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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung sowie ein Verfahren
zum Betrieb mehrerer Gasentladungslampen an einer gemeinsamen Spannungsquelle,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bzw. 9.
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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
A2 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
Offenlegungsschrift
DE
10 2007 054 273 A1 (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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US 7,268,501 B1 offenbart
elektronische Schaltungen und Verfahren zum Betrieb mehrerer Gasentladungslampen
an einer gemeinsamen Spannungsquelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1
bzw. 9. Es wird eine geregelte Stromsymmetrierschaltung eingesetzt,
die für
eine definierte Stromaufteilung zwischen den mehreren Gasentladungslampen
sorgt. Diese Schaltungen haben im Wesentlichen dieselben Nachteile
wie die in der oben genannten
DE 10 2007 054 273 A1 beschriebenen Schaltungen.
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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 2007 054 273 A1 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.
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 der 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 Qbp bzw. Qbn 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 +
dI 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 +
dI 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.