DE3920847A1

DE3920847A1 - Incandescent lamp operating circuit - uses controlled closure contact for supplying DC voltage to lamp within timed intervals

Info

Publication number: DE3920847A1
Application number: DE3920847A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Phys Lenz; Zdenek Dipl Ing Cajska
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-06-24
Filing date: 1989-06-24
Publication date: 1991-01-03
Anticipated expiration: 2009-06-25
Also published as: DE3920847C2

Abstract

The operating circuit has a DC source (1) providing a voltage (UQ) which is fed to the lamp (2) at spaced time intervals by periodic operation of a closure contact (4) in series with the lamp. Pref. the period duration of the lamp operating voltage is determined by a source (8) providing pulses of defined duration in responses to pulses from a clock source (7) and fed to a relay (5) controlling the closure contact (4). Pref. the effective mean value of the clocked DC voltage corresponds to the rated voltage of the incandescent lamp. ADVANTAGE - Ensures long working life of lamp.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsan ordnung zum Betrieb einer einen Glühfaden oder sonstigen Leuchtkörper aufweisenden Lampe an einer Gleichspannungs versorgung.The invention relates to a method and a circuit regulation for the operation of a filament or other Lamp having a luminous element on a direct voltage care.

Hält man die Temperatur des Leuchtkörpers so niedrig, daß keine wesentliche Verdampfung auftritt, tritt bei Gleich spannungsbetrieb das Problem der sogenannten Elektromigra tion auf, welches die Lebensdauer der Glühlampe begrenzt. Deren Leuchtkörper besteht gewöhnlich aus Wolframdraht. Die Betriebstemperatur liegt bei ca. 2000 K (ca. 1700°C). Bei dieser hohen Temperatur haben die Wolframatome eine gewisse Beweglichkeit. Außerdem sind sie mindestens teilweise ionisiert. Dies führt zu einer Materialverschiebung in dem elektrischen Feld, welches durch die Betriebsspannung be dingt ist. Da die Einzelkristallite eines Glühfadens bezüg lich der Faden- bzw. Drahtachse eine Vorzugsorientierung haben, und die Beweglichkeit der Wolframionen bezüglich der Kristallachsen anisotrop ist, findet der Materialtransport nicht genau in Feldrichtung bzw. Fadenachse, sondern unter einem Winkel hierzu statt. Dadurch bilden sich auf der Fa denoberfläche sägezahnartige Strukturen, sogenannte "Gleichstrom- Ätzungen", Materialeinschnürungen und finger artiges Wachstum aus. Daraus resultieren u. a. periodische Querschnittsverjüngungen des Fadens mit der Folge, daß an diesen Stellen Bereiche mit erhöhter Temperatur und Feld stärke entstehen. Solche Verjüngungen führen auf kurz oder lang zum Bruch des Fadens bzw. Drahtes und damit zur Been digung der Lebensdauer der Glühlampe. Wegen weiterer Ein zelheiten und Probleme der Elektromigration wird auf Jour nal of Applied Physic "Electrotransport of Tungsten and Life of a Filament" Vol. 39/13, Dez. 1968, Seite 6037 ff. verwiesen.If you keep the temperature of the filament so low that no significant evaporation occurs, equal occurs voltage operation the problem of the so-called Elektromigra tion, which limits the life of the light bulb. Their filament usually consists of tungsten wire. The Operating temperature is approx. 2000 K (approx. 1700 ° C). At At this high temperature, the tungsten atoms have a certain Agility. They are also at least partially ionized. This leads to a material shift in the electric field, which be by the operating voltage thing is. Because the single crystallites of a filament A preferred orientation of the thread or wire axis and the mobility of the tungsten ions with respect to the The material transport takes place when the crystal axis is anisotropic not exactly in the field direction or thread axis, but under an angle to this instead. As a result, the company sawtooth-like structures, so-called "DC etching", material constrictions and fingers like growth. This may result in a. periodic Cross-sectional tapering of the thread with the result that these areas are areas with elevated temperature and field strengths arise. Such taper leads to short or long to break the thread or wire and thus to be finished damage to the life of the light bulb. Because of another one Details and problems of electromigration are discussed in Jour of Applied Physic "Electrotransport of Tungsten and Life of a Filament "Vol. 39/13, Dec. 1968, page 6037 ff. referred.

Die Elektromigration kann dadurch kompensiert werden, daß Wechselstrom für den Glühlampenbetrieb verwendet wird. Sol len jedoch die Glühlampen in Transportfahrzeugen, insbeson dere Kraftfahrzeugen, eingesetzt werden, aus deren Bordnetz nur Gleichspannung zur Verfügung steht, ist eine Umwandlung in Wechselspannung durchzuführen. Dies erfordert allerdings einen verhältnismäßig großen, elektronischen Schaltungsauf wand.Electromigration can be compensated for by the fact that AC is used for incandescent lamp operation. Sol However, the light bulbs in transport vehicles, in particular whose motor vehicles are used, from their electrical system only DC voltage is available is a conversion perform in AC voltage. However, this requires a relatively large electronic circuit wall.

Hieraus ergibt sich ein beachtliches Bedürfnis nach Glühlampen, die einerseits eine möglichst hohe Lebensdauer aufweisen und andererseits mit Gleichstrom bzw. -spannung betrieben werden können, wobei der hierfür zusätzliche Schaltungsaufwand minimal ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß eine Lampe mit im Betrag niedrigerer Nennspannung als die Gleichspannung ver wendet wird, und dieser Lampe die Gleichspannung innerhalb voneinander beabstandeter Zeitspannen zugeführt wird.This results in a considerable need for Incandescent lamps that on the one hand have the longest possible service life have and on the other hand with direct current or voltage can be operated, the additional for this Circuit effort is minimal. To solve this task it is proposed according to the invention that a lamp with Amount of lower nominal voltage than the DC voltage ver is applied, and this lamp the DC voltage inside spaced periods of time is supplied.

Erfindungsgemäß ist die Glühlampe für eine Spannung bemes sen, die betragsmäßig unter der Höhe der Gleichspannung aus dem Bordnetz od. dgl. liegt. Der resultierende Gleichstrom wird der Glühlampe bzw. dessen Leuchtkörper nur in bestimm ten Zeitabständen, nämlich stoßweise oder pulsierend zuge leitet. In den zwischen den Zuleitungsphasen liegenden Zei tintervallen erfolgt keine Versorgung des Leuchtkörpers, Glühfadens od. dgl. mit Gleichstrom. Die Gleichspannung wird also, bevor sie am Glühkörper wirksam wird, zerhackt, und zwar zweckmäßigerweise in eine Rechteckspannung. Unter diesem Gesichtspunkt liegt eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgmäßen Verfahrens darin, daß die Gleichspannung periodisch getaktet zugeführt wird. Die hierdurch bewirkte, erhebliche Verringerung der Elektromigration, und die damit verbundene Erhöhung der Glühlampenlebensdauer erklärt sich wie folgt: Der durch die Elektromigration bedingte Materi altransport m ist proportional zur elektrischen Feldstärke bzw. bei konstanter Glühdrahtlänge auch zur Spannung und zu der Zeit, während der die Feldstärke wirksam ist. Es gilt also die folgende Proportional-Gleichung zur Spannung U und zur Zeit t_wirk:According to the invention, the incandescent lamp is dimensioned for a voltage which is below the level of the DC voltage from the vehicle electrical system or the like. The resulting direct current is the incandescent lamp or its filament only at certain intervals, namely intermittently or pulsating. In the time intervals between the supply phases there is no supply of the filament, filament or the like. With direct current. The DC voltage is chopped up before it becomes effective on the incandescent body, and expediently into a square-wave voltage. From this point of view, an advantageous embodiment of the method according to the invention is that the DC voltage is supplied periodically clocked. The resulting significant reduction in electromigration, and the associated increase in incandescent lamp life, can be explained as follows: The material transport m caused by electromigration is proportional to the electric field strength or, with a constant filament length, also to the voltage and the time during which the Field strength is effective. The following proportional equation applies to voltage U and time t _act :

m∼U · t_wirk (1)m∼U · _active (1)

Indem nach der Erfindung die Gleichspannung lediglich pul sierend bzw. zerhackt an die Glühlampe angelegt wird, wird die für die Elektromigration maßgebliche Zeit t_wirk verrin gert.In that, according to the invention, the DC voltage is only applied to the incandescent lamp in a pulsating or chopped manner, the time t _{effective for} electromigration is reduced.

Im Zusammenhang mit der periodisch getakteten Gleichspan nungszuführung besteht eine besonders vorteilhafte Ausfüh rung der Erfindung darin, daß das (Tast-)Verhältnis der Zeitspanne zur Taktperiodendauer so bemessen ist, daß der quadratische Mittelwert bzw. der Effektivwert der getakteten Gleichspannung etwa mit der Nennspannung übereinstimmt. Die damit erzielte, vorteilhafte Wirkung erklärt sich wie folgt: Ist T die Taktperiodendauer der getaktet zugeführten Gleichspannung U_G, und entspricht die obengenannte Zeit t_wirk der Zeitspanne, in nerhalb welcher die Gleichspannung bzw. Feldstärke wirksam ist, so ergibt sich die Effektivspannung U_eff zuIn connection with the periodically clocked DC voltage supply, a particularly advantageous embodiment of the invention is that the (duty cycle) ratio of the time period to the cycle period is dimensioned such that the root mean square or the RMS value of the clocked DC voltage corresponds approximately to the nominal voltage. The advantageous effect achieved in this way is explained as follows: If T is the cycle period of the clocked DC voltage U _G , and the above-mentioned time t _effect corresponds to the time period within which the DC voltage or field strength is effective, the effective voltage U _ef results f to

Wird nun die Effektivspannung U_eff etwa gleich der Nenn spannung U_N der Glühlampe gewählt, so ergibt sich - mit Gleichung (1) - für das Verhältnis des bei getakteter Gleichspannung erfolgenden Massetransportes m_takt zu dem bei nicht getakteter Gleichspannung erfolgenden Masse transport m_gleich:If the effective voltage U _{eff is} chosen to be approximately equal to the nominal voltage U _{N of} the incandescent lamp, the result is - with equation (1) - for the ratio of the mass transport taking place with clocked DC voltage m _clock to the mass transport _{taking place} with non-clocked DC voltage m _equal :

Da vorausssetzungsgemäß die für die Gleichspannung wirksame Zeit t_wirk kleiner ist als die Taktperiodendauer T, wird offensichtlich der Material- bzw. Massetransport und die Elektromigration durch die erfindungsgemäße Zuführung bzw. das Takten der Versorgungs-Gleichspannung verringert. Dies läßt sich an einer beispielhaften, zweckmäßigen Re alisierung veranschaulichen, nach der die Nennspannung U_N der Glühlampe etwa zur Hälfte der Versorgungs-Gleichspan nung U_G, und die für die Gleichspannung wirksame Zeit bzw. Impulslänge t_wirk zu etwa einem Viertel der Taktperi odendauer gewählt wird, also das Tastverhältnis etwa 0,25 beträgt. Wird also beispielsweise eine 7-Volt-Lampe an ei ner Spannung von 14 Volt betrieben, die mit einem Tastver hältnis von 0,25:1 getaktet ist, so gilt:Since, according to the assumption, the time t effective for the direct voltage is _shorter than the _cycle period T, the material or mass transport and the electromigration are obviously reduced by the supply _{according to} the invention or the clocking of the supply direct voltage. This can be alization of an exemplary, functional Re illustrate, according to the nominal voltage U _N of the incandescent lamp voltage about half of the DC supply tensioning U _G, and effective for the DC voltage time or pulse length t _more to about a quarter of the Taktperi odendauer is selected, i.e. the duty cycle is approximately 0.25. If, for example, a 7-volt lamp is operated with a voltage of 14 volts and is clocked with a duty cycle of 0.25: 1, the following applies:

Mit anderen Worten, gegenüber konstantem 7-Volt-Betrieb wächst die Lebensdauer der erfindungsgemäß betriebenen Glühlampe näherungsweise etwa auf das Doppelte an. Übli cherweise ist die Betriebs- bzw. Gleichspannung fest vorge geben. Benutzt man nun nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Lampe mit der halben Nennspannung, so hat bei unverän derter Leistungsaufnahme der Glühfaden bzw. -draht etwa die doppelte Querschnittsfläche. Dies bedeutet für sich schon - d. h. ohne Taktbetrieb - eine Verdoppelung der Lebensdauer. Mit erfindungsgemäßem Taktbetrieb nach dem zuvor genannten Beispiel ergäbe sich dann noch eine Steigerung der Le bensdauer auf das Vierfache.In other words, compared to constant 7 volt operation the lifespan of those operated according to the invention increases Incandescent lamp approximately double. Usual The operating or DC voltage is fixed give. One now uses the method according to the invention a lamp with half the nominal voltage, so has unchanged derter power consumption of the filament or wire about double cross-sectional area. For itself this means - d. H. without cycle operation - a doubling of the service life. With cycle operation according to the invention according to the aforementioned An example would be an increase in Le life four times.

Eine Schaltungsanordnung, mit der eine Lampe mit Glühfaden oder sonstigem Leuchtkörper zum Gleichstrombetrieb verbun den ist, weist erfindungsgemäß ein Schaltglied auf, welches die Gleichspannungsquelle an die Lampe koppelt und von ei ner Ablaufsteuerung innerhalb beabstandeter Zeitspannen be tätigt wird. Im Rahmen des pulsierenden Gleichstrom-Be triebs der Lampe allein, der durch das Zusammenwirken von Ablaufsteuerung und Schaltglied bewirkt wird, wird sie nicht in ihrem Leistungsbereich mit maximaler Effektivität gefahren. Dem begegnet eine weitere Ausbildung der Schal tungsanordnung, wonach die Lampe mit ihrer Nennspannung im Betrag niedriger als die Versorgungs-Gleichspannung ausge legt ist. Die Lampe kann dann mit optimaler Lichtausbeute betrieben werden, und gleichzeitig wird die oben dargelegte Verminderung der Elektromigration und des Materialtrans ports im Glühfaden erzielt.A circuit arrangement with which a lamp with filament or other illuminant for DC operation that is, according to the invention has a switching element which couples the DC voltage source to the lamp and from egg ner sequence control within spaced periods of time be is done. As part of the pulsating DC current the lamp alone, which by the interaction of Sequence control and switching element is effected, it will not in their performance range with maximum effectiveness hazards. This is countered by further training of the scarf arrangement, according to which the lamp with its nominal voltage in Amount lower than the DC supply voltage sets is. The lamp can then with optimal light output be operated, and at the same time the one set out above Reduction of electromigration and material transfer ports achieved in the filament.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines be vorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Darin zeigen:Further details, features and advantages of the invention result from the following description of a be preferred embodiment and with reference to the drawing. In it show:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 1 shows a circuit arrangement for implementing the method according to the invention,

Fig. 2 ein Impuls/Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1. FIG. 2 shows a pulse / time diagram to illustrate the mode of operation of the circuit arrangement according to FIG. 1.

Gemäß Fig. 1 ist zwischen einer Gleichspannungsquelle 1 mit der Ausgangsspannung U_G und einer Glühlampe 2 mit einem ohmschen Glühfaden-Widerstand R_F ein Schaltglied 3 angeord net. Dieses weist einen Schließkontakt 4 und - zur Herbei führung von dessen Schließ- und Öffnungsbewegung - eine Re laiseinrichtung 5 auf. Gemäß gezeichnetem Beispiel ist der Schließkontakt zwischen der Gleichspannungsquelle 1 und der Glühlampe 2 seriell eingefügt, führt also Unterbrecher- Funktion aus.According to Fig. 1, between a DC power source 1 with the output voltage U _G, and a bulb 2 having a resistive filament resistance R _F is a switching element 3 angeord net. This has a make contact 4 and - to bring about its closing and opening movement - a relay relay 5 . According to the drawn example, the make contact between the DC voltage source 1 and the incandescent lamp 2 is inserted in series, that is, it performs the interrupter function.

Am Steuereingang der Relaiseinrichtung 5 liegt eine Steuer spannung U_st, die von einer Ablaufsteuerung 6 erzeugt wird. Diese weist einen Taktgenerator 7 auf, der ein Rechtecksi gnal mit der Taktperiode T erzeugt. Ferner besitzt die Ab laufsteuerung 6 einen Zeitgeber 8, dessen Triggereingang 9 mit dem Ausgang des Taktgenerators 7 verbunden ist und auf jede fallende Flanke von dessen rechteckförmigem Taktsignal anspricht. Mit jedem Ansprechen erzeugt der Zeitgeber 8 an seinem Ausgang die Steuerspannung U_st für die Relaisein richtung 5 in Form eines Impulses mit der Dauer t_wirk. At the control input of the relay device 5 is a control voltage U _st , which is generated by a sequence controller 6 . This has a clock generator 7 , which generates a rectangle signal with the clock period T. Furthermore, the run control 6 has a timer 8 , the trigger input 9 of which is connected to the output of the clock generator 7 and responds to each falling edge of its rectangular clock signal. With each response, the timer 8 generates at its output the control voltage U _st for the _{Relaisein device} 5 in the form of a pulse with the duration t _effect .

Die Wirkungsweise ist wie folgt: Bei jedem Steuerimpuls U_st wird für die Dauer t_wirk der Schließkontakt 4 geschlossen, und nach Beendigung des Steuerimpulses wieder geöffnet. Im geschlossenen Zustand fließt aufgrund der Gleichspannungs quelle 1 kurzzeitig, d. h. für die Dauer t_wirk ein Strom durch die Lampe 2 bzw. deren ohmschen Widerstand R_F gegen Masse. Im geöffneten Zustand des Schließkontaktes 4 (vgl. Fig. 1) ist der Stromkreis der Lampe 2 unterbrochen.The mode of operation is as follows: With each control pulse U _st , the make _contact 4 is closed for the duration t _effective , and opened again after the control pulse has ended. In the closed state flows due to the DC voltage source 1 for a short time, ie for the duration t _operatively a current through the lamp 2 or its ohmic resistance R _F to ground. In the open state of the make contact 4 (see FIG. 1), the circuit of the lamp 2 is interrupted.

Mithin ergibt sich für die Lampe 2 eine Betriebsspannung U_takt, deren rechteckförmiger Verlauf über die Zeit t aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die Periodendauer der Lampen-Be triebsspannung U_takt entspricht der vom Taktgeber 7 er zeugten, die Zeitspanne, innerhalb der eine der Gleich spannungsquelle 1 entsprechende Amplitude U_G wirksam ist, der vom Zeitgeber 8 erzeugten Impulsdauer t_wirk. Das Schaltglied 3 zerhackt also gleichsam die konstante, gleichförmige Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle 1 in eine periodische Folge von Rechteckimpulsen mit der Amplitude U_G und einem bestimmten Tastverhältnis t_wirk/T Dabei wird der Massetransport im Leuchtkörper der Lampe 2 umso geringer, je kleiner das Verhältnis t_wirk/T ist.This results in an operating voltage U _clock for the lamp 2 , the rectangular course of which over time t can be seen from FIG. 2. The period of the lamp Be operating voltage U corresponding to the _clock from the clock generator 7, he testified that time period in which one of the DC power source 1 corresponding amplitude U _G is effective, the pulse duration generated by the timer 8 t _operatively. The switching element 3 chops the constant, uniform output voltage of the DC voltage source 1 into a periodic sequence of square-wave pulses with the amplitude U _G and a specific pulse duty factor t _eff / T. The mass transport in the lamp body 2 becomes smaller, the smaller the ratio t _effective / T is.

Claims

1. A method for operating a filament or other lamp having a lamp on a DC voltage supply, characterized in that the DC voltage (U _G ) of a lamp ( 2 ) with a lower nominal voltage (U _N ) within spaced periods (t _effective ) is fed.

2. The method according to claim 1, characterized in that the DC voltage (U _G ) is periodically clocked (t _effective , T) is supplied.

3. The method according to claim 2, characterized in that the pulse duty factor of the period (t _effective ) to the clock period (T) is dimensioned such that the quadratic mean or effective value of the clocked DC voltage (U _clock ) approximately with the nominal voltage (U _N ) matches.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the nominal voltage (U _N ) of the lamp ( 2 ) is approximately half of the DC supply voltage (U _G ) or less.

5. The method according to claim 3 or 3 and 4, characterized in that the pulse duty factor (t _effective / T) is about 0.25 or less.

6. A circuit arrangement with a DC voltage source for operating a lamp with a filament or other filament, in particular suitable for carrying out the method according to one of the preceding claims, characterized in that the lamp ( 2 ) is connected to the DC voltage source ( 1 ) via at least one switching element ( 3 ) is coupled, which is operated by a sequence control ( 6 ) within spaced periods (t _act ).

7. Circuit arrangement according to claim 6, characterized in that the nominal voltage (U _N ) of the lamp is designed to be lower than the DC supply voltage (U _G ).

8. Circuit arrangement according to claim 6 or 7, characterized in that the sequence control ( 6 ) has a pe periodic clock generator (T, 7 ).

9. A circuit arrangement according to claim 8, characterized in that the clock ( 7 ) is followed by a timing element ( 8 ) which is designed to actuate the switching element ( 3 ) in an under-lying duty ratio (t _effect ).

10. Circuit arrangement according to claim 9, characterized in that the length (t _effective ) of the control pulse (U _st ) is approximately a quarter of the clock period (T) generated by the clock generator ( 7 ) or less.