DE4121055A1 - Schaltungsanordnung zur einschaltstrombegrenzung von gluehbirnen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die den Einschaltstrom einer Glühbirne begrenzt, die mit einem steuerbaren Schalter in Serie geschaltet ist, der mit einem über einem Schwellwert liegenden Startsignal einschaltbar ist.

Es ist bekannt, Glühbirnen über eine sogenannte Dimmerschaltung, die aus einem einstellbaren Vorwiderstand oder aus einem im Phasenanschnitt gesteuerten elektronischen bipolaren Schalter besteht, so zu betreiben, daß deren Einschaltstrom im kalten Zustand begrenzt ist, also eine die Lebensdauer des Glühfadens der Glühbirne begrenzende Stromspitze nicht auftritt, die bei einer Direkteinschaltung unvermeidlich ist. Bei den üblich dimensionierten Glühfäden ist eine Optimierung bezüglich einer Gesamtwirtschaftlichkeit bezogen auf die Lichtausbeute im Verhältnis zu den Herstellkosten, die mittlere Lebensdauer und die Stromkosten vorgenommen. Diese Auslegung führt zu hohen Brenntemperaturen, bei denen der Wolframglühfaden den 10- bis 12-fachen Widerstand aufweist, als im kalten Zustand. Die dadurch beim Einschalten auftretenden entsprechend hohen Stromspitzen führen jeweils zu einer kurzzeitigen Verdampfung von Fadenmaterial an dessen Oberfläche und insbesondere an Inhomogenitäten des Fadens, die vorzugsweise an Kristallkorngrenzen gegeben sind. Auch führen die extrem hohen Einschalttemperaturstöße zu einer Neukristallisation des Fadenmaterials, wodurch die Bildung von Kristallstörstellen noch gefördert wird. Deshalb ist die Lebensdauer von Glühbirnen bei häufigem Einschalten, wie es insbesondere im Treppenhauslichtanlagen und sensorgesteuerten Außenbeleuchtungen der Fall ist, stark gegenüber einem Dauerbetrieb beschränkt.

Für derartige Beleuchtungseinrichtungen sind handbetätigbare Einschaltregler ungeeignet, und die bekannten elektronischen Dimmer weisen eine relativ aufwendige Phasenanschnittschaltung auf, die eine unerwünschte Störfrequenzbelastung des Netzes bringt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine automatisch arbeitende Einschaltstrombegrenzungsschaltung für Glühbirnen zu offenbaren, die geringen Aufwand aufweist und keine Netzstörungen verursacht.

Die Lösung besteht darin, daß dem Schalter ein Vorwiderstand parallelgeschaltet ist, dessen Widerstand mindestens doppelt so groß wie ein Kaltwiderstand der Glühbirne ist, und das Startsignal abhängig von einem Spannungsabfall an der Glühbirne so gebildet ist, daß es dann den Schalter einschaltet, wenn der Widerstand der Glühbirne mindestens 1/3 ihres Warmwiderstandes, der in ihrem Dauerbetrieb bei einer Nennspannung vorliegt, erreicht hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Schaltung läßt sich aus handelsüblichen Bauelementen wegen des hohen Widerstandsverhältnisses des Glühfadens zwischen dem heißen Zustand und dem kalten Zustand so ausgelegt werden, daß nur wenige Schaltungstypen erforderlich sind, um den gesamten handelsüblichen Leistungsbereich der Glühlampen einzeln oder in Gruppen abzudecken.

Die Schutzschaltung kann sowohl in einem Lampenanschluß in Form eines Anschlußklemmenblocks ohne weitere Montagemittel eingebracht werden, als auch in einem Anschlußkasten, z. B. einer Treppenhausbeleuchtungsanlage montiert werden, wobei jeweils nur eine Schutzschaltung für alle gleichzeitig brennenden Birnen vorzusehen ist. Der angeschlossenen Gesamtleistung der Glühbirnen gemäß ist die Schaltungsanordnung zu dimensionieren; d. h. sie ist aus einer Standardreihe jeweils auszuwählen. Diese kann z. B. für die Leistungsbereiche von 15-100 Watt, von 100-500 Watt und von 500-1500 Watt ausgelegt sein.

Eine besondere Verdrahtung der Schaltung, die über ein übliches Verklemmen der beiden Lampenanschlüsse und der beiden Zuleitungsanschlüsse hinausgeht, ist nicht erforderlich. Dabei ist einer der Leiter von der Eingangs- zur Lampenklemme durchgängig und der andere durch die Schutzschaltung geführt.

Der anfängliche Ausschaltzustand und der spätere Einschaltzustand der Schutzschaltung sind stabil, da von dem Zeitpunkt an, in dem der Glühfaden so weit über den Vorwiderstand vorgeheizt ist, daß der Spannungsabfall an ihm ausreicht, um den elektronischen Schalter zu zünden, durch den dann sofort einsetzenden höheren Strom ein schnelles weiteres Aufheizen des Glühfadens eintritt, so daß der Zündstrom weiter steigt und ein schnelles sowie absolut sicheres Durchschalten vorliegt, das alsbald eine sehr geringe Restspannung und damit äußerst geringe Verluste an dem elektronischen Schalter erbringt. Deshalb sind bei einer 220 Volt Netzspannung bei den üblichen Leistungsstufen bis 500 Watt keine aufwendigen Kühlvorrichtungen an dem Schalter anzubringen.

Die Schaltungsordnung läßt sich auch bei einer Gleichspannungsversorgung, z. B. im KFZ, verwenden, wobei eine unipolare Schalterausbildung ausreicht und keine Zweiwegeschaltung erforderlich ist.

Auch der Vorwiderstand ist nur für eine geringe Impulsenergie auszulegen, da er nur für wenige Phasen der Wechselspannung, d. h. einen geringen Bruchteil einer Sekunde, der Strom des Glühfadens führt und dann praktisch bis auf eine Restspannung von wenigen zehntel Volt von dem elektronischen Schalter kurzgeschlossen ist.

Auch das Startervorschaltelement erbringt eine geringe Verlustleistung, da es entweder als ein Kondensator ausgebildet ist, der im wesentlichen nur Blindleistung durchsetzt, oder im Falle der Gleichstromsteuerung der verwendete Widerstand relativ hochohmig ist, da die vorgesehene Transistorkaskadenschaltung eine hohe Verstärkung aufweist und deshalb nur einen kleinen Zündstrom benötigt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind anhand der Fig. 1 bis 4 dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Schutzschaltung für Wechselstrombetrieb;

Fig. 2 zeigt eine Schutzschaltung für Gleichstrombetrieb mit mehreren Glühbirnengruppen.

Fig. 3 zeigt eine räumliche Anordnung der Wechselstromschaltung.

Fig. 4 und 5 zeigen weitere Gleichstromschutzschaltungen.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist einerseits an einer Wechselstrom-Netzversorgung (UN) mit einer ersten Netzklemme (KN1) angeschlossen, die andererseits als eine erste Glühlampenklemme (KG1) an die Glühbirne (GL) geführt ist. Ein zweiter Netzspannungseingang führt über eine zweite Netzklemme (KN2) an eine Parallelschaltung eines Vorwiderstandes (RV) und eines elektronischen Zweirichtungsschalters (TR), auch Triac genannt, die andererseits über eine zweite Glühlampenklemme (KG2) an den zweiten Anschluß der Glühbirne (GL) führt. Der Startereingang des Triacs (TR) ist über einen Starterkondensator (CS) mit dem ersten Klemmenpaar (KN1, KG1) verbunden und somit mit einer Spannung beaufschlagt, die an der Glühbirne (GL) jeweils abfällt. Vom Starteranschluß des Triac (TR) ist außerdem ein Ableitwiderstand (RSA) zu der zweiten Lampenklemme (KG2) geführt, an der auch die Bezugselektroden des Triac (TR) angeschlossen sind. Der kapazitive Widerstand des Starterkondensators (CS) und der Ableitwiderstand (RSA) bilden einen Spannungsteiler, dessen Spannung am Teilerpunkt die Startspannung überschreiten muß, um die Zündung herbeizuführen. Da der Kondensator (CS) ein Voreilen der Spannung gegenüber der Spannung an dem ohmschen Spannungsteilerpunkt, der der Verbindungspunkt der Glühlampe (GL) mit dem Vorwiderstand (RV) ist, bewirkt, tritt eine Zündung jeweils unmittelbar im Nulldurchgang der Triacspannung ein, wenn die Zündspannungsverhältnisse ausreichend sind. Steile Strom- und Spannungsflanken im geschalteten Pfad und somit Störfrequenzen werden dadurch vermieden.

Der Vorwiderstand (RV) ist so dimensioniert, daß sein Wert ein Mehrfaches des Kaltwiderstandes der Glühbirne beträgt, so daß der Kaltstrom der Reihenschaltung (RV, GL) mit der Glühbirne (GL) um ein Mehrfaches geringer ist als der Kaltstrom einer ungeschützten Glühbirne. Andererseits empfiehlt es sich, den Vorwiderstand (RV) nicht höher zu wählen, als es erforderlich ist, daß der Warmwiderstand der Glühbirne (GL) in der Reihenschaltung (RV, GL) nach einer kurzen Aufheizzeit von z. B. 50 ms nach dem Einschalten der Versorgungsspannung (UN) mindestens dem Anfangswiderstand der Reihenschaltung (RV, GL) entspricht. Hierdurch entsteht nach der Aufheizzeit ein etwa gleicher oder ein größerer Spannungsabfall an der erwärmten Glühbirne (GL) als am Vorwiderstand (RV), und der Starterkondensator (CS) ist in Verbindung mit dem Ableitwiderstand (RSA) so dimensioniert, daß mit diesem Spannungsabfall die Zündspannung und der Zündstrom des Triac (TR) erreicht ist, wodurch dieser durchschaltet, wobei gemäß der geeigneten Dimensionierung die Glühbirne (GL) erneut höchstens mit dem höheren Strom beaufschlagt wird, der anfangs beim ersten Einschalten über den Vorwiderstand (RV) aufgetreten war.

Der Vorwiderstand (RV) kann also in einem relativ breiten Bereich vom etwa dem 2-fachen Kaltwiderstand bis zum 8-fachen Kaltwiderstand der Glühbirne (GL) dimensioniert sein, so daß eine gegebene Schaltung jeweils für Glühbirnen unterschiedlicher Leistungen geeignet ist, was die Auswahl und die Lagerhaltung von Schaltungen für verschiedene Anwendungen in verschiedenen Leistungsklassen erleichtert und wodurch es unkritisch ist, wenn in einen mit der Schaltung bestückten Beleuchtungskörper bedarfsweise Glühbirnen verschiedener Art eingesetzt werden.

Abhängig von den Schalteigenschaften des elektronischen Schalters (TR) kann es zweckmäßig sein, an dessen Starterelektrode zusätzlich zum Ableitwiderstand (RSA) einen weiteren Ableiter, insbesondere einen Spannungsteilerkondensator (CT), zur zweiten Netzanschlußklemme (KN2) zu führen, so daß diese Kondensatoren (CS, CT) an der Starterelektrode einen kapazitiven Spannungsteiler bilden, durch den ein Mindestspannungsabfall an der Glühbirne (GL) im Verhältnis zu dem am Vorwiderstand (RV) vorgegeben ist, oberhalb dessen noch keine Zündung stattfinden kann.

Fig. 2 zeigt eine zweckmäßige Ausgestaltung der Schutzschaltung für eine Gleichspannungsversorgung z. B. von einer KFZ-Beleuchtung, wobei mehrere alternativ eingeschaltete Gruppen aus parallelen Glühbirnen (GL1-GL4) von einer Schutzschaltung versorgt sind. Einschaltkontakte (S1, S2) der beiden Glühbirnengruppen (GL1, GL2; GL3, GL4), die z. B. die nicht gleichzeitig eingeschalteten Fernlichter und Abblendlichter in dem KFZ bilden, sind jeweils über einen Starterwiderstand (RS1, RS2) mit dem Emitter eines Zündtransistors (TZ) verbunden, dessen Kollektor über einen Basiswiderstand (RB) mit der Basis des elektronischen Schalters, nämlich eines Transistors (T), verbunden ist, der parallel zu dem Vorwiderstand (RV) liegt, über den alle Glühbirnen (GL1-GL4) mit der Versorgungsspannung verbunden sind. Die Basis des Zündtransistors (TZ) ist über einen strombegrenzenden Basisvorwiderstand (RBZ) mit dem Anschlußpunkt der Glühlampen (GL1-GL4) an den Vorwiderstand (RV) verbunden. Vorzugsweise ist von der Basis des Zündtransistors (TZ) zu dessen Emitter ein Ableitwiderstand (RAZ) geschaltet, durch dessen Verhältnis zum Basisvorwiderstand (RBZ) in Verbindung mit der konstanten Basisdiodenspannung und dem Spannungsabfall an den jeweils eingeschalteten Glühlampen der Zündeinsatz bestimmt ist. Bei der Dimensionierung ist zu beachten, daß die beiden Starterwiderstände (RS1, RS2) einen 1 : 1 Spannungsteiler für die Zündspannung bilden, da die jeweils nicht eingeschalteten niederohmigen Glühbirnen die Spannung, die über den eingeschalteten Glühbirnen liegt, dem jeweils anderen Spannungsteilerwiderstand zuführen.

Durch entsprechendes Weglassen der Bauteile der zweiten Glühlampengruppe, entstehen aus der vorbeschriebenen Schaltung einfache Grundformen der Schutzschaltung. Die Schaltung läßt sich auch durch Verwendung eins Thyristors statt eines Transistors (T) als elektronischer Schalter abwandeln.

Fig. 4 zeigt eine einfache Schutzschaltung, bei der der Emitter des Zündtransistors (TZ) an der Einspeisungsseite der Glühlampe (GL1) angeschlossen ist und die Basis des Zündtransistors (TZ) mit einem Basisvorwiderstand (RBZ) mit dem anderen Anschluß der Glühlampe (GL1) verbunden ist. Ein Ableitwiderstand (RAZ) ist von der Basis zum Emitter des Zündtransistors (TZ) geschaltet und bildet mit dem Basisvorwiderstand (RBZ) einen Spannungsteiler, der die Basisdiodenspannung ins Verhältnis zu dem jeweiligen Glühlampenspannungsabfall setzt. Wird die Basisdiodenspannung überschritten, so zünden beide Transistoren (TZ, T), wobei der Basisstrom des Schalttransistors (T) durch den Basiswiderstand (RB), der zum Kollektor des Zündtransistors (TZ) führt, bestimmt ist.

Fig. 5 zeigt, daß eine als der Basiswiderstand des Schalttransistors (T) wirkende Widerstandsserienschaltung (RB′, RB′′), die einen Spannungsteiler zwischen den Eingangsklemmen bildet, statt in die Kollektorleitung auch in die Emitterleitung des Zündtransistors (TZ) einzusetzen ist. Die beiden Transistoren (T, TZ) lassen sich in einer solchen Konfiguration, die ohne einen Widerstand zwischen dem Kollektor des Zündtransistors und der Basis des Schalttransistors (T) auskommt, kostengünstig auf einem Halbleitersubstrat integriert in reiner Halbleitertechnik fertigen. Der Zündtransistor (TZ) vergleicht die Spannung an dem Teilerpunkt des Spannungsteilers (RB′, RB′′) mit der Spannung an dem Teilerpunkt zwischen der Glühbirne (GL1) und dem Vorwiderstand (RV). Bei einem Überschreiten der Schaltspannung des Zündtransistors (TZ) schaltet dieser zusammen mit dem nachgeschalteten Schalttransistor (T) durch. Die beiden Teilerwiderstände sind vorzugsweise gleich groß.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer vorteilhaften Anordnung der Bauelemente der Schutzschaltung in einem Klemmwürfel (K). Die Eingangsklemmen (KN1, KN2) der Netzseite sind zur einen Stirnseite geführt und die Ausgangsklemmen (KG1, KG2) zur entgegengesetzten Stirnseite, so daß der Klemmwürfel (K) wie eine bekannte Lüsterklemme in eine Zuleitumg einzubauen ist. Ein Ein-Ausgangsklemmenpaar (KN1, KG2) ist als ein Durchgangsklemmkörper ausgebildet. Die Widerstände (RSA, RV), der Starterkondensator (CS) und der elektronische Schalter (TR) sind in dem Klemmkörper (K), der aus isolierendem Kunststoff besteht, zusammen mit den Klemmen eingespritzt. Ebenso wie diese Wechselstromschaltung läßt sich auch die Gleichstromschaltung in einen Klemmwürfel einbringen. Für die Verwendung der Schaltung im Kraftfahrzeug ist statt der Schraubklemmen jedoch eine Anbringung der genormten Steckkontakte an den Schaltungsblock vorteilhaft vorzusehen.

Die Schaltung läßt sich in vorhandene Leuchten und Schaltkästen auch nachträglich, ohne einen Umbau vorzunehmen, einsetzen.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung, die den Einschaltstrom einer Glühbirne (GL, GL1,-GL4) begrenzt, die mit einem steuerbaren Schalter (TR, T) in Serie geschaltet ist, der mit einem über einem Schwellwert liegenden Startsignal einschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schalter (TR, T) ein Vorwiderstand (RV) parallelgeschaltet ist, dessen Widerstand mindestens doppelt so groß wie ein Kaltwiderstand der nachgeschalteten Glühbirne(n) (GL: GL1, GL2; GL3, GL4) ist, und das Startsignal abhängig von einem Spannungsabfall an der Glühbirne (GL, GL1, -GL4) so gebildet ist, daß es dann den Schalter (TR, T) einschaltet, wenn der Widerstand der Glühbirne (GL, GL1, GL4) mindestens 1/3 ihres Warmwiderstandes, der in ihrem Dauerbetrieb bei einer Nennspannung vorliegt, erreicht hat.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Wechselspannung (UN) gespeist ist, der Schalter (TR) ein Triac ist, dessen Bezugselektrode zwischen der Glühbirne (GL) und dem Vorwiderstand (RV) angeschlossen ist und dessen Startelektrode mit einem Starterkondensator (CS) zum Versorgungsanschluß (KN1, KG1) der Glühbirne (GL) und mit einem Starterableitwiderstand (RSA) zur Bezugselektrode beschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Starterelektrode des Triac (TR) außerdem mit einem Spannungsteilerkondensator (CT) beschaltet ist, der zum Versorgungsanschluß (KN2) des Vorwiderstandes (RV) führt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Gleichspannung gespeist ist, der Schalter (T) ein Transistor ist, dessen Basis über einen Zündtransistor (TZ) gespeist ist, dessen Emitter mit einer versorgungsspannungsseitigen Bezugsspannung und dessen Basis mit dem Anschluß der Glühbirne (GL1) an den Vorwiderstand (RV) verbunden ist und die beiden Transistoren (TZ, T) von einem unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des Zündtransistors (TZ) mit dem Einspeisungsanschluß der Glühbirne (GL1) verbunden ist, sein Kollektor über einen Basisiwiderstand (RB) mit dem Schalttransistor (T) basisseitig verbunden ist und die Basis des Zündtransistors (TZ) an einen Spannungsteilerpunkt eines über die Glühbirne (GL1) gelegten Spannungsteilers (RBZ, RAZ) angeschlossen ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Zündtransistors (T) mit dem Kollektor des Schalttransistors verbunden ist und der Kollektor des Zündtransistors (TZ) mit der Basis des Schalttransistors (T) verbunden ist und der Ermitter des Zündtransistors (TZ) mit einem Spannungsteilerpunkt eines einspeisungsseitigen Spannungsteilers (RB′, RB′′) verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistoren (TZ, T) monolithisch integriert sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einzeln schaltbare Glühbirnen oder Glühbirnengruppen (GL1, GL2; GL3, GL4) an die eine Schutzschaltung über den Vorwiderstand (RV) und den Schalttransistor (T) an einen Versorgungspannungsanschluß angeschlossen sind und die Zündschaltung (CS; TZ, RAZ, TZ, RB′) über je einen Starterwiderstand (RS1, RS2) mit den geschalteten Glühbirnen oder Glühbirnengruppenanschluß verbunden sind.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühbirnengruppen (GL1, GL2; GL3, GL4) die Fernlichter und die Abblendlichter eines KFZ sind.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwiderstand (RV) einen Widerstandswert zwischen dem zwei- bis zehn-fachen des Kaltwiderstandes der jeweils angeschlossenen Glühbirne (GL) oder Glühbirnengruppe (GL1, GL2) aufweist.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Kunststoffklemmblock (K) angeordnet ist, der einerseits Versorgungsklemmen (KN1, KN2) und andererseits Glühbirnenanschlußklemmen (KG1, KG2) enthält.