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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf den Betrieb
von Leuchtmitteln, wie beispielsweise Gasentladungslampen, Hochdrucklampen
oder Leuchtdioden (LEDs). Der Betrieb dieser Leuchtmittel wird üblicherweise
durch sogenannte Betriebsgeräte
gesteuert, die also die Leuchtmittel gesteuert mit einer Versorgungsspannung
versorgen.
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In
diesen Betriebsgeräten
wird in zunehmender Weise integrierte Schaltungen, wie beispielsweise
ASICs (Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung), verwendet.
Diese integrierten Schaltungen überwachen
verschiedene Bereiche der Schaltung eines Betriebsgerätes und
ggf. auch unterschiedliche Ansteuersignale beispielsweise für Schalter
in der Schaltung des Betriebsgerätes
aus.
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In 1 ist
schematisch eine Schaltung eines Betriebsgerätes dargestellt.
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Ausgehend
von einer Netz-Versorgungsspannung Unetz,
die üblicherweise
gleichgerichtet wird, erzeugt eine Zwischenkreisspannung PFC (Power
Factor Control, Leistungsfaktorkorrekturschaltung) eine stabilisierte
Busspannung oder Zwischenkreisspannung ZK. Der PFC wird derart betriebe, dass
das Betriebsgerät
hinsichtlich des Phasenwinkels con Strom und Spannung das Verhalten
eines Ohmschen Widerstands zeigt.
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Ausgehend
von dieser DC-Spannung ZK erzeugt eine Halbbrückenschaltung eine Wechselspannung
zur Versorgung eines Lastkreises, der die Lampe enthält. Die
Halbbrückenschaltung
weist dabei üblicherweise
zwei in Serie geschaltete, mit der stabilisierten DC-Spannung UZK versorgte wechselseitig getaktete Schalter
auf.
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Eine
zentrale integrierte Steuerschaltung, die in 1 mit ASIC
bezeichnet ist, kann nunmehr unterschiedliche Rückführsignale als Messwerte erhalten.
Wie symbolisch in 1 dargestellt, kann ein Rückführsignal 1 den
Wert oder die Art der Versorgungsspannung Unetz wiedergeben.
Ein Rückführsignal 2 aus
dem Zwischenkreisbereich kann beispielsweise den Strom durch einen
Schalter des PFC oder den Strom durch eine Spule des PFC wiedergeben. Gleichzeitig
kann der ASIC 3 ein Ausgangssignal 3 für den Zwischenkreisbereich
PFC ausgeben, wobei dieser Signal beispielsweise einen Schalter
eines PFCs ansteuert.
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Das
Bezugszeichen 4 bezeichnet die Rückführung eines die Zwischenkreisspannung
UZK wiedergebenden Signals.
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Aus
dem Bereich der Halbbrücke
kann beispielsweise das Rückführsignal 5 der
Strom durch die Halbbrücke
der Steuereinheit ASIC zugeführt werden.
Die Steuereinheit ASIC kann mittels eines oder mehreren Signalen 6 beispielsweise
die Schalter der Halbbrückenschaltung
wechselseitig getaktet ansteuern. Aus dem Bereich des Lastkreises
können beispielsweise
Lampenparametern (Lampenspannung, Lampenstrom, etc.) zur Steuereinheit ASIC
zurückgeführt werden,
was symbolisch mit dem Bezugszeichen 7 in 1 bezeichnet
ist.
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Um
die Kosten zur Entwicklung und Herstellung des ASICs möglichst
niedrig zu halten, ist es ein generelles Bestreben, einerseits die
Anzahl der benötigten
Eingangsanschlüsse
(Pins) der ASICs möglichst
gering zu halten. Dadurch kann beispielsweise das Gehäuse kleiner
und günstiger
ausgeführt
werden. Gleichzeitig soll aber auch ein ASIC plattformartig für unterschiedliche
Betriebsgeräte
für Leuchtmittel
konfigurierbar sein. Diese Konfiguration kann den Bereich der Netzspannung,
der Zwischenkreisspannung, der Halbbrückenschaltung sowie des Lastkreises
betreffen.
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„Konfiguration" bedeutet in diesem
Zusammenhang, dass der ASIC extern an wenigstens einem Pin extern
so beschaltbar sein soll, dass wenigstens ein Parameter eines Ansteuersignals,
das vom ASIC ausgegeben wird, abhängig von der Konfiguration
und auf diese somit angepasst ausgegeben wird. Der Parameter kann
bspw. die Zeitdauer, Amplitude, Frequenz und/oder das Tastverhältnis des
ausgegebenen Signals sein.
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Üblicherweise
führt ein
ASIC die Konfigurierungserfassung in einer Hochlaufphase, ausgehend vom
RESET-Zustand aus, bevor er seine eigentliche Betriebsphase einnimmt.
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Ausgehend
von diesem Bedürfnis
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Konfiguration einer
Steuerschaltung für
ein Betriebsgerät
für Leuchtmittel
in möglichst
einfacher Weise auszuführen.
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Gemäß der Erfindung
wurde dabei erkannt, dass durch eine Doppelbelegung Messsignalerfassungseingang/Konfigurationseingang
eines Pins der Schaltung einerseits die Anzahl der benötigten Pins verringert
werden kann. Gleichzeitig kann aber weiterhin in einfacher Weise
eine Konfiguration mittels selektiver äusserer Beschaltung ausgeführt werden.
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„Selektive äussere Beschaltung" bedeutet dabei,
dass durch die Schaltung als Konfigurierung ausgewertet wird, ob
eine Beschaltung an einem dazu vorgesehen Pin bspw. des ASIC-Gehäuses vorliegt,
sowie im positiven Fall elektrische Kennwerte (bspw. ohmscher Widerstandswert)
der äusseren
Beschaltung.
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Die
oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders
vorteilhafter Weise weiter.
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Die
Erfindung schlägt
gemäss
einem ersten Aspekt vor Verfahren zum Konfigurieren einer integrierten
Schaltung eines Betriebsgeräts
für Leuchtmittel,
wobei an einem Messignal-Erfassungseingang der Schaltung zur Konfigurierung
der Schaltung selektiv eine äussere
Beschaltung verbunden wird, wobei der Messignal-Erfassungseingang den Strom und/oder
die Spannung der Leuchtmittel erfasst.
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Die
Erfindung schlägt
gemäss
einem weiteren Aspekt vor ein Verfahren zum Konfigurieren einer integrierten Schaltung
eines Betriebsgeräts
für Leuchtmittel,
die ausgehend von einer mit DC-Spannung versorgten Hallbrückenschaltung
mit AC-Spannung versorgt werden, wobei an einem Messignal-Erfassungseingang
der Schaltung zur Konfigurierung der Schaltung selektiv eine äussere Beschaltung
verbunden wird, wobei der Messignal-Erfassungseingang den Strom oder die
Spannung der Halbbrücke
erfasst.
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Alternativ
kann der Messignal-Erfassungseingang die Eingangsspannung des Betriebsgeräts oder
die Zwischenkreisspannung (Busspannung) erfassen.
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Die
digitale Steuereinheit kann intern eine Konfigurierungserfassung
des Messignal-Erfassungseingangs
ausführen,
während
die Halbbrücke in
Betrieb ist, indem zwei Schalter der Halbbrücke durch die Steuereinheit
wechselseitig angesteuert werden.
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Die
Halbbrückenschalter
können
während der
internen Konfigurierungserfassung des Messignal-Erfassungseingangs mit maximaler Frequenz
angesteuert werden.
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Die
Erfindung schlägt
gemäss
einem weiteren Aspekt vor ein Verfahren zum Konfigurieren einer integrierten
Schaltung eines Betriebsgeräts
für Leuchtmittel,
wobei an einem Messignal-Erfassungseingang der Schaltung zur Konfigurierung
der Schaltung selektiv eine äussere
Beschaltung verbunden wird, wobei die Schaltung eine Erfassung der
Konfigurierung des Messignal-Erfassungseingangs
ausführt,
während
ein Messsignalpegel an dem Messignal-Erfassungseingang anliegt.
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Die
Schaltung kann intern eine Erfassung der Konfigurierung des Messignal-Erfassungseingangs
ausführen,
indem sie die Auswirkung des Einschaltens einer internen Strom-
oder Spannungsquelle an den Messignal-Erfassungseingang auf das Potential
an diesem Messignal-Erfassungseingang auswertet.
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Die
Schaltung kann den zeitlichen Verlauf des Potentials an dem Messignal-Erfassungseingang
auswerten.
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Die
Schaltung kann intern einen analogen Messwert des Potentials digitalisieren
und auswerten.
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Die
Konfigurierung kann Betriebsparameter für eine Zwischenkreisschaltung,
eine Heizschaltung für
Wendeln der Leuchtmittel, einer Halbbrückenschaltung und/oder eines
die Leuchtmittel enthaltenden Lastkreises sowie der Leuchtmittel
selbst betreffen.
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Der
konfigurierte Betriebsparameter kann dabei der Sollwert der Zwischenkreisspannung,
die Vorheizzeit der Wendeln der Leuchtmittel, die Topologie der
Heizschaltung und/oder die Amplitude der Netzeingangsspannung des
Betriebsmittels sein.
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Die
Konfigurierung kann eine minimale Frequenz einer einstellbaren AC-Betriebsspannung
der Leuchtmittel vorgibt.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf integrierte, vorzugsweise digitale
Steuereinheiten, insbesondere ASICs, die zur Ausführung eines
derartigen Verfahrens ausgebildet ist.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf Betriebsgeräte für Leuchtmittel, insbesondere
Elektronische Vorschaltgeräte
für Gasentladungslampen
oder Hochdrucklampen, mit derartigen integrierten Schaltungen.
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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,
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
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3 zeigt
eine weitere Möglichkeit
zur Konfigurierung einer integrierten Digitalschaltung eines Betriebsgeräts für Leuchtmittel,
und
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4 zeigt
eine schematische Darstellung einer Schaltung eines Betriebsgeräts für Gasentladungslampen.
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2 zeigt
schematisch den ASIC von 1, wobei die Betriebsgerätschaltung
bezüglich des
Bereichs der Halbbrücke
mit den Schaltern S1, S2 detailliert herausgezeichnet ist.
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Der
ASIC ist nur als Beispiel für
eine integrierte digitale oder analoge Steuerschaltung im Rahmen
der Erfindung zu sehen.
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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 den 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 er mit internen Treibern, wie bspw.
MOSFET-Treibern versehen sein.
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Der
ASIC kann wiederum Steuersignale zur wechselseitigen Taktung der
Schalter S1, S2 der Halbbrücke
mit einstellbarer Frequenz ausgeben.
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Die
in Serie geschalteten Schalter S1, S2 sind mit der Zwischenkreisspannung
UZK versorgt, die eine stabilisierte DC-Spannung
ist.
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Zwischen
dem potentialniedrigeren Schalter S1 und Masse ist ein Messwiderstand
RSH gespaltet.
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Üblicherweise
ist der Lastkreis an dem Mittelpunkt MP der Schalter S1, S2 verbunden.
Bekannt ist es nunmehr, dass der ASIC mittels dieses Messwiderstands
(Shunts) RSH den Strom durch den potentialniedrigeren
Schalter S2 erfasst. Dazu ist nunmehr gemäß der vorliegenden Erfindung
der Messabgriff an dem Messwiderstand RSH über eine
Tiefpassschaltung mit einem Konfigurierungswiderstand RCGF und
einem parallel zu dem Messwiderstand RSH geschalteten
Transistor CAFG mit einem Messeingangspin
Vsense des ASICs verbunden. An diesem Pin Vsense kann also der ASIC den Strom durch
den Schalter S2 der Halbbrückenschaltung
erfassen.
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Erfindungsgemäß kann nunmehr
dieser Messsignaleingangspin Vsense mit
einer Doppelfunktion belegt werden, indem er auch als Konfigurierungspin
Verwendung findet. Erfindungsgemäß kann eine Konfigurierung
des ASICs durch unterschiedliche Wahl des Widerstandwerts des Konfigurierungswiderstands
RCFG erfolgen. Abhängig von der Wahl des Widerstandswerts
des Konfigurierungswiderstandes RCFG wird
also der ASIC die Betriebsparameter von Ausgangssignalen (s. 1)
einstellen.
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Gemäß der Erfindung
wird die externe Beschaltung des Konfigurierungs- und Messsignal-Eingangspins
Vsense durch den ASIC intern dadurch ermittelt,
dass zeitweise eine interne Spannungsquelle ICFG mit
dem Pin Vsense verbunden wird. Das sich
als kausale Ursache des Zuschaltens dieser Strom- oder Spannungsquelle
ICFG ergebende Potential an dem Pin Vsense, beispielsweise der zeitliche Verlauf
dieses Potentials, wird durch einen internen AD-Konverter ADC des ASICs digital umgesetzt
und dann einer Konfigurierungs-Auswerteeinheit CFG des ASICs zugeführt.
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Die
Konfigurierungs-Auswerteeinheit CFG setzt somit einen Parameter
für ein
Ausgangssignal des ASICs abhängig
von dem Potentialverlauf an dem Pin Vsense,
der wiederum von dem Widerstandswerts des Konfigurierungswiderstands
RCFG abhängt.
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In
dem dargestellten Beispiel gibt die Konfigurierungs-Auswerteeinheit CFG
abhängig
von dem Widerstandswert des Konfigurierungswiderstands RCFG die Minimalfrequenz FStop für den Betrieb
der Halbbrücke
mit den Schaltern S1, S2 vor. Diese Frequenz fStop wird
auch manchmal Stopfrequenz genannt. Da eine Gasentladungslampe normalerweise auf
dem abfallenden Ast der Resonanzkurve des Lastkreises mit der Lampe
und somit mit einer höheren
Frequenz als die Resonanzfrequenz betrieben wird, kann durch die
Vorgabe dieses minimal erlaubtem Werts fStop für die Betriebsfrequenz
der Halbbrückenschaltung
und somit der AC-Betriebsspannung der Lampe gleichzeitig auch der
Maximalstrom durch die Lampe vorgegeben werden. Somit kann über den Konfigurierungswiderstand
RCFG auch die für einen bestimmten Lampentyp
zulässige
maximale Lampenstrom vorgegeben werden.
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Bevorzugt
wird diese interne Auswertung des Potentialänderung in Folge des Zuschaltens
der internen Strom- oder Spannungsquelle ICFG des
ASICs bei laufendem Betrieb der Halbbrücke, also bei laufend getakteten
Schaltern S1, S2 ausgeführt.
Beispielsweise kann dieser Konfigurierungs-Auswertebetrieb bei maximaler
Frequenz der Halbbrücke
mit den Schaltern S1, S2 ausgeführt
werden.
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In
diesem Betriebszustand ist die Lampe noch nicht gezündet, so
dass noch kein Lampenstrom fließt.
Dagegen kann durch den laufenden Betrieb der Halbbrückenschaltung
S1, S2 bereits eine Niedervoltversorgung für den ASIC der Schaltung an der
Halbbrücke
(bspw. an dem Mittenpunkt der beiden Schalter S1, S2) abgegriffen
werden. Somit ist in diesem Konfigurierungszustand der ASIC nicht
mehr über
eine hilfsweise initiale Spannungsversorgung über einen Anlaufwiderstand
angewiesen. Dies wiederum bedeutet, dass in stromsparender Weise
der Anlaufwiderstand relativ hochohmig gewählt werden kann, da wie gesagt,
in der Konfigurierungs-Erfassungsphase weit vor dem Zünden der
Lampe im Lastkreis der ASIC auf diesen Anlaufwiderstand als Spannungsversorgung
nicht mehr angewiesen ist, und vielmehr über eine Niedervoltversorgung
betrieben werden kann, die von der Halbbrücke versorgt ist.
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Die
Konfigurierungserfassung erfolgt also vorzugsweise in einer Phase,
in der der ASIC ausgehend von der laufenden Halbbrücke mit
Niedervoltspannnung VCC versorgt ist.
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Einerseits
kann also wie in 2 exemplarisch dargestellt ein
Messsignaleingang Vsense eine Doppelfunktion
haben, in dem auch die Funktion eines Konfigurierungseingangs zugewiesen
wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass das eigentliche Messsignal
erst nach dem Auswerten der Konfigurierung eine Rolle spielt. Erfindungsgemäß ist aber auch
möglich,
dass bereits während
der Auswertung des Werts des Konfigurierungswiderstand RCFG ein Messsignal (hier: eine Spannung am
Messwiderstand RSH) anliegt. In diesem Fall
erfolgt eine Art Offset-Messung, bei dem der Beitrag der Spannung
des Spannungspegels des Messsignals (hier: Spannung, die am Messwiderstand
RH anliegt) aufgehoben wird, in dem einmal
vor dem Einschalten der internen Strom- oder Spannungsquelle ICFG und einmal nach dem Einschalten der internen
Strom- oder Spannungsquelle ICFG eine Auswertung
des Potentials am Pins Vsense erfolgt und
allein die sich ergebende Differenz für die Auswertung der Konfigurierung
verwendet wird.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
von 2 kann der Einfluss der Spannung an dem Messwiderstand
RSH natürlich
auch auf die Konfigurierungs-Auslesung auch vermieden werden, indem das
Konfigurierungsauslesen nur in Zeitdauern erfolgt, in denen der
ASIC den Schalter S2 in den nichtleitfähigen Zustand ansteuert. Somit
ist dass Konfigurierungsauslesen zu der Betriebsfrequenz der Schalter
S1, S2 synchronisiert.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem das oben unter Bezugnahme auf 2 beschriebene
Prinzip nunmehr auf einen Pin Vsense, angewendet
wird, der neben der Verwendung als Konfigurierungseingang mittels
eines Konfigurierungswiderstands RCFG, auch
zur Erfassung des Lampenstroms Iarc mittels
eines Messwiderstands (Shunts) RSH, dienen
kann. In dem dargestellten Beispiel kann also letztendlich die Minimalfrequenz
FStop der Betriebsspannung für die Leuchtmittel über den Konfigurierungswiderstand
RCFG, festgelegt werden, wobei dies an einem
Pin Vsense, des ASICs erfolgt, der gleichzeitig
oder später
auch zur Erfassung des Lampenstroms dienen kann.
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Vorzugsweise
fliesst während
der Konfigurierungserfassung noch kein Lampenstrom, d. h. die Lampe
brennt nicht.
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In
der Schaltung von 3 dient der Konfigurierungswiderstand
RCFG, gleichzeitig auch als ein Schutzwiderstand.
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In 4 ist
ein ASIC gezeigt, der wiederum (s. auch 1) über ein
Ausgangssignal 3 mittels eines MOSFET-Treibers einen Schalter S3 eines PFCs ansteuert.
Dieser Schalter S3 ist mit dem Verbindungspunkt einer Spule L1 und
einer in Vorwärtsrichtung
gepolten Diode D1 angeschlossen.
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Ein
Pin VS des ASICs kann nunmehr zum geregelten
Betrieb des PFCs den Strom durch den Schalter S3 (wenn dieser in
den leitenden Zustand geschaltet ist) mittels eines Shunts RSH abgreifen. Gleichzeitig kann ein Konfigurierungswiderstand RCFG als äußere Beschaltung
des Konfigurierungs- und Messeingangs VS vorgesehen
sein. Abhängig von
dem Widerstandwert des Konfigurierungswiderstands RCFG kann
der ASIC, durch internes Einschalten einer Strom- oder Spannungsquelle
ICFG das Potential des Pins VS auswerten,
um abhängig
davon die Stopfrequenz (Minimalfrequenz) fStop für den Betrieb
der Halbbrückenschaltung
(s. 1) zu setzen. Der PFC wird in der Konfigurierungsphase
nicht betrieben, das heißt,
der Schalter S3 wird nicht taktweise geöffnet und geschlossen.