Einflüsse auf die Lebensdauer

Die Einflüsse auf die Lebensdauer von Leuchtkörpern sind vielfältig. Die bedeutsamsten Faktoren sind Überspannung und Erschütterungen. Diesen wird weiter unten noch nachgegangen. Aber auch die Auslegung, Nennleistung und Konstruktion haben Auswirkungen auf die zu erwartende Lebensdauer.

Wohl nur den wenigsten Lampen ist eine so lange Lebensdauer vergönnt, wie der Centennial Lightbulb in Livermore/Kalifornien. Diese kann inzwischen auf mehr als 100 Betriebsjahre zurückblicken. Allerdings ist es eine Kohlefadenlampe mit 4W, xylm/W, nur drei Anschaltvorgängen: Inbetriebnahme und zwei Umzügen.

Der Kohlefadenlampe von Thomas Alva Edison werden 3-3,2lm/W zugeschrieben[1][DTVLex].

Konventionelle Lampen werden in der Regel mit Argon, Krypton oder Xenon gefüllt. Die schwereren Edelgase sind relativ selten und teuer, deshalb wird meist Argon verwendet. Teilweise wird dem Argon Stickstoff beigemischt. Durch einen hohen Gasdruck und das hohe Molekulargewicht der Edelgase läßt sich die Verdampfung des Wolframs reduzieren, aber nicht verhindern. Vergleich hierzu auch Tabelle 3.3 nach [Fo28], ergänzt durch [He94].

Tabelle 3.3: Verdampfungsgeschwindigkeit von Wolfram bei 2870$^{\circ}$C in einer Atmosphäre aus 86% Ar und 14% N

$p$		Verdampfungsgeschwindigkeit
[cm Hg]	[bar]	[ng/cm$^2$/s]
0	0	230
5	0,067	23,5
10	0,133	20,5
50	0,667	5,4
50	1	4,2
165	2,2	2,0

Alleine mit diesen Werten wird deutlich, daß Halogenlampen, deren Betriebsdruck bei ca. 1-2 bar liegt, wesentlich länger halten sollten als die evakuierten Lampen vom Typ B1 oder B2. Die Temperaturabhängigkeit des Dampfdruckes ist in Bild 3.2 wiedergegeben, die Daten stammen aus [MH Vol2] und von OSRAM.

Bild 3.2: Dampfdruck von Wolfram

Die um die Wendel befindlichen Edelgasatome verhindern über Stoßeffekte den Abtransport der verdampften Wolframatome und erhöhen somit an der Wendeloberfläche den Partialdruck von Wolfram und reduzieren darüber dessen Verdampfung. Durch die Gasfüllung kommt es bloß wieder zu Konvektionserscheinungen. Aus diesem Grund werden ,,normale`` Lampen kleiner Leistung (meist unter 15W) zu Verminderung der Verluste evakuiert. Die Fahrradlampen B1 und B2 sind evakuiert. Begründung: Der besonders bei der HS4, in geringerem Umfang auch bei der HS3 beobachtbare Wärmetransport der Gasströmung (Konvektion) und damit die Verschiebung des glühenden Bereiches der Wendelteile durch Lageänderung bei niedriger Spannung fehlt bei den Typen B1 und B2 völlig. Mit der Lebensdauer wird die Lampe dunkler, da verdampftes Wolfram sich auf dem Glaskolben niederschlägt und die Transmission des Lichtes behindert.

Für Fahrradscheinwerfer werden inzwischen meist Halogenlampen verwendet. Nach der bevorstehenden Änderung der TA23 sind Halogenlampen über die zu erreichenden Beleuchtungsstärken indirekt vorgeschrieben. Für das Halogengas wurden früher Jodverbindungen, heute aus Fertigungsgründen eher Bromverbindungen verwendet. Der Halogenprozeß bewirkt die Rückförderung des kondensierten Wolframs an die Glühwendel. Dazu muß der Glaskolben auf der Innenseite mindestens 250$^{\circ}$C warm sein, sonst kondensieren die Wolfram-Halogen-Molekühle an der Kolbeninnenseite. Das Wolfram schlägt sich, nachdem es sich bei mehr als 1400$^{\circ}$C von den Halogenatomen gelöst hat, ungeordnet an der Glühwendel nieder, meist nicht an der heißesten Stelle. Durch die kleinen und stabilen Kolben kann der Gasdruck erhöht werden, wodurch die Lebensdauer erhöht wird. Niederdruckkolben haben laut [Zi96] einen Druck von 0,25MPa$\hat{=}$2,5bar; aber es ist nicht erwähnt, ob dies der Betriebsdruck oder der Fülldruck ist. Lupine gibt einen Betriebsdruck von 2,5bar an.

In der Tabelle 3.4 sind Anhaltswerte für die erzielbaren Lichtausbeuten und Lebensdauern zusammengetragen. Die Lampen sind nach konventionell (K), Halogen (H) und Gasentladung (G) unterschieden.

Tabelle 3.4: Ausgewählte Lichtstromausbeuten und Lebensdauern

Lampe	K	H	G	$P_{\mbox{\footnotesize nenn}}$	$\Phi_{\mbox{\footnotesize Nenn}}$		$T$	$B3$	Bemerkung
				[W]	[lm]	[lm/W]	[h]	[h]	Quelle
C	X			0,75	6,1	8,1	30		DIN 49848-3
D	X			1,68	16,5	9,8	15		DIN 49848-3
TF5	X			1,2	7,5	6,3	3000	600	DIN 49848-5
B2	X			0,6	2	3,3			TA6/DIN 49848
B1	X			2,4	21	8,7			TA6/DIN 49848
HS2		X		15,0	320	21			DIN60810
E		X		1,4	17,0	12,1	10		DIN 49848-3
HS3		X		2,4	36	15	100-160		TA6/DIN 49848
HMP08L		X		2,4	36	15	100		Philips
HMP29		X		3,0	46	15,3	100		Philips
F/G		X		5,0	90	18	100		DIN 49848-3
HS4		X		5,0	90	18	100	50	TA6/DIN 49848-4
Allgebrauch	X			15	110	7,3	1000		DIN EN 60064
normales $\Phi$	X			200	2960	14,8	1000		DIN EN 60064
hohes $\Phi$	X			200	3190	16,0	1000		DIN EN 60064
Baustellenl.	X			500	8800	17,6			gebrauchte Baustellenleuchte, ? in UK1 mit Universalweiß
	X			488,3	5745	11,8			Nachmessung 2010 in UK1 mit ODP97
Nitraphot B	X			500	11000	22			Filmleuchte
Radium 531B	X			1000	14252	13,5			Halbverspiegelte, neu
Halogen		X		>100		19-22	1000-2000		allgemein
		X		5	60	12	2000		OSRAM 64410 [OsHal]
		X		100	2500	25	2000		OSRAM 64458 [OsHal]
		X							[OsHal]
		X		650	21000	32	15		Philips Aufnahmelampe
Leuchtstoff				/7,5	400	/53	10000		DULUX EL 7W
				18/30	1450	81/48	10000		[OsQuick]
				58/71	5400	93/76	10000		[OsQuick]
Gasentladung			X			105	5000		Natriumdampfhochdr.
			X	35/43	3000	86/70			Bosch (HME)
			X	35/42	3200	91/76	2000		OSRAM (HME D2S)
			X	35±3/	3200±450	91/76	2000		ECE 99 (D2S)
			X	35±3/	2800±450	91/76	2000		ECE 99 (D2R)
			X	21	1300	62	2000		Cateye SL1
			X	10/13	450	45/33	1000		Welch Allyn 10W Solarc
			X	2200/	220000	108/	$>$5000		Philps Master MHN-LA
Kohlebogen			X	-16k		6,5	400	$\approx$ 100
Acetylen						0,48-0,78			[StHü]

Als Leistungsaufnahmen und Lichtausbeuten sind bei den Geräten mit Vorschaltgerät (Leuchtstofflampen), wenn verfügbar, die Leistung ohne/mit (220V) Vorschaltgerät aufgeführt. Zur Frequenz- und Temperaturabhängigkeit von Leuchtstoffröhren vgl. Seite . Auch hier zeigt sich wieder: Je größer die Leistung, desto größer ist auch der Wirkungsgrad.

Bosch wirbt damit, daß deren 35W Hochdruckentladungslampen (Lampe D2S von Philips, Steuerelektronik von Bosch) für Autos heller als 55W Halogenlampen seien. Verschweigt aber teilweise die 8W für das Vorschaltgerät, die zumindest eine Zeitlang bei Bosch irgendwo auf den Webseiten zu finden waren. Der Hauptvorteil liegt besonders darin, daß die Lebensdauer der Hochdruckentladungslampen größer als die des Kraftfahrzeuges ist.

Gasentladungslampen für Kfz sind u.A. in der ECE 99 genormt: Die Bogenlänge liegt bei ca. 4,2mm.^3.11 Die Elektroden haben einen Durchmesser von <0,3mm. Der Bogen schwimmt gegenüber der Elektrodenachse im Gas im Mittel um ca. $0,5\pm0,25$mm auf, die Hüllfläche hat eine Höhe $1,1\pm0,25$mm.

Die Normen DIN EN 60809 und 60810 befassen sich mit Glühlampen für Straßenfahrzeuge und sind auch für Fahrräder zuständig. Die aktuelle DIN EN 60810 legt für Fahrradglühlampen keine Lebensdauer fest. Ebenso sind in den TA's keine Anforderungen bekannt, außer der 50h B3-Anforderung in der TA4 Abs. 13 für nicht bauartgenehmigte Lichtquellen (vgl. S. ). Die Angaben in der DIN 60810 lassen den Schluß zu, daß die Lebensdauer $T\approx2\ldots3\cdot$B3 beträgt.

Womit wir wieder bei der Hydra wären, die jetzt den Kopf Weibull hervorbringt. Zur Weibullverteilung, einer statistischen Methode die u.a. zur Lebensdauerabschätzung herangezogen wird, gibt es u.a. die VDI-Richtlinie 4009 Blatt 5.

Die relativ neuen Normen [DIN 49848-3] bis [DIN 49848-5] geben inzwischen Lebensdauern an. Die Werte sind in der Tabelle 3.4 aufgeführt.

Die Norm DIN 49848-5 gibt die Lebensdauern für freibrennenden, ruhenden Betrieb an Gleichspannung an. Nach DIN 49848-4 sind zur Vermeidung von Frühausfällen bei HS4 Lampen Effektivspannungen > 16V zu vermeiden.

Die Spannung wirkt sich nicht nur in elektrischen Kennwerten aus. Auch die optische Leistung und die Lebensdauer sind von der Spannung abhängig.

Die Lichtausbeute steigt mit steigender Spannung. Bei gleicher Lebensdauer steigt die Lichtausbeute mit steigender Nennleistung. Die Zusammenhänge ergeben sich mit dem Ohmschen ($R=U/I$), dem Stefan-Boltzmannschen ($P\sim T^4$) und dem Wiedemann-Franzschem ($R\sim T$) Gesetz.

$$\frac{P}{P_0}=\left(\frac{T}{T_0}\right)^4=\left(\frac{R}{R_... ...U_0}\right)^\frac{8}{5}=\left(\frac{I}{I_0}\right)^\frac{8}{3}$$ (3.30)

Daraus ergibt sich

$$\Phi=\Phi_{\mbox{\footnotesize Nenn}}\left(\frac{U}{U_{\mbox{\footnotesize Nenn}}}\right)^3$$ (3.31)

Der theoretisch begründete Exponent 3 scheint für Lampen mit höherer Betriebsspannung oder Leistung gute Näherungen zu liefern. Hier hat der Autor bei vier verschiedenen Lampen (s. S. ) die Beleuchtungsstärke im Abstand von 40cm gemessen. Mit einem Exponenten von 3,25 werden im Spannungsbereich 0,8 $\cdot U_{\mbox{\footnotesize Nenn}}$ bis 1,2 $\cdot U_{\mbox{\footnotesize Nenn}}$ gute Ergebnisse erzielt. Hierbei wird angenommen, daß die räumliche Verteilung der Abstrahlung von der Spannung unabhängig ist. Das Beleuchtungsmeßgerät ,,sieht`` die Breitseite des Glühfadens durch den radialen Kolbenaustritt. Lumitron gibt auf seinen W3-Seiten (http://www.) sogar einen Exponenten von 3,5 an. Henschel [He94] gibt aus älterer Literatur sogar 3,8, an.

Das Bild 3.3 zeigt die Abhängigkeit verschiedener Größen auf. Die Kurven sind normiert.

Bild 3.3: Normierte Abhängigkeit des Lichtstromes von der Betriebsspannung

Die Lebensdauerkennlinie OSRAM im Bild 3.3 ist [OsHal] entnommen. Laut [OsHal] funktioniert der Halogenprozeß unterhalb 95% der Nennspannung nicht mehr und eine Lebensdauerverlängerung tritt nicht ein.

Die Lebensdauer $L$ von Glühlampen sinkt mit steigender Spannung ungefähr mit folgender Gesetzmäßigkeit:

$$L=L_{\mbox{\footnotesize Nenn}} \left(\frac{U}{U_{\mbox{\footnotesize Nenn}}}\right)^{-k}$$ (3.32)

Für den Lebensdauerexponenten $k$ werden in der Literatur unterschiedliche Werte angegeben:

• $k=10-11$ bei OSRAM für Niedervolt-Halogenlampen

• $k=12$ bei Lumitron für Niedervolt-Glühlampen

• $k=13$ bei evakuierten Lampen (DIN EN 60064)

• $k=14$ für Allgebrauchslampen (ArN$_2$-Füllung, 220V) [He94] und DIN EN 60064

Ein $k$-Wert von 10-11 scheint realistischer als 14. Bei 7,2V dürfte eine typische Fahrrad-Halogenlampe ( $L_{\mbox{\footnotesize Nenn}}\approx 200$h) sonst nur noch ca. 15h halten. Die haben bisher aber alle Lampen im Fahrradeinsatz beim Autor locker überstanden und gerade mit dem SON überschreitet man die 6V schnell!

Glühlampen an Fahrrädern besitzen eine relativ kurze Lebensdauer. Durch Erschütterungen im Betrieb können sich einzelne Wendeln des weißglühenden Glühfadens kontaktieren und verschweißen. Dadurch wird dann jeweils eine Windung der ca. 22 Windungen kurzgeschlossen, dies führt zu Rückwirkungen auf den Dynamo und wirkt sich in der Lichtausbeute aus.^3.12 Der Prozeß geht schleichend und damit meist vom Benutzern unbemerkt, vonstatten!

Weitere Abhängigkeiten nach Katalogdaten von Gilway, OSRAM und Philips sind im Bild 3.4 gegenübergestellt. Da Strom, Lichtausbeute, Lebensdauer und die Farbtemperatur voneinander abhängen sind einfache Darstellungen schwierig. Im dreidimensionalen Raum mit Farbschattierungen sollte das klarer darstellbar sein, aber Papier kann dies leider noch nicht ausreichend. Zudem reißen vereinzelte extreme Lampen, z.B. mit langen Lebensdauern, die Skalierungen auseinander. Die Daten sind alle Nenndaten.

Bild 3.4: Farbtemperatur in Funktion der Lichtausbeute im Nennpunkt

Trends sind eindeutig feststellbar. Die Daten der einzelnen Hersteller weichen aber zu stark voneinander ab, als daß daraus präzisere Aussagen getätigt werden könnten.

Einige Praxisdaten von meist nagelneuen 12V-Lampen zeigt Bild 3.5. Dazu werden je 6 nagelneue Lampen (Aldi Jan. 2003) 'a 10, 20, 35 und 50W, je eine, jeweils eine Stunde gealterte Philips Halotone 'a 5, 10 und 35W sowie eine neuwertige Sylvania 50W-Lampe getestet. Die nominale Lebensdauer der Kress beträgt 3000h, die der Philips 5W 2000h, der 10 und 35W 3000h. Die Halontones sind noch mit einem UV-Filter ausgestattet.

Bild 3.5: Lichtausbeute einiger 12V-Stiftsockellampen

Wer den Gedanken verfolgt, normale 12V-Lampen für die Fahrradbeleuchtung zu nehmen, um mehr Licht zu haben wird maximal eine höhere Lebensdauer ernten. Die Lichtausbeute ist, bei vergleichbaren Leistungen, deutlich geringer als bei den normalen Fahrradlampen (vgl. Bild G.1).

Zusatz November 2003: Inzwischen sind von OSRAM und Philips sogenannte Longlife-Lampen in der 12V/5W-Größe auf dem Markt. Hier folgen Erkenntnisse mit Philips (in den hiesigen Baumärkten etc. Platzhirsch). Statt 2000h und UV-Filter (3222 617 60262) werden nun 4000h (322 626 98122) angepriesen. Die Lichtausbeute bei 12V liegt bei ca. 13,5lm/W bei den drei getesteten 2000h-Typen und bei 14,1lm/W bei den zwei getesteten 4000h-Typen. Allerdings werden die 4000h-Typen auch bei ca. 5,12W, die 2000h bei 4,9W betrieben. Der Vergleich der Makroaufnahmen ergibt bei den 4000h-Typen eine längere aber dünnere Glühwendel. Wicklungsabstand und Drahtdurchmesser sind, wenn überhaupt, nicht auffällig unterschiedlich. Die Glühwendel der 4000h-Typen ist weiter in axialer Richtung durchgebogen als die der 2000h-Typen. Absolute Maße gibt es derzeit mangels Meßmikroskop nicht.