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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Schaltungsanordnung für die
Wechselspannungsversorgung eines Plasma-Display-Panels (PDP), insbesondere für
einen Sustain-Driver. PDPs sind flache Bildschirme oder Fernseher, die mit Hilfe der
Plasmatechnologie realisiert werden. Dabei wird zwischen zwei Glasplatten durch
kleine Gasentladungen Licht erzeugt. Dafür werden prinzipiell kleine, einzelne
Plasmaentladungslampen über horizontal und vertikal angeordnete Elektroden angesteuert.
Zum Betrieb der Plasmazellen ist ein erheblicher Elektronikaufwand erforderlich. Den
platzmäßig größten Anteil nimmt dabei der sogenannte Sustain-Driver ein, der die
Aufgabe hat, die Eigenkapazitäten der Plasmazellen mit trapezförmigen
Wechselspannungen zu versorgen. Die Elektroden der Plasmazellen sind hierbei an die
Ausgänge von zwei Halbbrücken einer Kommutierungsschaltung angeschlossen. Die
beiden Ausgänge der Halbbrücken können die positive Eingangsspannung +U0, die
negative Eingangsspannung -U0 oder die Spannung Null (Kurzschluss der
Elektrodenklemmen) an die Elektroden der Plasmazellen anlegen. Die beiden Halbbrücken werden
von einer Hilfsspannung versorgt, die der Hälfte der Eingangsspannung U0 entspricht.
Damit die Zellen zünden, muss an den Elektroden ein schneller Wechsel von der
positiven zur negativen Spannung und umgekehrt erfolgen. Hierzu wird abwechselnd
der Spannungsausgang eines Halbbrückenwandlers an den positiven Spannungspol
gelegt, während der jeweils andere an dem Minuspol anliegt. Sofern die beiden
Übergänge unmittelbar aufeinander folgen, ändert sich die Spannung an den Plasmazellen
sehr schnell vom negativen zum positiven Wert der Eingangsspannung U0. Dies
bewirkt die Zündung der Zellen. Um die bei der direkten Ladung und Entladung der
Kapazität der Plasmazelle entstehenden Verluste zu verhindern, wird der Sustain-Driver
meist als resonantes Schaltnetzteil aufgebaut, bei dem die Ladung und Entladung der
Kapazität der Plasmazelle prinzipiell verlustfrei erfolgt. Bei der Realisierung und
Umsetzung dieses resonanten Prinzips wird die Schwingung gedämpft, da die Spulen,
Zuleitungen und Halbleiterschalter parasitäre Widerstände darstellen. Dies führt dazu,
dass die Spannung an der Plasmazelle nicht vollständig auf die Eingangsspannung bzw.
auf Null umspringt. Hierdurch erfolgt ein hartes Zuschalten, das bedeutet
Leitendschalten, der Brückentransistoren, wodurch eine verlustbehaftete Nachladung bzw.
Restentladung entsteht. Die hiermit verbundenen Ströme fließen bei jedem Umladen,
auch dann, wenn die Plasmazellen nicht leuchten sollen. Die verlustbehaftete
Nachladung bzw. Restentladung verursacht außerdem Probleme bezüglich der
elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Der Einfluss der parasitären Widerstände macht
sich in der Umschwingkurve der Plasmaspannung als charakteristische Stufe
bemerkbar. Nachdem der Ladestrom für die Kapazität der Plasmazelle ihren Ausgangswert,
also nahezu Null, erreicht hat, tritt die charakteristische Stufe (hier: Sprung von "nahezu
Null" auf "Null" in der Umschwingkurve auf. Vor dem Umschwingvorgang werden
beide Transistoren der Halbbrücken nichtleitend geschaltet, damit eine Änderung der
Spannung an der Kapazität der Plasmazelle erfolgen kann.
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Diese bekannte symmetrische Kommutierungsschaltung ist schaltungstechnisch einfach
zu realisieren. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern einer
Schaltungsanordnung für die Wechselspannungsversorgung eines Plasma-Display-
Panels anzugeben, die zu einer Kompensierung der Verluste, die durch die parasitären
Widerstände entstehen, und zur Reduzierung der elektromagnetischen Störungen führt.
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Die Aufgabe wird einerseits erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zum Zeitpunkt des
Leitendschaltens des ersten Hilfstransistors T11, also zu Beginn des Ladevorgangs des
Kondensators (Cp), der erste Brückentransistor T1 der Halbbrücke nichtleitend
geschaltet wird und der zweite Brückentransistor T2 der Halbbrücke für eine
vorbestimmte Verzögerungszeit leitend geschaltet bleibt und erst nach Ablauf der
Verzögerungszeit tv nichtleitend geschaltet wird. Dadurch bleibt die Zellenspannung
Up zunächst gleich Null (Up = 0). Währenddessen baut sich in der ersten Spule L1 der
Ladestrom i1(t) linear auf. Zum Zeitpunkt des Nichtleitendschaltens des zweiten
Brückentransistors T2 beginnt der resonante Ladevorgang des Kondensators Cp der
Plasmazelle. Da der Strom der Plasmazelle nun gleich dem Ladestrom i1 ist, weist er
beim Leitendschalten des Kondensators Cp bereits einen Anfangswert auf, wodurch der
Kondensator Cp schneller geladen wird. Bei angepasster Zeit der verzögerten
Abschaltung tv und angepasster Vorladung der ersten Spule L1 wird innerhalb der
folgenden halben Sinusschwingung der Kondensator Cp vollständig von Null auf die
Eingangsspannung U0 geladen.
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Die Erfindung wird ebenfalls dadurch gelöst, dass zum Zeitpunkt des Leitendschaltens
des zweiten Hilfstransistors T12, also zu Beginn des Entladevorganges des
Kondensators Cp, der zweite Brückentransistor T2 der Halbbrücke nichtleitend geschaltet wird
und der erste Brückentransistor T1 der Halbbrücke für eine vorbestimmte
Verzögerungszeit leitend geschaltet bleibt und erst nach der Verzögerungszeit tv
nichtleitend geschaltet wird. Dadurch baut sich in der zweiten Spule L2 der Ladestrom i2(t)
linear auf. Zum Zeitpunkt des Nichtleitendschaltens des ersten Brückentransistors T1
beginnt der resonante Entladevorgang des Kondensators Cp der Plasmazelle und ist mit
Ablauf der halben Sinusschwingung beendet (Up = 0).
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Aus Symmetriegründen wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern eines
Ladevorgangs und Entladevorgangs die Strombilanz an dem Kondensator Cs
ausgeglichen (Us = U0/2). Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung wird anhand der folgenden Figuren erläutert. Dabei zeigt zum Stand der
Technik
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Fig. 1 die Transistorbrücke zur Zellenspannungsgenerierung mit
herkömmlicher Kommutierungsschaltung (zur besseren Übersicht ist nur
die Kommutierungsschaltung einer Halbbrücke dargestellt);
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Fig. 2 den Einschluss der parasitären Widerstände auf die Zellenspannung Up
des Kondensators Cp der Plasmazelle.
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Dabei zeigt zur Erfindung
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Fig. 3 die Position der wesentlichen Elemente der Kommutierungsschaltung
beim Ladevorgang für einen Zeitpunkt t < tv;
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Fig. 4 die Position der wesentlichen Elemente der Kommutierungsschaltung
beim Ladevorgang für einen Zeitpunkt t > tv;
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Fig. 5 ein Diagramm mit dem Ladevorgang des Kondensators Cp der
Plasmazelle mit Kompensation des Einflusses der parasitären
Widerstände;
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Fig. 6 die Position der wesentlichen Elemente der Kommutierungsschaltung
beim Entladevorgang für einen Zeitpunkt t < tv;
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Fig. 7 die Position der wesentlichen Elemente der Kommutierungsschaltung
beim Entladevorgang für einen Zeitpunkt t > tv;
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Fig. 8 ein Diagramm mit dem Entladevorgang des Kondensators Cp der
Plasmazelle mit Kompensation des Einflusses der parasitären
Widerstände.
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Die in Fig. 1 dargestellte Transistorbrücke mit herkömmlicher
Kommutierungsschaltung besteht im wesentlichen aus zwei Halbbrücken. An ihre Ausgänge sind die
Elektroden der Plasmazellen angeschlossen. Je nach Ansteuerung der
Brückentransistoren T1, T2, T3 und T4 liegt an den Ausgängen der beiden Halbbrücken die
positive Eingangsspannung Up = +U0, die negative Eingangsspannung Up = -U0 oder die
Spannung Null Up = 0 (Kurzschluss der Elektrodenklemmen) an. Damit die
Plasmazellen zünden, muss ein schneller Wechsel von der positiven zur negativen Spannung
und umgekehrt erfolgen. Hierzu wird abwechselnd der Spannungsausgang eines
Halbbrückenwandlers an den positiven Spannungspol gelegt, während der jeweils
andere an dem negativen Spannungspol anliegt. Sofern die beiden Übergänge
unmittelbar aufeinander folgen, ändert sich die Spannung an den Plasmazellen sehr schnell vom
negativen zum positiven Wert der Eingangsspannung U0. Dies bewirkt die Zündung der
Plasmazellen sofern zusätzlich eine Adressierung erfolgt ist. Der Zündstrom zur
Lichterzeugung fließt dann über die diagonalen ersten und vierten Brückentransistoren T1
und T4 oder T2 und T3 der Brückenschaltung. Jede Halbbrücke weist einen
Schwingkreis auf, wobei in Fig. 1 nur eine Halbbrücke betrachtet wird. Der einzelne
Schwingkreis besteht aus der Kapazität Cp der Plasmazelle und der Induktivität L1 für den
Ladevorgang und L2 für den Entladevorgang. Der Ladevorgang wird mittels des
Hilfstransistors T11, der in Reihe geschaltet ist mit der Induktivität L1 eingeleitet und
der Entladevorgang mit dem Hilfstransistor T12, der in Reihe mit der Induktivität L2
angeordnet ist. Die zwischen den Hilfstransistoren (T11, T12) und den Induktivitäten
angeordneten Dioden D1 und D2 sorgen dafür, dass jeweils nur ein Lade- oder
Entladestrom in einer Halbschwingung auftritt. Bei einer symmetrischen Anordnung und
Ansteuerung der Kommutierungsschaltung stellt sich an dem Kondensator Cs
näherungsweise als Hilfsspannung die halbe Eingangsspannung U0 ein, das heißt, Uh =
U0/2. Der Kondensator Cs ist dabei so groß gewählt, dass sich innerhalb einer
Schaltungsperiode keine Änderung der Kondensatorspannung an Cs ergibt, das heißt Cs
>> Cp. Wird nun die leere Kapazität der Plasmazellen Cp über den als Schalter
eingesetzten Hilfstransistor T11 an den mit der Hilfsspannung Uh geladenen
Kondensator Cs gelegt, entsteht ein Schwingungsvorgang, der zeitlich auf eine
Sinusschwingung des Ladestromes I1 begrenzt ist. Die Beendigung nach einer halben Periode
erfolgt durch die Diode D1 in dem Schaltkreis, die nur die positive Welle zulässt.
Gleichzeitig baut sich mit der Sinusschwingung des Ladestroms I1 an der Kapazität Cp
der Plasmazelle eine kosinusförmige Zellenspannung Up auf, die von Null beginnend
an auf nahezu den doppelten Wert der Hilfsspannung Uh an der Kapazität Cs ansteigt,
welches ungefähr der Eingangsspannung U0 entspricht. Aufgrund der parasitären
Widerstände bedingt durch die Spulen, Zuleitungen und Halbleiterschaltung ist die
Spannung Up jedoch gedämpft und erreicht beim Ladevorgang den Wert der
Eingangsspannung U0 nicht.
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Das Entladen der Kapazität Cp der Plasmazelle mit Hilfe des Schwingkreises bestehend
aus der Kapazität Cp und der Induktivität L2 erfolgt auch nur annähernd verlustfrei
aufgrund der parasitären Widerstände. In diesem Fall wird der Schwingungsvorgang
mit dem Leitendschalten des zweiten Hilfstransistores T12 eingeleitet.
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Nach Beendingung des Schwingvorganges wird entweder der obere oder der untere
Brückentransistor der Halbbrücke (T1, T2) leitend geschaltet. Da die Zellenspannung
Up an der Kapazität Cp der Plasmazelle aufgrund der gedämpften Schwingung nicht
den Wert der Eingangsspannung U0 erreicht hat, fließt beim Leitendschalten der
Halbbrücke T1 der Nachladestrom Ip. Der Sprung von der beim Ladevorgang maximal
erreichbaren Spannung von Up auf U0 zum Einschaltpunkt des Brückentransistors T1
ist in der Fig. 2 dargestellt. Die normierte Darstellung des Einflusses der parasitären
Widerstände beim Ladevorgang in Fig. 2 ist die Zellenspannung Up betreffend auf die
Eingangsspannung U0 bezogen und den Ladestrom I1 betreffend auf die
Eingangsspannung U0 geteilt durch die Impedanz Z0 bezogen, wobei Z0 gebildet wird durch
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Die in Fig. 2 als Sprung in der Spannungskurve dargestellte Nachladung tritt beim
Entladevorgang als Restentladung auf. Dabei erreicht die Zellenspannung Up nur
annähernd den Wert Null. Der Sprung auf Null erfolgt beim Leitendschalten des
Brückentransistors T2. Die hiermit verbundenen Ströme fließen bei jedem
Umschwingvorgang, auch dann, wenn die Plasmazellen nicht leuchten sollen. Die Nachladung bzw.
Restentladung verursacht zusätzliche Verluste und Probleme mit der
elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).
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Fig. 3 zeigt die Position der wesentlichen Schaltungselemente für den Zeitpunkt t < tv.
Mit dem Leitendschalten des ersten Hilfstransistors T11, also zu Beginn des
Ladevorgangs des Kondensators Cp, wird der erste Brückentransistor T1 der Halbbrücke
nichtleitend geschaltet, in der Fig. 3 ist der Brückentransistor T1 als geöffneter
Schalter dargestellt. Der zweite Brückentransistor T2 der Halbbrücke bleibt für eine
vorbestimmte Verzögerungszeit leitend geschaltet. Bei dem herkömmlichen Verfahren
zum Steuern der Kommutierungsschaltung werden vor jedem Umschwingvorgang, d. h.
bevor einer der Hilfskondensatoren T11 und T12 geschaltet wird, und der Lade- oder
Entladestrom fließt, beide Brückentransistoren (T1, T2) der Halbbrücke nichtleitend
geschaltet, da ansonsten keine Änderung der Zellenspannung Up an dem Kondensator
Cp erfolgt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst der Stromkreis für den
Zeitpunkt t < tv eine Hilfsspannung Uh, die etwa die Hälfte der Eingangsspannung U0
beträgt und an dem Kondensator Cs anliegt, den ersten Hilfstransistor T11, die erste
Spule L1 und den Brückentransistor T2. Die Zellenspannung Up bleibt Null, da der
Kondensator Cp keine Kapazität aufbaut.
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Fig. 4 zeigt die Position der wesentlichen Schaltungselemente gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern einer Schaltungsanordnung für die
Wechselspannungsversorgung eines Plasma-Display-Panels für den Zeitpunkt t > tv. Der zweite
Brückentransistor T2 ist als geöffneter Schalter dargestellt und somit stromlos. Der
Stromkreis umfasst somit für t > tv den Kondensator Cs, der hier als Spannungsquelle
mit dem halben Wert der Eingangsspannung Uh = U0/2 dargestellt ist, den ersten
Hilfstransistor T11, die erste Spule L1 und den Kondensator Cp.
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Fig. 5 ist ein Diagramm mit dem Ladestrom und der Zellenspannung über der Zeit t.
Der Strom steigt in der Zeit t < tv linear an. Dies wird durch den leitenden Schalter T2
für t < tv hervorgerufen. Für t > tv ist der Spannungsanstieg steiler als bei dem
herkömmlichen Verfahren zum Steuern der Kommutierungsschaltung, da der Ladestrom
i1(t) in der ersten Spule L1 bereits teilweise aufgebaut ist. Da der Kondensator Cp sich
ab t > tv auflädt, nimmt die Spannungsdifferenz über der ersten Spule L1 ab und somit
auch der Stromanstieg. Der Ladestrom i1 erreicht dabei erfindungsgemäß einen
Maximalstrom i1max, der größer ist als der Maximalstrom in Fig. 2 zum Stand der
Technik. Daher wird während der sinusförmigen Halbschwingung des Ladestroms i1(t)
der Kondensator Cp auf eine höhere Spannung up(t) aufgeladen.
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Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren stellt sicher, dass zum Ende des
Ladevorgangs die Zellenspannung UP an dem Kondensator Cp den Wert der
Eingangsspannung U0 erreicht hat. Dadurch wird der Transistor T1 der Halbbrücke spannungslos
leitend geschaltet und es entstehen weniger Hochfrequenzstörungen und Verluste.
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Die Aufgabe wird aber auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren gelöst, bei dem
sichergestellt wird, dass zum Ende des Entladevorgangs die Zellenspannung Up an dem
Kondensator Cp nahezu den Wert Null erreicht hat und der zweite Brückentransistor T2
der Hauptbrücke spannungslos leitend geschaltet wird.
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Fig. 6 zeigt die Position der wesentlichen Elemente der Kommutierungsschaltung
beim Entladevorgang für einen Zeitpunkt t < tv. Mit dem Leitendschalten des zweiten
Hilfstransistors T12, also zu Beginn des Entladevorgangs des Kondensators Cp, wird
der zweite Brückentransistor T2 der Halbbrücke nichtleitend geschaltet, in der Fig. 6
ist der zweite Brückentransistor T2 als geöffneter Schalter dargestellt. Der erste
Brückentransistor T1 der Halbbrücke bleibt für eine vorbestimmte Verzögerungszeit tv
leitend geschaltet. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Entladen umfasst der
Stromkreis für den Zeitpunkt t < tv eine Hilfsspannung Uh, die etwa die Hälfte der
Eingangsspannung U0 beträgt und an dem Kondensator Cs anliegt, den zweiten
Hilfstransistor T12, die zweite Spule L2 und den Brückentransistor T1. Die
Zellenspannung Up bleibt Null, da der Kondensator Cp keine Kapazität aufbaut.
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Fig. 7 zeigt die Position der wesentlichen Elemente der Kommutierungsschaltung
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern einer Schaltungsanordnung für
die Wechselspannungsversorgung eines Plasma-Display-Panels für einen Zeitpunkt t >
tv. Der erste Brückentransistor T1 ist nun ebenfalls als geöffneter Schalter dargestellt
und daher stromlos. Der Stromkreis umfasst somit beim Entladen für t > tv den
Kondensator Cs, der hier als Spannungsquelle mit dem halben Wert der
Eingangsspannung Uh = U0/2 dargestellt ist, den zweiten Hilfstransistor T12, die zweite Spule
L2 und den Kondensator Cp.
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Fig. 8 ist ein Diagramm mit dem Entladestrom i2(t) und der Zellenspannung Up über
der Zeit t. Der Strom steigt in der Zeit t < tv linear an. Dies wird durch den leitenden
Schalter T1 für t < tv hervorgerufen. Für t > tv ist der Spannungsabfall steiler als bei
dem herkömmlichen Verfahren zum Steuern der Kommutierungsschaltung, da der
Entladestrom i2(t) in der zweiten Spule L2 bereits teilweise aufgebaut ist. Da der
Kondensator Cp sich ab t > tv entlädt, nimmt die Spannungsdifferenz über der zweiten
Spule L2 ab und somit auch der Stromanstieg. Der Entladestrom i2 erreicht dabei
erfindungsgemäß einen Maximalstrom i2max, der größer ist als der Maximalstrom in
Fig. 2 zum Stand der Technik. Daher wird während der sinusförmigen
Halbschwingung des Entladestroms i2(t) der Kondensator Cp auf eine niedrigere Spannung
up(t) entladen.
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Die Diagramme in Fig. 5 und Fig. 8 sind ebenso wie das Diagramm in Fig. 2
normiert dargestellt. Dabei ist up(t) bezogen auf die Eingangsspannung U0 und der
Ladestrom i1(t) beziehungsweise der Entladestrom i2(t) auf die Eingangsspannung U0
geteilt durch die Impedanz Z0, wobei Z0 gebildet wird durch
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Verzögerungszeit tv fest eingestellt,
beispielsweise auf 1/8 der Schwingungsperiode. Die Verzögerungszeit tv wird so
ausgelegt, dass die Vorladung der Spule L1, L2 ausreichend groß ist, um den Ladestrom
I1 beziehungsweise den Entladestrom I2 auf einen Wert ansteigen zu lassen, der größer
ist als die Eingangsspannung U0 geteilt durch die Impedanz I0. Die feste Einstellung
kann auch in der Serienfertigung verwendet werden. Der in diesem Ausführungsbeispiel
als innere Diode verwendete MOSFET (Metal Oxid Semiconductor-Field Effect
Transistor)-Schalter verhindert ein Ansteigen der Zellenspannung Up oberhalb der
Eingangsspannung U0.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Verzögerungszeit tv nicht fest
eingestellt, sondern wird selbsttätig korrigiert. Als Maß für die Korrektur wird die
Spannungsdifferenz Udiff zwischen der Zellenspannung Up und der Eingangsspannung
U0, d. h. Udiff = Up - U0, überwacht. Ist dabei die Spannungsdifferenz zum Zeitpunkt
des Leitendschaltens des ersten Brückentransistors T1 größer Null, wird die
Verzögerungszeit tv für die nächste Schaltperiode verkürzt. Die Spannungsdifferenz kann
positiv werden, da die innere Diode des Transistors erst bei Anliegen einer kleinen
positiven Spannung leitfähig wird. Ist die Spannungsdifferenz zum Zeitpunkt des
Leitendschaltens des ersten Brückentransistors T1 kleiner Null, so wird die
Verzögerungszeit tv für die nächste Schaltperiode verlängert. Das Vorzeichen der
Differenzspannung kann vorzugsweise durch einen Spannungskomparator ermittelt
werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern einer Schaltungsanordnung für die
Wechselspannungsversorgung eines Plasma-Display-Panels führt bei richtiger
Voreinstellung des Stromes in der entsprechenden Spule zu einer nahezu exakten Erreichung
des Spannungspegels der Zellenspannung.