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Xenonlicht

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Unter Xenonlicht bei Kraftfahrzeugen versteht man den Einsatz einer Gasentladungslampe anstelle einer Halogen-Glühlampe im Abblendlicht oder Fernlicht. Die Bezeichnung „Xenonlicht“ ist hierbei eigentlich etwas unpräzise und irreführend, da es sich im eigentlichen Sinn dabei um eine Quecksilberdampf-Hochdruck-Plasmalampe handelt, bei der die Xenonfüllung nur als Startgas dient.

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.

Seit 1991 wird die Gasentladungslampe im Automobil-Sektor als Xenonlicht angeboten: Erstmals in einem BMW der 7er-Reihe durch die Firma OSRAM, 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“.

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. Die Funktion einer "Lichthupe" lässt sich aber mit dem Doppel-Xenon-Scheinwerfer nicht erreichen, da die Zeit vom Zünden bis zur vollen Helligkeit mehrere Sekunden beträgt. Daher sind diese Fahrzeuge mit einer zusätzlichen Halogenlampe versehen, die die Lichthupen-Funktion übernimmt.

Da Xenonlampen Gasentladungslampen sind, lassen sich defekte Brenner nicht an einem durchgebrannten Glühdraht erkennen. Sofern ein Defekt vorliegt, äußert sich dieser meist durch Durchschmelzen des inneren Kolbens, welcher mit dem Xenongas gefüllt ist.

Defekter D2S-Xenonbrenner

Funktionsweise

Eine 15 kW Xenonbogenlampe, eingesetzt in einem Filmprojektor

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. Der Strom regt das Xenon-Gas zur Lichtemission an. Es werden sofort etwa 15 % des Endlichtstromes abgestrahlt.
  • 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 nimmt zu. Weiter sinkt der Widerstand zwischen den Elektroden, dieses 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 muss jetzt stabilisiert werden, damit der Lichtbogen nicht flackert.

Technische Einzelheiten

  • 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 20% des Soll-Lichtstromes nach 1 sec und mindestens 80 % des Soll-Lichtstromes nach 4 Sekunden. Im Warmstart sind nach verzugsloser Zündung 80 % des Soll-Lichtstromes bereits nach 1 Sekunden 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 12V/24V ausgelegt und sind für 21W, 35W oder 50W Brenner 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.Bsp. 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

Spektrum einer D2-Xenonlampe

KFZ-Xenonlampen sind Linienstrahler, 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 Glühlicht. Glühlampen strahlen dagegen 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. (Siehe auch Abschnitt „Lichtausbeute und Lebensdauer“ unter 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 blau 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.

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
  • 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 DE-/Super-DE (DE steht für dreiachsiger Ellipsoid) bzw. Linsen-Scheinwerfern (alles so genannte Projektionssysteme) 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.
  • Brenner der Kategorie D-H4R werden in Reflektorscheinwerfern mit P43t-Sockel (H4-Sockel) verwendet. Diese sind jedoch nur auf dem australischen Markt verfügbar und auch nur dort zugelassen.
  • D1S - Typ mit Kabelanschlüssen - Sockel PK32d-2 (35 W / 85 V / 3200 lm)
  • D2S - Typ mit Steckanschluss - Sockel P32d-2 (35 W / 85 V / 3200 lm)
  • D3S - Typ mit Starter - Sockel PK32d-5 (35 W / 42 V / 3200 lm)
  • D4S - Typ mit Steckanschluss - Sockel P32d-5 (35 W / 42 V / 3200 lm)
  • D1R - Typ mit Kabeln - Sockel PK32d-3 (35 W / 85 V / 2800 lm)
  • D2R - Typ mit Klemme - Sockel P32d-3 (35 W / 85 V / 2800 lm)
  • D3R - Typ mit Starter - Sockel PK32d-6 (35 W / 42 V / 2800 lm)
  • D4R - Typ mit Steckanschluss - Sockel P32d-6 (35 W / 42 V / 2800 lm)

Im Vergleich zu der R-Version leuchten die S-Version die Fahrbahn besser aus und sind daher weiter verbreitet. Grund hierfür ist der o. g. Pinstrip der R-Version, der einen geringeren Lichtstrom von etwa 400 Lumen gegenüber den S-Version bewirkt. In den ECE-Mitgliedsländern (u.a. Deutschland und Österreich) besitzen nur die Kategorien D1S, D1R, D2S, D2R, D3S, D3R, D4S und D4R eine Zulassung.

Von unterschiedlichen Typen innerhalb der selben Kategorie spricht man, wenn sie sich in den folgenden wesentlichen Kriterien unterscheiden

    • a) Fabrik- oder Handelsmarke
    • b) der Bauart des Kolbens bei unterschiedlicher optischer Lichtwirkung oder
    • c) Farbe des Kolbens mit veränderter optischer Lichtwirkung
  • 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.

Vorteile

  • Höhere Lebensdauer: die mittlere Lebensdauer einer Xenonlampe beträgt 2000 Stunden im Vergleich zu einer H7-Halogenlampe mit 450 Stunden. Diese Lebensdauer hängt aber stark von der Anzahl der Zündungen sowie den vorherrschenden Bedingungen (Abkühlung, Verschmutzung, Einfärbung) ab, welcher die Lampe im alltäglichen Betrieb ausgesetzt ist.
  • Geringe Leistungsaufnahme im Dauerbetrieb (35 Watt gegenüber 55 Watt bei den herkömmlichen Halogenlampen, z. B. H4 oder H7).
  • Doppelter Lichtstrom gegenüber einer herkömmlichen Halogenlampe, H7 = max. 1100 lm, D2S-Xenon (Farbtemperatur 4200 K) ca. 3200 lm.
  • Lichtausbeute ca. 3fach höher als Halogenglühlampen (D2S ca. 91 lm/W gegenüber H7 ca. 26 lm/W).
  • Die Leuchtdichte ist bei einer Xenonlampe ca. 3 mal höher (D1S/D2S ca. 90 Mcd/m² gegenüber H7 ca. 30 Mcd/m²); somit ist die Licht-Abstrahlfläche bei gleichem Lichtstrom geringer.
  • Durch höhere Farbtemperatur eine bessere Lichtfarbe (ähnlich dem Tageslicht). Farbtemperaturen über 5000 Kelvin sind in der EU bei Neufahrzeugen nicht mehr zulässig. Sie wurde deswegen auf 5000 K begrenzt, um Blendung und Rückstreuung zu verringern. Das Licht erscheint dadurch etwas heller.
  • 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).
  • Die vorgeschriebene automatische Leuchtweitenregelung verhindert das blenden des Gegenverkehrs durch falsch eingestellte Scheinwerfer.

Nachteile

  • Schlechtere Sicht aufgrund höherer Rückstreuung bei Nebel aufgrund des hohen Blau-Anteiles.
  • Erschütterungsempfindlichkeit (Flackern bei schlechten Straßenverhältnissen) aufgrund der schwer einzuhaltenden Lage des kleinen Leuchtkörpers.
  • Zum Betrieb der Lampe wird ein teures Steuergerät (EVG = elektronisches Vorschaltgerät) benötigt.
  • Die Wartung erfordert meist eine Fachwerkstatt und ist teurer.
  • Höherer Preis der Leuchtmittel (ca. 50 Euro) im Vergleich zu herkömmlichen Halogenglühlampen.
  • Ausfallwahrscheinlichkeit steigt durch die Steuergeräte
  • die Anschaffungs- und Wartungskosten für Xenonlicht übertreffen oft die durch besseren Wirkungsgrad eingesparten Kraftstoffkosten
  • Stärkere Blendwirkung des Gegenverkehrs
  • Wegen der gegenüber Glühlampen geringeren Wärmeentwicklung müssen bei Fahrten während starkem Schneefall die Scheinwerfer oft von Schnee und Eis befreit werden.
  • Lichtfarbe ändert sich bei häufigem Zünden ins Blaue (höhere Farbtemperatur)
  • Lichtstärke nimmt mit steigender Betriebsdauer (Alterung) ab: während sich die Lichtstärke bei Glühlampen am Lebensdauerende auf etwa 80 % Leuchtkraft reduzieret, sinkt sie bei Xenonbrennern auf bis zu 60 % ab, ehe die Lampe ausfällt.
  • Die vorgeschriebene automatische Leuchtweitenregulierung bedeutet zusätzlichen Aufwand
  • Erhöhte Umweltbelastungen durch Quecksilber und Elektronik, da sich die problematischen Inhaltsstoffe nur aufwendig oder überhaupt nicht wiedergewinnen lassen.

Diskussion um Xenonlicht

Xenonlicht ist umstritten. 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.

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. [1] [2] Diese Studie basiert auf offiziellen Zahlen der Bundesanstalt für Straßenwesen [3], ist allerdings von einer Initiative der europäischen Beleuchtungshersteller in Auftrag gegeben und finanziert worden, ohne dass dies in dem veröffentlichten Material offen ausgewiesen wurde.[4]

Bei korrekt eingestellter Beleuchtung blendet Xenonlicht nicht stärker als konventionelles Halogen-Licht. 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. Es gibt auch Fahrer, die Xenonlicht grundsätzlich als aggressiv empfinden. Mit zunehmender Verbreitung modernerer Systeme reduzierte sich jedoch die Blendwirkung.

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 deutlich höher.

Vorschriften für den Einbau in Kraftfahrzeugen

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.
Verbraucher-Warnung des Kraftfahrtbundesamtes (KBA)

„Das Kraftfahrt-Bundesamt möchte die Verbraucher über die geltenden Vorschriften informieren und darauf hinweisen, dass nachträgliche Veränderungen an bauartgenehmigten Lichtquellen (dazu zählt auch der Sockel) oder nachträgliche Veränderungen an bauartgenehmigten Scheinwerfern (einschließlich der mit der Genehmigung für den Scheinwerfer festgelegten Lichtquellen) zum Erlöschen der Bauartgenehmigungen der Lichtquellen bzw. Scheinwerfer und somit zum Erlöschen der Betriebserlaubnis für das Fahrzeug führen.“[5])

Einzelnachweise

  1. ↑ Spiegel Online: TÜV-STUDIE: Xenonlicht senkt Unfallrisiko drastisch
  2. ↑ [1]
  3. ↑ [2]
  4. ↑ Boocompany: TÜV Rheinland betreibt verdeckte PR für Automobilzulieferer-Lobby
  5. ↑ [3]
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