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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum
Betreiben von Gasentladungslampen. Es handelt sich dabei insbesondere um
selbstschwingende Halbbrücken-Wechselrichter deren
Schwingfrequenz durch die Erfindung regel- und einstellbar ist.
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Im
folgenden werden Gasentladungslampen kurz Lampe genannt. Die Erfindung
betrifft hauptsächlich
den Betrieb von Niederdruck-Gasentladungslampen, da Betriebsgeräte für diese
Lampen starkem Kostendruck unterliegen. Bis auf Aspekte, die die
Vorheizung betreffen, ist die Erfindung auch auf Betriebsgeräte für Hochdruck-Gasentladungslampen
anwendbar.
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In
der Schrift Fengfeng Tao, et al., "Self-Oscillating Electronic Ballast
with Dimming Controll", Power
Electronics Specialists Conference, 2001, IEEE, USA, ist ein selbstschwingender
Halbbrückenwechselrichter
beschrieben. 2 dieser
Schrift zeigt einen bekannten Halbbrückenwechselrichter mit einem
Rückkoppelübertrager.
Die elektronischen Schalter sind dort als MOSFET ausgeführt.
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Der
angesprochene Halbbrückenwechselrichter
ist als Schaltungsanordnung zum Betrieb von Lampen weit verbreitet,
da er mit weinigen, kostengünstigen
Bauele menten auskommt und zuverlässig arbeitet.
Ein Nachteil dieser Schaltungsanordnung ist darin begründet, dass
sich die Schwingfrequenz des Halbbrückenwechselrichters durch die
verwendete Rückkoppeleinrichtung
ergibt und zunächst
keine Möglichkeit
besteht die Schwingfrequenz zu beeinflussen. Dies ist besonders
bei Halbbrückenwechselrichtern
mit Bipolartransistoren der Fall, da Bipolartransistoren mit hohen
Strömen
angesteuert werden, die sich nur aufwändig beeinflussen lassen.
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Eine
Einstellmöglichkeit
für die
Schwingfrequenz bietet folgende Vorteile:
- • Die Schwingfrequenz
des Halbbrückenwechselrichters
lässt sich
zur Regelung Lampenstroms oder der Lampenleistung einsetzen.
- • Die
Vorheizung von Lampenwendeln kann durch die Schwingfrequenz eingestellt
werden.
- • Der
Zündvorgang
von Lampen durch Resonanzzündung
kann mit Hilfe der Schwingfrequenz geregelt werden.
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Der
erste Punkt der obigen Aufzählung
wird von der angeführten
Schrift behandelt. Es wird vorgeschlagen, dem Rückkoppelübertrager einen Ansteuerübertrager
nach zu schalten. Die Schwingfrequenz wird nun durch die Einspeisung
eines konstanten Stroms in den Ansteuerübertrager beeinflusst. Der eingespeiste
Strom überlagert
dem Magnetisierungsstrom des Ansteuerübertragers und macht somit
die Schwingfrequenz einstellbar. Diese Lösung hat den Nachteil, dass
die Schwingfrequenz von den magnetischen Eigenschaften des Ansteuerübertragers
abhängt.
Da diese nur ungenau reproduzierbar sind, ist diese Lösung für eine Serienfertigung
nicht geeignet. Auch fehlt der vorgeschlagenen Lösung eine geschlossene Regelschleife
für Lampenparameter
wie Lampenstrom und Lampenleistung.
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Auch
die Schriften
US 4,525,648 (De
Bijl) und
US 6,346,779 (Aiello)
schlagen selbstschwingende Halbbrückenwechselrichter mit einer
Eingriffsmöglichkeit
zur Beeinflussung der Schwingfrequenz vor. Aber auch diese Schriften
zeigen keine Regelung von Lampenparametern wie Lampenstrom oder Lampenleistung.
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Darstellung
der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung
bereitzustellen, die einen selbstschwingenden Halbbrückenwechselrichter zum
Betrieb von Lampen bereit zu stellen, bei dem ein Lampenparameter
durch Einstellen der Schwingfrequenz geregelt wird.
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Weiterhin
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben,
das mit Hilfe einer Schaltungsanordnung, die einen selbstschwingenden
Halbbrückenwechselrichter
enthält,
eine Lampe zu Starten und zu Betreiben, wobei der Start zumindest
eine kontrollierte Zündung
der Lampe umfasst.
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Im
wesentlichen besteht die erfindungsgemäße Lösung der oben gestellten Aufgaben
darin, dass die Schaltungsanordnung eine Stopp-Einrichtung enthält, die
das Einschalten der elektronischen Schalter des Halbbrückenwechselrichter
unterbinden kann und nur während
einer Ein-Zeit frei gibt. Die Ein-Zeit ist abhängig von einem Lampenparameter, wodurch
sich ein Regelkreis schließt.
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Im
einzelnen umfasst eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung folgende
Merkmale:
- • Halbbrückenanordnung,
die einen oberen und einen unteren elektronischen Schalter aufweist, die
in Serie geschaltet sind, jeweils einen Steueranschluss aufweisen
und an ihren Verbindungspunkt einen Mittelpunkt bilden,
- • am
Mittelpunkt ist ein Lastkreis angeschlossen in den ein Laststrom
fließt,
- • der
Lastkreis enthält
ein Reaktanznetzwerk mit einer Resonanzfrequenz, an das eine Lampe
anschließbar
ist,
- • der
Lastkreis ist so bemessen, dass in einem Normalbetrieb für eine angeschlossene
Lampe nach dem Öffnen
eines elektronischen Schalters die Spannung am jeweils anderen elektronischen Schalter
nach einer Umschwing-Zeit zu Null wird,
- • die
Schaltungsanordnung umfasst eine Rückkoppeleinrichtung, die eine
Rückkoppel-Größe aus dem
Lastkreis derart mit den Steueranschlüssen der elektronischen Schalter
koppelt, dass die elektronischen Schalter abwechselnd eingeschaltet
werden,
- • die
Schaltungsanordnung umfasst eine Stopp-Einrichtung, die mit den
Steueranschlüssen
der elektronischen Schalter gekoppelt ist und einen Eingang aufweist
an dem ein Stoppsignal anliegt, wobei die Stopp-Einrichtung ein
Einschalten der elektronischen Schalter verhindert, solange das
Stoppsignal einen Aus-Zustand aufweist,
- • die
Schaltungsanordnung umfasst einen Timer, der mit dem Eingang der
Stopp-Einrichtung gekoppelt ist und das Stoppsignal bereitstellt,
das einen Ein-Zustand und den Aus-Zustand annehmen kann,
- • die
Schaltungsanordnung umfasst eine Triggereinrichtung, die jeweils
nach Ablauf der Umschwing-Zeit ein Triggersignal an den Timer abgibt,
spätestens
jedoch, wenn der Laststrom zu Null wird,
- • die
Schaltungsanordnung umfasst eine Messeinrichtung, die in einem Brennbetrieb
eine Regelgröße in den
Timer einkoppelt, die proportional zur Leistung oder zum Strom einer
angeschlossenen Lampe ist,
- • der
Timer schaltet das Stoppsignal in den Ein-Zustand, falls er ein
Triggersignal empfängt und
behält
den Ein-Zustand bei für
die Dauer einer Ein-Zeit, die der Timer abhängig von der Regelgröße einstellt.
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Der
Lastkreis der am Mittelpunkt angeschlossen ist weist im allgemeinen
eine Lampendrossel und einen Resonanzkondensator auf. Diese Bauelemente
und weitere Bauelemente des Reaktanznetzwerks sind so aufeinander
abgestimmt, dass sich bei einem Schaltvorgang eine Einschalt-Entlastung
des jeweils einschaltenden elektronischen Schalters ergibt. Dies
wird dadurch erreicht, dass nach dem Ausschalten eines elektronischen
Schalters die Energie einer Drossel, wie z. B. der Lampendrossel,
Kapazitäten,
wie z.B. parasitäre
Schalterkapazitäten
oder sog. Snubber-Kondensatoren,
umlädt, damit
sich am jeweils einzuschaltenden elektronischen Schalter eine Spannung
einstellt, die Idealerweise Null ist. Meist wird diese Span nung
durch sog. Freilaufdioden geklemmt. Dieser Vorgang spielt sich für eine Schaltungsanordnung
nur dann sicher ab, wenn die Schaltungsanordnung in einem Normalbetrieb
arbeitet. Dies bedeutet, dass sich die Schaltungsanordnung nicht
gerade in einem Übergangzustand
befindet, wie er beispielsweise durch Abklemmen einer Lampe oder
Durchschlag einer Lampe ausgelöst
wird. Vom Zeitpunkt des Ausschaltens eines elektronischen Schalters
bis zum dem Zeitpunkt, an dem die Spannung am anderen elektronischen Schalter
zu Null wird, wird eine Umschwing-Zeit definiert. Nach der Umschwing-Zeit
ist ein spannungsfreies und damit entlastetes Einschalten des anderen elektronischen
Schalters möglich.
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Die
Rückkoppeleinrichtung
umfasst im allgemeinen eine magnetische Kopplung einer Rückkoppelgröße vom Lastkreis
zu den Steueranschlüssen der
elektronischen Schalter. Weit verbreitet ist der Einsatz eines Stromtransformators,
der primärseitig den
Laststrom erfasst und mit jeweils einer Sekundärwicklung die elektronischen
Schalter steuert. Bekannt ist auch, dass die Primärwicklung
auf die Lampendrossel aufgebracht ist. Weiterhin sind auch Ausführungsformen
bekannt, bei denen nicht der Laststrom sondern eine Lastspannung
für die
Rückkopplung
erfasst wird.
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Gemeinsam
ist all diesen Schaltungen, dass die Rückkoppelgröße einen elektronischen Schalter Idealerweise
entlastet einschaltet und dieser eingeschaltete Zustand in einer
Mitkoppelschleife erhalten bleibt, bis keine Rückkoppelgröße mehr an den Steuereingang
des elektronischen Schalters gelangt. Im wesentlichen kommen im
Stand der Technik dafür zwei
Mechanismen in Betracht: Der Lastkreis bewirkt durch resonante Vorgänge ein
Umpolen der Rückkoppelgröße oder
die Rückkoppeleinrichtung
unterbricht die Übertragung
der Rückkoppelgröße beispielsweise
wegen der Sättigung
eines Rückkoppelübertragers.
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Erfindungsgemäß wird der
Zeitpunkt, zu dem die elektronischen Schalter ein- und ausgeschaltet werden
im wesentlichen nicht mehr von der Rückkoppeleinrichtung bestimmt.
Sie liefert zwar noch die Energie zur Ansteuerung der elektronischen
Schalter, jedoch bestimmt eine Stopp-Einrichtung eine Ein-Zeit,
in der eine Ansteuerung der elektronischen Schalter überhaupt
möglich
ist. Mit Hilfe der Ein-Zeit kann erfindungsgemäß die Schwingfrequenz des Halbbrückenwechselrichters
bestimmt werden.
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Ein
Timer steuert die Stopp-Einrichtung über einen Eingang an dem der
Timer ein Stoppsignal einspeist. Solange der Timer das Stoppsignal
in einem Aus-Zustand sendet, ist die Ansteuerung der elektronischen
Schalter durch die Rückkoppeleinrichtung unterbunden.
Vorteilhaft besitzt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nur
eine Stopp-Einrichtung, die für
beide elektronischen Schalter der Halbbrückenanordnung gleichermaßen wirkt.
Während der
Ein-Zeit sendet der Timer das Stoppsignal in einem Ein-Zustand und
gibt damit die Ansteuerung der elektronischen Schalter durch die
Rückkoppeleinrichtung
frei.
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Den
Beginn der Ein-Zeit bestimmt eine Triggereinrichtung mit Hilfe eines
Triggersignals, das sie an den Timer sendet. Sobald der Timer ein
Triggersignal empfängt
schaltet er das Stoppsignal für
die Dauer der Ein-Zeit in den Ein-Zustand. Die Triggereinrichtung
leitet das Triggersignal aus Kenngrößen des Lastkreises ab. Der
früheste
Zeitpunkt zum absenden eines Triggersignals ist das Ende der oben beschriebenen
Umschwing-Zeit. Ab diesem Zeitpunkt ist ein entlastetes Einschalten
des elektronischen Schalters möglich,
der als nächster
in der Halbbrückenanordnung
den Laststrom tragen soll. Diesem Zeitpunkt schließt sich
eine Freilaufphase an, in der der Laststrom von den oben genannten Freilaufdioden
getragen wird. Die Freilaufphase endet, wenn die Polarität des Laststroms
wechselt; d. h. einen Nulldurchgang aufweist. Ab dem Nulldurchgang
muss der elektronische Schalter den Laststrom tragen. Falls kein
lückender
Betrieb angestrebt wird, muss spätestens
dann die Triggereinrichtung ein Triggersignal an den Timer schicken.
Zusammenfassend gesagt, soll das Triggersignal in der Freilaufphase
gesendet werden. Dabei sollte beachtet werden, dass wegen der sog.
dynamischen Sättigungsspannung
bei Bipolartransistoren die Leitend-Verluste nach dem Einschalten
nicht sofort optimal sind. Das Triggersignal sollte deshalb im Hinblick
auf eine Reduzierung der Transistorverluste eine gewisse Zeit vor
Ablauf der Freilaufphase gesendet werden.
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Über die
Ein-Zeit kann wie gesagt die Schwingfrequenz des Halbbrückenwechselrichters eingestellt
werden. Soll eine elektrische Ausgangsgröße der Schaltungsan ordnung,
wie die Lampenleistung oder der Lampenstrom geregelt werden, so ist
erfindungsgemäß die Ein-Zeit
abhängig
von der zur regelnden Größe. Diese
Größe wird
im allgemeinen von einer Messeinrichtung erfasst und als Regelgröße dem Timer
bereitgestellt. Der Timer stellt die Ein-Zeit in Abhängigkeit
der Regelgröße ein womit sich
ein Regelkreis schließt.
Steigt beispielsweise der Lampenstrom an, so verkürzt der
Timer die Ein-Zeit, wodurch die Schwingfrequenz des Halbbrückenwechselrichters
ansteigt und den Lampenstrom wieder reduziert.
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Der
angesprochene Regelkreis darf allerdings nur in einem Brennbetrieb
geschlossen sein. Dem Brennbetrieb, in dem eine angeschlossene Lampe
sachgemäß betrieben
wird, geht ein Startbetrieb voraus. Der Startbetrieb ist nötig, um
in der Lampe eine Gasentladung zu starten. Er umfasst zumindest
einen Zündbetrieb,
in dem eine Zündspannung an
der Lampe erzeugt wird.
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Im
Startbetrieb kann der Regelkreis nicht arbeiten, da keine sinnvolle
Regelgröße zur Verfügung steht.
Deshalb wird der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
vorteilhaft ein Wahlschalter zugefügt, der von einer Ablaufsteuerung
gesteuert wird. Die Ablaufsteuerung stellt den Wahlschalter zunächst im
Startbetrieb so ein, dass der Eingang des Timers der verantwortlich
für die
Einstellung der Ein-Zeit ist, mit einer ersten Einrichtung zur Zeitvorgabe
gekoppelt ist. Die erste Einrichtung zur Zeitvorgabe bestimmt über den
Timer eine feste Ein-Zeit, die so gewählt ist, dass an einer angeschlossenen
Lampe, die nicht gezündet
ist, eine Zündspannung
erzeugt wird, die zur Zündung
der Lampe geeignet ist. Bevorzugt wird zur Erzeugung der Zündspannung die
Resonanzfrequenz des Reaktanznetzwerks angeregt. Im einfachsten
Fall ist dies die Resonanzfrequenz der Serienschaltung aus Lampendrossel
und Resonanzkondensator. Trifft die Schwingfrequenz des Halbbrückenwechselrichters
die Resonanzfrequenz des Reaktanznetzwerks, so trägt ein elektronischer
Schalter den Laststrom für
jeweils ein Viertel der Periodendauer der Resonanzfrequenz. Falls
die Ein-Zeit ab
dem Nulldurchgang des Laststroms gezählt wird, so schwingt der Halbbrückenwechselrichter
auf der Resonanzfrequenz falls die Ein-Zeit ein Viertel der Periodendauer
der Resonanzfrequenz beträgt.
Wird das Triggersignal bereits vor dem Nulldurchgang des Laststroms
gesendet, so verlängert sich
die Ein-Zeit entspre chend. Nicht berücksichtigt bei dieser Betrachtung
sind Speicherzeiten von Bipolartransistoren, die in der Halbbrückenanordnung eingesetzt
werden. Die Ein-Zeit ist gegebenen Falls um die Speicherzeit zu
verkürzen.
Um eine Schaltentlastung der elektronischen Schalter zu erreichen, muss
der Halbbrückenwechselrichter
im sog. induktiven Betrieb arbeiten. Das heißt die Schwingfrequenz des
Halbbrückenwechselrichters
muss höher
liegen als die Resonanzfrequenz. Demgemäß muss die Ein-Zeit auch kürzer gewählt werden
als sie zum genauen Erreichen der Resonanzfrequenz nötig wäre.
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Je
näher die
Schwingfrequenz des Halbbrückenwechselrichters
bei der Resonanzfrequenz liegt, desto höher ist die Zündspannung
die erreicht wird. Allerdings stellt die Belastbarkeit der Schaltungsanordnung
eine Grenze dafür
dar, wie nahe an der Resonanzfrequenz die Schwingfrequenz liegen
darf. Um eine möglichst
hohe Zündspannung
zu erreichen ohne die Schaltungsanordnung zu überlasten wird der Strom durch
die Halbbrückenanordnung
oder der Laststrom von einer Schwellwerteinrichtung erfasst. Überschreitet
der erfasste Strom einen Stromgrenzwert, so erzeugt die Schwellwerteinrichtung
ein Interruptsignal, das einem Interrupteingang des Timers zugeführt wird.
Der Interrupteingang des Timers ist so ausgelegt, dass die Ein-Zeit
sofort abgebrochen wird, sobald der Timer ein Interruptsignal empfängt. Das
heißt
der Timer wechselt das Stoppsignal sofort in den Aus-Zustand. Damit
wird erreicht, dass sich die Schwingfrequenz der Resonanzfrequenz
nur so nahe kommt, wie es die Belastbarkeit der Schaltungsanordnung
zulässt
und andererseits diese Belastbarkeitsgrenze auch ausgereizt wird,
um eine möglichst
hohe Zündspannung
zu erreichen.
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Zusätzlich zum
Zündbetrieb
kann die Startbetrieb auch einen Vorheizbetrieb enthalten. Im Vorheizbetrieb
sollen vor dem Zündbetrieb
Elektrodenwendeln einer angeschlossenen Lampe auf eine Temperatur
gebracht werden, bei der eine wendelschonende Zündung erfolgen kann. Die Ablaufsteuerung
schaltet dazu vor dem Zündbetrieb
den Wahlschalter so, dass eine zweite Einrichtung zur Zeitvorgabe
mit dem Timer gekoppelt wird. Dadurch wird der Timer veranlasst
eine feste Ein-Zeit einzustellen, die für die Vorheizung der Elektroden-Wendeln
geeignet ist. Diese Ein-Zeit muss eine Schwingfrequenz zur Folge
haben, die so weit von der Resonanzfrequenz entfernt ist, dass an
der Lampe keine Spannung anliegt, die zu einer Zündung führt. Versuche haben gezeigt,
dass dies dann der Fall ist, wenn die Schwungfrequenz über dem
1,5-fachen der Resonanzfrequenz liegt.
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Besonders
Vorteilhaft ist die vorliegende Erfindung beim Einsatz von Bipolartransistoren
in der Halbbrückenanordnung.
Dem liegen zwei Aspekte zugrunde: Zum einen sind Bipolartransistoren
kostengünstiger
als gleichwertige elektronische Schalter wie MOSFET oder IGBT. Zum
anderen muss zur Ansteuerung von Bipolartransistoren ein hoher Strom zur
Verfügung
gestellt werden. Diese Problem wird bei der vorliegenden Erfindung
damit gelöst,
dass der Strom zur Ansteuerung der Bipolartransistoren dem Lastkreis
entnommen wird. Trotzdem ermöglicht
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
eine Regelung von Lampenbetriebsgrößen über die Schwingfrequenz.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Im
folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf Zeichnungen näher
erläutert
werden. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
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2 einen
Schaltplan einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit Leistungsfaktor-Korrektur,
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3a den
zeitlichen Verlauf von charakteristischen Stromverläufen einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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3b den
zeitlichen Verlauf von charakteristischen Spannungsverläufen einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Im
folgenden werden Widerstände
durch den Buchstaben R, elektronische Schalter durch den Buchstaben
S, Dioden durch den Buchstaben D, Kondensatoren durch den Buchstaben
C, Knoten durch den Buchstaben N, Transformatoren durch den Buchstaben
T und Drosseln und Wicklungen durch den Buchstaben L jeweils gefolgt
von einer Zahl bezeichnet. Auch werden im folgenden für gleiche
und gleichwirkende Elemente der verschiedenen Ausführungsbeispiele
durchweg gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Bevorzugte
Ausführung
der Erfindung
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In 1 ist
ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Ein
oberer und ein unterer elektronischer Schalter S1, S2 sind in Serie
geschaltet und bilden eine Halbbrückenanordnung. S1 und S2 bilden
an ihrem Verbindungspunkt einen Mittelpunkt N1, an den ein Lastkreis
Lk angeschlossen ist, in den ein Laststrom IL fließt. Auf
die Darstellung von Freilaufdioden parallel zu S1 und S2 wurde der Übersichtlichkeit
wegen verzichtet. Der Lastkreis Lk enthält ein Reaktanznetzwerk mit
einer Resonanzfrequenz, an das eine Lampe Lp anschließbar ist.
Das Reaktanznetzwerk ist durch eine Drossel und einen Kondensator
schematisch angedeutet. Das Reaktanznetzwerk ist nötig zur Anpassung
des Quellwiderstandes der Halbbrückenanordnung
an den Lastwiderstand, der durch die Lampe Lp gebildet wird. Gasentladungslampen
benötigen
eine Leistungsversorgung, die den Charakter einer Stromquelle hat,
während
die Halbbrückenanordnung
von einer Spannungsquelle gespeist wird, wie durch das eingekreiste
Plus- und Minuszeichen angedeutet ist.
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Für eine Schwingung,
d. h. ein abwechselndes Ein- und Ausschalten von S1 und S2, sorgt
eine Rückkoppeleinrichtung
Rk. Sie entnimmt dem Lastkreis Lk Energie und führt sie den Steuereingängen der
elektronischen Schalter S1, S2 zu. Meist handelt es sich bei der
Rückkoppeleinrichtung
Rk um einen Transformator. Es ist jedoch auch eine kapazitive Rückkopplung
möglich.
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Erfindungsgemäß umfasst
die Schaltungsanordnung eine Stopp-Einrichtung St, die in 1 parallel
zur Rückkoppeleinrichtung
Rk auf die Steuereingänge
der elektronischen Schalter S1, S2 geschaltet ist. Damit kann die
Stopp-Einrichtung St die Ansteuerung von S1 und S2 durch kurzschließen der Steuersignale
unterbinden. Diese Wirkung der Stopp-Einrichtung St kann auch anders
erzielt werden. Beispielsweise durch Kurzschließen des Eingangs der Rückkoppeleinrichtung
Rk oder durch Auftrennen der Ein- oder Ausgänge der Rückkoppeleinrichtung Rk. Insbesondere
bei Bipolartransistoren ist ein Kurzschließen der Steuersignale vorteilhaft,
da damit ein schnelleres Ausschalten und ein besseres Sperrverhalten
verbunden sind. Der Eingriff der Stopp-Einrichtung St braucht nicht
zwingend an den Steuereingängen
von S1 oder S2 erfolgen. Beispielsweise kann der Eingriff über einen
MOSFET auf den Emitter eines Bipolartransistors erfolgen, was als Kaskodeschaltung
bekannt ist.
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Die
Stopp-Einrichtung St weist einen Eingang auf, worüber sie
von einem Timer Ti gesteuert wird. Der Timer Ti liefert ein Stoppsignal,
das einen Ein- und einen Aus-Zustand
einnehmen kann. Liegt an der Stopp-Einrichtung St ein Stoppsignal
im Aus-Zustand an,
so unterbindet die Stopp-Einrichtung St über ihre Ausgänge eine
Ansteuerung von S1 und S2.
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Der
Timer Ti besitzt 3 Eingänge.
Ein Eingang ist mit einer Triggereinrichtung Tr verbunden. Sobald die
Triggereinrichtung ein Triggersignal an den Timer Ti sendet, gibt
der Timer Ti an die Stopp-Einrichtung St für die Dauer einer Ein-Zeit
ein Stopp-Signal
im Ein-Zustand aus und wechselt danach wieder in den Aus-Zustand.
Die Funktion des Timer Ti kann demnach durch ein Monoflop realisiert
werden. Es ist jedoch auch möglich
diese Funktion durch Software in einem Microcontroller zu realisieren.
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Wie
oben erläutert,
muss der Trigger Tr ein Triggersignal innerhalb der Freilaufphase
erzeugen. Dazu ist er mit dem Lastkreis gekoppelt. Das Triggersignal
kann nun entweder aus dem Laststrom IL, der Spannung an N1 oder
davon abgeleiteten Größen durch
Vergleich mit einer Vergleichsgröße in bekannter
Weise abgeleitet werden.
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Ein
zweiter Eingang des Timers Ti ist mit einer Schwellwerteinrichtung
Sc gekoppelt. Die Schwellwerteinrichtung Sc sendet an den Timer
Ti ein Interruptsignal das den Timer Ti dazu veranlasst das Stoppsignal
sofort in den Aus-Zustand zu schalten. Damit werden S1 bzw. S2 abgeschaltet,
bevor die Ein-Zeit abgelaufen ist. Damit wird verhindert, dass die
Schwingfrequenz in einen Bereich absinkt, in dem sich starke Resonanzüberhöhungen von
Strömen
und Spannungen einstellen. Diese Funk tion kann durch einen Reset
des oben erwähnten
Monoflops realisiert werden. Wiederum ist auch die Realisierung
durch Software in einem Microcontroller möglich. In 1 vergleicht
die Schwellwerteinrichtung Sc den Strom im Schalter S2 mit einem
vorgegebenen Referenzwert. Wird er überschritten, so sendet die
Schwellwerteinrichtung Sc ein Interruptsignal. Der Eingang der Schwellwerteinrichtung
Sc kann aber auch andere elektrische Größen des Lastkreises zur Detektion
starker Resonanz heranziehen. Beispielsweise kann die Spannung an
den Lampenklemmen dazu dienen.
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Über den
dritten Eingang des Timers Ti kann die Ein-Zeit eingestellt werden.
Ein Wahlschalter Wa, der von einer Ablaufsteuerung As gesteuert
wird. Die Stellung des Wahlschalters Wa bestimmt, welche Einrichtung
der Schaltungsanordnung die Ein-Zeit festlegt.
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Bei
der Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung stellt die Ablaufsteuerung
As den Wahlschalter Wa in eine Stellung in der eine zweite Einrichtung
zur Zeitvorgabe Z2 mit dem dritten Eingang des Timers Ti gekoppelt
ist. Damit wird eine feste Ein-Zeit eingestellt, bei der eine Vorheizung
von Elektrodenwendeln ermöglicht
wird. Dieser Vorheizbetrieb kann von der Ablaufsteuerung As für eine feste Vorheizeit
von ca. 1 sec beibehalten. Die Ablaufsteuerung kann auch mit Daten über den
Zustand der Elektrodenwendeln gespeist werden, womit eine Regelung
der Vorheizzeit möglich
ist.
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Nach
der Vorheizzeit wechselt die Ablaufsteuerung As für die Dauer
einer Zündzeit
in den Zündbetrieb.
Im Zündbetrieb
koppelt der Wahlschalter Wa eine erste Einrichtung zur Zeitvorgabe
Z1 mit dem dritten Eingang des Timers Ti. Damit ergibt sich eine
Ein-Zeit, die in einer Schwingfrequenz nahe der Resonanzfrequenz
resultiert. Daraufhin stellt sich an den Lampenklemmen eine Zündspannung
ein, die gegebenenfalls in ihrer Höhe von der Schwellwerteinrichtung
Sc geregelt wird. Die Ablaufsteuerung As kann die Zündzeit entweder
fest vorgeben oder mit Hilfe einer Detektionseinrichtung für eine Lampenzündung beenden.
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Nach
dem Zündbetrieb
wechselt die Ablaufsteuerung As in den Brennbetrieb. Dazu wird der Wahlschalter
Wa in eine Stellung gebracht, die den dritten Eingang des Ti mers
Ti mit einer Messeinrichtung Me koppelt. Damit wird ein Regelkreis
für einen von
der Messeinrichtung Me erfasste Regelgröße geschlossen. Bei dieser
Regelgröße kann
es sich beispielsweise um den Lampenstrom oder die Lampenleistung
handeln. Selbstverständlich
sind auch von diesen Größen abhängige Größen als
Regelgröße geeignet.
Die Messeinrichtung Me kann die Regelgröße mit einer bekannten Regelcharakteristik
wie z. B. PID beaufschlagen.
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Schließlich kann
die Ablaufsteuerung As den Wahlschalter Wa auch in eine Stellung
bringen, bei der dem Timer Ti eine Ein-Zeit vom Wert Null vorgegeben
wird. Der Halbbrückenwechselrichter
ist dann außer
Betrieb. Diese Funktion kann bei Fehlerzuständen benutzt werden.
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In
2 ist
ein Schaltplan einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit
Leistungsfaktor-Korrektur dargestellt. Die Leistungsfaktor -Korrektur
ist mittels einer Ladungspumpe realisiert. Die Ladungspumpe spielt
unter technischen Gesichtspunkten eine untergeordnete Rolle für die vorliegende
Erfindung. Da die vorliegende Erfindung wie auch die Ladungspumpe
Kostenvorteile gegenüber
anderen Schaltungen bringen, ist deren Kombination unter dem gewerblichen
Gesichtspunkt vorteilhaft. Bezüglich
der technischen Erläuterungen
zur Ladungspumpe wird auf die Schrift
EP
1 443 807 (Rudolph) verwiesen.
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Im
Beispiel nach 2 ist die Schaltungsanordnung
an eine Netzspannung VN angeschlossen, die Energie für die Lampe
liefert. Ein Vollbrückengleichrichter
bestehend aus den Dioden D1, D2 D3 und D4 stellt die gleichgerichtete
Netzspannung zwischen einem Knoten N2 und einem zur Verfügung. Eine
Pumpdiode D5 verbindet N2 mit einem Knoten N3 an dem eine Versorgungsspannung
gegenüber dem
Bezugsknoten M für
einen Halbbrückenwechselrichter
anliegt. Zwischen N3 und M ist ein Speicherkondensator C3 geschaltet,
der zur Stabilisierung der Versorgungsspannung dient.
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Zwischen
N3 und M ist eine Halbbrückenanordnung
geschaltet, bestehend aus der Serienschaltung zweier elektronischer
Schalter S1 und S2. S1 ist mit N3 verbunden und stellt einen oberen
elektronischer Schalter dar; S2 ist mit M verbunden und stellt den
unteren elektronischen Schalter dar. Parallel zu S1 und S2 ist jeweils
eine Frei laufdiode D6 und D7 geschaltet. Am Verbindungspunkt zwischen
S1 und S2 liegt der Knoten N1, der den Mittelpunkt der Halbbrückenanordnung
bildet. Zwischen N1 und N2 ist ein Snubberkondensator C1 geschaltet,
der zur oben genannten Ladungspumpe beiträgt.
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Zwischen
N3 und M ist auch die Serienschaltung zweier Koppelkondensatoren
C4, C5 geschaltet, die an Ihrem Verbindungspunkt einen Knoten N4 bildet.
Einer der Kondensatoren C4 und C5 kann entfallen, falls keine Anforderungen
an die Symmetrie der Schaltungsanordnung gestellt wird.
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Zwischen
N1 und N4 stellt die Halbbrückenanordnung
eine rechteckförmige
gegenüber
einer Netzfrequenz hochfrequente Wechselspannung zum Betrieb einer
Lampe Lp bereit. Der von N4 abgewandte Anschluss der Lampe Lp ist über einen
Resonanzkondensator C2 mit dem Knoten N2 verbunden. Auch der Resonanzkondensator
C2 trägt
zur Ladungspumpe bei.
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In
Serie zur Lampe ist die Serienschaltung von drei induktiven Bauteilen
geschaltet: Eine Lampendrossel L3, die Primärwicklung L1c eines Rückkoppel-Transformators
T1 und die Primärwicklung L2a
eines Stromübertragers
T2. L3 bildet zusammen mit C2 das Reaktanznetzwerk. Im vorliegenden
Beispiel enthält
der Lastkreis außer
dem Reaktanznetzwerk lediglich die Koppelkondensatoren C4 und C5. Der
Lastkreis kann zusätzlich
auch Mittel zur Vorheizung von Elektrodenwendeln und zur Zündung enthalten.
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Der
Rückkoppel-Transformators
T1 besitzt zwei Sekundärwicklungen
L1a und L1b, die jeweils mit den Steuereingängen der elektronischen Schalter S1
und S2 gekoppelt sind. Im vorliegenden Beispiel ist L1a und L1b
jeweils parallel zur Basis-Emitterstrecke
von S1 und S2 geschaltet. Der Wickelsinn der Wicklungen von T1 ist
so gewählt,
dass sich durch die durch T1 gebildete Rückkopplung eine stationäre Schwingung
der Halbbrückenanordnung
ergibt. Mittel zum Starten der Schwingung sind bekannt und nicht
dargestellt.
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Zusätzlich zu
den drei beschrieben Wicklungen von T1 besitzt T1 eine vierte Wicklung
L1d. Sie ist mit den Wechselspannungs-Anschlüssen eines Vollbrücken-Gleichrichters gekoppelt,
der von Dioden D12, D13, D14 und D15 gebildet wird. Die Gleichspannungs-Anschlüsse dieses
Gleichrichters liegen parallel zu einen elektronischen Schalter
S4. L1d, der Gleichrichter und S4 bilden eine Stoppeinrichtung.
Bei S4 handelt es sich um einen MOSFET, der mit dem Sourceanschluss
mit dem Bezugspotenzial M verbunden ist. Sobald am Gate von S4 ein Stoppsignal
anliegt, das einem Aus-Zustand entspricht, schließt S4 über den
Gleichrichter L1d kurz. Damit werden über T1 auch die Steuereingange
der elektronischen Schalter S1 und S2 kurzgeschlossen und damit
ausgeschaltet.
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Gesteuert
wird S4 von einem Timer IC2. Für IC2
kann dar weit verbreitete Timer-Schaltkreis
555 eingesetzt werden. IC2 stellt das Stoppsignal an Pin 3 zur Verfügung. Um
die richtige Polung zur Ansteuerung von S4 zu erreichen muss das
Signal an Pin3 invertiert werden. Dies ist, wie allgemein üblich, durch
einen großen
Punkt gekennzeichnet.
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Zur
Energieversorgung von IC2 ist eine Spannungsquelle VH zwischen einem
Knoten N5 und dem Bezugspotenzial M vorgesehen. Diese Spannungsquelle
kann als separates Netzteil ausgebildet sein, das seine Energie
aus der Netzspannung VN bezieht. Es ist auch üblich, den Halbbrückenwechselrichter
der Schaltungsanordnung so zu erweitern, dass eine Versorgungsspannung
für IC2
zur Verfügung
gestellt werden kann. Pin 8 von IC2 ist mit N5 und Pin1 mit dem
Bezugspotenzial M verbunden, um IC2 mit Energie zu versorgen.
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Die
Serienschaltung eines Widerstands R1 und eines Kondensators C8 bildet
eine Zeitkonstante, die zwischen N5 und M geschaltet ist. Der Verbindungspunkt
zwischen R1 und C8 ist mit Pin 6 und Pin 7 von IC2 verbunden, um
dem Timer eine Zeitkontstante vorzugeben. Pin 4 bildet einen Reset-Eingang und
muss mit der positive Betriebsspannung von IC2 verbunden werden,
damit sich die gewünschte
Funktionalität
von IC2 einstellt.
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Pin
2 von IC2 bildet einen Triggereingang und ist zunächst über einen
Widerstand R3 mit N5 verbunden. Zum Auslösen des Timers ist an Pin 2
ein negativer Impuls nötig.
Dieser wird vom IC1 geliefert. IC1 ist ein als Komparator eingesetzter
Operationsverstärker,
wofür beispielsweise
der Baustein LM 293 eingesetzt werden kann. An Pin1 von IC1 werden
die Triggerimpulse an Pin 2 von IC2 geliefert. Pin 8 und Pin 4 von
IC1 dienen der Energieversorgung und sind mit N5 und M verbunden.
Pin 2 von IC1 bildet den invertierenden Eingang und ist über einen
Widerstand R8 mit N5 und über
einen Widerstand R4 mit M verbunden. Die Werte von R4 und R8 sind
so gewählt, dass
an Pin 2 im wesentlichen das Bezugspotenzial M anliegt.
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Der
nicht invertierende Eingang von IC1 wird gespeist vom Gleichspannungsausgang
eines Vollbrückengleichrichters,
der gebildet wird von Dioden D8, D9, D10 und D11. An den Wechselspannungseingang
dieses Vollbrückengleichrichters
ist die Sekundärwicklung
L2b des Stromübertragers
T2 geschaltet. Der Gleichspannungsausgang des Vollbrückengleichrichters
ist niederohmig mit einem Widerstand R5 abgeschlossen. Damit liegt
am nicht invertierenden Eingang von IC1 eine Spannung an, die proportional
zum gleichgerichteten Laststrom ist. Beim Nulldurchgang des Laststroms
ist die Spannung am invertierenden Eingang des IC1 kurzzeitig größer als
die Spannung am nicht invertierenden Eingang. Dadurch ergibt sich
am Pin 1 des IC1 ein negativer Triggerimpuls. IC1, R4, R5, R8, D8,
D9, D10, D11, L2a und L2b bilden somit die Triggereinrichtung. Sobald
der Laststrom einen Nulldurchgang aufweist, wird der Timer getriggert
und gibt schaltet für
die Ein-Zeit den Transistor S4 ab, wodurch die Ansteuerung von S1
und S2 freigegeben wird.
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Die
Dauer der Ein-Zeit wird über
Pin 5 des Timers eingestellt. Dort ist der Bipolartransistor S3
mit seinem Kollektor angeschlossen. Der Emitter von S3 ist über einen
Widerstand R2 mit M verbunden. Die Basis von S3 wird mit dem Potenzial
eines Kondensators C7 angesteuert, das proportional zum Lampenstrom
ist. Die Information über
den Wert des Lampenstroms wird am Knoten N4 abgegriffen. Dort bilden
die Kondensatoren C4, C5 und C6 einen kapazitiven Stronteiler. Die
positive Halbwelle des Anteils des Lampenstroms durch C6 wird über eine
Diode D16 einen Messwiderstand R7 geleitet und über einen Widerstand R6 auf
C7 integriert. Die negative Halbwelle des Lampenstroms durch C6
fließt
durch eine Diode D17, die parallel zu D16 und R7 geschaltet ist.
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Sobald
nun der Lampenstrom ansteigt, steigt die Spannung an C7. Damit wird
S3 stärker
angesteuert, wodurch Pin 5 von IC2 mit einem niedrigeren Widerstandswert
an das Bezugspotenzial M gebunden ist. Dies führt zu einer Reduzierung der
Ein-Zeit und damit
zu einer Erhöhung
der Schwingfrequenz der Halbbrückenanordnung.
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Die
höhere
Schwingfrequenz bewirkt mittels der Lampendrossel L3 einen sinkenden
Lampenstrom, wodurch der Regelkreis geschlossen ist.
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Das
Blockschaltbild in 1 offenbart eine Ablaufsteuerung
mit der Vorheizung und Zündung der
Lampe realisiert werden. Dies ist im Ausführungsbeispiel nach 2 nicht
dargestellt. Durch den Einsatz eines Microcontrollers ist die Realisierung
dieser Ablaufsteuerung für
den Fachmann möglich,
ohne erfinderisch zu sein. Auch der Timer kann durch den Microcontroller
realisiert werden.
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Auch
nicht dargestellt ist in 2 der Schwellwertschalter, der
die Zündspannung
begrenzt.
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Die 3a und 3b zeigen
den zeitlichen Verlauf von charakteristischen Betriebsgrößen einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gemäß 2.
In 3a ist der zeitliche Verlauf des Triggersignals
Wav1 und des Stoppsignals Wav2 dargestellt.
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Das
Triggersignal Wav1 liegt am Ausgang des IC1 an. Das Triggersignal
Wav1 liegt in einem Ruhezustand auf dem Wert der Spannungsquelle
VH von 12V. Sobald der Laststrom näherungsweise Null wird ein
Triggerereignis dadurch angezeigt, dass das Triggersignal Wav1 kurze
Zeit zu Null wird. Das Triggersignal Wav1 ist also als aktiv zu
werten, wenn es zu Null wird. Dies ist dadurch begründet, dass
der Triggereingang 2 des IC2 invertiert ist.
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Das
Triggerereignis löst
beim Stoppsignal Wav2 einen Wechsel in den Ein-Zustand aus. Der Ein-Zustand
ist im Ausführungsbeispiel
nach 2 dann gegeben, wenn das Stoppsignal Wav2 den Wert
Null aufweist. Nach einer Ein-Zeit von ca. 7,3 Mikrosekunden wechselt
das Stoppsignal in den Aus-Zustand der im Beispiel einem Spannungswert von
12 Volt entspricht. Insgesamt ist eine Schwingfrequenz des Halbbrückenwechselrichters
von ca. 46 kHz ablesbar.
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In 3b ist
der zeitliche Verlauf WavS2 des Kollektor-Stroms von S2 und der
zeitliche Verlauf WavIL des Laststroms IL dargestellt. In jeder
zweiten Periode des Stoppsignals Wav2 deckt sich der Laststrom WavIL
und Schalterstrom WavS2 während
der Ein-Zeit. In den dazwischen liegenden Perioden deckt sich während der
Ein-Zeit der Laststrom
WavIL mit dem nicht dargestellten Schalterstrom von S1.
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Deutlich
ist zu erkennen, wie zum Ende der Ein-Zeit der Schalterstrom abrupt
abbricht, da durch das in den Aus-Zustand wechselnde Stoppsignal
die Ansteuerung von S2 unterbrochen wird. Der Laststrom WavIL fließt aber
während
anschließenden Umschwingzeit
und Freilaufphase weiter. Die Freilaufphase ist durch den negativen
Schalterstrom WavS2 gekennzeichnet. Trotz der Freilaufdioden fließt durch
die in Flussrichtung gepolte Kollektor-Basis Diode von S2 ein negativer
Kollektorstrom.
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Deutlich
ist zu erkennen wie gegen Ende der Freilaufphase ein Triggerimpuls
beim Triggersignal Wav1 ausgelöst
wird.