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Die
Erfindung betrifft eine Speiseschaltung für eine Last und Leistungserfassung
an dieser.
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Beim
Betrieb von Leuchtmitteln wird häufig gefordert,
zu überwachen,
ob an der durch das Leuchtmittel gebildeten Last eine bestimmte
Leistung umgesetzt wird und/oder ob sich diese umgesetzte Leistung
verändert.
Dies soll verständlicherweise
einerseits zuverlässig
und andererseits mit geringem bauelementetechnischen Aufwand erreicht
werden. Außerdem
soll die zur Leistungsüberwachung
eingesetzte Schaltung möglichst
ein geringes Volumen haben und aus Bauelementen bestehen, die sich
auf SMD-Leiterplatten einsetzen lassen. Die Erfassung der Leistung
soll auch möglich
sein, wenn die Last intermittierend und/oder mit einer Spannung
betrieben wird, deren Frequenz nicht konstant ist.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine einfache und zuverlässige Speiseschaltung
mit Leistungserfassung zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird mit der Speiseschaltung nach Anspruch 1 gelöst.
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Die
Speiseschaltung enthält
einen Wechselrichter, der aus einer ungeglätteten oder auch einer mehr
oder weniger geglätteten
Gleichspannung eine Wechselspannung erzeugt. Der Wechselrichter
weist dazu eine Wechselrichterhalbbrücke und einen kapazitiven Spannungsteiler
auf, wobei die Last zwischen die Wechselrichterhalbbrücke und
den Spannungsteiler geschaltet ist. Der Wechselrichter arbeitet
mit variabler Frequenz freischwingend oder alternativ mit fest vorgegebener
Frequenz oder vorgegebener aber wechselnder Frequenz. Es ist auch
möglich
einen der beiden Schalter oder beide Schalter zur Leistungsmodulation
pulsbreitenmoduliert anzusteuern. Der Betrieb des Wechselrichters
kann mit einer Frequenz einausgetastet sein, die wesentlich unter
der Betriebsfrequenz des Wechselrichters liegt. Die Erfassung der
an der Last umgesetzten Leistung geschieht durch eine Detektorschaltung,
die die Spannungswelligkeit an dem Spannungsteilerpunkt des kapazitiven
Spannungsteilers erfasst und daraus ein Signal ableitet. Dieses
kennzeichnet die umgesetzte Leistung sowie Leistungsveränderungen,
die sich aus einer Änderung
des Ein/Aus-Tastverhältnisses und/oder
einer Veränderung
der Amplitude der Betriebsspannung des Wechselrichters und/oder
einer Veränderung
der Last und/oder einer Veränderung der
Betriebsfrequenz des Wechselrichters oder anderen Einflussfaktoren
ergeben.
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Dieses
Schaltungskonzept ermöglicht
die Erzeugung eines die Leistung kennzeichnenden Signals mit unmittelbarem
Masse bezug, d.h. bezogen auf die Masse des Wechselrichters. Insbesondere sind
keine Transformatoren, Übertrager
oder dergleichen voluminöse
und schwere Bauelemente erforderlich und zwar auch dann nicht, wenn
die Last über einen
Transformator an den Wechselrichter angeschlossen ist. Letzteres
ist häufig
der Fall, wenn als Last niederohmige Leuchtmittel, wie insbesondere Halogenlampen,
eingesetzt werden. An dem dazu vorgesehenen Transformator sind auch
keinerlei Windungsanzapfungen, Zusatzwicklungen oder dergleichen
nötig.
Auch können
anderweitige potentialtrennende Bauelemente, wie z.B. Optokoppler
entfallen. Außerdem
gelingt es mit der erfindungsgemäßen Schaltung
ein die Leistung kennzeichnendes Signal S zu generieren, das in
einen gewünschten
Spannungsbereich (z.B. 0 V bis 5 V) fällt.
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Gegenüber der Überwachung
des in der Wechselrichterhalbbrücke
fließenden
Stroms, beispielsweise über
einen Shuntwiderstand, kommt die vorgeschlagene Lösung mit
einem wesentlich geringeren Eigenleistungsbedarf aus. Ohmsche Verlustleistung
wird, wenn überhaupt,
in allergeringstem Maße
erzeugt.
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Die
Detektorschaltung enthält
vorzugsweise eine Gleichrichterschaltung. Mit dieser kann die Welligkeit
des an dem kapazitiven Spannungsteilerpunkt des kapazitiven Spannungsteilers
anliegende Spannungswelligkeit leicht erfasst werden. Bevorzugterweise
wird als Gleichrichterschaltung eine Villardschaltung eingesetzt.
Diese hat zum einen den Vorzug, durch Spannungsverdopplung ein Ausgangssignal
mit gewünschter
(hoher oder auch verringerter) Amplitude zu liefern. Zum anderen
nutzt die Villardschaltung beide Halbwellen der an dem Spannungsteiler
anliegenden und der dort anstehenden Gleichspannung überlagerten
Wechselspannung. Leistungsabweichungen können somit im Extremfall schon
bei der ersten Halbschwingung erkannt werden.
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Der
Wechselrichter kann, wie erwähnt,
mit geglätteter
oder ungeglätteter
Gleichspannung als Betriebsspannung betrieben werden. Der Mittelwert der
Betriebsspannung kann zumindest bei einer Ausführungsform der Erfindung durch
Phasenanschnitt oder Phasenabschnitt der von einer Gleichrichterbrücke gelieferten
welligen Spannung verändert
werden. Insbesondere bei Betrieb mit ungeglätteter Gleichspannung, die
beispielsweise einem an die Netzwechselspannung angeschlossenen
Brückengleichrichter
entnommen wird, ist es zweckmäßig, der Gleichrichterschaltung
einen Hochpass vorzuschalten. Dieser Hochpass kann dazu genutzt
werden, die durch die Spannungswelligkeit der speisenden Gleichspannung
verursachte Spannungswelligkeit an dem Spannungsteilerpunkt des
kapazitiven Spannungsteilers auszufiltern.
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Außerdem kann
zwischen dem kapazitiven Spannungsteiler und der Detektorschaltung
ein Trennkondensator vorgesehen werden, um Gleichspannungsanteile
von der Villardschaltung fern zu halten. Der Trennkondensator kann
Bestandteil des Hochpasses sein. Es ist jedoch auch möglich, auf den
Trennkondensator zu verzichten und den Eingangskondensator der Villardschaltung
zugleich als Trennkondensator zu nutzen. Dies reduziert die Bauelementezahl.
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Der
Gleichrichterschaltung wird vorzugsweise ein Tiefpass nachgeschaltet,
mit dem die Ansprechzeit der Detektorschaltung gezielt beeinflusst werden
kann. Beispielsweise kann die Zeitkonstante des Tiefpasses so eingestellt
werden, dass kurzzeitige, gewissermaßen nicht pathologische Lastschwankungen
zu keinen signifikanten Signalveränderungen führen.
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Der
Tiefpass kann in die Villardschaltung integriert werden, indem ihrem
Ausgangskondensator ein Widerstand vor geschaltet wird. Es wird jedoch bevorzugt,
den Tiefpass durch gesonderte Bauelemente zu realisieren.
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Der
kapazitive Spannungsteiler enthält
wenigstens zwei Kondensatoren, wobei die Detektorschaltung dann
an den ein- zigen Spannungsteilerpunkt angeschlossen ist. Es ist
jedoch möglich,
in dem kapazitiven Spannungsteiler mehrere, z.B. drei Kondensatoren
anzuordnen, wobei die Detektorschaltung dann an dem masseseitigen
Kondensator angeschlossen ist. Die Detektorschaltung erhält hier ein
Spannungssignal mit verminderter Amplitude. Es entsteht ein Ausgangssignal
mit ebenfalls verkleinerter Amplitude. Diesem Nachteil steht der
Wegfall eines spannungsfesten Koppelkondensators gegenüber.
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Die
vorgestellte Speiseschaltung eignet sich prinzipiell für ohmsche
Lasten, wie Halogenlampen oder Leuchtdioden wie auch für Entladungslampen, die
ohne Übertrager
zwischen die Wechselrichterhalbbrücke und den kapazitiven Spannungsteiler
geschaltet werden können.
Des Weiteren eignet sie sich sowohl für freischwingende, d.h. selbst
gesteuerte Wechselrichter, wie auch für fremdgesteuerte Wechselrichter.
Sie arbeitet weitgehend unabhängig von
der aktuellen Arbeits- oder Betriebsfrequenz der Wechselrichterhalbbrücke. Sie
kann auch bei Wechselrichtern eingesetzt werden, die getastet arbeitet, d.h.
deren Betrieb in schneller Folge freigegeben und gesperrt wird.
Solches ist beispielsweise zum Dimmen von angeschlossenen Lampen
gebräuchlich. Die
Ein/Aus-Tastung des Wechselrichters erfolgt beispielsweise netzsynchron,
um Dimmung durch Phasenanschnitt zu erreichen. In freigegebenem
Zustand schwingt der Wechselrichter mit einer Frequenz weit oberhalb
der Netzfrequenz, beispielsweise oberhalb von 20 kHz. Der zwischen
dem Gleichrichter und dem kapazitiven Spannungsteiler vorgesehene
Hochpass ist vorzugsweise auf eine Eckfrequenz abgestimmt, die zwischen
der niedrigsten Be triebsfrequenz des Wechselrichters und der Frequenz
liegt, die der Speisespannung überlagert
ist, z.B. 100 Hz.
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Einzelheiten
vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder
Unteransprüchen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Speiseschaltung
in schematisierter Prinzipdarstellung,
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2 die Speisespannung der Schaltung nach 1 mit überlagerter
Ausgangsspannung des Wechselrichters als Diagramm und
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3 bis 5 alternative
Ausführungsformen
der Speiseschaltung jeweils in Prinzipdarstellung.
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In 1 ist
eine zur Speisung einer Last 1 vorgesehene Speiseschaltung 2 dargestellt,
die eine Einrichtung 3 zur Erfassung der an der Last 1 umgesetzten
Leistung enthält.
Die Last 1 ist beispielsweise eine ohmsche Last, beispielsweise
in Form einer Glühlampe.
Sie kann durch eine Halogenlampe gebildet sein. Auch andere Lasten,
wie beispielsweise Leuchtdiodenentladungslampen oder dergleichen, können vorgesehen
sein. Die vorzugsweise zweipolige Last 1 ist über einen
Transformator 4, an dessen Sekundärwicklung sie angeschlossen
ist, an einen Wechselrichter 5 angeschlossen. Der Transformator 5 dient
dabei der Spannungs- und Widerstandsanpassung. Ist eine solche nicht
erforderlich, kann die Last 1 auch direkt an den Ausgang
des Wechselrichters 5 angeschlossen werden, wobei der Transformator 4 dann
entfällt.
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Zu
dem Wechselrichter 5 gehören eine Wechselrichterhalbbrücke 6 und
ein kapazitiver Spannungsteiler 7. Die Wechselrichterhalbbrücke 6 weist
zwei miteinander in Reihe geschaltete elektronische Schalter 8, 9,
beispielsweise in Form von Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren
oder anderweitigen Bauelementen auf. Der obere Schalter 8 liegt
mit einem Anschluss an einer betriebsspannungsführenden Leitung 10 und
ist mit seinem anderen Anschluss an einem Verbindungspunkt 11 mit dem
anderen Schalter 9 verbunden. Dieser liegt andererseits
an Masse 12. Die zwischen der Leitung 10 und Masse 12 vorhandene
Betriebsspannung wird beispielsweise mittels einer Graetzbrücke aus
der Netzwechselspannung erzeugt.
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Der
kapazitive Spannungsteiler 7 weist zwei Kondensatoren 13, 14 auf,
die miteinander in Reihe geschaltet sind. Der Kondensator 13 liegt
mit einem Anschluss an der Leitung 10 und mit seinem anderen Anschluss
an einem Spannungsteilerpunkt 15, an den auch der Kondensator 14 angeschlossen
ist, der mit seinem anderen Anschluss an Masse liegt. Die Primär wicklung
des Transformators 4 ist zwischen den Verbindungspunkt 11 und
den Spannungsteilerpunkt 15 geschaltet.
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Die
elektronischen Schalter 8, 9 weisen Eingangsanschlüsse auf,
die an eine Steuerschaltung 16 angeschlossen sind. Im Falle
von Bipolartransistoren bilden die jeweiligen Basen die Eingangsanschlüsse. Die
Steuerschaltung 16 ist beispielsweise an Koppelwicklungen 17, 18 angeschlossen,
die z.B. an dem Transformator 4 vorgesehen sind. Bevorzugt wird
allerdings, die Rückkopplung
anstelle durch Koppelwicklungen 17, 18 durch gesonderte
Stromwandler zu bewirken, die mit der Primärwicklung des Transformators 4 in
Reihe geschaltet sind. Die Koppelwicklungen 17, 18 oder
die Stromwandler können dazu
dienen, die Schalter 8, 9 alternierend zu schalten,
wobei sich die Schaltfrequenz in gegebenen Grenzen relativ frei
einstellt. Die Steuerschaltung 16 weist z.B. einen ersten
Eingang 19 auf, über
den der Betrieb der Wechselrichterhalbbrücke 5 freigegeben und
gesperrt werden kann. Außerdem
kann die Steuerschaltung 16 einen weiteren Eingang 20 aufweisen,
der zur Aufnahme eines Signals eingerichtet ist, das die an der
Last 1 umgesetzte Leistung kennzeichnen. Der Eingang 20 kann
beispielsweise ein Regeleingang sein, an dem der Ist-Wert der Leistung an
der Last 1 aufgenommen wird. Der Eingang 19 kann
beispielsweise dafür
eingerichtet sein, den Soll-Wert für die Leistung der Last 1 aufzunehmen. Die
Steuerschaltung 16 bildet dann die Differenz zwischen Ist-Wert
und Soll-Wert und regelt dementsprechend die von dem Wechselrichter 5 an
die Last 1 gegebene Leistung, wie an späterer Stelle detaillierter erläutert wird.
Des Weiteren kann die Steuerschaltung mit zusätzlichen Eingängen versehen
sein, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Zu diesen kann
z.B. ein Eingang gehören,
der die Betriebsspannung 10 der Halbrücke 5 abfragt oder überwacht
und gegebenfalls in die Leistungsberechnung mit einbezieht.
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Die
Einrichtung 3 zur Erfassung der an der Last 1 umgesetzten
Leistung erfasst die Spannungswelligkeit an dem Spannungsteilerpunkt 15,
d.h. an dem kapazitiven Spannungsteiler 7. Die Spannungswelligkeit
liegt im Bereich der Schaltfrequenz der Schalter 8, 9,
d.h. im Bereich von 20 kHz oder mehr. Die Frequenz wird über einen
Hochpass 21 abgegriffen, zu dem ein Koppelkondensator 22 und
gegebenenfalls ein gegen Masse geschalteter Widerstand 23 gehören. Der
Koppelkondensator 22 verbindet den Spannungsteilerpunkt 15 mit
dem Widerstand 23. Die Eckfrequenz dieses Hochpasses liegt
beispielsweise bei 500 Hz, wobei sie auch höher oder niedriger festgesetzt
werden kann.
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An
den Hochpass 21 schließt
sich eine Gleichrichterschaltung 24 an, die beispielsweise
als Villardschaltung ausgebildet ist. Sie enthält in üblicher Villardschaltung zwei
Dioden D1, D2, einen Umladekondensator 25 und einen Ausgangskondensator 26.
Auf diesem sammelt sich eine Gleichspannung, deren Größe der Amplitude
der an dem Spannungsteilerpunkt 15 anstehenden, über der
Eckfrequenz des Hochpasses 21 liegenden Wechselspannungskomponente
entspricht.
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An
die Gleichrichterschaltung 24 kann optional ein Tiefpass 27 angeschlossen
sein, der aus ein oder mehreren Widerständen 28, 29 und
einem Kondensator 30 besteht. Die Zeitkonstante des Tiefpasses 27 kann
so groß festgelegt
sein, dass kurzzeitige Fluktuationen, die nicht zu einer Reaktion
des durch die Steuerschaltung 16 gebildeten Reglers führen sollen,
ausgefiltert werden.
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Die
insoweit beschriebene Speiseschaltung 2 arbeitet wie folgt:
In
Betrieb liegt an der Leitung 10 eine beispielsweise positive
Betriebsspannung an, die z.B. eine hohe Welligkeit aufweist. In 2 ist dies durch eine gestrichelte Linie
I veranschaulicht. Die anliegende Spannung steigt von einem wenig über 0 Volt
liegenden Wert an und fällt
als Sinushalbwelle wieder ab. Dies mit doppelter Netzfrequenz (100
Hz). Erreicht die anliegende Spannung einen vorgegebenen Wert, gibt
die Steuerschaltung 16 den Betrieb der Wechselrichterhalbbrücke 6 frei,
die somit anschwingt. Die Schalter 8, 9 werden
nun mit einer Frequenz von mehreren, vorzugsweise vielen kHz freigegeben
und gesperrt. Dies ist in 2 durch
den Kurvenzug III angedeutet. Die Last 1 wird dadurch mit
Spannung versorgt. Zugleich entsteht an dem Spannungsteilerpunkt 15,
der ansonsten mit halber Amplitude der Spannung I folgen würde, eine
Wechselspannung mit einer Amplitude, deren Größe der an der Last 1 umgesetzten
Leistung entspricht. Der zeitliche Anteil einer Halbwelle, für den diese überlagerte
Amplitude an dem Spannungsteilerpunkt 15 anliegt und die
Amplitude der anliegenden Spannung beeinflussen ein an dem Ausgang
des Tiefpasses 27 anliegendes Signal S, das als Ist-Signal
für die
umgesetzte Leistung an den Eingang 20 zurückgeführt werden
kann. Ist keine direkte Proportionalität zwischen dem Signal S und
der Leistung vorhanden, so kennzeichnet das Signal S die Leistung
doch eindeutig. Ein Mikrorechner kann dem Signal S einen Leistungswert
zuordnen. Je länger
der zeitliche Anteil an einer Halbschwingung ist, in der die Wechselrichterhalbbrücke 6 schwingt, und
je größer die
an dem Spannungsteilerpunkt 15 auftretende Amplitude ist,
desto größer sind
sowohl das Signal S als auch die an der Last 1 umgesetzte Leistung.
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Die
Einrichtung 3 bildet somit eine effiziente und einfache
Schaltung zur Erfassung der Leistung der Last 1, des Kurzschlusses
oder der Lastunterbrechung, auch unter den Be dingungen eines getakteten
Betriebs und wechselnder Lasten, beispielsweise durch Anschluss
unterschiedlicher Lampen, in unterschiedlichen Leistungsklassen
und -zahlen oder durch Alterung oder Durchbrennen einzelner Lampen.
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Die
Taktung der Wechselrichterhalbbrücke 6 kann,
wie veranschaulicht, lediglich anhand einer entsprechenden Beeinflussung
der Steuerschaltung 16 erfolgen, die, wie dargestellt,
nur auf die Steuereingänge
der Schalter 8, 9 wirkt. Es ist jedoch auch möglich, die
Steuerschaltung 16 der Betriebsspannung vorzuschalten,
die dann die gleichgerichtete Netzwechselspannung, beispielsweise
in Phasenanschnittsschaltung oder Phasenabschnittsschaltung, an
die Leitung 10 weitergibt. Auch in diesem Fall kann die
Leistungserfassung an dem Spannungsteilerpunkt 15 erfolgen,
wobei die Leistung von dem Tastverhältnis (Verhältnis der Zeit für den Betrieb
der Wechselrichterhalbbrücke 6 zur
gesamten Halbwellenzeit) und der überlagerten Wechselspannungsamplitude
abhängt.
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3 veranschaulicht
eine abgewandelte Ausführungsform.
Zur Erläuterung
derselben wird vollständig
auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Ergänzend gilt, dass der Hochpass 21 entfällt. Als
Koppelkondensator 22 dient der Umladekondensator 25,
der somit eine Doppelfunktion ausübt.
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Es
ist auch möglich,
die Spannungswelligkeit an dem Spannungsteilerpunkt 15 niederohmig
auszukoppeln, wie das Ausführungsbeispiel
gemäß 4 veranschaulicht.
Der untere Kondensator 14 ist hier auf zwei Kondensatoren 14a, 14b aufgeteilt, die
eine unterschiedlich große
Kapazität
aufweisen können.
In ihrer Reihenschaltung haben sie vorzugsweise die gleiche Kapazität wie der
zuvor beschriebene und benutzte Kondensator 14. Die durch
den Laststrom verursachte Spannungswelligkeit an dem Spannungsteilerpunkt 15 wird
nunmehr an dem Spannungsteilerpunkt 31 abgenommen, der
sich zwischen den Kondensatoren 14a, 14b findet.
Zur Auswertung der Spannung kann die bereits beschriebene Gleichrichterschaltung 24 in
Form einer Villardstufe dienen, die die Spannungsamplitude vergrößert oder
auch, wenn gewünscht,
abhängig
von ihrer Di- mensionierung, verkleinert. Alternativ können mehrstufige
Gleichrichterschaltungen verwendet werden, um eine größere Spannungsvervielfachung
zu erzielen. Auch kann die an ihrem Ausgang abgegebene Spannung
nachverstärkt
werden. Im Ausführungsbeispiel
nach 4 ist ein Tiefpass 27 vorhanden, der
jedoch optional ist.
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Die
Last 1 muss nicht zwangsläufig eine ohmsche Last sein.
Die Kennlinie der Last muss auch nicht unbedingt linear sein. Es
kann sich auch um eine Last mit nicht linearer Kennlinie, wie beispielsweise
eine Gasentladungslampe 32, handeln. Diese kann über eine
Strombegrenzungsdrossel 33 zwischen den Verbindungspunkt 11 und
den Spannungsteilerpunkt 15 geschaltet sein. Die Erfassung der
umgesetzten Leistung kann wiederum, wie bei den vorstehend beschriebenen
Beispielen, durch Abgriff der Spannungswelligkeit an dem Spannungsteilerpunkt 15 oder
alternativ an dem Spannungsteilerpunkt 31 erfolgen. Es
können
alle bereits vorstehend beschriebenen Einrichtungen 3 zur
Spannungsauswertung verwendet werden. Ebenso können alle vorgenannten Steuerschaltungen 16,
d.h. sowohl Steuerschaltungen, die nur die Steuereingänge der Schalter 8, 9 beeinflussen,
als auch Steuerschaltungen, die die Spannung auf der Leitung 10 freigeben und
sperren, d.h. die Spannungshalbwellen an- oder abschneiden, verwendet
werden.
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Die
erfindungsgemäße Speiseschaltung 2 enthält eine
Einrichtung 3 zur Erfassung der Spannungswelligkeit an
einem kapazitiven Spannungsteiler 7, wobei das von dieser
Einrich tung abgegebene Signal S, die von der Last 1 umgesetzte
elektrische Leistung kennzeichnet. Die Einrichtung 3 umfasst eine
Gleichrichterschaltung 24, die beispielsweise als Villardschaltung
ausgebildet ist. Sie ermöglicht eine
leistungsarme Erfassung der von der Last 1 umgesetzten
Leistung. Wenn zwischen dem Wechselrichter 5 und der Last 1 ein
Transformator zur Potentialtrennung vorgesehen ist, erfolgt die
Leistungserfassung ohne besondere Potentialtrennungsmaßnahmen
somit gegen das Bezugspotential des Wechselrichters 5.
Stromwandler, Anzapfungswicklungen oder Optokoppler, wie sie sonst
zur Leistungserfassung unmittelbar an der Last 1 erforderlich
wären, sind
in keinem Fall erforderlich. Die Schaltung ist SMD-freundlich, leistungsarm,
einfach und robust.