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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung zur Aufteilung
eines Stromes aus einer Quelle auf wenigstens zwei parallele Schaltungszweige
mit unterschiedlicher oder variabler Last gemäß einem voreinstellbaren Verhältnis.
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Eine
solche Schaltung kann überall
dort verwendet werden, wo der Strom aus einer Quelle in parallelen
Schaltungszweigen gemäß einem
voreinstellbaren Verhältnis
aufgeteilt werden sollen.
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Eine
Anwendung ist beispielsweise die Hintergrundbeleuchtung in Flüssigkristallanzeigen.
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Das
Licht für
Hintergrundbeleuchtungen von Flüssigkristallanzeigen
wird häufig
mit einer Reihe gleichartiger Kaltkathodenröhren mit Fluoreszenzbeschichtung
erzeugt. Die Röhren
werden typischerweise mit einem Strom von einigen Milliampere und Wechselspannung
von ca. 1 kV bei einer Frequenz zwischen 30 kHz und 60 kHz versorgt.
Um eine möglichst
gute Lichthomogenität
zu erzielen, müssen
alle Röhren
möglichst
mit der gleichen Stromstärke
betrieben werden. Die zulässige
Stromtoleranz liegt typischerweise bei ±5%. Die naheliegendste technische
Lösung
besteht darin, für
jede Lampe eine eigene stromgeregelte Hochspannungsversorgung mit eigener
Hauptbrücke
und eigenem Hochspannungstransformator zu verwenden.
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Aus
Kostengründen
werden allerdings Lösungen
favorisiert, bei welchen nur eine einzige leistungsfähige Hauptbrücke und
ein einziger gemeinsamer Hochspannungstransformator für alle Lampen notwendig
sind. Allerdings können
Gasentladungsröhren
wegen des negativen inkrementellen Widerstandes nicht einfach parallel
geschaltet werden, sondern müssen über symmetrierende
Zusatzbeschaltungen angesteuert werden.
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Die
einfachste Möglichkeit
einer symmetrierenden Zusatzbeschaltung besteht in einem kleinen Serienkondensator
an jeder Röhre.
Die Qualität
dieser Symmetriermethode ist allerdings gering und der Transformator
muss für
eine erheblich höhere
Spannung als die Lampenspannung dimensioniert werden.
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Eine
qualitativ höherwertige
Methode bietet der Einsatz von kaskadierten oder verketteten Stromsymmetriertransformatoren
wie etwa in der internationalen Patentanmeldung
WO 2005/038828 A2 beschrieben.
Ein Nachteil dieses Ansatzes ist die hohe Anzahl von kostenrelevanten
Symmetriertransformatoren. Daher wurde im Stand der Technik bereits
versucht die Symmetriertransformatoren durch Halbleiterschaltungen
zu ersetzen.
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Eine
Schaltungsanordnung zur Stromsymmetrierung an Lampen ist beispielsweise
aus der
US 6 420 839
B1 bekannt, wobei hier zwischen wenigstens einer Master-
und wenigstens einer Slave-Lampe
unterschieden wird. Die Symmetrierung erfolgt dabei so, dass der
Lampenstrom der Slave-Lampe an den Strom der Master-Lampe angepasst wird.
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Eine
andere, dem klassischen Stromspiegel verwandte Methode wird in der
US 2008/0116821 A1 , von
der der Anspruch 1 in seinem Oberbegriff ausgeht, vorgestellt. Bei
diesem Verfahren werden zu jeder Lampe Kollektor-Emitter-Strecken von
Bipolartransistoren in Serie geschaltet, wobei die Transistoren
die Widerstandsunterschiede der Röhren dynamisch ausgleichen
und somit gleiche Lampenströme in
allen Zweigen ermöglichen.
Der Nachteil dieses Stromsymmetrierverfahrens besteht darin, dass
an den Symmetriertransistoren Leistungsverluste auftreten, die zu
den Spannungsabfällen
an den Kollektor-Emitter-Strecken proportional sind.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Schaltung der vorgenannten
Art zu schaffen, die eine verlustarme Aufteilung eines Stromes auf
mehrere Schaltungszweige ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass in jedem Schaltungszweig in dieser Reihenfolge ein Diodenzweig
mit einem Symmetrier-Widerstand und einer Diode, eine Last und ein Transistorzweig
mit der Kollektor-Emitter-Strecke eines Bipolartransistors und einem
weiterern Symmetrier-Widerstand
in Reihe geschaltet sind, dass jeweils zwei Schaltungszweige paarweise
komplementär
aufgebaut sind, dass die Basis des Transistors eines Zweiges direkt
mit der Last des anderen Schaltungszweigs des Paares verbunden ist
und dass die beiden Basen der Transistoren eines Zweig-Paares durch
einen zusätzlichen
Basis-Widerstand miteinander verbunden sind.
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Bei
dieser Schaltung bewirkt die gegenseitige Rückkopplung der beiden Schaltungszweige über die
Basen, dass der Transistor im höher
impedanten Schaltungszweig automatisch in die Sättigung geht und damit den
geringst möglichen
Verlust aufweist. Der Strom im anderen Schaltungszweig passt sich diesem
Strom automatisch gemäß dem Verhältnis der
Symmetrier-Widerstände an.
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Durch
die Symmetrier-Widerstände
können beliebige
Verhältnisse
der Zweigströme
voreingestellt werden. Für
die praktische Anwendung besonders wichtig ist die gleichmäßige Aufteilung
(Symmetrierung), bei der die Zweigströme möglichst identisch sein sollen.
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Darüber hinaus
ist die Aufteilung vollständig unabhängig von
den Lastwiderständen,
da selbst bei zeitlich variablen Lasten stets der Transistor im Zweig
der größeren Last
automatisch in die Sättigung getrieben
wird und daher das voreingestellte
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Strom-Verhältnis zu
jeder Zeit eingehalten wird. Zusätzlich
benötigt
die erfindungsgemäße Schaltung
durch die Verwendung von Bipolartransistoren keine zusätzliche
Spannungsversorgung.
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Einzig
der Strom durch den Basis-Widerstand bildet einen zusätzlichen
Verluststrom, weshalb dieser bevorzugt hochohmig ist und vorzugsweise
wenigstens zwei Größenordnungen
größer ist
als der größere Lastwiderstand.
Dadurch liegt der Symmetrierfehler typischerweise im Bereich um
1%.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die auch mit Wechselstrom
betrieben werden kann, sind in jedem Diodenzweig zwei gegenläufige Dioden
und in dem Transistorzweig zwei komplementäre Bipolartransistoren mit
zusätzlichen
Teiler-Dioden am Kollektor jeweils parallel angeordnet, die jeweils
Halbwellen-Zweige für
die positiven und negativen Halbwellen des Wechselstroms bilden.
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Die
Aufteilung in Halbwellen-Zweige ist notwendig, da die Schaltung
ansonsten in der negativen Halbwelle einfach sperren und kein Strom
fließen würde. Die
Funktionsweise bleibt gleich, wird jedoch auf die Halbwellen-Zweige
verteilt. Bei sehr hochfrequentem Wechselstrom kann jedoch die endliche
Reaktionszeit der Transistoren die Qualität und Stabilität der Stromsymmetrierung
beeinträchtigen.
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Daher
sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass in jedem Halbwellen-Zweig
ein Symmetrier-Widerstand und ein Kondensator parallel geschaltet
sind und dass jeweils die Kollektoren der Transistoren eines Schaltungszweigs
durch einen Rückkoppel-Widerstand
mit den entsprechenden Parallel schaltungen aus Widerstand und Kondensator
des anderen Schaltungszweigs verbunden sind.
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Bei
dieser Schaltung wird die Information über die Impedanzverhältnisse
der Stromzweige aus vorangegangenen Halbwellen gewonnen und dazu genutzt,
die Transistoren für
die darauffolgende Halbwelle vor-anzusteuern. Jeder Transistor erfährt sozusagen
im Voraus wie stark er den Strom in der kommenden Halbwelle in seinem
Zweig reduzieren muss.
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Dadurch
ist diese Schaltung für
die Verwendung mit hochfrequentem Wechselstrom besser geeignet.
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Eine
vorteilhafte Variante dieser Ausbildung sieht vor, dass in dem Dioden-Zweig
eines Schaltungszweigs zu jedem Kondensator ein Emitter-Widerstand
und eine Kollektor-Emitter-Strecke eines zusätzlichen Bipolartransistors
parallel geschaltet ist, dass die Basis über einen Widerstand mit dem
Emitter-Widerstand
verbunden ist und die Basis mit dem Rückkoppel-Widerstand verbunden ist. Der technische
Vorteil dieser Variante besteht darin, dass die Rückkoppelungswiderstände (Rfb)
größer gemacht werden
können
und dadurch die Präzision
der Symmetrierung gesteigert wird.
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Die
erfindungsgemäße Schaltung
ist rekursiv kaskadierbar, in dem anstelle einer Last eine weitere erfindungsgemäße Schaltung
eingesetzt wird. Ausgehend von einer Schaltung mit zwei Schaltungszweigen
ist so jede beliebige Anzahl an Schaltungszweigen möglich. Wird
beispielsweise eine Last durch eine Schaltung mit zwei Lasten ersetzt,
ergeben sich insgesamt drei parallele Lasten. Diese Kaskadierung
ist beliebig fortsetzbar.
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Eine
alternative Ausführung
der Erfindung sieht vor, dass eine gerade Anzahl an Schaltungszweigen
der erfindungsgemäßen Schaltung
in einer Ringtopologie miteinander kombinierbar sind.
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Nachfolgend
sind mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
Ausführung
der Erfindung zur Aufteilung eines Gleichstromes auf zwei Schaltungszweige,
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2 eine
Ausführung
zur Aufteilung eines Wechselstromes auf zwei Schaltungszweige,
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3 eine
Variante der 2, die für hochfrequente Wechselströme geeignet
ist,
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4 ein
Ausschnitt einer Schaltung gemäß der 3 mit
einer Erweiterung zur Vorentladung der Kondensatoren,
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5 einen
erfindungsgemäßen Symmetrierblock
basierend auf der 2,
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6 ein
Blockschaltbild zur Ansteuerung von zwei Lasten mittels Symmetrierblöcken,
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7 ein
Blockschaltbild zur Ansteuerung von vier Lasten mittels Symmetrierblöcken,
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8 ein
Blockschaltbild zur Ansteuerung von vier Lasten mittels Symmetrierblöcken in
einer Kaskadentopologie und
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9 ein
Blockschaltbild zur Ansteuerung von sechs Lasten mittels Symmetrierblöcken in
einer Ringtopologie.
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Die 1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung für
die Aufteilung eines Gleichstromes auf zwei parallele Schaltungszweige.
Im rechten Schaltungszweig sind ausgehend von der positiven Versorgungsspannung
in dieser Reihenfolge ein Diodenzweig mit einem Symmetrier-Widerstand
Rt1 und einer Diode D1, eine Last R1 und ein Transistorzweig mit
der Kollektor-Emitter-Strecke eines Bipolartransistors Q1 und einem
weiteren Symmetrier-Widerstand Rb1 in Reihe geschaltet. Die Last ist
mit dem Kollektor des Transistors Q1 verbunden. Der linke Zweig
ist komplementär
dazu aufgebaut, das heißt
die Reihenfolge der Bauteile ist umgekehrt und der Transistor Q0
ist ein komplementäres pnp-Modell
zu Q1.
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Weiterhin
ist die Basis von Q0 mit der Kathode der Diode D1 verbunden, sowie
die Basis des Transistors Q1 mit der Anode von D0. Zusätzlich sind die
Basen der beiden Transistoren Q0, Q1 über einen Widerstand Rm miteinander
verbunden.
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Dabei
können
die Widerstände
R0 und R1 verschiedene – mitunter
zeitlich auch variierende – Lastwiderstände sein,
beispielsweise Kaltkathodenröhren
einer Hintergrundbeleuchtung für
eine Flüssigkristallanzeige.
Die Funktion der Schaltung ist am besten verständlich, wenn man zunächst gedanklich den
Basis-Widerstand Rm entfernt. In dieser Situation sind beide Transistoren
Q0 und Q1 wegen fehlenden Basisstromes gesperrt und in keinem Lastwiderstand
R0, R1 fließt
Strom. Durch Einbringen eines großen aber endlichen Widerstandes
Rm kommt ein kleiner Stromfluss über
die Diodenzweige und Rm also über
die Strecke Rt1-D1-Rm-D0-Rb0 zustande.
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Der
daraus resultierende Spannungsabfall über Rt1 und D1 bewirkt ein
Potential an der Basis von Q0 und verursacht einen entsprechenden
Kollektorstrom in Q0, der Spannungsab fall über Rb0 und D0 erzeugt ein
Potential an der Basis von Q1 und einen entsprechenden Kollektorstrom
in Q1. Im Falle gleicher Widerstände,
Rb0 = Rb1 und Rt0 = Rt1, sind die Kollektorströme gleich groß wie die
Diodenströme.
Da sich die Kollektorströme
aber zu den Diodenströmen
addieren beginnt die Schaltung durch die positive Rückkopplung
zu driften bis ein Transistor die Sättigung erreicht und vollständig leitet.
Dies ist der Transistor im Zweig des höherimpedanten Lastwiderstandes.
Der Transistor im anderen, niederimpedanteren Stromzweig führt nun
seinen Kollektorstrom dem Diodenstrom vor seiner Basis nach. Dieser
Diodenstrom ist gleich dem Kollektorstrom im höherimpedanten Zweig plus dem
Strom über
Rm. Für die
Qualität
der Stromsymmetrierung ist ein großer Wert für Rm förderlich, weil dadurch der
Strom durch Rm klein wird, und somit der Kollektorstrom im niederimpedanteren
Zweig sich dem Strom im höherimpedanteren
annähert.
Rm wird zur Initiierung des Driftprozesses benötigt und ist typischerweise
zwei Größenordnungen
größer als
der größere Lastwiderstand.
Der Symmetrierfehler liegt dann typischerweise bei 1%.
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Durch
andere Verhältnisse
von Rb0 zu Rb1 und Rt0 zu Rt1 können
beliebige Verhältnisse
der Zweigströme
voreingestellt werden. Für
die praktische Anwendung besonders wichtig ist aber die gleichmäßige Aufteilung
(Symmetrierung).
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Die 2 zeigt
eine erfindungsgemäße Schaltung
für die
Aufteilung eines Wechselstroms auf zwei Schaltungszweige, die im
Wesentlichen der 1 entspricht.
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Im
rechten Zweig ist der Diodenzweig in einen positiven und negativen
Diodenzweig geteilt. Anstelle der Diode D1 sind zwei Dioden D1p
und D1n gegenläufig
gepolt parallel geschaltet, um beide Halbwellen des Wechselstromes
durchzuleiten. Analog ist der Transistorzweig in einen positiven
und negati ven Transistorzweig geteilt. Der Transistor Q1 ist durch
zwei parallel geschaltete, komplementäre Transistoren Q1p (npn) und
Q1n (pnp) ersetzt. Vor den Kollektoren sind jeweils zusätzliche
Dioden D1qp beziehungsweise D1qn ebenfalls zur Trennung der Halbwellen
angeordnet. Der linke Schaltungszweig ist analog dazu mit komplementären Transistoren
Q0p und Q0n mit Dioden D0qp beziehungsweise D0qn und den Dioden
D0n und D0p ausgestattet. An der grundsätzlichen Funktionsweise der
Schaltung ändert
sich dadurch nichts.
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Bei
hochfrequenten Wechselströmen,
beispielsweise bei Hintergrundbeleuchtungen mit Kaltkathodenröhren, kann
die endliche Reaktionszeit der Transistoren die Qualität und die
Stabilität
der Stromsymmetrierung negativ beeinträchtigen. Abhilfe kann hier
eine erfindungsgemäße Schaltung
gemäß der 3 schaffen.
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Bei
dieser Schaltung wird eine Information über die Impedanzverhältnisse
der Stromzweige aus vorangegangenen Halbwellen gewonnen und dazu genutzt,
die Transistoren für
die darauffolgende Halbwelle vor-anzusteuern. Jeder Transistor erfährt sozusagen
im Voraus wie stark er den Strom in der kommenden Halbwelle in seinem
Zweig reduzieren muss.
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Um
dieses Verhalten schaltungstechnisch zu erzielen, erhält zunächst jeder
Halbwellen-Zweig in jedem Stromzweig, das heißt positiver Diodenzweig, negativer
Diodenzweig, positiver Transistorzweig und negativer Transistorzweig,
einen eigenen Symmetrierwiderstand Rst. In diesem Beispiel sind
alle Symmetrierwiderstände
Rst gleich groß,
so dass eine 1 zu 1 Aufteilung des Stromes erfolgt. Weiterhin ist
zu jedem Symmetrierwiderstand Rst ein Symmetrierkondensator C parallel
geschaltet, der zudem über
einen Rückkoppelwiderstand
Rfb mit dem Kollektor des gegenpoligen Transistorzweiges des parallelen
Schaltungszweiges verbunden ist. Durch die Rückkoppelungswiderstände Rfb
werden die Symmetrierkondensatoren C im Diodenzweig D in Abhängigkeit
von der Kollektorspannung des Transistorzweigs T der entgegengesetzten
Polarität
vorentladen. Tritt beispielsweise während der positiven Stromhalbwelle
eine hohe Kollektorspannung am npn-Transistor Q0p, Q1p auf, wird
dadurch dem Symmetrierkondensator C im negativen Diodenzweig positive
Ladung zugeführt,
das heißt
der normalerweise negativ geladene Kondensator wird etwas entladen.
Bei der darauffolgendenen negativen Halbwelle bleibt der pnp-Transistor
Q0n, Q1n daher länger
hochohmig und reduziert den Strom im niederimpedanteren Stromzweig
effektiver. Durch den Wert von Rfb kann die Stärke dieser Rückwirkung
verändert
werden. Da über
Rfb aber auch Laststrom an den Symmetriertransistoren vorbeigeleitet
wird, verursacht diese Schaltung auch eine mit der Stärke der Rückwirkung
anwachsende Laststromdesymmetrierung.
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Dieser
nachteilige Effekt kann mit der in 4 dargestellten
Schaltung vermieden werden. Der Einfachheit halber ist in 4 nur
der untere Teil der Schaltung gezeigt, also der Diodenzweig D eines Schaltungszweiges
und der Transistorzweig T des parallelen Schaltungszweiges. Selbstredend
ist die obere Schaltungshälfte
genauso ausgebildet. Gegenüber
der 3 ist nur der Diodenzweig verändert. Parallel zu den Symmetrierkondensatoren
C sind jeweils die Kollektor-Emitter-Strecken der Bipolartransistoren Tssp,
Tssn mit je einem Kollektorwiderstand Re geschaltet. Der Emitter
ist direkt mit der Spannungsversorgung verbunden und der Kollektorwiderstand
Re ist mit dem Knoten zwischen der Diode und dem Kondensator C verbunden.
Weiterhin ist jeweils der Kollektorwiderstand Re ausgehend von diesem
Knoten über
einen Widerstand Rd mit dem entsprechenden Rückkoppelwiderstand Rfb verbunden.
Die Basen der Transistoren Tssp und Tssn sind jeweils ebenfalls
mit den Rückkoppelwiderständen Rfb
verbunden.
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In
dieser Schaltung bewirken nicht die Rückkoppelwiderstände Rfb
direkt die Vorentladung der Symmetrierkondensatoren C, sondern die
Transistoren Tssp und Tssn. Die Ströme durch die Widerstände Rfb
steuern lediglich diese Transistoren Tssp, Tssn und sind somit gegenüber der 3 drastisch verringert,
wodurch auch die Stromdesymmetrierung verringert wird.
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Die 5 zeigt
einen Symmetrierblock 1, der den Diodenzweig D eines Schaltungszweiges,
den Transistorzweig T des parallelen Schaltungszweiges und symbolisch
den halben Widerstand Rm/2 enthält.
Eine Schaltung für
zwei Lasten lässt
sich einfach durch aneinanderkoppeln zweier solcher Symmetrierblöcke 1 erstellen,
wobei eine Last jeweils mit dem Diodenzweig D eines Symmetrierblocks 1 und dem
Transistorzweig D des anderen Blocks 1 verbunden ist.
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Der
gezeigte Symmetrierblock 1 basiert auf der Schaltung in 2.
Selbstverständlich
kann ein Symmetrierblock 1 je nach Anwendung auch auf der Basis
der 1, 3 oder 4 aufgebaut
sein.
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Die 6 zeigt
in einem Blockschaltbild die Verschaltung von zwei Symmetrierblöcken 1 für zwei parallele
Kaltkathodenröhren 3 an
einem Transformator 2. Jeder Symmetrierblock 1 ist
mit einem Pol des Transformators 2 verbunden.
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In 7 ist
die Verschaltung von vier parallelen Kaltkathodenröhren 3 gezeigt.
Zwei der parallelen Symmetrierblöcke 1 sind
untereinander direkt verbunden, während die anderen zwei Symmetrierblöcke 1 jeweils
mit einem Pol des Transformators 2 verbunden sind.
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Die 8 zeigt
exemplarisch mit vier Kaltkathodenröhren 3 die Verschaltung
von beliebig vielen Röhren
in einer Kaskadentopologie. In einer Schaltung mit zwei parallelen
Schaltungszweigen kann jede Last durch eine weitere erfindungsgemäße Schaltung
mit zwei Schaltungszweigen ersetzt werden. Durch rekursives Ersetzen
beliebig vieler Lasten kann so jede Anzahl an Kaltkathodenröhren 3 angesteuert
werden.
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Bei
sehr vielen Schaltungszweigen steigt jedoch der schaltungstechnische
Aufwand überproportional
an, da jedes Paar Symmetrierblöcke 1 von
einem übergeordneten
Symmetrierblock 1 angesteuert wird.
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Alternativ
können
mehrere Kaltkathodenröhren 3 daher
auch in einer Ringtopologie zusammengeschaltet werden, wie sie in 9 am
Beispiel mit 6 Zweigen dargestellt ist. Die Symmetrierblöcke 1 sind jeweils
für zwei
Lasten ausgelegt und daher paarweise angeordnet. Daraus ergibt sich
auch, dass nur eine gerade Anzahl an Lasten ansteuerbar ist. Jede Last
ist immer an zwei Symmetrierblöcken 1 angeschlossen,
die jedoch zu unterschiedlichen Paaren gehören. Dadurch bilden alle Komponenten
einen geschlossenen Ring.
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Bei
dieser Anordnung sind jeweils nur so viele Symmetrierblöcke 1 notwendig
wie Lasten angesteuert werden sollen. Dadurch ist diese Schaltungsform
wesentlich effizienter und kostengünstiger als die Kaskadentopologie.
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Es
ist jedoch auch möglich
beide Topologien zu mischen. Um beispielsweise in einer Ringtopologie
eine ungerade Anzahl an Lasten anzusteuern, kann eine Last rekursiv
durch eine Schaltung mit zwei Schaltungszweigen ersetzt werden.
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- V+
- Gleichstromquelle
- R0,
R1
- Last
- D0,
D1
- Dioden
(Diodenzweig)
- Q0,
Q1
- Transistoren
(Transistorzweig)
- Rt0,
Rb0
- Symmetrierwiderstände (linker Zweig)
- Rt1,
Rb1
- Symmetrierwiderstände (rechter Zweig)
- Rm
- Basis-Widerstand
- Vac
- Wechselstromquelle
- Rst
- Symmetrierwiderstand
- D0p,
D1p
- Dioden
(positiver Diodenzweig)
- D0n,
D1n
- Dioden
(negativer Diodenzweig)
- D0qp,
D1qp
- Dioden
(positiver Transistorzweig)
- D0qn,
D1qn
- Dioden
(negativer Transistorzweig)
- Q0p,
Q1p
- Transistoren
(positiver Transistorzweig)
- Q0n,
Q1n
- Transistoren
(negativer Transistorzweig)
- C
- Symmetrierkondensator
- Rfb
- Rückkoppelwiderstand
- Re
- Emitterwiderstand
- Rd
- Widerstand
(Diodenzweig)
- Tssp,
Tssn
- Transistoren
(Diodenzweig)
- T
- Transistorzweig
- D
- Diodenzweig
- 1
- Symmetrierblock
- 2
- Transformator
- 3
- Kaltkathodenröhre