NO840803L - Beskyttelsesanordning for elektriske gloedelamper - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en beskyttelsesanordning for elektriske glødelamper, beregnet for drift ved en foreskrevet driftsspenning og omfattende elementer som ved pålegning av elektrisk spenning avstedkommer en begrensning av strømstyrken ved tilkoblingen.

Konvensjonelle elektriske installasjoner for glødelamper mang-ler vanligvis beskyttelsesanordninger for glødelampenes gløde-tråder. Disse vil fremfor alt ved tenning bli utsatt for et strømstøt som i betydelig grad overstiger den normale driftsstrøm. Størrelsen av strømstøtet avhenger av hvor tilkoblingen av strøm-men skjer i tid langs nettstrømmens sinuskurve og kan bli opptil 14 ganger større enn normal driftsstrøm. Selv om tilkoblingen skjer i sinuskurvens nullpunkt, overskrides driftsstrømmen med en faktor på fire ved konvensjonelle installasjoner. Dette beror på at glødetrådens resistans er omtrent proporsjonal med absolutt temperatur. Ved kald glødetråd er dennes resistans ti ganger mindre enn ved normal driftstemperatur, hvilket medfører det nevnte strømstøt som sterkt begrenser levetiden av konvensjonelle gløde-trådslamper. I glødetråden foregår det i tent tilstand en fordamp-ningsprosess som medfører forbruk av glødetrådsmaterialet, som vanligvis inneholder wolfram, inntil brudd i dette oppstår. Det er konstatert at denne prosess blir akselerert ved innkobling av glødelamper ved bruk av konvensjonell teknikk, på grunn av det nevnte strømstøt.

Det er gjort forsøk på å forlenge levetiden ved å beskytte glødelamper mot slike strømstøt ved hjelp av en termistor med negativ temperaturkoeffisient innsatt i serie med glødetråden.

Et slikt forslag fremgår av US-patent 3 975 658. Imidlertid har denne kjente løsning ulemper. En termistor forbruker effekt, hvilket reduserer lysutbyttet med f.eks. opp til 8 prosent. Dessuten har det vist seg at termistorer oppvarmes ganske hurtig, slik at man til tross for denne kjente beskyttelsesanordning over-skrider lampens driftsstrøm med 3-4 ganger. Dette uheldige strøm-støt ved tilkobling blir således ikke eliminert, men bare redusert og varierer dessuten i størrelse avhengig av hvor på sinuskurven innkobling skjer.

Det kan således konstateres at hittil kjente løsninger ikke

på tilfredsstillende måte har løst problemet med glødelampers begrensede levetid.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe

en beskyttelsesanordning som på effektiv måte og med minimalt effektforbruk forlenger levetiden av glødetråden i en glødelampe.

Det nevnte formål blir oppnådd med en beskyttelsesanordning ifølge foreliggende oppfinnelse hvis nye og særegne trekk består i at den nevnte anordning omfatter en styreenhet med i det minste en styrbar strømventil og tidsorganer som er innrettet til ved innkobling å regulere strømmen gjennom glødelampen slik at det avstedkommes en forsinket strømøkning fra null til valgt driftsstrøm over et forutbestemt tidsintervall, slik at spenningen over gløde-lampen under dette tidsintervall bringes til å ligge under driftsspenningen.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere med noen utførelseseksempler under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et blokkskjerna over en beskyttelsesanordning i en

første utførelsesform,

Fig. 2 viser et koblingsskjema for en beskyttelsesanordning

ifølge en annen, noe forenklet utførelsesform,

Fig. 3 viser et diagram over drivstrømmens forløp ved innkobling, mens

Fig. 4 viser drivspenningens forløp ved innkobling ved hjelp

av beskyttelsesanordningen ifølge oppfinnelsen,

Fig. 5 viser beskyttelsesanordningen i en tredje utførelsesform,

Fig. 6 viser anordningen i en fjerde utførelsesform,

Fig. 7 og 8 viser diagrammer over spenningens og strømmens

utseende ved den belastning som skal beskyttes,

Fig. 9 viser et utsnitt av Fig. 7 i større skala, og

Fig. 10 viser et tilsvarende utsnitt av spenningen ved utførelsen ifølge Fig. 6.

Beskyttelsesanordningen ifølge den første utførelsesform som er vist på Fig. 1, er i hovedsaken oppbygget av en strøraregule-ringsanordning 1, en belastningsfølende anordning 2, og en tidsstyreanordning 3. Beskyttelsesanordningen er innsatt mellom spenningskilden, som anordningen er koblet til gjennom to tilkoblings-punkter 4,5 og en belastning 6 i form av en glødelampe med gløde-tråds Strømtilførselen skjer gjennom to elektriske matningsled-ninger 7,8 som fører nettstrømmen gjennom glødelampens glødetråd. Vanligvis utgjør spenningskilden en vekselstrøm med en spenning

på 220 V og frekvens 50 Hz. Strømreguleringsanordningen 1 kan

ifølge eksemplet på Fig. 1 være plassert enten i serie med belastningen, dvs. glødelampen 6, eller parallelt med denne.

Beskyttelsesanordningens hovedfunksjon er således å beskytte glødelampen ved å eliminere det strømstøt som ellers ville opptre ved tilkobling. Imidlertid inngår det ytterligere beskyttelses-funksjoner som først skal beskrives.

Den belastningsfølende anordning 2 er innrettet til å sikre denne ytterligere beskyttelse ved å avføle belastningsforholdet ved f.eks. å avføle strømstyrken i strømtilførselen til belastningen og å styre strømreguleringsanordningen 1 i avhengighet av den avfølte strømstyrke. Derved avføles indirekte resistans-endringer i belastningen 6, hvorved strømreguleringsanordningen 1 styres dersom belastningens resistans endres utenfor et gitt intervall, på slik måte at når resistansen befinner seg utenfor dette intervall, sørges det for at strømmatningen til belastningen avbrytes. Derved skjer det en overvåkning av de to mest forekom-mende grensetilfeller, nemlig når belastningen er kortsluttet eller er fjernet, hvilket innebærer en høy grad av sikkerhet. Ved kortslutning, dvs. resistans lik null, blir det forhindret at en innkoblet installasjon blir skadet og at ulykker inntreffer på grunn av for høy strømstyrke i tilførselsledningene, og ved fjernet glødelampe, dvs. uendelig resistans, beskyttes personer, f.eks. barn, mot ulykkestilfeller på grunn av kontakt med frilagte, spenningsførende deler. Den øvre grense for resistansintervallet er valgt slik at strømtilførselen til belastningens klemmer er sperret, selv om en person med en eller annen kroppsdel forbinder de to klemmer, f.eks. i en lampeholder, hvorved resistansen blir redusert, men allikevel er forholdsvis høy.

Ved hjelp av tidsstyreanordningen 3 forhindres de ovenfor om-talte skadelige strømstøt ved tidsstyring av strømreguleringsanord-ningen 1 slik at strømstyrken og dermed også spenningen over gløde-lampen stiger gradvis under et forutbestemt tidsintervall opp til normalt strøm- og spenningsnivå, hvilket vil bli beskrevet nærmere nedenfor.

Under henvisning til Fig. 2 skal oppbygningen av den for-enklede annen utførelsesform beskrives med hensyn til de mest vesentlige komponenter. Som det fremgår av skjemaet er strøm-reguleringsanordningen innsatt i serie med glødelampen 6 og nærmere bestemt dennes glødetråd 9, og oppviser som aktiv komponent

10 en elektronisk styrt strømventil i form av en effekt-

transistor som i det viste eksempel er av typen MOSFET-felteffekttransistor IRF 330. Strømreguleringsanordningen ligger nærmere bestemt i serie med glødetrådslampen 6 ved hjelp av en brolikeretter av typen helbølgelikeretter som består av fire likeretterdioder 11, 12, 13, 14. Brolikeretterens to inngangskiemmer 15, 16 ligger således innkoblet i lederen 7, mens likeretterens to utgangsklemmer 17,18 forbindes over strømventilen 10 som således er innrettet til å regulere strømstyrken av den helbølgelikeret-tede strøm som passerer mellom de to klemmer 17,18. Den ovenfor nevnte tidsstyreanordning 3 utgjøres av en tidskrets i form av en kondensator 19 på f.eks. 10 mikrofarad, og en motstand 20 på

100 kohm. Parallelt med tidskretsen 19,20 er det koblet en zenerdiode 21 med en zenerspenning på f.eks. 24 V, mens en annen zenerdiode 22 er koblet parallelt bare med kondensatoren 19. Den annen zenerdiode 22 har en zenerspenning på f.eks. 8,2 V. Av øvrige komponenter kan det som eksempel nevnes en ytterligere motstand 23

på 100 kohm, en motstand 24 på 10 kohm, en motstand 25 på 1 Mohm og en motstand 26 på 5 ohm. Et filter 27 er parallellkoblet med effekttransistoren 10 for å beskytte denne mot transienter i nettet. Filteret 27 består av en motstand 28 på f.eks. 100 ohm og en kondensator 29 på 0,1 mikrofarad. Parallelt med belastningen er det innsatt en kondensator 30 på f.eks. en mikrofarad.

Ved tilkobling av nettspenningen ved hjelp av en bryter

eller innsetting av en plugg i en veggstikkontakt som er satt under nettspenning, skjer følgende når beskyttelsesanordningen ifølge

Fig. 2 er innsatt i tilførselsledningene 7,8. Strømventilen 10

er anordnet slik at den i hvile, dvs. i spenningsløs tilstand,

er helt strupet, hvilket innebærer at strømtilførselen er sperret gjennom belastningen. Efter tilkoblingsøyeblikket, som på Fig.

3 og 4 er representert ved skjæringspunktet mellom den vertikale akse og den horisontale tidsakse, dvs. ved tiden tQ, begynner strømventilen å åpne for en gradvis økning av strømstyrken under et forutbestemt tidsintervall fra tidspunktet t til tidspunktet t^. Det angitte tidsintervall er valgt slik at glødetråden rek-ker å oppvarmes til en slik temperatur at resistansen har nærmet seg resistansen ved normal driftstemperatur. Som nevnt innled-ningsvis er resistansen av en varm glødetråd ved normal driftstemperatur omkring ti ganger større enn resistansen i kald til-

stand, dvs. eksempelvis ved romtemperatur. Dette er konstatert ved målinger av resistansen ved forskjellige glødelampeeffekter fra 15 W til 150 W, hvorunder det er konstatert at dette forhold gjelder med overraskende stor nøyaktighet. Det valgte tidsintervall kan være valgt med god margin, men allikevel ikke så langt at det oppstår noen praktisk ulempe ved forsinket tenning. For eksempel kan det velges et intervall på omkring 50-500 ms. Av Fig. 3 fremgår det at strømstyrken gjennom glødelampens glødetråd under dette intervall hele tiden holdes under den normale driftsstrøm IA og vokser under dette intervall i hovedsaken lineært med hensyn på amplitude. Denne gradvise økning av amplituden skjer uavhengig av hvor på sinuskurven tilkoblingen skjer. Som følge av gløde-lampens ulineæritet med hensyn på resistans, skjer det en langsom-mere økning av spenningen, slik det fremgår av Fig. 4. Ved påsetning av nettspenningen skjer det således en forsin-kelse av strømmens økning til full driftsstrøm I gjennom virk-ningen av tidskretsen 19,20, på grunn av den nødvendige opplad-ningstid for oppladning av kondensatoren 19. Zenerdiodene 21 og 22 sørger for at oppladning bare skjer til en viss maksimal styre-spenning. Motstanden 26 sørger videre for at det f.eks. ved kortslutning av glødetråden ikke skjer utstyring av effekttransistoren 10 til et skadelig strømnivå. Dette skjer ved at den faste for-spenning på strømventilens ene hovedelektrode, tilveiebragt av zenerdioden 22, reduseres som følge av at spenningsfallet over motstanden 26 øker når strømmen gjennom lampens glødetråd øker, hvorved strømventilen gradvis blir strupet.

Som følge av denne langsomme strøm- og spenningsøkning beskyttes derfor glødelampen mot de skadelige strømstøt, slik at beskyttelsesanordningen gir glødelampen en betraktelig forlenget levetid.

Ved hjelp av den utførelsesform som er vist på Fig. 5 blir det oppnådd en ytterligere øket levetid på glødelampen, ved at beskyttelsesanordningen er forsynt med organer for reduksjon av den effekt som tilføres belastningen, også efter tilkoblings-forløpet. Anordningen har to inngangsklemmer 31,32 for tilknytning til vekselspenningsnettet på f.eks. 220 V. Videre har anordningen to utgangsklemmer 33,34 som forbindes med tilledere 36,37 for glødelampen 35. Beskyttelsesanordningen har videre en brolikeretter bestående av fire dioder 38,39,40,41. I anordningen inngår det videre en strømventil 42 for regulering av strøm-styrken gjennom belastningen 35. Reguleringen av strømmen gjennom belastningen skjer ved styring av strømventilen, som f. eks. dannes av en felteffekttransistor, ved hjelp av styrekretser. Disse kretser omfatter en tidskrets med en kondensator 43 og en motstand 44. En zenerdiode 4 5 er innsatt parallelt med kondensatoren 43 for å hindre overspenning ved strømventilens 4 2 styre-elektrode 46. I styrekretsene injigår det fire transistorer 46,47,48,49. Ved hjelp av disse styres spenningen på styre-elektroden 41 og dermed strømmen gjennom strømventilen 4 2 og belastningen 35. En ytterligere zenerdiode 50 inngår i de organer som reduserer effekten over belastningen 35 også efter tilkoblings-forløpet.

Ved tilkobling opplades kondensatoren 43 i tidskretsen til den spenning som bestemmes av zenerdioden 45. Hastigheten av oppladningen avhenger av tidskonstanten for tidskretsen 44,45.

Ved hjelp av denne tidskrets skjer den ovenfor beskrevne for-sinkelse av strømøkningen under tidsintervallet frem til tidspunktet t^. Dette fremgår av Fig. 8 som viser vekselstrømmens økning fra tilkoblingsøyeblikket frem til tiden t^. Fig.7 viser at spenningen over belastningen 35 på tilsvarende måte vokser langsomt fra tilkoblingsøyeblikket. Av Fig. 7 og 8 fremgår det også hvordan effektreduksjonen avstedkommes ved at vekselstrømmen klippes ved hver nullgjennomgang og frem til et valgt spenningsnivå. Det spenningsnivå som vekselstrømmen klippes ved, blir bestemt av zenerdioden 50, og når dennes zenerspenning på f.eks. 200 V overskrides, blir transistoren 4 9 og dermed strømventilen 4 2 gjort ledende. Nærmere angitt bestemmer zenerdioden 50, motstandene 51 og 52 samt motstanden 53 gjennom transistorene 4 7 og 49, når strømventilen 42 tillates å lede. Strømventilen 4 2 holdes gjennom transistoren 48 ledende inntil nullgjennomgang skjer, ved hjelp av motstandene 54,55,56, transistorene 46,48 og diodene 57,58, idet disse komponenter utgjør en hukommelseskrets. Fig. 9 viser i større skala et utsnitt av kurveformen ifølge

Fig. 7 som viser belastningsspenningens variasjoner med tiden.

Den på Fig. 6 viste utførelsesform utnytter i hovedsaken samme prinsipp som foregående utførelsesformer, men er modifisert i visse henseender. Anordningen oppviser en brolikeretter bestående av fire likeretterdioder 38,39,40,41 i likhet med utførel- sen på Fig. 5, men i motsetning til sistnevnte utførelse, er belastningen innkoblet slik at belastningsstrømmen blir helbølge-likerettet og dermed får en form som vist på Fig. 10. De mellom brolikeretteren og strømventilen 42 beliggende styrekretser ifølge Fig. 5 inngår også i utførelsen på Fig. 6, men er utelatt for oversiktens skyld. Videre er det kommet til to effekttransistorer 59,60 samt en zenerdiode 61,62 for hver av effekttransistorene 59,60. De to effekttransistorer 59,60 utgjør således to ytterligere strømventiler, som styres gjennom forandringene i lednings-tilstanden i den første strømventil 42. Ved at det er anordnet strømventiler på begge sider av belastningen, dvs. glødelampen 35, blir det oppnådd en forsterket berøringsbeskyttelse ved at det i visse unormale tilstander skjer en strupning av begge strømventiler 59,60 og dermed blir begge glødelampens 35 to led-ninger 36,37 isolert.

Ved utførelsesformene ifølge både Fig. 5 og Fig. 6 beskyttes belastningen 35 mot unormal økning i strømstyrken, som f.eks. ved kortslutning av belastningen, hvilket besørges av de ovenfor beskrevne styrekretser. Dette innbærer også en viss berørings-beskyttelse ved kortslutning, idet forbindelsesklemmene 33,34

(se Fig. 5) gjøres spenningsfrie ved kortslutning. Berøringsvern ved fjernet glødelampe 35, hvilket innebærer uendelig stor resistans, kan f.eks. skje ved avføling av spenningen over motstanden 63 ved hjelp av en ikke vist avfølingskrets som styrer strøm-ventilen 4 2 i avhengighet av spenningen over motstanden 63. Denne krets kan utføres på i og for seg kjent måte.

Som sammenfatning blir det ved hjelp av anordningen ifølge oppfinnelsen oppnådd en betydelig forlenget levetid av gløde-lampe r^sci innsetting av beskyttelsesanordningen ifølge oppfin-nelsenvnettspenningsklemmene og en eller flere glødelamper. For-lengelsen av levetiden kan gjøres gjennom tildels å styre strøm-men ved tilkobling, under et forutbestemt tidsintervall slik at det fremkommer en gradvis økning i amplitude av spenning og strøm, og tildels ved reduksjon av tilført effekt til belastningen også efter tilkoblingsforløpet, dvs. under glødelampens normale drifts-tilstand. Denne reduksjon kan settes til opptil ca. 15 prosent av den totale normale effekt ved full nettspenning, uten merkbar nedsettelse av glødelampens lysstyrke. Dessuten kan det ved hjelp av oppfinnelsen avstedkommes et berøringsvern ved at strøm- tilførselen til glødelampen avbrytes når det opptrer en unormal resistans ved belastningens tilknytningssted, f.eks. resistansen null, dvs. kortslutning, eller uendelig stor resistans, dvs. skadet eller fjernet glødelampe og dermed frilagte strømledere.

Beskyttelsesanordningen kan plasseres hvor som helst i en installasjon mellom spenningskilden og belastningen og kan med fordel plasseres i en vegg-stikkontakt, en bryter eller i en lampeholder. I denne forbindelse kan anordningen fremstilles med høy grad av.miniatyrisering, f.eks. i en integrert krets, dvs. en såkalt IC-krets som kan inngå som et standard-element i den aktuel-le installasjonskomponent. For eksempel kan IC-kretsen innstøpes i bunndelen av en lampeholder.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til de ovenfor beskrevne og

på tegningene viste utførelseseksempler, men kan varieres innenfor rammen av de følgende patentkrav. For eksempel kan beskyttelsesanordningen anvendes ved andre situasjoner enn i elektriske installasjoner i hus-bebyggelse. For eksempel kan beskyttelsesanordningen bygges inn i kjøretøyer og da plasseres slik at den samtidig verner flere glødelamper, f.eks. i tilknytning til sik-ringsholdere eller lignende. De viste koblinger i de forskjellige eksempler kan utføres på ulike måter. For eksempel kan tidskretsen utgjøres av organer som avføler nullgjennomgangene og innenfor tidsintervallet t^styrer strømventilen slik at det skjer en trinnvis økning av strømmens amplitude for hver nullgjennomgang. Videre kan effektreduksjonen foretas ved at strømventilen strupes ved oppnåelse av et valgt spenningsnivå og åpnes ved nullgjennomgang.

Claims (5)

1. Beskyttelsesanordning for elektriske glødelamper beregnet for drift ved en foreskrevet driftsspenning og omfattende elementer (1, 3) som ved påtrykning av elektrisk spenning avstedkommer en begrensning av strømstyrken i tilkoblingsfasen,karakterisert ved.at anordningen omfatter en styre-enhet med i det minste en styrbar strømventil (10/42) og tidsorganer (19, 20/43, 44) som er innrettet til ved tilkobling å regulere strømmen gjennom glødelampen slik at det avstedkommes en forsinket strømøkning fra null til valgt driftsstrøm over et forutbestemt tidsintervall, slik at spenningen over glødelampen under det nevnte tidsintervall bringes til å ligge under driftsspenningen.

2. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat den omfatter organer (50/61, 62) for efter det nevnte tidsintervall å holde den effekt som tilføres glødelampen (35), på et i hovedsaken konstant, redusert nivå.

3. Anordning ifølge krav 2,karakterisert vedat effektreduksjonen avstedkommes ved at strømventilen (10) bringes til full strupning ved nullgjennomgang og til full åpning ved oppnåelse av et valgt spenningsnivå.

4. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat den omfatter belastningsavfølende organer (2/26) for ved unormal spenning og strøm gjennom glødetrådlampen å styre strømventilen (10) slik at denne strupes for å avbryte strømtilførselen til glødetrådslampen.

5. Anordning ifølge krav 4,karakterisert vedat de belastningsavfølende organer (2) er innrettet til å avføle om strømstyrken gjennom glødetrådslampen holdes innenfor et gitt intervall, og til når strømstyrken befinner seg utenfor dette intervall, å styre strømventilen (10) slik at strømtilførselen til glødetrådslampen brytes.