Wenn der Faden ab ist, ist noch lange nicht Feierabend

Diese kleine 20-Watt-Halogen­birne, Typ G4, aus meiner Schreib­tisch­lampe hat nach vielen Jahren treuen Dienstes einen Faden­bruch erlitten. Es ist zwar kaum zu sehen, doch die Wolfram­spiale ist in der Mitte durch­gebrochen. Eine Neue muss her. Das mit der alten läßt sich schön experi­men­tieren.

Der Glaskolben der Birne ist mit einem Halogen­gas von ganz geringem Druck gefüllt. Da sollte es doch möglich sein, wie bei einer Glimm­lampe eine Gasent­ladung zwischen den beiden Faden­hälfte zu zünden, nicht wahr? Dazu braucht es freilich eine höhere Span­nung als die 12 Volt, für die diese Birne eigent­lich gemacht worden ist. Zu diesem Zweck schließe ich sie an mein altes Heathkit PS3 Labor­netz­gerät an, das bis zu 500 V stabili­sierte Gleich­spannung liefern kann.

Und tatsäch­lich: schon bei 250 Volt zündet die Halogen­birne! Dabei hilft es, die Birne mit dem Schrauben­zieher leicht zu beklopfen. Zwischen den Enden des Glüh­fadens an der Bruch­stelle entsteht ein gleißend heller Licht­bogen, wobei bis zu 40 mA fließen. Der Wolfram­draht erhitzt sich zur Weiß­glut. Zur Strombe­grenzung habe ich einen kerami­schen Wider­stand von 2 kΩ und 10 Watt Leistung in den Strom­kreis geschaltet.

Zum Glück habe ich noch ein paar solche Birnen auf Vorrat. Einst waren Halogen­birnen die Vorreiter der ökono­mischen Wohnungs­beleuch­tung, denn sie sind effi­zienter als gewöhn­liche Glüh­birnen. Doch heute werden sie zunehmend durch LED-Licht verdrängt, das bei gleicher Licht­menge noch weitaus weniger Strom ver­braucht.

Hier die Betriebs­kenn­linie der Gasent­ladung: der Strom als Funktion der anlie­genden Spannung. Wie man sieht, ist die Kenn­linie negativ: je höher die Span­nung, um so niedriger wird der Strom:

Ich konnte die Brenn­spannung bis auf nur 40 V absenken. Der Strom beträgt bei 40 V ungefähr 30 mA. Das sind 1,2 Watt Leistung und reicht aus, um die Enden des Wolfram­drahts auf Weißglut zu halten. Bei 80 V fließen nur 9 mA. Das sind also nur 0.72 Watt, weniger als bei 40 V. Die Gasent­ladung erlischt erst, wenn der Wolfram­faden zu stark abkühlt. Zum Zünden der Gasent­ladung brauchte ich etwa 200 bis 250 V.

Die Mess­schaltung für die Kennlinie. Die Mess­spannung für den Lampen­strom wird an einem 1-kΩ-Wider­stand abge­griffen.

Schwinungen hoher Frequenz überlagern den Lampenstrom

Mit dem Oszilloskop kann man erkennen, dass dem Lampen­strom ein impuls­förmiger Hoch­frequenz­strom über­lagert ist. Die Zeitbasis ist auf 2,5 µs pro Teilung eingestelt. Die obere Kurve zeigt den Spannungs­verlauf: Impulse von 0,5 µs Länge, dann 2 µs Ruhe. Die Ampli­tude der Impulse liegt bei knapp 5 V. Die Fre­quenz ist 330 kHz. Sie hängt von der Span­nung ab. Die untere Kurve zeigt den Strom­verlauf. Die Impuls­spitzen lagen um etwa 0,5 mA über dem Grund­strom.
Könnte es sein, dass der positive Strom­impuls ein klein wenig früher ist als der nega­tive Spannungs­impuls, viel­leicht um eine zehntel Mikro­sekunde? Schwer zu sagen. Das werden wir unten unter­suchen.

Die Frequenz der Schwingungen

Die Tatsache, dass Schwing­ungen ent­stehen, ist an sich nicht über­raschend. Es ist wie bei einer Glimm­lampe, die an einem sich aufla­denden Konden­sator hängt und perio­disch zündet. Über­raschend ist her die hohe Frequenz. Ich konnte mit der Halogen­birne bis zu 1,7 MHz erzeu­gen. Das war bei nied­riger Brenn­spannung unter 50 V der Fall. Höhere Span­nungen ergaben nied­rigere Fre­quen­zen. Bei 85 V sind es nur noch 900 kHz.

Reguläre Schwingungen

Dieses Oszillo­gramm habe ich dann im xy-Modus aufge­nommen. Es zeigt den momen­tanten Strom I(t) als Funktion der momen­tanen Spannung U(t). Wenn wir dieses Oszil­logramm mit dem von oben vergleichen, das U(t) und I(t) auf der linea­ren Zeit­achse darstellt, dann müssen wir beachten, dass die ovale Schleife die kurzen Impulse reprä­sentiert, also zeitl­ich gegen­über dem inaktiven Rest der Schwin­gungs­periode zeit­lich gedehnt ist. Die ovale Gestalt des Graphen zeigt an, dass der Strom­impuls gegen­über dem Span­nungs­impuls etwas voraus­läuft.

Also ist es tatsäch­lich wahr: der Strom­impuls eilt dem Spannungs­impuls etwas voraus. Es ist so wie wenn da eine Kapa­zität ist, die sich lang aufläd und dann stoß­weise ent­laden wird. Diese Kapa­zität ist sehr klein. Es könnte sich um die Leitungs­kapa­zität des Schal­tungs­aufbaus handeln, oder viel­leicht liegt es an der Flug­zeit der Gasionen, die im elek­trischen Feld zwischen den Bruch­kanten des Wolfram­fadens fließen.

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Chaotische Schwingungen

Doch dann gibt es eine Über­raschung, Perio­denver­dopplung: aus dem Oval wird eine inei­nander­geschla­gene Acht.

Der Strom­verlauf wieder­holt sich erst nach zwei Perio­den der Schwin­gung. Diese Perioden­verdopplung ist ein untrüg­liches Zeichen für ein sich anbah­nendes chaotisches Verhal­ten des Oszil­lators. Das ver­dient weitere Experi­mente. Ausführ­liche Unter­suchungen habe wir in diesem Abschnitt schon mit Röhren- und Tran­sistor­oszil­latoren gemacht.

Hier sieht man, dass die Schwin­gungen sogar zwei Perio­denver­dopp­lungen gemacht haben: Erst nach vier Perio­den schließt sich die Kurve wieder.