(Hinweise zur Elektroinstallation: siehe Abschnitt elektro)

Das Vorschaltgerät bei einer Metallhalogeniddampflampe hat zwei Aufgaben:

1. Es begrenzt den Strom im Betrieb
2. Es liefert eine hohe Zündspannung

Strombegrenzung

Alle Gasentladungslampen haben eine negative Strom-Spannungs-Charakteristik. Immer wieder liest man in Foren, hqi-Lampen würden nur “so viel soviel Strom ziehen, wie sie bräuchten”. Das ist falsch! Eine Gasentladungslampe ist gierig und zieht so viel Strom bis sie zerstört wird - das soll das VG verhindern.

Bei einer normalen Glühbirne ist der elektrische Widerstand durch den Glühdraht fest vorgegeben. Bei normaler Netzspannung von U_eff=230V und P_eff=60W Leistung fließt durch den Draht ein Strom I_eff=P_eff/U_eff = 260mA und der Widerstand des Drahtes ist R=U/I=880Ω.
Erhöht man die Spannung, so ändert das den Widerstand nicht und es fließt einfach nur proportional mehr Strom. Bei 250V z.B. 280mA, die Leistung ist dementsprechend 70W.

Deswegen kann man Glühbirnen dimmen wenn man die angelegte Spannung ändert. Und es bedeutet auch, dass bei einer bestimmten Spannung immer ein fester - von der Lampe vorgegebener - Strom durch die Lampe fließt.

Bei einer Gasentladungslampe ändert sich der Widerstand aber während des Betriebs. Je stärker der Stromfluss ist, desto geringer wird der Widerstand der Lampe, was (bei gleicher Spannung) zu einem noch höheren Strom und somit zu einem noch kleineren Widerstand führt. Betreibt man eine Gasentladungslampe an einer Quelle mit konstanter Spannung (=normale Steckdose) so steigt der Strom so weit an bis die Lampe explodiert.
Das Vorschaltgerät ist also keine Quelle mit konstanter Spannung sondern eine Quelle mit konstantem Strom, der so begrenzt wird, dass die Lampe optimal betrieben werden kann.

Zündspannung

Da der Widerstand der Lampe mit steigendem Stromfluss abnimmt kann man sich vorstellen, dass eine Lampe durch die kein Strom fließt einen sehr hohen Widerstand hat. Um das zu überbrücken ist ja nach Füllung der Lampe eine sehr hohe Spannung nötig. Bei HQL-Lampen reichen 230V, diese Lampen zünden an Netzspannung, bei hqi-Lampen sind dagegen 4-5kV nötig, bei Natriumdampflampen 3-4kV.

Zum Betrieb von Metallhalogeniddampflampen gibt es konventionelle (elektromagnetische) oder elektronische Vorschaltgeräte

Hier in Blick in das Innenleben eines bei ebay gekauften Lival-Strahlers mit konventionellem Vorschaltgerät:
Die Drosselspule ©, Zünder (b) und Kondensator (a)
An der Lüsterklemme (e) werden die drei Leiter vom Netzkabel mit den Kabeln der Vorschaltgeräte verbunden.
Wichtig ist auch die Schraube (d) an der der Schutzleiter (gelb-grün, “Erde”) mit dem Gehäuse verbunden ist.

In den meisten gebrauchten Strahlern, die bei ebay verkauft werden, sind noch die alten konventionellen Vorschaltgeräte (KVG) eingebaut. Sie werden auch als elektromagnetische Vorschaltgeräte bezeichnet und bestehen aus drei Teilen

1. Die Drosselspule begrenzt im Betrieb den Strom. Sie besteht als Spule aus einem aufgewickeltem Leiter und besitzt zur Verstärkung der Induktivität mit einem Metallkern. Diese besteht üblicherweise aus geblättertem Eisen.
2. Das Zündgerät erzeugt die für die Zündung nötige Spannung.
3. Der Kompensationskondensator ist für den Lampenbetrieb nicht nötig, und beeinflusst diesen auch nicht. Er dient nur dazu nach Außen die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung zu korrigieren und somit die Blindleistung zu reduzieren. Das ist nötig, da sonst die Ströme im Netz unnötig hoch werden. Für Privathaushalte ist die Blindleistungskompensation nicht vorgeschrieben und Blindleistung wird in der Stromrechnung auch nicht erfasst.

Kondensator

Drosselspule

Zündgerät

Führungsschiene

In den Spulen von Drossel und Zündgerät können durch die elektromagnetischen Wechselfelder Schwingungen in dem geblätterten Eisenkern verursacht werden. Diese Schwingungen übertragen sich auf andere Bauteile und können zu einer starke Geräuschtenwicklung führen. Dieses Brummen ist einer der offensichtlichsten Nachteile von konventionellen Vorschaltgeräten, vor allem wenn sie bereits gebraucht gekauft wurden und etwas älter sind (ebay). [418RALPH MORRISON. 1986. Grounding and Shielding Techniques in Instrumentation. 3rd ed. Wiley-Interscience No. pages: 172. 0471838055]

Gelegentlich hilft es den Strahler aufschrauben und suchen wo wackelnde Teile sizten, Schrauben nachziehen … Im obigen Lival-Strahler sind alle Bauteile auf ein Blech aufgeschraubt, dass in zwei Führungsschienen lose im Strahler sitzt. Da die Führungsschienen etwas Spiel haben, wird das Brummen hier hervorragend verstärkt.

geöffnetes Elektronisches Vorschaltgerät, Platine mit vielen Spulen, Kondensatoren, Chips und anderen elektronischen Bauteilen

Die Alternative stellt eine elektronisches Vorschaltgerät dar, von außen handelt es sich hier um eine sprichwörtliche “black box”, das Innenleben besteht aus einer mit bunten elektronischen Bauteilen bestückten Platine.

Das EVG vereint alle nötigen Funktionen wie Strombegrenzung im Betrieb und hohe Zündspannung auf einer Platine. Im Gegensatz zum KVG wird die Lampe nicht mit einer 50Hz Sinusspannung betrieben, sondern stattdessen mit einer 150Hz bis 200Hz Rechteckspannung. Die Rechteckspannung hat den Vorteil, dass die Phase mit geringer Spannung am Nulldurchgang geringer wird. Dadurch sinkt die Leitfähigkeit des Plasmas weniger stark ab, und die Wiederzündspitze der Lampe sinkt. Die Lebensdauer der Lampenelektroden und die Schwärzung des Kolbens wird somit verringert.

Ein 150W EVG liefert im Betrieb etwa 1,5A bei 110V. [354POWERTRONIC® Technische Fibel: Elektronische Betriebsgeräte für Halogen-Metalldampflampen. Dec 2008. München: Osram GmBH. [130T016DE OSRAM EL MK 12/08 PC-P].]

Gleichzeit überwacht das Vorschaltgerät ständig Strom und Spannung und kann auf veränderte Bedingungen reagieren. Am Ende der Lebensdauer, wenn das Leuchtmittel nicht mehr zündet, bricht das EVG nach spätestens drei Versuchen ab, und verhindert so Flackern oder Schäden am Gerät.

Elektronisches Vorschaltgerät als schwarzes Kästchen

Treten Störgeräusche bei einem EVG auf, kann das ein Hinweis auf mangelnde Qualität sein, der u.U. gefährlich werden kann. Ich verweise dazu auf diesen Forenbeitrag.

Im Betrieb führt die Begrenzung des Stroms zu einem stabilen Betriebsstrom bei einer festen Temperatur. Die Temperatur beeinflusst den Druck im Entladungsgefäß und damit das Spektrum der Lampe (Bilder). Die Füllsubstanzen (Quecksilber und verschiedene Metallhalogenide) verdampfen bei unterschiedlichen Temperaturen, so dass die Temperatur des Brenners das Verhältnis dieser Substanzen zu einander beeinflusst. Druck und Temperatur im Entladungsgefäß beeinflussen das Spektrum einzelner Substanzen [656G. HARTEL, H. SCHÖPP, H. HESS & L. HITZSCHKE. 1999. Radiation from an alternating current high-pressure mercury discharge: A comparison between experiments and model calculations. Journal of Applied Physics 85. 7076–7088. . https://dx.doi.org/10.1063/1.370515.]. Diese Unterschiede sind bereits bei EVGs verschiedener Hersteller, die für den selben Lampentyp und die selbe Leistung gedacht sind, deutlich sichtbar (Messwerte¹⁾). Im sichtbaren Bereich sprechen Hersteller von einer Abweichung der Farbtemperatur [913Hochdruckentladungslampen: Technische Hinweise zur Leistungsreduzierung. Osram.].

Spannung und Strom beeinflussen zudem wie stark die Elektroden der Lampe belastet werden. Eine stärkere Belastung wirkt sich durch eine stärkere Schwärzung des Brenners und eine verkürzte Lebensdauer der Lampe aus [913Hochdruckentladungslampen: Technische Hinweise zur Leistungsreduzierung. Osram.].

Zwar sind Metallhalogeniddampflampen grundsätzlich dimmbar. Allerdings sollten wegen der hohen Nebenwirkungen nur dimmbare einseitig gesockelte Keramikbrenner und nur mit einem speziellen dimmbaren EVG gedimmt werden. Dabei muss die Lampe bei jedem Anschalten die ersten 15 Minuten mit voller Leistung betrieben werden und sollte nicht mehr als auf 85%, auf keinen Fall um mehr als 50% gedimmt werden. Auch dann kommt es zu Änderungen in der Farbwiedergabe, d.h. das Spektrum verändert sich im sichtbaren Bereich wahrnehmbar [913Hochdruckentladungslampen: Technische Hinweise zur Leistungsreduzierung. Osram.]. Die Auswirkungen auf das UV-Spektrum sind noch stärker, siehe dazu im nächsten Abschnitt.

Keinesfalls sollten hqi-Lampen mit Vorschaltgeräten für völlig andere Leistungststufen, z.B. eine 70W Lampe mit einem 35W VG oder eine 50W Lampe mit einem 100W VG betrieben werden. Auch sollte eine hqi-Lampe niemals mit einem VG betrieben werden, das nicht für hqi vorgesehen ist (z.B. EVG für Natriumdampfhochdrucklampen)
Der Betrieb mit Vorschaltgeräten für HQL-Lampen scheitert glücklicherweise schon daran, dass diese Vorschaltgeräte kein Zündgerät besitzen und daher die nötige Zündspannung für hqi-Lampen nicht erreicht wird.

Bei Metallhalogeniddampflampen mit UV-Strahlung (Lucky Reptile, Solar Raptor, MegaRay) ist es wichtig, dass die Lampen die erwartete VitaminD-wirksame UV-Strahlung abgeben.

Spektrale Messungen von UV-Halogenmetalldampflampen zeigen, dass bei geringerer Leistung des EVGs und anzunehmender geringerer Temperatur im Entladungsgefäß[913Hochdruckentladungslampen: Technische Hinweise zur Leistungsreduzierung. Osram.], die Linien der Quecksilberentladung stärker hervortreten und die breitbandige Strahlung der Metallionen zurück geht [422:Siehe Abbildung 7-2, Seite 107]. Die VitaminD-bildende UVB-Strahlung in den UV-hqi_Lampen wird fast ausschließlich durch die Quecksilberlinien bei 297nm und 302nm gebildet. Die UV-Leistung steigt bei EVGs mit geringer Leistung (Bright Control) an und sinkt bei EVGs mit höherer Leistung (Osram, Philips).

Spektren einer UV-hqi-Lampe an vier verschiedenen Vorschaltgeräten die alle mit der Bezeichung “70Watt” verkauft werden. Die Leistungsaufnahme der EVGs an der Steckdose liegt zwischen 60W und 74W. Zwei Bereiche sind vergrößert dargestellt. Bei höherer EVG-Leistung (blau) nimmt die Lampenleistung im sichtbaren Bereich zu, die Lampe leuchtet heller. Der Vitamin-D-wirksame UVB-Anteil ist aber bei geringerer EVG-Leistung (rot) höher. Bei der 313nm Linie fällt die Intensität der Lampe sogar auf die Hälfte ab, wenn statt des EVGs mit 60W Aufnahmeleistung ein EVG mit 74W Aufnahmeleistung verwendet wird. [625]

Messungen von Michael Jetter für verschiedene 70W EVGs zeigen, dass das Verhältnis von UV zu sichtbarer Strahlung bei EVGs mit höherer Leistungsaufnahme abnimmt, sich also die Energie im Spektrum bei höherer EVG-Leistung weg vom UV zum sichtbaren Licht verschiebt. Messergebnisse

Auch Messungen einer Solar Raptor mit Solarmter 6.2 (UVB) und Solarmeter 6.5 (UVI) zeigen, dass der VitaminD-wirksame UV-Anteil bei EVGs mit geringerer Leistung höher ist:

HQI-Lampen leuchten häufig auch bei ungeeigneten Vorschaltgeräten. Wie sich das jedoch auf den VitaminD-wirksamen UV-Anteil auswirkt ist nicht ohne weiteres ersichtlich.

Schraubt man alle Bauteile aus dem obigen Strahler ab, entsteht Platz für das EVG. Außerdem kommt man hin und wieder zu der Erkenntnis dass man einen gebrauchten Strahler grundsätzlich lieber mal auseinander schraubt, bevor man ihn in die Steckdose steckt. Der kaum mehr vorhandene Zustand des Schutzleiters und die Brüchigkeit des Zündgeräts legen deutliches Zeugniss über das Alter (und die Sicherheit) des Strahlers ab!

ausgebrochendes Eck an der Drosselspule

Erdungskabel des Strahlers

Anschlüsse am Kondensator

Das EVG passt von den Abmessungen her fast perfekt in den Strahler. Beim nächsten mal würde ich es allerdings noch etwas kürzen, so dass es weiter in den Strahler hinein geschoben werden kann. Entgegen der groben Abschätzung vor dem Bohren, passt der Reflektor nämlich nicht gerade mit 1mm Spiel neben dem EVG vorbei, sondern stößt leicht an, so dass der Reflektor etwas schief im Gehäuse sitzt. Nicht tragisch genug um nochmal neue Löcher zu bohren, aber doch ärgerlich genug, um den Tipp hier weiterzugeben.

leerer Strahler

Strahler mit heraus geschobener Schiene

Strahler

Das EVG wird an der Lüsterklemme mit dem Kabel zur Steckdose verbunden. Zwischen EVG und Lampensockel müssen entsprechende Leiter eingesetzt werden, die den hohen Temperaturen und Zündspannungen standhalten (wenn sie noch in gutem Zustand sind, können die Kabel verwendet werden, mit denen der Sockel bereits mit den Bauteilen des KVG verbunden war)! Der Schaltplan ist auf dem Gehäuse des EVGs aufgedruckt.
Erdung des Gehäuses nicht vergessen.

Strahler

Eine detaillierte und bebilderte Anleitung über das Umrüsten eines hqi-Strahler mit KVGs auf ein EVG findet sich im Wiki von chamaeleons-online

[418] RALPH MORRISON. 1986. Grounding and Shielding Techniques in Instrumentation. 3rd ed. Wiley-Interscience No. pages: 172. 0471838055
[354] POWERTRONIC® Technische Fibel: Elektronische Betriebsgeräte für Halogen-Metalldampflampen. Dec 2008. München: Osram GmBH. [130T016DE OSRAM EL MK 12/08 PC-P].
[656] G. HARTEL, H. SCHÖPP, H. HESS & L. HITZSCHKE. 1999. Radiation from an alternating current high-pressure mercury discharge: A comparison between experiments and model calculations. Journal of Applied Physics 85. 7076–7088. . https://dx.doi.org/10.1063/1.370515.
[913] Hochdruckentladungslampen: Technische Hinweise zur Leistungsreduzierung. Osram.
[422:Siehe Abbildung 7-2, Seite 107]