Beleuchtung

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Funktionsprinzip einer Glühlampe

Beim Einschalten einer Glühlampe fließt Strom durch einen Leiter (Leuchtdraht/Leuchtfaden) und bringt diesen zum Glühen. Dabei strahlt dieser elektromagnetische Wellen ab, die größtenteils im nicht sichtbaren Infrarotbereich (Wärme) und zu einem geringeren Teil (max. 5%) im sichbaren Bereich (Licht) liegen. Der Leuchtfaden ist üblicherweise aus Wolfram, da dieses Material einen hohen Schmelzpunkt bei ca. 3.422°Celsius (3.695°Kelvin) hat. Allerdings wird damit nicht das gewünschte Tageslichtniveau, was zwischen 5.000°-7.000°K liegt, erreicht. Dieses entspräche einer Fadentemperatur von mind. 4.647° Celsius. Die Betriebstemperatur des Glühfadens liegt, je nach Lampenart, zwischen 1.500° und 3.000°C.

Verhältnis Spannung zu Helligkeit/Farbtemperatur
Da Wolfram ein Kaltleiter ist (kalt=geringer Widerstand, warm=hoher Widerstand), fließt nach dem Einschalten ein hoher Strom, der durchaus das 15-fache des Betriebsstroms sein kann, und der mit steigender Erwärmung abnimmt und die Lampe somit heller werden lässt. Das ist der Grund warum Lampen meistens beim Einschalten kaputt gehen und erst nach kurzer Betriebsdauer die maximale Leuchtkraft entwickeln.

Eine normale Glühlampe hat eine Lebensdauer von ca. 1.000 Stunden. Lampen in Verkehrsampeln werden mit reduzierter Spannung betrieben und kommen so schon auf gut 14.000 Stunden.

Die Farbtemperatur einer Glühlampe im normalen Betriebsbereich ist ca. 70°K höher als die des Glühfadens und liegt in der Regel zwischen 2.300°K und 2.900° K. Eine Hochleistungs-Halogenbirne für den KFZ Bereich kann auch deutlich darüber liegen. Sie erreichen dennoch nicht das Tageslichtniveau welches je nach Sonneneinstrahlung zwischen 5000°K - 7000°K liegt.

Glühlampen im KFZ Bereich sind tatsächlich für eine höhere Spannung als die Nennspannung von 12 V ausgelegt, da die tatsächlich generierte Spannung während des Betriebs knapp über 14 V betragen kann. Die Herstellerangaben zu den Glühlampen sind gemäß der ECE Richtlinie bei 13,2 V erfasst worden.

Halogenlampen

Für das Abblend- und Fernlicht kommen wegen der notwendigen Lichtausbeute oftmals Halogenleuchten zum Einsatz. Ihre Bauform und die Gasfüllung lassen deutlich höhere Temperaturen als bei normalen Glühlampen zu (2.500-3.000°C), bei einer Lebensdauer von immer noch mehreren hundert Stunden. Sie gehen nah an den Schmelzpunt des Wolframs heran. Sie sind also heller als normale Glühbirnen bei gleicher Spannung und können bis zu 10% der eingesetzten Energie in Form von Licht abgegeben. Ihr Glaskörper bleibt klar, sie werden also nicht dunkler wie das bei normalen Glühbirnen der Fall ist. Das Halogen (Jod oder Brom) verbindet sich mit den abgedampften Wolframteilchen und verhindert so, in Zusammenhang mit der Glaskolbetemperatur von mehr als 250°C, die Ablagerung an der im Vergleich zum Glühfaden kälteren Oberfläche des Glaskolbens. Die Wolframteilchen zirkulieren so lange bis sie wieder auf den Glühfaden treffen und sich das Wolfram wieder ablagert und das Halogen freigibt. Der Prozess beginnt von neuem. Bei normalen Glühbirnen lagert sich das Wolfram am Glas an und dunkelt es langsam ab. Um eine möglichst große Fläche zur Ablagerung zu bieten und dadurch die Wirkung der Abdunkelung abzuschwächen, sind deren Glaskolben auch deutlich größer als die der Halogenlampen. Die Kolben der Halogenlampen können und müssen klein sein, damit das Glas heisser werden kann als bei Glühlampen und eine wirtschaftlich vertretbare Füllung mit den Edelgasen möglich ist.

Höhere Lichtausbeute und Lebensdauer

Spannungsabhängigkeiten bei Halogenlampen. Quelle: Osram
Um eine Lampe nun heller scheinen zu lassen, bzw. die Lichtausbeute zu erhöhen, muss die Temperatur des Glühfadens durch Spannungserhöhung gesteigert werden. Dadurch wird mehr zugeführte Energie vom langwelligen Infrarotbereich in den kurzwelligeren sichtbaren Bereich verschoben. Die Lichtausbeute wird in Lumen pro Watt (lm/W) gemessen und liegt bei Halogenlampen bei 22-26 lm/W.

Der Temperaturanstieg führt jedoch zu einer drastischen Verkürzung der Lebensdauer. Ursache dafür ist der erhöhte Dampfdruck, der das Wolfram abdampfen lässt, und exponentiell mit der Temperatur ansteigt (Clausius-Clapeyronische Gleichung). Bei normalen Glühlampen bringt eine Erhöhung der Spannung um 5% über die Betriebsspannung ca. 25% mehr Helligkeit (Halogenlampen ca. 12%), reduziert aber die Lebensdauer um ca. 50%. Bei einer Erhöhung der Spannung um 20% erreicht man die doppelte Helligkeit (+100%), die Lebensdauer verkürzt sich jedoch um 95%. Obwohl in modernen Glühlampen bereits Füllgase, wie Krypton oder Xenon verwendet werden, die das Abdampfen des Wolframs um einen Faktor von bis zu 2.300 verringern. Halogenlampen haben Aufgrund der Regenierungsfähigkeit eine höhere Lebensdauer.
Systeme, die eine höhere Spannung an den Lampen ermöglichen, z.B. durch einen größeren Leitungsquerschnitt, verkürzen also auch immer die Lebensdauer, bei vergleichsweise geringem Lichtzuwachs.
Ein Beispiel für eine Spannungserhöhung an den Lampen:
Die 13,2 V Betriebsspannung der Glühlampen wird auf 14 V erhöht, eine Zunahme um ca. 6 %, was einer Leuchtsteigerung von 25%-30% entspricht. Die Lebensdauer verkürzt sich dann jedoch um 55%-60%.

Ein Vergleich zwischen unterschiedlichen Fahrzeugen und der dort erreichten Lebensdauer, ist trotzdem sehr schwer und ungenau. Einige weitere Faktoren spielen dabei eine Rolle, die höchst individuell pro Fahrzeug sind. Dazu zählen z.B. die Einschaltzyklen, Erschütterungen, Temperaturen, Brenndauer und die Sorgfalt beim Einbau.

Osram gibt für einige ihrer Lampen z.B. folgende Werte an:

Model Leistung in Watt Kelvin Ausfall von 3% der Produktionsmenge (B3) Ausfall von ca. 63,2% der Produktionsmenge (Tc1)
Cool Blue Intense 55 4.200 150 Std. 250 Std
Cool Blue Intense (großer Glaskolben) 60 3.900 110 Std 220 Std.
Night Breaker Plus 55 3.500 150 Std. 250 Std
Original Line 55 3.200 400 Std 650 Std.

Werden bei Halogenlampen Farbtemperaturen von über 3.695°K angegeben, dem Schmelzpunkt von Wolfram, wird diese mittels Filterschichten auf dem Glaskolben erreicht, nicht durch eine weitere Erhöhung der Spannung und Temperatur. Diese Filter nehmen die langwelligen Amteile aus dem abgestrahlten Licht heraus und lassen nur die kurzwelligeren durch. Dadurch erscheint das Licht kälter (bläulicher), bzw. die Farbtemperatur steigt. Tatsächlich werden jedoch Lichtanteile herausgefiltert.

Funktionsprinizip einer Xenon Lampe

Xenon Lampen zählen nicht zu den Glühlampen sondern zu den Gasentladungslampen, denn sie haben keinen Glühdraht. In einem Glaskolben befinden sich zwei Wolfram-Elektroden, zwischen denen ein Lichtbogen entsteht, wenn eine Spannung angelegt wird. Dieser Lichtbogen brennt in einem eigenen, sehr kleinen und mit Xenon sowie anderen Stoffen (früher u.a. Quecksilber) unter hohem Druck (20 bar) gefüllten Brennraum aus Quarzglas. Während des Betriebs kann dieser Druck auf bis zu 100 bar ansteigen. Das Brennraumglas erreicht an seiner Oberfläche ca. 900°C. Die Zündung der Lampe erfolgt über Vorschaltgeräte mit ca. 25.000 Volt. Bei einer kalten Lampe wird die volle Helligkeit nach ca. 15 Sekunden, die endgültige Lichtfarbe nach ca. 30 Sekunden erreicht. Die Xenon Lampen erreichen eine Farbtemperatur von 5.000°K - 6.000°K, was Tageslichtniveu bedeutet.

Abblendlicht

Das Abblendlicht ist die nach vorn gerichtete Beleuchtung zur Ausleuchtung der Straße. Die Entwicklung der Hell-Dunkel-Grenze ermöglichte die heute übliche starke Ausleuchtung der Straße und die Begrenzung der Blendung des Gegenverkehrs.

Das Abblendlicht muss für zweispurige Fahrzeuge entweder über

  • zwei Scheinwerfer mit Abblend- und Fernlichtfunktion
  • zwei Scheinwerfern mit Abblendlicht und zwei oder vier Schweinwerfer mit Fernlicht
  • zwei Scheinwerfer mit Abblend- und Nebellicht und zwei Scheinwerfer mit Fernlicht

in weisser Lichtfarbe realisiert sein. Bei Scheinwerfern die Abblend- und Fernlicht in einer Lampe kombinieren, werden Halogenlampen mit zwei Glühfäden verwendet.

Lampentypen Frontscheinwerfer 12 V

Einsatz Kategorie Nennleistung in Watt Lumen Sockel
Abblend/Fern/Nebel (4 Scheinwerfer) H1 55 1.550 P 14,5 e
Fern/Nebel H3 55 1.450 PK 22s
Abblend/Fern H4 60/55 1.650/1.000 P 43t - 38
Abblend/Fern/Nebel (4 Scheinwerfer) H7 55 1.500 PX 26 d
Nebel/stat. Kurvenlicht H8 35 800 PGJ 19-1
Fern H9 65 2.100 PGJ 19-5
Abblend/Nebel H11 55 1.350 PGJ 19-2
Nebel H10 42 850 PY 20 d
Fern/Tagfahr H15 55/15 1.350/260 PGJ 23t-1
Abblend (4 Scheinwerfer) HB4 51 1.095 P 22 d
Fern (4 Scheinwerfer) HB3 60 1.860 P 20 d

Rücklicht

Die Anforderungen an die Rücklichter, bzw. Schlussleuchten sind in ECE Richtlinien R48 und R7 festgelegt. Sie dienen dazu die Breite des Fahrzeugs nach hinten anzuzeigen und müssen demnach auf beiden Seiten aussen angebracht sein. Das Wesentliche ist:

  • Sie sind vorgeschrieben.
  • Es müssen zwei vorhanden sein.
  • Sie müssen nach hinten abstrahlen.
  • Vom äussersten Rand des Fahrzeugs muss das Rücklicht (der leuchtende Bereich) der jeweiligen Seite nach längstens 400 mm beginnen.
  • Die inneren Ränder der Leuchten müssen mindestens 600 mm Abstand haben.
  • Sie müssen in einer Höhe von 350 mmm - 1.500 mm über dem Boden angebracht sein.
  • Sie muss rot leuchten.

ECE Vorschriften

Die europäischem Vorschriften zur Genehmigung von Leuchtmitteln (Glühlampen), Scheinwerfern und den Beleuchtungseinrichtungen in KFZ und Anhängern innerhalb der EU finden sich in den ECE Regelungen

  • Scheinwerfer R1
  • Rückstrahler R3
  • Hintere Kennzeichenleuchte R4
  • Sealed Beam Scheinwerfer R5
  • Blinker R6
  • Begrenzungslampen R7
  • Halogen Scheinwerfer R8
  • Nebelscheinwerfer R19
  • H4 Halogen Scheinwerfer R20
  • Rückfahrscheinwerfer R23
  • SB Halogen Scheinwerfer R31
  • Glühlampen R37
  • Nebelschlussleuchten R38
  • Scheinwerferreinigung R45
  • Anbau von Beleuchtungs- und Signaleinrichtungen R48
  • Parkleuchten R77
  • Tagfahrlicht R87
  • Seitenmarkierungsleuchten R91
  • Gasentladungsscheinwerfer R98
  • Gasentladungslampen R99
  • Asymmetriches Frontlicht R112
  • Symmetrisches Frontlicht R113
  • Abbiegelicht R119
  • Adaptives Frontlicht R123

Dort werden die Maße, elektrischen und photometrischen Größen usw. festgelegt, die ein Leuchtmittel oder ein Lichtsystem erbringen bzw. einhalten muss, um in der EU zugelassen werden zu können.

1Tc gibt den charakteristischen Weibull Wert an, d.h. Ausfall von 63,2% einer in gleichbleibender Qualität gerfertigen Menge an.

Literatur

  • Dr. Roland Heinz: Grundlagen der Lichterzeugung. Highlight Verlagsgesellschaft, Rüthen 2004, 3-937873-00-7