Xenonlicht

Xenonlicht bezeichnet bei Kraftfahrzeugen den Einsatz einer Gasentladungslampe im Abblendlicht beziehungsweise Fernlicht.

Xenonscheinwerfer

Geschichte

Am Anfang der Entwicklung stand die 1989 von Philips entwickelte D1-Lampe von Osram und Philips, die im Bosch- und Hella-Xenonsystem des BMW E32 und von Hella im Audi V8 verwendet wurde, heute aber nicht mehr produziert wird. Seit 1994 wird die D2-Lampe im Audi A8 und im BMW E38 verwendet, sie wird heute noch in leicht abgewandelter Form produziert.

Xenonlicht-Projektionsscheinwerfer

1991 wurden in einem BMW der 7er-Reihe zum ersten Mal in einem Auto Gasentladungslampen (Bosch) als Xenonlicht angeboten, zuerst ausschließlich als Abblendlicht. Seit 2001 gibt es auch, zuerst im Mercedes CL, Xenon-Fernlicht im sogenannten Bi-Xenon-Scheinwerfer. Dabei wird für das Abblend- und Fernlicht dieselbe Lampe verwendet; es wird eine Blende aus dem Strahlengang geklappt und damit auf Fernlicht „umgeschaltet“.

Außerdem gibt es Xenonscheinwerfer mit integriertem Kurvenlicht oder Adaptive-Forward-Lighting-System, bei denen „mittels beweglicher Linsen gegenüber normalen Scheinwerfern eine verbesserte Ausleuchtung der Kurven erreicht“ wird.

Verbreitung und Verfügbarkeit

2007 waren in Deutschland 30 % der neuen Personenwagen^[1] mit Xenonscheinwerfern ausgestattet, laut DAT-Report 2008 ca. 15 % des gesamten Bestandes. Die Ausstattungsrate in den unteren Fahrzeugklassen ist geringer als in der Oberklasse.

Bei Bussen im Reiseverkehr ist die Ausstattungsquote bei Neuzulassungen hoch, bei LKW und Linienbussen dagegen gering. Der Einbau dieser Lampen soll aus Sicherheitsgründen nur von geschultem (Werkstatt-)Personal ausgeführt werden.

Funktionsweise

Defekter D2S-Xenonbrenner

Elektronisches Vorschaltgerät (EVG)

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. Diese senken vor allem die Farbtemperatur des eher violett leuchtenden Xenons auf die Tageslichtfarbe von etwa 5000 bis 6000 Kelvin ab. Genau genommen ist daher der Xenonbrenner eine Kombination aus Xenon-Gasentladungslampe und Halogenmetalldampflampe. Neuere Varianten kommen ohne Quecksilberanteil in der Füllung aus.

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.

Die Haltbarkeit von Xenonlampen beträgt etwa das Vierfache der Haltbarkeit von Halogenlampen. Da Xenonlampen Gasentladungslampen sind, lassen sich jedoch defekte Brenner nicht an einem durchgebrannten Glühdraht erkennen.

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; das 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

• 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.
• 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 etwa 20 bar (2 MPa) auf bis zu 100 bar (10 MPa).
• Übliche Vorschaltgeräte sind für Bordnetze von 12 und 24 V ausgelegt und für Brenner mit 21, 35 oder 50 W geeignet.
• Im Dauerbetrieb wird die Lampe häufig mit etwa 85 Volt bei 400 Hertz Rechteckschwingung 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 (also die Lichtfarbe) 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 aus dem Kfz-Bordnetz eine Wechselspannung. Der Entladungsstrom wird – unabhängig von der Versorgungsspannung – durch sie gesteuert. Der Wirkungsgrad dieser Vorschaltgeräte liegt bei etwa 90 %.
• Bei den so genannten Steckerstartern befindet sich die Zündeinheit zur Vermeidung von EMV-Problemen so dicht wie möglich an der Lampeneinheit.

Vergleich Glühlampe / Xenonlicht

Kfz-Xenonlampen sind Linienstrahler (→ Lichtspektrum), deren Linien jedoch fast zu einem Kontinuum angehäuft 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 der Zusatzbezeichnung „Xenon“ verkaufte Glühlampen besitzen lediglich einen Farbfilter, um das Licht bläulich erscheinen zu lassen. Es gibt auch Modelle mit einer Blaufärbung des Glaskolbens, um die höhere Farbtemperatur der Xenonentladungslampen etwas nachzuahmen, dabei wird die Lichtausbeute aber nicht erhöht.

Unterschiede der Brennerkategorien

Die Lampen, auch „Brenner“ genannt, werden in die Kategorien D1 , 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.

• D1S/R-Brenner verfügen über ein integriertes Zündteil.
• D1/D2S/R-Brenner bestehen nur aus dem gesockelten Brenner selbst.

Die Xenonlampe mit dem Kürzel D1 ist der Ur-Xenonbrenner. Nur er hat im Gegensatz zu allen anderen Entwicklungsstufen der automotiven Gasentladungslampen keinen äußeren Glasschutzkolben um das Entladungsrohr. Alle Weiterentwicklungen dieser Xenonlampe haben einen UV-Schutzkolben. Sie sind auch von der Bauform wesentlich stabiler.

Sehr oft verwechselt wird die alte D1 mit den heutigen D1-S/R-Brennern, die ein integriertes Zündmodul enthalten. Spricht man heute von einer D1-Lampe, ist in der Regel die aktuelle Bauform gemeint mit dem integrierten Zünder.

Als Weiterentwicklung der D1- und D2-Lampen werden seit einiger Zeit D3- bzw. D4-Lampen eingesetzt. Diese Kategorien kommen für eine bessere Umweltverträglichkeit ohne Quecksilber aus.^[2] 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.

• D3-Brenner verfügen über ein integriertes Zündteil.
• D4-Brenner bestehen nur aus dem gesockeltem Brenner selbst.

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 Reflexionssysteme, da sie weniger Platz brauchen.

Vorteile

• Helleres Licht: Xenonlampen erreichen deutlich höhere Lichtströme als herkömmliche Halogenlampen (H7 = max. 1500 lm (lm = Lumen), D2S-Xenon (Farbtemperatur 4200 K) etwa 3200 lm).
• Geringerer Energieverbrauch: Die Lichtausbeute ist bei Xenonlampen ungefähr dreifach höher (D2S etwa 91 lm/W gegenüber H7 etwa 26 lm/W). Im Dauerbetrieb weisen Xenonlampen eine geringere Leistungsaufnahme auf (35 Watt gegenüber 55 Watt bei den herkömmlichen Halogenlampen, z. B. H4 oder H7). Ist das Licht während 30 % der Motorenlaufzeit eingeschaltet, ergibt sich eine Reduktion des CO₂-Ausstoßes von ungefähr 1,3 g/km.
• Höhere Lebensdauer: die mittlere Lebensdauer einer Xenonlampe beträgt 2000 Stunden im Vergleich zu einer H7-Halogenlampe mit 450 Stunden. Diese durchschnittliche Lebensdauer wird in Deutschland unter Verwendung eines vom Kraftfahrt-Bundesamt definierten Schaltungszyklus ermittelt, der die Nutzungsbedingungen der Lampe im Straßenverkehr nachbilden soll.
• Höhere Leuchtdichte: Die Leuchtdichte ist bei einer Xenonlampe rund dreimal so hoch (D1S/D2S ca. 90 Mcd/m², wie bei H7 mit etwa 30 Mcd/m² / Mcd = Mega-Candela). Die Lichtabstrahlfläche ist bei gleichem Lichtstrom geringer, zudem erhitzt sich das Leuchtmittel weniger stark. Das ermöglicht kompaktere Bauformen der Scheinwerfer (Ellipsoid-Reflektoren und Sammellinsen).
• Tageslichtähnliche Lichtfarbe: Die höhere Farbtemperatur ergibt eine veränderte Lichtfarbe.

Nachteile

• Die Anschaffungskosten für Xenonlicht übertreffen – je nach Fahrzeugnutzung – oft die durch den besseren Wirkungsgrad eingesparten Kraftstoffkosten.
• Durch das nötige Vorschaltgerät erhöht sich die Komplexität im Vergleich zu Halogenlampen.
• Die Wartung – sofern nötig – muss immer in einer Fachwerkstatt durchgeführt werden.
• Insbesondere bei fehlerhafter Einstellung kann der Gegenverkehr stärker geblendet werden als mit anderen Scheinwerfern. Zwar ist für Xenon-Systeme eine automatische Leuchtweitenregulierung vorgeschrieben, jedoch hat diese keinen Einfluss auf eine eventuell fehlerhafte Grundeinstellung des Scheinwerfers. Bedingt durch die erwünschte größere Leuchtdichte des Xenonscheinwerfers kommt es im Vergleich zu Scheinwerfern mit Halogenglühlampen bei entsprechendem Straßenverlauf (an Kuppen sowie infolge des asymmetrischen Lichtkegels in Rechtskurven) aber auch bei korrekter Einstellung der Scheinwerfer zu größerer Blendung des Gegenverkehrs, da die Leuchtweitenregulierung den Straßenverlauf (bisher) nicht berücksichtigen kann.
• Die 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 ist dann jedoch noch immer doppelt so hoch wie die 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 etwa 30 auf 24 Mcd/m²), 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. 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 zugute kommen und nur in wenigen Modellen serienmäßig 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.^[3] [4] Diese Studie basiert auf offiziellen Zahlen der Bundesanstalt für Straßenwesen, wurde allerdings von einer Initiative der europäischen Beleuchtungshersteller in Auftrag gegeben und finanziert, ohne dass diese Tatsache in dem veröffentlichten Material offen ausgewiesen wurde.^[5] Es wurde nicht ermittelt, ob und wenn ja, wie viele zusätzliche Unfälle wegen Blendwirkung zu erwarten wären.

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

Bei Nebel und schlechter Sicht wirkt sich der hohe Blauanteil angeblich negativ auf den Kontrast und die Sichtweite aus, da kurzwelliges Licht an Nebel und Dunst stärker gestreut wird als das langwelligere Glühlicht. Dabei hat die Universität Surrey festgestellt, dass blaues Licht eine positive Auswirkung auf Angestellte im Büro hat: es macht munterer, steigert die Konzentrationsfähigkeit^[6]

Auch der Verkehrsexpertentag empfiehlt 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 werden eine automatische Leuchtweitenregulierung und eine Scheinwerferwaschanlage gefordert.
• Die Scheinwerferwaschanlage 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 Betriebserlaubnis des Fahrzeugs.^[7]
• 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 EG zugelassen sind, nicht die entscheidende Rolle, die im Anhang zur StVZO genannten Richtlinien sind maßgeblich.

Literatur

• Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3
• Robert Bosch (Hrsg): Autoelektrik Autoelektronik. 5. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-528-23872-8

Einzelnachweise

1. ↑ DAT-Report 2008, Deutsche Automobil Treuhand
2. ↑ http://www.techportal.de/uploads/publications/499/phystech62.pdf
3. ↑ Spiegel Online: TÜV-STUDIE: Xenonlicht senkt Unfallrisiko drastisch
4. ↑ Lebensretter Xenonlicht, TÜV Rheinland-Studie
5. ↑ Boocompany: TÜV Rheinland betreibt verdeckte PR für Automobilzulieferer-Lobby
6. ↑ "blue light to help alertness"
7. ↑ § 22a Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung (StVZO); - Umrüstung von Scheinwerfern mit Glühlampen auf Gasentladungslichtquellen

Weblinks

• Xenonlicht FAQ
• Über Xenonlicht auf kfztech.de