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hqi:funktion

Funktion von Halogenmetalldampflampen

Aufbau

Halogenmetalldampflampen gehören wie die Leuchtstofflampen und Quecksilberdampfhochdrucklampen zu den Plasmalichtquellen.

Das Herz des Leuchtmittels ist das Entladungsgefäß in dem die Füllsubstanzen eingebracht sind. Daran die beiden zwei Wolframstiftelektroden angeschlosen. Das Entladungsgefäß mit den Elektroden befindet sich wiederum zur thermischen Abschirmung in einem Außenkolben, der evakuiert (Keramikbrenner) oder mit einem schlecht wärmeleitenden Gas (z.B. Stickstoff, Quarzbrenner) gefüllt ist.

Das Entladungsgefäß ist wegen der hohen thermischen und chemischen Belastungen aus Kiselglas („Quarzbrenner“) oder Aluminiumoxidkeramik („Keramikbrenner“). Zwischen den Gasen, den Elektroden und der Wand des Entladungsgefäßes kommt es zu komplizierten chemischen und physikalischen Reaktionen, die dazu führen, dass sich die Zusammensetzung des abgestrahlten Lichts mit der Zeit ändert, und die Lichtleistung nachlässt. Beispielsweise diffundiert der im Gasgemisch enthaltene Stickstoff durch die Wände des Quarz-Entladungsgefäßes nach draußen. Diese Effekte sind bei Entladungsgefäßen aus Aluminiumoxidkeramik („Keramikbrenner“) geringer. Um das eigentliche Entladungsgefäß befindet sich ein weiterer Glaskolben. Dieser dient zur Isolierung, damit das Entladungsgefäß die nötige Temperatur besser halten kann.

Lichtentstehung

Das Gas im Inneren der Lampe wird durch Energiezufuhr in den Plasamzustand überführt, und das Gas wird elektrisch leitend. Die Elektronen (elektrischer Strom) stoßen auf ihrem Weg durch das Plasma auf die verschiedenen Gasatome und „heben“ sie so auf ein höheres Energieniveau. Beim „Zurückfallen“ wird diese Energiedifferenz in Forum von Licht wieder abgegeben. Jedes Atom hat nur bestimmte Energieniveaus, und kann daher nur wenige verschiedene Wellenlängen (Lichtfarben) aussenden.

Halogenmetalldampflampen stellen eine Weiterentwicklung der Quecksilberdampflampen dar. Quecksilber kann nur sehr wenige sichtbare Wellenlängen erzeugen, und das Licht ist daher qualitativ schlecht. Metalle haben eine größere Vielfalt von Emissionslinien im sichtbaren Bereich, sind jedoch extrem agressiv (greifen die Wände an) und nur schwer zu verdampfen. Metall-Halogen-Verbindungen sind deutlich weniger agressiv und haben außerdem einen höheren Dampfdruck, so dass sie bereits bei niedrigeren Temperaturen verdampfen. Quecksilber (etwa 3 mg bis 10  mg bei 70 W und 8 mg bis 15 mg bei 150 W) ist in der Lampe als Puffergas trotzdem nötig.

Der Vorteil z.B. der Metalljodide liegt darin, dass Metalljodid bereits bei einer sehr viel geringeren Temperatur verdampft, als das für das reine Metall der Fall wäre. Da die Wand des Entladungsgefäßes eine sehr viel geringere Temperatur hat, als das Zentrum ist das nötig, da das eigentliche Metall sonst nie verdampfen würde. Das Gasförmige Metalljodid dissoziiert dann bei den hohen Temperaturen im Zentrum des Entladungsgefäßes.

Die Energieniveaus der Quecksilber- und Iodidionen liegen sehr viel höher als die der Metallionen, weswegen fast nur die Metallionen Strahlung aussenden. Die Metallionen werden so ausgewählt, dass sie fast nur im sichtbaren Bereich strahlen, und so kombiniert, dass ein möglichst gleichmäßiges Spektrum mit hohem Farbwiedergabewert entsteht. UV-Strahlung wird kaum noch abgegeben, so dass hier keine Leistung verloren geht, und die Lichtausbeute höher ist.

Da im Entladungsrohr ein sehr hoher Druck (15 bar bis 30 bar) und sehr hohe Temperaturen herrschen, bewegen sich die Atome mit hoher Geschwindigkeit. Das abgestrahlte Licht hat daher nicht nur genau die Wellenlänge, die durch die Höhe der Energieniveaus eigentlich festgelegt wäre, sondern ist durch den Doppler-Effekt verbreitert. Wegen der höheren Temperatur im Keramikentladungsgefäß ist die Linienverbreiterung größer als bei Quarzbrennern.

Je nach verwendetem Typ von Metallhalogeniden unterscheidet man drei Arten von Halogenmetalldampflampen: Drei-Linien-Lampen, Viel-Linien-Lampen und Molekül-Strahler. [59]

Drei-Linie-Lampen senden ähnliches Licht wie die Dreibandenleuchtstofflampen aus. Sie enthalten Natriumiodid (Emission bei 589 nm, rot1)), Thalliumiodid (Emission bei 535 nm, grün2)) und Indiumiodid (Emission bei 410 nm, blau3)).

Emissionsspektrum NatriumEmissionsspektrum ThalliumEmissionsspektrum Indium

Viellinienlampen enthalten z.B. die Metalle aus der Gruppe der seltenen Erden, Scandium, Yttrium oder Elemente aus der Gruppe der Lanthanaide (z.B. Holmium, Dysprosium, Cerium, Thulium). Diese Elemente sind schwer zu verdampfen, daher ist eine gute Wärmeisolierung nötig. Sie erzeugen ein sehr homogenes Spektrum.

Die Metallhalogenide liegen im festen Zustand als Metall-Halogen-Verbindung vor. Nachdem sie verdampft sind, dissozieren sie allerdings aufgrund der hohen Temperaturen, und das Licht wird von den reinen Metallen erzeugt.

Bei Molekülstrahlern werden Verbindungen eingesetzt die auch als Moleküle Licht abstrahlen, und somit ein noch gleichmäßigeres Spektrum ermöglichen. Eine Mischung von Zinnflourid und Zinnchlorid (Flourid und Chlorid alleine geht nicht, da beides alleine sehr aggressiv ist) wird beispielsweise eingesetzt. Durch Zusätze von Indium und Lithium wird das Spektrum weiter verbessert.

Eine Übersicht über verschiedene Lampen mit Spektrum und Füllung enthält lamptech.co.uk

Vorschaltgerät

In einer ausgeschalteten Lampe liegen die Füllsubstanzen Quecksilber und die Metallhalogenide größtenteils als fester Niederschlag auf den Wänden und müssen zuerst verdampfen. Das Leuchtmittel muss dazu erwärmt werden. Ohne Gas im Brenner kann aber kein Strom fließen, weswegen ein zusätzliches Puffergas (z.B. Argon) verwendet wird, das nicht zur Lichterzeugung beiträgt. Der Brenndruck der Füllsubstanzen baut sich nur sehr langsam auf und Halogenmetalldampflampen brauchen daher mehrere Minuten bis sie vollständig aufgeheizt sind, und ihre volle Helligkeit erreichen.

Für die Zündung ist eine sehr hohe Spannung notwendig, damit das nicht leitende Gas leitend gemacht werden kann. Die Durchschlagspannung von Halogenmetalldampflampen ist höher als die von reinen Quecksilberdampflampen. Iodatome, die von Metalljodid-Verbindungen kommen, „schlucken“ auf Grund ihrer hohen Elektronegativität Elektronen. Insbesonderen wenn Natriumiodid eingesetzt wird, bleiben bei der Diffusion von Natrium durch den Quarzbrenner nach außen viele Iodatome übrig. Netzspannung (230 V) ist daher nicht ausreichend und es ist ein seperates Zündgerät erforderlich. Es basiert in der einfachten Form auf einer Spule, deren Stromkreis unterbrochen wird, so dass eine hohe Induktionsspannung entsteht. Daneben sind auch elektronische Zündgeräte erhältlich. Zündspannungen bei Halogenmetalldampfstrahlern liegen bei bis zu 5 kV, bei 70 W Strahlern sind es etwa 2,5 kV. Neben der Zündspannung ist auch die Anzahl und Länge der Zündpulse für das verlässliche Zünden der Lampe wichtig.

Ist die Lampe gezündet muss sofort der Strom begrenzt werden, da Plasmen eine sog. negative Strom-Spannungs-Charakteristik haben, d.h. mit steigendem Strom wird der Widerstand geringer, so dass der Strom unbegrenzt steigen würde, und zur Zerstörung der Lampe führen würde.

Konventionelles Vorschaltgerät

Das konventionelle oder elektromagnetische Vorschaltgerät stellt die veraltete Technologie dar. Es besteht aus drei Teilen: Drosselspule, Zündgerät und eventuell Kompensationskondensator

Drosselspule

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.

Zündgerät

Das Zündgerät erzeugt die für die Zündung nötige Spannung. Hier gibt es drei Möglichkeiten [357]

  1. Semi-Paralleles Zündgerät/Impulszündgerät: arbeitet mit der Drosselspule zusammen, deren Selbstinduktionsspannung zur Zündung verwendet wird. Die Drosselspule muss in diesem Fall für Hochspannung ausgelegt sein, dafür ist die Zündenergie jedoch hoch genug um eine längere Leitung zwischen Zündgerät und Lampe zu überbrücken.
  2. Paralleles Zündgerät:
  3. Serielles Zündgerät/Überlagerungszündgerät: arbeitet eigenständig und ist mit der Drossel in Reihe geschaltet. Ein Zündkodensator wird über einen Thyristor kurz vor jedem Spannungsmaximum entladen. Der Spannungspuls wird im Impulstransformator auf die nötige Zündspannung hochtransformiert wikindx_40. Das serielle Zündgerät muss in der Leuchte direkt an der Lampe installiert werden. Nachteil ist, dass hier im Betrieb Strom durch das Zündgerät fließt, es sich erwärmt und Verlustleistungen von etwa 2W auftreten und das Zündgerät, bzw. die enthaltene Spule brummen kann. In den in der Terraristik üblichen Halogenmetalldampflampen werden Überlagerungszündgeräte eingesetzt. Bild des Innenlebens eines elektronischen Überlagerungszündgeräts

Für eine direkte Widerzündung im heißen Zustand ist eine Zündspannung von 25kV bis 30kV nötig. Zündgeräte für diese Spannungen beruhen au fdem Prinzip des LC-Schwinkreises mit Funkenstrecke und Teslatransformatior [40].

Kompensationskondensator

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.

Die Kolben erreichen im Betrieb einen Temperatur von bis zu 500 °C (70W) bzw. 650 °C (150W)

Elektronisches Vorschaltgerät

Die ersten elektronsischen Vorschaltgeräte wurden für Leuchtstofflampen entwickelt wo eine Frequenz im Bereich von einigen kHz eingesetzt wird. Bei Hochdruckentladungslampen sind Versuche in diesem Frequenzbereich gescheitert. Die Lampen zeigen Bogenunruhen (10kHz-MHz), gaben störende Pfeifgeräusche von sich (500Hz-20kHz) oder es war schwer die EMV-Vorschriften einzuhalten [40]. Es hat sich somit letzlich der Betrieb an Rechteckspannung mit 100-150Hz durchgesetzt.

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hqi/funktion.txt · Zuletzt geändert: 2014/03/08 18:11 (Externe Bearbeitung)

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