DE10334362B4

DE10334362B4 - Method and control device for operating an incandescent lamp, motor vehicle with such a drive device and method for determining the natural resonant frequency of a filament

Info

Publication number: DE10334362B4
Application number: DE10334362.8A
Authority: DE
Inventors: Uli Joos; Jochen Zwick
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2023-07-26
Also published as: DE10334362A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Glühlampe (L) bei einer gegenüber ihrer Nennbetriebsspannung höheren Betriebsspannung (U_Batt), wobei aus der Betriebsspannung (U_Batt) durch eine von einer PWM-Steuerung (1) gesteuerte Pulsweitenmodulation Spannungspulse erzeugt werden, die der Glühlampe (L) zur Energieversorgung zugeführt werden, wobei die Pulsweiten der Spannungspulse derart vorgegeben werden, dass die Temperatur des Glühfadens im Normalbetrieb nach Erreichen einer Betriebstemperatur annähernd konstant bleibt, wobei die Pulsabstände der Spannungspulse so vorgegeben werden, dass die Pulsfrequenz oberhalb der Eigenresonanzfrequenz des Glühfadens liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenresonanzfrequenz je nach der Höhe der Betriebsspannung im Verhältnis zur Nennbetriebsspannung in der PWM-Steuerung (1) hinterlegt ist und die Pulsfrequenz in Abhängigkeit von der Betriebsspannung gesteuert wird.Method for operating an incandescent lamp (L) at a higher operating voltage (U _Batt ) than its rated operating voltage, wherein voltage pulses are generated from the operating voltage (U _Batt ) by means of a pulse width modulation controlled by a PWM control (1), the incandescent lamp (L) be supplied to the power supply, wherein the pulse widths of the voltage pulses are set such that the temperature of the filament in normal operation after reaching an operating temperature remains approximately constant, the pulse intervals of the voltage pulses are set so that the pulse frequency is above the natural resonant frequency of the filament, characterized in that the natural resonance frequency is stored in relation to the nominal operating voltage in the PWM control (1), depending on the magnitude of the operating voltage, and the pulse frequency is controlled as a function of the operating voltage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Ansteuereinrichtung zum Betreiben einer Glühlampe mit einer gegenüber ihrer Nennbetriebsspannung höheren Betriebsspannung, ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Ansteuereinrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Eigenresonanzfrequenz eines Glühfadens.The invention relates to a method and a control device for operating an incandescent lamp having a higher operating voltage than its nominal operating voltage, a motor vehicle having such a control device, and a method for determining the natural resonant frequency of a filament.

Glühlampen sind üblicherweise für den Betrieb an einer vorgegebenen Nennbetriebsspannung ausgelegt. Ein Betrieb mit einer höheren Betriebsspannung ist nicht ohne weiteres möglich, da dies zu einer Reduzierung der Lampenlebensdauer führen würde.Incandescent lamps are usually designed for operation at a predetermined nominal operating voltage. Operation with a higher operating voltage is not readily possible, as this would lead to a reduction in lamp life.

Die Lebensdauer einer Glühlampe hängt wesentlich von der ihr zugeführten Betriebsspannung ab. Ursache dieser Abhängigkeit ist erstens die höhere Glühwendeltemperatur bei höherer Leistung und zweitens der hohe Temperaturstreß, dem der Glühfaden während des Einschaltens der Glühlampe ausgesetzt ist. Der Temperaturstreß resultiert dabei aus der Temperaturabhängigkeit des Glühfadenwiderstands. Dieser ist bei kaltem Glühfaden wesentlich geringer als im heißem Glühfaden. Wird die Glühlampe nun aus einer Betriebsspannung gespeist, die höher ist als ihre Nennbetriebsspannung, hat dies einen wesentlichen Anstieg des Stroms und damit einen sehr hohen Temperaturgradienten im Glühfaden zur Folge. Der hohe Temperaturgradient führt seinerseits zu einer Degradation des Glühfadens und damit zu einer Reduzierung der Lebensdauer der Glühlampe.The life of an incandescent lamp depends essentially on the operating voltage supplied to it. The cause of this dependency is, firstly, the higher incandescent temperature at higher power and, second, the high temperature stress to which the filament is exposed during the switching on of the incandescent lamp. The temperature stress results from the temperature dependence of the filament resistance. This is much lower with cold filament than in the hot filament. If the incandescent lamp is now fed from an operating voltage which is higher than its rated operating voltage, this results in a significant increase in the current and thus a very high temperature gradient in the filament. The high temperature gradient in turn leads to a degradation of the filament and thus to a reduction in the life of the light bulb.

Für den Betrieb von Glühlampen mit Betriebsspannungen oberhalb der Nennspannung ist beispielsweise aus der EP 1 154 677 A2 , DE 198 04 539 A1 oder DE 101 01 852 A1 eine pulsweitenmodulierte Spannungszufuhr zu entnehmen, bei der bei konstanter Pulsfrequenz das Puls-Pausenverhältnis zur Erzielung einer entsprechend auf die Nennspannung herabsetzten die mittlere Spannung entsprechend gesteuert wird.For the operation of incandescent lamps with operating voltages above the rated voltage, for example, from EP 1 154 677 A2 . DE 198 04 539 A1 or DE 101 01 852 A1 to take a pulse width modulated voltage supply, in which at a constant pulse frequency, the pulse-pause ratio to achieve a correspondingly reduced to the rated voltage, the average voltage is controlled accordingly.

Aus der DE 198 54 416 A1 ist ein Flurförderzeug mit einer Gleichspannungsversorgung und zumindest einem in einem Gehäuse befindlichen elektrischen Leuchtmittel bekannt, wobei die Versorgungsspannung größer als die Nennspannung des Leuchtmittels ist. Zum Anschluss des Leuchtmittels an die Versorgungsspannung ist ein Spannungswandler vorgesehen, der sich innerhalb des Gehäuses oder in dessen unmittelbarer Nähe befindet.From the DE 198 54 416 A1 is an industrial truck with a DC voltage supply and at least one located in a housing electrical lighting means known, wherein the supply voltage is greater than the rated voltage of the lighting means. To connect the lamp to the supply voltage, a voltage converter is provided, which is located within the housing or in its immediate vicinity.

Aus der SU 1 605 144 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Eigenresonanzfrequenz eines Glühfadens bekannt, wobei mit unterschiedlichen Frequenzen angeregt wird, bis ein Schwingungsmaximum erreicht wird.From the SU 1 605 144 A1 For example, a method is known for determining the natural resonant frequency of a filament, with different frequencies being excited until a maximum oscillation is reached.

Es wurde jedoch erkannt, dass gerade auch bei pulsweitenmodulierter Spannungszufuhr die Lebensdauer der Glühlampe zum Teil erheblich herabsetzt wird, weil durch die sich dauernd ändernde Temperatur am Glühfaden aufgrund der Wärmeausdehnung am Glühfaden der Glühfaden mechanischen Schwingungen ausgesetzt wird, die zum Teil in den Bereich der Eigenresonanzfrequenz des Glühfadens gehen und so zu starker Belastung und über die Dauer zu schneller Alterung und früherem Abriss des Glühfadens führen.However, it has been recognized that even with pulse-width modulated voltage supply, the life of the incandescent lamp is sometimes considerably reduced, because the filament is subjected to mechanical vibrations due to the continuously changing temperature on the filament due to the thermal expansion on the filament, which is partly in the range of natural resonance frequency of the filament and thus lead to heavy load and over the duration to faster aging and earlier demolition of the filament.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Glühlampe anzugeben, welches eine längere Lebensdauer der Glühlampe auch bei einer gegenüber ihrer Nennbetriebsspannung höheren Betriebsspannung gewährleistet.The invention is therefore based on the object to provide a method for operating a light bulb, which ensures a longer life of the light bulb even with respect to their nominal operating voltage higher operating voltage.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is solved by the features of patent claim 1. Advantageous embodiments and further developments emerge from the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich bestens zum Betreiben von Glühlampen mit 12-V-Nennbetriebsspannung in Kraftfahrzeugen mit 24-V- oder 42-V-Bordnetzen bzw. zum Betreiben von Glühlampen mit 6-V-Nennbetriebsspannung in Kraftfahrzeugen mit 12-V-Bordnetzen.The inventive method is ideal for operating incandescent lamps with 12 V rated operating voltage in motor vehicles with 24-V or 42-V electrical systems or for operating incandescent lamps with 6 V nominal operating voltage in motor vehicles with 12-V electrical systems.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and figures. Show it:

1 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 a schematic diagram of an apparatus for performing the method according to the invention,

2 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zur Erfassung der Eigenresonanz eines Glühfadens 2 a schematic diagram of a device for detecting the natural resonance of a filament

3 thermische Beanspruchung des Glühfadens bei unterschiedlichen Pulsfrequenzen 3 thermal stress of the filament at different pulse frequencies

1 zeigt das Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Betriebsspannung U_bat, die hier von einer 42V-Kfz-Batterie geliefert wird und einer Lampe L mit einer Nennspannung von 6 oder 12 Volt, wie dies für Kfz-Anwendungen üblich ist. 1 shows the schematic diagram of an apparatus for performing the method according to the invention with an operating voltage U _bat , which is supplied here by a 42V automotive battery and a lamp L with a rated voltage of 6 or 12 volts, as is customary for automotive applications.

Im Stromkreis ist ein steuerbares Schaltmittel 2 vorgesehen, welches in der Praxis bspw. als MOSFET-Leistungstransistor ausgebildet ist und von der PWM-Steuerung 1 pulsweitenmoduliert angesteuert wird. Die PWM-Steuerung 1 besteht funktionell aus zwei Bestandteilen, nämlich einer Pulsfrequenzeinrichtung 12 zur Vorgabe der Pulsfrequenz, also des Pulsabstandes und einer Pulspausensteuerung 11, welche innerhalb des vorgegebenen Pulsabstands die Pulslänge bestimmt. Pulspausensteuerung 11 und Pulsfrequenzeinrichtung 12 sind dabei funktionale Bestandteile, die in der Regel softwaretechnisch realisiert werden können und nur das fertige PWM-Signal physisch dem Schaltmittel zugeführt wird. Insbesondere kann die Pulsfrequenzeinrichtung 12 auch in einem abgespeicherten Vorgabewert oder einer Kennlinie bestehen.In the circuit is a controllable switching means 2 provided, which is formed in practice, for example. As a MOSFET power transistor and the PWM control 1 is controlled pulse width modulated. The PWM control 1 functionally consists of two components, namely a pulse rate device 12 to specify the pulse rate, ie the pulse interval and a pulse pause control 11 which determines the pulse length within the predetermined pulse interval. Pulse pause control 11 and pulse rate device 12 are functional components that can be realized in software usually and only the finished PWM signal is physically supplied to the switching means. In particular, the pulse frequency device 12 also exist in a stored default value or a characteristic.

2 zeigt nun den Aufbau einer Vorrichtung zur Erfassung der Eigenresonanz eines Glühfadens, bei der auf den Glühfaden oder dessen Glühlampe ein Stoßimpuls ausgeübt, dessen mechanisches Schwingungsverhalten erfasst und aus einer Frequenzanalyse des Schwingungsverhaltens die Eigenresonanzfrequenz abgeleitet wird. Die Glühlampe befindet sich dazu in Betrieb, vorzugsweise auf einer Solltemperatur. Es ist eine optoelektrische Einrichtung vorgesehen, welche auf eine vorgegebene Mittelstellung des Glühfadens ausgerichtet ist und einen in Bezug auf die maximale Schwingungsamplitude des Glühfadens angepasst engen Erfassungswinkel aufweist, so dass beim Schwingen des Glühfadens die von der optischen Einrichtung messbare Lichtstärke in Abhängigkeit von der Auslenkung des Glühfadens von der vorgegebenen Mittelstellung variiert und diese Variation der Lichtstärke in ein elektrisches Signal umgewandelt und einer Frequenzanalyse zugeführt wird. In 2 wird mittels einer auf die Mittelstellung des Glühfadens gerichteten Glasfaser das Licht vom Glühfaden während seiner Schwingung aufgenommen und zu einem optoelektrischen Empfänger geleitet und dort in ein entsprechend der Schwingung annähernd proportionales elektrisches Signal umgewandelt. Das Signal wird verstärkt und der Gleichanteil eliminiert und nachfolgend eine Frequenzanalyse durchgeführt. 2 now shows the structure of a device for detecting the natural resonance of a filament, in which exerted on the filament or its bulb, a shock pulse, detects the mechanical vibration behavior and the self-resonance frequency is derived from a frequency analysis of the vibration behavior. The incandescent lamp is in operation, preferably at a setpoint temperature. An optoelectrical device is provided, which is aligned with a predetermined center position of the filament and has a narrow detection angle with respect to the maximum oscillation amplitude of the filament, so that when the filament is oscillated, the luminous intensity measurable by the optical device depends on the deflection of the filament Filament varies from the predetermined center position and this variation of light intensity is converted into an electrical signal and a frequency analysis is supplied. In 2 By means of a directed to the center position of the filament glass fiber, the light is absorbed by the filament during its oscillation and passed to an opto-electrical receiver and converted there into an approximately proportional to the vibration electrical signal. The signal is amplified and the DC component eliminated and subsequently performed a frequency analysis.

Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die Eigenresonanzfrequenz je nach der Höhe der Betriebsspannung im Verhältnis zur Nennspannung, abweicht und mittels eines Netzteils mehrere Messungen bei unterschiedlichen Betriebsspannungen durchgeführt werden, um diese Werte in der PWM-Steuerung zu hinterlegen und die Pulsfrequenz auch in Abhängigkeit von der Betriebsspannung zu steuern. Alternativ könnte mit einer Pulsfrequenzeinrichtung 12 gearbeitet werden, die beispielsweise bei Einbau ins Kraftfahrzeug umschaltbar ist. Zudem könnte die Pulsfrequenzeinrichtung 12 oder die PWM-Steuerung 1 insgesamt jeweils anwendungsbezogen am Band je nach vorliegender Betriebsspannung bereitgestellt werden.It should be noted that the natural resonant frequency, depending on the level of operating voltage in relation to the nominal voltage, deviates and several measurements are performed at different operating voltages by means of a power supply to store these values in the PWM control and the pulse rate also in dependence on the Control operating voltage. Alternatively, could with a pulse frequency device 12 be worked, which is switchable, for example, when installed in the vehicle. In addition, the pulse rate device could 12 or the PWM control 1 in total each application-related be provided on the tape depending on the existing operating voltage.

Den Einfluss der Pulsfrequenz auf das Temperaturverhalten und damit letztlich auf die Lebensdauer zeigt simuliert 3 für eine ausgewählte Glühlampe mit Nennspannung 12 Volt und einer Eigenresonanzfrequenz bei ca. 150 Hz bei einer Betriebsspannung von 42 Volt.The influence of the pulse rate on the temperature behavior and thus on the lifetime is simulated 3 for a selected bulb with rated voltage 12 volts and a self-resonant frequency at about 150 Hz at an operating voltage of 42 volts.

Im Vergleich zur quasi konstanten Temperatur (Funktion f0 mit Kreuzchen markiert) bei Gleichspannungsbetrieb nach Erreichen der Betriebstemperatur treten bei 333 Hz-Pulsfrequenz (f1 durchgezogene Linie) noch deutliche Temperaturschwankungen auf, welche entsprechende mechanische Schwingungen verursachen. Bei einer Pulsfrequenz von 666 Hz (f2 strichpunktierte Linie) sind die Temperaturschwankungen bereits deutlich geringer und erst recht bei 1 kHz (f3 punktierte Linie).Compared to the quasi-constant temperature (function f0 marked with cross) in DC operation after reaching the operating temperature occur at 333 Hz pulse frequency (f1 solid line) significant temperature fluctuations, which cause corresponding mechanical vibrations. At a pulse frequency of 666 Hz (f2 dot-dash line), the temperature fluctuations are already significantly lower and even more so at 1 kHz (f3 dotted line).

Die von der Pulsfrequenzeinrichtung 12 vorgegebene Pulsfrequenz sollte daher zumindest doppelt so groß wie die Eigenresonanzfrequenz des Glühfadens sein, vorzugsweise um den Faktor 3 bis 20-mal größer als die Eigenresonanzfrequenz des Glühfadens sein, wobei vorzugsweise das Verhältnis von Pulsfrequenz zu Eigenresonanzfrequenz zudem in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen Betriebsspannung und Nennbetriebsspannung angepasst wird, was im Betrieb durch eine steuerbare Pulsfrequenzeinrichtung 12 oder mit vertretbarer Toleranz auch pauschal für das jeweilige Kfz-Bordnetz vorgegeben werden kann.The of the pulse rate device 12 predetermined pulse frequency should therefore be at least twice as large as the natural resonant frequency of the filament, preferably by a factor of 3 to 20 times greater than the natural resonant frequency of the filament, wherein preferably the ratio of pulse frequency to natural resonant frequency also adjusted depending on the ratio between operating voltage and nominal operating voltage becomes, what in the enterprise by a controllable pulse frequency device 12 or with a tolerable tolerance also flat rate for the respective vehicle electrical system can be specified.

Das Verfahren dient zum Betreiben von herkömmlichen 6 oder 12-V-Glühlampen in Kraftfahrzeugen mit 24-V- oder 42-V-Bordnetzen. Für eine 12 Volt-Glühlampe haben Versuche gezeigt, dass bei 42-V-Bordnetzen mit einer ca. 5-fach über der Eigenresonanzfrequenz liegenden Pulsfrequenz gearbeitet werden sollte, während bei einem 24 Volt-Bordnetz bereits der Faktor 3 ausreicht, um die Belastungen für den Glühfaden in vergleichbar niedrigem Bereich zu halten. Die konkreten Werte sind dabei selbstverständlich individuell lampenabhängig.The method is used to operate conventional 6 or 12 V incandescent lamps in motor vehicles with 24 V or 42 V electrical systems. For a 12 volt incandescent lamp experiments have shown that in 42-V electrical systems with an approximately 5-fold above the natural resonant frequency pulse rate should be worked, while in a 24 volt electrical system already factor 3 is sufficient to the loads for to keep the filament in a comparably low range. Of course, the actual values are individually lamp-dependent.

Claims

Method for operating an incandescent lamp (L) at a higher operating voltage (U _Batt ) than its nominal operating voltage, whereby the operating voltage (U _Batt ) is controlled by a PWM control (U _Batt ). 1 ) controlled pulse width modulation voltage pulses are generated, which are the bulb (L) supplied to the power supply, the pulse widths of the voltage pulses are set such that the temperature of the filament in normal operation after reaching an operating temperature remains approximately constant, the pulse intervals of the voltage pulses are so predetermined in that the pulse frequency is above the natural resonant frequency of the filament, characterized in that the natural resonant frequency depends on the level of the operating voltage in the Ratio to nominal operating voltage in the PWM control ( 1 ) and the pulse frequency is controlled as a function of the operating voltage.

A method according to claim 1, characterized in that the pulse frequency is at least twice as large as the natural resonant frequency of the filament.

A method according to claim 2, characterized in that the pulse frequency is by a factor of 5 to 20 times greater than the natural resonant frequency of the filament.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ratio of pulse frequency to natural resonance frequency is adjusted in dependence on the ratio between operating voltage and rated operating voltage.

Use of the method according to one of claims 1 to 4 for operating 12 V incandescent lamps in motor vehicles with 24 V or 42 V electrical systems.

Use of the method according to one of claims 1 to 4 for operating 6 V incandescent lamps in motor vehicles with 12 V electrical systems.

Drive device for an incandescent lamp for carrying out a method according to one of claims 1 to 4.

Motor vehicle with an operating voltage (U _Batt ) and an incandescent lamp (L), wherein the operating voltage of the motor vehicle relative to the rated operating voltage of the incandescent lamp is increased and a drive means for performing a method according to one of claims 1 to 4 is provided.

A method for determining the self-resonant frequency of a filament in which applied to an operating filament or its bulb shock pulse, detects the mechanical vibration behavior and derived from a frequency analysis of the vibration behavior of the natural resonant frequency, wherein an opto-electrical device is provided for detecting the light intensity, which is aligned with a predetermined center position of the filament and has a narrow with respect to the maximum amplitude of oscillation of the filament narrow detection angle, so that when oscillating the filament the measurable by the optical device intensity varies depending on the deflection of the filament from the predetermined center position and this Variation of light intensity is converted into an electrical signal and fed to a frequency analysis.

A method of determining the self-resonant frequency of a filament according to claim 9, wherein the light is received by the filament during its oscillation and directed to an opto-electrical receiver by means of a glass fiber directed to the center position.