Halogen-Metalldampflampe

Halogen-Metalldampflampen sind Leuchtmittel aus der Gruppe der Gasentladungslampen, die als Füllung Halogene enthalten. Weiterhin ist Xenon oder Neon als Startergas enthalten.

Die Halogen-Metalldampflampe erreicht gegenüber anderen Hochdruck-Gasentladungslampen einen sehr hohen Farbwiedergabeindex von bis 90 (bei den für Film- und TV eingesetzten HMI-Lampen bis 96), sehr hohe Lichtausbeuten von bis zu 117 lm/W bei guter und bis 110 lm/W bei sehr guter Farbwiedergabe und gehört neben den Natriumdampflampen und neuerdings den LED-Lampen zu den effizientesten Lampen überhaupt. Sie können bis zu 38 % ihrer aufgenommenen Leistung in sichtbares Licht umsetzen und erreichen an elektronischen Vorschaltgeräten bis zu 30.000 Stunden Lebensdauer.

Sie benötigt wie alle Hochdrucklampen einige Minuten bis zur vollen Lichtleistung, ist in verschiedenen Farbtemperaturen von 2700 K bis über 20.000 K erhältlich mit Farbwiedergaben von 60 bis 96 sowie als farbige Lampen für Effektbeleuchtung. Erfunden wurden sie 1964/65 von Gilber Reiling bei General Electric, die auch 1992 die ersten Ceramic Metal Halide Lamps (CMH) erfunden haben, 1993 folgte Philips mit ihren CDM (Ceramic Discharge Metal).

Hauptsächliche Anwendungsgebiete sind Beleuchtung von Auslagen (shopping light), Beleuchtung von Sets für Film und Fernsehen, Theaterbeleuchtung, für Messehallen, Architekturbeleuchtung und Stadien, in Industrie- und Lagerhallen, Verkehrs- und Außenbeleuchtung ersetzen sie zunehmend Quecksilberhochdrucklampen, denen sie mit mehr als doppelter Lichtausbeute und weitaus besserer Farbwiedergabe hoch überlegen sind und über 50 % Energie einsparen. Vor allem im kommerziellen und im öffentlichen Bereich setzen sie sich zunehmend als effizienteste Beleuchtungslösung durch.

Halogen-Metalldampflampen müssen mit einem Vorschaltgerät betrieben werden. Sie sind mit Leistungen von 10 W bis 18 kW erhältlich, sowie in unterschiedlichen Bauformen (ein- und zweiseitig gesockelt, verschiedene Sockelgrößen und Farbtemperaturen).

Trotz der Namensähnlichkeit unterscheidet sich deren Lichterzeugung und Aufbau prinzipiell von den Halogen-Glühlampen, mit denen sie manchmal verwechselt werden.

Typen und Bauarten

Halogen-Metalldampflampe

Das Herzstück der Halogen-Metalldampflampe ist das Entladungsgefäß (Brennerrohr, discharge tube) mit den beiden gegenüberliegenden Elektroden. Es ist oft in einen evakuierten Hüllkolben (bulb) eingesetzt, der dem Schutz und der Wärmeisolation dient und die beiden Elektrodenanschlüsse nach außen zum Sockel führt. Es gibt einseitig und zweiseitig gesockelte Typen, die sich vor allem in der Leistung unterscheiden.

Gebräuchliche Sockel:

• G8,5 (Quetschsockel bzw. Stiftsockel, siehe Bild) mit 20 bis 70 W
• G12 (Keramiksockel) mit 20 bis 150 W
• G22 (Keramiksockel) mit 250 und 400 W
• RX7S (beidseitige Keramiksockel) mit 70 bis 250 W
• FC2 (beidseitige Keramiksockel) mit 250 bis 400 W
• E27 (Schraubsockel) mit 35 bis 150 W
• E40 (Schraubsockel) mit 250 bis 3500 W

Im professionellen Bereich (Film, TV, Theater, etc.) haben sich folgende Sockelformen und Leistungen etabliert:

• GX9,5 oder GY9,5 (Keramiksockel) mit 125 bis 400 W
• G22 (Keramiksockel) mit 575 bis 1200 W
• PG47 (Keramiksockel) mit 250 bis 1500 W
• G(X)38 (Keramiksockel) mit 1200 bis 12000 W
• G(X)52 (Keramiksockel) mit 18000 W als Neuentwicklung; gewöhnlich werden in dieser Leistungsklasse jedoch meist zweiseitig gesockelte Lampen verwandt.

400 W Halogen-Metalldampflampe mit E40-Sockel im Vergleich zu einer herkömmlichen Glühlampe

Ferner wird zwischen Quarz- und Keramiktechnologie, herstellerspezifischen Brennerarten sowie Farbwiedergabeindex und Farbtemperatur unterschieden. Quarz-Entladungsgefäße sind meist aus einem Quarzrohrstück geformt, haben also die Form eines Rohres mit zugequetschten Enden mit seitlichem Pumpstengel, durch den das Gefäß evakuiert wird. Diese alte Technik hat allerdings fertigungsbedingt hohe Volumenschwankungen, was zu hohen Leistungs-, Lichtstrom- und Farbstreuungen führt. Tipless geformte ellipsoide Quarzbrenner (von Venture und Sylvania) erreichen höhere Volumenkonstanz und damit Farb- und Lichtstromkonstanz und erreichen entweder sehr hohe Lichtausbeute (bis 110 lm/W bei Farbwiedergabe 65) oder hohe Farbwiedergabe von 85 bis 90 bei 80 lm/W. Keramische Entladungsgefäße (Ceramic Metal Halide Lamps) haben sich seit 1993 zunehmend durchgesetzt, sie erlauben wesentlich höhere Innentemperaturen und -drücke und damit ein kontinuierliches Spektrum mit zugleich sehr guter Farbwiedergabe über 90 und hervorragender Lichtausbeute über 100 lm/W. Die neue Generation dieser Lampen stellt damit die Spitze der Lampentechnik mit 35, 70, 150, 250 und 400 W dar. Sie heißen CMH von General Electric, CDM von Philips, HCI-Power Ball von Osram, CeraArc von Iwasaki, C-HIT von Ushio-BLV. Der Brenner oder das Entladungsgefäß der CDM-Lampen ist zylindrisch (siehe Bild), die CMH sind innen an den Enden doppelwandig, die HCI Power Ball fast kugelförmig elliptisch und die der CeraArc elliptisch um den Lichtbogen herum. (z. B. die Powerball von Osram oder die CDM-T 250 W von Philips).

Zweiseitige Lampen sind meist heißzündfähig (siehe unten) ebenso wie viele mit G22 und anderen großen Sockeln, alle mit (Edison-)Schraubsockel und die kleinen einseitig gesockelten Lampen aufgrund der zu geringen Abstände der Anschlüsse nicht.

Für besonders hohen Farbwiedergabeindex (bis 95, für Film und Fernsehen) wurde von Osram die sogenannte HMI-Lampe eingeführt (andere Hersteller: MSI oder RSI). HMI steht für Hydrargyrum medium-arc iodide, also für Quecksilber + mittlere Bogenlänge + Jod, sowie oft als Synonym für tageslichtähnliches Scheinwerferlicht.^[1]

Die meisten Halogen-Metalldampflampen sind für den Betrieb in geschlossenen Leuchten vorgesehen: da das Entladungsgefäß unter hohem Druck steht, muss verhindert werden, dass im Falle des Berstens Scherben umherfliegen. Dafür gibt es zunehmend Metalldampflampen mit Berstschutzzylinder (shroud) aus Quarz um das Entladungsgefäß für den Betrieb in offenen Leuchten, sie ersparen eine Schutzscheibe. Halogenmetalldampflampen mit Quarzbrenner ohne Kolben oder mit Quarzkolben geben hohe Anteile an UV-Strahlung ab. Deswegen ist insbesondere bei HQI-TS ab 400 W und allen Typen ohne Schutzglaskolben eine zusätzliche, ultraviolett absorbierende Glasscheibe erforderlich.

Quarz oder Keramik

Von Anwenderseite betrachtet hat die Keramiktechnologie (Typenbezeichnungen z. B.: HCI, CDM; … vom Hersteller abhängige und nicht normierte Bezeichnungen) den Vorteil der Farbstabilität über die Lebensdauer, während bei der älteren Quarztechnologie (HQI) das Farbspektrum sich im Laufe der Betriebszeit meist in Richtung Grün verschiebt.

Der Unterschied besteht hier vor allem im verwendeten Material für das Brennerrohr. Quarzglas eignet sich auf Grund seiner hohen Schmelztemperatur und Härte an sich gut als Material für den hochbeanspruchten, zentralen Bereich, wird jedoch aus den genannten Gründen von transluzenter Keramik (Korund) verdrängt, die inzwischen den Stand der Technik darstellt. Ein weiterer Vorteil der neueren Keramikbrenner ist die höhere Lichtausbeute von bis über 100 lm/W (Lumen pro Watt), gegenüber etwa 80 lm/W bei Quarzbrennern.

Funktionsweise

Halogen-Metalldampflampen müssen wie alle Gasentladungslampen mit einem Vorschaltgerät betrieben werden, das nach dem Zünden, wenn sich ein Lichtbogen gebildet hat, den Strom auf einen konstanten Wert begrenzt. Es stellt sich eine Lampenspannung von in der Regel 100 bis 150 V ein. Dies ist unter anderem auch von der verwendeten Lampenleistung abhängig. Gebräuchlich sind Drosselvorschaltgeräte, deren Vorteile der robuste, einfache Aufbau und die relativ geringen Anschaffungskosten sind, sowie elektronische Vorschaltgeräte (EVG): die haben weniger Verluste, können die Lampen schneller hochfahren (40 Sekunden Anlaufzeit bis 90 % des Lichtstromes erreicht worden ist), was die Lebensdauer der Lampen verlängert und den Lichtstromabfall mit der Brenndauer vermindert. EVG regeln Netzspannungsschwankungen aus, dämpfen Spannungspeaks etc. und geben vor allem flimmer-und flackerfreies Licht, was für den Einsatz von Metalldampflampen in Büros und über Arbeitsplätzen unbedingt erforderlich ist. Viele Metalldampflampen, vor allem CDM-TC, alle 20-W- und viele Hochleistungstypen dürfen nur an einem EVG betrieben werden. Die meisten EVG betreiben die Lampen mit Rechteck-Wechselspannung von 80 bis 400 Hz, geeignet für alle Typen. Die meisten EVG über 250 W sind Hochfrequenzgeräte. Hochfrequenz ist für die dicken, zylindrischen CDM-Entladungsgefäße nicht geeignet, es kommt schon beim Anlaufen zu akustischen Resonanzen und unter Umständen zur Explosion. Es gibt auch dimmbare EVG: Besonders die Metalldampflampen der neuen Generation werden immer besser dimmbar, an geeigneten dimmbaren EVG bis auf 50 %. Da gewisse Betriebsbedingungen wie Elektrodentemperatur und Partialdampfdrücke der Metalle im Lichtbogen während des Dauerbetriebs erfüllt sein sollten, sind Metalldampflampen jedoch nicht beliebig dimmbar.

Zum Zünden ist ein Zündgerät erforderlich, welches im Strompfad liegt (Überlagerungszündung) und solange Zündimpulse von etwa 5 bis 80 kV (je nach Lampenleistung) bereitstellt, bis die Lampe zündet. Zweiseitig gesockelte Lampen sind oft heißzündfähig (engl. hot restrike): sie können mit sehr hohen Spannungen auch dann erneut gezündet werden, wenn sie noch nicht abgekühlt sind. Wenn Halogen-Metalldampflampen ohne diese Fähigkeit bzw. ohne ein dafür geeignetes Zündgerät ausgeschaltet werden, müssen sie zunächst abkühlen, bevor sie wieder gezündet werden können. Die Abkühlung dauert je nach Nennleistung und Aufbau der Leuchte etwa 10 bis 15 Minuten.

In den ersten Minuten nach dem Zündvorgang muss sich das Gemisch aus Metallen, Halogenen und Seltenen Erden zunächst erwärmen, um die festen Bestandteile aufzuschmelzen und zu verdampfen. Während des Anlaufens (run up, ‚Hochbrennen‘) erhöht sich der Lichtstrom, um nach 40 Sekunden bis 5 Minuten ihren Normalwert zu erreichen.

Bei den Scheinwerferlampen des Xenonlichts im Auto handelt es sich nicht um reine Halogenmetalldampflampen, da hier Metallsalze neben dem Xenon nur in recht geringer Menge enthalten sind (wenige Milligramm). Sie dienen hauptsächlich der Senkung der Farbtemperatur und sollen so das Lichtspektrum des eher lila leuchtenden Xenons in Richtung des Tageslichtes (5000 bis 6000 Kelvin) verschieben.

Betriebsphasen nach dem Einschalten

Zündphase

400-W-Halogen-Metalldampflampe kurz nach dem Zünden

Im Brenner befindet sich ein Gemisch aus Quecksilber, Halogenen, Natrium, Thallium und meist auch Scandium, bei Lampen mit sehr guter Rotwiedergabe auch Ca, Rb, Sr, bei Tageslichttypen Seltenen Erden sowie einem Edelgas (z. B. Argon). Dieses, bei Raumtemperatur teilweise feste, flüssige und gasförmige Gemisch ist zunächst nicht ionisiert und hat daher einen hohen Widerstand. 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, wodurch die Lampenspannung noch weiter sinkt.

Da zunächst hauptsächlich die Quecksilber-Ionen (das Quecksilber dient zur besseren Zündung der Lampe) zum Leuchten beitragen und der Gasdruck gering ist, gibt die Lampe anfangs nur wenig Licht mit hohem Blau- und Ultraviolett-Anteil ab.

Hochbrennen

Die Gasentladung erwärmt den Brenner, schmilzt und verdampft die enthaltenen festen Füllbestandteile. Dieser Vorgang läuft aufgrund der unterschiedlichen Schmelz- und Siedepunkte nicht gleichzeitig ab. Zuerst erreicht das Quecksilber seinen Siedepunkt von 356 °C und trägt damit frühzeitig verstärkt zur Lichtemission bei. Der Quecksilbervorrat ist relativ reichlich bemessen, um über die Betriebsdauer der Lampe einen zum Zünden ausreichenden Partialdruck zu gewährleisten. Aus diesem Grund bewegt sich das Spektrum des emittierten Lichtes anfangs durch einen blaugrünen Bereich, der intensiver werdend später einen großen Teil des sichtbaren Spektrums abdeckt.

Bei fortschreitender Erwärmung sieden auch die anderen Metalle und tragen zunehmend zur Lichterzeugung bei. In dieser Phase ist ein zügiger Farbumschlag vom Grünlichen ins Weiße sowie eine starke Helligkeitszunahme beobachtbar – die Lampe hat ihre Betriebsparameter erreicht.

Halogen-Wolfram-Kreisprozess

Aufgrund der hohen Lebensdauer einer Metalldampfhalogen-Lampe von bis zu 30.000 Stunden sind die Elektroden von Alterungsprozessen betroffen. Hierbei verwendet man den gleichen Prozess, den man sich auch in Halogenglühlampen gegen die Alterung der Glühwendel nutzt. Den Alterungsprozess einer Metallhalogendampflampe (Brennerschwärzung durch Wolframtransport von den heißen Elektroden zur Brennerwand) kann man auf zwei Arten reduzieren:

1. durch Reduktion der Konvektion im Brenner: Der maximale Temperaturunterschied im Entladungsgefäß wird reduziert, wenn der eckige Brenner in eine mehr ellipsoide Bauform übergeht (Osram-Powerball-Produkte, Philips CDM-T 250 W, GE CMH ultra, Iwasaki CeraArc). Der geringere Temperaturunterschied führt zu einer geringeren Konvektion (Transportströmung).
2. Durch Optimierung des Halogenkreisprozesses: Ähnlich wie bei Halogenglühlampen bewirken die anionischen Halogenkomponenten Iodid und Bromid einen Rücktransport des verdampften oder abgesputterten Wolframs (Elektrodenmaterial; Philips-CDM-Elite- und CMH-ultra-Produkte)

Eigenschaften

Halogenmetalldampflampen haben eine Lichtausbeute von etwa 95 lm/W (Lumen pro Watt), die mittlere Lebensdauer beträgt zwischen 750 und 30.000 Stunden. Spezialtypen haben teilweise nur eine Lebensdauer von 500 bis 2000 Stunden.

Der Betrieb ist nur mit einem Vorschaltgerät möglich.

Die Lichtfarbe und die Farbwiedergabe ist vergleichbar mit Leuchtstoffröhren und wird durch die Mischung der Inhaltsstoffe des Brenners bestimmt.

Die Farbtemperatur liegt typischerweise zwischen 3000 und 7000 K, sodass sowohl glühlampenähnliche als auch tageslichtähnliche Beleuchtung geschaffen werden kann. Die Farbwiedergabestufe liegt bei 1 B bis 1 A. Die weitaus meisten Metalldampfhalogenlampen haben folgende Lichtfarben:

Typ	Farbtemperatur	Farbwiedergabe	Bemerkungen
640 oder 740	4000 K	65…75 MH	200 bis 450 W
830	3000 K	81…88	CDM, CMH, HCI /830
930…932	3000 K	90…93	150 W und neue Generation keramischer Metalldampflampen
941…943	4100…4300 K	90…96	neutralweiße keramische Metalldampflampen
950…960	5200…6000 K	89…96	tageslichtfarbige Lampen, meist noch Quarztechnik

Für Spezialanwendungen, z. B. in Schwimmbädern und für die Aquaristik, existieren Halogenmetalldampflampen mit erheblich höheren Farbtemperaturen von 10.000 bis 20.000 K sowie Farbstrahler. Die Oberflächentemperatur des Hüllkolbens beträgt ca. 500 °C.

Vor- und Nachteile

Vorteile z. B. gegenüber Glühlampen sind zum einen die wesentlich höhere Lichtausbeute von 80 bis 100 lm/W und die Lebensdauer von 500 bis 30000 Betriebsstunden. Diese beiden Faktoren erhöhen die Wirtschaftlichkeit ggf. erheblich, da die Wartungszyklen z. B. gegenüber Halogen-Glühlampen (200 bis 2000 Betriebsstunden) und die Lichtausbeute höher sind und den höheren Anschaffungspreis rechtfertigen. Das warme, neutralweiße oder tageslichtähnliche, gut zu bündelnde Licht wird insbesondere für Geschäftsauslagen und andere Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf guten Farbwiedergabeindex ankommt. In der Industrie-Hallen- und Verkehrsbeleuchtung sind sie Quecksilberhochdrucklampen weitaus und mittlerweile auch Na-Hochdrucklampen überlegen. Ihr weißes Licht mit guter bis sehr guter Farbwiedergabe schafft eine sehr viel angenehmere Stimmung als die extrem farbverfälschenden orangen Na-Dampflampen. Und gerade beim für Straßenbeleuchtung relevanten Dämmerungssehen geht die mesopische Lichtausbeute der Na-Dampflampen extrem zurück, d.h. die Metalldampflampen sind beim Dämmerungssehen viel effizienter als Na-Dampflampen.

Nachteile waren die fehlende Dimmbarkeit und die langen Wartezeiten beim Hochbrennen und Neuzünden, was die Verwendbarkeit einschränkte. Mit neuer Technologie und EVG wird das verbessert. Der höhere Anschaffungspreis der Leuchte und der Leuchtmittel amortisieren sich durch die hohen Energieeinsparungen gegenüber Glühlampen schnell, eine 70 W CMH, CDM, HCI bietet so viel Licht wie eine 400 W Halogenlampe, hält ca. 10mal so lange und spart pro Lampe allein über 6000 kWh Energie ein.

Die relativ kleine leuchtende Fläche ergibt zusammen mit der hohen Lichtausbeute eine hohe Leuchtdichte; eine Eigenschaft, die die Halogen-Metalldampflampe besonders für den Einsatz in Scheinwerfern und anderen Leuchten, die einen Reflektor und optional eine Linsenoptik zur Lichtbündelung verwenden, interessant macht. Auf Grund der kleinen Lichtbogenlänge kann das Licht sehr gut gebündelt und geformt werden.

Auch eine asymmetrische Lichtverteilung in einem scharf umgrenzten Bereich ist mit diesen Lampen gut möglich. In diesem Punkt ähneln sich die Halogen-Metalldampflampe und die Halogen-Glühlampe.

Mit Kurzbogenlampen werden durch kleinere Lichtbögen noch höhere Leuchtdichten erreicht, z. B. für Projektoren und Beamer.

Verwendung

Verwendung finden Halogen-Metalldampflampen vorwiegend zur tageslichtähnlichen Beleuchtung mit Scheinwerfern bei langer Einschaltdauer und hohen erforderlichen Leuchtstärken.

Typische Einsatzbereiche sind z. B. Ladengeschäfte und Ausstellungen, wo besonders die lange Betriebszeit und der möglichst geringe erwünschte Wärmeeintrag bei möglichst hoher Lichtausbeute den Einsatz von Halogen-Glühlampen verbieten. Weiterhin findet die Halogen-Metalldampflampe bei Architekturbeleuchtung, Hallenbeleuchtung, Stadionbeleuchtung und in der Straßen- und Platzbeleuchtung Anwendung.

Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet ist die Filmbranche. Hier ist insbesondere eine definierte Farbtemperatur (Tageslicht, ca. 6500 K) und stabile Farbwiedergabe wichtig. Für Außenaufnahmen werden Leistungen bis zu 18000 W benutzt.

Halogenmetalldampflampen werden auch in Farbwechselscheinwerfern und Moving Heads als Lichtquelle eingesetzt. Deren Lichtstrom und die gewünschte Farbe werden mit motorisch verstellbaren Farbfiltern eingestellt. Zur Strahlablenkung dienen bewegliche Spiegel, Linsen oder Prismen.

Auch in der Aquaristik werden diese Lampen aufgrund ihres Punktlichtquellen-Charakters und dem dadurch entstehenden Licht-Schatten-Spiel durch Wellen auf der Wasseroberfläche zur Beleuchtung mittlerer und großer Aquarien gerne eingesetzt. Auch in der Terraristik werden diese Lampen immer häufiger eingesetzt, da sie naturähnliche Lichtstärken (je Reflektortyp bis weit über 100.000 Lux) bei geringem Energieeinsatz bereitstellen können.

HQI-Lampen werden auch bevorzugt bei Rettungsdiensten eingesetzt, da sich hier die Blendfreiheit, hohe Lichtausbeute pro Watt und ebenfalls die hohe Helligkeit bezahlt macht.

Die Straßenbeleuchtung wird weltweit zunehmend mit Halogenmetalldampflampen realisiert, weil sie effizienter sind als Quecksilberhochdrucklampen und die sonst dort zum Einsatz kommenden NAV-SON-LU-E Na-Dampflampen, z. B.:

• Ceramic Metal Halide 70 W 7400 lm und >8000 lm bei Dämmerungssehen, Farbwiedergabeindex 90…96
• NAV-E, SON-E, LU-E 70 W 5600 lm und <5000 lm bei Dämmerungssehen, Farbwiedergabeindex 20…25

Fachliteratur

• Hans R. Ris: Beleuchtungstechnik für den Praktiker. VDE – Verlags GmbH, Berlin – Offenbach, ISBN 3-8007-2163-5
• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag – Europa – Lehrmittel, 1989, ISBN 3-8085-3018-9

Siehe auch

• Xenon-Höchstdrucklampe

Einzelnachweise

1. ↑ HMI-Lampen