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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Vorschaltgerät zum Betreiben
von mindestens zwei unterschiedlichen Typen von Entladungslampen,
für deren
Betrieb ein unterschiedlicher Lampenstrom erforderlich ist, umfassend:
Einen Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss
zum Anschließen
einer Versorgungsgleichspannung, einen Boost-Konverter mit einer
Boostdrossel, einem Boostschalter, der eine Steuerelektrode, eine
Bezugselektrode und eine Arbeitselektrode aufweist, und einer Boostdiode,
wobei der Boost-Konverter eingangsseitig zwischen den ersten und
den zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist und einen Ausgang mit
einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss aufweist, einer
Brückenschaltung
mit einem ersten und einem zweiten elektronischen Schalter, wobei
der erste und der zweite elektronische Schalter jeweils eine Steuerelektrode,
eine Bezugselektrode und eine Arbeitselektrode aufweisen, wobei
die Serienschaltung des ersten und des zweiten elektronischen Schalters
unter Ausbildung eines ersten Brückenmittelpunkts
zwischen den ersten und den zweiten Ausgangsanschluss des Boost-Konverters gekoppelt
ist, einen Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss
zum Anschließen
der Entladungslampe, wobei der erste Ausgangsanschluss mit dem ersten
Brückenmittelpunkt
gekoppelt ist und wobei der zweite Ausgangsanschluss mit dem zweiten
Ausgangsanschluss des Gleichrichters gekoppelt ist, eine Lampendrossel,
die seriell zwischen den ersten Brückenmittelpunkt und den ersten
Ausgangsanschluss des elektronischen Vorschaltgeräts gekoppelt
ist, einer ersten Spannungsmessvorrichtung, die ausgelegt ist, die
Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss zu
messen, einer zweiten Spannungsmessvorrichtung, die ausgelegt ist,
die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss
des Boost-Konverters zu messen, und einem Mikrocontroller mit einem
ersten Eingang, der mit der ersten Spannungsmessvorrichtung gekoppelt
ist, einem zweiten Eingang, der mit der zweiten Spannungsmessvorrichtung
gekoppelt ist, einem ersten Ausgang der mit der Steuerelektrode
des ersten elektronischen Schalters gekoppelt ist, einem zweiten
Ausgang, der mit der Steuerelektrode des zweiten elektronischen
Schalters gekoppelt ist, und einem dritten Ausgang, der mit der Steuerelektrode
des Boostschalters gekoppelt ist, wobei der Mikrocontroller ausgelegt
ist, die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss
des Boost-Konverters durch Variation der Schaltfrequenz des am dritten
Ausgang bereitgestellten Signals zu regeln.
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Stand der Technik
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Damit
bei elektronischen Vorschaltgeräten die
Bedingung für
eine sinusförmige
Stromaufnahme erfüllt
ist, wird als Schaltungstypologie vornehmlich ein Boost-Konverter
im Netzeingang verwendet. Um eine korrekte Funktion sicherzustellen,
muss die Ausgangsspannung des Boost-Konverters, die so genannte Zwischenkreisspannung,
immer größer sein
als der Scheitelwert der Netzeingangsspannung. Für einen Eingangsspannungsbereich
von beispielsweise 180 Vrms bis 264 Vrms beträgt damit der maximale Scheitelwert
ca. 372 V. Um einen zuverlässigen
Betrieb mit sogenannter Power-Factor-Korrektur sicherzustellen,
wird im Stand der Technik die Zwischenkreisspannung so eingestellt,
dass sie einen festen Prozentsatz, beispielsweise 15%, über dem
maximalen Scheitelwert der Netzeingangsspannung liegt. Bei einem
Scheitelwert von 372 V, der sich beispielsweise bei einer Eingangsspannung
von 264 Vrms ergibt, liegt damit die Zwischenkreisspannung bei ca.
430 V. Unabhängig
vom tatsächlichen
Wert der Netzeingangsspannung wird damit die Frequenz, mit der der
Boostschalter betrieben wird, so variiert, dass sich dieser konstante
Wert der Zwischenkreisspannung einstellt. Bei dieser bekannten Vorgehensweise
fallen unerwünscht
hohe Verluste an. Je größer die
Differenz zwischen der Netzeingangsspannung und der Zwischenkreisspannung
ist, umso höher
ist die Schaltfrequenz des Boostschalters, wodurch sich Probleme
bei der Funkentstörung
ergeben.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein eingangs genanntes
elektronisches Vorschaltgerät
derart weiterzubilden, dass ein möglichst verlustarmer Betrieb
bei möglichst
geringen elektromagnetischen Störungen
ermöglicht
wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein elektronisches Vorschaltgerät mit den Merkmalen von Patentanspruch
1.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass unter
Verwendung eines Mikrocontrollers die Netzeingangsspannung und die
Zwischenkreisspannung vom Boost-Konverter
zeitgleich ermittelt werden kann. Auf dieser Basis kann nun die Zwischenkreisspannung
derart geregelt werden, dass sie einen bestimmten Prozentsatz, beispielsweise
4% bis 8%, über
dem Scheitelwert der Netzeingangsspannung liegt. Bei einer niedrigen
Netzeingangsspannung wird damit die Zwischenkreisspannung abgesenkt,
bei einer Erhöhung
der Netzeingangsspannung die Zwischenkreisspannung in gleichem Maße erhöht. Durch
diese Maßnahme
wird einerseits eine sinusförmige
Stromaufnahme sichergestellt, andererseits ein Betrieb der Schaltung
bei einer möglichst
niedrigen Betriebsfrequenz des Boostschalters ermöglicht.
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Bevorzugt
ist der Mikrocontroller ausgelegt, die Spannung zwischen dem ersten
und dem zweiten Ausgangsanschluss des Boost-Konverters derart zu regeln,
dass sie zumindest innerhalb eines ersten Wertebereichs des Spannungswerts
des Scheitels der Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss
oder innerhalb eines ersten Wertebereichs des Spannungswerts zwischen
dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss des Boost-Konverters
eine vorgebbare Schwelle über dem
Spannungswert des Scheitels der Spannung zwischen dem ersten und
dem zweiten Eingangsanschluss liegt. Mit anderen Worten wird die
Spannung am Eingang oder die Spannung am Ausgang des Boost-Konverters
gemessen und durch entsprechende Ansteuerung des Schalters des Boost-Konverters sichergestellt,
dass die Ausgangsspannung des Boost-Konverters stets so groß ist, dass
sicher eine sinusförmige
Stromaufnahme bewirkt wird, andererseits aber möglicht klein ist, um die Verluste
zu minimieren. Durch den geringen Spannungshub zwischen der Spannung
am Eingang und der Spannung am Ausgang des Boost-Konverters wird
die Effizienz des Boost-Konverters erhöht. Allgemein wird dadurch
die Strombelastung in den Bauteilen eines erfindungsgemäßen elektronischen
Vorschaltgeräts
reduziert, so dass kleinere Komponenten verwendet werden können. Dies
reduziert den Preis der Bauteile und deren Platzbedarf. Durch die
im Vergleich zum Stand der Technik im Durchschnitt geringere Ausgangsspannung
des Boost-Konverters werden die Verluste im Boost-Konverter deutlich
verringert.
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Dabei
beträgt
die vorgebbare Schwelle insbesondere zwischen 2% und 10%, bevorzugt
zwischen 4% und 8%, des Spannungswerts des Scheitels der Spannung
zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss. Während im
Stand der Technik aus Sicherheitsgründen die Schwelle konstant
15% über
dem maximalen Spannungswert des Scheitels der Spannung zwischen
dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss betragen hat, ergibt sich
demnach erfindungsgemäß ein deutlich
geringerer Abstand und somit eine deutliche Reduktion der Verluste.
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Eine
besonders bevorzugte Kategorie von Weiterbildungen zeichnet sich
dadurch aus, dass der Mikrocontroller weiterhin ausgelegt ist, durch
Durchfahren einer Messroutine den Typ der am Ausgang angeschlossenen
Entladungslampe zu ermitteln, wobei in dem Mikrocontroller für jeden
der mindestens zwei Typen von Entladungslampen ein unterer Grenzwert
für den
ersten Wertebereich des Spannungswerts des Scheitels der Spannung
zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss oder ein unterer
Grenzwert für
den ersten Wertebereich des Spannungswerts zwischen dem ersten und dem
zweiten Ausgangsanschluss des Boost-Konverters abgelegt ist. Dies ermöglicht eine
unterschiedliche Behandlung der Fälle, bei denen der Spannungswert
des Scheitels der Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss
oder zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss des Boost-Konverters über oder
unterhalb des jeweiligen Grenzwerts liegt. Bevorzugt ist dabei der
Typ von Entladungslampe durch den Nennwert seines Lampenstroms und/oder
den Nennwert seiner Lampenleistung repräsentiert.
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Besonders
bevorzugt ist deshalb der Mikrocontroller ausgelegt, in einem zweiten
Wertebereich, der sich unterhalb des unteren Grenzwerts für den ersten
Wertebereich des Spannungswerts des Scheitels der Spannung zwischen
dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss anschließt oder
in einem zweiten Wertebereich, der sich unterhalb des oberen Grenzwerts
für den
ersten Wertebereich des Spannungswerts zwischen dem ersten und dem
zweiten Ausgangsanschluss des Boost-Konverters anschließt, durch
Variation der Schaltfrequenz des am dritten Ausgang bereitgestellten
Signals die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss
des Boost-Konverters auf eine Mindestspannung zu regeln. Diese Maßnahme trägt der Erkenntnis
Rechnung, dass beim Betrieb von Entladungslampen der Abstand zwischen
dem Spannungswert des Scheitels der Spannung am Eingang und der
Spannung am Ausgang des Boost-Konverters nicht über dem gesamten Wertebereich
auf die vorgebbare Schwelle geregelt werden kann. Wie Versuche gezeigt
haben, kann bei Absinken des Spannungswerts des Scheitels der Spannung
am Eingang oder des Spannungswerts am Ausgang des Boost-Konverters,
je nachdem wo gemessen wird, der für den jeweiligen Typ von Entladungslampe
benötigte
Nennwert des Lampenstroms nicht mehr erzeugt werden. Die Reduktion
der Verluste in dem großen,
ersten Wertebereich der Spannung der jeweiligen Span nungswerte würde dadurch
erkauft werden, dass in einem zweiten Wertebereich der jeweiligen Spannungswerte
bestimmte Typen von Entladungslampen nicht mehr betrieben werden
könnten.
Bei der genannten bevorzugten Weiterbildung wird dies dadurch verhindert,
dass das Unterschreiten des unteren Grenzwerts des ersten Wertebereichs überwacht
wird und sichergestellt wird, dass durch entsprechende Ansteuerung
des Boostschalters sichergestellt wird, dass eine vorgebbare Mindestspannung,
die lampentypabhängig
sein kann, nicht unterschritten wird. Damit werden weiterhin im
ersten Wertebereich der genannten Spannungswerte die Verluste klein
gehalten und dennoch ein Betrieb der Entladungslampen mit den erwähnten Spannungswerten
im zweiten Wertebereich sichergestellt. Erst diese Kombination ermöglicht den
vorteilhaften Einsatz der Erfindung bei Multilampengeräten.
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Die
Mindestspannung ist bevorzugt mindestens so groß wie der untere Grenzwert
des ersten Wertebereichs der Spannung zwischen dem ersten und dem
zweiten Ausgangsanschluss des Boost-Konverters, insbesondere entspricht
die Mindestspannung diesem unteren Grenzwert. Dadurch wird die Reduktion
der Verluste bei gleichzeitiger Sicherstellung des Betriebs des
jeweiligen Lampentyps maximiert.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
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Im
Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen elektronischen
Vorschaltgeräts
unter Be zugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen
Vorschaltgeräts;
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2 den
Verlauf des Lampenstroms ILa über der
Frequenz für
unterschiedliche Werte der Zwischenkreisspannung; und
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3 in
schematischer Darstellung die Abhängigkeit der Zwischenkreisspannung
UZw vom Spannungswert des Scheitels der
Spannung am Eingang des Boost-Konverters.
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Bevorzugte Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen
Vorschaltgeräts.
Es umfasst einen Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss,
zwischen denen eine Netzspannung UN angelegt
ist. Mit dem Eingang ist ein Gleichrichter 10 gekoppelt,
an dessen Ausgang E1, E2 eine Spannung Ugl bereitgestellt
wird, die der gleichgerichteten Netzspannung UN entspricht.
Die Spannung Ugl weist einen Scheitelwert
Upeak auf. Auf den Gleichrichter 10 folgt
ein Boost-Konverter 12, der eine Boostdrossel L1, eine
Boostdiode D1 sowie einen Boostschalter S1 umfasst. Wie für den Fachmann
offensichtlich, könnte
am Eingang des Boost-Konverters 12 auch unmittelbar eine
Gleichspannung angeschlossen sein. Das erfindungsgemäße elektronische
Vorschaltgerät
würde dadurch
genauso funktionieren.
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Die
am Ausgang des Boost-Konverters 12 bereitgestellte, mittels
eines Kondensators C1 stabilisierte Spannung ist die sogenannte
Zwischenkreisspannung UZw. Zwischen die
Ausgangsanschlüsse des
Boost-Konverters 12 ist eine Brückenschaltung gekoppelt, die
vorliegend die Schalter S2 und S3 umfasst. Zwischen den Schaltern
S2, S3 ist ein Brückenmittelpunkt
BM1 definiert. Zwischen den Brückenmittelpunkt
BM1 und einen ersten Ausgangsanschluss A1 des elektronischen Vorschaltgeräts ist die
Serienschaltung eines Koppelkondensators CK sowie
einer Lampendrossel L2 gekoppelt. Der erste Ausgangsanschluss A1
wirkt als zweiter Brückenmittelpunkt BM2.
Zwischen den ersten Ausgangsanschluss A1 und einen zweiten Ausgangsanschluss
A2 ist einerseits ein Resonanzkondensator Cres gekoppelt,
andererseits die Entladungslampe La. Das elektronische Vorschaltgerät weist
einen Mikrocontroller 14 auf, der mittels von an seinen
Ausgängen
AM1 und AM2 bereitgestellten Signalen die Schalter S2 und S3 ansteuert.
Diese Signale sind durch eine momentane Frequenz f23 gekennzeichnet. Über einen
Ausgang AM3 steuert der Mikrocontroller 14 den Schalter
S1 an, wobei das am Ausgang AM3 bereitgestellte Signal durch eine
momentane Frequenz f1 gekennzeichnet ist.
Dies erfolgt vorliegend dadurch, dass der Mikrocontroller 14 an
seinem Ausgang AM3 eine ON-Zeit bereitstellt, wobei sich die Frequenz
f1 automatisch aus der Zeit ergibt, die
der Strom in der Boostdrossel L1 benötigt, um wieder Null zu werden.
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Über einen
ersten Eingang EM1, der mit dem Abgriff eines Spannungsteilers R1,
R2 gekoppelt ist, wird der Mikrocontroller 14 mit einem
Signal gekoppelt, das mit der Spannung Ugl korreliert
ist. In ähnlicher
Weise ist der Mikrocontroller 14 über seinen Eingang EM2, der
mit dem Abgriff eines Spannungsteiler R3, R4 gekoppelt ist, mit
einem Signal gekoppelt, das mit der Zwischenkreisspannung UZw korreliert ist. Zur Regelung des Ausgangsstroms
ILa ist weiterhin ein Shuntwiderstand RSh seriell zur Entladungslampe La angeordnet,
wobei die über
dem Shuntwiderstand RSh abfallende Spannung
dem Mikrocontroller 14 über
einen Eingang EM3 zugeführt
wird, wobei der Mikrocontroller 14 ausgelegt ist, den Ausgangsstrom ILa durch entsprechende Variation der Signale
AM1, AM2, wie sie dem Fachmann bekannt ist, zu variieren. Der Mikrocontroller 14 ist
ausgelegt, den Schalter S1 durch Einstellen der Frequenz f1 derart anzusteuern, dass die Spannung UZw innerhalb eines ersten Wertebereichs des
Scheitelwerts Upeak der Spannung Ugl immer eine vorgebbare Schwelle über dem Wert
von Upeak liegt. Diese vorgebbare Schwelle
beträgt
bevorzugt zwischen 2% und 10%, insbesondere zwischen 4% und 8%,
des Spannungswerts von Upeak.
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Zur
Darstellung weiterer Auslegungen des Mikrocontrollers 14 wird
zunächst
auf 2 näher eingegangen. 2 zeigt
den Verlauf des Lampenstroms ILa in Abhängigkeit
der Frequenz f23, das heißt der Frequenz
der Signale an den Ausgängen
AM1, AM2 des Mikrocontrollers 14, die zur Ansteuerung der
Schalter S2, S3 dienen. Eingezeichnet sind drei Kurven, die für unterschiedliche
Zwischenkreisspannungen UZw stehen. Der
unterste Kurvenzug entspricht einer Zwischenkreisspannung UZw gleich 270 V, der mittlere Kurvenzug entspricht
einer Zwischenkreisspannung UZw gleich 370
V und der oberste Kurvenzug entspricht einer Zwischenkreisspannung
UZw gleich 430 V. Zu beachten ist, dass
infolge des induktiven Charakters der Last das e lektronische Vorschaltgerät im abfallenden
Bereich des jeweiligen Kurvenzugs von UZw zu
betreiben ist.
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Beträgt die Zwischenkreisspannung
430 V und ist für
den Lampentyp, der am Ausgang A1, A2 des elektronischen Vorschaltgeräts angeschlossen ist,
ein Nennwert des Lampenstroms von 300 mA erforderlich, so ist die
Lampe im Arbeitspunkt P1 zu betreiben, das heißt der Mikrocontroller 14 wählt vorliegend
eine Frequenz f23 von 70 kHz.
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Wird
nunmehr, beispielsweise aufgrund einer sinkenden Netzspannung UN, am Ausgang des Gleichrichters 10 eine
kleinere Spannung Ugl bereitgestellt, so
kann durch entsprechende Ansteuerung des Schalters S1, das heißt durch
die Wahl der Frequenz f1, eine entsprechend
kleinere Zwischenkreisspannung eingestellt werden, beispielsweise
UZw gleich 370 V. Zur Einstellung eines
Lampenstroms von ILa gleich 300 mA wird
die Lampe La am Arbeitspunkt P2 betrieben, das heißt f23 beträgt
30 kHz. Sinkt nun die Netzspannung UN auf
noch kleinere Werte, so sinkt auch Ugl am
Ausgang des Gleichrichters 10. Wird nun die Zwischenkreisspannung
UZw entsprechend abgesenkt, beispielsweise
auf UZw gleich 270 V, so zeigt die Darstellung
von 2, dass kein Arbeitspunkt mehr gefunden werden
kann, in dem die Lampe la mit dem geforderten Lampenstrom ILa von 300 mA betrieben werden kann.
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3 zeigt
für eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
die Abhängigkeit
der Zwischenkreisspannung UZw von der Spannung
Upeak, das heißt dem Spannungswert des Scheitels
der Spannung Ugl am Eingang des Boost-Konverters 12.
Bei großen Amplituden
von Upeak, die den ersten Wertebereich Wl darstellen,
gilt: UZw = a·Upeak, wobei a > 1.
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Bevorzugt
beträgt
a zwischen 1,02 und 1,10. Dadurch arbeitet ein erfindungsgemäßes elektronisches
Vorschaltgerät
einerseits bei äußerst niedrigen Verlusten,
andererseits wird eine sinusförmige Stromaufnahme
sichergestellt. Dies ist möglich
bis zu einem Grenzwert Upeak = UZwmin/a, der den Beginn des zweiten Wertebereichs
W2 darstellt. Dabei ist durch UZwmin die
minimale Zwischenkreisspannung definiert, die abhängig vom
Typ der Lampe La, die am Ausgang A1, A2 des elektronischen Vorschaltgeräts angeschlossen
ist, vorgegeben ist, um den Lampennennstrom zu erreichen. Entsprechende
Werte des Lampennennstroms beziehungsweise der Lampenleistung und/oder
der minimalen Zwischenkreisspannung UZwmin können für verschiedene
Lampentypen im Mikrocontroller 14, beispielsweise in Form
einer look-up table, abgelegt sein.
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Der
Mikrocontroller 14 ist bevorzugt ausgelegt, vor Betrieb
der Lampe La eine Messroutine zu durchfahren, um den Typ der am
Ausgang A1, A2 angeschlossenen Lampe La zu bestimmen. Einschlägige Maßnahmen
hierzu sind dem Fachmann bekannt. Daraufhin liest der Mikrocontroller 14 die
zu dem bestimmten Lampentyp zugehörigen Werte des Lampennennstroms
beziehungsweise der minimalen Zwischenkreisspannung UZwmin aus
der look-up table aus und berücksichtigt
diese Werte bei der Ansteuerung des Schalters S1, insbesondere durch
entsprechende Wahl der Frequenz f1. Unterhalb
des Grenzwerts Upeak = UZwmin/a
wird von dem linearen Verhältnis
UZw = a·Upeak abgewichen
und UZw = UZwmin ge setzt.
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Der
Wert UZwmin kann weiterhin abhängig gemacht
werden von anderen Randbedingungen, beispielsweise ob das elektronische
Vorschaltgerät
direkt aus einer Gleichspannungsquelle gespeist wird oder aus einer
Wechselspannungsquelle, wie bei dem Ausführungsbeispiel von 1,
sowie von der sich ergebenden Frequenz f23.