mini|Halogen-Metalldampflampe mit 150 W mini|Beispiel eines Wirkspektrums einer Keramik-Halogen-Metalldampflampe zur Beleuchtung von Pflanzen
Halogen-Metalldampflampen sind Leuchtmittel aus der Gruppe der Gasentladungslampen. Sie sind eine Weiterentwicklung der Quecksilberdampflampen. Durch Zusätze von Halogenverbindungen und seltenen Erden können Farbwiedergabe und Lichtausbeute gesteigert werden. Außerdem ist Xenon oder Neon als Startergas enthalten.
Allgemeines mini|Halogen-Metalldampflampe in Betrieb Die Halogen-Metalldampflampe erreicht gegenüber anderen Hochdruck-Gasentladungslampen einen sehr hohen Farbwiedergabeindex von bis 90 (bei Osram-HMI-Lampen für den Filmbereich bis 96), sehr hohe Lichtausbeuten von bis zu 117 Lumen pro Watt (lm/W) bei guter und bis 110 lm/W bei sehr guter Farbwiedergabe und gehört neben den Natriumdampflampen und den LED-Lampen zu den effizientesten Lampen überhaupt. Sie kann bis zu 38 % ihrer aufgenommenen elektrischen Leistung in sichtbares Licht umsetzen und erreicht an elektronischen Vorschaltgeräten eine Lebensdauer von bis zu 30.000 Stunden.
Sie benötigt wie fast alle Hochdrucklampen einige Minuten bis zur vollen Lichtleistung und ist in verschiedenen Farbtemperaturen von 2700 K bis über 20.000 K mit Farbwiedergabeindizes von 60 bis 96 erhältlich. Weiterhin werden farbige Lampen für Effektbeleuchtung hergestellt.
Erfunden wurden sie 1964/1965 von Gilber Reiling bei General Electric, die auch 1992 die ersten Ceramic Metal Halide Lamps (CMH) entwickelten; 1993 folgte Philips mit ihren Ceramic Discharge Metal (CDM). Bei Osram wird sie HCI genannt und in Berlin-Spandau produziert. Bei Sylvania heißt sie HSI.
Hauptsächliche Anwendungsgebiete sind die Beleuchtung von Auslagen, die Beleuchtung bei Filmsets und Fernsehen, Theaterbeleuchtung, die Beleuchtung von Messe-/Lagerhallen, Industriehallen und Stadien, Architektur- und Aquarienbeleuchtung, Verkehrs- und Außenbeleuchtung. Diese Lampenart ersetzt zunehmend Quecksilberhochdrucklampen, denen sie mit weitaus besserer Farbwiedergabe und mehr als doppelter Lichtausbeute überlegen ist.
Halogen-Metalldampflampen müssen mit einem Vorschaltgerät betrieben werden. Sie sind mit Leistungen von 20 W bis 24 kW, sowie in unterschiedlichen Bauformen (ein- und zweiseitig gesockelt, verschiedene Sockelgrößen und Farbtemperaturen) erhältlich. Trotz der Namensähnlichkeit unterscheidet sich ihre Lichterzeugung und Aufbau prinzipiell von den Halogen-Glühlampen, mit denen sie manchmal verwechselt werden.
Typen und Bauarten
mini|Halogen-Metalldampflampe mit G8,5-Quetschsockel
Das Herzstück der Halogen-Metalldampflampe ist das Entladungsgefäß (kurz: Brenner, Brennerrohr; engl. discharge tube) mit den beiden gegenüberliegenden Elektroden. Es ist oft in einen evakuierten Hüllkolben (engl. 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) 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 1200 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 verwendet G(X)38 (Keramiksockel) mit 24000 W zweiseitig gesockelt.
mini|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. Quarzglas-Entladungsgefäße sind meist aus einem Quarzglas-Rohrstück geformt, haben also Rohr- oder Kugelform mit gequetschten Enden mit seitlichem Pumpstutzen, durch den das Gefäß evakuiert wird. Die Stromdurchführungen bestehen aus Molybdän-Blech. Die Lage des Pumpstutzens (Tip) ist oft vorgeschrieben, um thermische Spannungen zu vermeiden. Bereits 1952 war jedoch eine Technologie bekannt, die Brenner im Bereich der Stromdurchführungen abzuschmelzenPatent US2664517 A. Tipless geformte ellipsoide Quarzglas-Brenner (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 Farbwiedergabeindices von 85 bis 90 bei 80 lm/W. Keramische Entladungsgefäße wie bei Natriumdampflampen (Rohrstücke aus hochreiner Aluminiumoxid-Keramik) haben sich seit 1993 zunehmend durchgesetzt. Sie erlauben wesentlich höhere Innentemperaturen und -drücke und damit ein kontinuierlicheres Spektrum mit zugleich hohen Farbwiedergabeindices von über 90 und Lichtausbeuten über 100 lm/W. Es werden Varianten mit 35, 70, 150, 250 und 400 W gefertigt. Sie heißen bei General Electric CMH, CDM bei Philips, HCI-Power Ball bei Osram, CeraArc bei Iwasaki, C-HIT bei Ushio-BLV. Der Brenner oder das Entladungsgefäß der CDM-Lampen ist, wie in der nebenstehenden Abbildung erkennbar, zylindrisch (siehe Bild), die CMH sind innen an den Enden doppelwandig, die ebenfalls in der Abbildung dargestellte HCI Power Ball fast kugelförmig elliptisch und die CeraArc elliptisch um den Lichtbogen herum (beispielsweise 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 (weitabständigen Kontakte) Sockeln. Alle anderen Lampen, also mit (Edison-)Schraubsockel und die kleinen einseitig gesockelten Lampen, sind aufgrund der zu geringen Abstände der Anschlüsse (Spannungsüberschlag bei der bis zu 60 kV betragenden Zündspannung) nicht heiß zündbar bzw. sofort wiederzündbar.
Für einen 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.
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 Quarzglas um das Entladungsgefäß für den Betrieb in offenen Leuchten; sie ersparen eine Schutzscheibe. Halogen-Metalldampflampen mit Quarzbrenner ohne Kolben oder mit Quarzglas-Kolben geben hohe Anteile an UV-Strahlung ab. Deswegen ist insbesondere bei HQI-TS ab 400 W und allen Typen ohne Schutzglaskolben eine zusätzliche, ultraviolettabsorbierende Glasscheibe erforderlich.
Die unterschiedlichen Bauformen und Leistungsformen werden meist durch das Lampenbezeichnungssystem ILCOS charakterisiert und sind dort näher beschrieben.Beispiele finden sich im zur IEC 1231 des ZVEI
Quarzglas oder Keramik Von Anwenderseite betrachtet hat die Keramiktechnologie (Typenbezeichnungen vom Hersteller abhängig und nicht normiert; z. B. HCI, CDM) den Vorteil der Farbstabilität über die Lebensdauer, während bei der älteren Quarztechnologie (HQI, engl.: Halogen Quartz Iodide) das Farbspektrum sich im Laufe der Betriebszeit meist in Richtung Grün verschiebt.
Der Unterschied besteht im verwendeten Material für das Brennerrohr. Quarzglas eignet sich auf Grund seiner preiswerten Herstellungstechnik an sich gut als Material für den hochbeanspruchten, zentralen Bereich, wird jedoch aus den vorgenannten Gründen von transluzenter Keramik (hochreine Aluminiumoxid-Keramik mit möglichst wenigen streuenden Korngrenzen) verdrängt. Auch erträgt diese Keramik höhere Maximaltemperaturen als Quarzglas. 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 mini|Schaltung der Halogen-Metalldampflampe mini|Elektronisches Vorschaltgerät 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. Diese 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): letztere haben weniger Verluste und können die Lampen schneller und schonend hochfahren (40 Sekunden Anlaufzeit, bis 90 % des Lichtstromes erreicht sind), was die Lebensdauer der Lampen verlängert und den Lichtstromabfall mit der Brenndauer vermindert. EVG regeln Netzspannungsschwankungen aus und liefern oft flimmer- und flackerfreies Licht, was für den Einsatz von Halogen-Metalldampflampen in Büros und über bestimmten Arbeitsplätzen erforderlich ist. Viele Halogen-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 Halogen-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 (engl. run up, auch Hochbrennen) erhöht sich der Lichtstrom, um nach 40 Sekunden bis 5 Minuten seinen Normalwert zu erreichen.
Bei den Xenonscheinwerfern im Auto handelt es sich nicht um reine Halogen-Metalldampflampen, da hier Metallsalze und Quecksilber 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 Xenon in Richtung des Tageslichtes (5000 bis 6000 Kelvin) verschieben.
Betriebsphasen Zündphase
mini|400-W-Halogen-Metalldampflampe kurz nach dem Zünden