Licht

Leuchtmittel

Zündgeräte für Entladungslampen

Warum Zündgeräte? Im kalten Zustand ist die Entladungslampe ein guter Isolator. Das Anlegen einer Betriebsspannung ohne vorheriges Zünden hat keine Wirkung. Eine Gasstrecke zwischen den Elektroden muss erst einmal ionisiert werden. Dazu verwendet man eine sehr hohe Spannung, damit über die zwei gegenüberliegenden Elektroden erst einmal ein Überschlag entsteht. Dies wird mit einem Zündgerät bewerkstelligt. Damit nun der Strom durch den niederohmigen Kanal nicht extrem ansteigt muss er begrenzt werden. Das übernimmt der Ballast bzw. die Drossel. Wurde das Leuchtmittel gezündet, so benötigt es noch einige Zeit, bis es seine Betriebstemperatur erreicht hat.

Diese Anlaufzeit kann einige Minuten dauern, dabei können sich die Lichtfarbe und die Intensität sprungweise verändern, so dass ein Betrieb dieses Leuchtmittels zum Zwecke des Ausleuchtens erst nach dieser Zeit erfolgen kann. Der Prozess des Anlaufens ist sehr kritisch und birgt Gefahren für das Leuchtmittel. Einmal darf der Anlaufstrom nicht zu hoch werden, da sonst die eingeschmolzenen Stromzuführungen des Leuchtmittels überhitzt werden, aber auch nicht zu klein sein, da sonst bei niedrigen Umgebungstemperaturen der Anlaufvorgang nicht sicher ist. In der Anlaufphase dürfen die Grenzwerte der Ströme auch bei Nennspannungsschwankungen von +- 10 % nicht die Grenzwerte überschreiten. Bleibt aber festzuhalten, dass der Anlaufstrom größer als der Dauerbetriebsstrom ist, aber nach einigen Minuten auf den normalen Lampenstrom zurückgeht.

Anzeige

Überlagerungsprinzip

Die aus dem Haushalt bekannten Starter für Leuchtstofflampen erreichen nur Werte um die 1 bis 1,5 kV und sind bei den Halogen-Metalldampflampen nicht ausreichend. Damit der Überschlag beim Zünden in eine stabile Bogenentladung übergehen kann, muss die Zündspannung genügend hoch sein und genügend Energie enthalten. Der Strom vom Vorschaltgerät muss dann sehr schnell verfügbar sein sowie eine ausreichende Leerlaufspannung des Vorschaltgerätes liefern. Um die Zündspannung in den Betriebsstromkreis einzukoppeln, wird meist das Überlagerungsprinzip angewendet, wobei der Zündspannungsübertragungstransformator in Reihe zur Lampe liegt. Die Zündspannungsimpulse werden von einem Impulsgenerator erzeugt. Bei Zündgeräten, die nur kalte Leuchtmittel zünden müssen, können die Impulse auch mit wartungsfreien Halbleiterschaltern realisiert werden. Um einen Entladungskanal zwischen den Elektroden des Leuchtmittels zu öffnen, damit der niederfrequente Betriebsspannungsbogen möglich wird, wird je nach Leuchtmitteltyp eine bestimmte Mindestanzahl von Durchschlagsfunken pro Netzhalbwelle benötigt. Sinnigerweise erfolgen die Zündfunken bei ansteigender Netzspannung. Ist die Zündung erfolgt, sollte das Zünden abgeschaltet werden. Ca. 0,5 bis 2 Sekunden sind für die Zündung sinnvoll, bei längerem Zünden besteht die Gefahr der Schädigung der Elektroden. Blitzt also das Leuchtmittel beim Zündvorgang auf, aber erlischt es sofort, dann reicht zwar die Zündspannung aus, aber damit das Vorschaltgerät für die Aufrechterhaltung der Ladung sorgen kann ist die vorhandene Energie zu klein. Es könnte aber auch sein, dass das VG nicht den erforderlichen Strom bereitstellen kann.

Vergossenes Zündgerät
Zündgerät vollvergossen: Der Schutz und die Minimierung von Geräuschen werden durch eine schlechte Wärmeabgabe erkauft. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Schaltbild einer einfachen KVG Zündgerätes
Blockschaltbild: Konventionelles Vorschaltgerät (KVG), Blindstromkompensation (PFC) und Zündgerät (Bild: Desisti)

 

Heiß wieder zündbar

Grundsätzlich kann man Zündgeräte in zwei Gruppen aufteilen. Einmal die Zündgeräte, die nur eine niedrige Zündspannung ca. 5 kV erzeugen und damit nur Leuchtmittel zünden können, die sich im kalten Ursprungszustand befinden, oder solche, die in der Lage sind eine sehr hohe Zündspannung von ca. 20 bis maximal 70 kV zu erzeugen, um auch Leuchtmittel im heißen Zustand, also mit sehr hohem Innendruck bzw. der höheren Isolationseigenschaften der gasförmigen Füllstoffe, erneut zu zünden. Nach ca. 15 Sekunden nach Abschalten eines Leuchtmittels wird die höchste Zündspannung benötigt, um das Leuchtmittel wieder heiß zu zünden. Allgemein ist nach 10 bis 90 Sekunden das Wiederheißzünden sehr kritisch. Es kann zu sogenannten Zündlöchern kommen, in denen das Leuchtmittel gar nicht mehr zündet. Ursache sind Kondensationen der Füllungskomponenten auf den Elektroden oder der Kolbenwand und entsprechende Partialdrücke. Für die Zündung ist aber nicht nur die Höhe der Spannung, sondern auch die Frequenz der Zündspannung ausschlaggebend. Für kalte Lampen, also bei den normalen Zündgeräten, reicht eine Zündspannung mit einer kHz-Schwingung. Um Leuchtmittel im warmen Zustand, also mit hohen Innendrücken zu zünden, wird dagegen eine Zündspannung im MHz-Bereich notwendig. Zündgeräte die im MHz-Bereich arbeiten verschleißen, da diese zur Erzeugung der Zündspannung keine verschleißfreie Halbleiterschalter, sondern Funkenstrecken einsetzen müssen, deren Elektroden leider auch verschleißen. So ist es notwendig, diese Funkenstrecken von Zeit zu Zeit neu zu justieren.

Abstand der Elekrtoden in der Luft bestimmt die höhe der Spannung
Funkenstrecke – Nachjustieren über Inbus nach Lösen der Muttern (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Platine mit Bauteile
Übersichtlich aufgebautes Zündgerät aus einem Profilscheinwerfer. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Zündgerät zur Wiederheißzündung

Dagegen können die im kHz-bereich arbeitenden Zündgeräte mit geringerer Zündspannung für die „nur“ kalten Leuchtmittel mit Halbleiterbauelementen realisiert werden. Bei diesen hohen Spannungen kann man, trotz professionellem Einsatz von Scheinwerfern, die Forderung der VBG bzw. detaillierter der EN 60598 „Erläuterung zu 17.6.1 Berührungsschutz“ verstehen, dass bei Us / 4,6 größer als 1.000 V mit Us = Scheitelwert der Zündspannung, der Scheinwerfer nur unter Zuhilfenahme von Werkzeug zu öffnen ist, oder ihn beim Öffnen eine Schaltvorrichtung automatisch allpolig vom Netz trennt. Denn bei diesen Spannungen muss man nicht erst einen Pol an der Fassung berühren, sondern allein die Nähe der Hand reicht aus, dass ein Überschlag zum Körper hin erfolgen kann.

Die erzeugte Zündspannung wird dann mithilfe eines Überlagerungstransformators auf die erforderliche Stoßspannung noch transformiert und gleichzeitig die niederfrequente Lampenversorgungsspannung überlagert. Dabei gibt es asymmetrische und symmetrische Transformatoren. Bei einer symmetrischen Übertragung liegt zur Erde nur die halbe Zündspannung an, was natürlich die Isolation bzw. die Mindestabstände im Lampenhaus kleiner werden lässt. Die Zündeigenschaften von einseitig gesockelten Leuchtmitteln ist polungsabhängig. Zur optimalen Zündung muss bei den einseitig gesockelten Leuchtmitteln in Kombination mit asymmetrischen Zündgeräten die Hochspannung an der kürzeren Stromzuführung zum Brenner angeschlossen werden. Das sollte man beim Service nach einem Austausch des Zündgerätes beachten.

Jede Zündung kostet etwas Lebensdauer vom Leuchtmittel. Dabei kostet die Zündung von heißen Leuchtmitteln weniger Lebensdauer als die Zündung von kalten, da der hohe Anlaufstrom die Molybdänfolien und Elektroden stark belastet. Deshalb sollte man Entladungslampen nur bei längeren Pausen ausschalten. Dabei ist eine Pausenzeit von 30 Minuten bei 575-W-Leuchtmitteln, 1 Stunde bei bis zu 4-kW-Leuchtmitteln und 1,5 Stunden bei über 4-kW-Leuchtmitteln ein Richtwert. Ein Ausschalten während der Anlaufphase sollte grundsätzlich vermieden werden, denn die seltenen Erden können sich dann als dunkler, undurchsichtbarer Belag am Glaskolben absetzen, was das erneute Zünden des Leuchtmittels sehr erschwert bis unmöglich machen kann. Die Lampenlebensdauer wird aber auf jeden Fall minimiert.

 

Aufbau

 

Schaltbild mit Impulsgenerator
Zündgeräte für Wiederheißzündung müssen eine wesentlich höhere Zündspannung liefern. (Bild: Desisti)

 

Die Kapazität CB ist nicht als ein Bauteil wie ein Kondensator vorhanden, sondern bildet sich aus den Zuleitungen, den Sockelstiften bzw. den Elektroden des Leuchtmittels. Diese Kapazität belastet bereits das Zündgerät. Ein Scheinwerferhersteller hat die Leitungskapazitäten minimiert, indem er das Zündgerät in zwei Baugruppen unterteilt hat. Dabei ist das letzte Hochspannungsteilmodul zusammen mit dem Leuchtmittel auf den gleichen Schlitten montiert. Dadurch wird erreicht, dass die Kabel zum Leuchtmittel sehr kurz gehalten werden können. Dann werden die Kabel auch nicht bewegt, wenn der Schlitten zum Fokussieren verfahren wird und das Zündgerät im Boden des Scheinwerfers gelagert ist. Und Hochspannungskabel ist bei mechanischer Belastung sehr empfänglich seine Durchschlagsfestigkeit zu verlieren. Getoppt wird dann nur noch die Möglichkeit 2,5-kW- und 4-kW-Leuchtmittel einzusetzen, wobei bei der Sockelhöhenverstellung ein Schalter dem Vorschaltgerät signalisiert, welcher Leuchtmitteltyp Anwendung eingesetzt wird.

 

Sockel mit Leuchtmittel
(A) Kurze, unbewegte Kabel zum Zündgerät,
(B) Hochspannungsteil des Zündgerätes wird mit dem Leuchtmittel verfahren,
(C) Zwei Sockelhöhen für 4.000-W- und 2.500-W-Entladungslampe
(Bild: Herbert Bernstädt)

 

Der Kondensator C1 wiederum soll die hochfrequente Stoßspannung vom Stromversorgungsgerät fernhalten. Damit C1 wirksam arbeiten kann, muss er für Hochfrequenzen geeignet sein und groß gegenüber CB sein. Der Zündhilfskondensator CZH soll das Leuchtmittel praktisch verzögerungsfrei mit Strom versorgen können, damit beim langsam ansteigenden Strom der 50-Hz-Versorgungsspannung dennoch der Lichtbogen aufrecht gehalten werden kann. In einigen Fällen wird der Zündhilfskondensator so groß gewählt, dass mehr als die normale Lampenleistung entsteht. In diesen Fällen ist eine elektromechanische Abschaltung mittels Relais erforderlich, die diese Kapazität nur zum Zünden dazu schaltet und danach wieder aus dem Stromkreis herausnimmt, so dass das Leuchtmittel nur mit der Nennleistung arbeiten muss.

Blockschaltbild: Abschaltbarer Zündhilfskondensator
Blockschaltbild: Abschaltbarer Zündhilfskondensator (Bild: Desisti)

 

Konventionelles Vorschaltgerät

Zur Strombegrenzung kann man eine Induktivität hervorragend einsetzen. Diese Induktivität wird in Reihe geschaltet und auch Drossel genannt. Ein Hauptaugenmerk der Drossel ist ihr hohes Gewicht durch die verwendete Kupferspule und den Magnetkern aus Eisen. Dafür ist das Bauteil sehr robust und preisgünstig. Jedoch kann die Drossel auch zu Problemen führen, denn es ist möglich, dass kurzzeitig beim Lampenstart oder über einen längeren Zeitraum gegen Lebensende des Leuchtmittels die Emissionseigenschaft der beiden Elektroden des Leuchtmittels unterschiedlich sind und dann wie ein Gleichrichter funktionieren. Damit entsteht Gleichstrom, der nicht durch die di/dt Wirkung der Drossel begrenzt wird, und somit ein zu hoher Strom entsteht, der Leuchtmittel oder falls das Leuchtmittel standhält sogar die Drossel zerstören kann. Deshalb sollte auch eine Drossel gegen Überstrom oder zumindest Übertemperatur geschützt sein, was auch in der IEC 598 gefordert wird.

Der Gleichrichteffekt wird in der Regel vom Anwender nicht registriert. Er kann nur darauf achten, dass Schmorstellen oder Verzunderung an den Kontakten ein Hinweis auf zu hohen Strom wegen Gleichstrom sein könnte. Ein neues Leuchtmittel wird beim Einsatz an verzunderten Kontakten ebenfalls eine kurze Lebensdauer aufweisen. Es gibt zwar flickerfreie DC-Vorschaltgeräte, aber der Betrieb an Halogen-Metalldampflampen ist nicht ratsam, da der Gleichstrom nur die Anoden-Elektrode sehr stark angreift und inhomogene Verteilung im Kolben stattfinden, was dem Leuchtmittel nicht zuträglich ist. Man betrachte z.B. den Elektrodenaufbau von gleichstrombetriebenen Xenon Leuchtmitteln. Mit den vorher besprochenen Eigenarten der Entladungslampe wird deutlich, wie sehr das Leuchtmittel von einer guten Versorgungsspannung abhängt. Deshalb ist es auch wichtig bei Scheinwerfern mit konventionellen Vorschaltgeräten die dabei oftmals angebotene Spannungsbereichsumschaltung für die verschiedenen Versorgungsspannungsbereiche zu nutzen und nicht einfach den höchstmöglichen Wert, mit der Annahme, dass bei niedrigerer Spannung dann auch kein Schaden am Gerät entstehen könnte.

Blockschaltbild: Konventionelles Vorschaltgerät
Blockschaltbild: Konventionelles Vorschaltgerät (Bild: Desisti)

 

KVG mit DMX-Ansteuerungselektronik
Konventionelles Vorschaltgerät: Der rechtsseitige Elektronikeinschub ist „nur“ für Steuerung der Dimmer bzw. Lampe vorhanden. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Kompensation

Sollen mehrere Scheinwerfer mit Entladungslampe und einem konventionellen Vorschaltgerät an eine Phase bzw. an übliche Schukosteckdosen angeschlossen werden, fällt oft die Sicherung, obwohl die Lampenleistung zusammenaddiert eigentlich noch viel „Luft“ zur Obergrenze hin aufzeigt. Die Induktion der Drossel erzeugt jedoch auch einen Blindstrom und somit wird die Scheinleistung erheblich höher. Man merke sich, dass oft die Wirkleistung des Leuchtmittels angegeben wird und man so von einem 1.200-W-Scheinwerfer spricht. Die Scheinleistung mit der das Gerät die Leitungen und auch die Sicherung belastet ist dann jedoch mal locker 1.900 VA (Volt Ampere, da die Scheinleistung sich aus der Messung bzw. der Multiplikation der Werte des Volt- und Amperemeters ergibt) beträgt.

Diesem Blindstrom kann man natürlich auch mit einem Energiespeicher, der der Spule entgegenwirkt, begegnen. Somit beinhalten Geräte mit PFC (Power Factor Correction) einen Kompensationskondensator, der den Cos Phi wieder in Richtung eins verschiebt. Somit lassen sich dann z.B. zwei 575-W-Scheinwerfer dauerhaft an einer mit 10 A abgesicherten Haushaltssteckdose betreiben bzw. ein 2.500-W-Strahler benötigt dann nicht zwingenderweise einen 25 A blauen CEE-Steckverbinder. Auch der kurzfristig höhere Anlaufstrom wird in der Regel von der 10-A-Sicherung gehalten. Jedoch kann der Einschaltstromstoß der Kompensationskapazität zur Auslösung von Sicherungsautomaten führen, insbesondere solche mit H-Auslösecharakteristik, da die Kurzschlussschnellauslösung bereits beim 2,5-fachen Nennstrom nach 10 ms ansprechen kann.

 

Blindstromkompensation als Schaltbild
Blockschaltbild: Blindstromkompensation – Power Factor Correction (PFC) (Bild: Desisti)

 

EVG: Elektronisches Vorschaltgerät

Elektronische Vorschaltgeräte (EVG) sind zwar erheblich teurer als konventionelle Drosseln, warten aber mit einer Reihe von drastischen Vorteilen auf, wobei die Gewichtsersparnis noch der kleinste Vorteil ist. Ein elektronisches Vorschaltgerät arbeitet dabei ähnlich wie Frequenzumformer, um das Drehfeld von Motoren in der Drehzahl zu verändern. Betrachtet man sich das Blockschaltbild, so wird im Abschnitt A die 50-Hz-Netzspannung mit einem Gleichrichter zu einer Gleichspannung umgeformt. Im Abschnitt B wird diese Gleichspannung noch mal gepuffert, damit zu jedem Zeitpunkt genügend Energie, sprich Strom, zur Verfügung steht. Im nächsten Abschnitt C folgt ein Abwärtswandler, der für die Regelung des Stroms zuständig ist. Aus Übersichtsgründen ist hier keine Regelelektronik oder Filtertechnik abgebildet. Aber gerade die Steuerungsmöglichkeiten für die Ausgangsspannung sind die großen Vorteile des EVGs, weil mit ihnen bestimmte Anwendungen wie flickerfreie Highspeed-Aufnahmen überhaupt erst möglich werden.

Die Regelung taktet im oberen kHz-Bereich, was aber nicht bedeutet, dass die generierte Ausgangsspannung ebenso schnell wechselt. Denn die abgegebene rechteckförmige Wechselspannung wird dann meist mit 50, 60 oder 100, 200 Hz abgegeben. Gemeint ist die zur Leistungssteuerung benötigte Taktung. Dadurch entsteht eine Welligkeit der Ausgangsspannung. Ist die Welligkeit durch eine langsame kHz-Taktung oder schlechter Dimensionierung zu groß, dann erscheint auch das Brennen des Leuchtmittels unruhig. Durch die Regelung eines EVGs ist es aber auch möglich, den Gleichstromanteil zu steuern. Und wie wir bereits erfahren haben darf der Gleichstromanteil eine bestimmte Größe nicht überschreiten, da ansonsten beim Leuchtmittel eine einseitige Elektrodenbelastung und eine Entmischung der Füllungskomponenten im Entladungsgefäß stattfindet.

Im letzten Abschnitt D erfolgt dann die Wiederherstellung einer Wechselspannung, typischerweise mit einer H-Brücke. Je nachdem welche Leistungshalbleiter gerade durchgesteuert werden, erfolgt die Spannung positiv oder negativ am Ausgang. Da hiermit die Betriebsspannung für das Leuchtmittel neu generiert wird, ist man natürlich frei in der Gestaltung der neuen Ausgangsspannungsform. So wird auch ein Polaritätswechsel so kurz wie möglich gehalten, um die Kommutierungszeit so klein wie möglich zu halten, wobei auch zu beachten ist, dass für die Erzeugung eines schnellen Stromwechsels ein nicht zu großes Überschwingen die Folge ist, was ebenfalls vermieden werden muss. Aber durch diese schnelle Kommutierungszeit wird der flickerfreie Betrieb erst möglich. Somit geben EVGs in weiten Bereichen unabhängig von der Eingangsspannung immer die richtige Betriebsspannung bzw. den Betriebsstrom für das Leuchtmittel ab und sorgen auch bei Schwankungen der Netzspannung für stabiles und gleich helles Licht. Auch die Strombegrenzung wird durch die Regelelektronik zu einer Leistungsregelung. Somit werden auch bei widrigen Versorgungsspannungen immer die optimalen Betriebsparameter des Leuchtmittels eingehalten, was mit einer langen Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit quittiert wird. Aber durch die Steuerung ist es auch möglich, das Hochlaufen des Leuchtmittels optimal zu gestalten, so dass in der Hochlaufphase der benötigte höhere Strom geliefert wird, man auch eine Zwangskühlung steuern oder in einen Boost-Betrieb umschalten kann. Auch ist der Wirkungsgrad höher als bei konventionellen Vorschaltgeräten, dazu aber mehr unter „Flickerfrei“.

 

EVG Schaltung
Blockschaltbild: Elektronisches Vorschaltgerät (EVG) und Zündgerät zum Wiederheißzünden des Leuchtmittels. (Bild: Desisti)

 

 

EVG-Modul
Elektronisches Vorschaltgerät (EVG) von mitronic. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Betriebsgrößen EVG versus KVG

Ein Vergleich der Betriebsgrößen zeigt deutlich die Unterschiede von EVG und KVG. Betrachten wir uns zunächst das KVG, so können wir deutlich erkennen wie der Strom einen Sinusverlauf vollzieht, während die Spannung mehr rechteckförmig erscheint. Dadurch erhalten wir eine pulsierende Leistung die nach RMS 1.000 W beträgt. In dieser Konfiguration würde das für das Leuchtmittel eine geringere Lebensdauer von 10 bis 20 % bedeuten. Weiterhin kann man nun an der zweiten Zeile deutlich das Schwanken des Luxmeters erkennen, was natürlich den Flickereffekt ausmacht. Und zu guter Letzt erkennt man in der vierten Zeile eine hohe Stromwelligkeit. Das nächste Abbildung zeigt dann die Zeit für das Hochlaufen des Leuchtmittels und beträgt mit dem KVG 100 Sekunden.

 

Spannungsverlauf zeigt die Kenngrößen eine EVGs
Konventionelles Vorschaltgerät (KVG)
1. Zeile – Blau: Spannung am Leuchtmittel, Rot: Strom
2. Zeile – Kaki: Werte des Luxmeters
3. Zeile – Gelb: Leistung RMS
4. Zeile – Grün: Welligkeit des Stroms
(Bild: DTS)

 

Darstellung des zeitlichen Verlauf
Konventionelles Vorschaltgerät, Hochlaufzeit des Leuchtmittels beträgt 100 Sekunden (Bild: DTS)

 

Beim elektronischen Vorschaltgerät erkennen wir sofort, dass Ausgangspannung und Strom viel schneller oszillieren, hier mit 170 Hz. Jetzt ist nicht nur die Spannung rechteckförmig und das noch ohne Überschwinger, sondern der Strom auch phasengleich. Spannung mal Strom ist die Leistung, und so wird klar, dass die Leistung am Leuchtmittel kaum noch pulsiert. Und das Luxmeter bestätigt den Effekt. Die Beleuchtungsstärke ist fast gleichbleibend und um 19 % stärker als beim konventionellen Vorschaltgerät. Durch die Regelung bleibt der Leuchtmittelstrom konstant, auch wenn die Betriebsspannung sich verändert. Die Hochlaufzeit des Leuchtmittels beträgt nun nur noch 60 Sekunden.

 

Zeitliche Spannungsverlauf am EVG
Elektronisches Vorschaltgerät (EVG)
1. Zeile – Blau: Spannung am Leuchtmittel, Rot: Strom
2. Zeile – Kaki: Werte des Luxmeters
3. Zeile – Gelb: Leistung RMS
4. Zeile – Grün: Welligkeit des Stroms
(Bild: DTS)

 

Spannungsverlauf beim Einschalten EVG
Elektronisches Vorschaltgerät, Hochlaufzeit des Leuchtmittels beträgt 60 Sekunden (Bild: DTS)

 

Ein weiteres Phänomen kann man an den Elektroden des Leuchtmittels betrachten. Während beim Betrieb mit EVG die Elektroden abbrennen, führt der Betrieb mit KVG zu einer Elektroden-Aufwachsung, denn durch die größeren Pausen des Sinusstroms kann sich dort wieder Metall ansiedeln, während beim Rechteckstrom des EVGs die Elektroden ihr emittiertes Material verlieren. Ein größerer Elektrodenabstand hat zur Folge, dass irgendwann das Leuchtmittel nicht mehr zünden kann. Jedoch sollte man den größer werdenden Elektrodenabstand des Normalbetriebs nicht mit dem Elektroden-Abbrand wegen Überstrom verwechseln. Dort sind sichtbare Schmelzkugeln auf einer oder beiden Elektroden zu sehen, die durch Überbelastung oder zu langen Gleichstrombetrieb entstehen.

 

Zwei Kolben von Entladungslampen mit den Elektroden. Einmal mit abgenutzten Elektroden
Abgeschmolzene Elektroden (oben) und normale Elektroden (unten) zum Vergleich (Bild: Osram)

 

Flickerfrei & Low Noise

Der Betrieb einer Metalldampflampe mit einer Drossel als Ballast (KVG) hat ein 70 bis 80 % pulsierendes Licht zur Folge, wie wir soeben eindrucksvoll anhand der Oszilloskopbilder sehen konnten. Zeitsynchron mit der Stromumpolung der Netzfrequenz verlöschen die Leuchtmittel fast vollständig.

Wie wir bereits lesen konnten, erzeugt das EVG eine Rechteckspannung. Diese Rechteckspannung liegt nun am Leuchtmittel an. Der Vorteil der Rechteckspannung zur Sinusspannung ist, dass die Übergänge von 100 % positiver zu 100 % negativer Spannung sehr kurz um die 10 µs sind gegenüber denen der Sinusspannung. Unsere Augen sind träge und sehen den Unterschied zwischen konventionellen und elektronischen Vorschaltgeräten nicht, aber elektronische Abtastgeräte oder das periodische Öffnen des Verschlusses einer Filmkamera haben die Eigenschaft, immer eine Momentaufnahme, wie ein Blitzlicht, aufzunehmen, sprich abzutasten. Wenn nun die Frequenz der Abtastung z.B. genau auf den 80-%-Wert der ansteigenden Sinusspannung zu liegen kommt, dann ist das aufgenommene Bild nur 80 % so hell, obwohl der Scheinwerfer 100 % eingeschaltet ist. Irgendwann verschieben sich die Fenster der Abtastung durch die Toleranzen der Bauelemente, und liegen dann z.B. bei 100 % Licht oder 40 % Licht. Die Folge dieser Schwebungen sind fickernde, flackernde oder blinkende Lichtverhältnisse. Man kann trotzdem konventionelle Vorschaltgeräte verwenden, wenn die Filmkameras mit ihrer Bildfrequenz synchronisiert werden und der Sektorenwinkel der Umlaufblende richtig eingestellt wird.

 

Entstehen von Flickern bei KVGs. Das Abtasten der Kamera kann zu unterschiedlichen Zeiten der Lichtintensität erfolgen. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Nun hat aber die kurze Kommutierungszeit, was sehr gewünscht ist, um eine flickerfreie Aufnahmesequenz zu erhalten, einen Nachteil. Die Stromflanken sind sehr steil. Und wie wir aus der Grundlagen „Dimmer“ noch kennen, sind schnelle Stromanstiege verantwortlich für ein Singen der Lampen und ein Summen der Spulen. Aufgrund des schnellen Wechsels mit dem dadurch resultierenden starken Magnetfeld bilden sich durch das Abstoßen oder Anziehen mechanische Bewegungen, die wiederum Druckschwankungen der Luft zur Folge haben, was wir als Schallereignis wahrnehmen. Kurz das EVG mit seinem flickerfreien Bild verursacht ein Pfeifen und Summen, viel stärker als das von konventionellen Vorschaltgeräten. Werden dann noch Spulen eingesetzt, die nicht richtig vergossen sind oder deren Windungen nur locker aufeinandersitzen, so kann auch die Spule in der Zündeinheit für erhebliche Geräusche sorgen, da z.B. die Einkoppelspule des Zündgerätes sich kontinuierlich im Leuchtmittelstromkreis befindet. Man findet zwar manchmal Relais, die nach erfolgter Zündung ihren Zustand wechseln, jedoch haben sie die Aufgabe, die Versorgungsspannung vom Zündgenerator abzuschalten oder einen zusätzlichen Zündkondensator zu- bzw. wegzunehmen. Benötigt man also mehr Ruhe am Set, so ist mit der Steuerungselektronik am EVG ein Kompromiss zu schalten, indem die Kommutierungszeit, also der Wechsel von positiver zur negativen Halbwelle länger gewählt wird. Damit ist die Stromflanke nicht mehr so steil, was ein kleineres di/dt bedeutet und somit weniger ins Schwingen gerät. Den Geräuschen des Leuchtmittels selbst kann man durch Wechseln des Leuchtmittels begegnen, denn je nach Geometrie des Brenners kann sich die Geräuschemmission auch verändern und einige Hersteller haben ihre Leuchtmittel darauf getrimmt. Auch ist ein deutlicher Unterschied zwischen einseitig gesockelten und zweiseitig gesockelten Leuchtmitteln zu hören.

 

Lichtstrom in Abhängikeit des Lampenstroms
Betriebsarten von Vorschaltgeräten: Flickerfreiheit oder Geräuscharmut, man muss sich entscheiden. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

 

Spannungsverlauf von negativer zur Positiven Halbwelle
Kommutierungszeit für EVGs, der erlaubte Bereich des Leuchtmittelherstellers ist grau gekennzeichnet.  (Bild: Osram)

 

Typisches Vorschaltgerät von Arri
EVG mit Dimmmöglichkeit und Low Noise – 50Hz – 60Hz Umschaltung (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Typisches Vorschaltgerät von Desisti
EVG mit Dimm-Möglichkeit, Low Noise, Flicker Free-Umschaltung, Local Remote DMX-Umschaltung und Menü für weitere Parameter wie Frequenz oder DMX-Adresse (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Dimmen

Mit EVGs lassen sich die Entladungslampen zumindest im oberen Drittel dimmen. Wenn gedimmt wird, dann sinkt die Betriebstemperatur und dadurch kondensieren einige Stoffe und die Betriebsparameter werden verändert. Gerade die Stoffe, die für das rote Licht zuständig sind, kondensieren zuerst, so dass die Farbtemperatur des Leuchtmittels steigt, im Gegensatz zum Halogenleuchtmittel. Damit ist auch die Farbwiedergabe schlechter und eine Lebensdauerverlängerung wie bei dem Halogenleuchtmittel gibt es auch nicht. Eine Metalldampflampe arbeitet am besten innerhalb der Normparameter. Dimmt man zu weit, dann erlischt die Lampe.

Deshalb ist auch beim eingeschränkten Dimmen darauf zu achten, dass das Dimmen nur zeitlich begrenzt erfolgt und dann auch wieder unter Volllast gefahren wird, damit eine Erholung der zumStocken gekommenen Prozesse erfolgen kann. Im Gegensatz zu Wolframfaden-Leuchtmitteln können bei Entladungslampen bei eingeschränktem Dimmbereich die Lebensdauer des Leuchtmittels erheblich leiden und Schwärzung des Kolbens oder Elektrodenkorrosion auftreten. Noch wichtiger ist, dass das Leuchtmittel immer bei Volllast gestartet wird, damit zumindest in der Hochlaufzeit die Prozesse in ihren Normalbereich hineingefahren werden können. Eine Dimmeinstellung sollte also nie beim Starten anliegen und erst nach der Anlaufphase frühestens begonnen werden. Aus diesem Grund lehnen in der Regel Leuchtmittelhersteller eine Gewährleistung bei Dimmbetrieb für die Lebensdauer ab. Was Für Halogen-Wolframleuchtmittel gilt, ist bei der Entladungslampe leider nicht der Fall, denn die Lebensdauer des Entladungsleuchtmittels leidet unter dem Dimmvorgang und erhöht auf keinen Fall die Lebensdauer. Aus diesem Grund ist das mechanische Dimmen von Entladungslampen immer noch die erste Wahl.

 

Dimmen von Entladungslampen Spektrum
Veränderung des Spektrums von 100 %  zu 60 % Dimmung (Bild: Osram)

 

Farbort beim Dimmen Entladungslampe
Die rote Kurve zeigt den Farbdrift von 100 % (mittig) zu 30 % gedimmt (links) (Bild: Osram)

 

 

Farbort dimmen Entladungslampe
Die Farbtemperatur steigt beim Dimmen (Bild: Osram)

.

 

  • Kommentare für diesen Artikel

    Schreiben Sie einen Kommentar

    Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.