Natrium-Dampf-Lampen

Bahnsteigleuchte mit Natriumdampf-​Hochdrucklampen, erkennbar am orange-gelben Licht

Eine Natriumdampflampe ist eine Gasentladungslampe. Bei der Gasentladung von Dampf des Elementes Natrium kommt es zu einer Emission von gelbem, praktisch monochromatischem Licht.

Das Prinzip

Beispiel für Vorschaltgeräte

Die grundlegende Eingliederung erfolgt bei den Metalldampflampen. Anders als Leuchtstofflampen benötigen Natriumdampflampen keinen fluoreszierenden Leuchtstoff. Bei diesen Lampen erzeugt die Gasentladung selbst schon sichtbares Licht, und 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 als Nachtbeleuchtung von Verkehrswegen, öffentlichen Plätzen, Industriegeländen, auch auf militärischem Gelände eingesetzt. Das gelbe Licht lockt weniger die Insekten und ist aus Wartungs- und Umweltschutzgründen erwünscht.

Natriumdampflampen benötigen ein Vorschaltgerät und ein Zündgerät.

Spezielle Natriumdampflampen - welche als Ersatz für Hochdruck-Quecksilberdampflampen in der Straßenbeleuchtung entwickelt wurden - kommen ohne Zündgerät aus. Sie besitzen eine interne Zündeinrichtung, sind aber nur in niedrigeren Wattagen erhältlich.

Kalter Natriumdampf strahlt fast ausschließlich Licht der Wellenlängen 589,00 nm und 589,59 nm ab (Natrium-D-Linien, Natrium-Doppellinie), also praktisch monochrom. Photonen dieser Frequenz werden beim Übergang von Elektronen aus dem ²P_{1 / 2} oder ²P_{3 / 2} in den ²S_{1 / 2} Zustand des Natrium-Atoms ausgesandt. Das ²P-Niveau ist durch Spin-Bahn-Kopplung in zwei Unterniveaus aufgespalten.

Heißer Natriumdampf strahlt auf Grund von zufälligen Zusammenstößen der Atome breitbandiger. (Prinzip der Hochdrucklampen)

Natrium ist sehr reaktionsfreudig. Tritt es durch Beschädigung aus der Lampe aus, kann es in der Luft mit Luftfeuchtigkeit reagieren und verpuffen oder explodieren. Die Lampen müssen nach dem Lebensende sorgfältig recycelt oder entsorgt werden.

Verwandte Prinzipien besitzen die Quecksilberdampflampe und die Xenon-Gasentladungslampe.

Nach den Verhältnissen im Innern des Leuchtrohres unterscheidet man zwischen Natriumdampf-Niederdrucklampen und der Natriumdampf-Hochdrucklampen.

Natriumdampf-Hochdrucklampe

Zwei Natriumdampf-​Hochdrucklampen mit E40-Gewinde und 100 bzw. 150 W Leistung

Die Natriumdampf-Hochdrucklampe besitzt mit 150 lm/W (Lumen pro Watt) eine außerordentlich hohe Lichtausbeute (Glühlampen: bis 20 lm/W; Energiesparlampe: bis 75 lm/W; Leuchtstofflampen: bis 100 lm/W; Leuchtdioden: bis 150 lm/W) und ist in Leistungen von 35 Watt bis 1000 Watt erhältlich. Für die Straßenbeleuchtung sind Leistungen von 50 bis 150 Watt üblich. Durch Zugabe von bestimmten Gasen (z. B. 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 15 Minuten ist das gesamte Natrium angeregt und die volle Helligkeit 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 Gebrauchsende 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-​Niederdrucklampe, 35 Watt

Natriumdampf-​Niederdrucklampe in Betrieb

Natriumdampf-Niederdrucklampen (auch NA, SOX) 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 (z.B. Straßen, Kreuzungen, Industrieanlagen etc.). 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. Im Gegensatz zur Natriumdampf-Hochdrucklampe ist die Niederdrucklampe sofort wieder zündbar.

Na-Niederdrucklampen haben ein deutlich größeres Entladungsgefäß als Na-Hochdrucklampen. Meist ist es in Gestalt eines U-Rohres ausgeführt, welches sich über die gesamte Länge eines schützenden Glaskolbens erstreckt. 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 sowie den langgestreckten Leuchten.

Die heutzutage 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.

Experimenteller Betrieb

In Deutschland sind Natriumdampf-Niederdrucklampen wenig verbreitet und die passenden Vorschaltgeräte selten. Stattdessen lassen sich alternative Betriebsmöglichkeiten für ausgewählte Natriumdampf-Niederdrucklampen nutzen. Aber Vorsicht ist geboten, da zum Ende der Lebensdauer die Gefahr der Zerstörung der Betriebsmittel bis zum Brand besteht, so muss der Betrieb auf eigene Gefahr unter Aufsicht erfolgen. Mit der beschriebenen Anleitung lässt sich Natriumdampflicht mit geringen Kosten installieren. 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.

Der Typ SOX 35W kann an einem elektronischem Vorschaltgerät (EVG) QTP 1x58/230-240 von Osram betrieben werden. Am EVG sind zur Lampe hin vier Kontakte vorhanden, an der Natriumdampf-Niederdrucklampe nur zwei, deshalb werden jeweils die oberen zwei und die unteren zwei Anschlüsse am EVG auf jeweils einen Kontakt an der Lampe geführt. Der Lampenstrom erreicht so etwa 560 mA, die Systemleistung dann 34 W.

Für den Typ SOX-E 36W lässt sich das elektronische Vorschaltgerät BTL8 136 von TCI Light nutzen, dabei erfolgt der Anschluss des EVG an die Lampe analog zum Typ SOX 35W. Hierbei liegt der Lampenstrom bei 350 mA, und die Systemleistung beträgt 38 W.

Verwendung im Theater

Die Natriumdampflampe wird im Theater häufig als Effektlicht benutzt. Das fast völlige Verschwinden aller Farbigkeit bei ausschließlicher Beleuchtung mit Natriumdampflampen ist hierbei ein beabsichtigtes Stilmittel. Auch das langsame Aufglühen aus der Dunkelheit mit seinem Farbverlauf ist gelegentlich als Stimmung nutzbar. Da das Natriumdampflicht nicht dimm- bzw. regelbar ist, 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 hierbei das monochromatische gelbe Licht zum Empfindlichkeitsminimum der fotografischen Schicht des Fotopapiers oder des Kopier-Films passt und eine besonders helle Dunkelkammer-Beleuchtung 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 als Zusatzbelichtung (Assimilationslicht) im Zierpflanzenanbau, unter Glas, durch ihr Emissionsmaximum sehr geeignet. Diese Lampen verfügen neben einer Verbreiterung der Na-Emissionslinien im gelben Bereich auch die Emission 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.

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

Weblinks

• Die Leuchtmittelarten und Farbwiedergabe (Das kleine Lichtlexikon)
• "Die helle Not" - Naturschutzaspekte (a. Österreich)
• Strassenlicht.de