mal 4cm. Hier wird der Abstand durch labyrinthartige Verlängerungen der Strecken erreicht.

Toleranzen bei Entladungslampen ( Quelle Osram) Da ein nicht geringer Teil der Entladungslampen noch von Hand gefertigt werden, spielen auch Toleranzen eine große Rolle. Je leistungsfähiger die folgende Optik ist, umso genauer muss der Lichtbogen in der Optischen Achse korrekt sitzen. Auch war es einmal Mode die Fertigung in Billiglohnländer zu verlegen. Die Folge war unter anderen auch ein Ansteigen der Toleranzen. Daraufhin hat ein Hersteller von präzisen Scheinwerfern seinerseits Leuchtmittel on Gro eingekauft, vermessen und die außerhalb der Toleranz lagen, ausgemustert. Somit konnte er dann dem Kunden Leuchtmittel anbieten, die keine bösen Überraschungen boten beim Einsatz in Scheinwerfern mit guter Optik. Natürlich hat solch ein Service auch seinen Preis.

ALTERUNGSPROZESSE BEI LAMPEN Entglasung Die Entglasung ist Alterungsprozess bei der sich die Glasstruktur, sprich die Rekristallisierung der Siliziumoxide durch Druck und Temperatur, vollzieht. Dadurch nimmt aber auch die Festigkeit der Struktur ab was dann einen Lampenplatzer wahrscheinlicher werden lässt. Abgesehen davon, das die optischen Eigenschaften durch den Frosteffekt für einen Profilgebenden Scheinwerfer schlechter werden da nun die Punktlichtquelle größer erscheint, bzw. Besser wenn man Fresnell Linsenscheinwerfer und Ihre Homogene Lichtverteilung betrachtet. Das Aufblasen des Bennerkolbens kann durch die Entglasung entstehen, da das Glas stärker erweicht wird und vom hohen Innendruck nach außen wölbt. Aber auch durch starkes Dimmen kann sich Wolfram am Glaskolben Niederschlagen und so diesen Prozess in Gang bringen. Bei der Schwarzfärbung des Kolbens durch starkes dimmen kann man das Leuchtmittel evtl. durch freibrennen, also Betrieb unter 100% evtl. wieder bereinigen.

Oben Entglasung, unten normal zum Vergleich. Quelle:Osram

Kolben Oben Aufblasen, unten normal zum Vergleich

Quelle: Osram

Erhöhte Temperatur

Verfärbungen bei unterschiedlichen Temperaturen. Quelle: Osram Die Lebensdauer von Leuchtmitteln wird auch stark durch Übertemperatur verkürzt. Übertemperatur kann auf verschiedene Art und Weise am Leuchtmittel auftreten. Einmal natürlich wenn das Scheinwerfergehäuse eine schlechte Konvektionskühlung aufweist weil z.B. der Scheinwerfer wegen Regenschutz geschlossen ist, oder wenn bei der Zwangskühlung der Lüfter den benötigten Luftumsatz nicht erbringt, wobei ein Ausfall des Lüfters sehr Praxisnah ist. Aber auch zu hoher Betriebsstrom außerhalb der geduldeten Parameter erhitzt das Leuchtmittel über Gebühren. Auch Übergangswiderstände zu den Kontakten die durch Korrosion entstehen, können oder bei schlechte Montage (ungenügendes Anziehen der Kontaktschrauben) erhöhte Temperaturen wegen der Übergangswiderstände verursachen. Der Sockel ist ein Verschleißteil in einem Scheinwerfer und sollte bei Spuren großer thermischer Beanspruchung sofort ausgetauscht werden.

Im Normalfall beträgt das Glas der Brennkammer (B) max. 950° C. Während die Molybdänfolien (C) immerhin noch max. 350° C verkraften müssen. Mit besonderer Behandlung die dann mit 3P oder XS bezeichnet werden sind auch Temperaturen dieser Folien bis max. 450° C möglich. Der Außenkolben (E) ist immerhin noch max. 700° C warm, während die Stifte (D) des Sockels max. 230°C aufweisen.

Betriebslage Der Einbau bzw. die Betriebslage der Entladungslampe ist nicht unerheblich für die Lebenszeit des Leuchtmittels. So sieht man ab und zu Movinglights die seitlich an die Traverse angeschlagen werden, also nicht hängend oder stehend. Man kann verwundert sein, dass die Lebensdauer des Leuchtmittels so kurz ist, oder das Das Leuchtmittel flackert, denn bei der Zwangskühlung ( Ventilator ) kann doch die Betriebslage egal sein. Dem ist leider nicht so. Denn beim seitlichen Anschlagen wird sich im Movinglight die eine Elektrode beim Leuchtmittel oberhalb der anderen Elektrode befinden. In der stehenden oder hängenden Anschlagsweise stehen die Elektroden zueinander jedoch immer waagerecht, auch wenn man Pan und Tilt verstellt. Somit ist eine symmetrische Temperaturverteilung innerhalb der Brennkammer in Bezug zu den Elektroden gegeben. Sollte jedoch das Leuchtmittel mit einer Elektrode Oberhalb der anderen Elektrode befinden, so sind die Temperaturen an den Elektroden unterschiedlich und damit auch die Prozesse die stattfinden, wobei im Extremfall der obere Lichtbogen um die Elektrode herumwandert, was ein unruhiges Lichtbild zur Folge hat. Weiterhin fragt man sich oft wohin diese Nase (PST) am Brenner hin gerichtet werden soll. In der Brennkammer sollen überall die gleichen Thermischen Bedingungen herrschen, damit nicht irgendwo sich ein Kondensat schneller niederschlagen kann. Jedoch hat sich gezeigt, dass diese Glasnase ein wenig kälter ist im Betrieb als das übrige Glas. Deshalb versucht man die Glasnase an heißen Positionen zu legen, damit das Temperaturgefälle kompensiert wird. Folglich wird die Nase meist nach Oben zeigen. Bei Scheinwerfer die mit Kugelspiegel arbeiten, kann das auch bedeuten dass die Nase zu Spiegel zeigen soll, das das Licht bzw. die Wärme vom Kugelspiegel wieder zurück auf die Nase gerichtet wird.

Überhitzung kann zu vorzeitigen Entglasung führen

Eingebranntes Fingerfett kann zur Entglasung führen.

Überhitzung zeigt geschwärzten Kitt.

Überhitzung kann auch an Sprünge im Quarzglas zeigen.

Sollte man einmal mit den Finger das Leuchtmittel berührt haben, dann kann man es mit Alkohol oder Spiritus und fusselfreien Tuch wieder reinigen. Belässt man das Fingerfett auf dem Glas, dann brennt es sich ein und die Entglasung findet sehr schnell an dieser Stelle statt.

Ursprünglicher Artikel von Herbert Bernstädt.