Bogenlampe

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Dieser Artikel beschäftigt sich mit der Bogenlampe als technische Anwendung eines Lichtbogens. Ein Begriff aus dem Sportjargon mit gleicher Bezeichnung wird unter Bogenlampe (Sport) beschrieben.

Die Bogenlampe (auch Kohlebogenlampe) ist eine technische Anwendung eines Lichtbogens als Lichtquelle. Im engeren Sinne werden hierunter an freier Luft brennende Lichtbögen mit Graphit-Elektroden (Kohlelichtbogen) verstanden.

Im weiteren Sinne bezeichnet man oft auch Hochdruck-Gasentladungslampen als Bogenlampen.

[Bearbeiten] Geschichte

Bogenlampen gehen auf die bereits um 1802 gemachte Entdeckung von Lichtbögen durch den Briten Humphry Davy zurück und waren die ersten elektrischen Lichtquellen. In den 1840er Jahren entwickelten William Edwards Staite und William Petrie eine Reihe verbesserter Bogenlampen. Die ersten systematischen Untersuchungen von Niederdruckentladungen (aus denen später Leuchtstofflampen hervorgingen) durch die Deutschen Plücker und Geißler begannen erst um 1856.

[Bearbeiten] Funktionsweise

Bogenlampe in Suchscheinwerfer um 1915

Bei der Kohlebogenlampe werden zwei Elektroden aus Kohle bzw. Graphit an Luft bei normalem Umgebungsdruck verwendet. Zwischen diesen brennt ein Lichtbogen bzw. eine Gasentladung.

Gezündet wird die Kohle-Bogenlampe durch kurzzeitiges Zusammenführen der Elektroden: durch die Erhitzung beim Kurzschluss und die hohe Feldstärke bei geringem Elektrodenabstand bildet sich ein Lichtbogen bzw. ein Plasma aus, wodurch die Elektroden bis zur Weißglut erhitzt werden. Die Kohleelektroden liefern den Großteil des Lichtes. Auch das Plasma zwischen den Elektroden leuchtet, es liefert jedoch im Gegensatz zu anderen Gasentladungslampen nur einen geringen Lichtanteil. Eine Bogenlampe ist daher ein Temperaturstrahler und hat ein entsprechend kontinuierliches Spektrum.

Kohlebogenlampen lassen sich sowohl mit Gleichspannung als auch mit Wechselspannung betreiben. Mit Gleichspannung brennen sie jedoch gleichmäßiger; die Elektroden brennen dann jedoch unterschiedlich schnell ab.
Der Elektronenbeschuss erzeugt auf der Anode (positive Elektrode) einen kleinen Krater, während die positiven Ionen die Kathode kegelförmig abtragen.
Die Anode heizt sich stärker auf als die Kathode. Wegen der höheren Belastung ist sie oft massiver ausgeführt als die Kathode. Für größtmögliche Helligkeit sollte die Anode im Brennpunkt des Reflektors der Lampe angeordnet sein.

Bogenlampen erfordern, wie jede Gasentladungslampe, eine Strombegrenzung. Die Strombegrenzung wurde bei Gleichspanungsbetrieb mit einem Widerstand und bei Wechselspannung mit einer Drossel erreicht.

Die Kohleelektroden erreichen die Sublimationstemperatur von Kohlenstoff (ca. 3000° C) und geben daher ein leicht gelbliches Licht. Dies wurde mit der Entwicklung der Beck-Kohlen verbessert: Durch einen Docht aus seltenen Erden (Yttrium u.ä.) in der Mitte der positiven Kohle lässt sich die Lichtausbeute steigern und ein tageslichtähnlicheres Licht erzeugen.

[Bearbeiten] Anwendung

Kohlebogenlampen waren lange Zeit die intensivsten künstlichen Lichtquellen. Sie wurden in Scheinwerfern (z.B. als Projektionslampen, auch als Flak-Scheinwerfer und Show-Anwendungen; „Lichtdom“) und in der Spektroskopie eingesetzt.

Die elektrischen Leistungen bewegten sich von einigen 100 Watt bis einige 10 Kilowatt.

Wegen des Abbrands ihrer Elektroden und der mechanischen Abstandsregulierung sind Kohle-Bogenlampen wartungsintensiv und werden, trotz ihrer einfachen Konstruktion, nur noch für Sonderaufgaben eingesetzt.

[Bearbeiten] Nachstellen der Kohlen

Weil die Kohlen während des Betriebs abbrennen, ist ein ständiges Aufeinander-Zubewegen der beiden Kohlestifte erforderlich. Ist dies bei sogenanter „Reinkohle“ (Kohlematerial mit relativ wenigen Beimischungen von die Leuchtkraft verstärkenden Salzen) dem Filmvorführer noch von Hand möglich (ca. 2 x pro Minute), muss bei Einsatz von sogenannter „Effektkohle“ (Kohlematerial mit relativ hohen Anteilen leuchtkraftverstärkender Salze) der Kohlevorschub automatisiert werden: Ein Uhrwerk- oder Schrittmotor bewegt die beiden Kohlestifte während des Lampenbetriebs kontinuierlich aufeinander zu.

Ein weiteres Beispiel für die automatische Nachführung der Kohlen zeigt das Bild eines FLAK-Scheinwerfers. Diese Nachstellung arbeitete derart, dass eine Linse das Leuchtzentrum bei fortschreitendem Abbrand auf einen Bimetallschalter abbildete, welcher einen Stellmotor steuerte.

Um eine gleichmäßige Ausleuchtung der Kino-Bildwand zu erreichen, musste der Vorführer die genaue Brennlage während der Vorführung überprüfen und nachregeln: Durch unterschiedliche Zugverhältnisse des Abzugkamins, der die entstehenden Rauchgase ins Freie leitet (Sommer/Winter), können die Kohlen schief abbrennen, was durch die Lageregelung der Achse der Minuskohle auszugleichen war. Ungleichmäßig schneller Abbrand der Kohlestifte, beispielsweise durch unterschiedliche Restfeuchte beim Lagern, lässt den Kohleabstand bei kontinuierlicher Nachsteuerung größer oder kleiner werden bzw. den Pluskrater aus dem Spiegelbrennpunkt auswandern, was ebenfalls von Hand nachgeregelt werden musste.

Zum Zünden des Lichtbogens fährt der Vorführer die Kohlestifte per Handrad auf Berührung zusammen und wieder auseinander.

Der Lichtbogen brennt nach 30 bis 60 Sekunden lichttechnisch stabil.