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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Betreiben einer Glühlampe
mit einer gegenüber
ihrer Nennbetriebsspannung höheren
Betriebsspannung.
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Glühlampen sind üblicherweise
für den
Betrieb an einer vorgegebenen Nennbetriebsspannung ausgelegt. Ein
Betrieb mit einer höheren
Betriebsspannung ist nicht ohne weiteres möglich, da dies zu einer Reduzierung
der Lampenlebens- dauer führen würde.
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Die Lebensdauer einer Glühlampe hängt wesentlich
von der ihr zugeführten
Betriebsspannung ab. Ursache dieser Abhängigkeit ist erstens die höhere Glühwendeltemperatur
bei höherer
Leistung und zweitens der hohe Temperaturstreß, dem der Glühfaden während des
Einschaltens der Glühlampe
ausgesetzt ist. Der Temperaturstreß resultiert dabei aus der
Temperaturabhängigkeit
des Glühfadenwiderstands.
Dieser ist bei kaltem Glühfaden
wesentlich geringer als im heißem
Glühfaden.
Daher ist der während
des Einschaltvorgangs durch den Glühfaden fließende Einschaltstrom wesentlich
höher als
der im stationären
Betrieb bei aufgeheiztem Glühfaden durch
diesen fließende
Lampenstrom. Wird die Glühlampe
nun aus einer Betriebsspannung gespeist, die höher ist als ihre Nennbetriebsspannung,
hat dies einen wesentlichen Anstieg des Einschaltstroms und damit
einen sehr hohen Temperaturgradienten im Glühfaden zur Folge. Der hohe
Temperaturgradient führt
seinerseits zu einer Degradation des Glühfadens und damit zu einer
Reduzierung der Lebensdauer der Glühlampe.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde ein Verfahren zum Betreiben einer Glühlampe anzugeben, das den Betrieb
der Glühlampe
an einer gegenüber
ihrer Nennbetriebsspannung höheren Betriebsspannung
erlaubt, ohne daß dies
sich ungünstig
auf die Lebensdauer der Glühlampe
auswirkt.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird die Glühlampe mit
einer gegenüber
ihrer Nennbetriebsspannung höheren Betriebsspannung
betrieben, wobei aus der Betriebsspannung durch Pulsweitenmodulation
Spannungspulse erzeugt werden, die der Glühlampe zur Energieversorgung
zugeführt
werden, und wobei die Pulsweiten und/oder die Pulsabstände der
Spannungspulse derart vorgegeben werden, daß der Temperaturverlauf des
Glühfadens
während
des Einschaltvorgangs näherungsweise
dem Temperaturverlauf des Glühfadens
während
des Einschaltvorgangs beim Betrieb mit der Nennbetriebsspannung
entspricht.
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Die Glühlampe wird somit paketweise
mit Energie versorgt, wobei die Energiepakete derart gesteuert werden,
daß die
Glühfadentemperatur
nahezu den gleichen Verlauf aufweist wie beim ungetakteten Betrieb
mit der Nennbetriebsspannung.
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Vorzugsweise werden die Pulsweiten und/oder
die Pulsabstände
der Spannungspulse derart vorgegeben, daß die Temperatur des Glühfadens stufenweise
in derart geringen Stufen ansteigt, daß eine aus der Stufenhöhe resultierende
thermische Belastung des Glühfadens
sich nicht ungünstig
auf die Lebensdauer der Glühlampe
auswirkt.
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Vorzugsweise werden die Pulsweiten und/oder
die Pulsabstände
der Spannungspulse derart vorgegeben, daß der Einschaltvorgang in mindestens
zwei Phasen abläuft,
wobei beim Übergang
von einer Phase zur nächsten
Phase der Pulsabstand und/oder die Pulsweite erhöht wird und/oder die Schwelle
einer Strombegrenzung reduziert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich bestens
zum Betreiben von Glühlampen
mit 12-V-Nennbetriebsspannung in Kraftfahrzeugen mit 24-V- oder
42-V- Bordnetzen
bzw. zum Betreiben von Glühlampen
mit 6-V-Nennbetriebsspannung in Kraftfahrzeugen mit 12-V-Bordnetzen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
und Figuren näher
erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2a-b Temperaturverläufe im Glühfaden der
Glühlampe
während
des Einschaltvorgangs,
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3 ein
Ersatzschaltbild der Vorrichtung aus 1.
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Gemäß 1 wird
die Glühlampe
L über
einen als MOS-Feldeffekttransistor ausgeführten Halbleiterschalter S
aus einer Spannungsquelle Batt, beispielsweise aus einem 42-V-Bordnetz
eines Kraftfahrzeugs gespeist. Die Nennbetriebsspannung der Glühlampe L
ist dabei geringer als die von der Spannungsquelle Batt abgegebene-Betriebsspannung UBa
tt. Sie beträgt beispielsweise
12 V.
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Der Halbleiterschalter S wird im
Takte einer pulsweitenmodulierten Steuerspannung UPWM,
die von einer nicht gezeigten Steuereinheit bereitgestellt wird,
geöffnet
und geschlossen. Hierdurch wird Betriebsspannung UBatt pulsweitenmoduliert,
so daß der Glühlampe L
Spannungspulse zugeführt
werden, deren Pulsweiten und Pulsabstände durch die Steuerspannung
UPWM vorgegeben werden. Die Energieversorgung
der Glühlampe
L erfolgt somit pulsweise in Abhängigkeit
der Steuerspannung UPWM. Die Pulsweiten
und/oder die Pulsabstände
der Spannungspulse werden derart vorgegeben, daß der Verlauf während des
Einschaltvorgangs näherungsweise dem
Verlauf der Glühfadentemperatur
entspricht, den man während
des Einschaltvorgangs beim Betrieb der Glühlampe L an der Nennbetriebsspannung erhält. Nach
Beendigung des Einschaltvorgangs, d. h. bei aufgeheiztem Glühfaden,
nimmt die Glühlampe L
dann die gleiche mittlere Leistung auf, wie bei einer kontinuierlichen
Speisung aus der Nennbetriebsspannung.
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Der Halbleiterschalter S kann noch
Mittel zur Strombegrenzung aufweisen sowie einen Anschluß für ein Strombegrenzungssignal
ULlim, welches den Mitteln zur Strombegrenzung
zugeführt
wird und über welches
die Strombegrenzungsschwelle beispielsweise zwischen zwei vorgegebenen
Werten umschaltbar ist.
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Gemäß 2b steigt
die Glühfadentemperatur
aufgrund der gepulsten Energiezufuhr stufenweise an. 2a zeigt zum Vergleich den
Temperaturverlauf des Glühfadens
beim Betrieb mit der Nennbetriebsspannung. Durch eine geeignete
Vorgabe der Pulsweiten und/oder Pulsabstände der Spannungspulse wird
sichergestellt, daß die
Höhe der Temperaturstufen
so gering bleibt, daß eine
hieraus, d. h. aus dem Temperaturgradienten, resultierende thermische
Belastung des Glühfadens
sich nicht ungünstig
auf die Lebensdauer der Glühlampe
L auswirkt.
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Die für den Betrieb benötigten Werte
der Pulsabstände
und Pulsweiten der Spannungspulse lassen sich mit dem Ersatzschaltbild
gemäß 3 auf einfache Weise berechnen.
In dieser Figur ist die Spannungsquelle Batt durch eine ideale Spannungsquelle
UBatt und einen Innenwiderstand Ri ersetzt und der Halbleiterschalter S durch
einen idealen Schalter SW und einen Einschaltwiderstand mit spannungsabhängiger Strombegrenzung
ersetzt. Mit diesem Modell ist es nun möglich den durch die Glühlampe L fließenden Lampenstrom
IL zu berechnen. Aus dem Lampenstrom IL läßt sich
dann die von der Glühlampe
L aufgenommene Leistung PL gemäß der Gleichung PL = IL
2·RL berechnen, wobei RL für den Widerstand
des Glühfadens
steht. Die aufgenommene. Leistung PL setzt sich
aus einem Strahlungsanteil PRad und einem
Aufheizanteil PTh zusammen. Es gilt dann PL = PRad +
PTh.
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Der Strahlungsanteil PRad beschreibt
die Abstrahlung des Glühfadens
nach dem Stefan-Boltzmannschen Strahlungsgesetz. Im eingeschwungenen
Zustand, d. h. bei aufgeheiztem Glühfaden ist der Aufheizanteil
PTh der Leistung PL vernachlässigbar
und es gilt
PL = S·(TL
4 – TU
4).
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S steht dabei für einen Strahlungsbeiwert,
TL für
die Glühfadentemperatur
und TU für
die Umgebungstemperatur der Glühlampe.
Der Strahlungsbeiwert S weist eine stark nichtlineare Temperaturabhängigkeit
auf und kann durch ein Polynom 4. Ordnung hinreichend genau beschrieben
werden. Die Koeffizienten des Polynoms lassen sich aus statischen
Messungen ermitteln.
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Zu Beginn des Einschaltvorgangs dominiert der
Aufheizanteil PTh. Für die Leistung PL gilt
dann PL = C·ΔTL/Δt, wobei
C für die
thermische Kapazität
der Glühlampe L
steht und ΔTL/Δt
für die
zeitliche Änderung
der Glühfadentemperatur
TL steht. Die thermische Kapazität C läßt sich
zu Beginn des Einschaltvorgangs, also in einem Zeitbereich, in dem
der Strahlungsanteil PRad vernachlässigbar
ist, aus dynamischen Spannungs-/Strommessungen ermitteln.
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Der Widerstand RL des
Glühfadens
läßt sich schließlich mit
folgendem Polynom 2. Ordnung beschreiben: RL = R0·(1 + α·TL + β·TL
2).
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R0 steht
dabei für
den Widerstand des Glühfadens
bei Raumtemperatur (300K), TL für die Temperatur
des Glühfadens
und α, β für Koeffizienten,
die wie folgt gewählt
werden α =
4,82·10-3 K-1 β =
6,67·10-7 K-2.
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Mit diesen Gleichungen läßt sich
dann aus dem Lampenstrom IL der Temperaturverlauf
im Glühfaden
berechnen. Aus dem Lampenstrom IL und dem Spannungsabfall
am Halbleiterschalter S läßt sich zudem
die Verlustleistung des Halbleiterschalters S berechnen und hieraus
mit Hilfe von Modellparametern die Chiptemperatur im Halbleiterschalter
S ermitteln.
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Für
die Glühfadentemperatur
TL erhält
man somit den in 2 b
dargestellten stufenförmigen Temperaturverlauf.
Jede Temperaturstufe dieses Verlaufs entsteht als Antwort auf einen
der der Glühlampe
L zugeführten
Spannungspulse. Die Höhe
einer Temperaturstufe wird dabei durch die Pulsweite des zeitlich
mit dieser Temperaturstufe zusammenfallenden Spannungspulses bestimmt
und die Stufenbreite durch den Pulsabstand zwischen diesem und dem
nächsten
Spannungspuls. Aufgrund der eindeutigen Zuordnung der Spannungspulse
zu den Temperaturstufen ist es möglich,
die Pulsabstände und
Pulsweiten derart zu bestimmen, daß der Temperaturverlauf dem
in 2a gezeigten gewünschten
Verlauf angenähert
wird. Damit läßt sich
auch die zu diesem Verlauf führende
Steuerspannung UPWM bestimmen.
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Für
eine 12-V-Glühlampe
mit einer Leistung von 10 W erhält
man beispielsweise bei einem Betrieb an einem 42-V-Bordnetz ein
in vier Phasen ablaufendes Einschaltschema.
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Hierbei ist die erste Phase ist eine
Vorwärmephase,
die mit dem Einschalten der Glühlampe
L beginnt und 20 ms ab dem Einschaltzeitpunkt endet. In dieser Phase
wird der Pulsabstand zwischen den Spannungspulsen auf 1 ms festgesetzt,
die Pulsweite der Spannungspulse auf 3% des Pulsabstands festgesetzt
und der Lampenstrom IL auf maximal 30 A
begrenzt.
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Die zweite Phase beginnt mit der
Beendigung der ersten Phase und endet 50 ms ab dem Einschaltzeitpunkt.
Beim Übergang
zur zweiten Phase wird die Pulsweite der Spannungspulse auf 6% des Pulsabstands
verdoppelt. Pulsabstand und Strombegrenzung werden jedoch unverändert belassen.
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Die dritte Phase beginnt mit der
Beendigung der zweiten Phase und endet 100 ms ab dem Einschaltzeitpunkt.
Beim Übergang
zur zweiten Phase wird der Pulsabstand der Spannungspulse weiterhin unverändert bei
1 ms belassen, die Pulsweite wird auf 12% des Pulsabstands erhöht und die
Strombegrenzung wird auf 5 A reduziert.
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Die anschließende vierte Phase entspricht dem
stationären
Betrieb. In dieser Phase hat der Glühfaden die normale Betriebstemperatur
erreicht. Der Pulsabstand zwischen den Spannungspulsen wird in dieser
Phase auf 10 ms festgesetzt. Die Pulsweite wird unverändert bei
12% der Pulsweite und die Strombegrenzung bei 5 A belassen.
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Die Ansteuerung der Glühlampe basiert
somit auf der Zufuhr von Spannungspulsen nach einem fest programmierten
Pulsweiten- und Pulsabstandsschema. Die Glühfadentemperatur muß dabei
nicht erfaßt
werden. Das beschriebene Verfahren läßt sich daher mit einfachen
und kostengünstigen
Mitteln durchführen
und eignet sich bestens für
den Einsatz in Serienprodukten insbesondere in Kraftfahrzeugen.