DE10101852A1

DE10101852A1 - Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE10101852A1
Application number: DE10101852A
Authority: DE
Inventors: Frank Auer; Michael Lenz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2002-04-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem ersten und einem zweiten Anschluss (1, 2), an denen eine Netzspannung anglegbar ist, DOLLAR A mit einer Lampe (3), die eine Glühwendel aufweist, an der eine Lampenspannung abfällt, DOLLAR A mit einem steuerbaren Halbleiterschalter (4), dessen Laststrecke in Reihe zu der Glühwendel und zwischen dem ersten und zweiten Anschluss (1, 2) geschaltet ist, DOLLAR A mit einer den Steueranschluss des Halbleiterschalters (4) ansteuernden Steuereinrichtung (5), die einen Laststrom des Halbleiterschalters (4) derart steuert, dass der zeitlich gemittelte Wert der Lampenspannung kleiner ist als die Netzspannung, wobei die Ansteuerung des Steueranschlusses (G) des Halbleiterschalters (4) über gepulste Steuersignale (VG) durch die Steuereinrichtung (5) erfolgt und wobei der Tastgrad (T) der Steuersignale (VG) abhängig ist von der Netzspannung (Vin).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Glühlampe.

Glühlampen kommen in den vielfältigsten Anwendungen zum Ein satz, so zum Beispiel in Kraftfahrzeugen als Fahrzeugbeleuch tung. Speziell im Kraftfahrzeugbereich ist eine hohe Zuver lässigkeit der Fahrzeugbeleuchtung von Bedeutung. Die Glüh lampen sind insbesondere beim Einschalten einer hohen Belas tung ausgesetzt, da im Moment des Einschaltens die Wahr scheinlichkeit einer Zerstörung der Glühlampe am höchsten ist.

Die Ursache hierfür besteht darin, dass Glühlampen, das heißt eigentlich deren Glühwendel, im kalten Zustand einen niedri gen Widerstand aufweisen. Unter einem kalten Zustand ist hierbei in etwa Umgebungstemperatur zu verstehen. Dies führt dazu, dass der Strom beim Anlegen der Versorgungsspannung an die Glühlampe sehr hohe Werte erreicht. Dieser sogenannte Einschaltstrom kann bis etwa eine Größenordnung über dem Lam penstrom im Normalbetrieb liegen. Entsprechend der Höhe des Lampenstromes ist auch die aufgenommene Spitzenleistung ent sprechend hoch. Dies ist insbesondere bei Spannungsquellen mit einem niedrigen Innenwiderstand, wie zum Beispiel bei Batterien im Kraftfahrzeug, der Fall. Bei jedem Einschaltvor gang wird die Wendel von der Umgebungstemperatur auf Tempera turen bis 1000°Celsius aufgeheizt. Dieser Aufheizvorgang findet in einer verhältnismäßig kurzen Zeitspanne statt und bewirkt einen starken mechanischen Stress für die Wendel.

Die Lebensdauer einer Glühlampe hängt deshalb sehr stark von den Betriebsbedingungen (anliegende Spannung, Lampenstrom, Glühwendeltemperatur) beim Einschalten ab.

Auch im eingeschalteten Zustand schwankt die Leistungsaufnah me der Glühlampe erheblich, wenn sich die Betriebsspannung erhöht. Die aufgenommene Leistung steigt bei konstantem Wi derstand des Wendels während des Betriebes im Quadrat mit der Spannung an. Dadurch, dass die Erwärmung aufgrund der erhöh ten Leistungsaufnahme des Widerstandes der Wendels ansteigen lässt und somit eine überproportional hohe Leistungsaufnahme verhindert, wird gleichermaßen eine Zerstörung der Glühwen dels verhindert.

Im folgenden wird der Zusammenhang zwischen der Speisespan nung, dem Lampenstrom und der aufgenommenen Leistung anhand eines Beispieles näher erläutert:
Eine Glühlampe mit einer Nennleistung von 25 Watt wird in ei nem Kraftfahrzeug betrieben. Die von der Batterie des Kraft fahrzeugs gelieferte Spannung kann zwischen 8 und 18 Volt schwanken, wobei typischerweise ein Wert von 12 Volt als Be triebsspannung an der Glühlampe anliegen wird. Die Betriebs spannung kann zum Beispiel abhängig von der Belastung des Ge nerators (Lichtmaschine) schwanken. Die Glühlampe hat einen Kaltwiderstand (Widerstand bei Umgebungstemperatur) von ca. 0,5 Ω und nimmt deshalb im ungünstigsten Fall (18 V) einen Spitzenstrom von 36 Ampere auf. Durch den hohen Lampenstrom wird die Wendel der Glühlampe sehr schnell aufgeheizt. Hier durch fällt der Lampenstrom in wenigen Millisekunden auf den Brennstrom (Lampenstrom während des Normalbetriebs) ab. Der Brennstrom liegt bei einer Nennspannung von 12 V bei ca. 25 W/12 V = 2,1 Ampere. Bei einer Erhöhung der Betriebsspannung auf 18 V erhöht sich der Lampenstrom auf ca. 2,5 Ampere. Die von der Glühlampe aufgenommene Leistung ist somit bereits auf 18 V 2,5 Ampere = 45 W angestiegen, was einer Leistungszunahme von mehr als 75% entspricht. Hierdurch bedingt leuchtet die Glühlampe viel heller als während des gewünschten Nennbetrie bes bei 12 V. Andererseits leuchtet die Glühlampe bei Unter spannung weniger hell, was beim Kraftfahrzeug ein Sicher heitsrisiko darstellt.

Bedingt durch die physikalischen Eigenschaften einer Glühlam pe kann die Lebensdauer durch das eben beschriebene "harte Einschalten" oder durch eine Überspannung stark beeinträch tigt werden. Durch eine Schwankung der Betriebsspannung wäh rend des Normalbetriebs ist die Helligkeit der Lampe nicht einheitlich, was insbesondere beim Einsatz im Kraftfahrzeug von Nachteil ist. Bei einer Überspannung findet zudem eine erhöhte Leistungsaufnahme statt, was bei einem Kraftfahrzeug letztendlich zu einem höheren Kraftstoffverbrauch führt. Sol che Glühlampen werden daher entweder mit mechanischen oder elektronischen Schaltern in der oben beschriebenen Weise ein geschaltet, das heißt der Lampenstrom wird im wesentlichen durch den Kaltwiderstand der Glühlampe bestimmt, womit aller dings die dadurch bedingten Nachteile, insbesondere eine deutlich geringere Lampenlebensdauer, in Kauf genommen werden müssen.

Eine andere Maßnahme, die Stromanstiegsgeschwindigkeit und damit den Spitzenstrom zu Beginn des Aufwärmprozesses zu sen ken, wäre ein langsames, nachfolgend auch als sanftes Ein schalten bezeichnetes Einschalten des elektronischen Schal ters. Die dabei im Schalter auftretende mittlere Leistung ist sehr gering.

Eine Lampenansteuerschaltung zum sanften Ansteuern einer Glühlampe ist beispielsweise in dem Artikel "Niedervolt- Lampenschoner" von J.J. Paauwe, Elektor 7-8/92, Seiten 115- 116, beschrieben.

Derartige Ansteuerschaltungen weisen im Leitungskreis typi scherweise nicht vernachlässigbare Induktivitäten im µH- Bereich auf. Diese Induktivitäten, die parasitäre Leitungsin duktivitäten sind oder als Induktivität eines Tiefsetzsteller ausgebildet sind, werden zur Begrenzung des Stromanstieges benötigt. Allerdings bewirken sie auch induktive Überschwin ger im Laststrom bzw. der Lampenspannung. Diese Überschwinger bewirken eine unerwünschte EMV-Abstrahlung, die es zu verhin dern gilt. Die Abkommutierung der in der Induktivität gespei cherten Energie kann auch durch eine parallel zur Induktivi tät angeordneten Freilaufdiode) bewerkstelligt werden.

Darüber hinaus ist die in dem genannten Artikel von J.J. Paauwe beschriebene Schaltungsanordnung ausschließlich dazu ausgelegt, bei einer vorgegebenen Netzspannung (24 V) eigens dafür ausgelegte Lampen (24 V) mit gleicher Nennspannung zu verwenden.

Bei Kraftfahrzeuganwendungen geht jedoch der Trend von heut zutage verwendeten 12 V-Bordnetzen hin zu 42 V-Bordnetzen. Wollte man spezielle Glühlampe für ein solches 42 V-Netz her gestellten, so müsste der Widerstand der Wendel sehr viel größer ausgebildet sein. Dies lässt sich entweder durch eine dünnere Wendel oder aber durch einen längeren Wendel reali sieren, wobei die Glühwendel bei beiden Varianten unerwünsch terweise mechanisch wesentlich instabiler ist. Besonders vor teilhaft wäre ferner, noch preiswertere bzw. noch stabilere Wendel bei auf Wendelpreis bzw. Wendelzuverlässigkeit opti mierte Glühbirnen einzusetzen.

Möchte man jedoch die heute in großen Stückzahlen gefertigten 12 V-Glühlampen weiter verwenden oder möchte man auf Stand zeit-Preis optimierte Wendel mit ggf. noch geringeren Nenn spannungen einsetzen, müsste beispielsweise ein Tiefsetzstel ler mit einer Induktivität ähnlich dem bei J.J. Paauwe ver wendet werden. Dies ist schon alleine aus wirtschaftlichen Gründen nicht vorteilhaft. Zum anderen würde bei zentraler Anordnung des Tiefsetzstellers die doppelte Verkabelung benö tigt, nämlich jeweils eine für die 42 V-Verbraucher und eine weitere für die 12 V-Verbraucher. Zudem würde man dann die Kurzschlussfestigkeit der beiden Spannungssysteme nur mit ei nem zusätzlichen, erheblichen Aufwand in den Griff bekommen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanord nung zum Ansteuern einer Glühlampe bereitzustellen, die auf einfache Weise ein sanftes Ansteuern einer Lampe ermöglicht. Die Schaltung sollte ferner eine zuverlässige Ansteuerung er möglichen und weitestgehend unabhängig von der Höhe der Be triebsspannung eine gleichmäßige Helligkeit der Glühlampe ge währleisten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsan ordnung zum Ansteuern einer Glühlampe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Demgemäss ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen mit einem ersten und einem zweiten Anschluss, an denen eine Netzspan nung anlegbar ist, mit einer Lampe, die eine Glühwendel auf weist, an der eine Lampenspannung abfällt, mit einem steuer baren Halbleiterschalter, dessen Laststrecke in Reihe zur Glühwendel und zwischen dem ersten und zweiten Anschluss ge schaltet ist, mit einer den Steueranschluss des Halbleiter schalters ansteuernden Steuereinrichtung, die einen Laststrom des Halbleiterschalters derart steuert, dass der zeitlich ge mittelte Wert der Lampenspannung kleiner ist als die Netz spannung, wobei die Ansteuerung des Steueranschlusses des Halbleiterschalters über gepulste Steuersignale durch die Steuereinrichtung erfolgt und wobei der Tastgrad der Steuer signale abhängig ist von der Netzspannung.

Der größte Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht zweifelsohne darin, dass Lampen, die derzeit z. B. für den 12 V-Betrieb optimiert sind, für beliebige Netze mit höhe rer Netzspannung betrieben werden können. Beispielsweise könnten dann herkömmliche und daher weit verbreitete 12 V- Lampen oder die oben genannten optimierten Lampen auch in ei nem Kraftfahrzeug mit 42 V-Bordnetz, welches wohl zukünftig zum Einsatz kommt, verwendet werden. Dies ermöglicht hohe Kosteneinsparungen und darüber hinaus auch eine sehr hohe Flexibilität.

Erfindungsgemäß ist bei der vorliegenden Erfindung keine In duktivität im Lastkreis, z. B. in Form eines Tiefsetzstellers, vorgesehen. Auf diese Weise ist die Schaltung sehr kosten günstig herstellbar.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanord nung besteht darin, dass bei Änderungen der Netzspannung Vin die Frequenz oder der Tastgrad T für die jeweilige Anwendung passend nachgeregelt wird. Weil die verwendeten Wendel der Glühlampe bekannt sind, ist deshalb auch keine Strommessung, z. B. über einen Shuntwiderstand, notwendig. Ist ferner die Masse m des Wendels und seine spezifische Wärmekapazität c bekannt, so kann das Steuergerät auf die bei jedem Einschal ten nötige Energiemenge A = m.c.T eingestellt werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei einer ratiomet rischen Einstellung des Tastgrades bzw. der Frequenz zur Speisespannung die entsprechenden Glühlampen bei sehr stark schwankenden Spannungen betrieben werden können. Somit bleibt die Helligkeit und die damit aufgenommene Leistung weitgehend konstant.

Der Tastgrad hängt typischerweise von der Netzspannung und/oder von der Temperatur der Schaltungsanordnung ab. Vor teilhafterweise ist der Tastgrad gleich dem Verhältnis von Netzspannung zu Lampenspannung. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Tastgrad in der Steuereinrichtung einstellbar und/oder programmierbar ist. Auf diese Weise ist eine sehr hohe Flexibilität im Betrieb der Schaltung möglich.

Vorteilhafterweise regelt die Steuereinrichtung den Strom so, dass die Temperatur der Wendel stetig ansteigt bis zum Errei chen der Betriebstemperatur im Normalbetrieb.

Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass der Strom nicht durch den Kaltwiderstand der Wendel der Glühlampe be stimmt wird, sondern durch die Steuereinrichtung während der Einschaltphase. So lange der Widerstand der Wendel noch ge ring ist, wird zunächst ein geringer Lampenstrom beaufschlagt und anschließend bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Wendels durch die Steuereinrichtung auf den Brennstrom er höht. Hierdurch lässt sich die Zuverlässigkeit des Gesamtsys tems stark erhöhen, da zu hohe mechanische Belastungen, die durch rasches Aufheizen auftreten, vermieden werden können. Die Stromanstiegsgeschwindigkeit, d. h. die Änderung der Höhe des Strommittelwertes, wird so gewählt, dass sich die Wendel der Glühlampe rasch erwärmt und der in die Glühlampe einge prägte Leistungsanstieg ebenfalls gering bleibt. Die Glühwen del kann somit schonend erwärmt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Steuereinrich tung zumindest einen Pulsweitenmodulator auf, der über eine Treibereinrichtung den Halbleiterschalter in Abhängigkeit des ersten Versorgungspotentials steuert. Hierdurch ist die Glüh lampe mit beliebigen Versorgungspotentialen betreibbar. Dies ermöglicht zum einen das Ausregeln von Spannungsschwankungen am ersten Versorgungspotentialanschluss. Eine erhöhte Be triebsspannung wird beispielsweise ratiometrisch vom Pulswei tenmodulator zum Ansteuern des Halbleiterschalters verwendet, so dass der durch die Glühlampe fließende Strom in entspre chender Weise reduziert wird und eine konstante Leistung in der Glühlampe umgesetzt wird. Zum anderen ist es möglich, ei ne auf eine Betriebsspannung von 12 V ausgelegte Glühlampe in einem 42 V-Bordnetz zu verwenden. Hier wird in entsprechender Weise der Strom mittels des Pulsweitenmodulators durch die Glühlampe so gesteuert, dass die vorgesehene Nennleistung um gesetzt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung variiert der Pulsweitenmodulator nach Maßgabe einer zeitlichen Ablaufsteu erung den Tastgrad durch, dass ein gewünschter Strommittel wert durch den Halbleiterschalter erzeugt wird. Alternativ ist es auch möglich, dass der Pulsweitenmodulator nach Maßga be einer zeitlichen Ablaufsteuerung die Pulsfolgefrequenz zur Erzeugung eines Strommittelwertes durch den Halbleiterschal ter variiert. Unter dem Tastgrad T ist das Verhältnis der Zeiten T_Puls zu T_Pause zu verstehen, wobei mit T_Puls die Zeitdau er, in der der Halbleiterschalter leitend geschaltet ist und mit T_Pause die Zeitdauer, in der der Halbleiterschalter ge sperrt ist, bezeichnet mit. Der Tastgrad T bezieht sich je weils auf eine feste Frequenz f und genügt den folgenden Gleichungen:

Die zeitliche Ablaufsteuerung wird vorteilhafterweise in Ab hängigkeit von der Masse und der spezifischen Wärmekapazität der Glühwendel ausgelegt. Durch die Kenntnis der Masse und der spezifischen Wärmekapazität einer Glühwendel ist man in der Lage, zu jeder beliebigen Versorgungsspannung den Tast grad zur Erzeugung des jeweils passenden Strommittelwertes festzulegen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung un ter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt dabei:

Fig. 1 das verallgemeinerte Schaltbild der erfindungsgemä ßen Schaltungsanordnung;

Fig. 2 den Verlauf des zeitlich aufintegrierten Lampen stromes (a) und den Verlauf der Wendeltemperatur (b) beim Einschalten einer Glühlampe nach dem Stand der Technik (Kurve A) und gemäß der Erfindung (Kur ve B);

Fig. 3 einige Signal-Zeit-Diagramme, die den Tastgrad, den Lampenstrom und die Ausgangsspannung einer erfin dungsgemäßen Schaltungsanordnung zeigen;

Fig. 4 die Abhängigkeit des Tastgrades von der Netzspan nung (a) und von der Temperatur (b).

In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktions gleiche Elemente - sofern nichts anderes angegeben ist - mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.

Fig. 1 zeigt das verallgemeinerte Schaltbild der erfindungs gemäßen Schaltungsanordnung, die als Lampenansteuerschaltung für eine Glühlampe ausgebildet ist. In Fig. 1 sind mit 3 ei ne Glühlampe mit einer Glühwendel bezeichnet. Ferner ist mit 4 ein Halbleiterschalter bezeichnet, der mit seiner Laststre cke in Reihe zu der Glühlampe 3 angeordnet ist. Diese in Rei he geschalteten Halbleiterschalter 4 und Glühlampe 3 sind zwischen zwei Anschlüssen 1, 2 geschaltet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der erste Anschluss 1 das positive Versorgungspotential Vbb und der zweite Anschluss 2 das Po tential der Bezugsmasse GND auf. Zwischen den Anschlüssen 1, 2 liegt somit die Netzspannung Vin an. Der Mittelabgriff der Reihenschaltung aus Halbleiterschalter und Glühlampe ist für den Ausgangsanschluss 9 vorgesehen, an dem das Ausgangssignal V_out abgreifbar ist.

In Fig. 1 ist der Halbleiterschalter 4 in sogenannter Low- Side-Konfiguration ausgeführt, dass heißt die Last - also die Glühlampe 3 - ist mit dem Lastanschluss D verbunden, der auf hohem Potential liegt, während der andere Lastanschluss S des Halbleiterschalters 4 mit dem Potential der Bezugsmasse GND verbunden ist. Es ist jedoch auch denkbar, die Erfindung in einer High-Side-Konfiguration auszuführen, das heißt, die Glühlampe 3 zwischen dem Halbleiterschalter 4 und dem zweiten Anschluss 2 anzuordnen. Der Halbleiterschalter 4 ist in Fig. 1 als MOSFET ausgeführt. Jedoch kann statt eines MOSFETs selbstverständlich auch jeder andere steuerbare Halbleiter schalter 4, beispielsweise ein IGBT, JFET, Thyristor, Bipo lartransistor oder dergleichen, Verwendung finden. Vorzugs weise wird als Halbleiterschalter 4 ein sogenannter intelli genter Halbleiterschalter 4 eingesetzt, der neben seiner Mög lichkeiten, den Laststrom I_L zu schalten auch zusätzliche Funktionalitäten, wie zum Beispiel Übertemperaturschutz, Kurzschlussschutz, Schutz vor Verpolung und dergleichen, ent hält.

Parallel zu der Reihenschaltung aus Halbleiterschalter 4 und Glühlampe 3 und somit ebenfalls zwischen den Anschlüssen 1, 2 ist ein Ladekondensator 10 vorgesehen. Der Ladekondensator 10 ist gegen Masse GND geschaltet und glättet die rechteckförmi ge Pulsstromaufnahme der Glühlampe 3. Der aus der Netzspan nung VIN entnommene Strom I_IN wird dadurch dreieckförmig. Der Kondensator 10 wirkt somit als Puffer.

Ferner ist eine Steuereinrichtung 5 vorgesehen. Die Steuer einrichtung 5 enthält einen Oszillator 8, einen Pulsweitenmo dulator 6 und eine Treibereinrichtung 7. Die Steuereinrich tung 5 bzw. der Pulsweitenmodulator 6 ist eingangsseitig mit dem ersten Anschluss 1 verbunden. Ausgangsseitig ist die Steuereinrichtung 5 mit dem Steueranschluss G des Halbleiter schalters 4 verbunden. Die Steuereinrichtung 5 und der Halb leiterschalter 4 können monolithisch integriert auf einem Halbleiterchip 11 vorgesehen sein, wie dies in der vorliegen den Fig. 1 strichliert angedeutet ist.

Dem Pulsweitenmodulator 6 wird über den Anschluss 1 ein Ein gangssignal und über den Oszillator ein Taktsignal eingekop pelt, so dass er ausgangsseitig die Treibereinrichtung 7 mit einem getakteten Eingangssignal ansteuert. Die Treiberein richtung 7 steuert den Steueranschluss G des Halbleiterschal ters 4 mit einem Steuersignal VG derart an, dass deren Gate kapazität wechselweise umgeladen wird, wodurch der Halblei terschalter 4 in den leitenden beziehungsweise gesperrten Zu stand versetzt wird. Mittels der Steuereinrichtung 5 wird der Halbleiterschalter 4 also abhängig von der Eingangsspannung Vin so angesteuert, dass ein Laststrom I_L durch den Halblei terschalter 4 bzw. der Glühlampe 3 fließt und somit eine Spannung U_L über der Lampe 3 abfällt, deren Mittelwert der geforderten Nennleistung der Glühlampe 3 entspricht.

Idealerweise ist keinerlei Induktivität im Lastzweig, dass heißt zwischen den Anschlüssen 1, 2, dargestellt. Realerweise existieren jedoch Induktivitäten, die sich aus den Leitungs induktivitäten der Zuleitungen ergeben. So existiert eine erste Induktivität 14 zwischen dem Anschluss 1 und dem Lade kondensator 10, eine zweite Induktivität 12 zwischen Ladekon densator 10 und Lampe 3 und eine dritte Induktivität 13 zwi schen Lampe 3 und Halbleiterschalter 4. Die parasitären In duktivitäten 12, 13 sind unerwünscht und es gilt sie zu vermeiden.

Der Einfluss der ersten Induktivität 14 ist von geringer Be deutung, da sie zusammen mit dem Ladekondensator 10 einen Tiefpass darstellt, der die erwähnten pulsartigen Ströme durch die Lampe 3 glättet. Die zweite und dritte Induktivität 12-13 sind vernachlässigbar klein, indem die jeweiligen Zu leitungen erfindungsgemäß auf ein Minimum reduziert werden. So sind vorteilhafterweise die Glühlampe 3 und der Halblei terschalter 4 bzw. der Halbleiterchip 11 in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander angeordnet, da hierdurch Verdrah tungsinduktivitäten zwischen der Glühlampe 3 und dem Halblei terchip 11 eliminiert werden können. Induktive Überschwinger durch das hochfrequente Schalten des Halbleiterschalters 4 werden dadurch weitestgehend reduziert.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn beispielsweise der Halb leiterschalter 4 bzw. der Halbleiterchip 11 in das Gehäuse der Glühlampe 3 integriert ist. Eine derartige Anordnung, bei der Mechanik und Elektronik in einem Gebilde vereint sind, wird auch als Mechatronic bezeichnet. Der Vorteil einer sol chen Anordnung besteht darin, dass der Halbleiterschalter 4 bzw. die jeweilige Steuereinrichtung 5 die Betriebstemperatur der Lampe direkt erfassen kann. Hierzu ist erfindungsgemäß eine Temperaturregelung vorgesehen, die nachfolgend noch ein gehend beschrieben wird.

Die beiden gestrichelt dargestellten Induktivitäten 12, 13 sind im vorliegenden Fall verschwindend gering - d. h. sie be wegen sich im Nano-Henry-Bereich - und können daher vernach lässigt werden. Typische Werte für die parasitären Induktivi täten liegen bei kleiner 100 nH, insbesondere kleiner 10 nH. Die beiden Induktivitäten 12, 13 werden daher in Fig. 1 le diglich gestrichelt dargestellt.

Dadurch, dass keine Induktivitäten 12, 13 vorgesehen sind, ist auch eine parallel zur Glühlampe angeordnete Freilaufdio de zum Endladen dieser Induktivitäten 12, 13 nach dem Aus schalten nicht mehr erforderlich, was zumindest aus wirt schaftlichen Gründen besonders attraktiv ist. Ohne Induktivi tät wirkt die gesamte Schaltungsanordnung nun nicht mehr wie ein Tiefsetzsteller. Jedoch müssen dann Überschwinger beim Ausschalten der Schaltungsanordnung künstlich gedämpft wer den. Dies erfolgt unter Steuerung des Laststromes.

Fig. 2 zeigt den Verlauf des zeitlich aufintegrierten Lam penstromes (a) und den Verlauf der Temperatur der Glühwendel (b), wobei die Kurve A den Verlauf des Lampenstromes bei ei ner Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik und die Kurve B den Verlauf des Lampenstromes bei einer erfindungsge mäßen Schaltungsanordnung bezeichnet.

In Fig. 2a, Kurve A steigt der integrierte Lampenstrom auf grund des geringen Kaltwiderstandes kurz nach dem Einschalten abrupt, d. h. mit einem hohen Gradienten, an. Bedingt durch den sehr hohen Lampenstrom heizt sich die Wendel der Glühlam pe sehr schnell auf, so dass durch den steigenden Widerstand der Glühwendel der Lampenstrom näherungsweise exponentiell abnimmt, um im Zeitpunkt t₂ seinen Brennstrom I_ON zu errei chen. Mit dem Erreichen des Zeitpunktes t₂ beginnt der Normalbetrieb der Glühlampe. Der Brennstrom I_ON stellt den Lampenstrom bei einer vorgegebenen Nennspannung dar.

Fig. 2b, Kurve A zeigt den entsprechenden Verlauf der Wen deltemperatur. Aufgrund des hohen Gradienten beim Lampenstrom steigt die Temperatur der Wendel sehr schnell nach dem Ein schaltzeitpunkt t₁ auf seine Betriebstemperatur T_ON während des Normalbetriebes an. Mit dem Erreichen des Zeitpunktes t₂ ist diese Betriebstemperatur erreicht, bei der die Glühlampe im Normalbetrieb betrieben wird.

In den Fig. 2a und 2b sind die Kurven für den integrierten Lampenstrom sowie für die Wendeltemperatur, die sich mit ei ner erfindungsgemäßen Schaltung entsprechend Fig. 1 ergeben, mit B bezeichnet. Dadurch, dass der Einschaltstrom nicht durch den Kaltwiderstand der Glühlampe 3 bestimmt ist, son dern mittels der Pulsweiteneinrichtung der Steuervorrichtung eingeprägt wird, ist hier der Gradient des Anstiegs des Lam penstromes wesentlich geringer. Der Mittelwert des durch die Lampe fließenden Stromes steigt in der Einschaltphase nur ge ringfügig über den Brennstrom an, so dass nach einem gering fügigen Überschwingen der integrierte Laststrom sich sehr schnell dem Brennstrom annähern kann.

Der Verlauf des Lampenstromes ist abhängig von der Masse und der spezifischen Wärmekapazität der Glühwendel, welche maß geblich für eine zeitliche Ablaufsteuerung in der Steuerein richtung verantwortlich sind. Es wird im wesentlichen ein Verlauf der Wendeltemperatur, wie er in Fig. 2b, Kurve B dargestellt ist, angestrebt. Nach dem Einschalten zum Zeit punkt t₁ soll die Wendeltemperatur in einem möglichst linea ren, jedoch schnellen Anstieg die Betriebstemperatur T_ON er reichen. Die Erwärmung des Wendels erfolgt durch die einge prägte Leistung, die jedoch durch den kontrollierten Lampen strom gering bleibt. In der Wendelmasse wird die pulsförmige Energiezufuhr integriert. Unnötiger mechanischer Stress des Glühwendels, wie er durch den schnellen Temperaturanstieg ge mäß Kurve A entstehen kann, wird durch die erfindungsgemäße Schaltung vermieden.

Fig. 3 zeigt einige Signal-Zeit-Diagramme, die den Tastgrad, den Lampenstrom und die Ausgangsspannung einer erfindungsge mäßen Schaltungsanordnung zeigen.

Fig. 3a zeigt den Zustand des Halbleiterschalters 4, wobei H (= High) den Zustand bei eingeschaltetem, leitenden Halblei terschalter 4 und L (= Low) den Zustand bei ausgeschalteten, nicht leitenden Halbleiterschalter 4 bezeichnet. Fig. 3b stellt den durch die Glühlampe 3 fließenden Laststrom I_L und Fig. 3c die am Ausgang 9 anfallende Spannung V_out dar. An hand der Verläufe in den Fig. 3a-c wird das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip nochmals deutlich gemacht.

Grundsätzlich wird in Fig. 3 zwischen einer Einschaltphase I und einer Betriebsphase II unterschieden. Während der Ein schaltphase I wird der Halbleiterschalter 4 mittels eines fest vorgegebenen Tastgrades abwechselnd leitend beziehungs weise sperrend geschaltet. Während der Halbleiterschalter 4 geschlossen ist, kann der Strom IL durch die Glühlampe 3 fließen. Da der Widerstand der Wendel kurz nach dem Einschal ten noch sehr gering ist, fließt ein gegenüber dem Brennstrom erhöhter Strom. In dieser Phase wird ein großer Teil der Ver lustleistung in Halbleiterschalter eingesetzt. Die dann ein setzende Tastgradsteuerung ermöglicht es, den Wendel schonend zu erwärmen. Da die Anlasszeit der Lampe relativ kurz ist - typischerweise im Bereich von einigen Millisekunden -, er wärmt sich der Halbleiterschalter 4 aufgrund seiner ausrei chend hohen thermischen Kapazität nur unwesentlich. Die Höhe des Stromes kann sehr leicht durch den Tastgrad variiert wer den. Steigert man unter Beibehaltung der Frequenz den Tast grad, d. h. die Zeitdauer, in der der Halbleiterschalter 4 leitend ist, dann erwärmt sich gleichermaßen die Glühwendel. Der Spitzenstrom nimmt dadurch ab. Hat die Wendel ihre Be triebstemperatur T_ON erreicht (dies ist zum Zeitpunkt t₂ der Fall), dann wird der Tastgrad konstant gehalten. Aufgrund der gegenüber dem Einschalten höheren Wendeltemperatur erreicht der Lampenstrom jetzt nur noch geringere Werte, die im Mittel dem Brennstrom I_ON entsprechen.

Aufgrund des Fehlens der parasitären Leitungsinduktivitäten 12, 13 fällt der Laststrom I_L nach dem Abschalten sehr schnell, d. h. abrupt auf Null. Die Spannung V_out weist beim schnellen Ausschalten des Halbleiterschalters 4 daher keiner lei induktive Überschwinger auf. Solche Überschwinger führen zu einer unerwünschten elektromagnetischen Abstrahlung, die nur durch zusätzliche, aufwendige schaltungstechnische Maß nahmen behoben werden können. Es ist deshalb sinnvoll, die Steuereinrichtung 5 und den Halbleiterschalter 4 möglichst nahe an der Glühlampe 3 anzubringen.

Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit des Tastgrades von der Netz spannung (a) und von der Temperatur (b). Gemäß Fig. 4a sinkt der Tastgrad bei konstanter Frequenz und zunehmender Netz spannung entsprechend einer von der Schaltungsanordnung vor gegebenen Funktion, die einen linearen, hyperbolischen oder ähnlichen Verlauf aufweist, ab. Bei Spannungen, die kleiner als die Einsatzspannung Vo sind, ist der Tastgrad Null, da der Halbleiterschalter hier noch nicht eingeschaltet ist. Ge mäß Fig. 4b sinkt der Tastgrad auch bei zunehmender Tempera tur entsprechend einer von der Schaltungsanordnung vorgegebe nen Funktion ab, wobei ab einer kritischen Temperatur Tc der Tastgrad steil abgeregelt wird, um die gesamte Schaltungsan ordnung vor thermischer Zerstörung zu schützen. Die Tempera tur wird dabei gemessen und über die Steuereinrichtung wird der Tastgrad geeignet eingestellt. Der besondere Vorteil be steht darin, dass selbst bei einer Übertemperatur das Glüh wendel ein Restleuchten aufweist, was insbesondere bei si cherheitsrelevanten Anwendungen, wie zum Beispiel bei Kraft fahrzeuganwendungen, sehr wichtig ist. In jedem Fall wird die jeweils optimale Helligkeit bei hoher Zuverlässigkeit des Systems ermöglicht.

Wie in der Fig. 4b dargestellt, wird der Verlauf der Tempe ratur der Glühwendel durch die Veränderung des Tastgrades ge steuert. Alternativ kann die Wendeltemperatur auch durch eine Veränderung der Frequenz der Pulsfolge erhöht werden. Steigt zum Beispiel die Frequenz bei gleichbleibender Pulsbreite an, so wird der Tastgrad erhöht und die Glühlampe kann auf Nenn leistung gesteuert werden. Bei der erfindungsgemäßen Steue rung ist darauf zu achten, dass sich die Wendel in den Puls pausen nicht nennenswert abkühlen kann.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch die wie beschrieben aufgebaute und betriebene Lampenansteuerschaltung auf sehr einfache, jedoch nichts desto trotz sehr effektive Weise ein "sanftes" Ansteuern der Glühwendel einer Lampe ohne Mitwirkung induktiver Elemente im Lastkreis möglich ist, ohne dass gleichzeitig die Nachteile von bekannten Lampenansteuer schaltungen in Kauf genommen werden müssen. Die Erfindung eignet sich daher besonders für solche Anwendungen, bei denen die Netzspannung größer ist als die Lampenspannung.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand der vorstehenden Be schreibung so dargelegt, um das Prinzip der Erfindung und dessen praktischer Anwendung bestmöglich zu erklären. Selbst verständlich lässt sich die vorliegende Erfindung im Rahmen des fachmännischen Handels und Wissens in geeigneter Weise in mannigfaltigen Ausführungsformen und Abwandlungen realisie ren.

Bezugszeichenliste

1

erster Anschluss

2

zweiter Anschluss

3

Glühlampe

4

Halbleiterschalter

5

Steuereinrichtung

6

Pulsweitenmodulator (PWM)

7

Treibereinrichtung

8

Oszillator

9

Ausgangsanschluss

10

Ladekondensator

11

Halbleiter-Chip

12-14

parasitäre Induktivitäten
I Einschaltphase
II Betriebsphase
D Lastanschluss, Drain
f Frequenz
G Steueranschluss, Gate
GND Potential der Bezugsmasse
I_IN

Eingangsstrom
I_L

Laststrom
I_ON

Lampenstrom während Normalbetrieb (Brennstrom)
S Lastanschluss, Source
T Tastgrad
t₁

Einschaltzeitpunkt
t₂

Beginn des Normalbetriebes
T_C

kritische Temperatur
T_ON

Wendeltemperatur während Normalbetrieb
T_Pause

Dauer einer Pulspause
T_Puls

Pulsdauer
T_W

Wendeltemperatur
Vbb positives Versorgungspotential
VG Steuersignal
Vin Netzspannung
V_L

Lampenspannung
V_O

Einsatzspannung
V_out

Ausgangssignal

Claims

1. Schaltungsanordnung
mit einem ersten und einem zweiten Anschluss (1, 2), an denen eine Netzspannung (Vin) anlegbar ist,
mit einer Lampe (3), die einen Glühwendel aufweist, an der eine Lampenspannung (V_L) abfällt,
mit einem steuerbaren Halbleiterschalter (4), dessen Last strecke in Reihe zu der Glühwendel und zwischen dem ers ten und zweiten Anschluss (1, 2) geschaltet ist,
mit einer den Steueranschluss G des Halbleiterschalters (4) ansteuernden Steuereinrichtung (5), die einen Laststrom (I_L) des Halbleiterschalters (4) derart steuert, dass der zeitlich gemittelte Wert der Lampenspannung (VL) kleiner ist als die Netzspannung (Vin),
wobei die Ansteuerung des Steueranschlusses (G) des Halb leiterschalters (4) über gepulste Steuersignale (VG) durch die Steuereinrichtung (5) erfolgt und
wobei der Tastgrad (T) der Steuersignale (VG) abhängig ist von der Netzspannung (Vin).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastgrad (T) von der Temperatur (T_W) der Schaltungs anordnung abhängt.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastgrad (T) in der Steuereinrichtung (5) einstell bar und/oder programmierbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (5) derart ausgebildet ist, dass sie den Laststrom (I_L) nach dem Einschalten so steuert, dass die Temperatur (T_W) der Glühwendel 3 durch Integration von Leistungspulsen stetig bis zum Erreichen der Betriebstempera tur ansteigt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (5) einen Pulsweitenmodulator (6) sowie eine Treibereinrichtung (7) aufweist, die den Halblei terschalter (4) in Abhängigkeit von einem Versorgungspotenti al (Vbb) oder einer Netzspannung (Vin) ansteuern.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsweitenmodulator (6) nach Maßgabe einer zeitli chen Ablaufsteuerung den Tastgrad (T) zur Erzeugung eines ge wünschten Strommittelwertes durch den Halbleiterschalter (4) variiert.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsweitenmodulator (6) nach Maßgabe einer zeitli chen Ablaufsteuerung die Pulsfolgefrequenz zur Erzeugung ei nes Stromwertes durch den Halbleiterschalter (4) variiert.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Ablaufsteuerung in Abhängigkeit der Masse und der spezifischen Wärmekapazität der Glühwendel ausgelegt ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitungsinduktivität (13) zwischen Lampe (3) und Halbleiterschalter (4) und/oder eine Leitungsinduktivität (12, 13) im Laststromzweig vernachlässigbar gering sind.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsinduktivitäten (12, 13) kleiner als 100 nH, insbesondere kleiner als 10 nH, sind.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass keine Freilaufdiode im Laststromzweig vorgesehen ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiterchip (11) vorgesehen ist, in dem die Steu ereinrichtung (5) und der Halbleiterschalter (4) monolithisch integriert sind.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (11) und die Glühlampe (3) in unmit telbarer räumlicher Nähe angeordnet sind.