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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Übertragung einer Information über eine
Wechselstromspeise- bzw. -versorgungsleitung einer Verbraucherlast
mit kapazitiver Eingangsimpedanz. Die Erfindung betrifft näherhin die Übertragung
einer Betriebsvorschrift bzw. -steuergröße an eine Schaltung zur Speisung
bzw. Stromversorgung einer Verbraucherlast aus einer durch Gleichrichtung
einer Wechselspannung erhaltenen annähernden Gleichspannung.
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1 zeigt
in sehr schematischer Weise die elektrische Schaltverbindung eines
Systems 1 zur Speisung bzw. Stromversorgung einer Verbraucherlast 2 (Q)
ausgehend von einer Wechselspannung Vin, wobei das System mit einer
Gleichrichtbrücke 5 für die Spannung
Vin und mit einer Schaltung 4 zur Speisung bzw. Stromversorgung
der Verbraucherlast 2 auf der Grundlage einer annähernden
Gleichspannung Vout versehen ist. Die Spannung Vout wird an den
Anschlüssen
eines Kondensators C abgenommen, der eine gleichgerichtete Ausgangswechselspannung
der Brücke 5 zugeführt erhält.
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Die
Eingangsspannung Vin des Systems 1 ist eine Wechselspannung,
die beispielsweise von einer Änderungsvorrichtung
(Variator) 3 einer Speise- bzw. Versorgungswechselspannung Vac,
beispielsweise der Netzspannung, herkommt.
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Wenn
man die Speise- bzw. Versorgungsleistung einer Verbraucherlast mit
Ohm'scher Eingangsimpedanz
zu variieren wünscht,
verwendet man im allgemeinen einen Variator mittels Phasenwinkel
oder mittels Phasenwinkelanschnitt, zur Modulation der an die Verbraucherlast 2 übertragenen Leistung.
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Wenn
ein derartiger Phasenwinkel-Variator sich gut für Anwendungen eignet, in welchen
die Verbraucherlast 2 vom Ohm'schen Typ ist und keine Speisung bzw.
Versorgung auf der Grundlage einer Gleichspannung erfordert, im
Gegensatz zu dem in 1 dargestellten, so stellt ein
derartiger mittels Phasenwinkel arbeitender Variator vor mehrfache Probleme
im Falle einer Verbraucherlast mit kapazitiver Eingangsimpedanz.
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Ein
erstes Problem ist, dass – damit
die Phasenwinkeländerung
sich in eine Änderung
der Leistung der Verbraucherlast 2 übersetzt – die annähernde Gleichspannung Vout
den an die Phasenwinkeländerung
geknüpften
Leistungsänderungen
folgen muss. Daraus ergibt sich, dass sich für die zur Speisung bzw. Stromversorgung
der Verbraucherlast 2 dienende Schaltung 4 eine Änderung
ihrer eigenen Speisung bzw. Stromversorgung ergibt, was Funktionsstörungen infolge
der Stromversorgungsbedürfnisse
der Bauteile dieser Schaltung 4 hervorrufen kann. Falls
beispielsweise die Schaltung 4 einen Wandler mit Anschnittumschaltung
zur Speisung einer aus einer Fluoreszenzlampe bestehenden Verbraucherlast 2 darstellt,
beeinträchtigt
eine Variation der Spannung Vout die richtige Funktions- und Betriebsweise
des Wandlers mit Anschnittsteuerung.
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Außerdem hat
eine Anschnittumschaltung in der Ladezone eines die Eingangsimpedanz
bildenden Kondensators einen hohen Effektivstrom zur Folge, was
nicht erwünscht
ist.
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Daher
verwendet man für
Verbraucherlasten mit einer kapazitiven Eingangsimpedanz herkömmlicherweise
andere Mittel als Änderung
mittels Phasenwinkel zur Einwirkung auf den Betrieb des Systems 1.
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In
einer herkömmlichen
Schaltung 4, wie sie in 1 wiedergegeben
ist, erfolgt die Leistungsvariierung im allgemeinen auf der Grundlage
einer analogen Niederspannungs-Eingangsgröße E der Schaltung 4.
Das an dem Anschluss E angelegte Signal dient beispielsweise bei
Anwendung auf eine Fluoreszenzlampe zur Modifizierung der Frequenz
des durch den Wandler mit Anschnittsteuerung gelieferten Wechselstroms
derart, dass sich die Lichtintensität ändert. Dieser Anschluss E zur
Steuerung einer Abstufung der Lichtintensität ist zur Steuerung durch einen
externen Variator 3 bestimmt, welcher eine im allgemeinen
zwischen 0 und 5 V liegende und zu der gewünschten Lichtintensität proportionale
Steuerspannung festlegt.
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Ein
Hauptnachteil dieser Variationslösung besteht
in der Notwendigkeit, über
eine Niederspannungsverbindung zwischen dem System 1 zur
Steuerung der Verbraucherlast 2 (hier eine Fluoreszenzlampe)
und einem im allgemeinen entfernt gelegenen mechanischen Potentiometer-Schalter
(Variator 3) verfügen
muß. Wie 1 veranschaulicht,
muss man zusätzlich
zu den beiden Leitern 8, 9 (Phasen- und Neutral-Leiter)
der Wechselstromversorgung Vin tatsächlich zwei Niederspannungsleiter
(gestrichelt angedeutete Verbindungen 7) zwischen einem
eine Abstufungsvorrichtung enthaltenden Schalter 3 und dem
elektronischen Steuersystem 1 für die Verbraucherlast 2 vorsehen.
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Eine
andere herkömmliche
Lösung
zur Übertragung
einer Vorgabe- bzw. Steuergröße für die Lichtintensität an eine
Schaltung 4 zur Steuerung der Stromzufuhr an die Verbraucherlast
besteht in der Vornahme einer Modulation des Trägerstroms, d. h. in einer Modulation
des Speise- bzw. Versorgungswechselstroms durch ein Hochfrequenzsignal,
welches die Lichtintensitäts-Vorgabe-
bzw. -Steuergröße überträgt. Eine
derartige Lösung
erfordert auf Seiten der Gradations- oder Abstufungsvorrichtung 3 ein (nicht
dargestelltes) System zur Modulation des Trägerstroms für die Übertragung der Vorgabe- bzw. Steuergröße und auf
Seiten des Systems 1 einen (nicht dargestellten) Demodulator
mit der Aufgabe, die Vorgabe- bzw. Steuergröße für die Leistung der Wechselstromversorgung
zu extrahieren.
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Eine
derartige Lösung
besitzt den Vorteil, dass sie den Rückgriff auf eine zusätzliche
Leitungsverbindung 7 erübrigt.
Jedoch hat sie den Nachteil, dass sie in der Ausführung besonders
komplex und kostspielig ist.
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Die
vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer neuen Lösung für die Übertragung einer
Vorgabe- bzw. Steuergröße an eine
Stromversorgungsschaltung für
eine Verbraucherlast, welche die Nachteile der bekannten Lösungen vermeidet.
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Die
Erfindung bezweckt insbesondere die Schaffung einer einfachen Lösung, welche
keine zusätzliche
Leitungsverbindung zwischen dem Steuerelement (dem Variator 3)
und der Speise- bzw. Stromversorgungsschaltung für die Verbraucherlast erfordert.
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Die
Erfindung bezweckt näherhin
die Schaffung eines Systems zur Gewinnung und Erfassung einer Vorgabe-
bzw. Steuergröße, welche
von einer Variation mittels Phasenwinkelanschnitt einer Speise-
bzw. Versorgungs-Wechselspannung
herrührt, innerhalb
einer Schaltung zur Speisung bzw. Stromversorgung der Verbraucherlast
auf der Grundlage einer durch Gleichrichtung dieser Wechselspannung erhaltenen
annähernden
Gleichspannung.
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Allgemeiner
gesprochen betrifft die vorliegende Erfindung die Schaffung eines Übertragungssystems,
welches die Übertragung
einer beliebigen analogen Vorgabe- bzw. Steuergröße gestattet, unter Verwendung
der Speise- bzw. Versorgungs-Wechselspannung als Träger für die Übertragung
und ohne dass ein Rückgriff
auf ein Emissions/Empfangs-System mittels Hochfrequenzmodulation
erforderlich wird.
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Zur
Erreichung dieser Ziele sieht die vorliegende Erfindung vor die
Schaffung einer Stromversorgungsschaltung für eine Verbraucherlast auf
der Grundlage einer durch Gleichrichtung einer Wechselspannung erhaltenen
annähernden
Gleichspannung, wobei die Schaltung umfasst: Mittel, um aus der gleichgerichteten
Wechselspannung eine Information in Gestalt einer Funktion einer Änderung
des Phasenwinkels der Wechselspannung zu ge-winnen, sowie ein Mittel,
um die annähernde
Gleichspannung für
die Stromversorgung der Last unabhängig von der genannten Phasenwinkeländerung
der Wechselspannung zu machen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die genannte gleichgerichtete Wechselspannung
zwischen zwei Anschlüssen,
einem positiven und einem negativen, geliefert, wobei die Schaltung
umfasst: ein Element mit unidirektionaler Leitfähigkeit zwischen dem positiven
Anschluss und einem ersten Anschluss eines Kondensators, an dessen
Anschlüssen
die annähernde
Gleichspannung für
die Stromversorgung der Verbraucherlast abgenommen wird, sowie zwischen
dem genannten positiven und negativen Anschluss eine Spannungsteilerbrücke, welche
eine der gleichgerichteten Spannung proportionale Niedrigspannung
liefert.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Schaltung ein Mittel zur Integration
der niedrigen Gleichrichtspannung auf, zur Bildung einer niedrigen
Analogspannung als Funktion des Phasenwinkels der Wechselspannung.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Änderung des
Phasenwinkels der Wechselspannung höchstens über eine halbe Halbperiode
und außerhalb
der Aufladungsperioden des Kondensators erfolgt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die genannte Information
eine Betriebsvorgabe für
einen zur Steuerung der Verbraucherlast bestimmten Energiewandler
ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Phasenwinkeländerung
der Wechselspannung zwischen 50 % und 100 % mittels eines Variators
mit Phasenwinkelanschnitt erfolgt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Verbraucherlast eine Fluoreszenzlampe ist.
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Die
Erfindung sieht des weiteren vor ein Verfahren zur Übertragung
einer Information über
eine Wechselstrom-Versorgungsleitung einer Stromversorgungsschaltung
für eine
Verbraucherlast mit kapazitiver Eingangsimpedanz, mit einem Kondensator,
der eine annähernde
Gleichspannung liefern kann, wobei das Verfahren auf der Übertrager-
bzw. Senderseite im Variieren des Phasenwinkels der Wechselspannung über höchstens
eine halbe Halbperiode und außerhalb
der Aufladungsperioden des Kondensators besteht sowie auf der Empfangsseite im
Abtrennen der den Phasenwinkel betreffenden Information stromaufwärts des
Kondensators.
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Diese
sowie weitere Ziele, Gegenstände,
Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden in der folgenden nichteinschränkenden Beschreibung spezieller
Ausführungsbeispiele
im einzelnen auseinandergesetzt, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren;
in diesen zeigen:
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die
bereits beschriebene 1 dient zur Darlegung des Standes
der Technik und der Problemstellung,
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2 eine
Ausführungsform
einer Schaltung zur Speisung bzw. Stromversorgung einer Last auf der
Grundlage einer durch Gleichrichtung einer Wechselspannung erhaltenen
annähernden
Gleichspannung, gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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3 eine
erste Ausführungsform
eines Mittels bzw. einer Vorrichtung zur Übertragung einer analogen Vorgabe-
bzw. Steuergröße, gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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4A bis 4F jeweils
in Form von Zeitdiagrammen die Funktions- bzw. Betriebsweise der Schaltung von 2 unter
Verwendung eines Über tragungsmittels
der in 3 gezeigten Art,
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5A eine
erste Ausführungsform
eines Integrationsmittels der Schaltung von 2,
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5B eine
zweite Ausführungsform
des Integrationsmittels der Schaltung von 2,
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6 eine
zweite Ausführungsform
eines Mittels bzw. einer Vorrichtung zur Übertragung einer analogen Vorgabe-
bzw. Steuergröße, gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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7A bis 7C jeweils
in Form von Zeitdiagrammen die Arbeits- und Funktionsweise der Schaltung
von 2 bei Verwendung eines Übertragungsmittels der in 6 dargestellten
Art,
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8 ein
erstes Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Variation
der Leuchtintensität
einer Fluoreszenzlampe, sowie
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9 ein
zweites Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für eine Drehzahlsteuerung eines
Motors.
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Gleiche
Elemente sind in den verschiedenen Zeichnungsfiguren mit denselben
Bezugsziffern bezeichnet. Aus Gründen
der Klarheit und Übersichtlichkeit
sind nur die für
das Verständnis
der Erfindung notwendigen Elemente in den Zeichnungsfiguren dargestellt
und im folgenden beschrieben.
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Ein
charakteristisches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
einer Phasenwinkeländerung
der Speise-Wechselspannung zur Übertragung
einer analogen Information an eine Speise- bzw. Versorgungsschaltung
für eine
Last auf der Grundlage einer durch Gleichrichtung der Wechselspannung
erhaltenen annähernden
Gleichspannung, ohne Änderung
der für
die Speise- bzw. Versorgungsschaltung der Last verwendeten annähernden
Gleichspannung.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
einer Schaltung zur Speisung bzw. Stromversorgung einer Last mit
kapazitiver Eingangslast, gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Diese
Schaltung weist in herkömmlicher Weise
eine Diodenbrücke 5 auf,
deren beiden Eingangsanschlüsse
mit zwei Anschlüssen 10, 11 zum Anlegen
einer Wechselspannung Vin verbunden sind.
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Gemäß der Erfindung
entspricht die Wechselspannung Vin einer Speise-Wechselspannung, beispielsweise der
Netzspannung Vac, die einem Phasenwinkelanschnitt unterworfen wurde.
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Ein
erster Gleichricht-Ausgangsanschluss 12 der Brücke 5 bildet
einen Masse-Anschluss der Schaltung 1'. Ein zweiter Gleichricht-Ausgangsanschluss 13 der
Brücke 5 soll
wie in einer herkömmlichen
Schaltung mit Hilfe eines Kondensators C einer zur Speisung bzw.
Stromversorgung einer (nicht dargestellten) Last dienenden Schaltung 4 eine
annähernde
Speise-Gleichspannung
Vout zuführen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die zwischen den Anschlüssen 13 und 12 abgenommene
Ausgangsspannung Vr der Brücke 5 an
die beiden Enden einer Spannungsteilerbrücke angelegt, die aus zwei
in Reihe geschalteten Widerständen
R1, R2 besteht. Gemäß der Erfindung
soll die Teilerbrücke aus
der gleichgerichteten Wechselspannung eine Niederspannung Vpa ableiten,
die eine Funktion des Phasenwinkels der Spannung Vin ist.
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Ein
weiteres charakteristisches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist
eine zwischen den Gleichricht-Anschlüssen 13 und 12 in
Reihe mit dem Kondensator C vorgesehene Diode D, deren Anode mit dem
Anschluss 13 verbunden ist, wobei die verbleibende annähernde Gleichspannung
an den Anschlüssen 14, 12 des
Kondensators C abgenommen wird.
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Die
Diode D, oder ein analoges, unidirektional leitendes Element, soll
die Abnahme der gleichgerichteten Wechselspannung Vr vor ihrer Filterung durch
den Kondensator C ermöglichen.
Dies ist gemäß der Erfindung
unerlässlich,
um aus der Speise-Wechselspannung Vin die durch die Variation des Phasenwinkels
dieser Wechselspannung übertragene
Analoginformation zu extrahieren.
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Die
Bemessung der Widerstands-Spannungsteilerbrücke R1-R2 ist eine Funktion
der Amplitude der Speise-Wechselspannung Vac und der für die Analog-Niederspannung
Vpa gewünschten
Amplitude, welche die aus der Speise-Wechselspannung extrahierte
Analog-Niederspannungsinformation darstellt und für die Schaltung 4 zur
Speisung der Verbraucherlast in Form einer analogen Steuerspannung
Vp bestimmt ist.
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Vorzugsweise
ist zwischen dem Mittelpunkt 15 der Spannungsteilerbrücke R1-R2
und dem Anschluss E der Schaltung 4, welchem die Steuerspannung
zugeführt
wird, eine Integrationsschaltung 6 (in 2 gestrichelt
gezeichnet) zwischengeschaltet. Dieser Integrator hat, wie im folgenden
in Verbindung mit 4 gezeigt wird,
den Zweck, die Phasenwinkeländerungen
der gleichgerichteten Wechselspannung Vr in Gleichspannungspegel
umzuwandeln.
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Man
erkennt, dass jedes beliebige anderweitige äquivalente Mittel zur Spannungserniedrigung anstelle
der Widerstandsteilerbrücke
R1, R2 verwendet werden kann. Jedoch ist die Verwendung von Widerständen eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, im Hinblick auf die Einfachheit dieser
Ausführungsform.
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Ebenso
kann jedes anderweitige unidirektional leitende Mittel anstelle
der Diode D verwendet werden, die jedoch wegen ihrer Einfachheit
eine bevorzugte Ausführungsform
bildet.
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Gemäß der Erfindung
wird die annähernde Gleichspannung
Vout an den Anschlüssen
des Kondensators C durch die Phasenwinkeländerung der Speise-Wechselspannung
nicht gestört.
Diese Eigenschaft wird unter der Voraussetzung eingehalten, dass
man darauf achtet, dass auf Seiten der (in 2 nicht
dargestellten) Phasenwinkel-Änderungsvorrichtung
(Variator) der Änderungsbereich
des Phasenwinkels nicht die Bereiche der Wiederaufladung des Kondensators
C einschließt.
Diese Eigenschaft der Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit
den Darlegungen zu den 4 und 7 näher
verständlich.
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3 zeigt
ein Beispiel eines Phasenwinkelvariators 3' mittels Phasenwinkelanschnitt
des Typs, auf welchen sich die vorliegende Erfindung bezieht. Dieser
Variator 3' beruht
auf der Verwendung eines Schalters 30 (hier ein MOS-Transistor),
der in Reihe mit einem Messwiderstand 31 zwischen zwei
Gleichricht-Ausgangsanschlüssen 32 und 33 einer
Diodenbrücke
D1, D2, D3 und D4 geschaltet ist. Ein erster Wechselstromanschluss 34 der
Brücke
ist mit einem Anschluss 35 (beispielsweise der Phase) der
Netzspannung Vac verbunden, während
ein zweiter Wechselstromanschluss 36 der Brücke hier
einen Ausgangsanschluss (Phase 8) der modifizierten Speise-Wechselspannung
Vin bildet, die zur Verbindung mit dem Eingangsanschluss 10 (2)
der Schaltung 1' bestimmt
ist. Die andere Leitung (Neutralleitung 9) der Speise-Wechselspannung
ist hier nicht unterbrochen. Der Transistor 30 wird durch
einen Wandler 37 (beispielsweise eine von der Firma SGS-Thomson Microelectronics
kommerziell vertriebene Schaltung TS555) gesteuert, der zwischen
dem Anschluss 33 und, über
einen Speise-Widerstand R3, dem Anschluss 32 angeschlossen
ist.
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Die
Arbeits- und Funktionsweise eines Variators der in 3 dargestellten
Art ist vollkommen bekannt. Die Schaltung 37 erhält ein Einstell-
bzw. Regelsignal zugeführt,
beispielsweise von einem Potentiometer 38, das gemäß der Erfindung
in Reihe mit einem Widerstand R4 liegt. Der Widerstand R4 hat die Aufgabe,
den Variationsbereich des Regelsteuersignals der Schaltung 37 zu
begrenzen und damit den Variationsbereich des Phasenwinkels der
abgegebenen Spannung Vin. Dieser Widerstand R4 könnte durch eine Begrenzung
des Stellwegs des Potentiometers 38 ersetzt werden.
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Der
in 3 dargestellte Variator bildet ein Beispiel eines
Variators auf der Grundlage einer Phasenanschnittsteuerung mittels
eines Öffnungsschalters,
der eine bevorzugte Lösung
für den
Variator der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
eines Variators mit Phasenwinkelanschnitt besteht ein charakteristisches
Merkmal der vorliegenden Erfindung in der Begrenzung des Variationsbereichs
des Phasenwinkels der abgegebenen Spannung Vin zwischen 50 und 100
%.
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Diese
Eigenschaft der Erfindung wird durch die 4A bis 4F veranschaulicht,
welche in Form von Zeitdiagrammen ein Beispiel von Wellenformen
verschiedener charakteristischer Spannungen der erfindungsgemäßen Schaltung
zeigen. 4A gibt die Spannung Vin wieder. 4B zeigt die
Spannung Vr am Ausgang der Brücke 5 (2). 4C zeigt
den Verlauf der Spannung Vout an den Anschlüssen des Kondensators C. 4D zeigt
den Verlauf der Spannung Vpa an den Anschlüssen des Widerstands R2. Die 4E und 4F zeigen,
gemäß zwei unterschiedlichen
Ausführungsformen
der Integrationsschaltung 6, den Verlauf von Regel- bzw. Steuerspannungen
Vp' bzw. Vp'', die zum Anlegen am Eingang E der Speise-
bzw. Versorgungsschaltung 4 der Last bestimmt sind.
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In
dem in den 4 dargestellten Beispiel werden
aufeinanderfolgend drei gewünschte
und durch den Variator 3' von 3 festgelegte
Steuerpegel angenommen. Beispielsweise entsprechen diese drei Vorgabe-
bzw. Einstellsteuersignale drei gewünschten Pegeln von Lichtintensitäten für eine Fluoreszenzlampe,
wie weiter unten in Verbindung mit dem Anwendungsbeispiel von 8 dargelegt wird.
In einer ersten Phase A besitzt der durch den Variator 3' bestimmte Phasenwinkelbereich
einen maximalen Wert, d. h. dass die Spannung Vin der Spannung Vac
entspricht. In diesem Fall um fasst die Spannung Vr am Ausgang der
Brücke 5 (2)
vollständige
Halbperioden ebenso wie die Spannung Vpa an den Anschlüssen des
Widerstands R2. In einer zweiten Phase A' ist angenommen, dass der Variator 3' zur Lieferung
einer Spannung Vin mit einem Phasenwinkelbereich von 50 % geregelt
bzw. eingestellt ist. Daraus folgt, dass die Spannungen Vr und Vpa
für jede
gleichgerichtete Halbperiode ebenfalls einen Phasenwinkel von 50
% aufweist. In einer dritten Phase A'' der
Arbeits- und Funktionsweise befindet man sich in einer Zwischenstellung
mit einem Phasenwinkel zwischen 50 und 100 %.
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Wie
aus 4C ersichtlich, gestattet die Tatsache, dass man
eine Beschneidung durch den Schalter 30 nur zwischen 50
und 100 % des Phasenwinkels vorsieht, die Beibehaltung einer Spannung Vout,
die durch die Phasenwinkeländerungen,
welche während
der Entladeperioden des Kondensators erfolgen, nicht beeinträchtigt wird.
Daher beeinträchtigt
die Übertragung
bzw. Zufuhr des Vorgabe- bzw. Steuersignals an die Schaltung 4 nicht
ihre Stromversorgung. Dies beruht speziell auf dem Vorhandensein
der Diode D zwischen den Punkten 13 und 14.
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Wie
aus 4D hervorgeht, ist der Mittelwert der Niederspannung
Vpa in den Phasen A, A' oder
A'' unterschiedlich.
Dieser Mittelwert ist am größten in
der Phase A, am kleinsten in der Phase A' und besitzt einen Zwischenwert in der
Phase A''. Indem man das an
dem Anschluss 15 vorliegende Signal (die Spannung Vpa)
integriert, lässt
sich daher ein Spannungspegel Vp gewinnen, der eine Funktion des
gewählten
Phasenwinkels für
die Spannung Vin ist.
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Gemäß einer
in 5A veranschaulichten ersten Ausführungsform
der Integrationsschaltung variiert die Vorgabe- bzw. Steuerspannung
Vp' (4E)
zwischen zwei Extremwerten V1 und V2, die beide positiv sind. Die
Integrationsschaltung 6' besteht
in diesem Fall aus einem Widerstand R5 in Reihenschaltung mit einem
Kondensator C'.
Diese Reihenschaltung liegt parallel zu dem Widerstand R2 und die
Vorgabe- bzw. Steuerspannung Vp' wird
an den Anschlüssen
des Kondensators C' abgenommen.
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In
einer zweiten Ausführungsform,
wo man die Auswanderung bzw. Amplitude der Vorgabe- bzw. Steuerspannung
Vp zwischen 0 V und einem positiven Pegel zurückzubringen wünscht, verwendet
man eine Integrationsschaltung 6'' wie
in 5B dargestellt. In dieser Ausführungsform ist ein Kondensator C' in Parallelschaltung über den
Widerstand R2 angeschlossen. Parallel über dem Kondensator C' liegt eine Zener-Diode
DZ in Reihenschaltung mit einem Widerstand R6. Die Vorgabe- bzw.
Steuerspannung Vp'' wird an den Anschlüssen des
Widerstands R6 abgenommen. Bei einer derartigen Ausführungsform variiert
die Spannung Vp'' zwischen 0 V und
einem Betrag V3 entsprechend der um die Durchbruchspannung der Zener-Diode
verminderten Spannung Vpa. Dieser Betriebsmode ist in 4F veranschaulicht.
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Man
erkennt, dass in dieser Ausführungsform
von 5B die Rolle des Integrationswiderstands von dem
Widerstand R1 übernommen
wird. Man kann jedoch als Abwandlung einen Widerstand zwischen dem
Punkt 15 und dem ersten Anschluss des Kondensators C' verwenden. Ebenso
ist in der in 5A veranschaulichten Ausführungsform
der Widerstand R5 optional und die Rolle des Integrationswiderstands
kann ebenfalls von dem Widerstand R1 übernommen werden.
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Die
zur Pegeländerung
der Spannung Vp' oder
Vp'' erforderlichen Zeitintervalle
hängen
selbstverständlich
von der Integrationskonstante, d. h. von der durch den Kondensator
C' und den Widerstand R5
(5A) oder durch den Kondensator C' und den Widerstand
R1 (5B) eingeführten
Zeitkonstante ab.
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Als
spezielles Ausführungsbeispiel
kann man einen Widerstand R1 der Größe 100 kΩ und einen
Widerstand R2 des Betrags 3,3 kΩ vorsehen,
um eine Änderung
der Vorgabe- bzw. Steuerspannung einer Amplitude von 5 V auf der
Grundlage einer Phasenwinkeländerung
im Bereich zwischen 50 und 100 % aus einer Speise-Wechselspannung
von 220 V zu erhalten. Bei der in 5A wiedergegebenen
Ausführungsform
der Integrationsschaltung kann man beispielsweise einen Widerstand
R5 von 100 kΩ und einen
Kondensator C' von
1 μF vorsehen.
In diesem Falle haben die Potentiale V1 und V2 der Spannung Vp' den Wert 10 bzw.
5 V. Hierfür
wird angenommen, dass die Spannung Vpa eine maximale Amplitude von
14, 14 V besitzt.
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Im
Falle der in 5B veranschaulichten Ausführungsform
kann man für
die Zener-Diode DZ einen Betrag von 5 V und für den Widerstand R6 einen Betrag
von 10 kΩ vorsehen.
Man erhält
dann eine Spannung Vp'', die zwischen 0
und 5 V variierbar ist.
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6 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines Variators mittels Phasenwinkelanschnitt, zur Verwendung mit
einer Schaltung 1' gemäß der Erfindung der
in 2 beschriebenen Art. Der in 6 dargestellte
Variator 3'' wird auf der
Grundlage einer Reihenschaltung eines Triacs 40 mit einem
Widerstand 41 zwischen den Anschlüssen 35 und 42 zum
Anlegen der Speise-Wechselspannung Vac realisiert. Das Gate des
Triacs 40 ist über
ein Diac 43 mit dem Mittelpunkt einer Reihenschaltung aus
einem Kondensator 44 und einem Potentiometer 38 (gegebenenfalls
in Zuordnung zu einem Begrenzerwiderstand R4) verbunden, wobei die
Reihenschaltung parallel zu dem Triac 40 angeschlossen
ist.
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Die
Arbeits- und Funktionsweise eines Triac-Variators der in 6 dargestellten
Art ist vollkommen bekannt. Zu Beginn einer Halbwelle ist das Triac 40 nicht
getriggert. Die Triggerung des Triacs 40 erfolgt erst in
dem Zeitpunkt, zu dem die RC-Zelle (bestehend aus dem Kondensator 44,
dem Widerstand R4 und dem Potentiometer 38) an den Anschlüssen des
Kondensators C eine ausreichende Spannung zur Triggerung des Triacs
erzeugt. Die Triggerspannung eines Triacs beträgt im allgemeinen ca. 30 V
und entspricht der Schwellwertspannung des Diacs 43. Das
Triac leitet dann im Lawinendurchbruchzustand.
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Durch
Veränderung
des Widerstandswerts des Potentiometers 38 kann man die
Verzögerung der
Triggerung des Triacs 40 relativ bezüglich dem Beginn der Halbwelle,
also den Phasenwinkel, variieren. Nachdem das Triac einmal getriggert
ist, öffnet es
beim Null-Durchgang der Halbwelle. Ein Variator der in 6 veranschaulichten
Art wird im allgemeinen als ein Variator mit Phasenwinkelschließung bezeichnet.
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Die 7A bis 7C veranschaulichen
in Form von Zeitdiagrammen die Arbeits- und Funktionsweise einer
Speise- bzw. Stromversorgungsschaltung gemäß der Erfindung bei Steuerung
durch einen Variator vom Schließtyp. 7A gibt
den Verlauf der Spannung Vin wieder. 7B veranschaulicht
den Verlauf der Spannung Vout und 7C den Verlauf
der Vorgabe- bzw. Steuerspannung Vp''.
Für die
Darstellung in den 7A bis 7C wird
angenommen, dass die Integrationsschaltung des erfindungsgemäßen Systems
mit einer Zener-Diode versehen ist, wie in 5B dargestellt.
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Symmetrisch
zu der Darlegung in Verbindung mit den 4A bis 4F ruft
eine Änderung des
Phasenwinkels mit Hilfe des Triacs 40 eine lineare Änderung
des Pegels der Spannung Vp'' hervor. Im Beispiel
der 7A bis 7C ist
eine erste Betriebsphase A' dargestellt,
in welcher das Potentiometer 38 so eingestellt ist, dass
der Phasenwinkel dem minimalen Pegel der Spannung Vp'' entspricht, d. h. dass die Zener-Diode
des Integrators sich im Durchbruchzustand befindet. In einer zweiten
Betriebsphase A ist das Potentiometer 38 so eingestellt, dass
der Phasenwinkel maximal ist und die Spannung Vp'' den
Pegel V3 erreicht.
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Man
erkennt, dass im Falle eines Triacs der Phasenwinkel niemals Null
betragen kann. In 7A ist das Triac als vollkommen
oder ideal angenommen, d. h. dass es beim Null-Durchgang der Halbwelle
schließt,
was praktisch unmöglich
ist.
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In
einer Ausführungsform
mit einem Schließ-Variator
muss darauf geachtet werden, den Variator und die erfindungsgemäße Schaltung
so zu dimensio nieren, dass der Phasenwinkel oder das durch den Variator 3'' bewirkte Änderungs-Zeitintervall Δt kleiner
bleibt als die Zeitdauer, welche den Beginn der Halbwelle vom Beginn
des leitenden Zustands der zur Speisung der Last dienenden Gleichrichtbrücke 5 trennt.
Tatsächlich
könnte
im gegenteiligen Fall der Pegel bzw. Betrag der Spannung Vout (7B)
nicht mehr konstant gehalten werden. Daher wird der Änderungsbereich
des Phasenwinkels gemäß dieser
Ausführungsform
so gewählt,
dass gewährleistet
wird, dass der Kondensator C, an dessen Anschlüssen die Ausgangsspannung Vout
abgenommen wird, sich bei jeder Halbwelle korrekt laden kann.
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Als
spezielles Ausführungsbeispiel
kann man für
einen Triac-Variator einen Phasenwinkel-Änderungsbereich zwischen einigen
Prozent (0 % bei Annahme eines Schalters mit vollkommener Schließung) und
ca. 30 % vorsehen.
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Man
erkennt, dass die Lösung
mit einem Variator auf der Grundlage eines Phasenwinkelanschnitts
mittels Öffnungsschalter
(3) eine bevorzugte Lösung gegenüber einem Variator auf der Grundlage
eines Phasenwinkelanschnitts mittels Schließ-Schalter (6)
darstellt. Außer
dem Vorteil, dass sie einen weiteren Phasenwinkel-Änderungsbereich
(50 bis 100 % gegenüber
0 bis 30 %) gestattet, weist die Lösung auf der Grundlage eines
Phasenwinkelanschnitts mittels Öffnungsschalter
den Vorteil auf, dass ihre Arbeits- und Funktionsweise von der jeweiligen
Anwendung unabhängig
ist. Tatsächlich lädt sich
der Kondensaor C niemals während
des abnehmenden Teils einer Halbwelle auf, und diese Abnahme ist
daher für
die Übertragung
der Information bis zur Speiseschaltung der Last verfügbar.
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8 zeigt
ein Schaltschema für
eine Anwendung der Erfindung auf eine Steuerschaltung einer Fluoreszenzlampe
T.
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Die
Brücke 5 und
der Kondensator liefern beispielsweise für eine Wechselspannung Vin
von 220 V eine Speise-Gleichspannung von 300 V an einen Anschnitt-Wandler 50 vom
Typ symmetrische Halbbrücke'. Dieser Wandler liefert
einen Wechselstrom mit einer Frequenz allgemein von ca. 30 kHz an
die Fluoreszenzlampe T über
eine Hochfrequenz-Induktivität
L.
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Der
Wandler 50 besteht allgemein aus einer Steuerschaltung 4' in Zuordnung
zu zwei Schaltern 51, 52 (beispielsweise zwei
Leistungs-MOS-Transistoren), die in Reihe zwischen dem Anschluss 14 und Masse
liegen; der Kondensator C liegt parallel zu dieser Reihenschaltung.
Der Mittelpunkt der Reihenschaltung der Transistoren 51 und 52 bildet
einen Ausgangsanschluss 53 des Anschnitt-Wandlers 50; dieser
Ausgangsanschluss ist mit einem ersten Anschluss der Hochfrequenz-Induktivität L verbunden, die
in Reihe mit einer ersten Heizwicklung f der Lampe T angeordnet
ist. Ein Kondensator C'' geringer Größe verbindet
die erste Heizwicklung f mit einer zweiten Heizwicklung f' der Lampe T und
trägt zu
deren Zündtriggerung
bei. Der freie Anschluss der Heizwicklung f' ist über einen Kondensator 54 zur
Filterung der Gleichstromkomponente in der Lampe T mit Masse verbunden.
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Die
Schalter 51 und 52 werden durch die Schaltung 4' gesteuert.
Der Anschluss 53 bildet einen flottierenden Bezugsanschluss
für den
Schalter 51. Die Schaltung 4' wird ausgehend von dem Anschluss 14 über einen
Widerstand 56 gespeist. Ein Ladungspump-Kondensator 57 verbindet
den Anschluss 53 mit einem Anschluss 55 der Schaltung 4' entsprechend
der Stromversorgung eines Steuerverstärkers des Schalters 51.
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Die
Schaltung 4' kann
noch anderweitige, nicht dargestellte Konfigurations- und Parametrieranschlüsse aufweisen.
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Die
Arbeits- und Funktionsweise einer Steuerschaltung der in 8 dargestellten
Art ist hinsichtlich der Steuerung der Lampe T vollkommen bekannt.
Als spezielles Beispiel kann die Schaltung 4' eine von der Firma SGS-Thomson Microelectronics hergestellte
und unter der Bezeichnung L6574 vertriebene integrierte Schaltung
sein.
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In
einer derartigen Schaltung erfolgt die Funktion einer Abstufung
der Lichtintensität
der Lampe ausgehend von einem Analog-Niederspannungseingang E, dem
eine Vorgabe- bzw. Steuerspannung Vp gemäß der Erfindung zugeführt wird.
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Die
Verwendung einer Schaltung 1' gemäß der Erfindung
zur Gewinnung einer Leistungs-Vorgabe- bzw. -Steuergröße aus der
Wechselspannung Vin ohne Änderung
der Ladung bzw. Last des Kondensators C, der die für die Schaltung 4' und die Lampe
bestimmte Spannung Vout liefert, weist mehrfache Vorteile auf.
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Zunächst ist
es nunmehr möglich, über eine Funktion
zur Abstufung der Lichtintensität
zu verfügen,
ohne zwei zusätzliche
Niederspannungsleitungen zwischen einem Schalter und der Lampe zu
benötigen.
Gemäß der Erfindung
erfolgt die Übertragung
der Vorgabe bzw. Steuerung für
die Lichtintensität
mittels der Speisung bzw. Stromzufuhr selbst. In dieser Hinsicht
erkennt man, dass die Erfindung kein komplexes Hochfrequenz-Emissions-/Empfangs-System
benötigt
und die Verwendung herkömmlicher
Variatoren, wie sie beispielsweise in den 3 und 6 veranschaulicht
sind, gestattet.
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Des
weiteren gestattet der verringerte Raum- und Platzbedarf der Bestandteile
der erfindungsgemäßen Schaltung 1' relativ verglichen
mit den herkömmlichen
Vorrichtungen, die Integration dieser Bauteile in den Sockel einer
Fluoreszenzlampe, beispielsweise vom Typ CFL, ins Auge zu fassen.
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Außerdem verfügt man durch
Verwendung eines Variators vom Typ mit Öffnungs-Schalter, d. h. unter
Ausnutzung des Phasenwinkels zwischen 50 und 100 % der Halbwelle, über ein
vielseitiges Produkt sowohl auf der Variatorseite wie auf Seiten
der Verbraucherlast.
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9 zeigt
in sehr schematischer Weise ein zweites Anwendungsbeispiel einer
Speise- bzw. Stromversorgungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Dieses Beispiel betrifft die Steuerung eines Motors 2'' mit Hilfe einer Dreiphasen-Steuerschaltung 4''. Eine derartige Steuerschaltung
steuert die jeweiligen Öffnungs-
und Schließperioden
von sechs Schaltern (beispielsweise MOS-Transistoren) 61, 62, 63, 64, 65 und 66,
welche jeweils zwei und zwei paarweise in Parallelanordnung zwischen
den Anschlüssen 14 und 12 eines
Gleichricht-Speise- bzw. -Stromversorgungssystems der in Verbindung mit 2 veranschaulichten
Art angeordnet sind. Die Schaltung 4'' erhält eine
Niederspannungs-Vorgabe- bzw. -Steuergröße Vp zugeführt, welche in dieser Anwendung
eine Drehzahlsteuerung für
den Motor 2'' darstellt.
Diese Drehzahlvorgabe bzw. -steuerung kann gemäß der Erfindung in außerordentlich
einfacher Weise von einem entfernt angeordneten Steuerelement übertragen
werden, das einen Variator mittels Phasenwinkelanschnitt enthält, ohne
Beeinträchtigung
der eigentlichen Leistungs-Stromversorgung des Motors über den
Kondensator C, welcher eine Gleichstromversorgung zwischen den Anschlüssen 14 und 12 liefert.
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Die
Arbeits- und Funktionsweise eines Motor-Steuersystems der in 9 veranschaulichten Art
ist vollkommen herkömmlich
und ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Es sei nur
darauf hingewiesen, dass das, was schematisch durch eine Steuerschaltung 4'' angedeutet wurde, im allgemeinen
in der Praxis mittels mehrerer einander zugeordneter integrierter
Schaltungen realisiert ist.
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In
den Anwendungsbeispielen der 8 und 9 wurde
willkürlich
angenommen, dass die Vorgabe- bzw. Steuerspannungen Vp auf Masse
bezogen sein mussten und die betreffenden Schaltungen 1' zur Bildung
dieser Vorgabe- bzw.
Steuergrößen Vp mit
einer Integrationsschaltung der in Verbindung mit 5B veranschaulichten
Art versehen sind.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung verschiedenen Abwandlungen und Modifizierungen
zugänglich,
die sich für
den Fachmann ergeben. Insbesondere ist die Dimensionierung und Bemessung
der verschiedenen Bauteile und Komponenten des Systems der Erfindung
in Abhängigkeit von
der jeweiligen Anwendung und insbesondere in Abhängigkeit von der Steuer- bzw. Versorgungsspannung
und von dem für
die Vorgabe bzw. Steuerung dienende Niederspannungsgröße gewünschten Aussteuerungsbereich
anzupassen. Des weiteren können
anderweitige Variatoren als die hier als Beispiel genommenen verwendet
werden, vorausgesetzt, dass sie den beschriebenen Funktionalitäten genügen. Im übrigen eignet
sich die Erfindung für jede
Schaltung zur Speisung bzw. Stromversorgung einer Verbraucherlast
aus einer von einer Wechselspannung herrührenden annähernden Gleichspannung.