Metallhalogenide (Tageslicht)

Der Tageslichtscheinwerfer hat den Einzug 1969 mit einer 575 W HMI bei der Einführung des Farbfernsehens gefunden und war in München bei den Olympischen Spielen 1972 für die TV-Aufzeichnung im großen Stil eingebunden. Mit der Entladungslampe beginnt auch die Geburtsstunde der Moving Heads.

 

1. Metallhalogenide
2. UV-Strahlung
3. Funktiosweise
4. Brennlage
5. Dimmen
6. Ein- oder zweiseitig
7. Kritische Bauteile
8. Fehlerbetrachtung Leuchtmittel
9. Entglasung
10. Erhöhte Temperatur
11. Normale Temperaturen
12. Betriebslage
13. Ursachen erkennen

 

Was sind Metallhalogenide?

Zunächst erst einmal die Begriffserklärung: Das durch den Wolframfaden erzeugte Licht, also das Licht von einem Halogenleuchtmittel mit üblichen 3.200 K, nennt man Kunstlicht. Unter Tageslicht verstehen wir Scheinwerfertypen, die mit einer Entladungslampe arbeiten, die eine Farbtemperatur von ca. 5.600 bis 6.500 K aufweist. Die hier interessierenden Metalldampfleuchtmittel sind mit Farbtemperaturen von 5.400 bis 8.000 K bei einem Leistungsspektrum von 35 bis 18.000 Watt verfügbar. Weiterhin haben sie einen guten Farbwiedergabeindex von ca. 70 bis 95 Ra sowie eine hohe Lichtausbeute von 70 bis 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, dass eine möglichst gleichmäßige Spektralverteilung zustande kommt, die dem natürlichen durchschnittlichen Tageslicht entspricht.

 

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 tageslichtähnliche Farbtemperatur ist ausschlaggebend, sondern auch die ca. viermal höhere Lichtleistung gegenüber der Halogenlampe und dann noch eine 20-mal größere Lichtdichte. Das bedeutet, dass das Licht aus einem kleineren Punkt herausstrahlt und damit für die anschließende Optik schon eine fast ideale Punktlichtquelle ergibt. Und wollte man mit der Wolfram-Halogenleuchte mittels Konvertierung den Typ Tageslicht erreichen, verringert sich die Lichtleistung nochmals erheblich aufgrund der Transmissionsverluste 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-Niederdrucklampe. Jedoch wollen wir uns hier hauptsächlich mit den Halogen-Metalldampflampen bzw. deren notwendigem 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. Bleibt noch abschließend zum Leuchtmittel zu bemerken, dass sie auch UV-Strahlung abgeben.

UV-Strahlung

Dementsprechend sind auch die BG-Vorschriften für Scheinwerfer oder die DIN eindeutig. Erschwerend kommt hinzu, dass je nach verwendetem Glas ein Leuchtmittel mehr oder weniger UV abstrahlen kann, da durch das verwendete Glas eine UV-Filterung beginnen kann. Erwähnungswert ist an dieser Stelle, dass 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. Die Werte liegen in der Regel jedoch unter den der MAK-Werten. Nebenbei, man kann Ozon nicht riechen, aber durch O3 entstehen auch Stickoxide, die man dann als Ozonriechen interpretiert wie bei einem Kopierer auch.

Funktionsweise

Bei Hochdruck-Halogen-Metalldampflampen wird ein Entladungsbogen zwischen zwei Elektroden erzeugt. Die Füllbestandteile ionisieren und eine Stromleitung ist damit möglich. Durch die hohe Temperatur und 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, die Farbe. 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 mit zur Lichtentwicklung beitragen. Diese Hochlaufphase dauert ca. 3 bis 5 Minuten. Auch hier muss der Strom durch ein Vorschaltgerät begrenzt werden.

Brennlage

Halogen-Metalldampflampen haben ähnlich wie Halogenleuchtmittel ein Lageproblem. Jedoch kommen aufgrund des Aufbaues der Metalldampflampe erschwerende Faktoren hinzu. Einmal befinden sich zwei Elektroden im Glaskörper, an deren Ende sich das Licht spendende Plasma befindet.

Da die Schwerkraft und Thermodynamik auch innerhalb des Quarzglases ihre Gültigkeit beibehalten, wird auch das Plasma innerhalb des Quarzglases ein wenig verformt und erhält eine leicht gebogene Form. Wenn man z.B. ein zweiseitig gesockeltes Leuchtmittel in eine Lage bringt, bei der sich die eine Elektrode oberhalb der anderen Elektrode befindet, also um 90° senkrecht nach oben gedreht, so ist einzusehen, dass eine Elektrode viel stärker vom Plasma umgeben ist als die untenliegende Elektrode. Eine einseitige Belastung ist die Folge welche die Lebensdauer des Leuchtmittels erheblich verringert. Nun ist es so, dass bei einem zweiseitig gesockelten Leuchtmittel in einem Moving Head trotz Pan- und Tilt-Bewegung die Höhe der beiden Elektroden im Kopf immer gleich hoch ist bzw. anders ausgedrückt, der Leuchtstab bleibt immer horizontal. Jedoch nur unter einer Voraussetzung: Das Moving Light 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. Nachdem einige Moving Lights mit Funktionen wie Half Power Half Noise Geräuschproblemen begegnen oder wenn bei einem Black Out die Leuchtmittelleistung reduziert wird, dann begegnet man dem Problem der Übertemperatur im Leuchtmittelkopf.

Dimmen

Was dabei verschwiegen wird, ist jedoch dass 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, 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 Verdampfungsprozessen 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 Moving Heads, die mit energiereduzierenden Dimmfunktionen aufwarten, das Leuchtmittel noch mal mit 100 % laufen lassen, damit die Zusammensetzung der Elemente betriebsbedingt definiert ist. Auch sollte man beim Starten des Leuchtmittels darauf achten, dass diese Modi nicht aktiviert sind, wenn der Scheinwerfer das in seiner Software nicht von selbst berücksichtigt. Auch das Nachlaufen der Lüfter nach dem Löschen des Leuchtmittels wird gerne gesehen, und das auch nicht nur, um kältere Moving Heads ins Flightcase zu heben.

Ein- oder zweiseitig

Metalldampflampen sind in Versionen als ein- oder zweiseitig gesockelte Leuchtmittel zu unterteilen. Die einseitig gesockelten Leuchtmittel haben den Vorteil, dass sie einfach zu wechseln sind, da sie meist nur in den Sockel gesteckt werden und bei Nullkraftsockeln sogar ohne kräftigen Druck „hineinwackeln“. Wichtig ist beim Einsetzen des Leuchtmittels, dass es nicht verdreht oder seitlich belastet wird, denn mechanischer Stress kann Mikrosprünge verursachen, die zum vorzeitigen Ausfall führen können. Beim zweiseitigen Leuchtmittel muss der Sockel so beschaffen sein, dass die zweite Befestigung locker gelagert ist, damit die temperaturbedingten Ausdehnungen und Bewegungen nicht zum Bruch des Leuchtmittels führen. Die empfindlichste Stelle sind die Übergänge im Sockel. Ein Luftzieher bei einseitig gesockelten Leuchtmitteln hat meist die Folge, dass sich von der Molybdänfolie mit dem Sauerstoff ein Oxid bildet, das diesen weißlich gelben Belag verursacht und somit das Leuchtmittel unbrauchbar macht. Bei einseitig gesockelten Leuchtmittel mit Außenkolben kann Luft im Außenkolben dafür verantwortlich sein, dass das Leuchtmittel nicht mehr heißzündfähig ist, da dann ein Überschlag im Außenkolben stattfinden kann. Dagegen ist beim zweiseitig gesockelten Leuchtmittel ein Luftzieher schwarz, da hier die Luft mit dem Wolfram reagiert.

 

 

 

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 einseitig gesockelte.

 

 

Kritische Bauteile

An den Wänden der Brennkammer werden 950° erreicht sowie ein Druck von typischen 10 bis hin zu 35 Bar. Deshalb ist die Brennkammer aus Quarzglas gefertigt, welches erst bei 1.100° 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 beschädigtem Leuchtmittel erst das sogenannte 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 und wird unromantisch Pumpstängel-Abzugsstelle kurz PST genannt. 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 Lampensockeln 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 10-mal so großem Ausdehnungskoeffizient das Glas einfach wegsprengen. Das Molybdän dagegen wird als 20 µm dickes Bändchen gefertigt, das über der Fläche zu wenig Kraft aufbringt, um das Glas wegzusprengen und sich an den Kanten eher in das Glas schneidet, statt es wegzusprengen. Diese Molybdänfolie muss aber auch noch den Leuchtmittelstrom transportieren und bildet somit eins der kritischen Bauteile.

 

 

 

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° C ausmachen kann. Der Sockel darf auch nicht thermisch übermäßig belastet werden, deshalb 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, dass 10 KV ca. 1 cm Luft bzw. Kriechstrecke benötigen. Bei einer Zündspannung von 70 KV können das mal eben 7 cm sein. Aber ein G38 Sockel misst gerade mal 4 cm. Hier wird der Abstand durch labyrinthmäßige Verlängerungen der Strecken erreicht.

 

Fehlerbetrachtung Leuchtmittel

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

Entglasung

Die Entglasung ist ein Alterungsprozess, bei dem sich die Glasstruktur, sprich die Rekristallisierung der Siliziumoxide, durch Druck und Temperatur, verändert. Dadurch nimmt aber auch die Festigkeit der Struktur ab, was dann einen Lampenplatzer wahrscheinlich werden lässt. Abgesehen davon, dass die optischen Eigenschaften durch den Frosteffekt für einen profilgebenden Scheinwerfer schlechter werden, da nun die Punktlichtquelle größer erscheint bzw. besser, wenn man Fresnellinsenscheinwerfer und ihre Homogene Lichtverteilung betrachtet.

 

Das Aufblasen des Bennerkolbens kann durch die Entglasung entstehen, da das Glas stärker erweicht wird und sich 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.

 

Erhöhte Temperatur

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 ausgefallener Lüfter sehr praxisnah ist. Aber auch zu hoher Betriebsstrom außerhalb der geduldeten Parameter erhitzt das Leuchtmittel über Gebühr. Auch Übergangswiderstände zu den Kontakten, die durch Korrosion entstehen können, oder bei schlechter Montage (ungenügendes Anziehen der Kontaktschrauben) können erhöhte Temperaturen wegen der Übergangswiderstände verursachen. Der Sockel ist ein Verschleißteil in einem Scheinwerfer und sollte bei Spuren großer thermischer Beanspruchung sofort ausgetauscht werden.

 

 

Normale Temperaturen

Im Normalfall verträgt 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 Moving Lights 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 dass das Leuchtmittel flackert, denn bei der Zwangskühlung mit Lüftern kann doch die Betriebslage egal sein. Dem ist leider nicht so. Denn beim seitlichen Anschlagen wird sich im Moving Light 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 sich das Leuchtmittel jedoch mit einer Elektrode oberhalb der anderen 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 ausgerichtet werden soll. Man versucht, dass in der Brennkammer überall die gleichen thermischen Bedingungen herrschen, damit sich nicht irgendwo ein Kondensat schneller niederschlagen kann. Jedoch hat sich gezeigt, dass diese Glasnase ein wenig kälter im Betrieb als das übrige Glas ist. Deshalb versucht man, die Glasnase an heiße Positionen zu legen, so dass das Temperaturgefälle kompensiert wird. Folglich wird die Nase meist nach oben zeigen. Bei Scheinwerfern, die mit Kugelspiegel arbeiten, kann das auch bedeuten, dass die Nase zum Spiegel zeigen soll, so dass das Licht bzw. die Wärme vom Kugelspiegel wieder zurück auf die Nase gerichtet wird.

Ursachen erkennen