Xenonscheinwerfer

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

Xenonscheinwerfer

Geschichte

Seit 1991 wird die Gasentladungslampe bei Autos 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 (zuerst im Mercedes CL). 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“.

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 %.^[1] 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. 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 geschehen kann.

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 sollen vor allem die Farbtemperatur des eher lila leuchtenden Xenons auf die Tageslichtfarbe von etwa 5000 bis 6000 Kelvin absenken. Genau genommen ist daher der Xenonbrenner eine Kombination aus Xenon-Gasentladungslampe und Halogenmetalldampflampe.

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. Sie halten viermal so lange wie 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.
• 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 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 (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 eine Wechselspannung aus dem Kfz-Bordnetz. 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 EMI so dicht wie möglich an der Lampeneinheit.

Vergleich Glühlampe/Xenonlicht

Spektrum einer D2-Xenonlampe

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.

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^[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.

• 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

• 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 höher (D1S/D2S ca. 90 Mcd/m² gegenüber H7 etwa 30 Mcd/m² / Mcd = Mega-Candela). Die Lichtabstrahlfläche ist bei gleichem Lichtstrom geringer, zudem erhitzt sich das Leuchtmittel weniger stark. Dies ermöglicht kompaktere Bauformen der Scheinwerfer (Ellipsoid-Reflektoren und Sammellinsen).
• Tageslichtähnliche Lichtfarbe: Die höhere Farbtemperatur ergibt eine veränderte Lichtfarbe, welche die Ermüdung des Fahrers verlangsamen soll (Studienergebnis).

Nachteile

• Die Anschaffungskosten für Xenonlicht übertreffen – je nach Fahrzeugnutzung – oft die durch besseren Wirkungsgrad eingesparten Kraftstoffkosten.
• Das nötige Vorschaltgerät hat eine Leistungsaufnahme von 10 bis 15 Watt, somit ist der Gesamtenergieverbrauch kaum besser als bei Halogenlampen.
• Die Wartung – sofern nötig – muss immer in einer Fachwerkstatt durchgeführt werden; auch hierdurch entstehen Kosten.
• Insbesondere bei inkorrekter Einstellung kann eine stärkere Blendwirkung des Gegenverkehrs erfolgen. Zwar ist für Xenon-Systeme eine automatische Leuchtweitenregulierung vorgeschrieben, jedoch kann diese eine eventuell fehlerhafte Grundeinstellung des Scheinwerfers nicht kompensieren. Bedingt durch die erwünschte größere Leuchtdichte des Xenonscheinwerfers kommt es bei entsprechendem Straßenverlauf (an Kuppen sowie infolge des asymmetrischen Lichtkegels in Rechtskurven) aber auch bei korrekter Einstellung der Scheinwerfer zu größerer Blendung des Gegenverkehrs (im Vergleich zu Scheinwerfern mit Halogenglühlampen), 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 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 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 zugutekommen 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, ist allerdings von einer Initiative der europäischen Beleuchtungshersteller in Auftrag gegeben und finanziert worden, ohne dass dies in dem veröffentlichten Material offen ausgewiesen wurde.^[5] Es wurde nicht ermittelt, ob und wenn ja, wie viele zusätzliche Unfälle wegen Blendwirkung entstehen.

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 definitiv unangenehmer ist. Da mehr Licht bei regennasser Fahrbahn zwangsweise 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 Siehe "blue light to help alertness"

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 wird 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 Allgemeinen Betriebserlaubnis des gesamten Fahrzeugs.^[6]
• 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 entscheidende Rolle.

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. ↑ § 22a Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung (StVZO); - Umrüstung von Scheinwerfern mit Glühlampen auf Gasentladungs-Lichtquellen

Weblinks

• Xenonlicht FAQ
• Über Xenonlicht auf kfztech.de