DE3920847C2 - Verfahren zur Verringerung der Elektromigration beim Betrieb einer Lampe und Verwendung einer zugehörigen Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Elektromi­ gration beim Betrieb einer über eine Gleichspannungsversorgung betrtiebene Lampe.

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 Physics, "Electrotransport of Tungsten and Life of a Filament" Vol. 39/13, Dez. 1968, Seite 6037 ff. verwiesen.

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.

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.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich eine möglichst hohe Lebensdauer einer Glühlampe erreichen läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Weiterhin wird die Verwendung einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Dabei 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 erfindungsgemäßen 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:

(1) m ∼ U . t_wirk.

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.

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 zu

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:

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 x_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:

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 Prinzip des 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.

Eine Schaltungsanordnung, mit der eine Lampe mit Glühfaden oder sonstigem Leuchtkörper zum Gleichstrombetrieb verbun­ den ist, weist dem Prinzip der Erfindung folgend 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.

Aus DE-Z "Elektor-Konstantlichtquelle", Februar 1984, Seite 2-52 bis 2-53 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Glüh­ lampe bekannt, welches mit getakteter Gleichspannung arbeitet, um bei absinkender Batteriespannung die Glühlampe gleich­ bleibend hell betreiben zu können, wobei das Pausenverhält­ nis der getakteten Spannung hierzu geändert wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Impuls/Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach 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.

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. 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.

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.

Claims (10)

1. Verfahren zur Verringerung der Elektromigration bei einer über eine Gleich­ spannungsversorgung betriebenen, einen Glühfaden oder sonstigen Leuchtkörper aufweisenden Lampe, dadurch gekennzeichnet, daß die zuzuführende Gleichspannung (U_G) der Lampe (2) innerhalb beabstandeter Zeitspanne (t_wirk) zugeführt wird, wobei die Nennspannung (U_N) der Lampe (2) im Be­ trag niedriger als die Gleichspannung gewählt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspan­ nung (U_G) periodisch getaktet (t_wirk,T) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastver­ hältnis der Zeitspanne (t_wirk) zur Taktperiodendauer (T) so bemessen ist, daß der quadratische Mittelwert bzw. Effektivwert der getakteten Gleich­ spannung (U_takt) etwa mit der Nennspannung (U_N) übereinstimmt.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nennspannung (U_N) der Lampe (2) etwa die Hälfte der Versor­ gungs-Gleichspannung (U_G) oder weniger beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis (t_wirk/T) etwa 0,25 oder weniger beträgt.

6. Verwendung einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 umfassend eine Lampe (2), die an eine Gleichspannungsquelle (1) über wenigstens ein Schaltglied (3) ge­ koppelt ist, welches von einer Ablaufsteuerung innerhalb beabstandeter Zeitspannen (t_wirk) betätigt wird, wobei die Nennspanung (U_N) der Lampe im Betrag niedriger als die Versorgungs-Gleichspannung (U_G) ausgelegt ist.

7. Verwendung nach Anspruch 6, wobei die Nennspannung (U_N) der Lampe etwa die Hälfte der Versorgungs-Gleichspannung (U_G) oder weniger be­ trägt.

8. Verwendung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Ablaufsteuerung einen periodischen Taktgeber (T, 7) aufweist.

9. Verwendung nach Anspruch 8, wobei dem Taktgeber ein Zeitglied (8) nachgeschaltet ist, das zur Ansteuerung des Schaltglieds (3) in einem unter eins liegenden Tastverhältnis (t_wirk) ausgelegt ist.

10. Verwendung nach Anspruch 9, wobei die Länge (t_wirk) des Ansteuerimpul­ ses (U_st) etwa ein Viertel der vom Taktgeber (7) erzeugten Taktperioden­ dauer (T) oder weniger beträgt.