Xenonlicht

Unter Xenonlicht bei Kraftfahrzeugen versteht man den Einsatz einer Gasentladungslampe anstelle einer Halogen-Glühlampe im Abblendlicht oder Fernlicht.

Historie & Ausblick

Seit 1991 wird die Gasentladungslampe im Automobil-Sektor als Xenonlicht angeboten: Erstmals in einem BMW der 7er-Reihe durch die Firma Bosch, zuerst ausschließlich als Abblendlicht, seit 2001 aber auch als Fernlicht im sogenannten Bi-Xenon-Scheinwerfer. Dabei wird für das Abblend- und Fernlicht ein und dieselbe Lampe verwendet. Es wird lediglich eine Blende aus dem Strahlengang geklappt und damit auf Fernlicht „umgeschaltet“.

Weiterentwicklungen von Xenonlicht aus Autokäufersicht bestehen darin, dass Zusatzfunktionen in Xenonscheinwerfer eingebaut werden, wie das oben schon genannte Bi-Xenonlicht. Außerdem gibt es Scheinwerfer auf Xenonlampenbasis mit integriertem Kurvenlicht oder Adaptive-Forward-Lighting-Systeme, bei denen „mittels beweglicher Linsen eine verbesserte Ausleuchtung der Kurven gegenüber normalen Scheinwerfern erreicht“ wird.

Verbreitung und Verfügbarkeit

Bei PKW-Neufahrzeugen betrug die Ausrüstungsquote mit Xenonlicht im Jahre 2007 in Deutschland 30 %. Vom Pkw-Gesamtbestand in Deutschland sind dagegen laut DAT Report 2008 erst ca. 15 % mit Xenonlicht ausgestattet, was daran liegt, dass der Fahrzeugbestand in Deutschland durchschnittlich 8 Jahre alt ist und erst nach 13 Jahren nicht mehr im Verkehr erscheint. Standard ist Xenonlicht heute erst bei (Stand 9. Juli 2008) dem BMW X6, dem 3er Coupé/Cabrio, 7er und dem VW Phaeton, dem Audi A8, dem Citroën C6 und den neuen Modellen des Porsche 911. Als Option wird es auf quasi allen Ober- und Mittelklassefahrzeugen angeboten (Stand 1. Juli 2008). Die Ausstattungsrate in den unteren Fahrzeugklassen ist geringer als in der Oberklasse.

Bei Bussen ist im Reiseverkehr die Ausstattungsquote bei Neuzulassungen sehr hoch, bei LKW und Linienbussen dagegen sehr gering. Dies liegt wahrscheinlich vor allem an der höheren Komplexität des Systems bei Nutzfahrzeugen und damit erheblich höheren Kosten, zudem erschwert der Einbau dieser Lampen den Wechsel, da sie aus Sicherheitsgründen nur von geschultem (Werkstatt-)Personal ausgewechselt werden sollten und dies somit nicht auf die Schnelle in der Pause geschehen kann.

Funktionsweise

Defekter D2S-Xenonbrenner

Zwischen zwei Wolfram-Elektroden der Xenon-Gasentladungslampe brennt ein konzentrierter Lichtbogen. Der extrem kleine Brennraum – ein Glaskolben aus Quarzglas – enthält eine Xenon-Gasfüllung unter hohem Druck sowie Quecksilber (s. u. Unterschiede der Brenner-Kategorien) und Metallsalze – insgesamt weniger als 1 mg. Für das Zünden (Einschalten) ist ein Hochspannungsimpuls erforderlich, den eine Zündeinheit über ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG, engl. electrical ballast) erzeugt. Das EVG sorgt anschließend für eine Lichtleistungssteuerung.

Bei Doppel-Xenon-Scheinwerfern handelt es sich um eine Technik ohne Klappe, das Abblendlicht und das Fernlicht bestehen jeweils aus einem Brenner sowie separaten Linsen oder Reflektoren. Fahrzeuge mit zwei Doppel-Xenon-Scheinwerfern haben also vier Brenner und demnach auch vier Vorschaltgeräte.

Da Xenonlampen Gasentladungslampen sind, lassen sich defekte Brenner nicht an einem durchgebrannten Glühdraht erkennen. Dafür halten sie aber auch 4 mal länger als herkömmliche Halogenlampen

Damit die Gasentladungslampe an Kraftfahrzeugen im Straßenverkehr zum Einsatz kommen kann, muss der bekannt langsame Lichtanlauf beschleunigt werden. Der dafür notwendige Ablauf kann in drei Phasen beschrieben werden:

• 1. Zündung: Mit einem Hochspannungsimpuls wird – ähnlich wie bei einer Zündkerze – ein Funke erzeugt, der das ursprünglich elektrisch nicht leitende Gas ionisiert und dadurch einen leitfähigen Tunnel zwischen den Wolfram-Elektroden schafft. Durch diesen Tunnel wird der elektrische Widerstand klein und es fließt Strom zwischen den Elektroden.
• 2. Anlaufphase: Die Lampe wird mit kontrollierter Überlast betrieben. Durch den mit höherer Leistung betriebenen Lichtbogen steigt die Temperatur im Kolben rasch an und die vorhandenen Metallsalze beginnen zu verdampfen, dadurch ändert sich die Lichtfarbe. Der Dampfdruck in der Lampe und die Lichtabgabe nehmen zu. Weiter sinkt der Widerstand zwischen den Elektroden; dies erkennt das Steuergerät EVG und geht automatisch in den Dauerbetrieb über.
• 3. Dauerbetrieb: Alle Metallsalze sind in der Dampfphase, der Lichtbogen hat seine endgültige Form erreicht und die Lichtausbeute ihren Sollwert. Die zugeführte elektrische Leistung wird jetzt stabilisiert, damit der Lichtbogen nicht flackert.

Technische Einzelheiten

Eine 15 kW Xenonbogenlampe, eingesetzt in einem Filmprojektor

• Zum Betrieb der Lampe wird ein Steuergerät (EVG = elektronisches Vorschaltgerät) benötigt.
• Die Zündung der Lampe (Brenner) geschieht mit einem Hochspannungsimpuls mit bis zu 25.000 Volt (25 kV) .
• Bis zum Erreichen der vollen Lichtausbeute vergehen ca. 15 Sekunden. Dabei fordern die Zulassungskriterien nach dem verzugslosen Einschalten (Zünden) mindestens 25 % des Soll-Lichtstromes nach 1 Sekunde und mindestens 80 % des Soll-Lichtstromes nach 4 Sekunden. Im Warmstart sind nach verzugsloser Zündung 80 % des Soll-Lichtstromes bereits nach einer Sekunde zu erreichen.
• Bis sich die endgültige Lichtfarbe eingestellt hat, können bis zu 30 Sekunden vergehen.
• Der Druck der Xenon-Edelgasfüllung steigt im Betrieb von ca. 20 bar (2 MPa) auf bis zu 100 bar (10 MPa).
• Übliche Vorschaltgeräte sind für Bordnetze 12 V/24 V ausgelegt und sind für Brenner mit 21, 35 oder 50 W geeignet.
• Im Dauerbetrieb wird die Lampe mit etwa 85 Volt häufig bei 400 Hertz Rechteckspannung betrieben. Neuere quecksilberfreie Lampen arbeiten bei etwa 42 Volt.
• Die elektrischen Parameter sind von der Gesamtbrenndauer und Zustand der Lampe (kalt, warm, heiß) abhängig.
• Der Ort der brennenden Lampe im Farbdreieck verändert sich mit der Gesamtbrenndauer der Lampe.
• Die bei der Zündung entstehenden UV-Anteile werden – um Schädigungen an anderen Komponenten (z.B. Polykarbonat-Linsen) zu vermeiden – über eine UV-absorbierende Schicht oder Dotierung des Brenners ausgefiltert.
• Die Vorschaltgeräte generieren eine Wechselspannung aus dem KFZ-Bordnetz. Der Entladungsstrom wird – unabhängig von der Versorgungsspannung – durch sie gesteuert. Der Wirkungsgrad dieser Vorschaltgeräte liegt bei ca. 90 %.

Bei den so genannten Steckerstartern befindet sich die Zündeinheit zur Vermeidung von EMI so dicht wie möglich an der Lampeneinheit.

Vergleich Glühlampe/Xenonlicht

Kfz-Xenonlampen sind Linienstrahler (→ Lichtspektrum), deren Linien jedoch fast zu einem Kontinuum verbreitert sind. Einige Linien liegen auch im Ultravioletten. Die Mischung der Linien ergibt die scheinbare Farbe – sie ist bläulicher als das Licht von Glühfadenlampen. Glühlampen strahlen ein kontinuierliches Spektrum ab, das weit in den Infrarot-Bereich hineinreicht; eine Glühlampe gibt ca. 85–95 % ihrer Leistung als Wärme ab, nur 5–15 % stehen als Licht zur Verfügung (→ Glühlampe). Das Licht einer Xenon-Lampe wirkt kälter (hohe Farbtemperatur) als das einer Glühlampe, ist jedoch trotz geringerer Leistungsaufnahme heller. Neuere, quecksilberarme Lampen enthalten auch Natrium, was zu einem wärmer wirkenden Licht führt (verringerte Farbtemperatur). Mit dem Label „Xenon“ verkaufte Glühlampen besitzen lediglich einen Farbfilter, um das Licht bläulich erscheinen zu lassen.

Blaues Licht verursacht mehr Streuung an Nebel o. ä. und ist daher per se weniger für Straßenbeleuchtung geeignet. Xenon-Lampen sind weniger für im Infraroten arbeitende Fahrerassistenzsysteme geeignet.

Vergleich zwischen Xenonlicht und Halogenlicht

Spektrum einer D2-Xenonlampe

Unterschiede der Brenner-Kategorien

Die Lampen, auch Brenner genannt, werden in die Kategorien D1S, D1R, D2S, D2R, D3S, D3R, D4S, D4R und D-H4R eingeteilt. Das Kürzel D steht dabei für Discharge (Entladung), die nachfolgende Ziffer für die jeweilige Entwicklungsversion.

• Die D1-Brenner verfügen ein integriertes Zündteil
• Die D2-Brenner bestehen nur aus dem gesockelten Brenner selbst

Als Weiterentwicklung der D2- und D1-Lampen werden seit einiger Zeit D4- bzw. D3-Lampen eingesetzt. Diese Kategorien kommen für eine bessere Umweltverträglichkeit ohne Quecksilber aus. Daher werden sie auch „grüne Lampen“ genannt. Sie können nicht mit den Steuergeräten für D1- oder D2-Lampen betrieben werden, da die elektrischen Parameter (42 V anstelle von 85 V Brennerspannung bei gleicher Leistung) unterschiedlich sind.

• Die D3-Brenner verfügen über ein integriertes Zündteil, sind quecksilberfrei
• Die D4-Brenner bestehen nur aus dem gesockeltem Brenner selbst, sind quecksilberfrei

Brenner mit der Spezifikation DxS werden in Projektionssystemen verwendet. Sie verfügen über einen klaren Glaskolben. Brenner mit der Spezifikation DxR werden in Reflektorscheinwerfern verwendet. Sie haben einen lichtundurchlässigen Aufdruck (Pinstrip - auch Abschatterlackierung genannt) auf dem Glaskolben. Er dient dazu, die behördlich vorgeschriebene Lichtverteilung zu erreichen.

Projektionssysteme sind bei europäischen Herstellern beliebter als Reflektionssysteme, da sie weniger Platz brauchen.

Vorteile

• Mehr Licht: Doppelter Lichtstrom gegenüber einer herkömmlichen Halogenlampe, H7 = max. 1100 lm, D2S-Xenon (Farbtemperatur 4200 K) ca. 3200 lm.
• Mehr Licht bei weniger Energieverbrauch: Lichtausbeute ca. dreifach höher als Halogenglühlampen (D2S ca. 91 lm/W gegenüber H7 ca. 26 lm/W. Außerdem benötigen Xenonlampen eine geringe Leistungsaufnahme im Dauerbetrieb (35 Watt gegenüber 55 Watt bei den herkömmlichen Halogenlampen, z. B. H4 oder H7).
• Daher 1,3 g/km weniger CO₂-Ausstoß pro Fahrzeug mit Xenonlicht, wenn man davon ausgeht, dass 30 % der Motorenlaufzeit mit Licht gefahren wird.
• Höhere Lebensdauer: die mittlere Lebensdauer einer Xenonlampe beträgt 2000 Stunden im Vergleich zu einer H7-Halogenlampe mit 450 Stunden. Diese durchschnittliche Lebensdauer wird nicht im Dauerbetrieb gemessen, sondern unter einem Schaltungszyklus, der nach der Auffassung des KBA der Nutzung der Lampe im Straßenverkehr entspricht.
• Mehr Helligkeit: Die Leuchtdichte ist bei einer Xenonlampe ca. dreimal höher (D1S/D2S ca. 90 Mcd/m² gegenüber H7 ca. 30 Mcd/m²); somit ist die Lichtabstrahlfläche bei gleichem Lichtstrom geringer.
• Tageslichtähnliche Lichtfarbe: durch eine höhere Farbtemperatur eine bessere Lichtfarbe. Führt nachweislich zu geringerer Ermüdung beim Fahrer.
• Durch Ellipsoid-Reflektoren und Sammellinsen ist eine kleinere bzw. niedrigere Scheinwerferbauweise möglich. Der Grund liegt im kleinen Leuchtkörper im Zusammenhang mit dem Strahlengang im Reflektor, jedoch auch in der geringeren Wärmeabgabe der Lampe (siehe Technische Einzelheiten).
• Weniger Müll: da Xenonlampen ca. 4 mal länger halten als herkömmliche Halogenlampen, entsteht entsprechend weniger Lampenmüll.

Nachteile

• Die Anschaffungskosten für Xenonlicht übertreffen - je nach Fahrzeugnutzung - oft die durch besseren Wirkungsgrad eingesparten Kraftstoffkosten. Zudem sind die typischen Aufpreise bei KFZs weit überzogen, wenn man bedenkt, dass ein Brenner mit Vorschaltgerät im EK für den Hersteller z.T. unter 50 Euro liegt (Stand 2008).
• Die Wartung - sofern nötig - sollte immer in einer Fachwerkstatt durchgeführt werden.
• Bei inkorrekter Einstellung stärkere Blendwirkung des Gegenverkehrs. Zwar verfügen Xenon-Systeme zwangsläufig über eine automatische Leuchtweitenregelung. Fehler in der Grundeinstellung behebt sie jedoch nicht - diese wird analog zu Halogensystemen an den Leuchtkörpern durchgeführt..
• Lichtfarbe kann sich bei häufigem Zünden ins Blaue ändern (höhere Farbtemperatur).
• Die Lichtstärke nimmt mit steigender Betriebsdauer (Alterung) stärker als bei einer Halogenlampe ab, die Leuchtkraft liegt absolut dann aber immer noch doppelt so hoch wie bei einer Halogenlampe. Im Detail: Während sich die Lichtstärke bei Glühlampen am Lebensdauerende (nach ca 450 Stunden bei einer H7) auf etwa 80 % Leuchtkraft reduziert (bei einer H7 von ca. 30 Mcd/m² auf 24Mcd/m²) auf, fällt sie bei Xenonbrennern auf ca. 50 Mcd/m² ab, ehe die Lampe typischerweise nach ca. 2000 Stunden ausfällt.
• Erhöhte Umweltbelastungen durch Quecksilber (sofern enthalten) und Elektronik, da sich die problematischen Inhaltsstoffe nur aufwendig oder überhaupt nicht wiedergewinnen lassen. Und obwohl die beiden führenden Hersteller, Philips und Osram, quecksilberfreie Xenonlampen anbieten, werden diese immer noch nicht von allen Fahrzeugherstellern verbaut.

Diskussion um Xenonlicht

Xenonlicht ist umstritten; nicht zuletzt, weil es sich die meisten Autohersteller gut bezahlen lassen. Die höhere Lichtausbeute, die größere bestrahlte Fläche und die kontrastverstärkende Wirkung bei guten Sichtverhältnissen sind zweifelsohne die Verkehrssicherheit steigernde Vorzüge, die jedoch zuerst einmal nur dem Fahrer zu gute kommen und nur in wenigen Modellen Standard sind.

Laut einer Studie des TÜV Rheinland würden sich bei einem flächendeckenden Einsatz von Xenonlicht 50 % der schweren Unfälle bei Nacht auf Landstraßen und 30 % der schweren Unfälle auf Autobahnen (und damit 18 % der Todesopfer) vermeiden lassen. Diese Studie basiert auf offiziellen Zahlen der Bundesanstalt für Straßenwesen, ist allerdings von einer Initiative der europäischen Beleuchtungshersteller in Auftrag gegeben und finanziert worden, ohne dass dies in dem veröffentlichten Material offen ausgewiesen wurde. Es wurde nicht ermittelt, wie viele zusätzliche Unfälle wegen Blendwirkung entstehen.

Bei Messung oberhalb der Scheinwerferachse darf Xenonlicht nicht stärker als konventionelles Halogen-Licht blenden. Bei fehlerhaft eingestellten Systemen, in bestimmten Fahrsituationen (Fahrt über eine Kuppe oder eine Bodenwelle, sowie bei versehentlich eingeschaltetem XE-Fernlicht bei Gegenverkehr) liegt die Blendwirkung jedoch deutlich höher als bei klassischen Scheinwerfern, was für einen entgegenkommenden Fahrer definitiv unangenehmer ist. Da mehr Licht aber bei regennasser Fahrbahn zwangsweise mehr Blendwirkung bedeutet, geht jede Verbesserung aus Fahrersicht zu Lasten des Entgegenkommenden. Es gibt auch Fahrer, die Xenonlicht grundsätzlich als aggressiv empfinden.

Bei Nebel und schlechter Sicht wirkt sich der hohe Blauanteil negativ auf den Kontrast und die Sichtweite aus, da kurzwelliges Licht an Nebel und Dunst stärker gestreut wird als das langwelligere Glühlicht. Die Eigenblendung bei Nebel und starkem Schneefall ist angeblich deutlich höher.

Trotzdem empfiehlt auch der Verkehrsexpertentag Xenonlicht für mehr Sicherheit im Straßenverkehr.

Vorschriften für den nachträglichen Einbau in Kraftfahrzeuge

Eine Scheinwerferwaschanlage

• Die Gasentladungslampe muss ECE-Regelung 99 entsprechen.
• Der Scheinwerfer muss ECE-Regelung 98 entsprechen.
• Der Anbau des Scheinwerfers am Kraftfahrzeug muss ECE-Regelung 48 entsprechen. Dabei wird eine automatische Leuchtweitenregulierung und eine Scheinwerferreinigungsanlage gefordert.
• Die Scheinwerferreinigungsanlage muss ECE-Regelung 45 entsprechen.
• siehe Vorschriften für Fern- und Abblendlicht gem § 50 Abs. 10 StVZO: Lichtvorschriften-StVZO

Hinweise zur Nachrüstung

Für alle lichttechnischen Einrichtungen an Kraftfahrzeugen gilt: Die Art der Lichtquelle (z. B. Glühlampe, Halogenlampe, Xenonlampe, LEDs) ist immer Bestandteil der Zulassung. Daraus folgt:

• Die Gasentladungslampen dürfen nur in dafür zugelassenen Scheinwerfern eingesetzt werden.
• Das Bestücken eines Halogen-Scheinwerfers mit Gasentladungslampen (z. B. D2S, D2R) ist unzulässig und führt zum Erlöschen der Allgemeinen Betriebserlaubnis des gesamten Fahrzeugs.
• Aus den oben genannten Gründen ist nur die Nachrüstung von bauartgenehmigten Scheinwerfern zulässig, die nach ECE-Regelung 98 genehmigt wurden. Zusätzlich sind die oben aufgeführten „Vorschriften für den Einbau in Kraftfahrzeugen“ zu beachten. Die StVZO spielt bei Fahrzeugen die nach ECE zugelassen sind nicht die entscheidene Rolle.

Weblinks

• Xenonlicht FAQ
• Über Xenonlicht auf kfztech.de