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Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter nach der Beschreibung
z. B. in der britischen Patentschrift GB-A-2 117 192 für die Versorgung einer
Gasund/oder Dampfentladungslampe, wobei dieser Wechselrichter zwei Eingangsklemmen
besitzt, die über eine Reihenschaltung aus wenigstens zwei Halbleiterschaltelementen
mit einer Steuerschaltung miteinander verbunden sind, wobei eines der
Halbleiterschaltelemente eine Schaltung mit einer Reihenschaltung aus einem
Kondensator, der Lampe und einer Induktivität im Betriebszustand darstellt, und die
Reihenschaltanordnung mit zwei Gleich-richtem versehen ist, wobei der Lampe im
Betriebszustand ein Wechselstrom durchfließt, der eine Gleichrichter zum ersten
Halbleiterschaltelement parallelgeschaltet ist, und der andere Gleichrichter zum zweiten
Halbleiterschaltelement parallelgeschaltet ist, und die Kathoden der Gleichrichter mit
jener Elektrode des Halbleiterschaltelements verbunden sind, die im Betrieb die höchste
Spannung führt.
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Ein anderer bekannter Wechselrichter wird beispielsweise in der
europäischen Patentschrift EP 63 284 beschrieben (Fig. 8). Dieser Fall bezieht sich auf
den Zustand mit nicht abgeblendeter Lampe. In diesem bekannten Wechselrichter leiten
die Halbleiterschaltelemente den Lampenstrom im Betriebszustand abwechselnd weiter,
wobei dieser zeitlich aufgetragene Strom wenigstens nahezu eine Rechteckschwankung
aufweist.
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Ein Nachteil dieses bekannten Wechselrichters ist, daß ein drittes
Halbleiterschaltelement vorgesehen ist, das ebenfalls den Lampenstrom im
Betriebszustand weiterleitet. Dieses zusätzliche Schaltelement in der Schaltung, die der
Lampenstrom durchfließt, macht diesen Wechselrichter komplizierter.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter der
eingangs erwähnten Art zu schaffen, in dem die vom Lampenstrom durchflossene
Schaltung verhältnismäßig einfach ist.
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Erfindungsgemäß ist ein Wechselrichter für die Versorgung einer
Gasund/oder Dampfentladungslampe der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerschaltung ein Steuerschaltelement mit zwei Betriebszuständen enthält, im
ersten Betriebszustand das zweite Element bei einer hohen Frequenz abwechselnd
aufsteuert und sperrt, wenn das erste Schaltelement nicht leitet, und im zweiten
Betriebszustand bei einer hohen Frequenz wiederholt das erste Schaltelement aufsteuert
und sperrt, wenn das zweite Schaltelement gesperrt ist, und der zeitlich aufgetragene
Strom wenigstens nahezu eine Rechteckschwankung aufweist.
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Ein Vorteil dieses Wechselrichters besteht darin, daß die vom
Lampenstrom durchflossene Schaltung im Betriebszustand verhältnismäßig einfach
ausgeführt sein kann.
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Es sei bemerkt, daß die Versorgung einer Gas- und/oder
Dampfentladungslampe mit einem Wechselstrom, der zeitlich aufgetragen wenigstens nahezu eine
Rechteckschwankung bei einer niedrigen Frequenz besitzt (beispielsweise im Bereich
über etwa 40 Hz), mehrere weitere Vorteile bietet. Wenn beispielsweise eine
Niederdrucknatriumdampfentladungslampe auf diese Weise, mittels eines
Wechselrichters nach der Erfindung, versorgt wird, erhält man einen hohen
spezifischen Lichtstrom, der zu einem verhältnismäßig sehr hohen Lumen-per-Watt-
Wert der Kombination des Wechselrichters und der damit verbundenen Lampe vom
letztgenannten Typ führt.
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Wenn beispielsweise eine Hochdruckmetalldampfentladungslampe auf
oben beschriebene Weise versorgt wird, gibt es den Vorteil, daß die Lampe in guter
Annäherung einen Verbrauch mit einem im wesentlichen konstanten momentan Wert
aufweist, so daß Neuzündungsspitzen im Vergleich zu einem Niederfrequenzsinusstrom
(nahezu 50 Hz) weitgehend unterdrückt werden. Die Lampe besitzt dabei eine hohe
Wirksamkeit.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das erste und das
zweite Halbleiterschaltelement des Wechselrichters nicht nur dazu dienen, dem Strom
durch die Lampe den Niederfrequenzwechselstromcharakter zu geben, sondern auch die
Rechteckform dieses Stroms mittels dieser Elemente zu verwirklichen. Diese Aufgabe
wird u. a. durch das Schaltelement in der Steuerschaltung der beiden
Halbleiterschaltelemente verwirklicht.
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Mit Hilfe der Gleichrichter, die erfindungsgemaß mit den betreffenden
Schaltelementen mit Gleichrichtfunktion in Antiparallelschaltung angeordnet sind, läßt
sich im Betriebszustand folgendes erzielen.
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Wenn das erste Schaltelement gesperrt ist, durchfließt der
Lampenstrom unter Beibehaltung seiner Richtung abwechselnd das leitende zweite
Schaltelement und den Gleichrichter (den ersten Gleichrichter), der mit dem ersten
Schaltelement in Antiparallelschaltung angeordnet ist. Der Induktivitätsbetrieb bewirkt
den Start des Stromdurchflusses durch diesen Gleichrichter, d. h. wenn das zweite
Schaltelement gesperrt wird.
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Der vorgenannte Lampenstromfluß durch das zweite Schaltelement
bzw. durch den ersten Gleichrichter wird mehrmals wiederholt.
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Das Schaltelement in der Steuerschaltung der beiden
Halbleiterschaltelemente geht dann in den anderen Betriebszustand über, d. h. in den zweiten
Betriebszustand. Dies verursacht den Richtungswechsel des Stroms durch die Lampe.
Faktisch fließt der Lampenstrom dabei abwechselnd durch das leitende erste
Schaltelement und durch den Gleichrichter (den zweiten Gleichrichter), der zum
zweiten Schaltelement antiparallelgeschaltet ist. Der Induktivitätsbetrieb bewirkt
wiederum den Start des Stromflusses durch diesen Gleichrichter. Auch der
letztgenannte abwechselnde Stromfluß wird mehrmals wiederholt. Danach kehrt das
Schaltelement der Steuerschaltung in den ersten Betriebszustand zurück, usw.
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Tatsächlich wird der momentane Strom durch die Lampe größer,
wenn dieser Strom auch einem der leitenden Schaltelemente durchfließt. Der
momentane Strom durch die Lampe sinkt, wenn dieser Strom in einer folgenden Zeit
ebenfalls-einem der in Antiparallelschaltung angeordneten Gleichrichter durchfließt.
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Die ungefahre Rechteckschwankung im Lampenstrom erreicht man
durch wiederholtes Aufsteuern des zweiten Halbleiterschaltelements, wenn der Strom
durch den ersten Gleichrichter noch nicht auf Null gefallen ist, und durch wiederholtes
Aufsteuern des ersten Halbleiterschaltelements, wenn der Strom durch den zweiten
Gleichrichter noch nicht auf Null gefallen ist. Dies wird beispielsweise ,durch die Wahl
einer ausreichend großen Kapazität des Kondensators und durch Verwendung einer
Frequenz über etwa 40 Hz ermöglicht. (Bei niedrigeren Frequenzen wird die Kapazität
des Kondensators für eine praktische Verwirklichung zu groß).
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Der rechteckförmige Wechselstromcharakter des Lampenstroms wird
mit dem Schaltelement in der Steuerschaltung der beiden Schaltelemente mit einer
Gleichrichtfunktion erhalten.
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Es sei bemerkt, daß die Versorgung einer Entladungslampe,
beispielsweise einer Niederdrucknatriumdampfentladungslampe mit einem nahezu
rechteckigen Strom bei einer niedrigen Frequenz (über etwa 40 Hz) an sich bekannt ist,
beispielsweise aus GB 1 490 176. Siehe insbesondere Fig. 2. Ein Nachteil dieser
bekannten Versorgung ist jedoch, daß elektrische Verluste in einem die Lampe
nebenschließenden Widerstand auftreten. Faktisch bewirkt dies, daß der Lumen/Watt-
Wert dieser bekannten elektrischen Anordnung verhältnismäßig klein ist.
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Die Eingangsklemmen des Wechselrichters können durch einen
folgenden Kondensator miteinander verbunden werden. Auch ist es möglich, den
Wechselrichter als eine volle Halbbrückenschaltung auszubilden. In diesem Fall werden
die Eingangsklemmen des Wechselrichters mittels einer Reihenschaltung des
Kondensators und eines zusätzlichen Kondensators miteinander verbunden, wobei diese
Kondensatoren etwa den gleichen Kapazitätswert besitzen. Die Reihenschaltung u. a. der
Induktivität und der Lampe stellt dabei den zentralen Zweig dieser
Halbbrückenschaltung dar.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Wechselrichters wird ein Eingang der Steuerschaltung mit einem Widerstand
verbunden, der ein Teil der Reihenschaltung ist, die auch die Induktivität umfaßt.
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Ein Vorteil dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels ist, daß der
Widerstand als Meßwiderstand verwendbar ist, so daß die Halbleiterschaltelemente
umschaltbar sind, wenn der momentane Strom durch den Widerstand und daher der
momentane Lampenstrom einen Grenzwert erreicht. Der Wert des Lampenstroms kann
dabei unter Kontrolle gehalten werden.
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In einem bevorzugten weiteren Ausführungsbeispiel eines
Wechselrichters nach der Erfindung besitzt das Schaltelement auch einen
Anfangszustand, in dem die Steuerschaltung die zwei Halbleiterschaltelemente
abwechselnd leitend macht, und in dem die Lampe von einem weiteren Kondensator
nebengeschlossen wird.
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Ein Vorteil dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels ist, daß zum
Zünden der Entladung der Lampe einfach eine höhere Spannung zugeführt werden
kann. Der Grund dazu ist, daß ein gewisses Maß der Resonanz in der Schaltung
verwirklichbar ist, die den weiteren Kondensator und den bereits erwähnten Induktivität
enthält. Diese höhere Spannung sorgt dafür, daß die Lampe auf zuverlässige Weise
startet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit weiteren
Einzelheiten anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 einen Wechselrichter nach der Erfindung, eine Speiseschaltung
für diesen Wechselrichter sowie eine zu zündende und von diesem Wechselrichter
versorgte Entladungslampe,
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Fig. 2 eine schematische graphische Darstellung des momentanen
Stroms durch die Lampe, aufgetragen gegen die Zeit.
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In Fig. 1 enthält die Versorgungsschaltung zwei Eingangsklemmen 1
und 2 zum Verbinden mit einer Wechselspannungsquelle von 220 V, 50 Hz. Eine
Gleichrichterbrücke 3 mit vier Dioden (4 . . . 7) wird mit diesen Klemmen 1 und 2
verbunden. Eine Ausgangsklemme der Gleichrichterbrücke 3 ist mit einer ersten
Eingangsklemme (A) des Wechselrichters verbunden. Eine zweite Ausgangsklemme der
Gleichrichterbrücke 3 wird mit einer Eingangsklemme (B) des Wechselrichters
verbunden.
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Jetzt folgt die Beschreibung des Wechselrichters. Die Klemmen A und
B werden über einen Kondensator 8 miteinander verbunden. Der Kondensator 8 wird
von einer Reihenschaltung aus zwei im wesentlichen identischen Widerständen 9 und 10
nebengeschlossen.
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Die Klemmen A und B werden ebenfalls über eine Reihenschaltung
aus einem ersten Halbleiterschaltelement 11 und einem zweiten Halbleiterschaltelement
12 miteinander verbunden. Diese Schaltelemente sind Transistoren vom MOS-Typ.
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Die Transistoren 11 und 12 werden derart miteinander verbunden, daß
die Quellenelektrode des Transistors 11 mit der Abzugselektrode des Transistors 12
verbunden ist.
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Ein erster Gleichrichter 13 wird zum Transistor 11 parallelgeschaltet.
Ein zweiter Gleichrichter wird zum Transistor 12 parallelgeschaltet.
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Das zweite Halbleiterschaltelement, der Transistor 12, stellt eine
Schaltung mit einer Reihenschaltung aus einem Meßwiderstand 15, einem Kondensator
16, einer kompakten Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe 17 und einer
Induktivität 18 in Form einer Spule dar. Die Lampe 17 wird mit einem weiteren
Kondensator 19 nebengeschlossen.
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Jetzt folgt die Beschreibung einer Steuerschaltung für die Transistoren
11 und 12. Zum größten Teil ist diese Schaltung in einem Blockschaltbild nach Fig. 1
dargestellt.
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Ein Knotenpunkt (D) zwischen den Widerständen 9 und 10 wird mit
einer Eingangsklemme eines Hysteresekomparators 20 verbunden. Ein Knotenpunkt (E)
zwischen dem Kondensator 16 und der Lampe 17 wird mit einer zweiten
Eingangsklemme des Komparators 20 verbunden. Eine Ausgangsklemme des
Komparators 20 wird mit einer Eingangsklemme eines Schaltelements 21 verbunden.
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Weiter sind die Ausläufer des Meßwiderstandes 15 mit einem
Hilfsspannungsabtastelement 22 zum Bestimmen des Absolutwertes der Spannung V&sub1;&sub5;
über diesen Meßwiderstand verbunden. Letztgenannte Spannung ist in etwa ein Maß
für den Absolutwert des Stromes durch die Lampe 17.
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Ein Ausgang des Hilfselements 22 ist an eine Eingangsklemme eines
Impulsbreitenmodulators 23 angeschlossen. Eine Eingangsklemme 24 des Modulators
ist mit einer ersten Bezugsspannung C (Ref. 1) verbunden.
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Die am Punkt D (zwischen 9 und 10) im Betriebszustand dieser
elektrischen Anordnung vorhandene Spannung wird mit zweiter Bezugsspannung (Ref.
2) bezeichnet. Die Spannung am Punkt E (zwischen 16 und 19) führt zur anderen
Eingangsklemmen des Komparators 20. VE ist der "gemessene Wert". Der Komparator
vergleicht jedesmal VE mit VD (die Bezugsspannung).
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Die Bezugsziffer 25 bezieht sich auf einen Sägezahnoszillator. Eine
Eingangsklemme 26 des Oszillators 25 ist über einen Schalter 27 mit Masse verbunden.
Eine Ausgangsklemme 28 des Oszillators 25 ist mit einer Eingangsklemme des
Impulsbreitenmodulators 23 verbunden.
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Die Klemme 26 ist ebenfalls sowohl mit einer folgenden
Eingangsklemme 29 des Modulators 23 als auch mit einer folgenden Eingangsklemme 30
des Schaltelements 21 verbunden.
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Eine Ausgangsklemme 31 des Impulsbreitenmodulators 23 ist an eine
Eingangsklemme 32 des Schaltelements 21 angeschlossen.
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Die Bezugsziffer 23 bezieht sich auf eine Steuerschaltung für den
Transistor 12. Die Bezugsziffer 34 bezieht sich auf eine Steuerschaltung für den
Transistor 11. Eine Ausgangsklemme des Schaltelements 21 ist an eine Eingangsklemme der
Steuerschaltung 33 angeschlossen. Eine folgende Ausgangsklemme des Schaltelements
21 ist mit einer Eingangsklemme der Steuerschaltung 34 verbunden. Eine
Hilfsschaltung 35 liegt zwischen der Steuerschaltung 34 und dem Transistor 11. Diese
Hilfsschaltung 35 ist mit einem Transformator 36 mit elektrisch isolierten Wicklungen
versehen. Dieser Transformator dient zum Erhalten einer elektrischen Isolierung der
Steuerspannungen für die beiden Transistoren (11 und 12). Eine Reihenschaltung von
zwei einander gegenüber verbundener Zenerdioden 38 und 39 liegt in der
Sekundarwicklung des Transformators 36. Diese Reihenschaltung dient zum Verhindern
zu hoher Spannungen zwischen der Steuerelektrode und der Quelle des Transistors 11.
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Die beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt. Im einen
Betriebszustand (dem sog. zweiten Betriebszustand) ist der Transistor 12 abgeblockt. Der
Transistor 11 ist dabei einige Male leitend und wieder abgeblockt. Während der
Leitungszustände dieses Transistors 11 fließt ein Strom vom Kondensator 8, der über
die Diodenbrücke 3 aufgeladen wird, über den Transistor 11, die Spule 18, die Lampe
17, den Kondensator 16 und den Meßwiderstand zur anderen Elektrode des
Kondensators 8. Während der Blockierungszustände des Transistors 11 hält der Strom
durch die Reihenschaltung 18, 17, 16, 15 seine Richtung bei. Jedoch durchfließt dieser
Strom dabei auch den Gleichrichter 14. Dies ist die Folge der Wirkung der Spule 18.
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Die vorgenannten Ströme laden den Kondensator 16 auf.
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Im anderen Betriebszustand (dem sog. ersten Betriebszustand) wird
der Transistor 11 abgeblockt. Der Transistor 12 wird dabei einige Male leitend und
wieder abgeblockt. Während der Leitungszustände des Transistors 12 entlädt sich der
Kondensator 16 über die Lampe 17, die Spule 18, den Transistor 12 und den
Meßwiderstand 15. Der Strom durch die Lampe 17 hat dabei auch seine Richtung
gewechselt.
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Während der Blocklerungszustände des Transistors 12 geht die
Entladung des Kondensators 16 weiter. Diese erfolgt über die Lampe 17, die Spule 18,
den Gleichrichter 13 und den Meßwiderstand 15.
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Mit Hilfe des Schaltelements 21 in der Steuerschaltung der
Transistoren 11 und 12 erfolgt regelmäßig einen Wechsel in den anderen
Betriebszustand. Dies führt zu einem Wechselstrom durch die Lampe 17. Da der
momentane Lampenstrom einen bestimmten Pegel in einem Betriebszustand
aufrechterhält, ist der Lampenstrom wenigstens annähernd rechteckförmig.
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Das Schaltelement empfangt einige Eingangssignale. Zunächst
bestimmt eine Änderung von VE-VD am Eingang des Komparators 20 über den Ausgang
von 20, ob der Kondensator 16 aufgeladen oder entladen werden muß. Dies bedeutet
ebenfalls, daß das Schaltelement 21 Information, über den Komparator 20, erhalten
muß, ob der zweite Betriebszustand oder der erste Betriebszustand zu verwirklichen ist.
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Die Schaltungselemente 22, 23 und 25 geben Information über das
erforderliche Verhältnis zwischen der Leitzeit und der Blocklerungszeit in einer Periode
des betreffenden Transistors (11 oder 12) weiter. Dies gibt die Möglichkeit, u. a. den
Höchstwert des momentanen Lampenstroms unter Kontrolle zu halten.
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Um dies zu verwirklichen, liefert der Oszillator 25 ein Signal mit
einer Frequenz f1 zum Impulsbreitenmodulator 23, wenn der Schalter 27 offen steht.
Weiter wird die Spannung am Ausgang des Hilfselements 22 mit Ref. 1 an der
Eingangsklemme 24 verglichen. Mit Hilfe dieser Information wird f1 über die
Klemmen 31 und 32 mit einer derartigen Impulsbreite weitergeleitet, daß ein gegebener
momentaner Höchstwert des Lampenstroms aufrechterhalten wird.
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Wie bereits angegeben, kehrt der Strom durch die Lampe seine
Richtung durch die Wirkung des Komparators 20 um. Der Lampenstrom wird in einem
Betriebszustand über die Elemente 22, 23 und 25 stabilisiert.
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In Fig. 2 ist der momentane Lampenstrom i gegen die Zeit t
aufgetragen.
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Beim Starten der Lampe 17 vor dem Erreichen des Betriebszustandes
schließt sich der Schalter 27. Der Oszillator 25 liefert dann ein Signal mit einer
Frequenz f2. Dieses Signal wird als symmetrischen Impuls weitergeleitet, d. h. mit
einer Impulsbreite von 50% zum Schaltelement 21. Das Ergebnis ist, daß in diesem
Startzustand die Transistoren 11 und 12 für einen gleichlangen Zeitraum abwechselnd
aufgesteuert werden. Die Frequenz f2 ist deshalb gewählt, die Resonanzfrequenz des
Kondensators 19 und der Spule 18 anzunähern. Dies ergibt eine verhältnismäßig hohe
elektrische Spannung an der Lampe 17 beim Starten. Diese Lampe 17 zündet dabei
leicht.
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In einem praktischen Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement 21 aus
einer Anzahl von Standardlogikschaltungen zusammengesetzt (beispielsweise CMOS HE
4000 B entsprechend der Beschreibung im Philips Datenhandbuch IC 04, 1986).
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Die Steuerschaltungen 33 und 34 sind untereinander im wesentlichen
gleich und sind von einem Typ nach der Beschreibung im genannten Handbuch. Die
Elemente 20, 22, 23, 25, 21, 33, 34 können als integrierte Schaltung ausgebildet
werden.
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In einem derartigen Fall hat der Kondensator 8 einen Wert von
ungefähr 100 uF, der Kondensator 16 einen Wert von ungefähr 47 uF, und der
Kondensator 19 einen Wert von ungefähr 28 nF, und beträgt der Wert der Spule 18
ungefähr 15 mH.
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Die Startfrequenz f2 beträgt ungefähr 8 kHz.
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Die Betriebsfrequenz f1 beträgt ungefähr 80 kHz. Durch die Hysterese
führt dies zu einer Rechteckstromfrequenz des Lampenstroms von ungefähr 100 Hz,
d. h. zu einer Frequenz über 40 Hz.
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Es sei bemerkt, daß in einem möglichen weiteren Ausführungsbeispiel
ein Steuersignal für ein Halbleiterschaltelement mit einer Gleichrichtfunktion keine
Auswirkung hat zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Strom noch den Gleichrichter
durchfließt, der parallel zu diesem Schaltelement angeordnet ist.
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Ein Vorteil der beschriebenen Schaltung ist, daß den Schaltelementen
11 und 12 ausgenommen keine weiteren Schaltelemente vorgesehen sind, die im
Betriebszustand vom Strom der Lampe 17 durchflossen werden.
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Die Gleichspannung zwischen den Punkten A und B können ebenfalls
einer Hilfseinrichtung zugeführt werden, die aus einer Batterie oder einem Fahrzeug,
beispielsweise einem PKW, gespeist wird.