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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Betriebsgeräte für Leuchtmittel,
insbesondere auf ein elektronisches Vorschaltgerät für wenigstens eine Gasentladungslampe,
insbesondere eine Leuchtstofflampe.
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Den
Eingang aus dem Stand der Technik bekannter elektronischer Vorschaltgeräte bildet üblicherweise
ein an eine Spannungsversorgung angeschlossenes Hochfrequenzfilter,
welches mit einer Gleichrichterschaltung verbunden ist. Die von
der Gleichrichterschaltung gerichtete Versorgungsspannung wird an
einer Glättungsschaltung
zum Erzeugen einer Zwischenkreisspannung (Busspannung) zugeführt. Ein
mit der Zwischenkreisspannung gespeister Wechselrichter erzeugt
schließlich
eine hochfrequente Wechselspannung, welche an den Lastkreis mit
der darin angeordneten Gasentladungslampe angelegt wird. Das Betreiben
mit der hochfrequenten Wechselspannung hat unter anderem eine Steigerung
der Lichtausbeute der Lampe zur Folge. Durch eine Änderung
der Betriebsfrequenz ist darüberhinaus
die Möglichkeit
gegeben, die Lampe in unterschiedlichen Helligkeitsstufen (Dimmwerten)
zu betreiben.
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Die
Erfindung bezieht sich insbesondere auf elektronische Vorschaltgeräte mit einer
Glättungsschaltung
(englisch: Power Factor Correction, PFC), welche die dem Wechselrichter
zugeführte
Zwischenkreisspannung (Busspannung) bereitstellt. Üblicherweise
wird dabei die Zwischenkreisspannung auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt,
was durch eine innerhalb der Glättungsschaltung
angeordnete Regelschaltung erfolgt. Diese vergleicht den aktuellen
Wert der Zwischenkreisspannung als Istwert mit einem intern vorgegebenen
Sollwert und steuert dementsprechend die Energieaufnahme des Vorschaltgerätes und
damit den Wert der Zwischenkreisspannung. Eine Steuerung der Energieaufnahme
erfolgt dabei üblicherweise
mit Hilfe eines steuerbaren Schaltelementes.
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Die
Schaltvorgänge
dieses Schaltelements der Glättungsschaltung
können
allerdings zu Oberwellen führen,
welche in das angeschlossene Spannungsversorgung „zurückstrahlen". Dies bedeutet, dass
Spannung und Strom am Eingang des Vorschaltgerätes hinsichtlich ihrer Phase
auseinanderlaufen und eine Verzerrung eintritt, die zur Erzeugung von
Oberwellen führt,
welche vom angeschlossenen Netz wahrgenommen werden können. Da
sich jedoch die Oberwellen im Netz störend auswirken können, verlangen üblicherweise
Normen, das während eines
Normalbetriebes der Gasentladungslampe die von einem elektronischen
Vorschaltgerät
erzeugten Oberwellen nur unterhalb eines bestimmten Pegels in das
Netz „zurückstrahlen". Die Glättungsschaltung sollte
daher so ausgelegt werden, dass ein auseinanderlaufen der Spannung
und des Stroms hinsichtlich ihrer Phase möglichst vermieden wird.
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Aus
der
EP 1189490 A1 ist
ein gattungsgemäßes elektronisches
Vorschaltgerät
bekannt. Bei diesem bekannten elektronischen Vorschaltgerät weist
der Zwischenkreisspannungs-Regler in unterschiedlichen Betriebsphasen
(Vorheizen, Zünden, Normalbetrieb)
der Lampe unterschiedliche dynamische Regeleigenschaften auf. Dadurch
soll gewährleistet
sein, dass die Glättungsschaltung
in den verschiedenen Betriebsphasen der Lampe jeweils für die entsprechende
Betriebsphase optimale Eigenschaften aufweist.
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Ausgangspunkt
der
EP 1189490 A1 ist
demgemäß ein elektronisches
Vorschaltgerät,
dass mit konstanter Versorgungsspannung und mit konstanter Leistung
betrieben wird. Es liegt also ein nicht-dimmbares elektronisches
Vorschaltgerät
vor.
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Die
vorliegende Erfindung hat sich nunmehr zur Aufgabe gesetzt, die
Flexibilität
der Glättungsschaltung
(PFC) derart zu erweitern, dass es insbesondere hinsichtlich der
Anforderungen an ein dimmbares elektronisches Vorschaltgerät gerecht
wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale in den unabhängigen
Ansprüchen
gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise
weiter.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist also ein elektronisches
Vorschaltgerät
für wenigstens
eine Gasentladungslampe, insbesondere eine Leuchtstofflampe vorgesehen.
Das Vorschaltgerät
wird mit einer Eingangsspannung versorgt und weist eine von einem
Zwischenkreisspannungs-Regler gesteuerte Glättungsschaltung zum Erzeugen
einer geregelten DC-Zwischenkreisspannung
sowie einem mit der DC-Zwischenkreisspannung
gespeicherten Wechselrichter auf. An den Wechselrichter ist wenigstens
eine Lampe anschließbar.
Im Gegensatz zu der
EP
1 189 490 A1 ist vorgesehen, dass dem Vorschaltgerät externe
Befehle wie beispielsweise Dimmwerte, zuführbar sind. Der Zwischenkreis-Regler
weist dabei Eigenschaften auf, die von den anliegenden Befehlen
abhängen.
Im Gegensatz zu der
EP
1 189 490 A1 werden also ggf. auch innerhalb desselben
Betriebszustands (Vorheizen, Zünden,
Normalbetrieb) die Eigenschaften des Zwischenkreis-Reglers geändert, insbesondere
dann, wenn sich eine externe Dimmwertvorgabe ändert.
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Die
externen Befehle sind insofern von den „internen" Betriebszuständen zu unterscheiden, die gemässe der
EP 1 189 490 A1 unterschiedliche
Eigenschaften der Glättungsschaltung
hervorrufen.
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Dazu
kann dem Zwischenkreis-Regler ein Controller zugeordnet sein, dem
die externen Befehle zuführbar
sind und der dem Zwischenkreis-Regler von den aktuell anliegenden
Befehlen abhängige Sollwerte
bzgl. der dynamischen Eigenschaften oder anderer Eigenschaften der
Zwischenkreisreglung übermittelt.
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Beispiele
für diese
Sollwerte sind beispielsweise Werte bezüglich der Zwischenkreisspannung, der
Zeitkonstanten des Zwischenkreisreglers sowie der zulässigen Oberwellen
(THD).
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Zwischen
dem Controller und dem Zwischenkreis-Regler kann eine bidirektionale
Kommunikation erfolgen, bei der der Zwischenkreis-Regler dem Controller
Betriebsparameter der Glättungsschaltung übermittelt.
Diese Betriebsparameter können
beispielsweise die Art und/oder der Pegel der anliegenden Eingangsspannung
und/oder der Zwischenkreisspannung sein.
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Der
Controller kann Software-gesteuert sein.
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Der
Controller kann mit einem Speicher verbunden sein, in dem eine Vergleichstabelle
(LUT – Look-Up-Table)
abgelegt ist, die definierten externen Befehlen, beispielsweise
Dimmwerten, entsprechende Sollwerte für die Glättungsschaltung zuweist. Alternativ
kann der Controller die Sollwerte für die Zwischenkreisreglung
abhängig
von den externen Befehlen auch über
implementierte Funktionen ermitteln.
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Zusätzlich oder
alternativ zu der Abhängigkeit
von den extern zugeführten
Befehlen können
die Eigenschaften des Zwischenkreis-Reglers auch abhängig von
der Art und/oder dem Pegel der Eingangsspannung des elektronischen
Vorschaltgerätes einstellbar
sein.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein elektronisches
Vorschaltgerät
(EVG) vorgesehen, bei dem der Zwischenkreis-Regler von einem Softwaregesteuerten
Controller Sollwerte für
den Betrieb der Glättungsschaltung
erhält.
Das Hinzufügen
des Softwaregesteuerten Controllers ermöglicht also eine weitaus flexiblere Ausgestaltung
des elektronisches Vorschaltgerätes im
Vergleich zum Stand der Technik, was insbesondere bei dimmbaren
aber auch bei nicht-dimmbaren Vorschaltgeräten Vorteile mit sich bringt.
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Die
Erfindung bezieht sich weiterhin auch auf Leuchten mit derartigen
Vorschaltgeräten,
auf Verfahren zum Betrieb eines elektronischen Vorschaltgerätes sowie
ein Computer-Softwareprogramm-Produkt
zur Unterstützung
derartiger Verfahren.
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Schließlich bezieht
sich die Erfindung auch ausdrücklich
auf einen Mikrocontroller, wie er bei derartigen Verfahren bzw.
Vorschaltgeräten
Verwendung finden kann.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
sollen nunmehr bezugnehmend auf die einzige Figur der in der Anlage beigefügten Zeichnungen
und anhand eines detaillierten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:
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Die 1 zeigt
dabei eine schematische Darstellung eines elektronischen Vorschaltgerätes für eine Leuchtstofflampe mit
einem digitalen Zwischenkreisspannungs-Regler.
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Bei
der in 1 gezeigten schematischen Darstellung des erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerätes wurde
auf die Darstellung der Gleichrichterschaltung, die üblicherweise
durch einen Vollbrückengleichrichter
gebildet wird, verzichtet. Die gleichgerichtet Netzspannung wird
der Glättungsschaltung
zugeführt,
die im dargestellten Beispiel durch einen Hochsetzsteller gebildet
wird, der aus einer Induktivität
L1, eine Diode D1, einem Speicherkondensator C1 und einem von dem
Zwischenkreisspannungs-Regler 1 gesteuerten Schaltelementen
in Form eines Feldeffekttransistors S1 besteht. Die von der Glättungsschaltung
bereitgestellte Zwischenkreisspannung VZ wird
einem den Wechselrichter 7 sowie den Lastkreis 8 mit
der darin angeordneten Gasentladungslampe LA, bei der es sich um
eine Leuchtstofflampe handeln kann, enthaltenden Lastkreis 2 zugeführt.
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Die
Funktionsweise eines Hochsetzstellers ist im Prinzip bereits bekannt
und soll daher im folgenden lediglich kurz zusammengefasst werden.
Ist der Feldeffekttransistor S1 leitend, steigt der Strom in der
Induktivität
L1 linear an. Sperrt hingegen der Feldeffekttransistor S1, entlädt sich
der Strom in den Speicherkondensator C1, so dass an diesem eine aus
einer Gleichspannung mit Welligkeit („Modulation") bestehende Zwischenkreisspannung
VZ entsteht. Durch ein gezieltes Ansteuern
des Feldeffekttransistors S1 kann die Energieaufnahme des Aufwärtswandlers
und damit auch die an dem Speicherkondensator C1 anliegende Zwischenkreisspannung VZ beeinflusst werden. Dabei besteht die Möglichkeit, die
Energieaufnahme durch eine Veränderung
der Einschaltzeit oder des Tastverhältnisses TON des Schalters
S1 zu variieren.
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Im
Folgenden soll nun der Zwischenkreisspannungs-Regler 1,
der im dargestellten Beispiel als digitaler Regler ausgestaltet
ist, näher
erläutert werden. Über die
Eingangsleitung 9 wird zunächst der aktuelle Wert der
Zwischenkreisspannung VZ erfasst. Alternativ
zu dieser direkten Erfassung könnte die
Zwischenkreisspannung VZ allerdings auch
indirekt, beispielsweise über
die Eingangsspannung erfasst werden. Zur digitalen Weiterverarbeitung
wird dieser analoge Wert der Zwischenkreisspannung VZ durch
einen Analog-zu-Digital-Umsetzer 2 in
einem Digitalwert u(k) umgesetzt. Die Umsetzung erfolgt in jedem
Taktzyklus des Zwischenkreisspannungs-Reglers 1, wobei
der Takt durch einen zentralen Taktgeber in Form eines Festfrequenzoszillators 3 vorgeben
wird. Die Taktsignale des Taktgebers 3 werden außer dem
Analog-zu-Digital-Umsetzer 4 auch
einer Recheneinheit 5, die das Kernstück des digitalen Zwischenkreisspannungs-Reglers 1 bildet, sowie
einem Steuerblock 6 zum Ansteuern des Feldeffekttransistors
S1 zugeführt.
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Die
Recheneinheit 5 dient dazu, in jedem Taktzyklus einen Steuerwert
y(k) zu berechnen, der an den Steuerblock 6 übermittelt
wird. Dieser setzt den Steuerwert y(k) in ein Signal zum Betreiben
des Feldeffekttransistors S1 um und steuert damit dessen Einschaltzeit.
Das Durchschalten des Feldeffekttransistors S1 erfolgt dabei zu
einem Zeitpunkt, zu dem möglichst
kein Strom durch die Diode D1 fließt, da hierdurch die Schaltverluste
verringert werden. Hierzu dient eine Detektionswicklung L2, welche
induktiv mit der Induktivität
L1 des Hochsetzstellers gekoppelt ist. Sperrt der Feldeffekttransistor
S1, so fällt
der Strom über
die Induktivität
L1 kontinuierlich ab, bis er zu einem bestimmten Zeitpunkt den Nullpunkt
erreicht. Dieser Zeitpunkt wird mit Hilfe der Detektionswicklung
L2 von dem Steuerblock L6 erfasst und der Feldeffekttransistor S1 unter
Vermeidung von Schaltverlusten wieder durchgeschaltet. Der Steuerwert y(k)
gibt dabei vor, wie lange der Feldeffekttransistor S1 leitend geschaltet
wird. Durch die Zeitdauer wird die Leistungsaufnahme des Vorschaltgerätes und damit
die Höhe
der bereitgestellten Zwischenkreisspannung VZ bestimmt.
Es besteht allerdings auch die Möglichkeit,
anstelle der Einschaltzeit des Schalters S1 dessen Tastverhältnis in
Abhängigkeit
von dem aktuellen Steuerwert y(k) zu verändern.
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Die
Berechnung des Steuerwertes y(k) erfolgt nicht nur anhand des aktuellen
Istwerts u(k) der Zwischenkreisspannung VZ,
sondern auch anhand der Istwerte sowie der Steuerwerte in den vorherigen Taktzyklen.
Aufgrund der digitalen Eigenschaften, wird der Steuerwert y(k) nach
einer bestimmten Funktion, im Idealfall nach einer unendlichen Reihe berechnet.
Diese unendliche Reihe besteht aus Reihengliedern, die jedoch im
vorliegenden Beispiel nach dem dritten Glied abgebrochen werden,
um den Aufwand zum Berechnen des Steuerwerts in einem vertretbaren
Bereich zu halten. Dies bedeutet, dass der aktuelle Steuerwert y(k)
beispielsweise anhand der folgenden Gleichung berechnet wird: y(k) = a1·y(k – 1) + a2·y(k – 2) + b1·u(k) +
b2·u(k – 1) + b3·u(k – 2)
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Dabei
bezeichnen y(k – 1)
und y(k – 2)
die Werte des Steuerwerts in dem vorherigen bzw. dem vorvorherigen
Taktzyklus, während
die Werte u(k – 1) und
u(k – 2)
die Istwerte in dem vorherigen bzw. vorvorherigen Taktzyklus bezeichnen.
Diese einzelnen Werte werden mit den Parameter a1, a2 bzw. b1 bis b3
gewichtet.
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Wie
der oben aufgeführte
Gleichung entnommen werden kann, bestimmen die zur Gewichtung der
einzelnen Reihenglieder herangezogenen Parameter das dynamische
Verhalten des Zwischenkreisspannungs-Reglers 1. Dementsprechend
kann durch Verwenden unterschiedlicher Parametersätze für den Steuerblock 6 bei
der Berechnung des Steuerwerts y(k) der Zwischenkreisspannungs-Regler 1 an
unterschiedliche Anforderungen angepasst werden.
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Der
Recheneinheit 5 des Zwischenkreis-Reglers 1 ist
dazu erfindungsgemäß ein integrierter
Controller 10 zugeordnet, der mit der Recheneinheit 5 des
Zwischenzeit-Reglers 1 bidirektional kommuniziert (s. Bezugszeichen 11).
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Der
Controller 10 ist mit einem Speicher 12 verbunden. Über eine
digitale Schnittstelle (Interface) 13 kann der Controller 10 digitale
Befehle, wie beispielsweise Dimmwertvorgaben erhalten, aber auch beispielsweise
Zustandsmeldungen bzw. Fehlermeldungen an einen angeschlossenen
Digitalbus, beispielsweise mit dem DALI-Standard, absenden.
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Der
Zwischenkreis-Regler 1, der Controller 10 mit
der Schnittstelle 13 sowie der Speicher 12 können beispielsweise
als ASIC ausgeführt
sein.
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Der
Software-gesteuerte Controller 10 erhält also extern zugeführte Digitalbefehle über die Schnittstelle 13.
Weiterhin kann ihm die Recheneinheit 5 des Zwischenkreis-Reglers 1 Zustandsinformationen
bzw. Betriebsparameter zurückmelden.
Typische Beispiele für
diese Rückmeldung
von der Recheneinheit 5 des Zwischenkreis-Reglers zu dem Controller 10 sind
die Art und/oder der Pegel der anliegenden Eingangsspannung sowie
der aktuelle Wert der Zwischenkreisspannung VZ.
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Abhängig von
diesen eingehenden Informationen (externe Befehle, bzw. Rückmeldung
vom Zwischenkreis-Regler) kann nunmehr der Controller 10 der
Recheneinheit 5 des Zwischenkreis-Reglers 1 Sollwerte
für den
Betrieb übermitteln.
Diese Sollwerte können
beispielsweise die folgenden Parameter betreffen:
- – Busspannungs-Sollwert
abhängig
von der Eingangsspannung,
- – Dynamische
Eigenschaften des Zwischenkreis-Reglers:
Die
Reglerkoeffizienten müssen
bei kleinen Dimmwerten zur Anpassung an Dynamik- und Stabilitätsanforderungen
der Regelung verändert werden.
- – Zur
Verbesserung des Oberschwingungsverhaltens (THD) können die
TON-Werte für den Schalter ausgehend von
der Tabelle vorgegeben und optimiert werden. Die Modulation der
TON-Werte des Schalters ist bei kleineren
Eingangsspannungen zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird also
der Zwischenkreis-Regler 1 über Software abhängig von
extern zugeführten
Befehlen, wie beispielsweise Dimmwerten oder auch von Rückmeldungen
von Zwischenkreis-Regler eingestellt.
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Diese
Einstellung ist besonders wichtig bei dimmbaren elektronischen Vorschaltgeräten, bei
den es aufgrund der veränderbaren
Lampenleistung im Vergleich zu nicht-dimmbaren elektronischen Vorschaltgeräten zu „statischen„ Laständerungen
kommen kann. Somit muss es möglich
sein, dass auch innerhalb einer Betriebsphase, insbesondere während des
Betriebes der Lampe im gezündeten
Zustand Eigenschaften der Glättungsschaltung
verändert
werden.
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Die
maximale Amplitude wie auch die Natur der Spannungsversorgung (AC,
DC) können
erfindungsgemäß entweder
direkt gemessen werden (beispielsweise über den Spannungsteiler und
einen AD-Wandler). Alternativ können
sie über
die folgende mathematische Funktion indirekt erfasst werden: Vin = VZ × Toff/Ton + Toff
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Toff ist dabei die Ausschaltzeitdauer des Schalters
S1 und entsprechend Ton die Einschaltzeitdauer
dieses Schalters.
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Die
Zuordnung der Vorgaben für
die Zwischenkreis-Regelung durch den Controller 10 kann wie
in der Figur dargestellt über
eine Abgleichtabelle (Look-Up-Table) erfolgen, die in dem Speicher 12 abgelegt
ist und die eingehenden Befehlen über die digitale Schnittstelle
bereit sind bzw. Rückmeldungen von
der Zwischenkreis-Regelung die entsprechenden Vorgaben für die Zwischenkreis-Regelung
zuordnet. Alternativ oder zusätzlich
kann indessen der Controller 10 diese Vorgaben auch über implementierte
Funktionen ermitteln.
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Als
Beispiele für
die unterschiedlichen Vorgaben für
die Zwischenkreis-Regelung abhängig
von der Art und/oder der Eingangsspannung sollen die folgenden Szenarien
genannt sein:
- – Durch die Erfassung des Maximalwertes
der anliegenden Wechselspannung kann auf einen bestimmten geographischen
Bereich beschlossen werden (Beispielsweise Europa oder USA). Über diese
indirekte Erfassung des geographischen Anwendungsbereichs kann wiederum
auf zulässige
THD-Grenzwerte geschlossen
werden. Dementsprechend können
dann die Vorgaben für
die Zwischenkreis-Regelung derart erfolgen, dass die in dem entsprechenden
geographischen Bereich herrschenden Normen eingehalten werden.
- – Die
Busspannungs-Sollwertvorgabe kann abhängig von der Höhe der erfassten
Wechselspannung eingestellt werden, wobei grundsätzlich die Regel gilt, dass
die Busspannung desto höher vorgegeben
wird, je höher
die maximale Amplitude der anliegenden Wechselspannung ist.
- – Beim
Anliegen einer AC-Versorgungsspannung kann ein Betrieb der Zwischenkreis-Regelung
vorgegeben werden, bei denen die Einschaltzeitdauer Ton des
Schalters S1 konstant ist. Im Gegensatz dazu kann beim Anliegen
einer DC-Spannung vorgesehen sein, dass die Einschaltzeitdauer Ton des Schalters S1 periodisch verändert wird („Sweep
Mode„).