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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf den Betrieb
von Leuchtmitteln, wie beispielsweise Hochdrucklampen oder Gasentladungslampen
oder LEDs.
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Die
Erfindung bezieht sich genauer gesagt auf die Ansteuerung von Leuchtmitteln
mittels Betriebsgeräten,
wobei in dem Betriebsgeräten
in zunehmenden Maße
integrierte digitale Schaltungen, wie beispielsweise ASICs vorgesehen
sind. „Integrierte
Schaltung" wird
im folgenden austauschbar mit „Chip" verwendet.
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(Anmerkung:
der Begriff „ASIC" umfasst natürlich auch „ASSPs" (Application Specific
Standard Product, d. h. Chips, die von mehreren Kunden eingesetzt
werden können.)
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Vor
dem eigentlichen Betrieb des ASICs muß dieser nach dem Zustand RESET
bekanntlich eine Hochfahrphase (Booten) durchlaufen. Diese Hochfahrphase
wird also jedes Mal durchlaufen, wenn der ASIC neu mit Spannung
versorgt wird. In dieser Hochfahrphase werden verschiedene Zustände durchlaufen,
die grundlegende Hardwaretests betreffen, wie beispielsweise eine Überprüfung der
Spannungsverhältnisse
in dem Betriebsgerät
sowie ein Erfassen der durch eine äußere Beschaltung eines Konfigurationspins
vorgesehenen Konfiguration des ASICs umfassen.
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Die
Zustände
des Bootvorgangs sind üblicherweise
durch eine Boot-Software auf einem internen ROM des ASIC definiert.
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Im
eigentlichen Betrieb des ASICs erfolgt dessen Niederspannungsversorgung
beispielsweise ausgehend von einer Halbbrücke, die zwei in Serie geschaltete
wechselseitig getaktete Schalter aufweist, die mit einer DC-Spannung
(Busspannung Ubus) versorgt werden. Diese
Halbbrückenschaltung setzt
die zugeführte
DC-Busspannung in eine AC-Betriebsspannung für Leuchtmittel um, wobei der Spannungsabgriff
zur Versorgung eines Lastkreis mit den Leuchtmitteln üblicherweise
am Mittenpunkt MP zwischen den beiden Schaltern erfolgt.
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Solange
indessen diese Halbbrückenschaltung
noch nicht betrieben ist, was insbesondere bei der in der Hochfahrphase
des ASICs sein kann, kann somit auch die Niederspannungsversorgung
des ASICs nicht ausgehend von beispielsweise dem Mittenpunkt der
Halbbrücke
erfolgen.
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Üblicherweise
ist eine Hilfsspannungsversorgung für diese Phase vor dem Betrieb
der Halbbrücke
vorgesehen, wobei diese Hilfsspannungsversorgung mittels eines sogenannten
Anlaufwiderstands erfolgt, der zwischen dem Spannungsversorgungspin
VCC des Gehäuses („Package") des ASICs und einem Ausgang eines
Gleichrichters AC/DC geschaltet ist, wobei dieser Gleichrichter
eine zugeführte
Netzversorgungsspannung in eine gleichgerichtete Spannung umsetzt.
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Der
Anlaufwiderstand RA muss also derart bemessen
sein, dass der ihn durchfließende
Versorgungsstrom Istartup, der dem Spannungsversorgungspin
VCC des ASICs zugeführt wird, eine ausreichende Versorgungsleistung
für den
ASIC in dieser Hochfahrphase darstellt. Einerseits darf er also
somit in der Hochfahrphase nicht zu hochohmig bemessen sein, um
nicht die Leistungsversorgung des ASICs zu gefährden. Andererseits fließt natürlich dieser
Versorgungsstrom Istartup auch im Dauerbetrieb
des ASICs dann durch den Anlaufwiderstand RA,
was in diesem Zustand dann eine reine Verlustleistung darstellt.
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Die
Erfindung zielt daher darauf ab, eine Technik bereit zu stellen,
die den notwendigen Versorgungsstrombedarf für eine integrierte Schaltung
in deren Hochfahrphase möglichst
gering hält.
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Dieser
Aspekt wird gemäß der vorliegenden Erfindung
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter
Weise weiter.
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Gemäss einem
ersten Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen ein Verfahren zum
Hochfahren (Booten) eines ASICs eines Betriebsgeräts für Gasentladungslampen,
bspw. ausgehend von einem Reset-Zustand.
Dabei erfolgt als erster Zustand des ASICs eine Erfassung der an
dem Betriebsgerät
anliegenden Netzspannung. Weitere Zustände werden erst bei Erfassen
einer ordnungsgemässen
Netzspannung eingenommen.
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Die
Spannungsversorgung des ASICS erfolgt während der Erfassung der Netzspannung über einen
Anlaufwiderstand.
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Nach
Erfassen des Anliegens einer korrekten Netzspannung kann eine Phase
folgen, in der der ASIC intern eine Erfassung einer extern an einem Konfigurierungseingang
vorliegenden Beschaltung durchführt.
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Der
ASIC kann in dem Zustand der Netzspannungserfassung eine korrekte
Netzspannung erkennen, wenn ein die Netzspannung wiedergebendes,
an einen Pin des ASIC geführtes
Messsignal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
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Der
ASIC kann das zugeführte
Netzspannungssignal intern einem AD-Wandler zuführen, der in mehrere Bereiche
unterteilt ist, wobei in dem Zustand der Erfassung der Netzspannung
nur derjenige Bereich durch den ASIC aktiv geschaltet ist, in dessen
Bereich der Erwartungswert für
eine korrekte Netzspannung liegt, während die übrigen Bereiche durch den ASIC
inaktiv geschaltet sind.
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Der
aktiv geschaltete Bereich des AD-Wandlers kann ein Komparator sein
(„1 Bit
Wandler").
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Betrieb eines ASICS eines Betriebsgeräts für Gasentladungslampen. Der ASIC
führt dabei
ein an einem Erfassungspin zugeführtes
Messsignal, das die Netzspannung an dem Betriebsgerät wiedergibt,
intern einem AD-Wandler zu, der in mehrere Bereiche unterteilt ist.
In dem Zustand der Erfassung der Netzspannung ist nur derjenige
Bereich des AD-Wandlers durch den ASIC aktiv geschaltet, in dessen
Bereich der Erwartungswert für eine
korrekte Netzspannung liegt, während
die übrigen
Bereiche durch den ASIC inaktiv geschaltet sind.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine integrierte digitale Steuereinheit,
insbesondere ein ASIC, die zur Ausführung eines derartigen Verfahrens
ausgebildet ist.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf Betriebsgeräte für Leuchtmittel mit einer derartigen
Steuereinheit, wie bspw. Elektronische Vorschaltgeräte für Gasentladungslampen
oder Hochdrucklampen ist.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
sollen nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen erläutert werden.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung, und
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2 zeigt
ein Zustandsdiagramm eines erfindungsgemässen ASIC in einer Zusammenschau mit
dem jeweils benötigten
Strombedarf ISUPPLY.
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In 1 ist
schematisch ein Betriebsgerät für eine Lampe
dargestellt. Wie dargestellt, wird eine Netzversorgungsspannung
Unetz einem Gleichrichter AC/DC zugeführt. Die
gleichgerichtete Netzspannung wird dann einer Zwischenkreisschaltung
PFC (Power Factor Correction, Leistungsfaktorkorrekturschaltung)
zugeführt.
Diese PFC-Schaltung sorgt dafür,
dass das Betriebsgerät
gegenüber
der Netzspannung Unetz eine hinsichtlich
des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung näherungsweise einem ohmschen
Widerstand entsprechende Leistungsaufnahme zeigt.
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Die
Zwischenkreisschaltung PFC stellt eine vorzugsweise geregelte DC-Spannung
(Zwischenkreisspannung) Ubus bereit. Mit
dieser geregelten Zwischenkreisspannung Ubus wird
eine Halbbrückenschaltung
HB versorgt. Diese Halbbrückenschaltung HB
weist zwei in Serie geschaltete und wechselseitige Taktschalter
S1, S2 auf. An dem Mittenpunkt der Schalter S1, S2 kann somit eine
AC-Spannung zur Versorgung
des Lastkreises mit der den Leuchtmitteln (Lampe) angeschlossen
werden.
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Die
Schalter S1, S2 werden durch eine zentrale integrierte, vorzugsweise
digital implementierte Steuerschaltung wie beispielsweise einem
ASIC angesteuert.
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Der
ASIC kann im wesentlichen digital ausgeführt sein, d. h. er kann auch
ein „Mixed
Signal" ASIC sein,
der zusätzlich
zu digitalen Schaltkreisen auch analoge Schaltungen wie z. B. A/D-Wandler aufweist.
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Zur
Umsetzung der ihm zugeführten
Rückführsignale
weist der ASIC einen oder mehrere interne A/D-Wandler auf.
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Zur
Ausgabe von Steuersignalen kann die integrierte Schaltung mit internen
Treibern, wie bspw. MOSFET-Treibern
versehen sein. Ein Beispiel dafür sind
interne Treiber für
die Schalter der Halbbrücke.
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Wie
bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, wird im laufenden Betrieb
der Halbbrücke, also
bei wechselseitig getakteten Schaltern S1, S2, eine Niedervoltversorgung
für den
ASIC beispielsweise an dem Mittenpunkt MP der Halbbrücke oder auch
an anderen Punkten der Halbbrücke
HB abgegriffen. Schematisch ist dabei ein ohmscher Widerstand HB
gezeigt. Diese Niedervoltspannungsversorgung wird dem Pin VCC des ASICs zugeführt.
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Solange
indessen die Halbbrücke
noch nicht ordnungsgemäß betrieben
wird, kann an der Halbbrücke
auch keine ordnungsgemäße Spannungsversorgung
VCC für
den ASIC bereit gestellt werden.
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Für diese
Phase ist ein Anlaufwiderstand RA zwischen
dem Ausgang des Gleichrichters AC/DC und dem Spannungsversorgungspin
VCC des ASICs geschaltet. Dieser Anlaufwiderstand RA wird
durch einen Anlaufstrom Istartup durchflossen.
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Es
sei angemerkt, dass die Darstellung der Niedervoltspannungsversorgung
ausgehend von der Halbbrücke
bzw. mittels des Anlaufwiderstands RA nur
sehr schematisch mit dem ohmschen Widerstand RHB und
RA dargestellt ist und üblicherweise weitere Filterelemente
(Kondensatoren etc.) zur Stabilisierung dieser Versorgungsspannungen
vorgesehen sind.
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Auch
wenn die Halbbrücke
noch keine Niedervoltspannungsversorgung für den ASIC bereit stellt, wird
natürlich
in der Anlaufphase des ASICs, d. h. ausgehend von dessen Zustand
(RESET) bereits ein Strom Istartup den Anlaufwiderstand
RA durchfließen und somit eine Leistungsversorgung
an dem PIN VCC für den ASIC in dieser Phase
bereit stellen.
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Der
Widerstandswert des Anlaufwiderstands RA muss
dabei so bemessen sein, dass einerseits während der Anlaufphase ein ausreichender
Strom Isupply für den ASIC bereit gestellt
wird und andererseits beim ständigen
,Mitlaufen' des
Anlaufwiderstands RA die bei an ihm anfallende
Verlustleistung möglichst
gering ist.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung, die in 2 illustriert
ist, wird die durch den Anlaufwiderstand RA bereitzustellende Leistung
für den
ASIC dadurch verringert, dass eine modifizierte Zustandsabfolge
der Zustände
(States) des ASICs in dessen Hochfahrvorgang (Booten) gewählt ist.
Diese modifizierte Zustandsabfolge ist durch die in einem internen ROM
des ASICS abgelegte Boot-Software definiert.
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In 2 sind
die Zustände
,Reset', Erfassung
der Netzeingangsspannung ,Wait Vin', Vorbereitung der Konfigurierungserfassung
,CFGPREP', Ausführung der
Konfigurierungserfassung ,Config' und
Beginn des regulären
Betriebs ,Startup' in
einem Zeitverlaufsdiagramm dargestellt. Gemäß der Erfindung werden also
beim Hochfahren der integrierten Schaltung nach einem Reset die
oben genannten Zustände
in der oben genannten Reihenfolge durchlaufen.
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In 2 sind
auch dargestellt, die jeweils aktiv (on) oder inaktiv (off) geschalteten
Elemente ,AD-Wandler des ASICs' ADC,
Zwischenkreisschaltung PFC und Halbbrückenschaltung HB.
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Gleichzeitig
ist in 2 auch ein Zeitverlaufsdiagramm des notwendigen
Versorgungsstroms Isupply zu jedem Zeitpunkt
dargestellt.
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Mit
,Istartup_Max' ist schematisch der Strompegel dargestellt,
der gemäß der vorliegenden
Erfindung maximal durch den Anlaufwiderstand RA bereit
gestellt werden muss.
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In
dem Zustand ,Reset' wird
die Takteinheit (Clock Clk) noch mit niedriger Leistung (Low Power LP)
versorgt. Der interne AD-Wandler ADC des ASICs, die Zwischenkreisschaltung
PFC sowie die Halbbrücke
HB sind zu diesem Zustand abgeschaltet. Dementsprechend ist auch
die durch den Anlaufwiderstand RA bereitzustellende
Leistung sehr niedrig.
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In
einer folgenden Phase ,WaitVin' wird
nunmehr der AD-Wandler
ADC im ASIC aktiv geschaltet. Wie aus 1 schematisch
dargestellt, wird diesem ADC ein Messsignal an einem Pin Vin zugeführt,
dass die Netzspannung Unetz repräsentiert.
Der Zustand WaitVin wird solange beibehalten, bis eine korrekte Netzspannung
Unetz erfasst wurde, d. h. beispielsweise
solange bis die Erfassung der Netzspannung das Überschreiten eines vorgegebenen
Schwellenwerts für
diese angezeigt hat. Zu diesem Zeitpunkt der Erfassung der Netzspannung
ist die Zwischenkreisschaltung PFC sowie die Halbbrücke HB immer
noch inaktiv geschaltet, was den Strombedarf zu diesem Zeitpunkt
verhälnismäßig niedrig
hält. Wie
gesagt, auch zu diesem Zeitpunkt der Phase WaitVin muss die Spannungsversorgung
für den
ASIC über
den Anlaufwiderstand RA erfolgen, da die
Halbbrücke
noch inaktiv geschaltet ist.
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Nur
wenn eine korrekte Netzspannung in der Phase WaitVin erfasst wurde,
wird in die weiteren Zustände übergegangen.
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Bei
korrekter Erfassung der Netzspannung wird in einem Zustand CFGprep
der Betrieb der Halbbrückenschaltung
HB aufgenommen, d. h. der ASIC beginnt die Schalter S1, S2 mit einer
vorgegebenen Frequenz wechselseitig zu takten. In diesem Zustand kann
der Strombedarf stark ansteigen, da ja nunmehr die Niedervoltspannungsversorgung
ausgehend beispielsweise von dem Mittenpunkt der Halbbrücke HB erfolgen
kann. Die Spannungsversorgung für
den Anlaufwiderstand RA ist zu diesem Zeitpunkt
ohne Bedeutung.
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Da
wie in 2 dargestellt während der Zeitdauer WaitVin
sowohl die Zwischenkreisspannung PFC wie auch die Halbbrücke HB noch
inaktiv geschaltet sind, ist der durch den Anlaufwiderstand RA bereit zu stellende Strom Istartup sehr
gering, so dass der Widerstandswert des Anlaufwiderstands RA sehr hochohmig gewählt werden kann, was natürlich die thermischen
Verluste im weiteren Betrieb erniedrigt.
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In
dem Zustand CFGprep wird die Erfassung eines Konfigurierungszustands
des ASIC durchgeführt.
Dazu ist wenigstens ein Pin CFG an dem ASIC vorgesehen, der extern
beispielsweise mit der äußeren Beschaltung
RCFG verbunden werden kann. Der Typ und/oder
die elektrischen Eigenschaften (Widerstandswert etc.) der äußeren Beschaltung
geben eine Konfigurierung für
den ASIC vor, d. h. der ASIC wird abhängig von der äußeren Beschaltung
bestimmte Betriebsparameter für
den Bereich der Netzspannung, der Zwischenkreisspannung PFC, der Halbbrücke oder
des Lastkreis einstellen.
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Wie
in 1 schematisch dargestellt, kann der Konfigurierungseingang
CFG gleichzeitig auch einen Messeingang darstellen, beispielsweise
zur Erfassung des Halbbrückenstroms
mittels eines Messwiderstands RS. Wie schematisch
dargestellt, kann alternativ der Konfigurierungseingang CFG auch
ein Messeingang für
den Lampenstrom Iarc sein, der mittels der
Spannung an einem weiteren Messwiderstand (Shunt) RS,
abgegriffen wird.
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In
dieser Konfigurierungsphase CFGprep und CONFIG wird die Halbbrückenschaltung
nunmehr betrieben.
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Die
Erfassung der Konfigurierung an dem Eingang CFG kann dadurch erfolgen,
dass an dem Pin CFG intern der ASIC eine Spannungs- oder Stromquelle
anschaltet und dann den Potentialverlauf an dem Pin CFG auswertet.
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Um
Indifferenzen mit dem Betrieb der Halbbrücke HB zu vermeiden, kann vorzugsweise
diese Konfigurierungs-Messphase
mit der Halbbrückenansteuerung,
d. h. der Ansteuerung des Schalter S1, S2 derart synchronisiert
sein, dass die Auswertung die Konfigurierungsbeschaltung an dem
Pin CFG immer dann erfolgt, wenn der Schalter S2 auf nicht leitend geschaltet
ist.
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Wenn
auch die Konfigurierung in der Phase CONFIG erfolgreich abgeschlossen
ist, geht der ASIC in seine normale Betriebsphase STARTUP über.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung kann eine weitere Verringerung der
Leistungsaufnahme des ASICs in der Hochfahrphase und insbesondere
in der Phase der Netzspannungserfassung (Zustand WaitVin) dadurch
erreicht werden, dass der ADC in dem ASIC in mehrere Bereiche, beispielsweise
in zwei unterschiedliche Bereiche aufgeteilt ist. Es ist in dem
ASIC eine Logik-Schaltung
L vorgesehen, die selektiv die verschiedenen Bereiche des ADCs aktiv
oder inaktiv schaltet. Mit DAC ist ein D/A-Wandler bezeichnet, der
zur Schwellenwertvorgabe für
die unterschiedlichen Bereiche des ADC dient. Für den jeweils aktiv geschalteten
Bereich des ADCs ist auch der entsprechende DAC aktiv geschaltet.
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Die
unterschiedlichen Bereiche des ADCs decken unterschiedliche Eingangswerte
ab.
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Erfindungsgemäß ist nunmehr
nur derjenige Teil des ADCs aktiv geschaltet, dessen Erfassungsbereich
den Erwartungswert (d. h. beispielsweise den zu überschreitenden Sollwert) für die Netzspannung
umfasst. Der jeweils andere Teil des ADCs ist inaktiv geschaltet,
was die Leistungsaufnahme in diesen Zustand WaitVin des ASICs verringert.
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Der
aktiv geschaltete Teil des ADCs für die Erfassung einer korrekten
Netzspannung in dem Zustand WaitVin kann beispielsweise als Komparator ausgeführt sein.
Diese Vereinfachung (1bit-Wandler) trägt weiter zu einer Leistungsverringerung
bei.