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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung, insbesondere eine
Halbleiterschaltung, zum Betrieb mehrerer Gasentladungslampen an
einer gemeinsamen Spannungsquelle.
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Stand der Technik
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Mit
der rasanten Entwicklung von Flüssigkristallanzeigen
(LCD: Liquid Crystal Display) ergab sich auch ein entsprechender
Bedarf an passenden flächenhaften
Lichtquellen als Hintergrundbeleuchtungen für diese Anzeigen. Die spezifischen
Anforderungen an diese Hintergrundbeleuchtungen sind insbesondere
gleichmäßige Lichtemission über die
gesamte Fläche
und hohe Lichtausbeute. Gegenwärtig werden
insbesondere Fluoreszenz-Gasentladungslampen für diese Lichtquellen eingesetzt.
Sie erzielen einerseits eine hohe Lichtausbeute für weißes Licht (50–100 Lumen/Watt)
und andererseits liegen umfangreiche Erfahrungen mit Fluoreszenz-Gasentladungslampen
aus der Beleuchtungstechnik vor. In der letzten Zeit wurden auch
erhebliche Fortschritte in der Lichtausbeute bei Leuchtdioden gemacht,
allerdings ist diese Technologie noch wesentlich teurer und daher
auf kleinere Displays beschränkt.
Außerdem
ist die flächenhafte
Homogenisierung des Lichtes für
Fluoreszenzentladungslampen wegen ihrer linienförmigen Geometrie einfacher
zu bewerkstelligen als bei punktförmigen Lichtquellen wie Leuchtdioden.
In einer Anzeigeeinheit eines Flachbildschirms (LCD-Display) nach
gegenwärtigem
Stand der Technik befindet sich hinter der Flüssigkristalleinheit eine Diffusorplatte
für Licht
und dahinter eine Vielzahl von Kaltkathoden-Gasentladungsröhren in
regelmäßiger Anordnung
und waagrechter Ausrichtung. Die kleinräumige Lichthomogenisierung
wird durch die Diffusorplatte erzielt. Für die großräumige Homogenisierung ist es
entscheidend, dass jede Fluoreszenzröhre die gleiche Lichtmenge
abgibt. Die heute erzielte Bauteilestreuung in den Lampenkenndaten
ist bereits so gering, dass eine ausreichende Lichthomogenität erzielt
wird, wenn nur die individuellen Lampenströme gleich groß gehalten
werden. Für
eine hohe Lampenlebensdauer ist es notwendig die Lampen mit Wechselspannung
zu betreiben. Für
maximale Lichtausbeute sind Arbeitsfrequenzen oberhalb von 10 kHz
nötig.
Um die magnetischen Bauteile klein zu halten werden üblicherweise
Arbeitsfrequenzen oberhalb von 30 kHz bevorzugt. Eine obere Grenze
für die
Arbeitsfrequenz ist insbesondere bei langen Gasentladungslampen
durch die parasitären kapazitiven
Ströme
gegeben, welche von der Lampe zum Gehäuse abfließen und dadurch das an Hochspannung
anliegende Ende der Gasentladungslampe heller strahlen lassen. Die
Gasentladungslampen werden mit einer Spannung von typisch 1000 V
versorgt und haben eine Stromaufnahme von typisch einigen Milliampere.
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Somit
ergibt sich die generelle technische Aufgabenstellung, alle Gasentladungslampen
bei gleichem individuellem Wechselstrom zu betreiben. Eine naheliegende
technische Lösung
besteht darin, für
jede einzelne Lampe eine eigene geregelte Stromversorgung mit eigenem
Hochspannungstransformator und eigener Regelschleife bereitzustellen. Dieser
Ansatz funktioniert zwar gut, ist aber wegen des enormen Bauteilaufwandes
teuer. Die Entwicklungen der letzten Jahre zielten insbesondere
darauf ab, alle Lampen von einer zentralen Hochspannungsquelle aus
zu versorgen. Infolge der speziellen Form der Strom-Spannungs-Kennlinie
von Gasentladungslampen insbesondere des negativen differentiellen
Widerstandes im Arbeitspunkt ist eine einfache Parallelschaltung
mehrerer Lampen nicht möglich. Allerdings
gelingt der Betrieb mehrerer Gasentladungslampen La an einer gemeinsamen
Spannungsquelle U~ mit Hilfe von Symmetriertransformatoren Tr. Der
klassische Ansatz mit kaskadierten Symmetriertransformatoren ist
im Ushijima-Balancer
verwirklicht. Andere verbesserte Ausprägungen der gleichen Basisidee
sind als Newton-Balancer, Chen-Balancer und schließlich Jin-Balancer
(vgl.
1) jüngst
vorgestellt worden (z.B.
WO
2005/038828 ). Obwohl diese passiven Stromsymmetriermethoden
einen wesentlichen Fortschritt darstellen bleibt das Manko einer
immer noch relativ hohen Anzahl magnetischer Bauteile, welche erheblich
zu den Gesamtkosten der Lampenansteuerschaltungen beitragen.
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Die
US 7,042,171 offenbart elektronische Schaltungen,
die eine gleichmäßige Stromaufteilung in
den Gasentladungslampen La ausschließlich mit Halbleitern und ganz
ohne magnetische Bauteile leistet (vgl.
2). Dieses
Patent überträgt die klassische
Idee des transistorbasierten Stromspiegels direkt auf die Symmetrierung
der Lampenströme.
Eine wesentliche funktionelle Einschränkung der in
US 7,042,171 angegebenen Schaltung
ergibt sich daraus, dass die angegebene klassische Schaltung nur die
positive Halbwelle durchlässt,
eine weitere Einschränkung
besteht darin, dass die Symmetrierwirkung für die Kollektorströme nur dann
erzielt werden kann, wenn der Führungskanal
(Kanal 1 in allen Abbildungen in
US
7,042,171 ), der auch alle Basisströme liefert an jener Lampe liegt,
die im betreffenden Arbeitspunkt den größten Widerstand aufweist. Die Lampe
mit dem größten Widerstand
im Arbeitspunkt ist aber nicht von vornherein bekannt und darüber hinaus
können
während
des Betriebes die Lampen diese Rolle auch wechseln.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung anzugeben,
die es ermöglicht eine
Vielzahl von Gasentladungslampen an einer gemeinsamen Spannungsquelle
zu betreiben, wobei die Stromaufteilung auf die einzelnen Lampenzweige (Stromsymmetrierung)
ganz ohne magnetische Bauteile – nur
mit Halbleiterbauteilen – erzielt
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch eine elektronische Schaltung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 8 gleichermaßen gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Ein
erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betrieb mehrerer Gasentladungslampen
an einer gemeinsamen Wechselspannungsquelle zur definierten Stromaufteilung
auf die einzelnen Lampenzweige, bei der pro Gasentladungslampe (Lampenzweig)
ein npn-Transistor und ein pnp-Transistor als zentrale Bauelemente
verwendet werden. Die Eingangswechselspannung durch jede Lampe wird
mittels Dioden in ihre positiven und negativen Halbwellen getrennt.
Die positiven Halbwellen werden über
die Kollektor-Emitterstrecke eines npn-Transistors und einen Emitterwiderstand
zur Wechselspannungsquelle zurückgeführt. Die
negativen Halbwellen werden über
die Kollektor-Emitterstrecke eines pnp-Transistors und einen Emitterwiderstand
zur Spannungsquelle zurückgeführt. Die
Basisanschlüsse
aller npn-Transistoren sind elektrisch direkt miteinander verbunden
oder über
individuelle Basiswiderstände.
Die Basisanschlüsse
aller pnp-Transistoren sind elektrisch direkt miteinander verbunden
oder über
individuelle Basiswiderstände.
Die Basisströme
der miteinander verbundenen Transistoren werden vom Lampenstrom einer
Gasentladungslampe (eines Lampenzweiges) abgeleitet – nämlich der
Gasentladungslampe mit der aktuell niedrigsten Impedanz – und müssen eine
Zenerdiode oder eine gleichwertige Potentialstufe überwinden.
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Ein
zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betrieb mehrerer Gasentladungslampen
an einer gemeinsamen Wechselspannungsquelle zur definierten Stromaufteilung
auf die einzelnen Lampenzweige, bei der pro Gasentladungslampe (Lampenzweig) entweder
zwei npn-Transistoren oder zwei pnp-Transistoren als zentrale Bauelemente
verwendet werden. Für
jede Gasentladungslampe (jeden Lampenzweig) wird eine Halbwelle
der Eingangswechselspannung über
eine erste Diode, durch die Lampe und einen ersten Transistor geführt, und
die andere Halbwelle über
eine zweite Diode, durch die Lampe und einen zweiten Transistor
geführt.
Die Basisanschlüsse
aller ersten Transistoren sind elektrisch direkt verbunden oder über individuelle
Basiswiderstände
miteinander verbunden. Gleichfalls sind die Basisanschlüsse aller
zweiten Transistoren elektrisch direkt verbunden oder über individuelle
Basiswiderstände
miteinander verbunden. Die Basisströme der miteinander verbundenen
Transistoren werden vom Lampenstrom einer Gasentladungslampe (eines
Lampenzweiges) abgeleitet – nämlich der Gasentladungslampe
mit der aktuell niedrigsten Impedanz – und müssen eine Zenerdiode oder eine gleichwertige
Potentialstufe überwinden.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung kann jeder der Transistoren ein
eine Spannungspotentialstufe erzeugendes Element oder Schaltungsteil
zwischen Basis und Kollektoranschluss aufweist, das unterhalb eines
bestimmten Spannungspotentials hochimpedant und darüber niederimpedant
ist. Alternativ kann für
die erste Gruppe der an den Basen miteinander verbundenen Transistoren
nur ein gemeinsames eine Spannungspotentialstufe erzeugendes Element
oder Schaltungsteil vorgesehen sein. Ebenso kann für die zweite
Gruppe der an den Basen miteinander verbundenen Transistoren nur
ein gemeinsames eine Spannungspotentialstufe erzeugendes Element
oder Schaltungsteil verwendet werden.
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Der
Basisanschluss jedes Transistors kann sowohl direkt als auch über einen
Widerstand mit der übrigen
Schaltung verbunden sein. Der Basisanschluss kann aber auch über einen
Widerstand und einen zu diesem parallel geschalteten Kondensator mit
der übrigen
Schaltung verbunden sein.
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Zur
Ladungssymmetrierung in jedem einer Gasentladungslampe zugeordneten
Lampenstromzweig kann vorzugsweise ein Kondensator in Serie mit
der entsprechenden Gasentladungslampe geschaltet werden.
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Die
Basisströme
für die
an ihren Basen miteinander verbundenen Transistoren können auch von
externen Spannungsquellen über
einen zusätzlichen
Transistor geliefert werden, welcher mit seinem Basisanschluss mit
dem eine Spannungspotentialstufe erzeugenden Element verbunden ist.
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Die
Basisströme
für die
an ihren Basen miteinander verbundenen Transistoren können andererseits
mittels einer Zusatzschaltung in Form eines multiplizierenden Stromspiegels
geliefert werden. Durch die Zusatzschaltung werden Bruchteile der Emitterströme der Lampenstromzweige
auf deren Basisanschlüsse
zurückgeführt, soweit,
bis der erste Transistor in den Sättigungsbetrieb geht. Die Zusatzschaltung
hält die
gesamte Schaltung stabil in diesem Zustand.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch eine Schaltung zur Stromsymmetrierung mittels Symmetriertransformatoren
(Stand der Technik).
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2 zeigt
schematisch eine Schaltung zur Stromsymmetrierung mittels Halbleiterschaltungen (Stand
der Technik).
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3 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung
einer Schaltung zur Stromsymmetrierung mittels Halbleiterschaltungen.
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4 zeigt
schematisch eine in Bezug auf 3 abgewandelte
Ausgestaltung einer Schaltung zur Stromsymmetrierung mittels Halbleiterschaltungen.
Es wird nur eine Zenerdiode pro positivem und negativem Stromzweig
verwendet.
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5 zeigt
schematisch eine in Bezug auf 4 abgewandelte
Ausgestaltung einer Schaltung zur Stromsymmetrierung mittels Halbleiterschaltungen.
Es werden Basiswiderstände
an den Transistoren verwendet. Parallel zu den Basiswiderständen können auch
Kondensatoren geschaltet werden.
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6 zeigt
schematisch eine in Bezug auf 4 abgewandelte
Ausgestaltung einer Schaltung zur Stromsymmetrierung mittels Halbleiterschaltungen.
Es werden Kondensatoren zur Ladungssymmetrierung der Lampenströme verwendet.
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7 zeigt
schematisch eine in Bezug auf 4 abgewandelte
Ausgestaltung einer Schaltung zur Stromsymmetrierung mittels Halbleiterschaltungen.
Es wird eine externer Hilfsspannungsquelle zur Bereitstellung der
Basisströme
verwendet.
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8 zeigt
schematisch eine weitere Ausgestaltung einer Schaltung zur Stromsymmetrierung mittels
Halbleiterschaltungen. Es wird eine zusätzliche Stromspiegelschaltung
zur Bereitstellung der Basisströme
verwendet.
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9 zeigt
eine weitere Ausgestaltung einer Schaltung zur Stromsymmetrierung
mittels Halbleiterschaltungen. Es werden ausschließlich Transistoren
desselben Typs (npn) verwendet.
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10 zeigt
schematisch eine in Bezug auf 9 abgewandelte
Ausgestaltung einer Schaltung zur Stromsymmetrierung mittels Halbleiterschaltungen.
Es wird eine externer Hilfsspannungsquelle zur Bereitstellung der
Basisströme
verwendet.
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11 zeigt
schematisch eine in Bezug auf 9 abgewandelte
Ausgestaltung einer Schaltung zur Stromsymmetrierung mittels Halbleiterschaltungen.
Es wird eine zusätzliche
Stromspiegelschaltung zur Bereitstellung der Basisströme verwendet.
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Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsbeispielen
der Erfindung
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3 zeigt
eine erste bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, bei der pro Gasentladungslampe La
(Lampenzweig) ein npn-Transistor Qp und ein pnp-Transistor Qn als zentrale Bauelemente
verwendet werden. Jeder Lampenzweig bzw. Kanal weist generell die
folgende Teilbeschaltung auf: Zwei Dioden Dp und Dn trennen die
an der Lampe La anliegende Wechselspannung U~ in ihre positiven
und die negativen Stromhalbwellen. Die Wechselspannung U~ wird von
einer Hochspannungsquelle, beispielsweise von einem Hochspannungstransformator,
geliefert. Die positiven Halbwellen gehen durch den npn-Transistor
Qp, die negativen durch den pnp-Transistor Qn. Beide positiven und
negativen Halbwellen werden über
einen den beiden Transistoren Qp, Qn gemeinsamen Emitterwiderstand
Re zum Transformator zurückgeführt. In
manchen Anwendungen mag es auch vorteilhaft sein, für jeden
Transistor Qp und Qn getrennte Emitterwiderstände vorzusehen. Die Basen aller
npn-Transistoren Qp sind miteinander verbunden (p-Stromspiegel).
Ebenso sind alle Basen der pnp-Transistoren Qn miteinander verbunden
(n-Stromspiegel).
Der Basisanschluss jedes npn-Transistors Qp ist mittels einer Zenerdiode Zp
mit dem Kollektoranschluss desselben Transistors Qp verbunden. Der
Basisanschluss jedes pnp-Transistors Qn ist mittels einer Zenerdiode
Zn mit dem Kollektoranschluss desselben Transistors Qn verbunden.
Alle Zenerdioden Zp und Zn weisen die gleiche nominelle Zenerspannung
auf, typischerweise im Bereich von 100–300 V. Diese Zenerdioden Zp,
Zn sind für
die Funktion der Schaltung von entscheidender Bedeutung, weil dadurch
eine stromaufteilende Wirkung der Schaltung auch dann gegeben ist,
wenn der hochohmigste Kanal nicht bekannt ist bzw. während des
Betriebes wechselt. Die klassische Stromspiegelschaltung, wie in
US 7,042.171 (dort
4)
vorgeschlagen, erzielt die Stromaufteilung nur dann wenn der hochohmigste
Kanal als Führungskanal
(Kanal 1 in den dortigen Zeichnungen) verwendet wird. Diese erhebliche
funktionelle Einschränkung wird
durch den erfindungsgemäßen Einsatz
der Zenerdioden überwunden.
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Die
technische Funktion der in 3 dargestellten
Schaltung kann folgendermaßen
beschrieben werden: Solange der Spannungsabfall zwischen Kollektor
und Emitter der Transistoren Qp und Qn unterhalb der Zenerspannung
der Zenerdioden Zp und Zn liegt, sind alle Transistoren gesperrt,
da kein Basisstrom fließt.
Wenn nun die Spannungshalbwelle der gemeinsamen Lampenversorgungsspannung
U~ ansteigt, wird in dem Kanal mit der niederohmigsten Lampe La
zuerst die Zenerspannung erreicht und die entsprechende Zenerdiode
Zp bzw. Zn wird leitend. Da die Basen aller npn- bzw. pnp-Transistoren
Qp und Qn miteinander verbunden sind, werden über diese zuerst leitende Zenerdiode
alle miteinander verbundenen Transistoren Qp bzw. Qn angesteuert und
deren Basisströme
beginnen zu fließen.
Diejenige Zenerdiode, die zuerst leitend wird, steuert also alle
Basen der an den Basen miteinander verbundenen Transistoren an,
jeweils eine Zenerdiode für
die positive und eine Zenerdiode für die negative Halbwelle. Zu
diesem Zeitpunkt sind die Kollektorspannungen in den übrigen,
hochohmigeren Lampenkanälen
etwas geringer als die Zenerspannung. Wegen der gleichen Basisspannungen
(Basen sind direkt verbunden) und des gleichen Emitterwiderstandes sind
die Emitterströme
in allen an ihrer Basis miteinander verbundenen Transistoren Qp
bzw. Qn gleich. Solange keiner der Transistoren in die Sättigung geht,
also keiner vollkommen eingeschaltet ist, trifft dies auch auf die
Kollektorströme
und damit auf die Lampenströme
zu. In diesem Fall werden die Lampenströme von der Schaltung gleich
groß gehalten (symmetriert).
Die Schaltung verliert ihre Funktion der gleichmäßigen Stromaufteilung, sobald
die Spannungsdifferenz zwischen Kollektor und Emitter bei einem
der Kanäle
gegen Null geht. Dieser Fall tritt umso eher ein, je geringer das
Niveau der Zenerspannung gewählt
wird und je größer die
Toleranz in den Lampenkennlinien ist. Durch die Wahl eines ausreichend
hohen Niveaus der Zenerspannung kann eine sehr zuverlässige Stromaufteilung
erreicht werden. Allerdings steigen auch die Energieverluste an der
Schaltung mit wachsendem Zenerspannungsniveau. Daher muss bei der
Dimensionierung der Schaltung das Zenerspannungsniveau entsprechend der
Betriebsparameter und der Toleranz der Lampen gewählt werden.
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Beim
Beispiel gemäß 3 wird
der Basisstrom für
alle Transistoren einer Halbwelle von einem Lampenkanal bereitgestellt
und damit verringert sich der durch die Lampe dieses Kanals fließende Strom.
Der Basisstrom eines herkömmlichen
Transistors ist typischerweise um einen Faktor 100 kleiner als der
Kollektorstrom und solange nicht zu viele Kanäle verwendet werden, stellt
dies kein Problem für die
symmetrische Stromverteilung dar. Bei der Schaltung gemäß 3 werden
pro Lampenkanal jeweils zwei Zenerdioden benötigt.
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In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gemäß 4 kann
die Anzahl der benötigten
Zenerdioden Zp und Zn auf insgesamt zwei, eine für die positive und eine für die negative Halbwelle
der Versorgungsspannung U~, reduziert werden. Allerdings werden
dann anstelle der eingesparten Zenerdioden mehrere herkömmliche
Dioden benötigt.
Die Funktionalität
der Grundschaltung aus 3 Schaltung wird durch die in 4 gezeigte
Variation nicht verändert,
allerdings bringt diese Variante schaltungstopologische Vorteile
und Kostenvorteile, da normale Dioden kostengünstiger als Z-Dioden sind.
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Es
werden pro Kanal vier Dioden Dp, Dpz und Dn, Dnz benötigt. Der
Strom der positiven Halbwelle der Versorgungsspannung U~ gelangt über die Gasentladungslampe
La, die Diode Dp, den Transistor Qp und den Widerstand Re zurück zur Spannungsquelle.
Für die
negative Halbwelle fließt
der Strom über
die Lampe, Diode Dn, Transistor Qn, und den Widerstand Re zurück zur Spannungsquelle. Über die
Diode Dpz jedes Kanals kann die Zenerdiode Zp für die positive Halbwelle angesteuert
werden, über
die Dioden Dnz die Zenerdiode Zn für die negative Halbwelle. Die
Dioden Dpz von allen Kanälen
bilden eine logische ODER-Schaltung ebenso die Dioden Dnz. Die an
den logischen Diodennetzwerken anliegende Spannung muss das Spannungsniveau der
Zenerdioden Zp bzw Zn plus den Spannungsabfall an der jeweiligen
Diode Dpz bzw. Dnz überwinden.
Der Kanal, der die höchste
Spannung aufweist, also die niederimpedanteste Lampe und damit den geringsten
Spannungsabfall an der Lampe hat, schaltet die Zenerdiode Zp bzw.
Zn durch und stellt den Basisstrom für die Transistoren Qp bzw.
Qn zur Verfügung.
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In
der in 4 offengelegten Ausführungsform der Schaltung sind
die an den Emitterwiderständen
Re auftretenden Spannungsabfälle
immer gleich, auch dann wenn die Lampenströme nicht mehr gleich sind,
weil beispielsweise der Kollektor-Emitter-Spannungsabfall an einem der
Transistoren Qp bzw. Qn gegen Null geht (Sättigungsbetrieb).
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Durch
die Einführung
zusätzlicher
Basiswiderstände
Rb an den Transistoren Qp und Qn gemäß 5 werden
Störungen
in der Stromaufteilung auch durch die Spannungsabfälle an den
Emitterwiderständen
sichtbar. Solange die Schaltung „normal" arbeitet, das heißt kein Transistor im Sättigungsbetrieb arbeitet,
ist der Basisstrom entsprechend klein und an dem Basiswiderstand
Rb entsteht entsprechend nur ein sehr kleiner Spannungsabfall. Sobald
aber ein Transistor in die Sättigung
kommt und über
dessen Basis mehr Strom fließt,
fällt an
diesem Basiswiderstand Rb auch mehr Spannung ab. Dadurch ist das
Basispotential dieses im Sättigungsbetrieb
arbeitenden Transistors im Vergleich zum Basispotential der anderen
Transistoren nicht mehr identisch. Wenn das Basispotential sich
verändert,
dann ändern
sich der Strom über
den Emitterwiderstand Re und damit der Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall
kann erfasst werden. Dieses Messergebnis kann für nachfolgende Überwachungsschaltungen
vorteilhaft sein. Die Basiswiderstände Rb beeinträchtigen
die Stromaufteilung nicht, solange sie nicht wesentlich größer als
die Emitterwiderstände
Re sind. Das dynamische Verhalten der Schaltung kann durch Kondensatoren Cb
parallel zu jedem Basiswiderstand Rb verbessert werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Stromaufteilungsschaltung ist in 6 dargestellt
und beinhaltet jeweils einen zu den Lampen La in Serie geschalteten
Symmetrierkondensator Cs. Durch den Kondensator Cs wird sichergestellt,
dass die durch die Lampen transportierten positiven und negativen
Ladungsmengen exakt gleich sind, wodurch die Lampenlebensdauer maximiert
werden kann. Da die Kondensatoren Cs nur Wechselstromanteile passieren lassen,
ist sicher gestellt, dass die Ladungsmenge, welche den Kondensator
Cs in die eine Richtung passiert gleich groß ist, wie die Ladungsmenge
die den Kondensator Cs in die andere Richtung passiert.
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Alle
in den 3 bis 6 vorgestellten Schaltungsvarianten
weisen den Vorteil auf, dass sie außer der Versorgungsspannung
U~ keine zusätzliche äußere Spannungsquelle
benötigen,
da die Basisströme
für die
Transistoren Qp und Qn von einem der Lampenströme abgeleitet werden. Solange
die benötigten
Basisströme
klein im Vergleich zu den Lampenströmen sind, stellt dies keine
ernste Beeinträchtigung
der Stromaufteilung dar. Wenn aber die Anzahl der Lampen La groß ist und/oder
die Stromverstärkung
der Transistoren gering, stellt diese Eigenschaft eine Einschränkung dar.
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Diese
Einschränkung
kann durch den in 7 gezeigten Schaltungszusatz
mit den Transistoren TBp und TBn überwunden werden. Die Transistoren
TBp und TBn arbeiten als Stromverstärker. Die Basisströme für die Transistoren
Qp und Qn der Lampenzweige werden nun zwei externen Hilfsspannungsquellen
(V+, V–)
entzogen. Über
die jeweilige Zenerdiode Zp bzw. Zn fließt nur mehr ein um die Stromverstärkung der
Transistoren TBp bzw. TBn reduzierter Reststrom, wodurch eine Beeinflussung
der Stromaufteilung der Lampenströme durch die Basisströme der Transistoren
Qp und Qn de facto vermieden wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann zur Erhöhung
der Störsicherheit
zwischen den Basis- und Emitteranschlüssen von TBp ein Widerstand
geschaltet werden und parallel dazu ein Kondensator. Der gleiche
Schaltungszusatz kann auch bei TBn angewandt werden.
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Alle
in den 3 bis 7 vorangehend beschriebenen
Ausführungsformen
der Stromaufteilungsschaltung erfordern einen Kompromiss bei der Auswahl
des Spannungsniveaus der Zenerdioden Tp und Zn. Ein höheres Spannungsniveau
erweitert den Toleranzbereich der Schaltung vergrößert aber
auch deren Energieverluste. Erfahrungsgemäß sinkt das für eine sichere
Stromaufteilung nötige
Zenerspannungsniveau mit der Erwärmung
der Lampen La. Daher könnte
das Zenerspannungsniveau nach der Aufheizphase der Lampen gesenkt
und diese dann mit höherer
Effizienz betrieben werden. Ähnliche Überlegungen
können
für wechselnde
Umgebungstemperaturen angestellt werden. Für die Effizienzmaximierung
wäre daher
ein Schaltungsteil nötig,
der sich wie eine Zenerdiode verhält, dessen Zenerspannung sich
aber dynamisch an den aktuellen Betriebszustand der Lampen anpasst.
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Ein
solches Verhalten wird durch den nachfolgend beschriebenen Schaltungsteil
in 8 erzielt. 8 baut auf
der Grundschaltung gemäß 4 auf.
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Die
in 8 dargestellten Transistoren Q1 und Q2 und ebenso
Q3 und Q4 bilden multiplizierende Stromspiegelschaltungen, die einen
kleinen Teil der Emitterströme
der Symmetrierschaltung in die gemeinsamen Basisanschlüsse der
Transistoren Qp bzw. Qn rückspeisen.
Der Anteil des rückgeführten Stromes
kann durch die Größe der Widerstände R1 und
R2 festgelegt werden. Solange der rückgeführte Strom kleiner als der
Gesamtbasisstrom der miteinander verbunden Transistoren Qp bzw.
Qn ist, entlastet der neue Schaltungsteil lediglich die Zenerdiode Zp
bzw. Zn, da diese dann nur mehr einen Teil des Basisstromes für die Transistoren
Qp bzw. Qn liefern muss. Wird die Stromspiegelschaltung aber so
dimensioniert, dass der rückgeführte Strom
den benötigten
gemeinsamen Basisstrom der verbundenen Transistoren Qp bzw. Qn übersteigt
(Schleifenverstärkung > 1), so setzt durch
die positive Rückkopplung
eine Arbeitspunktdrift ein, bis je ein Transistor der npn-Transistoren Qp und
je ein Transistor der pnp-Transistoren Qn im Sättigungsbereich arbeitet und
so gut leitend geworden ist, dass dessen Stromverstärkung massiv
absinkt bis die jeweilige Schleifenverstärkung wieder gleich 1 wird.
Somit wird erreicht, dass unter jeder Betriebsbedingung an je einem
Transistor Qp bzw. Qn der Spannungsabfall nahezu verschwindet. Die
Spannungsabfälle
an den übrigen
Transistoren sind gerade so groß,
dass in jedem Kanal der gleiche Strom fließt. Daraus resultiert eine
automatische Selbsteinstellung der Schaltung auf maximalen Wirkungsgrad.
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Die
Funktionsweise der Stromspiegelschaltung wird nun anhand eines für die positive
Halbwelle des Eingangswechselstroms zuständigen Schaltungsteils eines
Lampenzweiges beschrieben. Die Funktionsweise für den für die negative Halbwelle des
Eingangswechselstroms zuständigen
Schaltungsteils ist identisch. Der Transistor Q1 bildet einen Stromspiegel,
dessen Emitterstrom durch den Wert des Widerstands R1 bestimmt wird.
Ist der Widerstand R1 gleich groß wie der Widerstand Re in
den Lampenzweigen, so ist auch der Strom durch R1 gleich groß wie durch
Re. Wenn man den Widerstand R1 anders wählt, erhält man einen sogenannten multiplizierenden
Stromspiegel, dessen Emitterstrom z. B. nur ein Drittel oder ein
zehntel des Stroms in den Lampenzweigen beträgt. Der Transistor Q2 bildet
einen weiteren Stromspiegel, der praktisch den Kollektorstrom von
Q1 noch einmal spiegelt, abhängig
von R2. Im Endeffekt wird am Knotenpunkt an der Basis von Q1 ein
Strom von Q2 eingespeist, der proportional zum Lampenstrom in den
einzelnen Lampenzweigen (Lampenstrom multipliziert mit einem Faktor,
beispielsweise 0,1 oder 0,01) ist. Erfindungsgemäß wird nun der Stromspiegel
so dimensioniert, dass der Basisstrom an Q1 etwas größer ist
als der durch die Zenerdiode Zp gelieferte gemeinsame Basisstrom
für die
Transistoren Qp, so dass der Strom durch die Zenerdiode Zp Null
wird. Ab diesem Punkt beginnt die Schaltung zu driften, sie wird
instabil, dadurch dass der Stromspiegel mehr Strom zurückführt wie
eigentlich notwendig ist, um den Strom durch die Zenerdiode Zp zum
versiegen zu bringen. In Folge steigt das Basispotential an den
miteinander verbunden Basen von Qp an und die Transistoren Qp werden
leitend. Die Schaltung kippt, und die Transistoren Qp werden zunehmend
leitfähig,
und dies geht so weit, bis einer der Transistoren Qp in die Sättigung kommt.
Dieser in der Sättigung
befindliche Transistor zieht verstärkt den vom Stromspiegel gelieferten Strom
ab, und der Vorgang stabilisiert sich. An diesem Punkt ist einer
der Transistoren Qp völlig
leitend (in der Sättigung)
und sehr niederimpedant. Die anderen Transistoren Qp der Gruppe
sind weniger leitend und haben einen größeren Kollektor-Emitter-Widerstand.
Dieser Zustand ist entscheidend für die Wirkungsgradverbesserung
der Schaltung. Beim Transistor Qp, der sich in der Sättigung
befindet, ist der Spannungsabfall zwischen Kollektor und Emitter minimal
und bei den anderen Transistoren etwas größer. Dadurch werden die Verlustleistungen
in den Transistoren Qp minimal gehalten.
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Somit
hat der (multiplizierende) Stromspiegel die gleiche Wirkung wie
eine Zenerdiode, deren Spannungsniveau gerade so eingestellt wird,
dass gerade ein Transistor Qp vor der Sättigung steht.
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Die
Zenerdiode Zp wird nicht mehr benötigt, sobald die Stromspiegelschaltung
mit ihrem Effekt zum Tragen kommt, da durch die Zenerdiode Zp ab diesem
Zeitpunkt kein Strom mehr fließt.
Zum Starten des Vorgangs wird aber ein Anfangsstrom benötigt, der
durch die Zenerdiode Qp geliefert wird. Aber sobald der Vorgang
gestartet ist, ist die Zenerdiode Qp überflüssig. Dieselbe Beschreibung
und Funktionsweise gilt für
die Zenerdiode Zn und den zugeordneten Stromspiegel, gebildet durch
die Transistoren Q3 und Q4.
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In
allen bisher genannten Anwendungsbeispielen der erfindungsgemäßen Schaltung
wurde die positive Halbwelle des Lampenstromes über npn-Transistoren Qp und
die negative Halbwelle über pnp
Transistoren Qn geführt.
Es ist aber auch möglich
die Schaltung so zu modifizieren, dass ausschließlich npn- oder ausschließlich pnp-Transistoren zum
Einsatz kommen.
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In 9 ist
eine Schaltung zur Stromsymmetrierung mit ausschließlich npn-Transistoren To1
... Ton vorgestellt. Eine gleichwertige Schaltung ist auch für pnp-Transistoren möglich, wenn
alle Diodenpolaritäten
invertiert werden. Die Schaltungsvariante mit ausschließlich npn-Transistoren
To1 ... Ton ist vorteilhaft, weil npn-Transistoren in der Regel
preisgünstiger
sind als pnp-Transistoren. In 9 gelangt
die positive Halbwelle der Eingangswechselspannung U~ (beispielhaft
beschreiben für
den ersten Lampenzweig) über
die Diode Do1 vorbei am Transistor To1, über die Lampe La an den Transistor
Tu1 und den Widerstand Re zurück
zur Spannungsquelle. Die positive Halbwelle gelangt gleichzeitig über die
Diode Dv1 an die Zenerdiode Zu. Die negative Halbwelle der Eingangswechselspannung
U~ wird über
eine Diode Du1 an dem Transistor Tu1 vorbeigeführt und gelangt über die
Lampe La an den Transistor To1 und den Widerstand Re zurück zur Spannungsquelle.
Die negative Halbwelle gelangt gleichzeitig über die Diode Dp1 and die Zenerdiode
Zo. Die Funktionsweise der Schaltung gemäß 9 entspricht
im weiteren der Schaltung von 4.
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10 zeigt
die Schaltung von 9 mit einer zusätzlichen
Verstärkerschaltung
für den
Z-Diodenstrom. Die Verstärkerschaltung
besteht aus zwei Transistoren TBp, die jeweils den Zenerdioden Zo und
Zu zugeordnet sind und jeweils an einer Hilfsspannungsquelle V+
betrieben werden. Die Basisströme
für die
Transistoren Tut und To1 der Lampenzweige werden nun den externen
Hilfsspannungsquellen V+ entzogen. Die Funktionsweise der Verstärkerschaltung
ist im Zusammenhang mit 7 beschrieben.
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11 zeigt
die Anwendung des Schaltungszusatzes aus 8 auf die
Schaltung aus 9.
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Die
in 10 und 11 angewandten
Zusatzschaltungen zur Verbesserung der Stromaufteilung und des Wirkungsgrades
können
in weiteren vorteilhaften Ausführungsformen
auch zugleich (nebeneinander) eingesetzt werden.