Lichttechnik Grundlagen

Hier finden Sie nützliches Grundlagenwissen und wertvolle Tipps rund um das Thema Lichttechnik und Lichtquellen in Fahrzeugen.

Die Lichttechnik spielt im Kraftfahrzeug eine sehr wichtige Rolle mit Blick auf die eigene Sicherheit und diejenige der anderen Verkehrsteilnehmer. Auf dieser Seite erklären wir Ihnen die Grundlagen der Kfz-Lichttechnik und zeigen den Aufbau und die Funktion der gängigsten Lichtquellen. Nicht zuletzt finden Sie nachstehend die Gründe für den Ausfall von Lichtquellen und Praxistipps für deren Austausch.

Wichtiger Sicherheitshinweis
Die nachfolgenden technischen Informationen und Tipps für die Praxis wurden von HELLA erstellt, um Kfz-Werkstätten in ihrer Arbeit professionell zu unterstützen. Die hier auf dieser Webseite bereitgestellten Informationen sollen nur von einschlägig ausgebildeten Fachpersonal genutzt werden.

 

LICHTTECHNISCHE GRÖßEN: GRUNDLAGEN

Nachstehend finden Sie einen Überblick über die wichtigsten lichttechnischen Grundbegriffe und entsprechenden Maßeinheiten zur Bewertung der Eigenschaften von Lampen und Leuchten:

Lichtstrom Φ

Einheit: Lumen [lm]

 

Als Lichtstrom F bezeichnet man die gesamte von einer Lichtquelle ausgestrahlte Lichtleistung

Lichtstärke I

Einheit: Candela [cd]

 

Die Lichtstärke ist der Teil des Lichtstroms, der in eine bestimmte Richtung strahlt.

Beleuchtungsstärke E

Einheit: Lux [lx]

 

Die Beleuchtungsstärke E gibt das Verhältnis des auftreffenden Lichtstroms zur beleuchteten Fläche an.

 

Die Beleuchtungsstärke beträgt 1 lx, wenn ein Lichtstrom von 1 lm auf eine Fläche von 1 m² gleichmäßig auftrifft..

Leuchtdichte L

Einheit: Candela pro Quadratmeter [cd/m2]

 

Die Leuchtdichte L ist der Helligkeitseindruck, den das Auge von einer leuchtenden oder beleuchteten Fläche erhält.

Lichtausbeute ŋ

Einheit: Lumen pro Watt [lm/W]

 

Die Lichtausbeute h gibt an, mit welcher Wirtschaftlichkeit die aufgenommene elektrische Leistung in Licht umgesetzt wird.

Farbtemperatur K

Einheit: Kelvin [K]

 

Kelvin ist die Einheit für die Farbtemperatur. Je höher die Temperatur einer Lichtquelle ist, desto größer ist im Farbspektrum der Blauanteil, und der Rotanteil wird geringer.

 

Eine Glühlampe mit warmweißem Licht hat eine Farbtemperatur von ca. 2700 K. Eine Gasentladungslampe (D2S) hat mit 4250 K dagegen ein kühles weißes Licht, welches mit seiner Farbe aber näher am Tageslicht (ca. 5600 K) liegt.

LICHTQUELLEN: ÜBERSICHT

Lichtquellen sind Temperaturstrahler, die durch Wärmeenergie Licht erzeugen. Das bedeutet, umso stärker eine Lichtquelle erhitzt wird, umso höher ist auch die Lichtstärke.

 

Der niedrige Wirkungsgrad der Temperaturstrahler (8 % Lichtstrahlung) lässt gegenüber den Gasentladungslampen (28 % Lichtstrahlung) nur eine relativ geringe Lichtausbeute zu. In letzter Zeit kommen immer mehr LEDs als Lichtquelle im Kraftfahrzeug zum Einsatz.

Glühlampe

Glühlampen (Vakuumlampen) gehören zu den Temperaturstrahlern, da durch Zufuhr von elektrischer Energie die Glühwendel aus Wolfram zum Glühen gebracht wird.

 

Wie erwähnt, ist die Lichtleistung einer Standardlampe vergleichsweise gering. Hinzu kommt noch, dass durch verdampfte Wolframpartikel, welche als deutliche Schwärzung am Lampenkolben zu erkennen sind, alle lichttechnischen Werte vermindert werden und die Lebensdauer relativ niedrig ist.

Halogenlampe

Die Halogenlampe bietet deutliche Vorteile gegenüber der klassischen Glühlampe. Durch Hinzufügen geringer Mengen von Halogenatomen, wie z. B. Jod, kann die Schwärzung des Lampenkolbens reduziert werden.

 

Durch den sogenannten „Kreisprozess“ können Halogenlampen bei gleicher Lebensdauer mit höheren Temperaturen betrieben werden und bieten dementsprechend einen höheren Wirkungsgrad.

KREISPROZESS IN EINER HALOGENLAMPE

Durch Zufuhr elektrischer Energie wird die Wolframwendel zum Glühen gebracht. Dadurch kommt es zum Abdampfen von Metall von der Wendel. Durch eine Halogenfüllung (Jod oder Brom) in der Lampe steigen die Wendeltemperaturen bis nahe an den  Schmelzpunkt des Wolframs (ca. 3400 °C).

 

Hierdurch entsteht die hohe Lichtleistung. Das verdampfte Wolfram verbindet sich in unmittelbarer Nähe der heißen Kolbenwand mit dem Füllgas zu einem Gas (Wolframhalogenid), das lichtdurchlässig ist. Gelangt das Gas aber wieder in die Nähe der Wendel, zersetzt es sich aufgrund der hohen Wendeltemperatur und bildet eine gleichmäßige Wolframschicht.

 

Damit der Kreisprozess anhalten kann, muss die Außentemperatur des Lampenkolbens 300 °C betragen. Der aus Quarzglas bestehende Kolben muss dafür die Wendel eng umschließen.
Ein weiterer Vorteil dabei ist, dass man mit einem höheren Fülldruck arbeiten kann und damit der Verdampfung des Wolframs entgegenwirkt.

 

Auch die Gaszusammensetzung im Kolben ist maßgeblich für die Lichtausbeute verantwortlich. Durch Einbringen geringer Mengen von Edelgasen, z. B. Xenon, wird die Wärmeabfuhr von der Wendel reduziert.

Es gibt zwei unterschiedliche Halogenlampentypen. Die H1, H3, H7, H9, H11, HB3 haben nur eine Glühwendel. Sie werden für Abblendlicht und Fernlicht eingesetzt. Die H4-Lampe hat zwei Glühwendeln, eine für Abblend- und eine für Fernlicht.

 

Die Glühwendel für Abblendlicht ist mit einer Abdeckkappe versehen. Diese hat die Aufgaben, den blendenden Lichtanteil abzudecken und die Hell-Dunkel-Grenze zu erzeugen.

 

H1+30/50/90 und H4+30/50/90 sind Weiterentwicklungen der herkömmlichen H1- bzw. H4-Glühlampen mit Schutzgasfüllung.

Vorteile / Unterschiede der Halogenlampe gegenüber der Standardlampe

  • Glühwendel dünner
  • Kann mit höheren Temperaturen betrieben werden
  • Höhere Leuchtdichte, bis zu 30/50/90 % mehr zwischen
  • 50 und 100 Meter vor dem Auto und eine bis zu 20 Meter längere Ausleuchtung der Fahrbahn
  • Mehr Fahrsicherheit bei Nacht und Schlechtwetter

 

H7-Lampen besitzen im Vergleich zu H1-Lampen eine höhere Leuchtdichte, eine geringere Leistungsaufnahme und eine bessere Lichtqualität. Diese sind ebenfalls als H7+30/50/90 erhältlich.

Halogenlampen mit blauem Erscheinungsbild

Seit einiger Zeit sind auch Halogenlampen mit blauem Erscheinungsbild erhältlich. Diese Lampen haben im Gegensatz zu den herkömmlichen Halogenlampen ein bläulich weißes Licht (bis zu 4000 K) und sind damit dem Tageslicht ähnlicher. Für das Auge erscheint das Licht heller und kontrastreicher. Das soll dazu beitragen, länger ermüdungsfrei fahren zu können. Dieser Eindruck ist aber subjektiv.

 

Wer aber ein Maximum an Lichtleistung haben möchte, ist mit den +30/50/90-Lampen besser bedient.

Blinkleuchten

Bei Blinkleuchten kamen bislang Lampen mit gelb lackiertem Glaskolben zum Einsatz. Für designorientierte Fahrer gibt es auch die Magic-Star-Blinkerlampen. Im ausgeschalteten Zustand sind sie kaum im silbernen Reflektor zu erkennen. Erst beim Einschalten geben sie das charakteristische gelbe Licht in gewohnter Helligkeit ab.

 

Durch das Aufbringen mehrerer Interferenzschichten auf dem Lampenkolben werden bestimmte Anteile des Lichtspektrums, die von der Glühwendel ausgestrahlt werden, ausgelöscht. Nur der Gelbanteil durchdringt die Schichten und wird sichtbar.

Gasentladungslampen

Gasentladungslampen erzeugen Licht nach dem physikalischen Prinzip der elektrischen Entladung. Durch das Anlegen einer Zündspannung vom Vorschaltgerät (bis 23 KV bei der 3. Generation der HELLA Vorschaltgeräte) wird das Gas zwischen den Elektroden der Lampe (Füllung mit Edelgas Xenon und einer Mischung aus Metallen und Metallhalogeniden) ionisiert und mit Hilfe eines Lichtbogens zum Leuchten angeregt.

 

Während der kontrollierten Zufuhr von Wechselstrom (ca. 400 Hz) verdampfen die flüssigen und festen Substanzen aufgrund der hohen Temperaturen. Die Lampe erreicht ihre volle Helligkeit erst nach einigen Sekunden, wenn alle Bestandteile ionisiert sind.

 

Um die Zerstörung der Lampe durch den unkontrolliert anwachsenden Strom zu vermeiden, wird der Strom von einem Vorschaltgerät begrenzt. Ist die volle Lichtleistung erreicht, ist nur noch eine Betriebsspannung (nicht die Zündspannung) von 85 V nötig, damit der physikalische Prozess erhalten bleibt. Lichtstrom, Lichtausbeute, Leuchtdichte und Lebensdauer sind erheblich besser als bei Halogenglühlampen.

 

Gasentladungslampen werden anhand ihrer jeweiligen Entwicklungsversion kategorisiert: D1, D2, D3 und D4. Das „D“ steht hierbei für „Discharge“, das englische Wort für Entladung. Die Generationen unterscheiden sich teilweise erheblich. So verfügen D1-Lampen – die Ur-Xenon-Brenner – über ein integriertes Zündteil. D2-Lampen hingegen bestehen nur aus dem gesockelten Brenner selbst und haben im Gegensatz zu allen anderen Entwicklungsstufen der automotiven Gasentladungslampen keinen äußeren Glasschutzkolben um das Entladungsrohr. Alle Weiterentwicklungen haben einen UV-Schutzkolben und sind von der Bauform wesentlich stabiler.

 

Häufig verwechselt wird die alte D1- mit der heutigen D1-S/RLampe mit integriertem Zündmodul. Für eine bessere Umweltverträglichkeit ohne Quecksilber sorgen heute die Weiterentwicklungen der D1- und D2-Lampen, die D3-, bzw. D4-Lampen. Aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Parameter (42 V anstelle von 85 V Brennerspannung bei gleicher Leistung) können D3-, bzw. D4-Lampen nicht mit den Steuergeräten für D1- oder D2-Lampen betrieben werden.

Vergleich Glühwendel (Halogen) / Lichtbogen Gasentladungslampe (Xenon)

Vergleich Glühwendel Halogen und Lichtbogen Xenon
  Halogen-Glühlampe (H7) Gasentladungslampe
Lichtquelle Glühwendel Lichtbogen
Leuchtdichte 1450 cd/m2 3000 cd/m2
Leistung 55 W 35 W
Energiebilanz 8 % Lichtstrahlung
92 % Wärmestrahlung
28 % Lichtstrahlung
58 % Wärmestrahlung
14 % UV-Strahlung
Lebensdauer ca. 500 h 2500 h
Erschütterungsfest bedingt ja
Zündspannung nein ja 23.000 V (3. Generation)
Regelelektronik nein ja

 

Folgende Aufschriften sind auf Lampen zu finden

  • Name des Herstellers
  • 6 oder 6 V, 12 oder 12 V, 24 oder 24 V steht für die Nennspannung gemäß der ECE-Regelung 37.
  • H1, H4, H7, P21 W steht für die internationale Kategoriebezeichnung der ECE-genormten Lampen, z. B. 55 W.
  • E1 gibt an, in welchem Land die Lichtquelle geprüft und zugelassen wurde. Die 1 steht für Deutschland.
  • „DOT“ bedeutet: auch für den amerikanischen Markt zugelassen.
  • „U“ steht für UV-reduzierte Lampen laut ECE. Diese Lampen kommen z.B. in Scheinwerfern mit Kunststoffabschlussscheibe zum Einsatz.
  • Das von der Zulassungsbehörde erteilte Genehmigungszeichen, z. B. E1 (Kraftfahrtbundesamt in Flensburg), steht auch auf der Lampe und lautet entweder 37 R (E1) + eine fünfstellige Nummer oder auch nur (E1) + eine dreistellige Nummer (auch alphanumerische Zeichen, s. Abb.).
  • Die meisten Lampen haben ein verschlüsseltes Herstellerzeichen. Das ermöglicht eine Rückverfolgung zum Hersteller.
  • Da nicht alle Lampen genügend Platz für die Kennzeichnung haben, werden vom Gesetzgeber nur folgende Informationen verlangt: Hersteller, Leistung, Prüfzeichen und Genehmigungszeichen.

EINFLUSSFAKTOREN AUF EINE LICHTQUELLE: VERGLEICH

Trotz der Regeneration innerhalb der Glühlampe verbraucht sich der Wolframdraht allmählich und begrenzt somit die Lebensdauer.

Negative Einflussfaktoren

  • Mechanische Belastungen durch Stöße und Vibrationen
  • Hohe Temperaturen
  • Einschaltvorgang
  • Spannungsspitzen
  • überhöhte Bordspannung
  • Hohe Leuchtdichte durch extreme
  • Wendeldichte

Positive Einflussfaktoren

  • Fülldruck
  • Füllgas

Die Lebensdauer und die Lichtausbeute hängen unter anderem stark von der vorliegenden Versorgungsspannung ab.

 

Als Faustregel gilt: Erhöht man die Versorgungsspannung einer Lampe um 5 %, so steigt der Lichtstrom um 20 %, aber gleichzeitig wird die Lebensdauer halbiert.

Aus diesem Grund kamen bei einigen Fahrzeugtypen Vorwiderstände zum Einsatz, damit die Versorgungsspannung von 13,2 V nicht überschritten wurde. Bei modernen Fahrzeugen wird durch die Puls-Weiten-Modulation eine Anpassung der Spannung erreicht.

 

Bei Unterspannung, z. B. durch einen defekten Generator, ist der Fall genau umgekehrt. Das Licht hat nun einen wesentlich höheren Rotanteil, und die Lichtausbeute ist dementsprechend geringer.

LICHTTECHNIK TIPPS - LICHTQUELLEN: PRAXIS-TIPPS

  • Xenon-Scheinwerfer benötigen zur Zündung eine Hochspannung, deshalb sollte vor Arbeiten an den Scheinwerfern in jedem Fall der Stecker zur Spannungsversorgung des Vorschaltgerätes abgezogen werden.
  • Beim Einsetzen einer neuen Lampe sollte der Glaskolben nicht angefasst werden, da sich Fingerabdrücke einbrennen und Trübungen hinterlassen.
  • Zerbricht eine Xenon-Lampe in einem geschlossenen Raum (Werkstatt), sollte der Raum gelüftet werden, um eine Gesundheitsgefährdung durch giftige Gase zu vermeiden. D3- und D4-Xenon-Lampen enthalten kein Quecksilber mehr und sind damit umweltverträglicher.
  • Standard-Glüh- und -Halogenlampen enthalten keine umweltrelevanten Stoffe und können in den normalen Hausmüll gegeben werden.
  • Xenon-Lampen sind Sondermüll. Ist die Lampe defekt, der Glaskolben aber noch intakt, muss sie als Sondermüll entsorgt werden, da das Gas-Metalldampf-Gemisch quecksilberhaltig und daher sehr giftig beim Einatmen ist. Ist der Glaskolben zerstört, z. B. durch einen Unfall, kann die Xenon-Lampe dem normalen Müll zugeführt werden, da das Quecksilber sich verflüchtigt hat.
  • Bei D3- und D4-Xenon-Lampen wurde das Quecksilber durch das ungiftige Zinkjodid ersetzt. Diese Lampen können über den normalen Hausmüll entsorgt werden.
  • Die Abfallschlüsselnummer zur Entsorgung lautet: 060404.
  • Zu LEDs wird es keine gesonderten Tipps geben, da sie in der Regel nicht austauschbar sind.

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