Lampen für 42 V: Lösungsansätze - All

THEMA
Bauelemente
Lampen für 42 V: Lösungsansätze
für ein komplexes Problem
Als in den 60er Jahren die Bordnetz-Spannung von 6 auf 12 V umgestellt wurde, konnten die Zulieferer
der Automobilindustrie zügig die passenden 12-V-Glühlampen zur Verfügung stellen und auch für die
24-V-Systeme der Lkw gab es recht bald die passende Lösung. Aber bei der Einführung eines Bordnetzes mit 42 V Spannung ergeben sich auf der Beleuchtungsseite völlig neue Probleme, die zusammen
mit den möglichen Lösungen in dem folgenden Beitrag erläutert werden.
enn es um Lichtquellen zur externen und internen Beleuchtung
im Automobilbereich geht, dann
kommen derzeit vier verschiedene Lichtquellen in Frage:
W
600 bis 1000 V. Selbst die Subminiatur-Fluoreszenz-Leuchten müssen noch mit 500
bis 1000 V gezündet werden und arbeiten
im Betrieb an 150 bis 500 V. Eine hö-here
Bordnetzspannung als die heute üblichen
12 V kann für den Wirkungsgrad
dieser Ansteuerungselektronik nur gut
sein, so dass rein technisch wohl keine
Probleme mit diesen Lichtquellen bei
der Umstellung auf 42 V auftreten
werden. Höchstwahrscheinlich wird die
Ansteuerschaltung sogar kleiner und abgesehen von den Kosten für die Umentwicklung auf 42 V bringt für diese Lichtquellen
das 42-V-Bordnetz nur Vorteile.
Leuchtdioden werden mit etwa 20 mA bei
einer typischen Spannung von 2 V (maximal 2,6 V) betrieben – und zwar entweder
mehrere LEDs in Reihe oder in Verbindung
mit einem Vorwiderstand.
Hochdruck-Gasentladungslampen
(Xenon-Licht)
Niederdruck-Gasentladungslampen
(”Neon”-Röhren, SubminiaturFluoreszenz-Leuchten)
(Halogen)-Glühlampen
LEDs
DER AUTOR
Dipl.-Ing. Alfred
Vollmer arbeitet als
Redakteur für die
Zeitschrift elektronik
industrie
52
Gasentladungslampen
Während die Glühlampen heutzutage direkt vom 12- oder 24-V-Bordnetz betrieben werden, benötigen die Hoch- und Niederdruck-Gasentladungslampen stets ein
Vorschaltgerät, das nicht nur den Zündvorgang, sondern auch den Betrieb steuert. So
benötigen beispielsweise die Xenon-Lampen des Typs D2S/D2R von Osram eine
Zünd-Spitzenspannung von fast 23 kV,
während die Betriebsspannung 85 V
beträgt. Neonlampen erfordern eine ZündSpitzenspannung zwischen 1,5 und 10 kV
bei einer Betriebs-Effektivspannung von
Glühlampen
Sehr komplex ist allerdings die Problemstellung bei den klassischen (Halogen)Glühlampen. Am praktischsten wäre es,
Glühlampen zu entwickeln, die direkt mit
42 V betrieben werden. Wenn allerdings die
Lichtausbeute und die Leistung genau so
groß sein sollen wie bei 12-V-Lampen,
dann müssen die 42-V-Typen eine längere,
dünnere Wendel aufweisen. Und genau hier
liegt das Problem, denn aufgrund dieser
veränderten physikalischen Eigenschaften
(länger und dünner) sinkt die Schock- und
Vibrationsfestigkeit der ”Glühbirne” dramatisch, was die Lebensdauer signifikant
verkürzt und somit zu erheblich früheren
Lampenausfällen führt. Eigentlich ist allein
schon diese Eigenschaft ein K.O.-Kriterium
für sich. Ganz nebenbei bemerkt ist die
Leuchtdichte von 42-V-Glühlampen nicht
so hoch wie bei den 12-V-Typen und durch
Auto & Elektronik 3/2000
Bauelemente
Bild 1: PWM-Modulation des Lichtstroms bei einer H7-Lampe (12 V/55 W)
die größeren Abmessungen der
Wendel ergeben sich auch ganz neue
Probleme beim Design des Reflektors. Nach Angaben von Hartwig
Riehl, der bei Osram die Entwicklungsabteilung Zusatzlicht im
Automotive-Bereich leitet, werden
Glühlampen, die direkt mit 42 V betrieben werden, teuerer sein als die
12-V-Typen. Riehl: ”42-V-Glühlampen sind keine Alternative.”
Die heute üblichen Glühlampen
sind entsprechend internationaler
Standardisierungen für Spannungen von 6 V, 12 V oder 24 V optimiert und die Freigabetests dafür
basierten stets auf den jeweiligen
Betriebsspannungen. Wenn jedoch
eine neue Lampe auf Basis einer anderen Spannung entwickelt wird,
dann sind dafür auch die entsprechenden internationalen Freigaben
(vor allem ECE Regulation 37) mit
den entsprechenden Testprozeduren nötig. ”Aus diesen Gründen –
und vor allem auf Grund der signifikanten Nachteile der Glühlampen –
glauben wir nicht, dass es zu Neuentwicklungen von Glühlampen
kommen wird, die direkt mit 42 V
gespeist werden”, erklärt Hartwig
Riehl.
Um elektronische Vorschaltgeräte
für normale Glühlampen wird man
somit in 42-V-Bordnetzen nicht
umhin kommen. Unter der Federführung der SAE (Society of Auto-
Auto & Elektronik 2/2000
THEMA
Bauelemente
Quelle: Osram
motive Engineers) läuft derzeit ein
weltweites Forschungsprogramm
zum Thema Lichtsysteme in 42-VBordnetzen an. Zwei Themen werden dabei im Mittelpunkt stehen:
Zum einen die Verwendung von
DC/DC-Wandlern und zum anderen die Pulsweiten-Modulation
(PWM).
DC/DC-Wandler
Ein DC/DC-Wandler ermöglicht es,
die bereits bestens bewährten 12-VGlühlampen zu nutzen. Da ein
DC/DC-Wandler eine konstante
Spannung am Ausgang liefert, erhöht sich die Lebensdauer und damit die Zuverlässigkeit, denn dann
kommt es nicht mehr zur erhöhten
Lampenabnutzung durch Spannungsspitzen. Auch die ausgesandte
Lichtmenge lässt sich dann exakter
regeln. Selbst Glühlampen für
Spannungen unter 12 V sind dann
möglich.
Prinzipiell besteht auch die Möglichkeit, einen zentralen DC/DCWandler zu installieren, der dann
sämtliche Glühlampen mit z. B. 12 V
versorgt. Aber die die zusätzliche
Verkabelung mit einem zweiten
Bordnetz ist natürlich auch mit zusätzlichem Aufwand verbunden.
Dennoch gibt es Automobilhersteller, die dieses Konzept derzeit konsequent verfolgen. Andererseits
schlagen nicht nur die dezentral
53
THEMA
Bauelemente
eingesetzten, kleineren DC/DC-Wandler
auf der Kostenseite voll zu Buche.
Pulsweiten-Modulation
Sowohl in zentraler als auch in dezentraler
Struktur lässt sich die PWM-Ansteuerung
von 12-V-Glühlampen über das 42-VBordnetz realisieren. Dabei wird ein Lowside-Leistungstransistor von einem pulsbreitenmodulierten Signal gesteuert, wäh-
54
rend der Ausgang des Transistors mit herkömmlichen 12-V-Glühlampen verbunden wird (Bild 1). Da die Spannung auch
bei diesem Verfahren geregelt wird, lässt
sich auch hier die Zuverlässigkeit erhöhen,
während gleichzeitig die ausgesandte
Lichtmenge exakter dosierbar ist. Außerdem lassen sich Glühlampen in einer Dualfunktion betreiben (z. B. zwei Helligkeitsstufen).
Da der Einsatz der PWMTechnologie im Kraftfahrzeug noch nicht hinreichend untersucht ist, sind
derzeit noch viele Fragen
offen. So ist zum Beispiel
noch nicht bekannt, ob sich
die Lebensdauer der Glühlampe aufgrund der ständigen Temperaturveränderungen in der Glühwendel verringert. Auch der Problembereich des Funkenüberschlags (Zündung einer
Plasma-Entladung) ist noch
völlig ungeklärt.
Ob es aufgrund der vielen
thermischen Zyklen bzw.
der daraus resultierenden
mechanischen Zyklen, die
sich als Summen bemerkbar
machen, zu Ermüdungsrissen im Glaskolben kommt,
ist ebenfalls noch nicht ausreichend erforscht. Vor allem die Auswirkungen von
eventuellen Ermüdungsrissen auf die Vibrations- bzw.
Schockfestigkeit ist in diesem Zusammenhang ein
wichtiger Aspekt. Darüber
hinaus gilt es auch, ein pulsbreitenmoduliertes Lampensystem auf sein Verhalten bei Klemm- oder
Schweißfehlern, Korrosion
sowie in punkto elektromagnetische Verträglichkeit
zu untersuchen. Um den
Einfluß der PWM-Ansteuerung auf diese und andere Fehlerquellen zu untersuchen, müssen daher noch
intensive Untersuchungen
durchgeführt werden.
In ersten Voruntersuchungen mit weniger als 10 Mu-
Auto & Elektronik 3/2000
Bauelemente
stern pro Versuch kam Osram zu dem Ergebnis, dass die Lebenszeit von PWM-angesteuerten Gühlampen sinkt. Setzt man
die Lebensdauer einer mit Gleichstrom angesteuerten Glühlampe mit 100% an, so ergibt sich für eine 55-W-Lampe bei 1000 Hz
PWM-Frequenz noch eine Lebensdauer
von etwa 85 %, die bei 500 Hz auf knapp
unter 80 % absinkt und bei 80 Hz nur noch
knapp 50 % beträgt. Glühlampen mit geringer Nennleistung stellten in diesem Test
sogar noch früher ihre Funktion ein.
LEDs
Bei der Verwendung mit Leuchtdioden
scheidet die PWM zur Spannungsanpassung aus, aber ein DC/DC-Wandler lässt
sich durchaus einsetzen, denn damit entfällt
der Vorschaltwiderstand. Allerdings sind die
Kosten eines DC/DC-Wandlers erheblich
größer als die Kosten eines Vorwiderstands.
Wenn ein Vorwiderstand bei einer LED
zum Einsatz kommt, dann ergeben sich
Auto & Elektronik 3/2000
THEMA
hier jedoch neue Dimensionen. Eine für
20 mA/2,0 V konzipierte Leuchtdiode
benötigt bei 12 V einen Vorwiderstand von
600 Ω mit einer Belastbarkeit von 1/4 W.
Soll die gleiche Leuchtdiode jedoch bei 40
V betrieben werden, so ergibt sich ein Vorwiderstand von 40 V/20 mA = 2 k Ω, der
mit 800 mW belastbar sein muss. Im praktischen Betrieb kommt dann somit ein Vorwiderstand zum Einsatz, der mit 1 W belastbar ist und damit zwei Belastungsklassen höher liegt.
Wenn eine größere Anzahl LEDs (z. B. 20
Stück) für eine entsprechend hohe Lichtausbeute sorgen soll, dann können diese in
Reihe geschaltet direkt mit dem 42-VBordnetz verbunden werden – und zwar
ohne Vorwiderstand oder Anschaltelektronik.
361
55