Natriumdampflampe
Eine Natriumdampflampe ist eine Gasentladungslampe. Bei der Gasentladung von Dampf des Elementes Natrium kommt es zu einer Emission von praktisch monochromatischem Licht.
Das Prinzip
Die Natriumdampflampe gehört in die Kategorie der Metalldampflampen. Anders als Leuchtstofflampen benötigen Natriumdampflampen keinen fluoreszierenden Leuchtstoff. Bei diesen Lampen erzeugt die Gasentladung selbst schon sichtbares Licht, und es muss nicht erst in dieses umgewandelt werden. Dadurch wird der Wirkungsgrad deutlich erhöht, zumal das menschliche Auge in diesem Farbbereich besonders empfindlich ist.
Das recht monochromatische Licht (besonders von Niederdrucklampen) ermöglicht kaum Farbsehen. Allerdings ist das Kontrastsehen in diesem Bereich des Farbenspektrums hoch. Natriumdampflampen werden zur Nachtbeleuchtung von Verkehrswegen, öffentlichen Plätzen, Industriegeländen, auch auf militärischem Gelände eingesetzt. Das gelbe Licht lockt Insekten weniger an und ist aus Wartungs- und Umweltschutzgründen erwünscht.
Natriumdampflampen benötigen ein Vorschaltgerät und ein Zündgerät. Spezielle Natriumdampflampen – welche als Ersatz für Quecksilberdampf-Hochdrucklampen in der Straßenbeleuchtung entwickelt wurden – kommen ohne Zündgerät aus. Sie besitzen eine interne Zündeinrichtung, sind aber nur in kleineren Nennleistungen erhältlich.
Kalter Natriumdampf strahlt fast ausschließlich Licht der Wellenlängen 589,00 nm und 589,59 nm ab (Natrium-D-Linien, Natrium-Doppellinie), ist also fast monochrom. Photonen dieser Frequenz werden beim Übergang von Elektronen aus dem $ ^{2}P_{1/2} $ oder $ ^{2}P_{3/2} $ in den $ ^{2}S_{1/2} $ Zustand des Natrium-Atoms ausgesandt. Das $ ^{2}P $-Niveau ist durch Spin-Bahn-Kopplung in zwei Unterniveaus aufgespalten.
Beim Kaltstart leuchten Natriumdampflampen meist rötlich. In diesem Zustand dominiert das Licht des Hilfsgases Neon, da das Natrium bei kalter Lampe größtenteils noch fest ist. Die Entladung des Neongases erwärmt die Lampe und fördert den Übergang von festem Natrium in die Gasphase, so dass sich nach einigen Minuten die Lichtfarbe stabilisiert und vom Natrium dominiert wird.
Heißer Natriumdampf strahlt auf Grund von zufälligen Zusammenstößen der Atome breitbandiger. Aus Sicht eines Beobachters bewegen sich die strahlenden Natriumatome entsprechend ihrer thermischen Bewegung zufällig in alle Richtungen. Bei den Atomen, die sich gerade vom Beobachter wegbewegen, erscheint das emittierte Licht durch den Dopplereffekt leicht rotverschoben und bei den Atomen, die sich auf den Beobachter zubewegen, erscheint das emittierte Licht leicht blauverschoben, so dass sich im Spektrum die Emissionslinien des Natriums (und des Neons) verbreitern.
Verwandte Prinzipien besitzen die Quecksilberdampflampe und die Xenon-Gasentladungslampe.
Nach den Verhältnissen im Innern des Leuchtrohres unterscheidet man zwischen Natriumdampf-Niederdrucklampen und Natriumdampf-Hochdrucklampen.
Natriumdampf-Hochdrucklampe
Die Natriumdampf-Hochdrucklampe (auch HS-Lampe genannt) besitzt mit 150 lm/W (Lumen pro Watt) eine außerordentlich hohe Lichtausbeute und ist in Leistungen von 35 Watt bis 1000 Watt erhältlich. Für die Straßenbeleuchtung sind Leistungen von 50 bis 150 Watt üblich. Diese Lampen verwenden intern Natriumamalgam und durch Zugabe von bestimmten Edelgasen (meist Xenon) lässt sich bei dieser Lampenart auch ein gewisser Blau-Anteil erzielen und somit die Farbwiedergabe verbessern.
Natriumdampf-Hochdrucklampen bestehen aus einem mit Natrium und einem Edelgas gefüllten Entladungsgefäß (Brenner). Dieses befindet sich zur thermischen Isolation in einem evakuierten Glaskolben in Röhren- oder Ellipsoidform. Die Gasfüllung steht beim Betrieb der Lampe unter hohem Druck. Der Brenner besteht wegen der hohen Betriebstemperatur (ca. 1000 °C) aus hochreiner transparenter Aluminiumoxid-Keramik. Die Elektrodenanschlüsse bestehen aus Niob. Der Brenner wird durch starke Metalldrähte im Glaskolben fixiert, welche gleichzeitig der Stromzuführung dienen. Die Kontaktierung der Lampe mit dem Leuchtensockel erfolgt meistens über ein Edison-Gewinde in den Größen: E27, E33 und E40. Der schützende Glaskolben erreicht im Betrieb Temperaturen von über 300 °C. Zum Zünden wird eine Spannung von bis zu 5 kV benötigt.
Nach dem Zünden leuchten die Natrium-Hochdrucklampen zunächst nur schwach. Nach vier Minuten ist genug Natrium in der Gasphase und die volle Helligkeit wird erreicht. Nach dem Ausschalten müssen die Lampen auskühlen bis der Innendruck abgesunken ist, damit sie sich mit Standard-Zündgeräten wieder einschalten lassen. Sofortzündgeräte oder Heißzündgeräte sind jedoch in der Lage, Natrium-Hochdrucklampen zu zünden, die gerade ausgeschaltet wurden. Das Heißzündgerät hat Zündspannungen von über 30 kV, die auch die Entladungsstrecke einer heißen Natriumdampf-Hochdrucklampe ionisieren. Dieses Verfahren ist nur bei zweiseitig gesockelten Lampen möglich.
Die mittlere Lebensdauer wird mit 30.000 Betriebsstunden angegeben. Das entspricht dreieinhalb Jahren Dauerbetrieb. Die Hersteller geben zuweilen auch eine Lebensdauer von vier Jahren für ein definiertes Ein/Ausschaltregime an, etwa bei Verwendung als Straßenbeleuchtung. Häufiges Ein- und Ausschalten verkürzt die Lebensdauer. Der Betriebsstrom muss durch die richtige Wahl des Vorschaltgerätes eingehalten werden.
Das Ende der Gebrauchsfähigkeit von Natriumdampf-Hochdrucklampen zeigt sich durch periodisches Verlöschen und Wiederzünden. Diesen Vorgang nennt man „Blinken“ oder „Cycling“. Nach dem Zünden der Lampe steigt deren Brennspannung langsam an und erreicht aufgrund der gealterten Gasfüllung einen Wert, der die Netzspannungsversorgung übersteigt. Die Lampe erlischt. Nach der Abkühlung zündet die Lampe wieder und der Prozess startet erneut. Die Zyklusdauer liegt typischerweise im Bereich von 10 bis 15 Minuten. Um den daraus resultierenden Blinklichtbetrieb zu unterdrücken, verfügen spezielle Zündgeräte über eine automatische Cycling-Erkennung. Die Abschaltautomatik setzt ein und verhindert weitere Zündversuche, wenn die Lampe innerhalb von zwei Stunden bei ansteigender Brennspannung dreimal verloschen ist.
Natriumdampf-Niederdrucklampe
Natriumdampf-Niederdrucklampen (auch LS-, NA- oder SOX-Lampe genannt) gehören zu den effizientesten elektrischen Lichtquellen, die es derzeit gibt. Mit bis zu 200 lm/W ermöglichen sie eine effiziente und energiesparende Beleuchtung, die allerdings auf Grund ihres monochromatischen Charakters nur dort eingesetzt werden kann, wo es nicht auf Farbtreue ankommt (Straßen, Kreuzungen, Industrieanlagen). Die Betriebstemperatur ist deutlich geringer als bei der Hochdrucklampe. Zum Zünden reichen bereits Spannungen im Bereich von 1 kV, je nach Ausführung genügt auch die verfügbare Netzspannung. Nach einer Abkühlzeit von 2 Minuten kann erneut gezündet werden. Natrium-Niederdrucklampen haben ein deutlich größeres Entladungsgefäß als Natrium-Hochdrucklampen. Meist ist es als U-förmiges Rohr ausgeführt, welches sich in der schützenden Hülle eines Glaskolbens befindet. Dieser Hüllkolben ist oft mit einer Infrarot reflektierenden Beschichtung versehen, die die Betriebstemperatur vor allem im Außenbereich hoch hält. Na-Niederdrucklampen findet man zuweilen als Straßenbeleuchtung, vorwiegend aber zur Beleuchtung von Fußgängerüberwegen, und erkennt sie an der gelben Lichtfarbe.
Die heute üblichen Natriumdampf-Niederdrucklampen des Typs SOX sind nur mit einem in Großbritannien üblichen BY22d-Bajonettsockel und nicht mit der in Deutschland verbreiteten Edisonfassung (Schraubgewinde) erhältlich. Der Bajonettanschluss stellt die korrekte Lage der Lampe in der Leuchte sicher. Die kleinsten käuflichen Natriumdampflampen sind die Na18 von Osram sowie die SOX 18W von Philips (25–30 Euro). Für den richtigen Betriebsstrom von etwa 330 mA bei der europäischen Netzspannung von 230 V/50 Hz sollten zwei Standard-Vorschaltdrosseln (für 58/65 W Leuchtstofflampen) in Reihe geschaltet sein.
Verwendung im Theater
Die Natriumdampflampe wird im Theater häufig als Effektlicht benutzt. Das fast völlige Verschwinden aller Farbigkeit bei ausschließlicher Beleuchtung mit Natriumdampflampen ist dabei ein beabsichtigtes Stilmittel. Auch das langsame Aufglühen aus der Dunkelheit mit seinem Farbverlauf ist gelegentlich als Stimmung nutzbar. Da das Natriumdampflicht nicht dimmbar ist, jedoch regelbar mit elektronischen Vorschaltgeräten, gibt es für die Leuchten verschiedene Aufsätze, welche mit Lamellen einen Ein- und Ausblendeffekt ermöglichen.
Verwendung in der Dunkelkammer
Natrium-Niederdrucklampen eignen sich als Dunkelkammerbeleuchtung bei Schwarzweiß-Positiv-Verarbeitung, da hier das monochromatische gelbe Licht zum Empfindlichkeitsminimum der fotografischen Schicht des Fotopapiers oder des Kopierfilms passt und eine besonders helle Dunkelkammerbeleuchtung möglich ist.
Zur Verarbeitung von Farbmaterialien werden ebenfalls Natrium-Niederdrucklampen verwendet, auch unter Ausnutzung einer Sensibilisierungslücke. Die Alternative sind speziell selektierte bernsteinfarbene Leuchtdioden.
Verwendung bei der Filmmontage
Die Disney-Studios entwickelten in den 1960ern ein Verfahren zur Filmmontage, das die Unempfindlichkeit von Filmemulsionen (auch für den damaligen Farbfilm) ausnutzt und „Yellowscreen“ oder „Sodium vapor process“ genannt wurde. So konnten Schauspieler in einer Studioaufnahme vor einer mit Natriumdampflampen beleuchteten Mattscheibe agieren und eine Spezialkamera belichtete durch einen halbdurchlässigen Umlenkspiegel gleichzeitig zwei Filme. Der eine Film nahm die Szene selbst im gesamten Spektrum, das damaliger Farbfilm wiedergeben konnte, auf. Der zweite Film war ausschließlich für das schmale Spektralband der Natriumdampflampe empfindlich und erzeugte so eine sogenannte „Travelling Matte“, eine animierte Maske, die das standgenaue Einspielen eines Hintergrundbildes erlaubt.
Gegenüber Rückprojektionen hatte dieses Verfahren den Vorteil, dass die Szene besser ausgeleuchtet werden kann, ohne den Kontrast der eingespielten Hintergrundkulisse zu schwächen. Die damals ebenfalls bekannte Bluescreen-Technik erzeugte zu jener Zeit noch störende blaue Farbsäume an den Konturen zwischen Szene und Hintergrund, die beim Yellowscreen-Verfahren nicht auftreten. Mit der Verbesserung der Bluescreen-Technik verlor dieses Verfahren wegen des höheren Aufwands an Bedeutung. Namhafte Filme, in denen der Sodium vapor process verwandt wurde, sind Mary Poppins und Alfred Hitchcocks Die Vögel.
Pflanzenbeleuchtung
Natrium-Hochdruckdampflampen sind durch ihr Emissionsmaximum gut als Zusatzbelichtung (Assimilationslicht) im Zierpflanzenanbau unter Glas geeignet. Diese Lampen verfügen neben einer Verbreiterung der Na-Emissionslinien im gelben Bereich und auch eine Linie im Roten. Da Photosynthese (abhängig von der Art) vor allem bei 670 nm stattfindet, ist dieser Lichtanteil im längerwelligen (roten) Bereich wichtig für die Nutzung. Wegen der angenehmeren Lichtfarbe ist der Einsatz für wohnzimmernahe Terrarien möglich. Natrium-Niederdrucklampen, die ausschließlich und engbandig bei 590 nm emittieren, sind dagegen ungenügend in der Farbanpassung.
Siehe auch
- Lichtquelle
Literatur
- Wilhelm Gerster: Moderne Beleuchtungssysteme für drinnen und draussen. 1. Auflage, Compact Verlag, München 1997, ISBN 3-8174-2395-0
- A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4.Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, 1965
- Hans R. Ris: Beleuchtungstechnik für Praktiker. 2. Auflage, VDE-Verlag GmbH, Berlin • Offenbach 1997, ISBN 3-8007-2163-5
- Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9