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4. Glüh- und HalogenlampenInhalt
4 1 Historisches4.1 Historisches4.2 Physikalische Grundlagen4.3 Konstruktion3 o s u o4.4 Lebensdauer4.5 Halogenglühlampen4.6 Interferenzfilter4.7 Halogenlampentypen4 8 Neue Entwicklungen4.8 Neue Entwicklungen
Kapitel Glüh- und HalogenlampenFolie 1
Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel
4.1 Historisches1820 Arthur de la Rive beobachtet einen glühenden Pt-Draht im Vakuum1840 Joseph Wilson Swan experimentiert mit verkohlten Papierfäden1854 Heinrich Goebel konstruiert die erste Glühlampe mit einer Bambusfaser, die zu
einer Kohlefadenlampe führteiner Kohlefadenlampe führtProblem: Noch nicht gut genug evakuiert C + O2 CO2
1868 erste Fabrikation von Glühlampen durch Swan (geringe Lebensdauer)1879 Patent von Thomas Alva Edison
Edison verhilft Glühlampe zum Durchbruch durch bessere EvakuierungEdison verhilft Glühlampe zum Durchbruch durch bessere Evakuierungdes Lampenkolbens höhere Lebensdauer
1881 Vorführung 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 Abschwärzung
1900 Max Planck: Theoretischen Grundlagen (Planck´sches Strahlungsgesetz)1902 Osmiumwendel (Auer und Welsbach)1902 Osmiumwendel (Auer und Welsbach)1911 Ar/N2 Füllung1912 Wolframwendel1936 Erste Doppelwendellampe1958 Erster Einsatz von Xenon als Füllgas1958 Erster Einsatz von Xenon als Füllgas1960 Halogenkreisprozess (Zubler und Mosby, GE)1971 erste H4 Autolampe (heute auch H7)1973 erste Halogenlampe mit Interferenzfilter
V()=AugenempfindlichkeitskurveSpektrum einer Glühwendel bei ca.
T = 2700 K (Temperaturstrahler)
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Wellenlänge in nmnm nmWellenlänge [nm]380 780
4.2 Physikalische GrundlagenU S h kö hl h di Li h i i i h i hUnter Schwarzkörperstrahlung versteht man die Lichtemission im thermischenGleichgewicht (thermische Strahlung)
S kt i h St hlPlanck‘sches Strahlungsgesetz (1900)
3x103
4x103
3000K
Spektrum eines schwarzen Strahlers
11
λcL T/c5
1e 2
c1 = 2hc2 = 3.741832.10-16 Wm2
c2 = hc/k = 1.438786.10-2 Km 2x103
2x103
3x103
2500K
Wm
-2nm
-1]1eλ T/c5 2
c2 hc/k 1.438786 10 Km = Wellenlänge [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 Glühl 2700 K
Wien’sches Verschiebungsgesetz
K]μm2880Tλmax [
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Glühlampe 2700 K
4.2 Physikalische GrundlagenGlüh-/Halogenlampen sind räumlich und zeitlich inkohärente Strahlungsquellen
Inkohärenz zeitliche Kohärenz zeitliche und räumliche KohärenzInkohärenz zeitliche Kohärenz zeitliche und räumliche Kohärenz
Durch Farbfilter und Loch-blende wird eine klein-flächige, zeitlich und
Ein Farbfilter lässt nurLicht einer Wellenlängepassieren: Die Strahlung
Eine Glühlampe strahltinkohärent: Die Wellenlängender einzelnen Wellenzüge sind g ,
räumlich kohärente Licht-quelle sehr geringer Intensität geschaffen
p gist zeitlich kohärent(monochromatisch)
gverschieden bzw. zwischen den einzelnen Punkten derstrahlenden Fläche gibt es
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keine feste Phasenbeziehung
4.3 KonstruktionWendel wird doppelt gewickeltWolfram-WendelFüllgas
Pressen + Sintern zu W StäbenKapitel Glüh- und HalogenlampenFolie 8
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-W-Metallpulver Pressen + Sintern zu W-Stäben
4.4 LebensdauerAbschwärzung von Glühlampen
von der Wendel verdampftes Wolfram kondensiert auf derpInnenseite des Glaskolbens
WasserT OsWasserT OsReTaW
Wolfram hat von allen Metallen den niedrigsten Dampfdruck und den höchstenSchmelzpunkt aller Metalle (Tm = 3410 °C) Graphite schmilzt bei 3550 °C!
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Schmelzpunkt aller Metalle (Tm 3410 C), Graphite schmilzt bei 3550 C!
4.4 LebensdauerJe heißer die Wendel ist, desto effizienter ist eine Glühlampe, aber um so stärker ist auch die Abschwärzung
Die Betriebsbedingungen einer Glühlampe stellen einen Kompromiss zwischen der Energieeffizienz und der Lebensdauer tEnergieeffizienz und der Lebensdauer t dar.
Typische Werte für den Betrieb bei der in K
Typische Werte für den Betrieb bei derNennspannung: = 13 lm/W und t = 1000 h
H t t“ M h i„Hot spot“-MechanismusW-Draht wird dünner Widerstand steigt
W
lokale Leistung und Temperatur steigt Dampfdruck steigt Durchbrennen am „Hot spot“
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4.5 HalogenglühlampenDas Funktionsprinzip
Bei der Halogen-Glühlampe wird das Wolfram Wg pvom Glaskolben durch chemischen Transport wieder auf die Wendel zurücktransportiert Glaskolben bleibt klar Glaskolben bleibt klar
Gasfüllung = Inertgas + O2 + X2 (X = Br, I)
= Löslichkeitskurve= p + p + p += pW+ pWO+ pWBr+ .....
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4.5 HalogenglühlampenChemischer Transport in Halogenglühlampen
Die Lage des chemischen Gleichgewichts ΔSΔH 00g gist temperaturabhängig: W + O2 + X2 ⇌WO2X2 van‘t Hoff
RΔS
TRΔHlnK
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)
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1/T21/T1
4.5 Halogen Incandescent LampGrenzen des W-Recyclings
• Obwohl der W–Rücktransport efffizient ist, no curinp• Gasförmiges W kondensiert am “cold spot”, d.h. an der dicksten Stelle derWolframwendel, da dort der elektrische Widerstand am geringsten ist
W + ½ O2 ⇌ WO
WO + ½ O ⇌WOWO + ½ O2 ⇌WO2
WO2 + ½ O2 ⇌WO3 Wolframkristalle
2 W(s) + 3 O2(g) ⇌ 2 WO3(s) ΔH = -764 kJ/mol
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4.5 HalogenglühlampenUV-Strahlung Problematik
Durch die höhere Wendeltemperatur emittieren Halogenglühlampen auch etwasDurch die höhere Wendeltemperatur emittieren Halogenglühlampen auch etwasUV-A und UV-B Strahlung, da der Quarzkolben für 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
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Wavelength [nm]Wavelength nm
4.5 HalogenglühlampenVorteile gegenüber Glühlampen
Bei der Halogen-Glühlampe bleibt die Wand durch den chemischen Transport klarg p p Reduktion der Kolbengröße Erhöhung des Inertgasdruckes Geringere Abdampfungsrate von Wolfram gibt eine höhere Lebensdauer, welche Geringere Abdampfungsrate von Wolfram gibt eine höhere Lebensdauer, welchezum Teil in höhere Effizienz umgesetzt wird (höhere Wendeltemperatur)
4.6 InterferenzfilterDa Glühlampen und Halogenglühlampen im wesentlichen IR-Strahlung emittieren, können noch höhere Effizienzen durch IR-Filter erreicht werden.
Prinzip am Beispiel der Halogenlampe
sichtbares Licht wird durchgelassen= 20 lm/W 40 lm/W
selektiver Spiegel
IR Licht wird auf Wendel zurückreflektiert
p g
exio
n
Interferenzfilter
Ref
le Interferenzfilter
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UV 380 Vis. 780 IR [nm]
4.6 InterferenzfilterInterferenzfilter bestehen aus einer Abfolge von niedrig- und hochbrechenden anorganischen Schichten
m. konstruktive Interferenzm konstruktive Interferenzhohe Reflexion
Weiterentwicklung von Glüh- und HalogenglühlampenWolfram-Wendel mit photonischer Bandstruktur durch 3D-StrukturierungZiel: Reduktion der IR Emission und damit ErhöhungZiel: Reduktion der IR-Emission und damit Erhöhung der Lichteffizienz
Dotierung des Lampenglases, z.B. mit Nd2O3 (GE Lighting: Reveal®)o e u g des pe g ses, . . Nd2O3 (G g g: eve )Ziel: Erhöhung der Farbtemperatur ohne Verlust der Farbwiedergabe
Verbesserung des Rot/Grün-Kontrasts
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4.8 Neue EntwicklungenWiederauferstehung der Glühlampe
2010: Verkauf der Glühlampe als Kleinheizkraftwerk (Heatball) als Reaktion auf2010: Verkauf der Glühlampe als Kleinheizkraftwerk (Heatball) als Reaktion auf das Glühlampenverbot der EU