DE4121055C2 - Schaltungsanordnung zur Einschaltstrombegrenzung von Glühlampen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die den Einschaltstrom mindestens einer Glühlampe begrenzt, bei der die Glühlampe mit einem Vorwiderstand, dessen Widerstand mindestens doppelt so groß wie der Kaltwiderstand der nachgeschalteten Glühlampe ist, gespeist ist, dem ein steuerbarer Schalter parallelgeschaltet ist, der mit einem über einem Schwellwert liegenden Startsignal verzögert eingeschaltet wird, welches so gebildet ist, daß es den Schalter bei geeignet großem Warmwiderstand der Glühlampe einschaltet, so daß der Vorwiderstand überbrückt wird.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 36 05 266 A1 vorbekannt. Bei dieser wird nach dem Einschalten die ab­ sinkende Spannung, die an dem Vorwiderstand der Glühlampe abfällt, einem Integrationsglied zugeführt, dessen Dimensionierung die Einschaltverzögerung bestimmt, wobei die zum Einschaltzeitpunkt des Thyristors vorliegende Lampenspannung jedoch nur indirekt und annähernd definiert ist. Diese Schaltung eignet sich nur für Gleichspannungsbetrieb, so daß für einen Wechselspannungsbetrieb eine Gleichrichterbrücken­ schaltung mit Siebmitteln vorgeschaltet ist.

Weiterhin zeigt das DE 89 13 301 U1 eine der vorgenannten ähnliche Schaltung mit mehreren Glühlampen und mit einem Treiber- und einem Schalttransistor, wobei ebenfalls die abnehmende Spannung am Vorwiderstand der Glühlampe über ein Integrationsglied dem Treibertransistor basisseitig zugeführt ist. Diese Schaltung weist noch mehr Bauteile auf und hat die gleichen Nachteile wie die vorstehend beschriebene.

Aus der DE-AS 11 20 013 ist eine Schaltungsanordnung mit einem Relais bekannt, das parallel zu einer Lampe liegt und dessen Kontakt jeweils geschaltet den Lampenvorwiderstand brückt. Diese Schaltung weist die bekannten Nachteile eines Relais gegenüber elektronischen Schaltungen, nämlich großes Bauvolumen, großen Stromverbrauch und hohe Kontaktabnutzung auf.

Schließlich ist aus der DE 38 15 604 C2 eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der eine Glühlampe über einen Schalttransistor gespeist wird, der zwecks einer Sicherung geben Überstrom im Dauerbetrieb mit einer Stromüberwachungsschaltung des Lampenstroms angesteuert wird, die jedoch während der Einschaltzeit, in der ein hoher Strom durch den niedrigen Kaltwiderstand der Lampe fließt, wirkungslos gesteuert ist.

Allgemein ist es bekannt, Glühlampen 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 Glühlampe vorzeitig begrenzende Stromspitze nicht auftritt, die bei einer Direkteinschaltung unvermeidlich ist. Bei den üblich dimensionierten Glühfäden ist eine Optimierung bezüglich der 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 12fachen 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 Glühlampen 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 daher Aufgabe der Erfindung, eine elektronische automatisch arbeitende Einschaltstrombegrenzungsschaltung für Glühlampen anzugeben, die bei geringem Bauteileaufwand bei definierter Lampenspannung auf volle Spannung schaltet.

Die Lösung ist im Kennzeichen der unabhängigen Ansprüche 1 und 3 aufgegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

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 Lampen vorzusehen ist. Der angeschlossenen Gesamtleistung der Glühlampen 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.

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

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

Auch das Vorschaltelement der Steuerelektrode erbringt eine geringe Verlustleistung, da es entweder als ein Kondensator ausgebildet ist, den 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 ein Beispiel einer Schutzschaltung für Wechselstrombetrieb;

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Schutzschaltung für Gleichstrombetrieb mit mehreren Glühlampengruppen.

Fig. 3 zeigt schematisch die räumliche Anordnung der Wechselstromschaltung.

Fig. 4 und 5 zeigen weitere Beispiele von 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 Glühlampe (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 Glühlampe (GL) führt. Der Zündeingang des Triacs (TR) ist über einen Zündkondensator (CS) mit dem ersten Klemmenpaar (KN1, KG1) verbunden und somit mit einer Spannung beaufschlagt, die an der Glühlampe (GL) jeweils abfällt. Vom Zündanschluß 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 Zündkondensators (CS) und der Ableitwiderstand (RSA) bilden einen Spannungsteiler, dessen Spannung am Teilerpunkt die Zündspannung 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 Glühlampe beträgt, so daß der Kaltstrom der Reihenschaltung (RV, GL) mit der Glühlampe (GL) um ein Mehrfaches geringer ist als der Kaltstrom einer ungeschützten Glühlampe. Andererseits empfiehlt es sich, den Vorwiderstand (RV) nicht höher zu wählen, als es erforderlich ist, daß der Warmwiderstand der Glühlampe (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 Glühlampe (GL) als am Vorwiderstand (RV), und der Zündkondensator (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 Glühlampe (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 2fachen Kaltwiderstand bis zum 8fachen Kaltwiderstand der Glühlampe (GL) dimensioniert sein, so daß eine gegebene Schaltung jeweils für Glühlampen 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 Glühlampen verschiedener Art eingesetzt werden.

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

Fig. 2 zeigt eine Ausgestaltung der Schutzschaltung für eine Gleichspannungsversorgung z. B. einer KFZ-Beleuchtung, wobei mehrere alternativ eingeschaltete Gruppen aus parallelen Glühlampen (GL1-GL4) von einer Schutzschaltung versorgt sind. Einschaltkontakte (S1, S2) der beiden Glühlampengruppen (GL1, GL2; GL3, GL4), die z. B. die nicht gleichzeitig eingeschalteten Fernlichter und Abblendlichter in dem KFZ bilden, sind jeweils über einen Zündwiderstand (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 Glühlampen (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 Zündwiderstände (RS1, RS2) einen 1 : 1-Spannungsteiler für die Zündspannung bilden, da die jeweils nicht eingeschalteten niederohmigen Glühlampen die Spannung, die über den eingeschalteten Glühlampen 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 zeit 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 Glühlampe (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 zeit einen Querschnitt einer vorteilhaften Anordnung der Bauelemente der Schutzschaltung in einem Kunststoffklemmblock (K). Die Eingangsklemmen (KN1, KN2) der Netzseite sind zur einen Stirnseite geführt und die Ausgangsklemmen (KG1, KG2) zur entgegengesetzten Stirnseite, so daß der Block (K) entsprechend einer sog. Lüsterklemme in eine Zuleitung einzubauen ist. Ein Ein-Ausgangsklemmenpaar (KN1, KG2) ist als ein Durchgangsklemmkörper ausgebildet. Die Widerstände (RSA, RV), der Zündkondensator (CS) und der elektronische Schalter (TR) sind in dem Block (K), der aus isolierendem Kunststoff besteht, zusammen mit den Klemmen eingespritzt. Ebenso wie diese Wechselstromschaltung läßt sich auch die Gleichstromschaltung in einen Block 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 einsetzen.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung, die den Einschaltstrom mindestens einer Glühlampe (GL) begrenzt, bei der die Glühlampe (GL) mit einem Vorwiderstand (RV), dessen Widerstand mindestens doppelt so groß wie der Kaltwiderstand der nachgeschalteten Glühlampe (GL) ist, gespeist ist, dem ein steuerbarer Schalter (TR, T) parallelgeschaltet ist, der mit einem über einem Schwellwert liegenden Startsignal verzögert eingeschaltet wird, welches so gebildet ist, daß es den Schalter (TR, T) bei geeignet großem Warmwiderstand der Glühlampe (GL) einschaltet, so daß der Vorwiderstand (RV) überbrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung mit einer Wechselspannung (UN) gespeist ist, daß der Schalter (TR) ein Triac ist, dessen erste Lastelektrode mit einem ersten Wechselspannungsanschluß (KN2) verbunden ist, dessen zweite Lastelektrode mit einem ersten Glühlampenanschluß (KG2) sowie mit einem Ableitwiderstand (RSA) verbunden ist, der andererseits mit einer Zündelektrode des Triacs verbunden ist, die weiterhin über einen Zündkondensator (CS) mit einem zweiten Glühlampenanschluß (KG1) und dem zweiten Wechselspannungsanschluß (KN1) verbunden ist (Fig. 1).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Starterelektrode des Triac außerdem mit einem Spannungsteilerkondensator (CT) beschaltet ist, der zum Versorgungsanschluß des Vorwiderstandes (RV) bzw. ersten Wechselspannungsanschluß (KN2) führt.

3. Schaltungsanordnung die den Einschaltstrom mindestens einer Glühlampe (GL1-GL4) begrenzt, bei der die Glühlampe (GL1-GL4) mit einem Vorwiderstand (RV), dessen Widerstand mindestens doppelt so groß wie der Kaltwiderstand der nachgeschalteten Glühlampe (GL1-GL4) ist, gespeist ist, dem ein steuerbarer Schalter (TR, T) parallelgeschaltet ist, der mit einem über einem Schwellwert liegenden Startsignal verzögert eingeschaltet wird, welches so gebildet ist, daß es den Schalter (TR, T) bei geeignet großem Warmwiderstand der Glühlampe (GL1-GL4) einschaltet, so daß der Vorwiderstand (RV) überbrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung mit einer Gleichspannung gespeist ist, der Schalter (T) ein Schalt­ transistor ist, dessen Basis über den Kollektor eines Zündtransistors (TZ) gespeist ist, wobei von diesem der Emitter mit einem auf die Versorgungsspannung bezogenen Bezugspotential verbunden ist und seine Basis das Startsignal in Form eines von einem Schaltungspunkt zwischen der Glühlampe (GL1-GL4) und dem Vorwiderstand (RV) abgeleiteten Potential erhält und die beiden Transistoren (TZ, T) von einem unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des Zündtransistors (TZ) mit dem Einspeisungsanschluß der Glühlampe (GL1) verbunden ist, sein Kollektor über einen Basiswiderstand (RB) mit dem Schalttransistor basisseitig verbunden ist und die Basis des Zündtransistors (TZ) an einen Spannungsteilerpunkt eines über die Glühlampe (GL1) gelegten Spannungsteilers (RBZ, RAZ) angeschlossen ist (Fig. 4).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Zündtransistors mit dem Kollektor des Schalttransistors verbunden ist und der Kollektor des Zündtransistors (TZ) mit der Basis des Schalttransistors verbunden ist und der Emitter des Zündtransistors (TZ) mit einem Spannungsteilerpunkt eines einspeisungsseitigen Spannungsteilers (RB′, RB′′) verbunden ist. (Fig. 5)

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistoren (TZ, T) monolithisch integriert sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einzeln schaltbare Glühlampen oder Glühlampengruppen (GL1, GL2; GL3, GL4) an die eine Schutzschaltung über den Vorwiderstand (RV) und den Schalttransistor (T) an einen Versorgungsspannungsanschluß angeschlossen sind und die Zündschaltung (CS; TZ, RAZ, TZ, RB′) über je einen Starterwiderstand (RS1, RS2) mit den geschalteten Glühlampen oder Glühlampengruppenanschluß verbunden sind (Fig. 2).

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühlampengruppen (GL1, GL2; GL3, GL4) die Fernlichter und die Abblendlichter eines KFZ sind.

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