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  • 4. Glh- und HalogenlampenInhalt

    4 1 Historisches4.1 Historisches4.2 Physikalische Grundlagen4.3 Konstruktion3 o s u o4.4 Lebensdauer4.5 Halogenglhlampen4.6 Interferenzfilter4.7 Halogenlampentypen4 8 Neue Entwicklungen4.8 Neue Entwicklungen

    Kapitel Glh- und HalogenlampenFolie 1

    Inkohrente LichtquellenProf. Dr. T. Jstel

  • 4.1 Historisches1820 Arthur de la Rive beobachtet einen glhenden Pt-Draht im Vakuum1840 Joseph Wilson Swan experimentiert mit verkohlten Papierfden1854 Heinrich Goebel konstruiert die erste Glhlampe mit einer Bambusfaser, die zu

    einer Kohlefadenlampe fhrteiner Kohlefadenlampe fhrtProblem: Noch nicht gut genug evakuiert C + O2 CO2

    1868 erste Fabrikation von Glhlampen durch Swan (geringe Lebensdauer)1879 Patent von Thomas Alva Edison

    Edison verhilft Glhlampe zum Durchbruch durch bessere EvakuierungEdison verhilft Glhlampe zum Durchbruch durch bessere Evakuierungdes Lampenkolbens hhere Lebensdauer

    1881 Vorfhrung der Edison-Lampe auf der Weltausstellung in ParisWendel noch aus CSuche nach hochschmelzenden Materialien Ta, W, Re, Os, WGewinner: Wolfram wegen des kleinsten Dampfdrucks geringste Abschwrzung

    1900 Max Planck: Theoretischen Grundlagen (Plancksches Strahlungsgesetz)1902 Osmiumwendel (Auer und Welsbach)1902 Osmiumwendel (Auer und Welsbach)1911 Ar/N2 Fllung1912 Wolframwendel1936 Erste Doppelwendellampe1958 Erster Einsatz von Xenon als Fllgas1958 Erster Einsatz von Xenon als Fllgas1960 Halogenkreisprozess (Zubler und Mosby, GE)1971 erste H4 Autolampe (heute auch H7)1973 erste Halogenlampe mit Interferenzfilter

    Kapitel Glh- und HalogenlampenFolie 2

    Inkohrente LichtquellenProf. Dr. T. Jstel

    2010 Glhlampe wird als Heatball angeboten

  • 4.2 Physikalische Grundlagen

    Eingangsleistung

    Energiebilanz einer Glhlampe

    Elektromagnetische Strahlung LeitungsverlusteGasverluste

    elektrischerStrom I

    IR Visible UV

    1

    1.2 Wolframwendel mit dem

    elektrischen Widerstand R

    0.5

    I ( )

    V z( )

    V()=Augenempfindlichkeitskurve

    Fr den Strom I ist die elektrische

    Verlustleistung P = U*I = R*I2

    500 1000 1500 200000.

    2000.200 nm

    znmWellenlnge [nm]

    V()=AugenempfindlichkeitskurveSpektrum einer Glhwendel bei ca.

    T = 2700 K (Temperaturstrahler)

    Kapitel Glh- und HalogenlampenFolie 3

    Inkohrente LichtquellenProf. Dr. T. Jstel

    Wellenlnge in nmnm nmWellenlnge [nm]380 780

  • 4.2 Physikalische GrundlagenU S h k hl h di Li h i i i h i hUnter Schwarzkrperstrahlung versteht man die Lichtemission im thermischenGleichgewicht (thermische Strahlung)

    S kt i h St hlPlancksches Strahlungsgesetz (1900)

    3x103

    4x103

    3000K

    Spektrum eines schwarzen Strahlers

    11

    cL T/c5

    1e 2

    c1 = 2hc2 = 3.741832.10-16 Wm2

    c2 = hc/k = 1.438786.10-2 Km 2x1032x103

    3x103

    2500K

    Wm

    -2nm

    -1]1e

    T/c5 2

    c2 hc/k 1.438786 10 Km = Wellenlnge [m]Le = Spektraler StrahlungsflussT T [K]

    5x102

    1x103

    2x10

    2000K

    L e [W

    T = Temperatur [K]

    Lichtquelle Farbtemperatur

    0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

    Wavelength [nm]

    Sonne 5800 KStudiohalogenlampe 3400 KHalogenlampe 3000 K Glhl 2700 K

    Wiensches Verschiebungsgesetz

    K]m2880Tmax [

    Kapitel Glh- und HalogenlampenFolie 4

    Inkohrente LichtquellenProf. Dr. T. Jstel

    Glhlampe 2700 K

  • 4.2 Physikalische GrundlagenGlh-/Halogenlampen sind rumlich und zeitlich inkohrente Strahlungsquellen

    Inkohrenz zeitliche Kohrenz zeitliche und rumliche KohrenzInkohrenz zeitliche Kohrenz zeitliche und rumliche Kohrenz

    Durch Farbfilter und Loch-blende wird eine klein-flchige, zeitlich und

    Ein Farbfilter lsst nurLicht einer Wellenlngepassieren: Die Strahlung

    Eine Glhlampe strahltinkohrent: Die Wellenlngender einzelnen Wellenzge sind g ,

    rumlich kohrente Licht-quelle sehr geringer Intensitt geschaffen

    p gist zeitlich kohrent(monochromatisch)

    gverschieden bzw. zwischen den einzelnen Punkten derstrahlenden Flche gibt es

    Kapitel Glh- und HalogenlampenFolie 5

    Inkohrente LichtquellenProf. Dr. T. Jstel

    keine feste Phasenbeziehung

  • 4.3 KonstruktionWendel wird doppelt gewickeltWolfram-WendelFllgas Fllgas =

    Edelgas (Ar, Kr, Xe) + N2(Druck = 1 bar)

    Untersttzungs-drhte (Mo)

    (Druck = 1 bar) Typisch: 80% N2 + 20% Ar

    ZuleitungsdrhteStem = Glashalterung

    drhte (Mo)

    Sicherungwird erst auf Mo gewickelt,

    spter wird Mo entferntKappe

    SicherungAr 39,9 g/molKr 83,8 g/molXe 131 3 g/mol

    Schraubgewinde = Edison-TypBajonett-Typ

    K t kt

    Xe 131,3 g/mol

    j ypDurchmesser in mm

    Europa E10 E14 E27 E40USA E12 E17 E26 E39

    Kontakte

    Kapitel Glh- und HalogenlampenFolie 6

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  • 4.3 KonstruktionVom Glaskolben zur Glhlampe

    Kapitel Glh- und HalogenlampenFolie 7

    Inkohrente LichtquellenProf. Dr. T. Jstel

  • 4.3 KonstruktionProduktion der Wolframwendel

    Wolframherstellung

    Erze: CaWO4 oder (Fe,Mn)WO4Scheelit Wolframit

    Wendelherstellung

    W-Stbe

    MeCl2 + WO3.H2O Tungstit W-Bleche

    Hmmern, WalzenAufschluss mit HCl

    (NH4)10[H2W12O42] Parawolframat W-Drhte

    ZiehenAuslaugen mit NH3

    ( 4)10[ 2 12 42]

    WO3 W-WendelWickeln600 C

    WO3

    W Metallpulver

    W Wendel

    Doping, H2, 450 C

    Pressen + Sintern zu W StbenKapitel Glh- und HalogenlampenFolie 8

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    -W-Metallpulver Pressen + Sintern zu W-Stben

  • 4.4 LebensdauerAbschwrzung von Glhlampen

    von der Wendel verdampftes Wolfram kondensiert auf derpInnenseite des Glaskolbens

    WasserT OsWasserT OsReTaW

    Wolfram hat von allen Metallen den niedrigsten Dampfdruck und den hchstenSchmelzpunkt aller Metalle (Tm = 3410 C) Graphite schmilzt bei 3550 C!

    Kapitel Glh- und HalogenlampenFolie 9

    Inkohrente LichtquellenProf. Dr. T. Jstel

    Schmelzpunkt aller Metalle (Tm 3410 C), Graphite schmilzt bei 3550 C!

  • 4.4 LebensdauerJe heier die Wendel ist, desto effizienter ist eine Glhlampe, aber um so strker ist auch die Abschwrzung

    Die Betriebsbedingungen einer Glhlampe stellen einen Kompromiss zwischen der Energieeffizienz und der Lebensdauer tEnergieeffizienz und der Lebensdauer t dar.

    Typische Werte fr den Betrieb bei der in K

    Typische Werte fr den Betrieb bei derNennspannung: = 13 lm/W und t = 1000 h

    H t t M h iHot spot-MechanismusW-Draht wird dnner Widerstand steigt

    W

    lokale Leistung und Temperatur steigt Dampfdruck steigt Durchbrennen am Hot spot

    Kapitel Glh- und HalogenlampenFolie 10

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  • 4.5 HalogenglhlampenDas Funktionsprinzip

    Bei der Halogen-Glhlampe wird das Wolfram Wg pvom Glaskolben durch chemischen Transport wieder auf die Wendel zurcktransportiert Glaskolben bleibt klar Glaskolben bleibt klar

    Gasfllung = Inertgas + O2 + X2 (X = Br, I)

    = Lslichkeitskurve= p + p + p += pW+ pWO+ pWBr+ .....

    Kapitel Glh- und HalogenlampenFolie 11

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  • 4.5 HalogenglhlampenChemischer Transport in Halogenglhlampen

    Die Lage des chemischen Gleichgewichts SH 00g gist temperaturabhngig: W + O2 + X2 WO2X2 vant HoffRS

    TRHlnK

    Halogen-Zyklus lnK

    W + O2 + X2 WO2X2 Chemischer Transport

    lnK2 > 0 T2 = Wand WO2X2(g)

    WBrO

    lnK = 0

    lnK1 < 0 T1 = Wendel

    Wendel

    1/T

    1

    1/T1/T

    1 W(s) + O2(g) + X2(g)

    Kapitel Glh- und HalogenlampenFolie 12

    Inkohrente LichtquellenProf. Dr. T. Jstel

    1/T21/T1

  • 4.5 Halogen Incandescent LampGrenzen des W-Recyclings

    Obwohl der WRcktransport efffizient ist, no curinp Gasfrmiges W kondensiert am cold spot, d.h. an der dicksten Stelle derWolframwendel, da dort der elektrische Widerstand am geringsten ist

    W + O2 WO

    WO + O WOWO + O2 WO2

    WO2 + O2 WO3 Wolframkristalle

    2 W(s) + 3 O2(g) 2 WO3(s) H = -764 kJ/mol

    Kapitel Glh- und HalogenlampenFolie 13

    Inkohrente LichtquellenProf. Dr. T. Jstel

  • 4.5 HalogenglhlampenUV-Strahlung Problematik

    Durch die hhere Wendeltemperatur emittieren Halogenglhlampen auch etwasDurch die hhere Wendeltemperatur emittieren Halogenglhlampen auch etwasUV-A und UV-B Strahlung, da der Quarzkolben fr UV-Strahlung transparent ist.

    T i i t

    Transmissions- und Emissionsspektrum von Ce3+ dotierten Quarzglas

    Transmissionsspektrum von Quarzglas

    100

    0,8

    1,0 Transmission spectrum Emission spectrum

    ty [a

    .u.]

    60

    80

    on (%

    )

    0,4

    0,6

    mis

    sion

    inte

    nsit

    40

    60

    Tran

    smis

    sio

    300 400 500 600 700 8000,0

    0,2Em

    W l th [ ]120 140 160 180 200

    0

    20

    W l th

    Kapitel Glh- und HalogenlampenFolie 14

    Inkohrente LichtquellenProf. Dr. T. Jstel

    Wavelength [nm]Wavelength nm

  • 4.5 HalogenglhlampenVorteile gegenber Glhlampen

    Bei der Halogen-Glhlampe bleibt die Wand durch den chemischen Transport klarg p p Reduktion der Kolbengre Erhhung des Inertgasdruckes Geringere Abdampfungsrate von Wolfram gibt eine hhere Lebensdauer, welche Geringere Abdampfungsrate von Wolfram gibt eine hhere Lebensdauer, welchezum Teil in hhere Effizienz umgesetzt wird (hhere Wendeltemperatur)

    T [K] [lm/W] [%]

    2700 13 10 Glhlampe2800 16 113000 22 13 typische Halogenlampe3200 29 163400 36 20

    spezielle Halogenlampen(Projektoren,