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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben
einer Entladungslampe mit einem Wechselrichter, der ausgelegt ist,
an seinem Ausgang ein Signal mit einer vorgebbaren Frequenz bereitzustellen,
mindestens einem Anschluss für
die Entladungslampe, mindestens einer Lampendrossel, die zwischen
den Ausgang des Wechselrichters und den mindestens einen Anschluss
für die
Entladungslampe gekoppelt ist, mindestens einem Kondensator, der
mit der Lampendrossel gekoppelt ist, einer Ansteuervorrichtung zur Ansteuerung
des Wechselrichters mit dem Signal mit der vorgebbaren Frequenz,
einer Regelvorrichtung zum Regeln eines vom Lampenstrom abhängigen Regelparameters
auf einen vorgebbaren Wert infolge einer Änderung der vorgebbaren Frequenz,
wobei die Regelvorrichtung eine erste Zeitkonstante aufweist, wobei
die Entladungslampe eine zweite Zeitkonstante aufweist, mit der
sie auf eine Änderung
der vorgebbaren Frequenz mit einer Änderung eines vom Lampenstrom
abhängigen
Parameters reagiert, wobei die Schaltungsanordnung aufgrund der
temperaturabhängigen
UI-Kennlinie der Entladungslampe und der frequenzabhängigen UI-Kennlinie
eines Schwingkreises, der zumindest den Kondensator und die Lampendrossel
umfasst, zumindest einen Bereich mit einem ersten und einem zweiten
stabilen Arbeitspunkt und zwischen dem ersten und dem zweiten stabilen
Arbeitspunkt einen instabilen Arbeitsbereich im UI-Kennlinienfeld
aufweist. Sie betrifft überdies
ein Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe an einer derartigen
Schaltungsanordnung.
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Stand der
Technik
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Zur
Darlegung der der Erfindung zugrunde liegenden Problematik wird
zunächst
auf das in 1 dargestellte UI-Kennlinienfeld
verwiesen, das die Abhängigkeit
von Lampenstrom IL und Lampenspannung UL zum einen von der Frequenz f, mit der der
Wechselrichter betrieben wird, zum anderen von der Umgebungstemperatur
T wiedergibt. Da eine Entladungslampe zur Verhinderung von Schaltverlusten üblicherweise
im induktiven Betrieb betrieben wird, führt eine Erhöhung der
Frequenz f, mit der der Wechselrichter betrieben wird, zum Dimmen,
d. h. zur Absenkung des Lampenstroms bzw. der in der Lampe umgesetzten
Leistung. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel entspricht
die niedrigste Frequenz feiner Frequenz von 40 kHz, die höchste Frequenz feiner
Frequenz von 72 kHz. Betrachtet man sich in 1 beispielsweise
die temperaturabhängige UI-Kennlinie
der Entladungslampe für
T = 35° C,
so führt
eine Erhöhung Δf der Frequenz
f ausgehend von einem ersten stabilen Arbeitspunkt P35-1 zu
einem zweiten stabilen Arbeitspunkt P35-2.
Dies liegt daran, dass sich beim Arbeitspunkt P35-2 die
temperaturabhängige
UI-Kennlinie der Entladungslampe mit der frequenzabhängigen UI-Kennlinie des Schwingkreises
im Punkt P35-2 schneidet, wodurch ein Arbeitspunkt,
gekennzeichnet durch einen bestimmten Lampenstrom IL und
durch eine bestimmte Lampenspannung UL,
definiert ist. Dies gilt in entsprechender Weise für die temperaturabhängige UI-Kennlinie
der Entladungslampe für
T = 20° C
und für
jedes beliebige Δf.
Anders ist dies für
Kennlinien bei niedrigerer Temperatur, siehe beispielsweise die
Kennlinie für
T = 10° C
in 1: Ausgehend von einem Arbeitspunkt P10-2 ermöglicht eine
minimale Erhöhung
der Frequenz f nicht mehr, dass sich der Lampenstrom und damit die Leistung
entsprechend minimal verringert, sondern sich sprunghaft der stabile
Arbeitspunkt P10-4 einstellt (siehe die
zugehörige
Kennlinie), was quasi einem Ausgehen der Entladungslampe entspricht.
Die gleiche Problematik in entgegen gesetzter Richtung findet man
im Arbeitspunkt P10-3. Hier ergibt eine
minimale Verringerung der Frequenz feinen Sprung in den Arbeitspunkt
P10-5 und damit eine Erhöhung des Lampenstroms. Damit
ist die Einstellung eines Arbeitspunkts, wie zum Beispiel des zwischen
den Punkten P10-2 und P10-3 gelegenen
Punkts P10-1, und damit ein kontinuierliches
Dimmen in diesem Bereich nur noch erschwert, häufig sogar gar nicht mehr möglich.
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2 zeigt
den zeitlichen Verlauf des Lampenstroms IL,
der Lampenspannung UL sowie einer Spannung
Uf, die mit der Frequenz f korreliert ist.
In dem dargestellten Beispiel betrug die Zeitkonstante der Lampe
10 μs, während die
Regelvorrichtung als digitale Regelvorrichtung ausgeführt war
mit einer Zeitkonstante von 50 μs.
Wie diese Darstellung erkennen lässt,
führt ein
Konstanthalten der Frequenz f – entsprechend
einem Konstanthalten der Spannung Uf – zu einem
Ausgehen der Entladungslampe, wie an dem Zurückgehen des Stroms IL und einem Ansteigen der Spannung UL erkennbar ist. Weiterhin erkennbar ist,
dass die Regelvorrichtung erst dann mit einer Frequenzerniedrigung
reagiert, wenn die Entladungslampe bereits ausgegangen ist. Dies
führt zu einem
erneuten Zünden
der Entladungslampe, wobei diese jedoch innerhalb von ca. 950 μs wieder
zum Erlöschen
kommt.
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Eine
Regelvorrichtung, die geeignet ist, die Lampe in dem instabilen
Arbeitsbereich zu betreiben, zeichnet sich im Stand der Technik
dadurch aus, dass die Regelung schneller erfolgt als die Lampe infolge
ihrer Trägheit
reagieren kann. Unter nochmaliger Bezugnahme auf die Kennlinie für T = 10° C von 1 würde eine
Regelvorrichtung, um die Entladungslampe zum Beispiel im Punkt P10-1 zu betreiben, ausgehend vom Arbeitspunkt
P10-2 zunächst die Frequenz f erhöhen. Daraufhin
verringert die Entladungslampe aufgrund ihrer Trägheit nicht sprunghaft, sondern
kontinuierlich, d.h. mit einer bestimmten Zeitkonstante, den Lampenstrom
bzw. ihre Leistung, um den Arbeitspunkt P10-4 zu
erreichen. Bemerkt die Regelvorrichtung eine Unterschreitung des
für den Punkt
P10-1 einzustellenden Lampenstroms, erniedrigt
sie die Frequenz bis der einzustellende Lampenstrom wieder überschritten
wird und damit die Frequenz erneut erhöht wird. Ist die Regelvorrichtung schnell
genug, wird die Entladungslampe dynamisch innerhalb eines kleinen
Arbeitsbereiches um den Arbeitspunkt P10-1 betrieben.
Mit abnehmender Regelgeschwindigkeit wird der so durchfahrene Arbeitsbereich
immer größer, bis
schließlich
zwei stabile Arbeitspunkte erreicht werden. Je größer dieser
Arbeitsbereich wird, umso größer wird
der Crestfaktor des Lampenstroms, der zu einer vorzeitigen Alterung der
Lampe führt. Überdies
können
Flimmer- und Flackererscheinungen
auftreten.
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Ist
die Regelvorrichtung schnell genug, kann erreicht werden, dass die
Lampe in dem Sollarbeitsbereich zwischen zwei stabilen, von der
Frequenz f abhängigen
Arbeitspunkten betrieben wird. Der gewünschte Sollarbeitsbereich lässt sich
demnach einstellen, wenn eine Regelvorrichtung verwendet wird, deren
Zeitkonstante deutlich kleiner ist als die Zeitkonstante, die durch
die Entladungslampe vorgegeben ist, d. h. mit der die Entladungslampe
auf eine Änderung
der Frequenz mit einer Änderung
des Lampenstroms bzw. der Lampenleistung reagiert. Eine Alternative
zur Verhinderung des Ausgehens der Lampe oder des Betriebs im instabilen
Arbeitsbereich besteht darin, dass der Dimmbereich der Entladungslampe
nach unten begrenzt wird, beispielsweise auf 3, 10 oder 30 % der
maximal in der Lampe umgesetzten Leistung.
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Schnelle
Regelvorrichtungen, gleichgültig
ob sie analog oder digital ausgeführt sind, verbrauchen mehr
Energie, sind aufwändig
aufgebaut und daher teuer.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die eingangs
genannte Schaltungsanordnung bzw. das eingangs genannte Verfahren
derart weiterzubilden, dass der Betrieb einer Entladungslampe in
dem gewünschten
Arbeitsbereich auch mit langsameren und dadurch kostengünstigeren
Regelvorrichtungen ermöglicht
wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch
1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch
14.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der Betrieb
mit langsamen Regelvorrichtungen, d. h. mit Regelvorrichtungen,
die eine Zeitkonstante aufweisen, die größer gleich der Zeitkonstante
ist, die durch die Reaktionszeit der Entladungslampe für eine Frequenzänderung
vorgegeben ist, ermöglicht
wird, wenn die Ansteuervorrichtung ausgelegt ist, die Frequenz,
mit der der Wechselrichter betrieben wird, fortwährend, d.h. kontinuierlich und/oder
in Sprüngen,
zu variieren und zwar derart, dass die Schaltungsanordnung in dem
instabilen Arbeitsbereich betrieben wird. Sie basiert weiterhin
auf der Erkenntnis, dass durch die erfindungsgemäßen Frequenzänderungen
quasi eine künstliche
Verlangsamung der Reaktionszeit der Lampe im Bereich des instabilen
Sollarbeitsbereichs erreicht wird, wodurch langsameren Regelvorrichtungen
mehr Zeit zur Ermittlung der Stellgröße gewährt wird, bevor einer der unerwünschten
stabilen Arbeitspunkte erreicht wird. Die Stellgrößen der
Regelvorrichtung können
beispielsweise die Lampenleistung P, die Lampenspannung UL oder der Lampenstrom IL sein.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen
regelt die Regelvorrichtung im Hinblick auf die zeitliche Variation
der Frequenz bevorzugt auf die entsprechenden Mittelwerte.
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Für die Art
der Variation der Frequenz sind eine Vielzahl von Realisierungen
möglich:
Dabei sind die optimalen Zeitdauern, mit denen der Wechselrichter
mit der jeweiligen Frequenz angesteuert wird, von der Reaktionszeit
der Lampe abhängig.
Ist, wie erwähnt,
die Zeitkonstante der Lampe kleiner als die Zeitdauer zwischen zwei
Frequenzänderungen,
können
sich die stabilen Arbeitspunkte einstellen. Ist die Zeitkonstante
der Lampe größer als
die Zeitdauer zwischen zwei Frequenzänderungen, werden die stabilen
Arbeitspunkte nicht mehr erreicht, wobei sich der Arbeitsbereich
der Lampe mit zunehmender Änderungsgeschwindigkeit,
d. h. kleiner werdender Dauer, während
der die jeweilige Frequenz angelegt wird, immer dichter um den Sollarbeitspunkt
innerhalb des instabilen Arbeitsbereichs bewegt. In Bezug auf den
instabilen Arbeitspunkt P10-1, siehe 1, wird
dieser nicht mehr fix eingenommen, sondern fortwährend über- und unterschritten. Mit
anderen Worten: Gehen die Änderungen
so schnell vonstatten, dass die Lampe ihnen aufgrund ihrer Trägheit nicht
mehr folgen kann, ist das Kippen in einen stabilen Arbeitspunkt
nicht mehr möglich.
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Wird
der Sollwert des Regelparameters geändert, wird demnach in einem
einfachen Ausführungsbeispiel,
bei dem zwischen zwei Frequenzen hin- und hergeschaltet wird, die
Mittenfrequenz geändert,
was sich dann auf die beiden tatsächlichen Betriebsfrequenzen
auswirkt, mit denen die Lampe betrieben wird.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
demnach die Ansteuervorrichtung ausgelegt, die Entladungslampe zumindest
während
einer ersten Zeitdauer mit einer ersten vorgebbaren Frequenz und
zumindest während
einer zweiten Zeitdauer mit einer zweiten vorgebbaren Frequenz zu
betreiben. In Erweiterung des Ausführungsbeispiels ist es selbstverständlich möglich, dass
die Ansteuervorrichtung ausgelegt ist, die Entladungslampe während mindestens
einer weiteren Zeitdauer mit mindestens einer weiteren vorgebbaren
Frequenz zu betreiben. Dies schließt den Fall ein, die Entladungslampe
mit einer Vielzahl von vorgebbaren Frequenzen zu betreiben, wobei
die zugehörigen
Zeitdauern gleich oder ungleich sein können. Dabei ist bevorzugt,
wenn die Zeitdauern zyklisch wiederholt werden.
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Die
Ansteuervorrichtung kann auch ausgelegt sein, die bestimmten, vorgebbaren
Frequenzen zugeordneten Zeitdauern während des Betriebs der Entladungslampe
konstant zu halten oder zu variieren. Bevorzugt ist die Ansteuervorrichtung
ausgelegt, die vorgebbare(n) Frequenzen) derart zu variieren, dass
ein Betrieb der Entladungslampe in einem stabilen Arbeitspunkt verhindert
wird. Dadurch wird ermöglicht,
dass die Lampe in dem gewünschten
instabilen Arbeitsbereich zwischen den beiden stabilen Arbeitspunkten
betrieben wird. Alternativ oder zusätzlich zur Variation der vorgebbare(n)
Frequenzen) kann bzw. können
die Zeitdauer(n) entsprechend variiert werden, so dass ein Betrieb
der Entladungslampe in einem stabilen Arbeitspunkt verhindert wird.
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Insbesondere
ist bevorzugt, wenn die Ansteuervorrichtung ausgelegt ist, die vorgebbare(n) Frequenzen)
und/oder die Zeitdauer(n) derart zu variieren, dass sich der eingestellte
Arbeitspunkt dynamisch zwischen dem ersten und dem zweiten stabilen
Arbeitspunkt bewegt.
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Der
Regelparameter der Regelvorrichtung ist bevorzugt der Istwert des
Lampenstroms und/oder der Istwert der Lampenleistung und/oder der
Istwert der Lampenspannung. Die Regelvorrichtung ist bevorzugt zur
Zuführung
eines Dimmsignals ausgelegt, das einem Sollwert des Lampenstroms
oder der Lampenleistung oder der Lampenspannung entspricht, wobei
der Regelvorrichtung eine Tabelle oder ein formelmäßiger Zusammenhang
zugeordnet ist, so dass auf der Basis zumindest des Dimmsignals und
des Istwerts des Lampenstroms oder der Lampenleistung oder der Lampenspannung
die vorgebbaren Frequenzen und/oder die vorgebbaren Zeitdauern bereitstellbar
sind. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Tabelle oder der
formelmäßige Zusammenhang
weiterhin den Crestfaktor berücksichtigt.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
von erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtungen
ist die Regelvorrichtung ausgelegt, mit einer Schrittweite von 10 μs und größer, insbesondere
mit einer Schrittweite von 50 μs,
zu arbeiten.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
mit Bezug auf die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen
und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben einer Entladungslampe.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnung(en)
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Im
Nachfolgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
UI-Kennlinienfeld, in dem drei temperaturabhängigen UI-Kennlinien einer
Entladungslampe und eine Vielzahl von frequenzabhängigen UI-Kennlinien
eines Schwingkreises einer aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnung zum
Betreiben einer Entladungslampe eingezeichnet sind;
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2 den
zeitlichen Verlauf des Lampenstroms IL,
der Lampenspannung UL und einer mit der Frequenz
f korrelierten Spannung Uf bei einer aus dem
Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnung;
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3 in
schematischer Darstellung den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
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4 die
Variation der Frequenz über
der Zeit sowie den entsprechenden zeitlichen Verlauf des Lampenstroms
IL bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
und
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5 den
zeitlichen Verlauf des Lampenstroms IL,
der Lampenspannung UL und einer mit der Frequenz
f korrelierten Spannung Uf bei einem Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Bevorzugte
Ausführung
der Erfindung
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3 zeigt
in schematischer Darstellung den Aufbau eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Dabei liegt an der Serienschaltung der zwei Schalter S1, S2 in Halbbrückenanordnung
die so genannte Zwischenkreisspannung UZW,
an. Diese beträgt
je nach Ausführungsform
ca. 100 bis 450 V und wird üblicherweise
aus der Netzspannung über
einen Gleichrichter und einen Glättungskondensator
erzeugt. Der Halbbrückenmittelpunkt
HB ist über
eine Lampendrossel LD mit einem ersten Anschluss
der Lampe LA verbunden. Mit diesem Anschluss ist überdies
ein Kondensator C1 verbunden, der zusammen mit der Lampendrossel
LD einen Schwingkreis bildet und insbesondere
zur Zündung
der Lampe LA ausgelegt ist. Der durch die Lampe LA fließende Strom
ist mit IL bezeichnet, die an der Lampe
abfallende Spannung mit UL. Der andere Anschluss
der Lampe LA ist über
die Primärinduktivität L1 eines
Transformators Tr einerseits über
einen Koppelkondensator CK1 mit der Zwischenkreisspannung
UZW verbunden, andererseits über einen
Koppelkondensator CK2 mit einem Bezugspotential,
vorliegend Masse. Der erste Lampenanschluss ist über einen ersten Spannungsteiler
umfassend die Widerstände
R1 und R2, der zweite Anschluss der Lampe LA über einen zweiten Spannungsteiler
umfassend die Widerstände
R3 und R4 mit dem Bezugspotential verbunden. Die jeweiligen Abgriffe
der beiden Spannungsteiler sind zur Ermittlung einer Spannung, die
mit der Lampenspannung UL korreliert ist,
mit einer Messvorrichtung 10 verbunden. Diese misst neben
dem Istwert der Spannung UL über der
Lampe LA durch Auswertung des Signals des von der Sekundärinduktivität L2 des
Transformators Tr gelieferten Signals den Istwert des Lampenstroms
IL. Die Messvorrichtung 10 kann
weiterhin ausgelegt sein, aus dem Lampenstrom IL und
der Lampenspannung UL die in der Lampe umgesetzte Leistung
P zu ermitteln. Aus dem Lampenstrom IL kann überdies
der Crestfaktor ermittelt werden. Eine von mehreren Alternativen
zur Ermittlung der Lampenleistung besteht darin, zwischen den Schalter
S2 der Halbbrückenanordnung
und das Bezugspotential einen Shunt-Widerstand zu koppeln und aus
der an diesem Shunt-Widerstand abfallenden Spannung die in der Lampe
umgesetzte Leistung zu berechnen.
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Eine
Referenzwertvorrichtung 12 stellt einen Sollwert für den Lampenstrom
IL und/oder für die Lampenspannung UL und/oder für die Lampenleistung P bereit,
und zwar in Abhängigkeit
eines über eine
Schnittstelle zugeführten
Dimmsignals SD. Eine Vergleichsvorrichtung 14,
der der Istwert der entsprechenden Größe(n) IL,
UL, P über
die Messvorrichtung 10 sowie der entsprechende Sollwert über die
Referenzwertvorrichtung 12 zugeführt wird, entnimmt in Abhängigkeit
dieser Werte aus einer Tabelle 16, mit welchen Frequenzen
und welchen den jeweiligen Frequenzen zugeordneten Zeitdauern die
Schalter S1, S2 der Halbbrückenanordnung
anzusteuern sind. Anstelle einer Tabelle kann der Vergleichsvorrichtung 14 auch
ein entsprechender formelmäßiger Zusammenhang
zugeordnet sein. Diese Information wird an die Ansteuervorrichtung 18 bereitgestellt,
die daraufhin die Schalter S1, S2, insbesondere zyklisch sich wiederholend
bis zu einer Änderung
des Signals SD, entsprechend ansteuert.
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4 zeigt
für ein
einfaches Ausführungsbeispiel
die zeitliche Abfolge der Frequenzvariation. Während der Zeitdauer t1 minus t0 werden
die Schalter S1, S2 der Halbbrücke
mit einer Frequenz f1 betrieben, während der
Zeitdauer t2 minus t1 mit
einer Frequenz f2. Diese Variation der Frequenz
schlägt sich,
wie in 4 dargestellt, im zeitlichen Verlauf des Lampenstroms
IL nieder: Während der Zeitdauer t1 minus t0 weist
der Lampenstrom IL die Frequenz f1, während
der Zeitdauer t2 minus t1 die
höhere
Frequenz f2 auf. Wie in der Darstellung
von 4 oben gekennzeichnet, können sowohl die Zeitdauern
t1 als auch t2 variiert
werden, ebenso die Frequenzen f1 und f2.
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Wie
bereits weiter oben erwähnt,
ist von der Erfindung mitumfasst, weitere Frequenzen und entsprechende
Zeitdauern hinzuzunehmen. Hierbei ist insbesondere auch eine ständige Variation
der Frequenz (entsprechend einer jeden Einzelfrequenz infinitesimal
kleinen zugeordneten Zeitdauer) mitumfasst. Insbesondere können auch
Frequenzen gewählt
werden, die im stationären
Betrieb das Ausgehen der Lampe bedeuten würden.
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5 zeigt
den zeitlichen Verlauf des Lampenstroms IL,
der Lampenspannung UL sowie einer Spannung
Uf, die mit der Frequenz f korreliert ist,
für ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Wenngleich der zeitliche Verlauf der Spannung Uf als
dreieckförmig
dargestellt ist, ist er tatsächlich
rechteckig. Die Dreiecksform ergibt sich aufgrund der begrenzten
Flankensteilheit des im Ausführungsbeispiel
verwendeten D/A-Wandlers. Ein
Vergleich mit 2, bei der der Lampenstrom IL in derselben Auflösung dargestellt ist, zeigt,
dass nunmehr mit einem deutlich kleineren Strom IL von 14,7
mA ein stabiler Betrieb ermöglicht
wird. Während
bei dem Ausführungsbeispiel
von 5 die Frequenz zwischen ca. 91 kHz und 101 kHz
gewechselt wurde, lag diese bei dem Beispiel von 2 bei ca.107kHz.