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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zum Betrieb mehrerer
Gasentladungslampen an einer gemeinsamen Spannungsquelle.
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Stand der Technik
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Das
Licht für Hintergrundbeleuchtungen von Flüssigkristallanzeigen
wird häufig mit einer Reihe gleichartiger Lampen in Form
von Kaltkathodenröhren mit Fluoreszenzbeschichtung (CCFL)
erzeugt. Je nach Größe der Anzeige kommen beispielsweise
bis zu 32 Röhren in äquidistanter und zueinander
paralleler Anordnung zur Anwendung. Die Kaltkathodenröhren
werden typischerweise mit einem Strom von einigen Milliampere und
Wechselspannung von ca. 1 kV bei einer Frequenz zwischen 30 und
60 kHz versorgt. Um eine möglichst gute Lichthomogenität
zu erzielen, müssen alle Röhren möglichst
mit der gleichen Stromstärke betrieben werden. Die zulässige Stromtoleranz
liegt typischerweise bei ±5%. Eine naheliegende technische
Lösung besteht darin, für jede Lampe eine eigene
stromgeregelte Hochspannungsversorgung mit eigener Hauptbrücke
und eigenem Hochspannungstransformator zu verwenden. Aus Kostengründen
wurden allerdings Lösungen favorisiert, bei welchen nur
eine einzige leistungsfähige Hauptbrücke und ein
einziger gemeinsamer Hochspannungstransformator für alle
Lampen nötig sind. Allerdings können Gasentladungsröhren
wegen ihres negativen inkrementellen Widerstandes nicht einfach parallel
geschaltet werden sondern es müssen Zusatzbeschaltungen
verwendet werden, die den Strom symmetrisch auf die mehreren Lampen
verteilen. Die einfachste Möglichkeit einer symmetrierenden
Zusatzbeschaltung besteht in einem kleinen Serienkondensator an
jeder Röhre. Die Qualität dieser Symmetriermethode
ist allerdings unzureichend und der Transformator muss für
eine erheblich höhere Spannung als die Lampenspannung dimensioniert
werden.
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Eine
qualitativ höherwertige Methode bietet der Einsatz von
kaskadierten oder von verketteten Stromsymmetriertransformatoren
wie etwa in
WO 2005/038828 beschrieben.
1 zeigt
beispielhaft eine solche Beschaltung der Lampen. Der Gesamtstrom
wird durch mehrere gleichartige Transformatoren gleichmäßig
auf die mehreren Lampen verteilt. Ein Manko dieser Methodik ist
die hohe Anzahl von benötigten Symmetriertransformatoren,
wovon jeder für immerhin einige hundert Volt dimensioniert
werden muss. Daher wurde versucht die Symmetriertransformatoren
durch Halbleiterschaltungen zu ersetzen. Eine gut funktionierende,
dem klassischen Stromspiegel verwandte Methode wird in der nicht vorveröffentlichten
Patentanmeldung
DE 10 2006 040
026 (Weger) vorgestellt. Wie aus
2 ersichtlich
werden bei diesem Verfahren zu jeder Lampe Kollektor-Emitterstrecken
von Bipolartransistoren in Serie geschaltet, wobei die Transistoren
die Unterschiede der Durchgangswiderstände der Röhren
dynamisch ausgleichen und somit gleiche Lampenströme in
allen Kanälen ermöglichen. Der Nachteil dieses Stromsymmetrierverfahrens
besteht darin, dass an den Symmetriertransistoren Leistungsverluste
auftreten, die den Spannungsabfällen an den Kollektor-Emitterstrecken
proportional sind. Neben Einbußen beim Wirkungsgrad verringert
sich dadurch auch der Kostenvorteil dieser Halbleiterschaltung gegenüber
den magnetischen Lösungen in dem Maße, wie eine
höhere Spannungsfestigkeit der Symmetriertransistoren benötigt
wird. An dieser Stelle setzt die hier vorgestellte Erfindung an.
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Offenbarung der Erfindung
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Symmetrierschaltungen
gemäß dem Stand der Technik gleichen die unterschiedlichen
Widerstände der Lampen mittels zu den einzelnen Lampen in
Serie geschalteten Symmetriertransistoren aus, wobei die Transistoren
als dynamische Widerstände fungieren.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine dieses Verfahren umsetzende
elektronische Schaltung anzugeben, wodurch die Widerstände
der Lampen selbst beeinflusst werden, im Sinne einer Angleichung.
Dadurch wird die Notwendigkeit der Ausgleichung der verbleibenden
Widerstandsunterschiede drastisch verringert und somit auch die Spannungsabfälle
bzw. Verlustleistungen an den Symmetriertransistoren.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektronische
Schaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein
Verfahren zum Betrieb der Schaltung ist in einem weiteren unabhängigen
Anspruch angegeben.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird
eine Symmetrierschaltung basierend auf einer in der
DE 10 2006 040 026 offenbarten
Schaltung vorgestellt. Die erfindungsgemäße Schaltung
nutzt die Strom- und Temperaturabhängigkeit des Lampenwiderstandes
und erreicht mittels gezielter Desymmetrierung der Lampenströme
innerhalb ihres Strom-Toleranzbereiches eine Angleichung der Widerstandstoleranz
der Lampen.
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Dadurch
wird die Gesamtverlustleitung der Schaltung reduziert und es können
kostengünstigere Halbleiterbauteile verwendet werden.
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Die
Erfindung schlägt Desymmetriermodule vor, die parallel
zu den Kollektor-Emitter-Strecken der Symmetriertransistoren jedes
Kanals geschaltet sind. Durch die Desymmetriermodule werden die
individuellen Lampenströme durch die Gasentladungslampen
kontrolliert desymmetriert derart, dass der Sollwert des durch jede
Lampe fließenden Stroms mit der Impedanz der Lampe monoton
anwächst.
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Die
Erfindung ist vorzugsweise Teil einer elektronischen Stromsymmetrierschaltung,
durch welche der Wechselstrom durch jede Lampe mittels Dioden in
seine positiven und negativen Halbwellen getrennt wird, wobei die
positiven Halbwellen über die Kollektor-Emitterstrecke
eines npn-Transistors und einen Emitterwiderstand und die negativen
Halbwellen über die Kollektor-Emitterstrecke eines pnp-Transistors
und einen Emitterwiderstand zur Spannungsquelle zurückgeführt
werden.
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Die
Basisanschlüsse aller npn-Transistoren und die Basisanschlüsse
aller pnp-Transistoren sind elektrisch miteinander verbunden, wobei
die vom Lampenstrom einer Gasentladungslampe abgeleiteten gemeinsamen
Basisströme für die miteinander verbundenen Transistoren
eine Potenzialstufe überwinden müssen. Hierzu
ist jedem der Transistoren ein eine Spannungspotenzialstufe erzeugendes
elektronisches Bauteil (z. B. Zenerdiode) oder Schaltungsteil zwischen
Basis und Kollektoranschluss zugeordnet, das unterhalb eines bestimmten
Spannungspotenzials hochimpedant und darüber niederimpedant
ist.
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Die
Stromsymmetrierschaltung kann alternativ derart ausgebildet sein,
dass für jede Gasentladungslampe eine Halbwelle der Eingangswechselspannung über
eine erste Diode durch die Lampe und einen ersten Transistor geführt
wird und die andere Halbwelle über eine zweite Diode, durch
die Lampe und einen zweiten Transistor. Die Basisanschlüsse
aller ersten Transistoren Qu und die Basisanschlüsse aller
zweiten Transistoren Qo sind elektrisch miteinander verbunden. Die
vom Lampenstrom einer Gasentladungslampe abgeleiteten gemeinsamen
Basisströme der miteinander verbundenen Transistoren müssen
eine Potenzialstufe überwinden.
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In
der beschrieben Schaltung fließt der Strom durch jede Lampe
und durch eine Symmetrierschaltung mit mindestens einem zur Lampe
in Serie geschalteten Transistor und einen mit dem Emitteranschluss
des Transistors verbundenen Emitterwiderstand. Am Emitteranschluss
des Transistors wird erfindungsgemäß ein zusätzlicher
Strom aus einer externen Quelle eingespeist, wobei dieser Strom
monoton mit dem Spannungsabfall an der Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors des Symmetrierschaltung wächst.
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Zur
Einspeisung des zusätzlichen Stroms ist vorzugsweise parallel
zur Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors der Symmetrierschaltung
ein Spannungsteiler, bestehend aus zwei Widerständen und gegebenenfalls
einer Diode, geschaltet, der einen zu der Kollektor-Emitter-Spannung
des Transistors proportionalen Bypassstrom erzeugt. Der Bypassstrom wird
einer Stromspiegelschaltung, bestehend aus mindestens einem weiteren
Transistor und einem dritten Widerstand, zugeführt, mittels
der der zusätzliche Strom aus einer Hilfsspannungsquelle
generiert und am Emitteranschluss des Transistors der Symmetrierschaltung
eingespeist wird.
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Die
Lampen werden vorzugsweise aus einer Wechselspannungsquelle versorgt,
wobei die positiven und die negativen Halbwellen der Wechselspannung
getrennt desymmetriert werden. Zur Stromversorgung der Lampen kann
jedoch auch eine Gleichspannungsquelle verwendet werden.
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Ein
entsprechendes Verfahren zum Betrieb mehrerer Gasentladungslampen
an einer gemeinsamen Spannungsquelle unter Verwendung der kontrollierten
Lampenstromdesymmetrierung ist ebenfalls beansprucht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Stromsymmetrierschaltung nach dem Stand der Technik zum Betrieb
mehrerer Gasentladungslampen an einer gemeinsamen Spannungsquelle
unter Verwendung von Symmetriertransformatoren.
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2 zeigt
eine Symmetrierschaltung auf Halbleiterbasis gemäß einer älteren,
nicht vorveröffentlichten Entwicklung des Erfinders.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Stromsymmetrierschaltung
mit gezielter Desymmetrierung der einzelnen Kanäle. Die
Potenzialstufen erzeugenden Elemente wurden aus Gründen
der Übersichtlichkeit hier weggelassen,
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4 zeigt
beispielhaft typische Kennlinien von zwei Gasentladungslampen.
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5 zeigt
einen beispielhaften Aufbau einer Stromsymmetrierschaltung mit Desymmetriermodul.
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6 zeigt
einen beispielhaften Aufbau einer Stromsymmetrierschaltung mit Desymmetriermodul.
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7 zeigt
einen beispielhaften Aufbau einer Stromsymmetrierschaltung mit einem
vereinfachten Desymmetriermodul.
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8 zeigt
eine Stromsymmetrierschaltung mit Desymmetriermodulen unter ausschließlicher Verwendung
von NPN-Transistoren.
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Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsbeispielen der Erfindung
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Die
Erfindung kann bei all jenen Symmetrierschaltungen eingesetzt werden,
die die Lampenströme durch in Serie geschaltete Transistoren
mit Emitterwiderstand symmetrieren und wobei die Basispotenziale
der Transistoren gleich sind. In 2 ist beispielhaft
eine solche Schaltung abgebildet auf die das erfindungsgemäße
Desymmetrierverfahren angewendet werden kann. Pro Gasentladungslampe
La (Kanal, Lampenzweig) werden ein npn-Transistor Qbp und ein pnp-Transistor
Qbn als zentrale Bauelemente verwendet. 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 negativen Stromhalbwellen. Die Wechselspannung U~
wird von einer Hochspannungsquelle, beispielsweise von einem Hochspannungstransformator,
geliefert. Die positiven Halbwellen gehen durch den npn-Transistor
Qbp, die negativen durch den pnp-Transistor Qbn. Beide positiven
und negativen Halbwellen werden über einen den beiden Transistoren
Qbp, Qbn gemeinsamen Emitterwiderstand Re zur Spannungsquelle zurückgeführt.
Die Basisanschlüsse der npn-Transistoren Qbp aller Lampenzweige
sind miteinander verbunden (p-Stromspiegel). Ebenso sind die Basisanschlüsse
der pnp-Transistoren Qbn aller Lampenzweige miteinander verbunden
(n-Stromspiegel). Der Basisanschluss jedes npn-Transistors Qbp ist
mittels einer Zenerdiode Zp mit dem Kollektoranschluss desselben
Transistors Qbp verbunden. Der Basisanschluss jedes pnp-Transistors
Qbn 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, zumal dadurch
eine Strom aufteilende Wirkung der Schaltung auch dann gegeben ist,
wenn der hochohmigste Kanal nicht bekannt ist bzw. während
des Betriebes wechselt. Die Schaltung arbeitet folgendermaßen:
Solange der Spannungsabfall zwischen Kollektor und Emitter der Transistoren
Qbp und Qbn unterhalb der Zenerspannung der Zenerdioden Zp und Zn
liegt, sind alle Transistoren gesperrt, da kein Basisstrom fließt.
Wenn nun die Spannungshalbwelle der gemeinsamen Wechselspannung
der Spannungsquelle U~ ansteigt, wird in dem Kanal mit der niederohmigsten
Lampe La zuerst die Zenerspannung erreicht und die entsprechende Zenerdiode
Zp bzw. Zn wird leitend und der zugeordnete Transistor Qbp bzw.
Qbn angesteuert. Da die Basisanschlüsse aller Npn- bzw.
Pnp-Transistoren Qbp und Qbn miteinander verbunden sind, werden über
diese zuerst leitende Zenerdiode alle miteinander verbundenen Transistoren
Qbp bzw. Qbn angesteuert und deren Basisströme beginnen
zu fließen. Diejenige Zenerdiode, die zuerst leitend wird,
steuert also alle an den Basisanschlüssen 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 noch etwas geringer als die
Zenerspannung. Wegen der gleichen Basisspannungen (Basisanschlüsse
sind direkt miteinander verbunden) und des gleichen Emitterwiderstandes
sind die Emitterströme in allen an ihren Basisanschlüssen
miteinander verbundenen Transistoren Qp bzw. Qn gleich. Solange
keiner der Transistoren in die Sättigung geht, also keiner
vollkommen durchgeschaltet ist, trifft dies auch auf die Kollektorströme
und damit auf die Lampenströme IL zu.
In diesem Fall werden die Lampenströme IL von
der Schaltung in jedem Lampenzweig 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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3 zeigt
schematisch die erfindungsgemäße Schaltung, mittels
der die Toleranzen des Durchgangswiderstands der einzelnen Lampen
ausgeglichen werden können. Die Schaltung gemäß 2 wurde
durch zwei Desymmetriermodule DBp und DBn pro Lampenzweig ergänzt.
Die Bereitstellung der Basisströme über Potenzialstufen
erzeugente Elemente (z. B. Zenerdioden) ist aus Gründen
der Übersichtlichkeit in 3 nicht
mehr angegeben. Die Desymmetriermodule DBp und DBn sind parallel
zur Kollektor-Emitter-Strecke der Transistoren Qbp und Qbn jedes
Kanals geschaltet. Die Basisspannung CSS für die Transistoren
wird beispielsweise durch Zenerdioden Zp bzw. Zn gemäß 2 erzeugt.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Idee wird anhand von 4 deutlich.
Hier ist beispielhaft ein typischer Kennlinienverlauf zweier Kaltkathodenfluoreszenzlampen
dargestellt. Es ist die Spannung V über dem Strom I dargestellt.
Die obere Kennlinie HIL charakterisiert die Lampe mit der höheren
Impedanz. Die untere Kennlinie LIL gehört zur Lampe mit der
niedrigeren Impedanz. Bei gleichem Lampenstrom IL liegt
an der höherimpedanten Lampe (Kennlinie HIL) eine um dV
höhere Spannung an. Offensichtlich sinkt für jede
Lampe der Lampenwiderstand RL = VL/IL mit dem Lampenstrom
IL. Wird die höherimpedante Lampe
(Kennlinie HIL) nun aber mit einem etwas höheren Strom
IL + dl betrieben, so verringert sich deren
Widerstand (bzw. Impedanz). Dadurch reduziert sich die Spannungsdifferenz
zwischen den beiden Kennlinien von dV auf dV'.
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Die
Spannungsdifferenz dV bzw. dV' erscheint an der Kollektor-Emitterstrecke
der Symmetriertransistoren Qbp und Qbn als Symmetrierspannung und
ist dort für die benötigte Spannungsfestigkeit
der Transistoren und die Symmetrierverluste verantwortlich. Neben
dem unmittelbaren Effekt der Reduktion der Symmetrierspannung wird
durch die Verschiebung des Arbeitspunktes der höherimpedanten Lampe
(Kennlinie HIL) von IL nach IL +
dl in dieser Lampe mehr Leistung frei als in der niederimpedanten
Lampe (Kennlinie LIL). Dadurch steigt die Temperatur in der höherimpedanten
Lampe, was wiederum eine Kennliniendrift in Richtung zur niederimpedanten
Lampe zur Folge hat, da eine Erhöhung der Lampentemperatur
den Lampenwiderstand in allen Arbeitspunkten reduziert. In Summe
werden durch die beschriebene Strom-Desymmetrierung die Lampenwiderstände
angeglichen und die Symmetrierspannungen reduziert.
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Die
schaltungstechnische Umsetzung des Desymmetriermoduls DBp ist in 5 exemplarisch für
die positive Halbwelle eines Lampenzweiges gezeigt. Der strichliert
umrandete Schaltungsteil DBp ist der Kollektor-Emitter-Strecke jedes
Transistors Qbp parallel geschaltet. Das Desymmetriermodul DBp verschiebt
den Sollwert des Lampenstroms IL der Lampen
mit einer niedrigeren Impedanz zu kleineren Werten. Die Funktion
erklärt sich wie folgt: Der Symmetriertransistor Qbp regelt
den Strom durch den Emitterwiderstand Re, so dass der Spannungsabfall am
Widerstand Re um die Basis-Emmiter-Spannung (Diodenschleusenspannung
(ca. 600 mV)) unterhalb des Basispotenzials des Transistors Qbp
bleibt. Über einen Spannungsteiler, der gebildet wird durch
die Widerstände R1 und R2 sowie eine Diode D, wird nun
ein kleiner Teil I2 (z. B. 5%) des Lampenstromes IL an der Kollektor-Emitter-Strecke des Symmetriertransistors
Qbp vorbeigeleitet (Bypassstrom). Da auch der Bypassstrom I2 über den Widerstand Re nach Masse
abfließt, wird das Regelverhalten des Symmetriertransistors
Qbp dadurch nicht gestört. Der Transistor Qob mit einem
Widerstand R3 am Emitteranschluss bildet einen multiplizierenden Stromspiegel
für den Bypassstrom I2. Der Multiplikationsfaktor
ist im Wesentlichen durch das Verhältnis der Widerstände
R2/R3 gegeben. Wählt man beispielsweise das Verhältnis
von R2/R3 = 1, so wird durch die Wirkung des Stromspiegels ein zusätzlicher
Strom I3 von derselben Größe
wie der Bypassstrom I2 über den
Widerstand Re geleitet. Dieser zusätzliche Strom I3 wird aus einer externen Hilfsspannungsquelle
Vp bezogen. Da der Symmetriertransistor Qbp aber den Gesamtstrom
durch Re regelt, wird der Lampenstrom IL um
den Betrag des über den Stromspiegel eingespeisten Stromes
I3 reduziert. Offensichtlich ist der Bypassstrom
I2 aber proportional zu dem Spannungsabfall
an der Kollektor-Emitter-Strecke des Symmetriertransistors Qbp.
Dieser Spannungsabfall ist aber umso größer je
niederimpedanter die Lampe La im Vergleich zu den anderen Kanälen
ist. Somit ergibt sich eine umso größere Reduktion
des Sollwertes des Lampenstroms IL je niederimpedanter
die Lampe ist. Dies ist genau das oben beschriebene gewünschte
Verhalten.
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Eine
analoge Schaltung mit der gleichen Funktionsweise gibt es auch für
die pnp-Symmetriertransistoren Qbn, welche die negative Halbwelle
des Lampenstroms regeln. Die entsprechende Schaltung ist in 6 dargestellt.
Im Unterschied zu 5 fließen die Ströme
in die entgegengesetzte Richtung.
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Da
für die Funktion keine hohe Präzision des Stromspiegels
notwendig ist, kann für viele Anwendungsfälle
die Diode D auch weggelassen werden. Wenn für die Stromsymmetrierung
npn und pnp-Transistoren getrennt für jede Halbwelle des Lampenstroms
zum Einsatz kommen, kann die in 7 angegebene
vereinfachte Schaltung verwendet werden. Qbp und Qbn sind die Symmetriertransistoren
für die positiven und für die negativen Stromhalbwellen.
Das Desymmetriermodul besteht aus einem Spannungsteiler gebildet
durch die Widerstände R1 und R2, die einen Bypassstrom
I2 an der Kollektor-Emitterstrecke der Transistoren
Qbp und Qbn vorbeileiten. Der Bypassstrom wird durch zwei Stromspiegelschaltungen,
gebildet durch die Transistoren Qobp und Qobn und die Widerstände
R3 gespiegelt und jeweils ein Spiegelstrom I3 generiert.
Die Spiegelströme werden über den Widerstand Re
abgeleitet. Da die Symmetriertransistoren den Gesamtstrom durch
Re regeln, wird der Lampenstrom IL um den
Betrag des über die Stromspiegel eingespeisten Ströme
I3 reduziert.
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Wenn
für die Schaltung ausschließlich npn-Symmetriertransistoren
Qb verwendet werden sollen, kann die in 8 gezeigte
Schaltung eingesetzt werden. Diese erfordert nun offenbar auf beiden Seiten
der Lampe Hilfsspannungsquellen Vp, Vphp. Die Regelung des Lampenstroms
IL erfolgt getrennt für jede Halbwelle
des Eingangswechselstroms. Die Dioden Dbp und Dbn sind Schutzdioden,
welche die Halbwellen des Eingangswechselstroms über die Lampe
La an den jeweils „zuständigen” Transistor
leiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/038828 [0003]
- - DE 102006040026 [0003, 0008]