DE4219334A1 - Einschaltstrombegrenzung fuer elektrische gluehlampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lampenvorschalteinrichtung zur Begrenzung des Einschaltstromstoßes elektrischer Glühlampen.

Glühlampen werden auffälligerweise besonders häufig im Einschaltmoment defekt, wie auch der Praktiker insbesondere von sehr häufig geschalteten Lampen zu berichten weiß. Wegen der hohen Betriebstemperaturen des Lampenwendels ist die Lampe als ein im Einschaltmoment noch kalter Kaltleiter zu betrachten, was zu einem hohen Einschaltstromstoß führt. Bekannt ist, daß eine geeignete Einschaltstrombegrenzung die Schaltfestigkeit von Lampen, d. h. die Lebensdauer häu­ fig geschalteter Lampen, wesentlich verbessert. Dies hängt mit der überhöhten Wolframverdampfung an mikroskopischen Schwachstellen und Rissen des metallisch-kristallinen Wolf­ ram-Wendels beim Einschalten zusammen und trifft besonders für die mit nur dünnen Wendeln und zusätzlichen Wendelhal­ tern versehenen, netzspannungsbetriebenen Hochvoltlampen zu.

Unbekannt war bisher jedoch, daß durch zu starke Ein­ schaltstromstöße auch Rekristallisationen der Wolframgitter­ atome behindert werden, und daß zu heftige Magnetostriktion und Wärmeausdehnung sowie magnetisch induzierte Resonanz bei Mehrfachwendeln ebenfalls einen frühzeitigen Fadenbruch her­ beiführen können.

Gesucht ist deshalb eine einfache, preiswerte und zuver­ lässige Einschaltstrombegrenzung, für die sich insbesondere bei Zuverlässigkeitsanwendungen (Signallampen und insbeson­ dere Verkehrssignallampen), besonders teuren Lampen (wie z. B. Hochvolthalogenreflektorlampen) und bei hohem Auswechselauf­ wand (gewerblicher Einsatz) eine dankbare Anwendung ergibt.

Es ist der Stand der Technik, dem als elektrischer Kaltleiter (PTC) wirkenden Glühfaden einen elektrischen Heißleiter (NTC) seriell vorzuschalten, wodurch im Einschaltmoment zunächst fast die ganze elektrische Leistung auf den Heißleiter "fo­ kussiert" wird, wenn dieser anfänglich einen größeren Wider­ stand hat, und dadurch einen Unterspannungsbetrieb der Lampe in ihrem Einschaltmoment bewirkt. Durch die elektrische Ei­ generwärmung nimmt der Heißleiterwiderstand dann steil ab, während der Lampenwendelwiderstand rasch steigt, wodurch sich als weiterer Vorteil eine kurze Nachbegetterungsphase der Lampe nach jedem neuen Einschalten ergibt. Dazu steigt auch der Wendelanteil an dem aus Wendel und Heißleiter gebildetem Spannungsteiler, was hier zu einer Verlagerung der zugeführten elektrischen Leistung mit doppeltem Hebel führt. Wird der Vorschaltheißleiter noch zusätzlich durch die Lampe fremd er­ wärmt, bekommt diese Leistungsumschichtung sogar einen dritten Hebel. Solch eine Vorschalteinrichtung vermag der elektrischen Glühlampe also den restlichen Hauch des Unseriösen zu entrei­ ßen, welcher sonst insbesondere die Hochvoltlampe durch die schwer kalkulierbare und nur statistisch beschreibbare Aus­ fallperformance umgibt.

Die Gebrauchsmusteranmeldung DE-GM 87 03 904 beschreibt einen wiederverwertbaren Heißleitereinsatz für Glühlampenfassungen. Die Anmeldung DE-24 10 884 behandelt die Vorschaltung von Vana­ diumoxid-Widerständen vor elektrische Glühlampen und mutet ei­ ne dadurch erzielbare Lebensdauerverlängerung von bis zu über 30 Prozent. Diskutiert worden ist auch schon die Einbringung des Heißleiters im Lampensockel oder gar im Lampenkolben. Die untersuchten Vanadium-Oxide haben im Temperaturbereich von 40 bis 80 Grad Celsius eine derart steile Widerstandsabnahme, daß bei der zitierten Arbeit im Gegensatz zur vorliegenden Anmel­ dung weder weitere Vorkehrungen zur gezielten Aufstockung der Heißleiterendtemperatur noch zur Wirkungsgraderhöhung durch optimierte Dimensionierung seines elektrischen Wertes getroffen wurden. Vanadiumoxid-Heißleiter sind aber derart teuer, daß die Anmeldung zur Einsparung von Vanadium sogar die Erhöhung der Wärmekapazität durch kräftige Verstärkung an den Kontaktie­ rungsflächen vorschlägt. Außerdem führt der inhomogene Tempera­ turgang der Vanadiumoxid-Heißleiter zu einem schlechten Erhol­ verhalten, was für allgemeine Anwendungen, bei denen es auch mal schon nach kurzer Zeit zu einem erneuten Einschalten kommen kann, nachteilig ist. Deshalb zielt die Erfindung auch eher auf die Verringerung des Wärmeübergangs zwischen Heißleiter und seiner Umgebung ab, als auf solche exzessiven Temperaturkoeffi­ zienten, was mindestens genauso effektiv ist.

Daß all diese Ansätze also u. A. entweder noch zu teuer sind oder zu große Wirkungsgradeinbußen haben, ist der Grund dafür, daß Heißleiter-gesteuerte Lampen bis heute noch nicht handels­ üblich wurden, obwohl solche Vorschaltheißleiter inzwischen sogar schon zu einem geringeren Zweck bei den noch wesentlich jüngeren elektronischen Energiesparlampen eingesetzt werden.

Vorliegende Erfindung sucht eine gute und praktikable Lösung u. A. durch eine weitere Erhöhung der stationären Heißleiter­ endtemperatur, um über die schon sehr steile Temperaturabhän­ gigkeit eines normalen Heißleiters und gleichzeitig die gezielte elektrische Dimensionierung eine weitere, wesentliche Spannungsabfallsenkung am Heißleiter zu erzielen.

Eingehende Untersuchungen haben ergeben, daß für eine wesent­ liche Glühfadenschonung schon eine Einschaltstrombegrenzung auf den 3- bis 5fachen Betrag des stationären Wertes ausreicht, weil auch die schon erwähnten Schwachstellen erst auf Tempera­ tur kommen müssen, um sich dann erst überhitzen zu können.

Jede Herabsetzung des Heißleiterkaltwiderstandes bei freier Konvektion führt übrigens zu einer Reduktion des Spannungs­ abfalls um die Wurzel dieses Absenkungsfaktors, was die loh­ nende Anwendung von Anspruch 1 begründet. Im Gegensatz zu der in DE 24 10 884 gegebenen Darstellung ist die Heißleiter­ endtemperatur von der Umgebungstemperatur allerdings prak­ tisch unabhängig.

Die Erfindung kann gemäß Anspruch 2 auch gut auf Nieder­ voltlampen angewendet werden, welche ja keine Wendelhalter haben. Besonders beim Einsatz in KFZ-Bordnetzen nach Anspruch 3 kann sie nämlich auch dem Schutz der Schaltmittel dienen, insbesondere, wenn dies etwa stoßstromempfindliche Leistungs­ (MOS-FET)-Transistoren sind.

Für die Montage des Heißleiters an einer Wärmesenke, zu der auch der Mittenkontakt oder das Gewinde eines Glühlampen­ sockels zu rechnen ist, soll die relative Länge (Verhältnis von Länge zu Dicke) des betreffenden Anschlußdrahtes gemäß Anspruch 4 ein wirkungsgradgarantierendes Mindestmaß, vor­ zugsweise gemäß der Ansprüche 16 und 17, erhalten. Dies kann nach Anspruch 5 gut erreicht werden durch ein Keramik- oder Isolierstoffrohr oder eine als Stopper dienende, vorzugsweise aus Isolierstoff bestehende, geeignete Verdickung auf diesem Anschluß. Um nicht mit dem Pumpstengel zu kollidieren, kann das Distanzrohr schräg vom Mittenkontakt weg verlaufen oder sogar gekrümmt sein. Auch eine spiralige Biegung nach An­ spruch 6 ist gut für die Distanzwahrung geeignet, weil dieses Verfahren ohne Zusatzmaterialien auskommt. Ist die Heißlei­ terendtemperatur erfindungsgemäß aufgestockt, ist noch zu be­ achten, daß sich die Enden an den Kontaktierungsflächen nicht etwa von allein entlöten können, so daß für eine geeignete, temperaturfeste Kontaktierung des Heißleiters zu achten ist. Der andere Thermistoranschluß kann dann mit dem aus dem Lampenkolben führenden Wendelanschluß vernietet und verlötet sein. Das Verhältnis der Gesamtwärmekapazität zwischen Wendel und Thermistor entspricht ungefähr ihrem Massenverhältnis und sollte etwa dem Absolutwert ihrer Temperaturkoeffizienten ent­ sprechen. Das Distanzstück kann natürlich auch aus dem Iso­ latormaterial des Mittenkontaktes selbst gebildet und dadurch fest in dieses integriert sein. Oder es ist wenigstens eine besondere Bohrung oder ein Kanal der zur Rede stehenden Min­ destlänge vorhanden, welche weder gerade noch mittig aus dem Mittenkontakt herausführen muß.

Folgende Rechnung soll den wirtschaftlichen Vorteil der Erfindung für Hersteller und Abnehmer anhand eines Beispiels aufzeigen:

Nettopreis (Beispiel für eine normale Hochvolthalogenreflektorlampe) ab Werk:
DM 14,00
Durch den Wert einer 20%igen Lebensdauerverlängerung gerechtfertigte Preissteigerung:	DM 2,80
Maximal möglicher Kundenabschlag durch kleine, restliche Wirkungsgradeinbuße (bei 100 Watt, 1500 Stunden)	-DM 0,30
Heißleiterkosten:	-DM 0,26
Erzielbarer Gewinn:	DM 2,24

Für den Hersteller ergibt sich also insgesamt eine Einnahme­ steigerung mit viel größerem Gewinn, als er durch die Herstel­ lung der herkömmlichen Lampe erzielbar ist, und für den Kunden ein vermindertes Abwicklungserfordernis. Wegen geringerer Ge­ samtabwicklung vermindern sich zudem die Umweltbelastung und die lebensdauerbezogene Herstellungsenergie.

Zur optimalen Anpassung an die jeweilige Lampe und für die zusätzliche Fremdheizung durch den Verbraucher empfiehlt sich auf jeden Fall die Unterbringung des Heißleiters in der Lampe selbst. Besonders zeitgemäß und interessant ist natürlich die Ausstattung einer Halogenlampe mit einem Vorschaltheißleiter gemäß Anspruch 13, weil Halogenlampen teuer sind und einen besonders kleinen Kaltwiderstand haben. Bei Unterbringung des Heißleiters zwischen Halogen- und Schutzrohr gemäß Anspruch 7 sind die gewünschten Temperaturen dann leicht zu erreichen. Solche gasdichte Einkapselung des NTC in einem gesonderten, etwa aus Glas gebildeten Hohlraum, ermöglicht aber insbesonde­ re auch durch Evakuierung gemäß Anspruch 9 eine weitere, ge­ zielte Verschlechterung des Wärmeübergangs zur Umgebung, so daß fast nur noch die ausgesandte, oberflächenabhängige Tempe­ raturstrahlung die NTC-Arbeitstemperatur begrenzt.

Das ist insbesondere auch dann von Vorteil, wenn der NTC nicht etwa in der Lampe, sondern beispielsweise im Lichtschalter oder an anderer Stelle im Stromnetz angeordnet ist, und darum keiner Fremderwärmung durch die Lampe mehr unterliegt. Auch bei Unter­ bringung in einer Leuchte kann man sich so eine etwas teurere Version leicht leisten, weil der NTC nun nicht mehr bei jedem Lampentausch mit ausgewechselt werden muß. Wird der Heißleiter durch Anordnung in Lampennähe noch zusätzlich einer gewissen Fremderwärmung unterworfen, läßt sich nun noch die jetzt bekan­ nte Brennstellung bezüglich der Leuchte vorteilhaft ausnutzen, indem der Heißleiter nach Anspruch 11 vorteilhafterweise derart angeordnet ist, daß dafür der sich über der Lampe aufbauende Konvektionsstrom sinnvoll ausgenutzt wird.

So ist - besonders für Hausflurbeleuchtungen - eine Lebensdauer­ leuchte für mehrere Lampen möglich, deren Lampenfassungen Thermistoren zugeordnet sind, welche etwa gemäß Anspruch 9 zueinander parallel geschaltet sind, und durch die jeweiligen Lampen zusätzlich zur Eigenerwärmung beheizt werden. Dabei können Wärmestrahlung oder Konvektionsstrom noch durch zusätz­ liche Vorrichtungen wie Linsen, Reflektoren oder eingeschwärz­ te Mulden, in denen der Heißleiter eingebettet ist, vorteilhaft auf den NTC gebündelt werden. Eine solche Leuchte ist auch zu Energiesparlampen kompatibel, welche zwar eine geringere Fremd­ heizung des Thermistors bewirken, dafür aber auch nur einen ge­ ringeren Strombedarf haben. Wegen der Ladestromstöße der Kom­ paktleuchtstofflampen ist die Thermistorvorschaltung auch hier vorteilhaft.

Wird der Heißleiter dagegen im Lampenkolben selbst unter­ gebracht, schützt eine etwa aus Glas oder gasdichter Keramik bestehende Ummantelung das Getter vor Verunreinigungen, die etwa durch Gasen des Heißleiters entstehen können. Zudem wird durch die Ummantelung auch die Festigkeit der Kontaktierung des nun sehr vorteilhaft fremderwärmten Heißleiters verbessert.

Für besonders sicherheitsrelevante Anwendungen kann durch Parallelschalten mehrerer Heißleiter gemäß Anspruch 9 die oh­ nehin schon geringe Totalbruchwahrscheinlichkeit der Gesamtvor­ schaltanordnung noch weiter drastisch reduziert werden. Es darf hierbei aber nicht übersehen werden, daß auch diese parallele Anordnung von Heißleitern nicht so trivial ist, wie sie aus­ sieht: weil im Falle mehrerer gleich großer Heißleiter ein in­ differentes elektrisches Gleichgewicht zwischen diesen besteht, unterliegt schließlich nur einer seiner Eigenerwärmung. Deshalb können für sicherheitsrelevante Anwendungen zwei Heißleiter mit verschieden großen Werten parallel geschaltet sein, um den Steuerbereich im Normalfall nicht wesentlich einzuschränken.

Bei typischen Niedervoltanwendungen gemäß Anspruch 3 wird man es hauptsächlich auf den Schutz der Schaltmittel absehen, so daß die Masse des Thermistors nicht mehr zur Fadenmasse re­ liert werden muß und deshalb besonders zu Gunsten der meist erwünschten kurzen Abkühlzeiten vorteilhaft auch kleiner als sonst gemacht werden kann. Die Diffusionslänge im Transistor ist ungefähr dem Quadrat der Diffusionszeit proportional. Soll der Heißleiter in der Lampe untergebracht werden, wird übrigens die Frage nach einer Fassung interessant, welche die Brennstellung einer Lampe eindeutig festlegt, um die Konvek­ tion so gut als möglich ausnutzen zu können.

Bei Anspruch 12 wird der Thermistor an der Kolbenaußen­ seite möglichst nahe in Richtung Faden neben dem Pumpstengel angebracht. Dadurch wird eine hohe Erwärmung des NTC und eine genügende Länge des herabführenden Anschlusses garantiert (Die Heißleitertemperatur liegt natürlich stets noch etwas höher als die seiner Umgebung). Weil sich der NTC außen be­ findet, schließt diese Lösung überdies auch jede ungewollte Begasung aus. Mit einem 220-Ohm-Heißleiter des Typs K164 von Siemens am Pumpstengel einer 230 V/54-Watt Krypton-Lampe für Straßenverkehrssignalanlagen von Osram (Typ Sig 1540) wurde ein Spannungsabfall von nur 0,7% erzielt, so daß Anspruch 12 insgesamt schon als sehr gute Lösung gelten kann, gerade wenn man bedenkt, daß die Verluste einer normalen Triac- Schaltstrecke auch schon 0,5% betragen.

Abb. 1 zeigt eine Gleichstrommeßanordnung zur Aufzeich­ nung des Einschaltstromes einer Glühlampe. Die Starttaste schaltet den Thyristor THY. Der über den vernachlässigbaren Shuntwiderstand abgenommene Lampenstrom wird mit einem Spei­ cheroszillografen DSO aufgezeichnet.

Abb. 2 zeigt den Temperaturverlauf eines Metalloxidheiß­ leiters. Die Abszisse enthält die Heißleitertemperatur, und die Ordinate den normierten Heißleiterwiderstand.

Abb. 3 zeigt den mit einer Anordnung nach Abb. 1 (großer Ladekondensator) gemessenen Lampenstromverlauf I in Abhängigkeit der auf der Abszisse aufgetragenen Einschaltzeit t. Kurve 1 gibt die Einschaltspitze einer normalen Lampe wie­ der, und Kurve 2 den Verlauf einer erfindungsgemäßen Lampe. Die sofort nach dem Einschalten einsetzende, erhebliche Leis­ tungsumschichtung vom NTC zum Lampenfaden ist diesem Ein­ schaltstromverlauf nicht mehr entnehmbar.

Die Abb. 4A bis 5B zeigen das erfindungsgemaße In­ nere einer Glühlampenschraubfassung 4 mit dem NTC 9, dem Pump­ stutzen 3, den Mittenkontakt 5, dem oberen Heißleiteranschluß 6, einer Verbindungsniete 7, dem anderen Kolbendraht 8, einer Distanzhülse 10, der Mittenkontaktisolierung 11 sowie dem un­ teren Heißleiteranschluß 12. Abb. 4A zeigt die Stopperlösung und Abb. 4B alternativ die Distanzwahrung durch die gezeichne­ te Spirale. Abb. 5A enthält eine unmittig angeordnete Distanz­ hülse, die dagegen in Abb. 5B mittig, aber schräg verläuft. Abb. 4A zeigt einen länglich-zylindrischen Heißleiter, welcher sonst scheibenförmig ist. Es sind auch Scheiben-NTCs mit diamentral auseinanderlaufenden Anschlüssen interessant.

Claims (19)

1. Verlustarme Heißleitervorschalteinrichtung für Glühlampen, bestehend aus einer der Lampe seriell vorgeschalteten Heiß­ leiteranordnung (auch kurz als NTC bezeichnet), dadurch gekennzeichnet, daß der Heißleiter in kaltem Zustand den 1- bis 7fachen Wi­ derstandswert des Glühfadens hat und dadurch ein gewisses, aber begrenztes Überschießen des Einschaltstromes zuläßt.

2. NTC-Vorschaltanordnung für elektrische Glühlampe nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Lampe um eine Niedervoltlampe handelt.

3. Einer Niedervoltlampe beizuordnender Vorschaltheißleiter, gekennzeichnet durch den Einsatz an einem transistorgeschal­ teten Gleichstromnetz, insbesondere an einem KFZ-Bordnetz.

4. In der Nähe einer Wärmesenke, insbesondere in einem Lam­ pensockel untergebrachter Vorschaltheißleiter für elektri­ sche Glühlampen, gekennzeichnet durch besondere Verfahren oder Mittel, durch welche die Länge des Heißleiteranschlusses zu dieser Senke auf einem vorgebbaren Mindestmaß gehalten werden kann.

5. Heißleitervorschaltanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der fragliche NTC-Anschluß mit einer isolierenden Dis­ tanzhülse oder mit einer in definiertem Abstand angebrach­ ten Verdickung als längenwahrender Stopper versehen ist.

6. NTC-Vorschaltelement nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen vorzugsweise spiralig oder mäanderförmig definiert gebogenen Anschluß.

7. NTC-Vorschaltelement für elektrische Verbraucher, gekennzeichnet durch eine gesonderte, gasdichte Einkap­ selung des Heißleiters mit einer vom Glühfaden getrennten Atmosphäre, ohne daß hierdurch ein atmosphärischer Schutz zu bewirken ist.

8. Vakuumisolierte NTC-Anordnung im gasdichten Gehäuse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Unterdruck oder Evakuierung des Hohlraums ein besonders kleiner Wärmeübergang vom NTC erzielt wird.

9. Sicherheitsrelevante NTC-Vorschaltanordnung für elektrische Glühlampen, gekennzeichnet durch die Parallelschaltung mehrerer Heißleiter.

10. Vorschaltanordnung nach einem der genannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die feste Verbindung des NTCs mit der Lampe oder durch einen thermischen Kontakt zwischen NTC und Glühlampe, welcher durch Unterbringung des NTC im Lampensockel oder im Lampenkolben hergestellt wird.

11. Derart in einer Leuchte oder Lampenfassung untergebrach­ te NTC-Vorschaltanordnung, daß die durch die Leuchte vermit­ telte Brennstellung konstruktiv bei der Anordnung des NTC ge­ nutzt wird, indem dieser im Konvektionsstrom wenigstens einer Lampe, also vorzugsweise über einer Lampe, angebracht wird. Dabei kann die Heißleitererwärmung noch durch eine geeignete Sammellinse oder Unterbringung in einer wärmestauenden Mulde oder an einem passenden Reflektor gefördert werden.

12. Vorschaltheißleiter in einer Glühlampe, dadurch gekennzeichnet, daß dieser außerhalb von Lampenkolben und Fassung unmittelbar neben dem Pumpstengel angeordnet ist.

13. Glühlampe mit Heißleitervorschaltanordnung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Lampe um eine Halogenlampe handelt.

14. NTC-Vorschaltanordnung für elektrische Glühlampe nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine besonders sicherheitsrelevante Lampe, eine stoßfeste Lampe, eine Verkehrssignallampe oder eine sonst besonders häufig geschaltete Lampe handelt.

15. Lampenheißleiter nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Lampe um eine Reflektorlampe, eine teilweise innenverspiegelte oder um eine sonst aufwendig hergestellte Lampe handelt.

16. Mit Anschlußdrähten versehener NTC-Vorschaltwiderstand für elektrische Glühlampen, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einbau des NTC darauf geachtet wird, daß die freie Anschlußdrahtlänge zur nächsten Wärmesenke mindestens den 20fachen Drahtdurchmesser beträgt.

17. NTC-Vorschaltwiderstand für elektrische Glühlampen, dadurch gekennzeichnet, daß konstruktiv beachtet wird, daß die relative Anschlußdrahtlänge hoch gehalten wird über einen verhältnismäßig geringen Drahtdurchmesser von 0,4 mm oder weniger.

18. Vorschaltheißleiter für elektrische Glühlampen, gekennzeichnet durch eine unterschiedliche Beschaffenheit seiner beiden Anschlüsse hinsichtlich Durchmesser, Material oder Festigkeit, vorzugsweise indem der zur kälteren Seite führende Anschluß dünner als der andere ist oder indem ein Anschlußdraht insbesondere durch Molybdänzusatz schwerer biegsam ist.

19. Mit Vorschaltheißleiter ausgestattete Halogenlampe nach Anspruch 13 mit unterschiedlich langen Anschlüssen, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißleiter in der sonst längeren Zuführung, und dabei vorzugsweise auf der dem Brenner nahe gelegenen Seite, angeordnet ist.