Hans Martins Bastelseiten
Durchgebrannte Halogenbirne als Gasentladungs-Oszillator Glühbirnen sind noch lange nicht kaputt, wenn der Faden durch ist! Letzte Änderung: 12.4.2024 |
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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.
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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. |
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 hier 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 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 langsam 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. |
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. |