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aus Heft 11 / Okt. - Berlin 1937 von Dipl.-Ing. O. Höpcke, Berlin
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Sollen Glühlampen in optischen Geräten verwendet werden, so werden im allgemeinen an sie ganz besondere Anforderungen gestellt. Wie häufig wird der Wunsch geäußert, einen möglichst punktförmigen Leuchtkörper mit sehr hoher Leuchtdichte zu erhalten!

Diese Forderung in ihrer krassen Form kann jedoch naturgemäß mit Glühlampen nicht erfüllt werden. Die Gründe sollen im folgenden erläutert werden. Selbstverständlich können dabei nur einzelne Beispiele herausgegriffen werden, um zu zeigen, wie weit die durch die Optik bedingten Eigenschaften der Lampen erreicht werden können.

Die Anforderungen an Glühlampen für optische Zwecke können kurz zusammengefaßt werden:

1. große mittlere Leuchtdichte,
2. kleine Leuchtkörperabmessungen,
3. geringer Abstand des Leuchtkörpers von der Kolbenwand,
4. kleine Abmessungen der Lampe,
5. enge Fertigungsgrenzen.

Welche Möglichkeiten stehen nun zur Verfügung, um vielen dieser Bedingungen gerecht zu werden? Bei dieser Frage muß man sich vor Augen halten, daß die Herstellung der Glühlampen an bestimmte physikalische Gesetze gebunden ist, mit denen immer gerechnet werden muß.

Wird ein Draht von einem elektrischen Strom durchflossen, so erhitzt er sich und gibt Energie ab. Je stärker er erhitzt wird, desto mehr Energie strahlt er ab, desto stärker tritt aber auch die Verdampfung in Erscheinung, die ihrerseits die Lebensdauer der Lampen begrenzt.

Die Lichtausbeute einer Lampe ist das Verhältnis der vom Auge als Licht bewerteten Energie, des Lichtstromes, zur hineingesteckten elektrischen Leistung.

Das Verhältnis Lichtstrom in Lumen zur Leistungsaufnahme in Watt ist die Lichtausbeute, mit anderen Worten die Belastung der Lampe. Je stärker die Belastung, desto kürzer die Lebensdauer.
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Wie weit die Forderungen nach hoher Lichtausbeute gehen, mag das Beispiel einer 110-Volt - 750-Watt- Lampe erhellen.

Eine Lampe für normale Anwendungszwecke hat bei einer Lebensdauer von 1000 Stunden Abmessungen von 150mm Durchmesser und 300mm Länge und gibt dabei einen Lichtstrom von 16.500 "Hefnerlumen" ab.

Eine Lampe gleicher Leistungsaufnahme für Schmalfilmprojektoren dagegen hat nur 38mm Durchmesser und 145mm Länge und erzeugt einen Lichtstrom von 23.200 Hefnerlumen bei einer mittleren Lebensdauer von 25 Stunden.

Aus diesem Beispiel ist zu ersehen, um wieviel größer die Anforderungen an Lampen für optische Zwecke sind als an Lampen für allgemeine Beleuchtungsanlagen.

Während Beleuchtungsaufgaben ohne Verwendung von Optiken in den meisten Fällen dadurch gelöst werden können, daß zur Erhöhung der Beleuchtungsgüte entweder die Lampenanzahl vergrößert und ihre Verteilung richtig gewählt wird, kann eine Erhöhung des Nutzlichtstromes in einer gegebenen Optik nur durch Verbesserung der einen, hier verwendeten Lampe erzielt werden.

Durch die Optik selbst ist aber der Größe der Lampen eine Grenze gesetzt. Wenn diese erreicht ist, kann zur Verbesserung der Lichtwirkung nur die Vergrößerung der mittleren Leuchtdichte als wirksamstes Mittel in Frage kommen. Welche Möglichkeiten stehen hierfür zur Verfügung?
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Um hohe mittlere Leuchtdichten zu erhalten, ist es notwendig, den Leuchtkörper so zu gestalten, daß im auszunutzenden Raumwinkel eine hohe Lichtstärke erzielt wird bei möglichst geringen Leuchtkörperabmessungen.

Diese Forderung führte zur Anordnung der Leuchtkörper in einer Fläche, die für fast alle Kino- und Schmalfilmlampen Anwendung findet. Der für eine bestimmte Spannung und Leistungsaufnahme benötigte Draht wird gewendelt und in verschiedene Abschnitte unterteilt, die nebeneinander in einer Fläche angeordnet werden. Auf diese Weise sind zwei Hauptausstrahlungsrichtungen des Lichtstromes senkrecht zur Fläche festgelegt.

Muß infolge der hohen Spannung ein langer Draht gewählt werden, so besteht natürlich die Möglichkeit, die einzelnen Wendelschenkel als Doppelwendel auszubilden, wodurch die Fläche des Leuchtkörpers kleiner wird.

Diese Art wendet man z. B. bei Mittelvolt- und Hochvolt-Schmalfilmlampen an. Eine andere Möglichkeit, den Leuchtkörper zusammenzudrängen, besteht in der zweiebenigen Anordnung des Leuchtkörpers.

Die Wendelschenkel der zweiten Ebene werden in einem kleinen Abstand auf Lücke hinter denen der ersten Ebene gesetzt. Auf diese Weise wird eine sehr gleichmäßig leuchtende Fläche hoher mittlerer Leuchtdichte erzielt. Diese Anordnung läßt sich vorteilhaft nur für kleinere Spannungen bis 130 Volt ausführen.
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Die mittlere Leuchtdichte wächst in dem gleichen Verhältnis wie die Lichtausbeute der Lampe. Wie schon erwähnt, ist die Lichtausbeute eine Frage der Lebensdauer.

Je stärker eine Lampe belastet wird, desto kürzer wird ihre Lebensdauer. Dabei kann berücksichtigt werden, daß ein dickerer Draht verhältnismäßig schärfer belastet werden kann bei gleicher Lebensdauer als ein dünnerer Draht.

Daraus ergibt sich, daß Lampen höherer Leistungsaufnahme eine höhere Lichtausbeute haben können. Die gleichen Vorteile können bei gleichbleibender Leistungsaufnahme auch ausgenutzt werden, wenn die Herstellungs- (besser geagt die Betriebs-) Spannung der Lampen niedrig gewählt wird. Ein interessantes Beispiel geben die Kinolampen für 110 Volt und 250 Watt, deren Kennlinien auf Bild 1 dargestellt sind.

Wird die Lichtausbeute einer Lampe für 50 Volt gleich 100 gesetzt, so fällt die Lichtausbeute bei Vergrößerung der Betriebsspannung auf 220 Volt auf etwa 78% ab. Bei Verkleinerung der Betriebsspannung macht sich zunächst noch ein starkes Ansteigen bemerkbar.

Hierbei wird aber bei ganz niedrigen Spannungen ein günstigster Wert erreicht, der je nach Lampenart verschieden sein kann. Bei noch kleineren Spannungen werden die Abkühlungsverluste durch die dicken Zuführungen in der Lampe zu groß, wodurch die Lichtausbeute wieder verschlechtert wird.
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Die Leuchtkörpergröße ist ebenfalls abhängig von der Betriebsspannung der Lampen. Dem Glühlampenhersteller sind in dieser Beziehung Grenzen auferlegt. Die einzelnen Leuchtkörperteile dürfen in einem gasgefüllten Raum bei einer bestimmten Spannung nicht zu nahe aneinander gebracht werden, da sonst eine Ionisation der Gasstrecke eintritt, die zu einer Bogenentladung und damit zu einer schnellen Zerstörung der Lampe führen kann.

Je kleiner nun die Betriebsspannung ist, desto kleiner wird die Leuchtkörperfläche, da einmal der Leuchtdraht verhältnismäßig kurz wird und der Leuchtkörper entsprechend der kleinen Spannung eng gebaut werden kann.

Bild 1 gibt die Verhältnisse wieder. Bei gleicher Form wird der Leuchtkörper der 220-Volt- Lampen z. B. etwa doppelt so groß wie der der 50-Volt- Lampen.

Die Beziehungen zwischen Leuchtkörperfläche bzw. Lichtausbeute und Betriebsspannung wirken sich also in günstiger Weise auf die Erhöhung der mittleren Leuchtdichte aus. Der Anstieg der Leuchtdichte ist demnach entsprechend steil.

Auch hier ist ein Bestwert bei kleinen Spannungen vorhanden, der aber in dem Bild 1 nicht eingezeichnet ist. In der Tafel 1 sind einige Werte für die meist gebräuchlichen Kino- und Schmalfilmlampen angegeben.

Tafel 1 belegt die Beziehungen, die in dem Bild 1 dargestellt sind. Die mittlere Leuchtdichte der Niedervoltlampen ist gegenüber den Hochvoltlampen um ein Beträchtliches höher. Die angegebenen Leuchtdichtewerte können natürlich nur ungefähre Mittelwerte darstellen, da der Wert der Leuchtdichte in sehr starkem Maße von den Fertigungsgrenzen, die bei der Herstellung der Lampen notwendig sind, abhängig ist.

Drei Größen beeinflussen die mittlere Leuchtdichte:

1. Fertigungsgrenzen in der Leistungsaufnahme,
2. Fertigungsgrenzen in der Lichtausbeute,
3. Fertigungsgrenzen in der Leuchtkörpergröße.

Kommen alle ungünstigen Abweichungen von dem Herstellungsmittel bei einer Lampe zusammen, dann können die Leuchtdichtewerte stark von den in der Tafel angegebenen ungefähren Mittelwerten abweichen. Die größte mittlere Leuchtdichte erhält man naturgemäß bei Lampen für die kürzere Lebensdauer, bei denen der Leuchtkörper in zwei Ebenen angeordnet ist.
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Ein Hilfsmittel zur Erhöhung der wirksamen Leuchtdichte stellt der Hilfsspiegel dar. Hierfür werden Kugelspiegel verwendet, die das Bild der "Wendelschenkel" auf "Lücke" werfen.

Das Spiegelbild muß sorgfältig eingestellt werden, um möglichst viel Lichtstrom auszunutzen und zweitens, um eine ungleichmäßige Aufheizung und damit eine stärkere Beanspruchung des Leuchtkörpers zu vermeiden.

Auch darf das Spiegelbild nicht auf Glasteile, sei es Lampenfuß oder Glasbalken in der Lampe oder Kolben geworfen werden, damit diese Teile nicht übermäßig stark erhitzt werden.

Bei einigen Lampen ist der Hilfsspiegel eingebaut worden, und zwar bei der Lampe 15V/600W und 15V/900 W. Die Leuchtdichte der Lampe 15V/900W beträgt etwa 4000 sb.
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Wegen der knappen Abmessungen sind beim Betrieb der Lampen für optische Geräte gewisse Brennstellungen einzuhalten, die außer von der Art des Innenaufbaues im wesentlichen von der Kolbenform bestimmt werden.

Kinolampen und Schmalfilmlampen sind nur für stehende Brennlage geeignet mit einer Abweichung von ±15°. Einige Kinolampen z. B. für 500, 600 und 900W bilden eine Ausnahme und sind für Neigungen bis zu 30° zugelassen.

In Geräten mit besonders gut gelüfteten Lampenhäusern werden die Kinolampen 500W auch in größerer Neigung (45°) gebrannt, ohne daß sich Anstände zeigten.

Die kleinen Außenabmessungen der Lampen, insbesondere der Schmalfilmlampen ab 300W machen vielfach auch eine verstärkte Lüftung notwendig. Bei der Lüftung bzw. Kühlung der Lampe kommt es darauf an, daß möglichst die heißeste Stelle des Kolbens am besten gekühlt wird.
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Für die Form des Kolbens ist ferner die im Laufe der Brennzeit eintretende Schwärzung des Lampenkolbens mitbestimmend. Im allgemeinen haben Kino- und Schmalfilmlampen röhrenförmige Kolben, in denen die Gasfüllung überwiegend nach oben geleitet wird und auf diesem Weg die verdampften Leuchtkörperteile mitnimmt.

Die Schwärzung setzt sich dadurch in dem oberen Teil des Kolbens ab, so daß die Fläche des Kolbens, die für den Lichtaustritt maßgebend ist, davon weitgehend verschont bleibt.

In dem Kolben der Lampen höherer Leistungsaufnahme ist im allgemeinen eine kleine Menge scharfkörniges Wolframpulver eingeschlossen, mit dem die Schwärzung nach einer gewissen Brennzeit abgescheuert werden kann. Auf diese Weise bleiben die Lichtverluste trotz der kleinen Kolbenabmessungen verhältnismäßig niedrig.
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Im Zusammenhang mit der bei den kleinen Lampenabmessungen auftretenden Schwärzung steht auch die Überhitzung der Lampen. Bei ungenügender Lüftung kann der Fall eintreten, daß der Kolben sich ausbeult.

Die Aufheizung wird durch die Schwärzung noch verstärkt. Im allgemeinen setzt sich die Schwärzung oberhalb des Leuchtkörpers an einer Stelle des Kolbens an, die gleichzeitig durch die aufsteigende Wärme am stärksten erhitzt wird. Durch die fortschreitende Schwärzung wird immer mehr Wärme verschluckt, wodurch eine Erweichung des Glases herbeigeführt werden kann.

Eine zu starke Erwärmung des Sockels ist ebenfalls unzulässig, da sonst der Sockelkitt verbrennt und die Lampe sich aus dem Sockel löst. Bei sehr starken Überhitzungen kann sogar das Lot am Sockel schmelzen.
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Für den einwandfreien Betrieb der Lampen ist ferner zu berücksichtigen, daß Erschütterungen und Stöße oder leichte Schwingungen von der Lampe ferngehalten werden.

Da der Leuchtkörper der Lampe eine Temperatur von fast 3000° im Betrieb hat, ist unschwer einzusehen, daß bei dem geringen Abstand der einzelnen Wendelschenkel zueinander Erschütterungen und Stöße zur Zerstörung des Leuchtkörpers führen können.

Bei den Geräteherstellern ist daher besonderes Augenmerk auf die Fernhaltung der Motorschwingungen von der Lampe gerichtet worden. Auch in dieser Beziehung verhalten sich die Lampen hoher Stromstärke, also niedriger Spannungen, günstiger als die Lampen für 220 Volt.

Alle Vorteile der Lampen für kleinere Spannungen sprechen dafür, daß Lampen für die Netzspannung 220 Volt nur vereinzelt angewendet werden. Insbesondere dürften in diesem Fall nur Preisfragen ausschlaggebend sein.
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Da die Lampen wegen ihrer hohen Anforderungen für verhältnismäßig kurze Lebensdauern gebaut werden, ist es notwendig, daß die Lampen bei den auf dem Sockel bzw. auf dem Kolben angegebenen Werten gebrannt werden, sei es die Spannung, z. B. 110 Volt oder sei es die Stromstärke, z. B. 4 Amp.

Für die Nutzbrenndauer der Lampe ist es nämlich von Einfluß, ob sie an einer bestimmten Spannung brennt oder ob sie dauernd mit einem bestimmten Strom betrieben wird.

Vom Hersteller wird bei diesen Lampen ein Unterschied zwischen Strom- und Spannungslampen gemacht. Diese Unterscheidung ist dadurch zu erklären, daß von den Leuchtkörperbaustoffen im Laufe der Brennzeit ein Teil verdampft und der Leuchtkörperdraht dünner wird und einen größeren Widerstand erhält.

Bei gleichbleibender Spannung wird also im Laufe der Lebenszeit der Strom um ein Geringes kleiner, also die Beanspruchung der Lampe am Ende ihrer Lebenszeit wird nicht mehr so groß sein wie zu Anfang.

Wird aber eine Lampe mit gleichbleibendem Strom gebrannt, so wird naturgemäß im Laufe der Brennzeit ebenfalls der Widerstand und damit bei gleich bleibendem Strom die an der Lampe liegende Spannung größer, so daß am Ende der Lebenszeit die Beanspruchung der Lampe gewachsen ist.

Diesen beiden grundsätzlich verschiedenen Betriebsarten der Lampe ist bei der Herstellung Rechnung getragen. Es ist daher auch notwendig, daß der Verbraucher bei der Bestellung der Lampen hierauf ganz besonders achtet.

Bei Kinogeräten ist es üblich, den Betrieb der Lampe durch ein vorgeschaltetes Amperemeter zu überwachen. Die Lampen werden also bei gleichbleibendem Strom gebrannt.

Ähnliche Verhältnisse treten bei vorgeschaltetem festen Drahtwiderstand auf, der insbesondere für Lampen für niedrigere Betriebsspannungen verwendet wird. Auch in diesem Fall, wenn die Lampen also mit einem festen Vorwiderstand gebrannt werden, sind Stromlampen zu verwenden.

Bei der Verwendung eines Vorwiderstandes kommt allerdings eine Gefahr für die Lampe hinzu, wenn am Netz Spannungsschwankungen auftreten. Die Spannungsschwankungen teilen sich der Glühlampe in verstärktem Maße mit.

Diese Erscheinung kommt daher, daß der Widerstandswert eines Vorschaltwiderstandes praktisch gleich bleibt, während der Widerstand der Lampe sich mit der Erwärmung ändert.

Die Spannungen am Vorwiderstand und an der Glühlampe verteilen sich, da doch durch beide der gleiche Strom fließt, entsprechend den Widerständen. So kommt es, daß an der Lampe im Verhältnis eine größere Spannungsänderung auftritt als der Verhältniswert der Änderung der Netzspannung ausmacht.

Dieser Unterschied tritt insbesondere dann auf, wenn die Betriebsspannung der Lampe gegenüber der Netzspannung sehr groß ist. Wird z. B. eine 12Volt- Lampe an einem 220-Volt-Netz mit festem Widerstand betrieben und tritt im Netz eine Überspannung von 10% ein, so beträgt die Überspannung an der Lampe 18 .... 19%. Beim Betrieb mit Widerständen ist also ganz besonders auf die Vermeidung von Überspannungen zu achten.

Insbesondere muß die Stromregelung dauernd überwacht werden. Wenn z. B. bei einer plötzlichen Spannungsabsenkung im Netz die Lampe auf den Nennstrom eingestellt ist und nach kurzer Zeit sich die normale Netzspannung wieder einstellt, so ist sofort die Einstellung des Stromes notwendig. Die Unterschiede in der Überspannung treten natürlich nicht auf, wenn die Lampe an einem Transformator gebrannt wird. In diesem Fall ist bei richtiger Bemessung des Transformators die Überspannung an beiden Teilen prozentual gleich groß.