Etwas Hintergrundwissen
zur Technik rund um unsere Lichtsysteme
Austrahlungswinkel
Der Ausstrahlungswinkel wird
in Grad gemessen und ist eine wichtige Information für
die Auswahl von Leuchten oder Lampen mit Reflektoren. Aus dem
Ausstrahlungswinkel ergibt sich für verschiedene Abstände
die Größe des Lichtkreises auf der beleuchteten Fläche.
Bilderleuchte
Speziell für Bilder entwickelte
Leuchten bieten die Möglichkeit, ein Bild in einem idealen
Winkel und Abstand ins ‚rechte Licht' zu rücken. Da
für Spiegel ähnliche Beleuchtungskriterien bestehen,
können Bilderleuchten durchaus auch hier eingesetzt werden.
Transformatoren
Ein Transformator dient in erster
Linie dazu, Spannungen umzusetzen, d.h. sie von einer hohen
Voltzahl auf eine niedrigere zu überführen oder umgekehrt.
Bei entsprechender Bauform ergibt sich durch Einsatz eines Trafos
ein zweiter Nutzeffekt, der von ganz wesentlicher Bedeutung
ist: Beim Heruntertransformieren gefährlich hoher Spannungen
(z.B. aus dem 230V-Netz) erreicht man gleichzeitig die galvanische
Trennung zwischen beiden Kreisen (Potentialtrennung).
Es wird zwischen drei verschiedenen Arten von Transformatoren
in der Niedervolttechnik unterschieden:
1.
Konventionell aufgebaute Blocktransformatoren
Diese Transformatorbauart ist
die am häufigsten verwendete Variante, wobei üblicherweise
die geschichteten Bleche des Kerns und die Kupferwicklung in
einem Kunststoffgehäuse unter Vakuum gegossen werden. Verwendung
findet diese preiswert herzustellende Transformatorbauart überall
dort, wo eine nicht sichtbare Montage möglich ist, bzw.
eine perfekte Optik nicht unbedingt benötigt wird.
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2.
Ringkerntransformatoren
Der Kern wird als Ring aufgebaut,
auf dem die Kupferwicklung mittels einer Spezialwickelmaschine
aufgetragen wird. Durch seine kompakte Bauform und sein geringes
Volumen läßt sich der Ringkerntransformator in modern
gestaltete, formschöne Gehäuse unterbringen. Die Geräuschentwicklung
im ungestörten Netzbetrieb (Betrieb ohne Dimmer) ist nur
minimal.
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3.
Elektronische Transformatoren
Der Nachteil von Netztransformatoren
besteht darin, dass sie mit der relativ kleinen Frequenz von
50Hz arbeiten müssen. Pro Sekunde haben sie die Möglichkeit
nur während 100 Halbwellen Energie zu übertragen.
Da das Eisen innerhalb des Trafos schnell in die magnetische
Sättigung kommt, muß man zur Übertragung größerer
Leistungen große Blechpakete vorsehen, die entsprechend
groß und schwer sind. Der Lösungsansatz zur Verringerung
des Bauvolumens versteckt sich in der Erhöhung der Betriebsfrequenz.
Das Trafovolumen verringert sich in dem Maße, wie die
Frequenz zunimmt. Pro Sekunde stehen damit viel mehr Arbeitszyklen
zur Verfügung, so dass sich wesentlich mehr Energie pro
Volumeneinheit übertragen läßt. Genau dieses
Prinzip verfolgen die elektronischen Trafos. Im ersten Schritt
richten sie die Netzspannung gleich, damit die interne Elektronik
überhaupt arbeiten kann. Dann wird die Gleichspannung zerhackt,
so dass rund 50000 Energiepakete entstehen. Diese Rechteckspannung
wird dann in einem Transformator übertragen, der aber aufgrund
der hohen Betriebsfrequenz sehr kelin sein kann. Somit werden
gleichzeitig die eingangs genannten Punkte des Heruntertransformierens
und der Potentialtrennung erfüllt. Der Trick bei elektronischen
Trafo besteht also darin, eine hohe Arbeitsfrequenz zu erzeugen,
um mit einer kleinen Trafo-Bauform auszukommen.
Neben der Reduzierung des Gewichts und der Wärmeentwicklung
bietet der Elektronik-Trafo aber noch einen weiteren Vorteil
im Zusammenspiel mit 12V-Halogenlampen. Die Ausgangsspannung
wird sehr genau auf knapp unterhalb 12V stabilisiert und dies
unabhängig von Netzspannungsschwankungen und Belastung.
Das Resultat davon ist, dass die Leuchtmittel eine höhere
Lebensdauer haben. Beim herkömmlichen Trafo ist die Ausgangsspannung
stark lastabhängig. Beim überdimensionierten, d.h.
nicht ausgelasteten Trafo steigt die Ausgangsspannung mit der
Folge an, dass die Lebensdauer einer Halogenlampe bei nur 5%
Spannungserhöhung bereits auf 50% reduziert wird. Der Trafo
eines Lichtsystems sollte daher immer so dimensioniert sein,
dass er nahe seiner maximalen Leistung betrieben wird.
Elektronische Transformatoren weisen heute in der Regel alle
einen lampenschonenden Softstart, sowie eine reversible Kurzschlußsicherung
auf. Die Anwendung ist auf Leistungen <200VA begrenzt, begründet
durch den hohen Funkschutzaufwand, der bei größeren
Leistungen und wegen der Betriebsfrequenz nötig ist.
Die Sekundärleitung ist wegen den funkschutzrechtlichen
Vorschriften auf 2m begrenzt, so dass sich ein Aktionsradius
von max. 4m (bei Mitteleinspeisung) ergibt.
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Dimmer
Zum Dimmen von Transformatoren
dürfen nur die entsprechenden Dimmer verwendet werden.
Dimmer für Eisenkern-Transformatoren arbeiten nach dem
Phasenanschnittprinzip. Diese Betriebsart verlangt von Transformatoren
im Anschnittspunkt eine augenblickliche Ummagnetisierung des
Kerns. Dies wiederum bewirkt eine Längenänderung im
Kern, die in der Fachsprache "Magnetostriktion" (
s. Beschreibung) genannt wird. Es hängt nun in hohem Maße
von der mechanischen Verarbeitung des Kerns und weiterer dämpfender
Maßnahmen ab, inwieweit eine dadurch bedingte Geräuschentwicklung
nach außen dringt. Eine absolute Geräuschdämmung
kann jedoch nicht gewährleistet werden.
Bei der Geräuschentwicklung kann man unterschiedliche Beobachtungen
machen. So verhalten sich sowohl die unter 1) genannten Transformatoren,
als auch die unter 2) genannten mitunter sehr verschieden in
ihrer Geräuschentwicklung. Im allgemeinen beschränken
sich die Geräusche der Transformatoren auf ein Niveau,
das man allenfalls als Summen bezeichnen könnte. Jedoch
zeigen einige Leuchtenkonstruktionen (hierzu zählen auch
die vielfältigen Variationsmöglichkeiten von NV-Schienen-
und Seilanlagen), dass die physikalisch bedingten Geräusche
noch durch Resonanzen verstärkt werden. So können
gerade im Dimmbetrieb recht unangenehme Geräusche auftreten,
die sich meist nur durch Austausch von Dimmer bzw. Transformator
gegen andere Fabrikate vermindern lassen. Grundsätzlich
kann gesagt werden, dass in das Dimmverhalten einer Niedervolt-Lichtanlage
der Transformator, der Dimmer und auch die Lichtanlage (inkl.
Leuchtmittel) zu gleichen Teilen einbezogen werden müssen.
Daher wird nur im Optimalfall ein geräuscharmer Betrieb
erzielt. Das Dimmen von elektronischen Transformatoren erfolgt
nach dem Phasenabschnittsverfahren. Da ebenfalls beim elektronischen
Transformator Wickelgüter verwendet werden, läßt
sich das Induktionsgesetz nicht umgehen. Auch wenn hierbei eine
höhere Frequenz verwendet wird, kann ein geräuschloser
Betrieb nicht in jedem Fall erreicht werden.
Ein Dimmer hat die Aufgabe, die Leistung, die einem Verbraucher
zugeführt wird, zu dosieren. In der Elektronik werden bei
Wechselspannung im wesentlichen zwei Verfahren angewendet: die
Phasenan- und Phasenabschnittsteuerung. Die Netzwechselspannung
hat eine Frequenz von 50Hz, d.h. pro Sekunde durchläuft
sie 50 Perioden mit jeweils 20ms Dauer. Der Spannungsverlauf
ist sinusförmig. Wenn man den Verbraucher nicht direkt
mit dem Netz verbindet, sondern über einen Schalter, dann
kann man durch schnelles Ein- und Ausschalten die zugeführte
Leistung vermindern. Elektronisch geschieht dies durch Halbleiterschalter,
einem sogenannten Triac, der den Schaltvorgang so schnell durchführt,
dass er für das menschliche Auge nicht mehr sichtbar ist.
Das Ergebnis ist eine im Mittel reduzierte Helligkeit. Bei der
Phasenanschnittsteuerung wird zu einem bestimmten Zeitpunkt
der Sinuswelle der Triac eingeschaltet und im Nulldurchgang
der Sinuswelle automatisch ausgeschaltet. Bei der Phasenabschnittsteuerung
beginnt der Stromfluß kurz nach dem Nulldurchgang und
wird nach einer bestimmten Zeit der Sinushalbwelle unterbrochen.
Am Effekt der Leistungsdosierung ändert sich dadurch nichts,
aber je nach Verbraucher muß man das eine oder andere
Verfahren wählen.
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Berührungsdimmer
Einige Leuchten sind mit
einem Berührungsdimmer ausgestattet, der ein Dimmem der
Leuchte durch bloßes Berühren des Lampengehäuses
bzw. der Leuchtenaufhängung ermöglicht. Ein- und Ausschalten
erfolgt dabei durch kurze Berührung und stufenloses Dimmen
durch längeres Berühren. Bei Pendel-Leuchten spart
man nicht nur den teuren zusätzlichen Dimmer an der Wand,
man muß sich auch nicht mehr vom Tisch erheben, um die
Helligkeit zu verändern. Geringste Potentialunterschiede
zwischen Leuchte und berührender Person führen zu
einem Schaltvorgang an der eingebauten Elektronik, deren Dauer
ein Microprozessor mit spezieller Software auswertet und die
Helligkeit über einen Triac nachregelt.
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Kaltlichtspiegellampe
Die Kaltlichtspiegellampe
ist eine spezielle Reflektorlampe, die ca. 60% des Infrarotanteils
des Lichts, also die Wärme, nach hinten durch den Spiegel
austreten läßt. Diese Lampen eignen sich besonders
an Arbeitsplätzen oder dort, wo wärmeempfindliche
Gegenstände beleuchtet werden. Diese Lampen sind für
den Einsatz in Einbauleuchten (Decken mit geringen Einbautiefen)
weniger geeignet, da die Wärme in diesen Hohlraum transportiert
wird. Hier sollten besser Reflektorlampen mit Aluminiumbedampfung
eingesetzt werden. Diese Lampen geben bis zu 90% der Strahlungswärme
iLeuchtrichtung ab und reduzieren daher die Wärme im Hohlraum.
Hier
gibt es unseren Ratgeber rund um die Halogen-Lampen als PDF-Dokument
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Lampenarten
1.
Glimmlampe
Wenn man in ein luftleeres Glasrohr
zwei Elektroden einschmilzt und diese an eine Spannung anschließt,
dann kommt es von einem bestimmten Wert an zu einem altbekannten,
wenn auch komplizierten Vorgang: Es setzt die sogenannte Glimmentladung
ein, bei der das Innere des Glasröhrchens rötlich
schimmert. Genau genommen spielen für das Zustandekommen
nicht nur die Größe der Spannung, sondern auch die
Form des Glasrohrs und der tatsächliche Innendruck eine
Rolle; völlig luftleer ist das Gefäß nämlich
nicht. Daher befinden sich darin immer einige positive und negative
Gas-Ionen; sie entsehen z.B. unter dem Einfluß der natürlichen
Radioaktivität.
Bei Anlegen einer Spannung bewegen sich diese Ionen auf die
entgegengesetzt geladene Elektrode zu. Beim Aufprall auf der
Kathodenseite werden Elektronen herausgelöst, was die "Glimmhaut"
auf der negativen Seite erklärt. Bei 50Hz-Netzspannung
ändert sich dieser Effekt so schnell, dass für das
Auge scheinbar beide Pole leuchten.
Anwendungen für diesen Effekt sind u.a. der bekannte Phasenprüfer
oder beleuchtete Netzschalter mit integrierter Glimmlampe. Die
Glimmentladung schaukelt sich aufgrund ihrer negativen Widerstandskennlinie
selbst auf, weshalb diese Lampen immer mit einem Vorwiderstand
betrieben werden müssen.
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2.
Glühlampe
Das Prinzip einer Glühlampe
basiert auf der Strahlungsabgabe eines erhitzten Körpers.
Je höher dabei die Temperatur ist, desto größer
ist auch die Energieabgabe. Ein Teil der freiwerdenden Strahlung
liegt im sichtbaren Bereich (ca. 5...10%). Der weitaus größere
Teil wird in Wärme umgesetzt und leistet damit keinen Beitrag
zur Beleuchtung.
Im Lampenkolben wird ein gewendelter Leuchtdraht zum Glühen
gebracht. Um ihn auf eine möglichst hohe Temperatur erhitzen
zu können, muß man dafür ein Material mit hohem
Schmelzpunkt wählen. Wolfram erfüllt diese Anforderung,
weil es erst bei 3380 C schmilzt. Dennoch muß die Glühtemperatur
genügend weit unerhalb des Schmelzpunktes liegen, da sonst
zu viele Wolfram-Atome verdampfen würden. Dies schlagen
sich nämlich auf der Kolbeninnenseite nieder und verringern
die Lichtausbeute. Damit verdünnt sich langsam die Wendel,
der Widerstand erhöht sich, die Leistung läßt
nach bis schließlich der Materialverlust zum völligen
Zerstören der Wendel führt. Um diesen Verdampfungsprozess
abzuschwächen, macht man den Lampenkolben entweder nahezu
luftleer, oder man füllt ihn statt mit Luft mit einem neutralen,
nicht agressiven Edelgas, wie z.B. Stickstoff, Argon oder Krypton.
Leider erhöht die Gasfüllung wieder die Wärmeableitung
nach außen, was eine Temperaturabsenkung mit gleichzeitigem
Verlust an Lichtausbeute nach sich zieht. Durch die Wendelung
der Glühdrähte wirkt man diesem Wärmeverlust
entgegen.
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3.
Halogenlampe
Die Glühwendel von handelsüblichen
Glühbirnen besteht aus Wolfram. Bedingt durch die hohen
Temperaturen während des Betriebs, verdampfen aus der Wendel
kontinuierlich Wolfram-Atome, was mehrere Probleme nach sich
zieht:
" Schwärzung des Kolbens
" Verlust an Helligkeit
" Verringerung der Lebensdauer
Bei der Halogenglühlampe wird durch das Zufügen von
Halogenen in den Glaskolben - welcher im Gegensatz zu der normalen
Glühlampe stark verkleinert ist- eine höhere Lichtausbeute
und längere Lebensdauer erzielt. Die Grundlage für
den sogenannten Halogenkreislaufprozess wird durch das Zusammenspiel
von Wolfram und den Halogenen gebildet und unterliegt bestimmten
Temperaturanforderungen.
Der Glühfaden selbst erreicht Temperaturen von 2600-2750
C; auf dem Weg zur Kolben-Außenwand fällt die Temperatur
auf ca. 250 C ab. Ungefähr auf halbem Wege beträgt
sie ca. 1400 C, ein für den Kreislauf entscheidender Wert:
Bei dieser Temperatur gehen nämlich die verdampfenden Wolfram-Atome
mit den freien Halogenen eine Verbindung ein (Wolfram-Halogenid),
die bis ca. 250 C stabil bleiben. Diese Verbindungen zerfallen
also auch nicht in der Nähe der Kolbenwand, sondern gelangen
im Temperaturkreislauf wieder in die heiße Zone im Bereich
der Wendel. Dort zerfällt die Verbindung und die Wolfram-Atome
schlagen sich wieder auf der Wendel nieder. Die Halogene werden
für einen neuen Kreisprozess freigegeben.
Durch die höheren Fadentemperaturen erzeugen Halogenlampen
ein angenehm weißes Licht, dass mehr Weißanteile
besitzt als herkömmliche Glühlampen. Weil der Niederschlag
an der Innenseite des Glaskolbens vermieden wird, bleibt die
Helligkeit über die gesamte Lebensdauer nahezu konstant.
Dies ist in vielen Fällen viel wichtiger als eine Erhöhung
der Lampen-Lebensdauer (z.B. bei Auto- oder Projektionslampen).
Halogenlampen kann man problemlos dimmen; zwar gehen dabei die
Wendel-Temperatur und die Wolfram-Verdampfung zurück, aber
erst danach bricht der Halogenkreislaufprozess zusammen. Wenn
es im gedimmten Betrieb zu Schwärzungen der Kolben-Innenseite
kommt, kann diese durch kurzen Einsatz von voller Helligkeit
wieder rückgängig gemacht werden.
Hier
gibt es unseren Ratgeber rund um die Halogen-Lampen als PDF-Dokument
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Lebensdauer
einer Halogenlampe
Die Lebensdauer einer Halogenlampe
beträgt mehr als das Doppelte einer normalen Glühlampe.
Dass auch Sie nicht ewig halten, hat folgenden Grund: Bei der
Rückführung der Wolfram-Atome zur Wendel werden nicht
immer diejenigen Löcher gestopft, die zuvor entstanden
sind.
Die Höhe der Netzspannung in unseren Wohnungen und Betrieben
hat besonders bei Halogen- und Glühlampen einen großen
Einfluß auf die Lebensdauer und den Lichtstrom. Die Nennspannung,
die von den Elektrizitätswerken geliefert wird, ist einheitlich
auf 230V festgelegt worden. Die Spannung kann jedoch aus betriebsbedingten
Gründen (z.B. sprunghaft ansteigender Sromverbrauch oder
unterschiedliche Entfernung der Stromabnehmer und der Versorgungsquelle
schwanken. Die zulässige Toleranz für Schwankungen
der Netzspannung von 230V ist zunächst für eine Übergangsfrist
bis zum Jahr 2003 festgelegt worden und beträgt +6%(243V)
und -10% (207V).
Eine Erhöhung der Spannung um 5% auf beispielsweise 12,6V
verringert die Lebensdauer einer Niedervolt-Halogenlampe um
die Hälfte. Andererseits erhöht sich die Lebensdauer
auf das Doppelte, wenn die Netzspannung um 5% sinkt. Zugleich
sinkt allerdings auch der Lichtstrom und steigt entsprechend
bei höherer Netzspannung.
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Magnetostriktion
Die Magnetostriktion findet man
nur bei ferromagnetischen Materialien wie Eisen, Nickel, Kobalt
und deren Legierungen. Basis des magnetostriktiven Prinzips
sind bestimmte magnetomechanische Eigenschaften dieser Materialien.
Werden nämlich Ferromagnetika in den Bereich eines magnetischen
Feldes gebracht, so zeigt sich eine mikroskopische Verformung
ihrer Molekularstruktur, die eine Änderung ihrer Dimensionen
bewirkt. Dieses physikalische Verhalten erklärt sich aus
der Existenz unzähliger kleiner Elementarmagnete , aus
denen ferromagnetisches Material besteht. Diese sind bestrebt,
sich innerhalb abgegrenzter räumlicher Bereiche schon ohne
äußeres Magnetfeld parallel zu stellen. In diesen
sogenannten Weiß'schen Bezirken weisen alle Elementarmagnete
in die gleiche Richtung.
Aufgrund der zunächst willkürlichen Verteilung der
Weiß'schen Bezirke erscheint ein ferromagnetischer Körper
nach außen unmagnetisch. Bei Einwirkung eines äußeren
Magnetfelds klappen die Bezierke nun als Ganzes in Richtung
dieses Magnetfeldes um und richten sich parallel zueinander
aus. Hierdurch ergeben sich magnetische Eigenfelder, die das
äußere magnetische Feld um das hundert- bis tausendfache
übertreffen können. Bringt man z.B. einen Stab aus
ferromagnetischem Material in ein Magnetfeld, das parallel zur
Längsrichtung des Stabes verläuft, so erfährt
dieser Stab eine mechanische Längenänderung. Die relative
Längenänderung, die durch den magnetostriktiven Effekt,
den Joule-Effekt, erzielt werden kann, ist in der Realität
sehr klein und beträgt nur wenige m.
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Reflektorlampe
Bei diesem Leuchtmitteltyp wird
das vom Leuchtwendel ausgestrahlte Licht durch einen beschichteten
Reflektorschirm in eine Richtung gelenkt.
Hier
gibt es unseren Ratgeber rund um die Halogen-Lampen als PDF-Dokument
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UV-Stop
Halogenlicht strahlt höhere
Anteile ultravioletten Lichtes aus als herkömmliche Leuchtmittel.
Leuchtmittel, die die Bezeichnung "UV-Stop" tragen,
sind mit einem speziellen Glas des Kolbens, das die UV-Strahlen
herausfiltert, ausgestattet.
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UV-Strahlung
Wie in der Vergangenheit mehrfach aus der Fachpresse zu entnehmen
war, kann bei Halogenlampen nicht von einem Risiko durch UV-Strahlung
gesprochen werden. Folgendes Beispiel verdeutlicht dieses:
Eine achtstündige Bestrahlung mit ungefiltertem Halogenlicht
bei einer Beleuchtungstärke von 100lx (übliches Bürobeleuchtungsniveau
liegt bei 500lx, die Beleuchtung eines Wohnraumes erfordert
ca. 200-300lx) entspricht einem 10minütigen Aufenthalt
in der mitteleuropäischen Juni-Sonne. Bei einer Kaltlichtreflektorlampe
mit Abdeckscheibe entspricht dies unter gleichen Bedingungen
gar nur zwei "Sonnenminuten".
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