Wieso nimmt der Lichtstrom ab?

Innerhalb der ersten hundert Stunden nimmt der Lichstrom der HID Xenonlampe am schnellsten ab, dann reduziert sich die Abnahme mit der Zeit ein wenig. Dieses Verhalten des Leuchtmittels lässt vermuten, dass es sich um mehrere Prozesse handeln muss, die hier ablaufen. Bei den ersten Betriebsstunden ist es eher unwahrscheinlich, dass sich die Lampenelektroden auf eine bestimmte Länge einbrennen und verkürzen wobei sich Wolfram auf das Quarzglas niederschlägt. In der Lampe befinden sich Metalsalze, die in einem bestimmten Mischungsverhältnis dazugefügt sind, insbesondere das für das gelbe zuständige Na + . Durch die hohe Temperatur im Brenner wird ein gewisser Teil des Natriums in die Oberfläche des Quarzglases eindringen und als Filter aktiv. Ein Teil des Natriums dampft dabei wieder ab, die Schichtdicke wächst jedoch mit der Zeit langsam an. Die folgenden Bilder sollen den prinzipiellen Ablauf dabei zeigen:

Quarzglas besteht im wesentlichen aus einer Tetraedergrundstruktur von SiO2. Allerdings haben wir es nicht mit einer periodisch wiederkehrenden Struktur im Verbund zu tun. Es handelt sich um eine Flüssigkeit, die extrem zähflüssig unterhalb der Schmelztemperatur ist. Bild 4 entnommen aus "Ch. Kittel: Festkörperphysik.

Das Quarzglas aus Bild 4 hat im Vergleich zum perfekten Kristall aus Bild 30.6 Bereiche in denen leicht ein kleines Na + Ion springen kann. Bei hohen Temperaturen dotiert man auf diese Weise Gläser bzw. die Oberfläche. Bild entnommen aus "Ashcroft Mermin: Solid State Physics". Innerhalb des Wirtskristalls befinden sich jetzt überschüssige positive Na+ Ionen und die ziehen ein zusätzliches Elektron an, das lokal im Gitter gebunden wird und sich optisch aktiv verhält. Es gibt davon verschiedene Formen wie und in welcher räumlichen Struktur das genau im Detail gebunden wird, allgemein spricht man von einem Farbzentrum. Das Farbzentrum (F-center) kann Licht absorbieren, dass heisst Energie aufnehmen und auch wieder abgeben. Die Energie wird jedoch nicht wieder unbedingt in Form von Licht mit der gleichen Wellenlänge abgegeben das heisst gestreut, die Wirtsstruktur kann zu Schwingungen angeregt werden und zusätzlich erwärmt werden, so dass Licht der einfallenden Wellenlänge abnimmt.

Bild 30.5 entnommen aus "Ashcroft Mermin: Solid State Physics" zeigt das breitbandige Absorbtionsverhalten von Farbzentren innerhalb eines Wirtskristalls. Bei einem Glas könnte man wegen der nicht definierten Struktur sogar von noch einer breiteren Absorbtion ausgehen.

Bild 4 entnommen aus "Ch. Kittel: Festkörperphysik" zeigt verschiedene Möglichkeiten wie ein Diffusionsprozess innerhalb eines Festkörpers abläuft. Bei einem Glas wird dieser Prozess mit Hopping bezeichnet. Die Diffusion wird durch hohe Temperaturen begünstigt oder erst ermöglicht und ist statistich ungerichtet es findet also ein Konzentrationsausgleich statt.

Der Diffusionsprozess von z.B. Na+ muss vermieden, bzw verlangsamt werden, um eine weitere Abnahme der Transparenz des Quarzglases und der damit verbundenen Lichtabnahme zu verzögern.

  • Überhitzen der Lampe durch zu hohe elektrische Leistung vermeiden - 50W bevorzugt nur mit einer 50W Lampe wie z.B. der DL50 fahren.
  • Ein elektrisches Gegenfeld der Elektroden gegenüber der Umgebung, z.B. Metallreflektor soll die positiven Ionen in Richtung der Elektroden bzw. des Bogens anziehen und der Diffusion entgegen wirken. Deswegen wurde von den Lampenherstellern anfänglich die Forderung einer negativen Lampenausgangsspannung gegenüber Masse erhoben. Mittlerweile sind jedoch alle Vorschaltgeräte aus Kostengründen positiv polarisiert. Tatsächlich konnte ein Effekt auch nur im Labor wohl nachgewiesen werden, so dass bei den üblichen optischen Verbau kaum ein Effekt zu erwarten ist.

Der Alterungseffekt ist bei LEDs im Prinzip der Gleiche - allerdings fängt dieser schon bei 80°C junction an. Die LED nimmt dadurch direkt keinen Schaden in Bezug auf den Halbleiterübergang, sie verliert eben einfach an Wirkungsgrad Licht zu emittieren. Licht wird an den Störstellen des Kristalls reabsorbiert. Die Diode wird somit nach und nach zu einer Non Emitting Diode NED. Da dieser Alterungsprozess schon bei relativ niedrigen Temperaturen beginnt, ist die Notwendigkeit zu einer thermischen Überwachung der LEDs in Fahrzeugscheinwerfern zwingend erforderlich. Siehe dazu: LED-TEMPERATURE-PROTECTION