DE3824904A1 - Schaltungsanordnung zum betrieb einer elektrischen gluehlampe aus einer wechselspannungsquelle und gluehlampe zum betrieb in einer solchen schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Glühlampe aus einer Wechsel­ spannungsquelle.

Elektrische Glühlampen werden üblicherweise mit Gleich­ spannung bzw. mit niederfrequenter Wechselspannung be­ trieben. Ein Wechselspannungsbetrieb bei höherer Frequenz schien bisher nicht sinnvoll, da der damit verbundene erhöhte Schaltungsaufwand durch keinen erkennbaren technischen oder kommerziellen Vorteil aufgewogen wurde. Überraschenderweise hat sich jedoch herausgestellt, daß sich durch einen Wechselspannungsbetrieb bei sehr hohen Frequenzen die Lebensdauer normaler Glühlampen steigern läßt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Betrieb elektrischer Glühlampen zu schaffen, mit der sich eine wesentliche Verlängerung der Lebensdauer von Glühlampen erreichen läßt.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Wechselspannungsquelle eine Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen 1 MHz und 1 GHz erzeugt.

Die mit dieser Schaltungsanordnung erzielbare Lebensdauer­ verlängerung von Glühlampen beruht offenbar auf einem ver­ änderten Leitungsmechanismus in der Glühwendel bei sehr hohen Frequenzen. In einem geraden Draht wird bei hoher Frequenz der Strom nur in einer dünnen Schicht an der Oberfläche des Drahtes geführt. Dieser sog. Skineffekt sorgt dafür, daß der Widerstand des Drahtes für hohe Frequenzen größer ist, als der für niedrig frequenten Wechselstrom oder für Gleichstrom. Zusätzlich verändert sich der Durchbrennmechanismus von Glühdrähten durch den Skineffekt, da eine Einschnürung des Drahtes bzw. eine Stelle mit etwas erhöhter Wendeltemperatur nicht im gleichen Maße zu einer Vergrößerung des Widerstandes an dieser Stelle führt, wie im Falle desselben Glühdrahtes, der mit Gleich- oder niederfrequentem Wechselstrom im gesamten Drahtdurchmesser durchflossen wird. Somit ist die Wechselwirkung zwischen der Störung des Drahtes und der damit verbundenen schnelleren Querschnittsabnahme an der Stelle der Störung bei HF-Betrieb der Lampe geringer als bei Gleich- oder niederfrequenten Wechselstrombetrieb. Dadurch hervorgerufene Lebensdauerverlängerungen um einen Faktor bis zu 10 wurden bereits beobachtet.

Der durch den Skineffekt erhöhte Widerstand bewirkt außer­ dem, daß der Wendeldraht einer Glühlampe bei derselben angelegten Spannung im Falle der hochfrequenten Versorgung viel dicker als bei Gleich- oder niederfrequenter Ver­ sorgungsspannung gewählt werden kann. Bekanntlich ist aber die Lebensdauer von Lampen mit dicken Drähten an sich schon größer als von Lampen mit dünnen Drähten bei gleicher Wendeltemperatur, Leistung und Lichtausbeute. Durch diesen zusätzlichen Effekt kann sich die Lebensdauer einer mit Wechselspannung sehr hoher Frequenz versorgten Lampe durch Wahl von dickeren Wendeldrähten noch weiter erhöhen.

Der Skineffekt wird durch die gegenseitige magnetische Beeinflussung der Windungen bei einem gewendelten Draht zusätzlich erhöht (Proximity-Effekt), so daß sich die Wendelung als besonders günstig beim Betrieb mit hochfrequentem Wechselstrom erweist.

Bei sehr hohen Frequenzen besteht das Ersatzschaltbild einer Glühlampenwendel aus der Reihenschaltung einer Induktivität L und eines Widerstandes R, wobei der Wider­ stand R der durch Skin- und Proximity-Effekte erhöhte Widerstand der Glühwendel bei Betriebstemperatur ist. Die Induktivität L der Glühwendel muß für Wechselspannungs­ quellen mit ohmschem Innenwiderstand kompensiert werden, um optimale Leistungsanpassung zu erhalten. Dies läßt sich erreichen, wenn gemäß einer Weiterbildung der Schaltungs­ anordnung nach der Erfindung der Glühwendel ein Konden­ sator parallel und/oder in Reihe geschaltet wird. In diesem Falle bilden die Induktivität L der Glühwendel und die Kapazität C des zugeschalteten Kondensators einen Parallel- oder Reihenschwingkreis mit einer Kreisfrequenz

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf Glühlampen zum Betrieb in der beschriebenen Schaltungsanordnung. Da bei den angewendeten hohen Betriebsfrequenzen der Strom in der Glühwendel dieser Lampen infolge des Skineffektes im wesentlichen an der Drahtoberfläche verläuft, braucht die Glühwendel nicht aus einem Volldraht zu bestehen, sondern kann nach der Erfindung aus einem gewendelten Rohr hergestellt sein.

Bei dem in Frage stehenden HF-Betrieb der Glühlampe kann sich in der Achse der Glühwendel eine Gasentladung aus­ bilden, welche zu einer Zerstörung der Glühwendel führen kann. Um dies zu vermeiden, enthält gemäß einer bevorzug­ ten Ausführungsform nach der Erfindung die Glühlampe eine Füllung aus Edelgas, gegebenenfalls einem chemisch reaktiven Halogenzusatz und Stickstoff mit einem Fülldruck von 0,01 bis 10 bar. In diesem Falle bewirkt der zugesetzte Stickstoff eine Löschung der Gasentladung in der Achse der Glühwendel.

Bei hohen Frequenzen der Versorgungsspannung der Glühlampe gegebenenfalls auftretende elektromagnetische Stör­ strahlen lassen sich durch eine die Glühlampe umgebende elektrisch leitende Hülle abschirmen. Dies kann gemäß der Erfindung dadurch geschehen, daß der Lampenkolben mit einem elektrisch leitenden Überzug versehen ist, der mit einem Anschluß der Wechselspannungsquelle verbunden ist, der auf Erdpotential liegt. Ein derartiger elektrisch leitender Überzug besteht z.B. aus mit Fluor dotiertem Zinndioxid.

Die Glühlampe nach der Erfindung kann aber auch in einem, insbesondere aus einem Reflektor und einer Abschlußscheibe bestehenden Gehäuse untergebracht sein, das mit einem elektrisch leitenden Überzug versehen ist, der mit einem Anschluß der Wechselspannungsquelle verbunden ist, der auf Erdpotential liegt. In diesem Fall kann z.B. der Reflektor aus Metall bestehen und auf bzw. in die Abschlußscheibe ein metallisches Gitter auf- bzw. eingebracht sein.

Zur Erzielung eines handelsüblichen Produktes lassen sich die Wechselspannungsquelle und die Glühlampe zu einer Ein­ heit zusammenbauen, welche z.B. an ein übliches Wechsel­ spannungsversorgungsnetz anschließbar ist.

Einige Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden nun­ mehr anhand der Zeichnung naher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzip einer Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Glühlampe aus einer Wechselspannungs­ quelle,

Fig. 2a eine abgeänderte Schaltungsanordnung dieser Art und

Fig. 2b das entsprechende Ersatzschaltbild,

Fig. 3a eine ebenfalls abgeänderte Schaltungsanordnung und

Fig. 3b das entsprechende Ersatzschaltbild,

Fig. 4 eine bei den Schaltungsanordnungen nach den Fig. 1 bis 3 einsetzbare Glühlampe mit einem elektrisch leitenden Überzug,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine mit einer Glühlampe, einem Reflektor und einer Abschlußscheibe versehenen Lam­ peneinheit,

Fig. 6 die Seiteneinsicht einer Lampeneinheit nach Fig. 5 mit einer integrierten Wechselspannungsquelle und

Fig. 7 eine stark vergrößerte Teilansicht einer Glühlampe mit einer rohrförmigen Glühwendel.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist eine elek­ trische Glühlampe 1 an einen Wechselspannungsgenerator 2 angeschlossen, der eine Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen 1 MHz und 1 GHz erzeugt. In den Fig. 2a und 3a ist von der an den Wechselspannungsgenerator 2 ange­ schlossenen Glühlampe 1 lediglich deren Glühwendel 3 dar­ gestellt. In Fig. 2a ist der Glühwendel 3 ein Konden­ sator 4 parallel geschaltet und in Fig. 3a liegt ein Kondensator 4 in Reihe mit der Glühwendel 3. Die Fig. 2b und 3b zeigen die entsprechenden Ersatzschaltbilder, worin die Glühwendel 3 aus der Reihenschaltung einer Induktivi­ tät L und eines Widerstandes R besteht, welcher der durch Skin- und Proximity-Effekte erhohte Widerstand der Glüh­ wendel 3 bei Betriebstemperatur ist. Mit C ₁ ist die Kapazität des Parallel- und mit C ₂ die Kapazität des Reihenkondensators 4 bezeichnet. Die Kapazität C und die Induktivität L bilden einen Parallel- oder Reihen­ schwingkreis mit einer Kreisfrequenz

Ist der Innenwiderstand der Wechselspannungsquelle größer oder kleiner als der nach der Kompensation mit dem Konden­ sator C resultierende reelle Glühwendelwiderstand, muß die Kompensation mit zusätzlichem Transformator oder Anpaß­ netzwerken aus mehreren Kondensatoren und/oder Spulen durchgeführt werden (siehe z.B. Meinke-Grundlach, Taschen­ buch der Hochfrequenztechnik, Kap. B 10-16). In diesem Fall können z.B. zwei Kondensatoren gemeinsam verwendet werden, und zwar ein Parallelkondensator C ₁ und ein Reihen­ kondensator C ₂.

Es werden nun einige praktische Ausführungsbeispiele beschrieben:

• a) Halogenglühlampe Typ 7388 6 V, 20 W mit einer Glühwendel von 10 Windungen. Wenn die Lampe mit Wechselspannung von 50 Hz bei einer Temperatur von 3500 K betrieben wird, erreicht sie eine durchschnittliche Lebensdauer von 20 Stunden. Bei einer hochfrequenten Strom­ versorgung mit einer Frequenz von 90 MHz erreicht die Lampe bei derselben Wendeltemperatur eine durchschnitt­ liche Lebensdauer von 65 Stunden.
• b) Halogenlampe Typ H 3 6 V, 55 W. Die Glühwendel besteht aus zehn Windungen. Bei einem Betrieb mit Wechselspannung von 50 Hz bei einer Wendeltemperatur von 3500 K er­ reicht die Lampe eine durchschnittliche Lebensdauer von 35 Stunden. Mit einer hochfrequenten Stromversorgung bei einer Frequenz von 90 MHz wird die Lebensdauer dieser Lampe bei gleicher Wendeltemperatur auf etwa 180 Stunden erhöht.
• c) Halogenglühlampe Typ H 3 12 V, 55 W. Die Glühwendel hat achtzehn Windungen. Bei Wechselspannungsbetrieb mit 50 Hz und einer Wendeltemperatur von 3500 K beträgt die durchschnittliche Lebensdauer der Lampe 50 Stunden. Bei Verwendung einer hochfrequenten Stromversorgung mit einer Frequenz von 90 MHz erhöht sich die Lebensdauer dieser Lampe bei gleicher Wendeltemperatur auf etwa 150 Stunden.

Bei den praktischen Messungen wurde ein handelsüblicher Wechselspannungsgenerator 2 mit 50 Ohm Innenwiderstand verwendet. Das Anpaß- und Kompensationsnetzwerk bestand aus zwei Trimmkondensatoren C ₁ und C ₂ mit einer Kapazität von je 100 pF.

In allen Fällen betrug die hochfrequente Ausgangsspannung des Wechselspannungsgenerators 2 etwa 20 bis 30 V. Durch Zuschaltung der Kondensatoren C ₁ und C ₂ wurde in Ver­ bindung mit der Induktivität L der Glühwendel 3 durch Resonanzüberhöhung an der Glühwendel eine hochfrequente Versorgungsspannung bis zu 380 V gemessen. Die Lampen hatten eine Füllung aus 5 bar Krypton, 0,005 bar Methylen­ dibromid und Stickstoff mit einem Fülldruck von 0,2 bar.

Fig. 4 zeigt eine für die beschriebenen Schaltungs­ anordnungen geeignete Glühlampe 1. Diese besitzt einen Lampenkolben 5, der einseitig mit einer Quetschung 6 ver­ sehen ist, in welche Stromzuführungsleiter 7 für die Glüh­ wendel 3 eingeschmolzen sind. Zur Abschirmung elektro­ magnetischer Strahlen ist der Lampenkolben 5 mit einem elektrisch leitenden Überzug 8, z.B. aus mit Fluor dotier­ tem Zinndioxid, versehen, der mit einem der Strom­ zuführungsleiter 7 und damit im Betrieb mit einem Anschluß der Wechselspannungsquelle 2, und zwar dem auf Erd­ potential liegenden Anschluß, verbunden ist.

Bei der Lampeneinheit nach Fig. 5 ist eine Glühlampe 1 mit einem unbeschichteten Lampenkolben 5 an einem Sockel 9 gehaltert. Die Glühlampe 1 sitzt in einem Reflektor 10 aus Metall, der durch eine Glasscheibe 11 abgedeckt ist, welche mit einem metallischen Gitter 12 versehen ist. Der Metallreflektor 10 und das Metallgitter 12 sind wiederum mit einem der Stromzuführungsleiter der Glühlampe 1 und damit mit einem Anschluß der Wechselspannungsquelle (Erd­ potential) verbunden.

Fig. 6 zeigt, wie die Glühlampe 1 zusammen mit ihrem Reflektor 10 und der Abdeckscheibe 11 und dem Wechsel­ spannungsgenerator 2 zu einer Einheit zusammengebaut sind, welche unmittelbar oder über ein HF-Filter an ein normales Wechselspannungsnetz anschließbar ist.

Fig. 7 zeigt den oberen Teil einer Glühlampe, in deren Kolben 5 eine Glühwendel 3 untergebracht ist, deren Wendeldraht 13 rohrförmig ausgebildet ist. Gegenüber einem Volldraht spart man in diesem Falle Material, da bei den angewendeten hohen Betriebsfrequenzen der Strom in der Glühwendel 3 infolge des Skineffektes im wesentlichen an der Drahtoberfläche verläuft.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Glühlampe aus einer Wechselspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungs­ quelle (2) eine Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen 1 MHz und 1 GHz erzeugt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühwendel (3) der Glüh­ lampe (1) ein Kondensator (4) parallel und/oder in Reihe geschaltet ist.

3. Glühlampe zum Betrieb in einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühwendel (3) aus einem gewendelten Rohr (13) besteht.

4. Glühlampe zum Betrieb in einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung des Lampen­ kolbens (5) Edelgas, gegebenenfalls einen chemisch reaktiven Halogenzusatz und Stickstoff mit einem Fülldruck von 0,01 bis 10 bar enthält.

5. Glühlampe zum Betrieb in einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenkolben (5) mit einem elektrisch leitenden Überzug (8) versehen ist, der mit einem Anschluß der Wechselspannungsquelle (2) verbunden ist, der auf Erdpotential liegt.

6. Glühlampe zum Betrieb in einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühlampe (1) in einem, insbesondere aus einem Reflektor (10) und einer Abschluß­ scheibe (11) bestehenden Gehäuse untergebracht ist, das mit einem elektrisch leitenden Überzug (12) versehen ist, der mit einem Anschluß der Wechselspannungsquelle (2) ver­ bunden ist, der auf Erdpotential liegt.

7. Glühlampe zum Betrieb in einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungs­ quelle (2) und die Glühlampe (1) zu einer Einheit zusammengebaut sind.