Stefans Lichtparade

Quecksilber-Mitteldrucklampen

Die Quecksilber-Mitteldrucklampen, so genannte MA-Typen, waren die ersten kommerziellen Quecksilberlampen, die in Masse für allgemeine Beleuchtung produziert wurden. Der Dampfdruck im Entladungsgefäß, welches damals noch aus Aluminiumsilikatglas war, betrug etwa 1 bar. Die Zündung wurde mittels Hilfselektrode und hochohmigem Widerstand eingeleitet, der sich mit im Lampenkolben befand. Zum Erreichen des vollen Lichtstroms, welcher etwa 2,5 mal so hoch wie bei Glühlampen gleicher Leistungsaufnahme war, benötigten die Lampen etwas mehr als fünf Minuten. In dieser Zeit war der Dampfdruck auf das Niveau des zu erreichenden Betriebsdruckes angestiegen und das Quecksilber vollständig verdampft. Die Zeit, die verstreichen musste, um diese Lampen nach dem Ausschalten erneut zünden zu können, war etwa ebenso lang, denn erst nach dem Abkühlen und damit dem Sinken des Dampfdruckes, war die nötige Zündspannung auf dem Niveau der Netzspannung angekommen. Die MA-Technologie war von 1923 bis Juni 1932 in England von OSRAM-GEC entwickelt worden. Die erste Lampe namens "OSIRA" hatte eine elektrische Leistung von 400W. General Electrics kaufte das Patent und produzierte diese Lampen in den USA ab 1933. BTH Mazda, eine englische Abteilung von GE USA, produzierte ebenfalls ab 1933. OSRAM in Deutschland und PHILIPS in den Niederlanden produzierten die Lampen ab 1934 unter OSRAM-GEC-Patent. Unmittelbar danach folgten 250W-Lampen, im Jahr 1936 150W-Lampen und 1939 kamen noch 650W- und 1000W-Lampen dazu. Mit den kleinen Leistungen von 150W stellten sich die ersten energetischen Probleme ein. Bei dieser Lampenleistung waren die Elektrodenleistungsabfälle so hoch, dass der Wirkungsgrad der Lampen nur unwesentlich höher war als bei Wolframfadenlampen gleicher Leistung. Der Betriebsdruck musste erhöht werden. Dies führte zur Entwicklung der MB-Technologie, den Quecksilber-Hochdrucklampen. Hier verwendete man Quarzglas für die Entladungsgefäße, die auch viel kleiner gefertigt werden konnten. Der Dampfdruck und die Temperatur wurden somit gesteigert, was mit einer Verkleinerung der Hauptelektroden einher ging. Aber bleiben wir noch bei den MA-Typen. OSRAM (Deutschland) produzierte diesen Lampentyp nach genormter Lichtstärke, was eine Abweichung der elektrischen Leistung zur Folge hatte. So normte man die Lampentypen nach Lichtstromabgaben von 10000 lm (=1000 Dekalumen, HgH 1000 265W) und 20000 lm (=2000 Dekalumen, HgH 2000 450W). Während in den kleineren Leistungsspezifikationen (80W und 125W) schon Quecksilber-Hochdrucklampen produziert wurden, dauerte es, auf Grund von technischen Problemen bei den Hochdrucklampen ab 250W, noch bis Anfang der 60er Jahre ehe die Produktion der Mitteldrucklampen eingestellt wurde. Problematisch war auch, dass die MA-Lampen anfangs nur in vertikaler Brennstellung betrieben werden durften. Bei einem Betreiben in horizontaler Brennstellung, wäre das Entladungsgefäß aus Aluminiumsilikatglas auf Grund des durch Konvektionsströme aufsteigenden Lichtbogens geschmolzen. Gerade in der Straßenbeleuchtung brauchte man jedoch Lampen, die wagerecht betrieben werden konnten. Dies war zur optimalen Flächenausleuchtung erforderlich. Natürlich hatten auch hier findige Köpfe eine Lösung parat. Durch magnetische Umlenkbleche über der Lampe bewegte sich der Lichtbogen nicht zu nah auf die Brennerwand zu. Schließlich führte die erfolgreiche Weiterentwicklung der MB-Technologie (ab 250W), bei der diese Art von Problemen keine Rolle spielte und die obendrein für höhere Lichtstromabgaben sorgten, zum Aussterben der MA-Typen. Die mittlere Lebensdauer der Lampen wurde mit 2000 Betriebsstunden angegeben.



Quecksilber-Hochdrucklampen

Die erste Quarz-Quecksilberhochdrucklampe HP300 (75W) wurde 1936 von PHILIPS produziert, war aber bei SIEMENS entwickelt worden. Da SIEMENS große Probleme bei der Produktion dieser Lampen hatte, übernahm PHILIPS die Herstellung. Im Quarzglas-Entladungsgefäß der Quecksilber-Hochdrucklampen 50 bis 125 W liegt der Betriebsdruck zwischen 8 und 10 bar, ab 250 W bei 5 bar. Die Zündeinrichtung, mit mindestens einer Hilfselektrode und einem hochohmigen Widerstand, wurde von den Mitteldrucklampen übernommen, da sie sich bewährt hatte. Somit sind auch hier keine äußeren Zündeinrichtungen notwendig. Zum Erreichen des vollen Lichtstroms benötigen Quecksilber-Hochdrucklampen eine Anlaufzeit von etwa 5 Minuten. Die benötigte Zeit zum erneuten Zünden der Lampen, beträgt ebenso lange. Die Lichtausbeute liegt etwa drei mal so hoch wie bei Glühlampen gleicher Leistungsaufnahme. Quecksilber-Hochdrucklampen werden am häufigsten in der Straßen- und Industriebeleuchtung eingesetzt. Die Brennstellung ist beliebig. Ihre Lebensdauer liegt je nach Typ zwischen 3000 und 10000 Betriebsstunden.


Mischlichtlampen

Bei den Mischlichtlampen, die in ihrer Form und der Zündeinrichtung den Quecksilber-Hochdrucklampen gleichen, wird der fehlende Rotanteil im Spektrum durch eine eingebaute Wolframwendel erzeugt, die gleichzeitig als strombegrenzendes Vorschaltgerät dient. Dadurch wird zwar die sonst hohe Lichtausbeute der reinen Quecksilber-Hochdrucklampe herabgesetzt, dafür stellen sich als Vorteil das Wegfallen eines zusätzlichen Vorschaltgeräts und die bessere Farbwiedergabe der Mischlichtlampe ein. Die Lichtausbeute ist aber immerhin noch 29 bis 50% höher als bei Glühlampen gleicher Leistungsaufnahme. Das Anlauf- und Wiederzündverhalten ist mit dem der Quecksilber-Hochdrucklampen zu vergleichen. Im Moment des Einschaltens ist bei diesen Lampen allerdings schon der volle Lichtstrom der Wolframwendel erreicht, der dann aber mit steigendem Betriebsdruck im Entladungsgefäß um etwa 30% sinkt. Die Brennstellung erfolgt auf Grund der Lampenarchitektur vertikal, Sockel nach oben. Durch die Wolframwendel ist die mittlere Lebensdauer auf 2000 Betriebsstunden herabgesetzt.


Quecksilber-Höchstdrucklampen

Bei Quecksilber-Höchstdrucklampen ist die Entladung auf Grund des hohen Betriebsdrucks von 30 bis 60 bar auf kleinsten Raum zusammengedrängt , wodurch sich eine außerordentlich hohe Leucht- bzw. Strahldichte ergibt. Die Zündung dieser Lampen erfolgt von außerhalb über Hochspannungsimpulse. Dabei benötigt der Anlaufvorgang nur etwa 1-2 Minuten bis zum Erreichen des vollen Lichtstroms. Auch die Wiederzündzeit ist auf Grund der Hochspannungszündung, je nach Lampentyp, auf etwa 1-3 Minuten begrenzt. Die Brennstellung erfolgt vertikal. Bei Gleichstromlampen befindet sich die größere Anode oben. Diese Lampen finden ihren Einsatz in der Mikrolithographie, Showeffektbeleuchtung und der Lasersimulation.


UV-Strahler

Für Sonderzwecke (Medizin, Kosmetik, Bakterientötung, Kopiertechnik, Lackaushärtung usw.) gibt es noch Hoch- und Niederdrucklampen, die UV-Lampen, deren Strahlungsaussendung vorwiegend im UV-Bereich erfolgt. Sie liegen in den verschiedensten Ausführungen vor. Eine Abart dieser Lampen ist mit einem Schwarzglaskolben ausgestattet, der das sichtbare Licht nicht nach außen lässt. Diese UV-Lampen dienen zur Echtheitsprüfung von Dokumenten und Wertpapieren, UV-Untersuchungen, Oberflächenbegutachtung und zur Erzielung besonderer Lichteffekte in der Werbung und auf Bühnen. Das Anlauf- und Wiederzündverhalten ist auch bei diesen Lampen mit dem der Quecksilber-Hochdrucklampen vergleichbar. Ausnahmen bilden hier natürlich die Niederdruckröhren, die beim Ein- und Wiedereinschalten dem Verhalten von Leuchtstofflampen gleichen.


Leuchtstofflampen/Niederdruck-Quecksilberlampen

Den "Quecksilber-Niederdrucklampen mit Leuchtstoffbelag" begegnete man erstmals in den Jahren 1924 bis 1925. Die "Studiengesellschaft für Elektrische Beleuchtung" baute in Berlin die ersten Versuchslampen. 1932 gelang es Marcello Pirani, Alfred Rüttenauer und deren Mitarbeitern, hierfür betriebsfähige Oxydelektroden zu entwickeln. Auf der Weltausstellung in Paris 1936 zeigte OSRAM diese Lampen erstmals in Betrieb. Leuchtstofflampen sind röhrenförmige bis zu 1500 mm lange Niederdruck-Entladungslampen, die für Netzspannung an Drosselspulen oder elektronische Vorschaltgeräte für Netz- und Niederspannungsbetrieb ausgelegt sind. Zum Netzspannungsbetrieb an Drosselspulen benötigen sie zusätzlich einen Starter in Form eines Glimmzünders oder als Ersatz dafür eine elektronische Schnellstarteinrichtung. Sie sind für Allgebrauch bestimmt und werden in Stab-, Ring- und U-Form ausgeführt. Zusätzlich zu diesen Bauformen existieren noch die so genannten Energiesparlampen, die in ihrer Funktion den Leuchtstofflampen in Betrieb an einem elektronischen Vorschaltgerät gleichen. Die Bauformen sind dabei wesentlich kompakter ausgeführt und die Lampe bildet inklusive Vorschaltgerät eine Einheit, die über Steck- bzw. Edisonsockel direkt an die Netzspannung angeschaltet wird. Im Inneren des Entladungsgefäßes befindet sich Argon, Quecksilber und je nach Typ geringe Mengen an Neon. Die Rohrinnenwand trägt eine Leuchtstoffschicht, die die anteilmäßig hohe UV-Strahlung, die der Quecksilberdampf neben sichtbarer Strahlung bei der Entladung erzeugt, in noch stärkere sichtbare Strahlung umwandelt. Das ergibt eine hohe Lichtausbeute, die mit über 60 lm/W das 4-5 fache einer Allgebrauchslampe gleicher Leistungsaufnahme beträgt. Die in beiden Enden der Leuchtstofflampe angebrachten Elektroden sind als Glühkatoden ausgebildet, die den Elektronenaustritt und damit die Versorgung der Entladungsstrecke mit Elektrizitätsträgern wesentlich erleichtern. Die Glühkatoden bestehen aus einer Doppelwendel Wolframdraht, die mit einer Emissionsschicht überzogen ist. Als Folge des erleichterten Elektronenaustritts stellt sich ein Katodenfall von nur etwa 14 bis 16 V und demzufolge ein geringer Leistungsverbrauch im Katodenraum ein, so dass sich eine höhere Lichtausbeute ergibt, als es z.B. bei Hochspannungs-Leuchtröhren mit hohem Katodenfall möglich ist. Dieser niedrige Katodenfall ermöglicht auch den Betrieb der Lampen an normaler Netzspannung. Die Betriebstemperatur der Doppelwendel liegt bei 1000 °C. Da die Emissionsschicht während des Betriebs der Leuchtstofflampe langsam verbraucht wird, hängt die Lebensdauer dieser Lampen im wesentlichen von der Glühkatode ab. Besonders stark werden die Glühkatoden beim Zünden der Lampe in Anspruch genommen, was eine Abhängigkeit der Lebensdauer von der Schalthäufigkeit mit sich bringt. Durch die Verwendung verschiedener Leuchtstoffe kann die Lichtfarbe in weiten Grenzen variiert werden. Auf Grund der Niederdruckentladung ist nach dem Ausschalten der Lampen ein sofortiges Wiedereinschalten möglich.


Induktionslampen

Bereits vor mehr als 100 Jahren wurde das Prinzip beschrieben, Licht durch elektromagnetische Induktion in einer Gasentladung zu erzeugen. Nikola Tesla stellte 1891 in New York sein "wireless light" vor. Daraufhin wurden viele Patente zur Induktionslampe angemeldet. Eine Veröffentlichung von Sir Joseph John Thomson im Jahr 1927 ist der Grundstein heutiger Induktionslampen. Doch bis eine geeignete Elektronik zur effizienten Ansteuerung der Induktionslampen zur Verfügung stand, dauerte es noch viele Jahrzehnte. Anfang der 1980er Jahre entwickelte PHILIPS einen Prototyp XL, der den Bereich der Glühlampenleuchtstärke zwischen 60W und 100W abdecken sollte. Diese Lampe besaß ein integriertes EVG, um eine Umrüstung in normalen Leuchten zu ermöglichen. Trotz der immensen Investitionen wurde das Projekt wieder aufgegeben, da sich ein zeitgleich entwickeltes System, heute bekannt unter dem Namen QL, als wirtschaftlicher und zumindest für industrielle Nutzung als bezahlbar erwies. Dieses brachte die Firma PHILIPS 1991, anlässlich ihres hundertjährigen Bestehens, als weltweit erste kommerzielle Induktionsbeleuchtung auf den Markt. Erst heute ist es möglich, diese Lampen auch mit integriertem EVG zu einem akzeptablen Preis/Leistungsverhältnis zu produzieren. Aber auch diese bleiben wegen der hohen Anschaffungskosten eher dem professionellen Beleuchtungssegment vorbehalten.

Bei den Induktionslampen wird in einem birnenförmigen oder ringförmigen Kolben Quecksilberdampf durch magnetische Induktion zum Aussenden von UV-Strahlung angeregt. Das UV-Licht wird durch Leuchtstoffe auf der Innenseite der Kolben in sichtbares Licht umgewandelt. Dieses Verfahren der Lichterzeugung ähnelt dem der Leuchtstofflampen, es sind jedoch keine Elektroden erforderlich, so dass die Lampen bis zu 100.000 Stunden Nutzungslebensdauer bei wenigstens noch 50% des ursprünglichen Lichtstroms erreichen. Die birnenförmigen Lampen werden in verschiedenen Lichtfarben und in unterschiedlichen Wattagen angeboten.

Induktionslampen weisen einige Vorteile auf. Sie erhöhen den Sehkomfort, sparen Energie und verfügen über eine lange Lebensdauer. Diese Vorteile legen die Anwendung von Induktionslampen besonders an schwer zugänglichen Stellen nahe, insbesondere dort, wo ein Auswechseln der Lampen hohen Aufwand und viele Kosten verursachen würde. Besonders häufig werden Induktionslampen in Industriehallen, Sport- und Schwimmhallen, Tankstellen, Straßen- und Fassadenbeleuchtung eingesetzt. Weitere wichtige Einsatzbereiche sind der Tunnel-, Untertagebau oder auch große, erhöht angebrachte Displays.

Die Lampen werden mit elektronischen Vorschaltgeräten (EVG) an Wechsel- und Gleichspannung betrieben, weshalb sie sich kombiniert in Netzspannungs- und Notstromsysteme integrieren lassen.