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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schaltung zum Betrieb
von mehreren Gasentladungslampen an einer Wechselstromquelle, mit
wenigstens einem Transformator mit einer Primärwicklung und wenigstens einer
Sekundärwiciklung,
wobei insgesamt mindestens zwei Sekundärwicklungen vorhanden sind,
wobei die Gasentladungslampen und die Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet sind
und einen geschlossenen Ring bilden, der aus einer regelmäßigen Abfolge
gemäß dem Muster Lampe-Sekundärwicklung-Lampe-Sekundärwicklung
(LS) oder Lampe-Lampe-Sekundärwicklung-Lampe-Lampe-Sekundärwicklung
(LLS) gebildet ist, insbesondere für die Hintergrundbeleuchtung einer
Flüssigkristallanzeige.
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Eine
derartige Schaltung ist aus der
WO 2006/085 683 A1 bekannt.
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Das
Licht für
Hintergrundbeleuchtungen von Flüssigkristallanzeigen
wird häufig
mit einer Reihe gleichartiger Kaltkathodenröhren mit Fluoreszenzbeschichtung
erzeugt. Die Röhren
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 (Stromsymmetrierung). Die zulässige Stromtoleranz liegt typischerweise
bei ±5%.
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Die
beste technische Lösung
dies zu erreichen besteht darin, für jede Lampe eine eigene stromgeregelte
Hochspannungsversorgung mit eigener Hauptbrücke und eigenem Hochspannungstransformator
zu verwenden.
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Aus
Kostengründen
ist diese Lösung
jedoch in den meisten Fällen
nicht realisierbar.
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Die
einfachste Schaltung, um in mehreren Verbrauchern die gleiche Stromstärke zu erzielen,
ist die Hintereinanderschaltung der Verbraucher an lediglich einer
einzigen Stromquelle.
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Im
Falle von Kaltkathodenröhren
ist diese Lösung
jedoch praktisch nicht möglich,
da die Betriebsspannungen der einzelnen Lampen in der Größenordnung
von 1 kV liegen, und der Potentialhub durch den Transformator die
Summe aller Lampenspannungen betragen muss. Für beispielsweise 16 Lampen
wären demnach
Transformatorspannungen von 16 kV notwendig. Diese hohe Spannung
würde einen
kaum tragbaren Isolationsaufwand bedeuten und auch viel zu hohe
parasitäre
Blindströme
an die geerdete Umgebung der Lampen verursachen. Aufgrund dieser
Blindströme
wäre auch
die Stromgleichheit in den Lampen nicht mehr gegeben.
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In
der
1 ist eine Schaltung dargestellt, wie sie beispielsweise
aus der
US 2005/0156542
A1 bekannt ist. Darin werden mehrere einzelne Transformatoren
1 an
lediglich einer einzelnen Hochfrequenzquelle betrieben. Jeder Transformator
weist einen Kern
3 auf, auf dem eine Primärwicklung
4 und eine
Sekundärwicklung
5 angeordnet
sind. Die Lampen
6 und die Sekundärwicklungen
5 der
einzelnen Transformatoren
1 sind in Reihe geschaltet, wobei
je ein Anschluss des ersten und letzten Transformators („terminal
transformer”)
mit Massepotential verbunden ist.
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Durch
diese Schaltung wird erreicht, dass der Strom durch alle Lampen 6 automatisch
gleich ist, ohne dass jeweils eine eigene stromgeregelte Hochspannungsversorgung
notwendig ist. Das ist ein wesentliches Grundelement der Stromsymmetrierung.
Allerdings treten aufbaubedingt parasitäre Kapazitäten auf, wodurch die Stromsymmetrierung
wieder gestört
wird. Selbst in ein und derselben Lampe schwankt die Stromstärke in Längsrichtung
durch die Wirkung der kapazitiven Ströme zum Gehäuse. In Hintergrundbeleuchtungen
für Flüssigkristallanzeigen
ist die Lampenanordnung sehr regelmäßig, so dass die parasitären Kapazitäten nahezu
gleich sind und die resultierende Störung gering ist. In anderen Anwendungen
können
die Störungen
jedoch relevant sein.
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Zur
Reduzierung der notwendigen Bauteile ist beispielsweise in der
WO 2006/085683 A1 eine Schaltung
vorgeschlagen, bei der nur ein Transformator
1 vorhanden
ist, der auf einem Kern
3 eine Primärwicklung
4 und mehrere
Sekundärwicklungen
5 aufweist.
Diese Sekundärwicklungen
5 sind
abwechselnd mit den Lampen
6 in Serie geschaltet, wie in der
2 schematisch
dargestellt.
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Durch
die abwechselnde Reihenschaltung von Transformatoren und Lampen
treten keine Potentiale auf, die höher als eine Lampenspannung
liegen, da der Potentialhub einer Wicklung 5 vor einer Lampe 6 durch
den Potentialabfall an der Lampe 6 wieder ausgeglichen
wird. Die Blindströme
an die Umgebung reduzieren sich dadurch, wodurch sich auch die Stromgleichheit
in den einzelnen Lampen 6 verbessert.
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Bei
dieser Schaltung sind beide Lampenenden auf Hochspannungspotential.
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Eine
für die
praktische Anwendung wesentliche Einschränkung des Stands der Technik
liegt darin, dass Fehlersituationen wie Hochohmigkeit (Bruch) oder
Kurzschluss einer Lampe nicht elektrisch erkannt werden. In der
US 2005/0156542 A1 wird
durch die direkte Masseanbindung außerdem die Symmetrierwirkung
stark eingeschränkt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Schaltung der vorgenannten Art zu schaffen,
die eine homogenere Lichtausbeute erzielt und für die wenige Bauteile benötigt werden,
und die außerdem
kritische Fehlersituationen wie Hochohmigkeit einer Lampe (Bruch)
oder Lampenkurzschluss ebenso wie Störungen in der Stromsymmetrierung
automatisch erkennt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass bei einer Schaltung der genannten Art der Ring wenigstens halb
so viele hochohmige Massenverbindungen, die jeweils von einem virtuellen
Potentialnullpunkt über
eine Detektionsschaltung für
Stromasymmetrie (ADC) zu einem Massepotential führen, aufweist wie Gasentladungslampen
im Ring vorhanden sind. Durch die Detektionsschaltung für Stromasymmetrie
(ADC) kann ein kritischer Betriebszustand der Schaltung erkannt
werden und eine entsprechende Reaktion erfolgen. Solch ein kritischer
Betriebszustand kann beispielsweise der Ausfall einer Lampe, eine
Abweichung in der Stromsymmetrie oder ein Kurzschluss sein. Durch
die Überwachung
aller oder jedes zweiten virtuellen Potentialnullpunktes mittels
eines ADC's ist
gewährleistet,
dass Symmetriestörungen
unabhängig
von deren individueller Lage zuverlässig erkannt werden.
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Im
normalen Betriebsfall liegt zwischen virtuellem Potential nullpunkt
und Masse eine geringe Wechselspannung, die aus der Streuung der
Lampenimpedanzen resultiert. Im Fehlerfall bzw. bei Störung der
Stromsymmetrie steigt die dort abfallende Spannung um mehrere hundert
Volt an. Die Schaltung zur Detektion von Stromasymmetrie (ADC) ist zweckmäßigerweise
ein ohmscher Spannungsteiler. mit Mittelabgriff. Der Spannungsteiler
ist vorzugsweise aus Festwiderständen
aufgebaut.
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Zur
Auswertung oder Erzeugung eines Fehlersignals bei Auftreten eines
kritischen Betriebszustands weist die Schaltung vorzugsweise eine
Auswerteeinrichtung auf. Eine solche Auswerteeinrichtung kann beispielsweise
ein Dioden-Oder-Netzwerk sein,
an dem alle Mittelabgriffe der Detektor-Schalturigen „Oder” verknüpft werden und wobei das Ergebnis
einem Komparator zugeführt
wird. In dem Komparator wird die Ausgangsspannung der Oder-Verknüpfung mit
einer Referenzspannung verglichen.
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Bei
einer Schaltungstopologie nach einem LS-Muster liegen jeweils beide
Lampenenden auf hohem Potential. Damit sind die Potentialdifferenzen
innerhalb des Schaltungs-Ringes geringer, wodurch parasitäre Blindströme reduziert
werden. Dadurch wird die Stromgleichheit und somit die Homogenität der Helligkeit
verbessert.
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Die
hochohmigen Verbindungen über
eine Detektionsschaltung für
Stromasymmetrie (ADC) zu einem Massepotential werden bei einem LS-Muster bevorzugt
durch eine Mittelanzapfung an wenigstens einer Sekundärwicklung
realisiert, da sich dort ein virtueller Potentialnullpunkt einstellt.
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Für manche
Anwendungen, speziell wenn aus Platzgründen nur jeweils ein Lampenende
für Hochspannung
isoliert werden kann, ist es jedoch vorteilhaft, wenn jeweils ein
Lampenende auf niedrigem Potential liegt.
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In
diesem Fall kann eine LLS-Abfolge der Bauelemente verwendet werden,
wobei sich ein virtueller Potentialnullpunkt am Knotenpunkt zwischen zwei
Lampen einstellt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Ring nach
einem LLS-Muster aufgebaut und die hochohmigen Masseverbindungen
sind jeweils an einem Knotenpunkt zwischen zwei Lampen angeordnet.
Dabei ist es insbesondere zweckmäßig, wenn
alle Knotenpunkte zwischen zwei Lampen eine hochohmige Masseverbindung
aufweisen.
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Eine
alternative Ausführung
sieht vor, dass wenigstens die Hälfte
der Sekundärwicklungen
einen Mittelabgriff aufweisen und die hochohmigen Masseverbindungen
(ADC's) an diesen
Mittelabgriffen angeordnet sind, zumal sich auch hier bei Stromsymmetrie
virtuellen Potentialnullpunkte ausbilden.
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Solche
Mittelabgriffe in den Sekundärwicklungen
sind insbesondere bei LS-Abfolgen die einzige Möglichkeit an virtuellen Potentialnullpunkte
heranzukommen, da ansonsten virtuelle Potentialnullpunkte nur in
der Mitte der Lampe auftauchen und nicht kontaktiert werden können. Prinzipiell
ist jedoch auch bei LLS-Anordnungen eine Beschaltung der Mittelabgriffe
der Sekundärwicklungen
möglich.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführung
der Erfindung sieht vor, dass die Schaltung genau zwei Transformatoren
mit jeweils einer Primärwicklung und
mehreren Sekundärwicklungen
aufweist, dass der Ring nach einem LS-Muster aufgebaut ist und dass
jeweils ein Lampenende mit einer Sekundärwicklung des einen Transformators
und das andere Lampenende mit einer Sekundärwicklung des anderen Transformators
verbunden ist.
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Die
Primärwicklungen
der Transformatoren können
parallel oder in Reihe geschaltet werden. Wenn viele Lampen zu symmetrieren
sind, gewährleistet
die Reihenschaltung höhere
Symmetrierstabilität.
In manchen Fällen
kann es zweckmäßig sein, Serien-
und Parallelschaltung zu kombinieren, das heißt parallel verschaltete Gruppen
hintereinander in Serie zu schalten oder auch umgekehrt.
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Um
eine symmetrische Beschaltung der Sekundärwicklungen zu erzielen, ist
es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Gasentladungslampen gerade ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Ausführungsbeispielen und
den Zeichnungen.
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Es
zeigt:
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1 eine
Schaltung mit mehreren Transformatoren gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine
Schaltung mit einem Transformator mit mehreren Sekundärwicklungen
gemäß dem Stand
der Technik,
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3 eine
erfindungsgemäße Schaltung
mit zwei Transformatoren mit mehreren Sekundärwicklungen mit jeweils einem
Mittelabgriff,
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4 eine
erfindungsgemäße Schaltung
mit zwei Transformatoren mit mehreren Sekundärwicklungen, wobei nur die
Sekundärwicklungen
eines Transformators Mittel abgriffe aufweisen,
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5 eine
erfindungsgemäße Schaltung
mit mehreren Transformatoren mit jeweils einer Sekundärwicklung
mit Mittelabgriff,
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6 eine
erfindungsgemäße Schaltung
mit mehreren Transformatoren mit jeweils einer Sekundärwicklung,
von denen jede zweite einen Mittelabgriff aufweist,
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7 eine
erfindungsgemäße Schaltung
mit einem Transformator mit mehreren Sekundärwicklungen,
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8 eine
erfindungsgemäße Schaltung
mit mehreren Transformatoren mit jeweils einer Sekundärwicklung,
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9 eine
erfindungsgemäße Schaltung
mit zwei Transformatoren mit mehreren Sekundärwicklungen, wobei nur die
Sekundärwicklungen
eines Transformators Mittelabgriffe aufweisen und wobei die Primärwicklungen
in Reihe geschaltet sind
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10 eine
erfindungsgemäße Schaltung mit
mehreren Transformatoren mit jeweils einer Sekundärwicklung
und wobei die Primärwicklungen
in Reihe geschaltet sind.
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11 eine
Schaltung zur Detektion von Stromasymmetrie (ADC)
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12 eine
Schaltung zur Erzeugung eines Fehlersignals,
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Die 3 zeigt
eine bevorzugte Ausführung der
Erfindung am Beispiel von sechs Lampen 6. Die Schaltung
weist zwei Trans formatoren 1 auf, die jeweils eine Primärwicklung 4 und
drei Sekundärwicklungen 5 aufweisen.
Die Primärwicklungen 4 sind
parallel geschaltet und mit einer Wechselspannungsquelle 2 verbunden.
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In
der Schaltung sind die Lampen 6 und Sekundärwicklungen 5 in
dem Schaltungs-Ring abwechselnd in Reihe geschaltet, bilden also
ein LS-Muster. Dabei ist jeweils ein Lampenende mit einer Sekundärwicklung 5 eines
Transformators 1 und das andere Lampenende mit einer Sekundärwicklung 5 des
anderen Transformators 1 verbunden.
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Durch
die Reihenschaltung fließt
im Ring durch jedes Bauteil der gleiche Strom, weshalb die Lampen 6 prinzipiell
die gleiche Helligkeit aufweisen sollten.
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An
jeder Sekundärwicklung 5 ist
ein Mittelabgriff 7 angeordnet, an dem sich zusätzlich zum
virtuellen Potentialnullpunkt in der Lampenmitte ein weiterer virtueller
Nullpunkt ausbildet. Der Mittelabgriff ist über eine Schaltung zur Detektion
von Stromasymmetrie (ADC) 8 hochohmig mit Masse 9 verbunden.
Praktisch bedeutet hochohmig, dass der Stromfluss über den
ADC mindestens eine Größenordnung kleiner
sein muss als die typischen Lampenströme. In diesem Fall wird die
freie Einstellung des Potentiales am Ort des virtuellen Nullpunktes
durch den ADC nicht störend
beeinflusst und die Symmetrierwirkung ist am effektivsten.
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Eine
alternative Ausführung
dieser Schaltung ist in 4 gezeigt, die im Wesentlichen
identisch zur 3 ist. Die Schaltung weist jedoch
nur halb so viele Detektor-Schaltungen 8 wie Lampen 6 auf.
Im Beispiel sind nur an den Sekundärwicklungen 5 eines
Transformators 1 Mittelabgriffe 7 angeordnet, an
die jeweils eine Detektorschaltung 8 angeschlossen ist.
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Alternativ
können
die Detektorschaltungen 8 jedoch auch anders verteilt sein.
Auch mit dieser Anordnung ist eine zuverlässige Erkennung von Symmetrierstörungen sowie
Fehlersituationen noch möglich.
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Statt
zwei Transformatoren 1 mit mehreren Sekundärwicklungen 5 kann
eine erfindungsgemäße Schaltung
auch mehrere Transformatoren 1 mit jeweils nur einer Sekundärwicklung 5 aufweisen.
In der 5 ist eine solche Schaltungsanordnung gezeigt, bei
der jede Sekundärwicklung 5 einen
Mittelabgriff 7 hat, der über eine Detektor-Schaltung 8 mit
Masse 9 verbunden ist. Die Primärwicklungen 4 der
Transformatoren 1 sind dabei parallel geschaltet und mit
einer gemeinsamen Wechselspannungsquelle 2 verbunden.
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Die 6 zeigt
eine alternative Ausführung der 5,
bei der nur jeder zweite Transformator 1 einen Mittelabgriff 7 an
der Sekundärwicklung 5 aufweist.
Die Schaltung weist demnach auch nur halb so viele Detektor-Schaltungen 8 auf.
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Falls
in einer Anwendung jeweils ein Lampenende auf einem niedrigen Niveau
liegen soll, kann eine Schaltung gemäß 7 verwendet
werden. Hier folgen jeweils zwei Lampen 6 direkt aufeinander und
erst dann schließt
sich eine Sekundärwicklung 5 daran
an. Es entsteht dadurch eine Abfolge gemäß dem Muster Lampe-Lampe-Sekundärwicklung-Lampe-Lampe-Sekundärwicklung
(LLS).
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Darüber hinaus
hat diese Schaltungsausführung
nur einen Transformator 1 mit mehreren Sekundärwicklungen 5 und
zwar genau halb so viele wie Lampen 6. In dem gezeigten
Beispiel sind acht Lampen 6 an vier Sekundärwicklungen 5 angeschlossen.
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An
jedem Knotenpunkt 10, an dem zwei Lampen 6 direkt
miteinander verbunden sind, ist der Schaltungsring über eine
Detektorschaltung (ADC) 8 mit Masse 9 verbunden.
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Auch
diese Schaltungstopologie ist gemäß 8 mit einzelnen
Transformatoren 1 mit jeweils nur einer Sekundärwicklung
realisierbar.
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In
allen vorangegangenen Schaltungsbeispielen wurden die Primärwicklungen
der Transformatoren parallel geschaltet. Eine primärseitige
Reihenschaltung ist in allen Fällen
ebenso möglich.
Insbesondere bei Anwendungen mit vielen Lampen und großen Streuinduktivitäten in den
Transformatoren, verbessert die primärseitige Hintereinanderschaltung der
Transformatoren die Stabilität
des Symmetrierverfahrens. Die primärseitige Reihenschaltung ist
anhand von 9 und 10 für zwei typische
Anwendungen beispielhaft gezeigt:
Die 9 zeigt
eine bevorzugte Ausführung
der Erfindung am Beispiel von sechs Lampen 6. Die Schaltung
weist analog zur in 4 dargestellten Schaltung zwei
Transformatoren 1 auf, die jeweils eine Primärwicklung 4 und
drei Sekundärwicklungen 5 aufweisen.
Die Primärwicklungen 4 sind
hier jedoch in Reihe geschaltet.
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In
der Schaltung sind die Lampen 6 und Sekundärwicklungen 5 in
dem Schaltungs-Ring abwechselnd in Serie geschaltet, bilden also
ein LS-Muster. Dabei ist jeweils ein Lampenende mit einer Sekundärwicklung 5 eines
Transformators 1 und das andere Lampenende mit einer Sekundärwicklung 5 des
anderen Transformators 1 verbunden.
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An
den Sekundärwicklungen 5 des
einen Transformators sind jeweils Mittelabgriffe 7 angeordnet,
an denen sich jeweils zusätzlich
zum virtuellen Potentialnullpunkt in der Lampenmitte ein weiterer virtueller
Nullpunkt ausbildet. Jeder Mittelabgriff 7 ist über eine
Schaltung zur Detektion von Stromasymmetrie (ADC) 8 hochohmig
mit Masse 9 verbunden.
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In 10 folgen
analog zur Schaltung in 8 jeweils zwei Lampen 6 direkt
aufeinander und erst dann schließt sich eine Sekundärwicklung 5 daran
an. Es entsteht dadurch eine Abfolge gemäß dem Muster Lampe-Lampe-Sekundärwicklung-Lampe-Lampe-Sekundärwicklung
(LLS). An jedem Knotenpunkt 10, an dem zwei Lampen 6 direkt
miteinander verbunden sind, ist der Schaltungsring über eine Detektor-Schaltung
(ADC) 8 mit Masse 9 verbunden. Die Primärwicklungen 4 der
Transformatoren 1 sind in dieser Ausführung in Reihe geschalten.
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In 11 ist
beispielhaft eine Schaltung zur Detektion von Stromasymmetrie (ADC) 8 gezeigt.
Die Schaltung ist ein ohmscher Spannungsteiler, der aus zwei in
Reihe geschalteten Festwiderständen 11 und 11' aufgebaut ist.
Ein Ende des Spannungsteilers 8 wird mit einem virtuellen
Nullpunkt des Schaltungs-Rings verbunden, während das andere Ende auf Massepotential 9 liegt.
Am Mittelabgriff 12 kann ein Fehlersignal abgegriffen werden.
Das Verhältnis der
Widerstandswerte bestimmt die Amplitude des Fehlersignals.
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Eine
Schaltung zur Auswertung eines solchen Fehlersignals ist beispielhaft
in 12 gezeigt. Im Beispiel sind drei ADC-Schaltungen gezeigt 8,
deren Mittelabgriffe 12 über ein Dioden-Oder-Netzwerk mit
dem nicht-invertierenden Eingang 13 eines Komparators 14 verbunden
sind. Dazu ist der Mittelabgriff 12 jeder ADC-Schaltung 8 mit
der Anode einer Diode 15 verbunden. Die Kathoden der Dioden 15 sind
mit dem nichtinvertierenden Eingang 13 eines Komparators 14 verbunden.
Der invertierende Eingang 16 des Komparators 14 ist
mit einer Referenzspannung 17 verbunden.
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Im
normalen Betrieb liegt zwischen Mittelanzapfung 12 und
Masse 9 eine geringe Wechselspannung an, die aus der Streuung
der Lampenimpedanzen resultiert. Im Fehlerfall, das heißt bei Störung der
Stromsymmetrie oder Kurzschluss, steigt die Spannung am Mittelabgriff 12 um
mehrere hundert Volt an. Durch den Spannungsteiler 8 wird
der Spannungsanstieg auf ein für
die elektronische Detektion passendes Niveau gebracht. Im anschließenden Oder-Netzwerk
reicht eine hohe Spannung an einem Eingang aus um den nicht-invertierenden
Eingang 13 auf ein hohes Niveau zu ziehen. Sobald das Niveau über der
Referenzspannung 17 liegt, kippt der Komparator 14 und
liefert am Ausgang ein Fehlersignal. Aufgrund des Fehlersignals
kann nun eine Aktion ausgeführt
werden, beispielsweise das Gerät
abgeschaltet oder lediglich eine Warnmeldung ausgegeben werden.
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Für manche
Anwendungen kann es vorteilhaft sein, die Trennschärfe der
ADC-Schaltung 8 durch Zenerdioden zu steigern.
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- 1
- Transformator
- 2
- Hochspannungsquelle
- 3
- Kern
- 4
- Primärwicklung
- 5
- Sekundärwicklung
- 6
- Lampe
- 7
- Mittelabgriff
(Sekundärwicklung)
- 8
- Detektor-Schaltung
(ADC)
- 9
- Masse
- 10
- Knotenpunkt
zw. zwei Lampen
- 11
- Festwiderstand
- 11'
- Festwiderstand
- 12
- Mittelabgriff
(ADC)
- 13
- Nichtinvertierender
Eingang
- 14
- Komparator
- 15
- Diode
- 16
- Invertierender
Eingang
- 17
- Referenzspannung