Auswirkung der Abstrahlung Glühlampen auf den Scheinwerfer

Die oben bestimmten Meßwerte wirken sich auf die Konstruktion der Scheinwerfer aus. Einige charakteristische Scheinwerfer werden vermessen um einen Anhalt über deren Nähe zum Optimum zu erhalten. Dazu werden einige geometrische Daten benötigt: Radius am Lichtaustritt $(r_{\mbox{\footnotesize V}})$, Radius hinten $(r_{\mbox{\footnotesize H}})$, Rücklage des Brennpunktes gegenüber dem Öffnungsquerschnitt $(a)$ und die Tiefe ($a+c$) (vgl. Bild 3.138). Als Motorradscheinwerfer ist ein Siem 2376 (Vespa?) beispielhaft angeführt.^3.218

Tabelle 3.47: Geometrische Randdaten charakteristischer Reflektoren [mm]

Scheinwerfer	r_V	r_H	a+c	a	d
Elio Nova	33,5	5	24	19,65	19,5...20
S'Light FL	34,5	5,5	29,5	23	26,5
Lumotec	18,75	5,1	16,2	12,15	10
Micro FF	18	4,7		6,15...16,05
Union Ellipsoid	25,25	5,1	25	21,55	15
Union U70	32,25	8,25	21,7	10,2	-
Union U100	43,2	12,5	27	14	-
Siem K11110	51,3	18,5	31,5	16,2	-
inoled 10+	31,6	0	33	25,6	-

Ergänzend dazu wird exemplarisch von einigen Scheinwerfern die Erfassungswinkel des Reflektors aufgeführt (vgl. Tabelle 3.48). Als Vergleich der Bereich, in dem nach DIN 49848-3 der Kolben von HS3 (Form E) und HS4 (Form F und G) ,,...keine sichtbare Verzerrung hervorrufen. In diesem Bereich darf die Krümmung des Kolbens keinen kleineren Abrundungsradius als 50% des aktuellen Kolbendurchmessers haben.`` Der Kolbendurchmesser beträgt max. 9,3mm. Mit anderen Worten, daß ist der Bereich, in dem der Kolben zylinderförmig ist und die Glühlampe gleichmäßig abstrahlen sollte. Für einige Scheinwerfer wird die Brennweite $F$ mit unterschiedlichen Methoden ermittelt.

1. Nach dem Vermessen des Reflektorquerschnittes kann die Gleichung eines Parabolspiegels

   
   

   $$y=\frac{1}{4 F}x^2 \index{Parabolreflektor}$$ (3.102)

   
   

   verwendet und ein Ausgleichproblem gelöst werden.

2. Schneller und fehlerbehafteter geht es nach dem Ausmessen des Radius der Öffnung $r_{\mbox{\footnotesize V}}$ des Reflektors und der Rücklage des Glühfadens gegenüber der Frontebene des Reflektors $a$ über Gleichung 3.104:

   
   

   $$F_{0,1}=-\frac{a}{2}\pm\sqrt{\frac{a^2}{4}+\frac{r_{\mbox{\footnotesize V}}^2}{4}}$$ (3.103)

   
   

   Dazu müssen die Reflektoren nicht zerschnitten werden. Lediglich die Frontscheibe muß vom Reflektor abgenommen werden, da sonst keine sinnvollen Informationen über die Tiefe gewonnen werden können. Daten dazu siehe Tabelle 3.47.

3. Die jeweils zweiten Winkelwerte in der Tabelle 3.48 sind zeichnerisch aus durchgesägten Reflektoren ermittelt (vgl. Bild 3.139).

Einige Scheinwerfer verfügen über eine baulich von der Fresnel-Linse getrennte Linse (z.B. Nova, alter Lumotec). Bei anderen ist die Linse in der Mitte der Fresnel-Linse integriert und deutlich von der restlichen Fläche abweichend gestaltet.

Für einige Scheinwerfer sind zwei Angaben je Winkel vorhanden. Der erste Winkel ist anhand der Methode 2, der zweite anhand 3 bestimmt. Die Ergebnisse der beiden Methoden stimmen hinreichend gut überein.

Ergänzend sind Meßwerte des Anteils ($\kappa$) der Beleuchtungsstärke in HV durch die zentrale Linse in Relation zur gesamten Beleuchtungsstärke angegeben. Hierfür wird der innere bzw. der äußere Bereich mit schwarzer Pappe abgeschattet.

Tabelle 3.48: Erfassungswinkel von Reflektoren

Scheinwerfer	F	Winkel	Reflektor				Linse
			von		bis		von	bis		d	_HS3	_HS4
	[mm]		[$^{\circ} \:$]		[$^{\circ} \:$]		[$^{\circ} \:$]	[$^{\circ} \:$]		[mm]	[%]	[%]
DIN 49848-3 E	-		65		120
DIN 49848-3 F/G	-		50		125
wünschenswert	6,6		45		139
Elio Nova	9,6		58,5	59,6	130,8	125,3	12,3	47,3	45,8	20
S'Light FL	9,2		56,3	57,1	126	128,7			39,1	26,5	25	18
bumm Lumotec	5,1		57,6	57,3	128,5	128,3	5,1	24,2	24,4	10
Hella Micro-FF	3,7		+46,6		131,4		-	-	-	-	-	-
	4,6		-66,3		131,4		-	-	-	-	-	-
	4,4		60,1		131,4		-	-	-	-	-	-
Union Ellipsoid	5,7		49,2		121,2		-41,3	30,9	-	15	0,3
Union U70	11,1		72,4		144,4		-	-	-	-	-	-
Union U100	14,8		72		136,1		-	-	-	-	-	-
Siem K11110	18,9		72,5		130		-	-	-	-	-	-
inoled 10+	7,4		51		180		-	-	-	-	-	-
IQfly	9,8			s. S.			-	-	-	-	-	-

Bei den (nahezu)^3.219 rotationssymmetrischen Reflektoren reicht $\alpha$ aus. Beim Hella FF reicht ein Winkel alleine nicht aus. Fast alle Reflektoren sammeln das Licht in einem größeren Raumwinkel als die DIN 49848-3 über die Winkelangaben vorsieht. Ein sehr großes Verbesserungspotential ist nicht mehr gegeben, aber ein paar Prozent sollten noch drin sein. Auch werden die Scheinwerfer kontinuierlich weiterentwickelt. Hier wird ein alter Lumotec mit Linse (Durchmesser $d$ letzte Spalte in Tabelle 3.48) ähnlich Elio Nova vermessen, Inzwischen ist mindestens eine dritte Überarbeitung vom Lumotec auf dem Markt, die die Linse direkt in die Fresnel-Linse integriert hat.

Der Siem ist normalerweise mit einer Ba20D (2-Faden Bilux-Lampe) ausgerüstet. Zur Brennpunktermittlung wird eine LED, seitlich strahlend, solange verschoben, bis die max. Beleuchtungsstärke (ohne Streuscheibe) erreicht wird. Mit einem Zentriermikroskop lassen sich dann die Geometrieunterschiede bestimmen:

Fernfaden:

halbkreisförmig transversal ausgerichtet bei $x=-2,3\ldots 0,7$mm ($x=0=$Brennpunkt, $x$ positiv nach vorne)

Abblendfaden:

axial ausgerichtet bei $x=2,8\ldots 8,05$mm.

Die Linsen sammeln den Lichtstrom im vorderen Bereich. Werden sie zu groß, so schatten sie aber den Lichtstrom des Reflektors ab bzw. lenken ihn um. Die Linse des Nova dürfte zu groß, die des Lumotec zu klein sein. Es scheint so, daß beim Lumotec die Linse im Zuge des Kostendruckes wegrationalisiert wurde. Diese Linsen sind Einzelteile, die mit der Frontscheibe zusammengeschweißt werden müssen. Idealerweise soll die stielartige Verbindung klar sein und optisch keinen Einfluß haben, auch wenn der Lichtstrom in den vorderen 10...20$^{\circ} \:$ vernachlässigbar ist (vgl. Bild 3.135 und Kästchenzählen zwischen $\cos(20^{\circ})=0,93$ und 1).

Für die folgenden Berechnungen wird die Reflektorgeometrie vereinfacht aufgefaßt (vgl. Bild 3.138).

Bild 3.138: Bestimmende Geometriedefinitionen am Reflektor

Bei Vernachlässigung der Fläche, die die Lampe einnimmt, läßt sich der optimale Reflektorradius $r_{\mbox{\footnotesize V opt.}}$ aus der Geometrie als

$$r_{\mbox{\footnotesize V opt.}}^2-\frac{4F}{\tan\alpha_{\mbox{\footnotesize V opt.}}}r_{\mbox{\footnotesize V opt.}}-4F^2 = 0$$ (3.104)

$$r_{\mbox{\footnotesize opt 0,1}} = \frac{2F}{\tan\alpha_{\mbox{\footnotesize V opt.}}}\pm\sqrt{\frac{4F^2}{\tan^2\alpha_{\mbox{\footnotesize V opt.}}}+F^2}$$ (3.105)

mit dem gewünschten Winkel $\alpha_{\mbox{\footnotesize V opt.}}$ (entspräche ,,$\alpha$ von`` in der Tabelle 3.48) und der Brennweite $F$ berechnen. Praktisch relavant ist nur der Fall $r_{\mbox{\footnotesize V opt.}}=\dots + \sqrt{\ldots}$. Das Lösungsfeld ist relativ unübersichtlich (vgl. Bild 3.140).

Man kann auch direkt die optimale Brennweite ausrechnen:

$$F_{\mbox{\footnotesize opt 0,1}} = \frac{r_{\mbox{\footnotesize H opt.}}}{2 \tan \alpha_{\mbox{\foot... ...esize H opt.}}}{2}\sqrt{\frac{1}{\tan^2\alpha_{\mbox{\footnotesize H opt.}}}+1}$$ (3.106)

Bei dem Kolbendurchmesser von HS3-Lampen ergibt sich ein $r_{\mbox{\footnotesize H opt.}}=5$mm. Daraus und mit einem $\alpha_{\mbox{\footnotesize H opt.}}\approx139\,^{\circ}$ ergibt sich eine optimale Brennweite von ca. 6,6mm. Dummerweise liegt der Glühfaden bei HS3-Lampen 6,35mm vor der Referenzebene des Sockels. Als Folge kollidieren Reflektor und Lampenhalter. Entweder man verkürzt die Brennweite und hat eine einfache Reflektorgeometrie oder man verlängert die Brennweite und erhält ähnliche ,,Zentralberge`` wie der Nova und der FL sie aufweisen (vgl. Bild 3.139).

Bild 3.139: Gegenüberstellung von Reflektorgeometrien (von Links: Nova, FL, Lumotec älterer Bauart)

Eine deutliche Verbesserung wäre eine andere Lampengeometrie. Dieser Lösungsweg wird aber durch Zulassungs- und Herstellungsprobleme^3.220 und -kosten etc. bis auf weiteres ein nicht zu überwindendes Hindernis bleiben.

Bild 3.140: Optimaler Reflektorradius in Abhängigkeit von Sammelwinkel und Brennweite

Je größer der Sammelwinkel, desto größer der Reflektor. Je größer die Brennweite, desto größer der Reflektor.^3.221 Aber: Je kleiner die Brennweite, desto stärker ist die Abschattung des Reflektors durch die Glühlampe. Und je kleiner die Brennweite, desto größer wirken sich Toleranzen in der Fadenlage aus.^3.222 Die Toleranzen ergeben sich aus der Fassung mit einem Sockeldurchmesser von 13,39...13,54mm für PX13,5s-Sockel (DIN EN 60061-1:1993 Bl. 7004-35), den unbekannten Toleranzen in der Leuchte und der Box, innerhalb der der Glühfaden liegen muß: Seitliche Kantenlängen in der $\alpha$-Ebene 1,1mm, in der $\beta$-Ebene 2,1mm und Abstand von der Referenzebene (Kragen der Fassung) $6,35\pm(\frac{d}{2}+0,25)$mm.^3.223

Der minimale Lochdurchmesser im Reflektor ergibt sich aus dem maximalen Kolbendurchmesser von 10mm. Der minimale Abstand Frontscheibe-Focus beträgt ca. 10,75mm.

Nach Bild 3.135 sind einige Schlußfolgerungen zulässig:

• Inwieweit die Lichtmengen (die Flächen bei $\cos$(Winkel)=-0,6) nach hinten noch ausgenutzt werden können ist fraglich. Dort bestehen starke Einschränkungen aufgrund der Reflektorgeometrie und Lampenhalterung.

• Eher schmerzen die Lichtmengen (die Flächen bei ca. $\cos$(Winkel)=0,6 machen ca. 10% der Gesamtfläche bzw. des Gesamtlichtstromes aus), die vorne gerade nicht mehr vom Reflektor erfasst werden und von der Fresnel-Linse nicht nach vorne gebrochen werden. Dies ist aber nur durch einen noch größeren Reflektor möglich. Hier greifen aber Design- bzw. Akzeptanzprobleme. In einer Zeit, wo Scheinwerfer wie der Hella FF, Lumotec Oval etc. gewünscht sind ist form follows function nur an einen kleinen Kundenkreis verkaufbar. Außerdem erfordern große Reflektoren große Werkzeuge, viel Werkstoff...

• Der Lichtpunkt (vgl. Bild 3.133 und 3.134) direkt nach vorne ist, nach dem Lichtstrom bewertet, vernachlässigbar. Zusätzlich wird die Fertigungstoleranz der Pumpspitze kaum reproduzierbare Ergebnisse liefern.