Stefans Lichtparade

Kohlefadenlampen

Die Lösung des Problems der elektrischen Beleuchtung kleinerer Räume stellte das Glühlicht dar. Bei der Glühlampe wird ein relativ schlecht leitender Körper im Stromkreis zum Glühen gebracht. Das Hauptproblem bei der Herstellung von Glühlampen lag darin, eine Verbrennung des Glühkörpers zu verhindern. Dazu wurde der Glühkörper in einen Glaskolben eingeschlossen, dem man soweit wie möglich die Luft und damit den Sauerstoff entzog. Der Erfolg kam dabei erst mit einer vom Chemiker Hermann Sprengel (1834-1906) in England für Laborzwecke entwickelten und weiter verbesserten Quecksilber-Luftpumpe. Das zweite große Problem bei der Glühlampenherstellung bestand darin, ein für den Glühkörper geeignetes Material zu finden. Es musste widerstandsfähig sein und mit einer möglichst hohen Temperatur glühen, weil die Lichtausbeute mit der Temperatur überproportional anwächst. Seit Beginn des 19. Jahrhunderts hatte man vor allem mit Kohlestückchen und Glühdrähten aus Platin experimentiert. Dabei zeigte sich aber, dass die Kohlestückchen wegen des in ihnen enthaltenen Sauerstoffs schnell verbrannten. Platin hingegen gibt erst in der Nähe seines relativ hohen Schmelzpunktes genügend Licht ab. Die Platindrähte mussten also hoch belastet werden und lösten sich früher oder später auf. Wie so häufig in der Geschichte der Technik könnte man auch für die Erfindung der Glühbirne zahlreiche Namen aufzählen. Die wichtigsten Impulse für die Durchsetzung des Glühlichts am Markt kamen aber ohne Zweifel aus den Arbeiten von Thomas Alva Edison (1847-1931). In den siebziger Jahren des 19. Jahrhunderts richtete Edison bei New York ein großes Entwicklungslabor ein, in dem Mitarbeiter aus den unterschiedlichsten Fachgebieten an zahlreichen Innovationen arbeiteten. So wirkten zum Beispiel an der Glühlampenentwicklung Physiker, Elektrotechniker, Maschinenbauer, Chemiker und Glasbläser mit. Edison, dessen theoretische Kenntnisse eher gering waren, stellte die Aufgaben und organisierte die Arbeiten. Er repräsentierte den neuen Typ eines Managers des Erfindens.

Obwohl die unmittelbaren Anteile Edisons an den auf seinen Namen eingetragenen Erfindungen häufig begrenzt waren, gehört er jedenfalls zu den Erfindern der Erfindungsindustrie. Viele seiner technischen Entwicklungsarbeiten hatten insofern Erfolg, als sie von vornherein auch von ökonomischen Überlegungen begleitet wurden. Während andere Pioniere der Elektrotechnik, wie Werner von Siemens (1816-1892), sich in erster Linie als Entwickler und Fabrikanten verstanden, setzte Edison sein beträchtliches propagandistisches Talent aktiv für die Erschließung von Märkten ein. Sein folgerichtiges Experimentieren im Labor ergänzte eine planvolle Pressearbeit. Entsprach die öffentliche Resonanz einmal nicht seinen Vorstellungen, so scheute er nicht davor zurück, Journalisten für die positive Bewertung seiner Arbeiten zu kaufen.

Denken in Systemen, zielstrebiges Experimentieren sowie Versuch und Irrtum waren die Grundlagen, auf denen Edison seine Arbeiten vorantrieb. Abstrakte technisch-wirtschaftliche Überlegungen liefen darauf hinaus, dass er Glühlampen mit hohem Widerstand brauchte, um sein System mit hoher Spannung betreiben und damit Kupfer in den Leitungen sparen zu können. Zunächst verwendete er mit mäßigem Ergebnis Platin oder verkohlte Papierstreifen als Glühkörper. Nach diesen Fehlschlägen ließ er mehr als 6.000 natürliche Fasern sammeln und auf verschiedene Art und Weise verkohlen. Sein Ziel erreichte er schließlich im Jahr 1880 mit einem Glühfaden aus einer verkohlten Bambusfaser. Damit hatte er ein technisches Schlüsselproblem für die Glühlampenentwicklung gelöst, auch wenn man später bei der Produktion von Kohlefadenlampen wieder auf andere Ausgangsmaterialien umstieg.

Edisons Hauptverdienste bei der industriellen Anwendung der Glühlampe bestanden in der Entwicklung des Ganzglaskörpers, in dem sich ein weitgehendes Vakuum erzielen ließ, im Einschalten der Glühlampe während der Evakuierung und im Einsatz von Bambus für den Glühfaden. Anfang des 20. Jahrhunderts wurden die Kohlfadenlampen dann durch Metallfadenlampen (insbesondere Wolfram- und Tantallampen) abgelöst. Eine ganz wesentliche Entdeckung Edisons hatte großen Anteil am durchschlagenden Erfolg seiner Glühlampenentwicklung. Dies war die, gegen alle Skepsis der Fachwelt nachgewiesene, Möglichkeit der Aufteilung des elektrischen Stromes auf mehrere Glühlampen, die sogenannte Subdivision of the Electric Light. Das Patent, das Edison 1897 auf seine Erfindung der Glühbirne ausgestellt bekam, war dann der Anlass für einen der größten Patentrechtsverletzungs-Prozesse im 19. Jahrhundert.


Wolframglühlampen für Allgemeinbeleuchtung / spezielle und optische Anwendungen

Heute wird zur Herstellung von Glühlampendraht ausschließlich Wolfram verwendet, das sich durch seinen hohen Schmelzpunkt (3380 °C) und seine geringe Verdampfungsgeschwindigkeit auszeichnet. Die Schwierigkeiten lagen in der Verarbeitung des Wolframmetalls zu Drähten. Erst die bedeutsame Erfindung des Sinterprozesses (1910) brachte eine Umwälzung der gesamten Glühlampenerzeugung mit sich.

Die ersten Wolframlampen besaßen einen einfachen, langen Wolframdraht, der zickzackförmig in einem evakuierten Glaskolben eingebaut war. Eine weitere Verbesserung ergab sich, als es 1914 gelang, den Wolframdraht zu Wendeln zu verarbeiten. Jetzt konnte man die Verdampfungsgeschwindigkeit durch eine Gasfüllung der Lampe herabsetzen und gleichzeitig höhere Betriebstemperaturen des Wolframdrahts zulassen (2600 °C). Die Lichtausbeute erhöhte sich dadurch wesentlich. Die Gasfüllung verringerte zwar die Verdampfung, kühlte aber gleichzeitig den Draht. Doch konnten die dabei auftretenden Abkühlungsverluste durch das Wendeln des Drahts mehr als kompensiert werden, weil nun infolge der Wendelung die für die Abkühlung in Frage kommende Oberfläche des Leuchtkörpers verringert war. Als Füllgas verwendet man ein Gemisch aus Argon und Stickstoff. Der Fülldruck beträgt etwa 600 Torr. Durch die Einführung der Doppelwendel (1935) konnten eine weitere Temperatursteigerung und Erhöhung der Lichtausbeute erzielt werden. Die Wärmeverluste durch das Füllgas sind umso geringer, je höher seine Dichte ist. Durch die Verwendung von Krypton als Füllgas kann die Drahttemperatur weiter erhöht und eine günstigere Lichtausbeute erreicht werden. Das Edelgas Krypton ist aber in der Luft nur in geringen Spuren vorhanden. So müssen 1 Mio. Liter Luft verarbeit werden, um 1 Liter Krypton zu gewinnen. Ein weiteres Herabsetzen der Verdampfungsgeschwindigkeit und eine Erhöhung der Lichtausbeute sind durch die Erhöhung des Fülldrucks möglich. Das bringt aber fertigungstechnische Schwierigkeiten mit sich und ist auch für den Anwender nicht ohne Gefahr.

Allgebrauchslampen werden mit klarem, innenmattiertem, farbigen oder Opalglaskolben hergestellt und umfassen die Lampen der Hauptreihe bis 200 W, die Großlampen bis 2000 W, die Bahnlampen, die Lampen in Zweck- und Zierform sowie die Röhrenlampen und Reflektorlampen. Bis 150 W werden die Allgebrauchslampen als Einfach- und Doppelwendellampe, darüber als Einfachwendellampe gebaut. Ihre Nennspannungen bewegen sich zwischen 24 und 240 V. Die Lebensdauer ist international mit durchschnittlich 1000 Brennstunden festgelegt.

Eine bedeutsame Gruppe von Glühlampen stellen die Lichtwurflampen dar. Es sind hochbelastete Lampen für Scheinwerfer, Bildwerfer und sonstige optische Geräte. Sie zeichnen sich durch hohen Lichtstrom, kleine Abmessung des Leuchtsystems und große Leuchtdichte aus. Da es bei ihnen in erster Linie auf hohen Lichtstrom bzw. hohe Leuchtdichte ankommt, sind sie oftmals nur für eine Lebensdauer zwischen 50 und 200 Stunden ausgelegt. Wegen der hohen Belastung dieser Lampen ist meist eine bestimmte Brennstellung einzuhalten. Eine Nichtbeachtung führt zum vorzeitigen Ausfall der Lampe. Oftmals besitzen die Lampen in Bezug auf das Leuchtsystem einen genau fixierten Sockel.

Eine weitere Gruppe von Glühlampen sind die Hochtemperaturstrahler. Sie sind Infrarotstrahler, die ihre Strahlung vorzugsweise im kurzwelligen Infrarotbereich des Spektrums aussenden (1000 bis 6000 nm). Diese Wärmestrahlung wandelt sich am bestrahlten Körper in molekulare Bewegungsenergie um, wodurch sich die Temperatur des bestrahlten Gegenstands erhöht. Für technische Erwärmungs- und Trockenprozesse werden Infrarotstrahler benutzt, deren Strahlungsmaximum etwa bei 1200 nm liegt. Mit ihrer Hilfe gelingt es, Trockenprozesse, die sonst Stunden oder Tage in Anspruch nehmen, in Minuten durchzuführen. Infrarotstrahler werden auch in der Medizin für Heilbehandlungen und in der Landwirtschaft zur Jungtieraufzucht verwendet. Infrarotstrahler in ihrer ursprünglichen Form der Kohlefadenlampen fanden nur noch bis in die 60er Jahre für Bestrahlungszwecke Anwendung. Seit ca. 1998 haben die vorteilhaften elektrischen Eigenschaften und die hervorragenden Emissionseigenschaften des Kohlenstoffs dazu geführt, daß die Kohlefadenlampe in der industriellen Wärmetechnik wieder verwendet wird. (Näheres ist hier zu finden.)


Halogenglühlampen

Das Bestreben, die Lichtstromabnahme von Glühlampen infolge der mit der Betriebsdauer zunehmenden Kolbenschwärzung zu vermeiden, hat dazu geführt, in den sogenannten Halogenglühlampen einen regenerativen Prozess auszunutzen, durch den die verdampften Wolframteilchen auf den Glühfaden zurückgeführt werden. Halogene (Jod, Brom, Fluor und Chlor) haben die Eigenschaft, sich bei bestimmten Temperaturen mit Metallen zu Halogeniden zu verbinden und diese Verbindung bei höheren Temperaturen wieder aufzugeben.

In den Halogenglühlampen stellt sich während ihres Betriebs folgender (vereinfachter) Kreisprozess ein. Das Wolfram verdampft infolge der hohen Temperatur des Glühfadens und verbindet sich in der Nähe der gegenüber dem Glühfaden kälteren Kolbenwand mit dem in die Lampe eingebrachten Halogen (Jod und Brom). Diese Verbindung wandert zum heißen Glühfaden zurück und zerfällt dort wieder in ihre Bestandteile Wolfram und Halogen, wobei sich das verdampfte Wolfram wieder auf dem Glühfaden niederschlägt. Durch diesen Rücktransport des Wolframs gelingt es, die Kolbenschwärzung vollständig zu vermeiden. Die Lampen haben über ihre gesamte Lebensdauer völlig konstante elektrische und lichttechnische Daten.

Da der Kreisprozess nur bei Kolbenwandtemperaturen über 250 °C funktioniert (in der Praxis betragen sie 500 bis 800 °C), müssen die Lampen extrem klein sein und die Kolben aus Quarzglas hergestellt werden, da normales Glas diesen Temperaturen nicht standhält. Diese aus thermischen Gründen notwendige Technologie bot nun wiederum die Möglichkeit, den Fülldruck ohne Gefahr für den Benutzer zu erhöhen und so die Lichtausbeute erheblich zu steigern. Der Fülldruck beträgt über 1 bar, im Betriebszustand liegt er zum Teil bei 20 bar. Bei einer Farbtemperatur von 3400 K lässt sich so eine Lichtausbeute von 35 lm/W erreichen. Die Lebensdauer beträgt allgemein 2000 Stunden.


Eisenwasserstoff-(EW)-Widerstände in Lampenform

Sie sind im eigentlichen Sinne keine Lampen. Auch wenn man sie häufig mit Glühlampen oder Heizlampen verwechselt, handelt es sich hierbei um elektrische Widerstände. Gesockelt wurden sie auf Steck-, Bajonett- und Edison-(Schraub-)Sockel. Im Glaskolben befindet sich eine Haltekonstruktion für den Eisenwiderstandsdraht unter einer Wasserstoffatmosphäre. Eisenwasserstoff-Widerstände besitzen die Eigenschaft einen konstanten Strom innerhalb zweier Spannungsgrenzen selbstregelnd einzuhalten. Bis Ende der 40er Jahre verwendete man sie in der Funk- und Rundfunktechnik zur schonenden Begrenzung des Kalt-Heizstromes von Elektronenröhren. Da der Anheizstrom bei kalten Heizfäden erheblich über dem Nennstrom liegt, gab es verschiedenen Maßnahmen, um eine Strombegrenzung zum Schonen der Heizfäden vorzunehmen. Man benutzte dazu z.B. in Reihe mit einem Eisenwasserstoff-Widerstand einen weiteren Widerstand aus Urandioxid (Urdox).