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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zum Betreiben einer Niederdruckentladungslampe sowie
ein verfahren zum Betreiben einer Niederdruckentladungslampe in
einer solchen Schaltungsanordnung, also gemäß dem
Oberbegriff von Patentanspruch 9.
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Stand der Technik
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In
dieser Schaltungsanordnung gibt es eine (Gleich-)Spannungsquelle
mit zwei Anschlüssen, von denen typischerweise einer ein
Masseanschluss ist. Die Niederdruckentladungslampe wird mit Wechselspannung
betrieben. Zur Erzeugung einer Wechselspannung sind Schalter vorgesehen,
die mit geeigneten Mitteln zum Steuern der Schalter so angesteuert
werden, dass zumindest eine Elektrode der Niederdruckentladungslampe
wechselnd mit dem einen Anschluss und dem anderen Anschluss gekoppelt
wird. Um einen Betrieb einschließlich des anfänglichen
Zündens in der Niederdruckentladungslampe zu ermöglichen,
ist ein Serienresonanzkreis vorgesehen. Dieser umfasst ein induktives
Element, das in Reihe mit der Niederdruckentladungslampe geschaltet
ist, also mit einem Anschluss mit der Elektrode der Niederdruckentladungslampe
gekoppelt ist. Der Serienresonanzkreis umfasst ferner ein kapazitives
Element, oder auch eine Mehrzahl von solchen kapazitiven Elementen,
wobei das zumindest eine kapazitive Element in Reihe mit dem induktiven
Element geschaltet ist, und zwar parallel zur Niederdruckentladungslampe.
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Die
DE 38 40 845 A1 beschreibt,
wie eine schonende Zündung der Lampe ermöglicht
wird: Ein Schaltungspunkt des Serienresonanzkreises wird mit einem
Kaltleiter verbunden, und der Kaltleiter wird über eine
Diode mit dem ersten Anschluss der Spannungsquelle gekoppelt. Im
Beispiel aus der
DE
38 40 845 A1 wird der Kaltleiter gleichzeitig über
eine zweite Diode mit dem zweiten Anschluss der Spannungsquelle
gekoppelt. Für die Zwecke der Schaltung genügt
grundsätzlich eine der beiden Dioden, bevorzugt die Diode,
die mit dem Masseanschluss gekoppelt ist. Durch die Dioden wird
die an der Niederdruckentladungslampe anliegende Spannung geklemmt,
es liegen also nur Spannungen an der Niederdruckentladungslampe
an, die kleiner als die an der Spannungsquelle anliegende Spannung
ist. Diese Spannungen genügen nicht zur Zündung.
Durch die Mittel zum Steuern der Schalter wird der Serienresonanzkreis
angeregt, wenn er auch noch nicht in Resonanz ist. Dadurch werden
die Elektroden der Niederdruckentladungslampe vorgeheizt. Gleichzeitig
wird der Kaltleiter geheizt. Sobald der Kaltleiter hochohmig wird,
kann über die Niederdruckentladungslampe eine höhere
Spannung abfallen, als sie an der Spannungsquelle anliegt. Der Serienresonanzkreis
schwingt in die Resonanz, und an der Niederdruckentladungslampe
fällt eine zur Zündung ausreichend hohe Spannung,
eine Zündspannung, ab. Nach der Zündung fällt
die über die Niederdruckentladungslampe abfallende Spannung
wieder unter diejenige ab, die an der Spannungsquelle anliegt. Der
Kaltleiter kühlt sich dann wieder ab, über ihn fließt
aber im gewöhnlichen Betrieb kein Strom mehr.
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Beim
Betrieb einer Niederdruckentladungslampe können Anomalien
auftreten. Die Niederdruckentladungslampen zeigen bei manchen Anomalien eine
zu hohe Lampenspannung. Diese führen zu einer hohen Lampenleistung,
und die erhöhte Lampenleistung führt wiederum
zu einer Überhitzung des Vorschaltgerätes der
Niederdruckentladungslampe, gegebenenfalls auch zu einer lokalen Überhitzung der
Niederdruckentladungslampe selbst. Die Überhitzung schafft
eine gefährliche Situation.
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Eine überhöhte
Lampenspannung tritt insbesondere am Lebensdauerende der Lampe auf,
gegebenenfalls auch bei Verunreinigung der Lampe. Auch bei Fehlbestückung
durch eine Lampe zu großer Leistung kann eine gefährliche
Situation eintreten.
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Um
Gefahren zu vermeiden, ist man dazu übergegangen, die Lampenspannung
zu erfassen. Hierzu kann eine Zusatzwicklung auf der Lampendrossel
bereitgestellt sein, der ein Auswertenetzwerk nachgeschaltet ist.
Genauso kann auch eine kapazitive Auskopplung aus dem Serienresonanzkreis
erfolgen und ein Auswertenetzwerk nachgeschaltet sein.
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Für
die Detektion der Lampenspannung wird ein hoher Aufwand getrieben.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung
zum Betreiben einer Niederdruckentladungslampe bereitzustellen,
bei der ohne hohen Aufwand Gefahren durch zu hohe Lampenspannungen
beim Betrieb einer Niederdruckentladungslampe vermieden werden können.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Schaltungsanordnung
zum Betreiben einer Niederdruckentladungslampe gemäß dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1 verwendet wird, die die Merkmale
des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 aufweist. Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen
Ansprüchen.
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Die
Aufgabe, Überspannungen in einer Niederdruckentladungslampe
zu vermeiden, wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
9 gelöst.
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Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen
Ansprüchen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist
somit in der Schaltung zwischen einem Anschluss der Spannungsquelle
und dem Kaltleiter ein Widerstandselement in Reihe zu der zugehörigen Diode
geschaltet. Eine Auswerteeinrichtung greift die an dem Widerstandselement
abfallende Spannung ab und ist mit den Mitteln zum Steuern gekoppelt,
um diese zu deaktivieren.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei einer zu hohen Spannung über
der Niederdruckentladungslampe bei Verwendung der Schaltungsanordnung
mit dem Kaltleiter und der zumindest einen Diode Ströme über
den Kaltleiter fließen. Eine Detektion einer Überspannung
an der Niederdruckentladungslampe muss dann nicht an der Niederdruckentladungslampe
selbst erfolgen, sondern kann sich an dem über den Kaltleiter
fließenden Strom ausrichten.
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Die
Schaltungsanordnung kann eine Vollbrücke umfassen, ist
aber besonders einfach ausgestaltet, wenn sie lediglich eine Halbbrücke
umfasst, nämlich zwei Schalter, die zwischen den Anschlüssen
der Spannungsquelle in Reihe geschaltet sind, wobei ein Mittelabgriff
zwischen den Schaltern mit dem induktiven Element des Serienresonanzkreises
und damit der einen Elektrode der Niederdruckentladungslampe gekoppelt
ist. Üblicherweise sieht man bei Verwendung von nur zwei
Schaltern in einer Halbbrücke zumindest ein kapazitives
Element vor, z. B. zwischen der nicht mit dem induktiven Element
gekoppelten Elektrode der Niederdruckentladungslampe und einem Anschluss
der Spannungsquelle, typischerweise dem Masseanschluss.
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Es
gibt verschiedene Möglichkeiten, wo der Schaltungspunkt
liegen kann. Hierbei kann an die im Stand der Technik genannten
Möglichkeiten angeknüpft werden: Entweder liegt
der Schaltungspunkt zwischen dem induktiven Element und dem zumindest
einen kapazitiven Element, liegt also somit quasi auf dem Potenzial
der einen Elektrode der Niederdruckentladungslampe, oder der Schaltungspunkt
ist ein Abgriff in dem einen Element des Serienresonanzkreises,
also entweder in dem induktiven Element als Abgriff, der selbiges
in zwei Teile teilt, oder als Abgriff zwischen zwei in Reihe parallel
zur Niederdruckentladungslampe geschalteten kapazitiven Elementen. Bei
den letzteren beiden Alternativen ist eine höhere Spannung
ermöglicht, die beim Vorheizen über der Niederdruckentladungslampe
abfällt.
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Die
Auswerteeinrichtung kann besonders einfach gestaltet werden, wenn
das Widerstandselement zwischen einem Masseanschluss der Spannungsquelle
und dem Kaltleiter geschaltet ist, denn dann kann die Spannung über
den Widerstand gegen Masse gemessen werden.
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Da
die Lampenbrennspannung ständig umgepolt wird und das Widerstandselement
in der Verbindung mit einer Diode geschaltet ist, fällt
an dem Widerstandselement nur in einem Polungszustand eine Spannung
ab, im anderen nicht. Dies ist aber ausreichend, wenn die Anomalie
in der Lampenbrennspannung symmetrisch ist, also im gleichen Ausmaß in
den beiden Polungszuständen auftritt. Grundsätzlich
können asymmetrische Anomalien auftreten, also der Fall,
dass in einem Polungszustand die Lampenbrennspannung überhöht
ist, im anderen nicht. Wenn am Widerstandselement nur dann eine
Spannung abfällt, wenn im anderen Polungszustand die Lampenbrennspannung überhöht ist,
könnte dann die Anomalie an sich nicht erkannt werden.
Dem kann man dadurch abhelfen, dass man zwei Widerstandselemente
zur Verfügung stellt, jeweils eines in einer Verbindung
zwischen dem Kaltleiter und einem der beiden Anschlüsse
der Spannungsquelle, welche eine Diode enthält. Jedem Widerstandselement
ist dann eine Auswerteeinrichtung nachzuordnen. Die Auswerteeinrichtungen
können unabhängig voneinander arbeiten, wobei
nämlich jeweils eine Auswerteeinrichtung bei Erfassung
einer Anomalie in einem Polungszustand ein Deaktivieren der Mittel
zum Steuern, mit denen sie gekoppelt ist, bewirkt. Bei weiteren
Verfeinerungen erfolgt sogar ein Abgleich zwischen den beiden Auswerteeinrichtungen.
So könnte den beiden Auswerteeinrichtungen zum Beispiel
ein Und-Gatter nachgeordnet sein; dann würden die Mittel
zum Steuern nur dann deaktiviert, wenn bei beiden Polungszuständen
der Lampenbrennspannung eine Anomalie gegeben ist.
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Grundsätzlich
ist es möglich, den Schaltungszweig aus dem Kaltleiter
mit der Diode eigens zum Zwecke der Erfassung einer Überspannung
an der Niederdruckentladungslampe bereitzustellen. Es ist aber vorteilhaft,
wenn dieser Schaltungszweig denselben Zweck erfüllt wie
im Stand der Technik gemäß der
DE 38 40 845 A1 und der
DE 40 05 850 A1 , also
ein komfortables Vorheizen ermöglicht. In diesem Falle
darf die Auswerteeinheit kein Deaktivieren während des
Vorheizens bewirken. Zu diesem Zweck kann man in ihr ein Zeitglied
vorsehen (z. B. einen sich nach und nach aufladenden Kondensator),
und ein Deaktivieren wird durch die Auswerteeinrichtung erst dann
bewirkt, wenn an dem Widerstand für eine vorbestimmte Zeitdauer
eine Spannung oberhalb eines Schwellwertes abfällt und,
wobei die vorbestimmte Zeitdauer eben so gewählt ist, dass
sie länger als eine Vorheizzeit vor einem Zünden
der Niederdruckentladungslampe ist.
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Die
Zeitdauer lässt sich so wählen, dass ihre Differenz
zur Vorheizzeit die maximale Zeitdauer ist, über die eine
Zündspannung der Niederdruckentladungslampe anliegen soll.
Wenn die Auswerteeinrichtung entsprechend ausgelegt ist, dass sie
die bei der Zündspannung fließenden über
den Kaltleiter des Widerstandselements fließenden Ströme
erfassen kann, dann wird auch nach dieser sogenannten Zünd-Burst-Dauer
das System ausgeschaltet, sodass es nicht durch zu langes Anliegen
der Zündspannung zu Schäden kommt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer
Niederdruckentladungslampe geht von einer Schaltungsanordnung nach
dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, also gemäß dem
Stand der Technik, aus, und ist dadurch gekennzeichnet, dass nach
einem Zünden der Niederdruckentladungslampe erfasst wird,
wenn Strom über den Kaltleiter fließt. Falls für
eine vorbestimmte Zeitdauer die Stromstärke des Stroms
größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist,
wird dann die Niederdruckentladungslampe ausgeschaltet. Es genügt
somit, den Zweig mit dem Kaltleiter zu untersuchen, im Bereich der
Niederdruckentladungslampe müssen ansonsten keine Auskoppelelemente
bereitgestellt werden, über die die hohe dort abfallende
Spannung ausgekoppelt wird. Die vorbestimmte Zeitdauer ist wie oben
erwähnt bevorzugt größer als eine Vorheizzeit
vor dem Zünden der Niederdruckentladungslampe, damit der
Zweig mit dem Kaltleiter und der Diode in der Schaltungsanordnung
weiter seinem aus dem Stand der Technik bekannten Zweck dient.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand dreier Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden. Es zeigt:
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1 die
wesentlichen Elemente einer Schaltungsanordnung gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 die
wesentlichen Elemente einer Schaltungsanordnung gemäß einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung und
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3 die
wesentlichen Elemente einer Schaltungsanordnung gemäß einer
dritten Ausführungsform der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung aus 1 umfasst
eine Gleichspannungsquelle, hier symbolisiert durch den mit den
beiden Anschlüssen verbundenen Glättungskondensator
C1. Um eine Niederdruckentladungslampe LP mit Wechselstrom zu betreiben,
ist eine Halbbrücke vorgesehen, also eine Reihenschaltung
aus Schaltern S1 und S2 parallel zum Kondensator C1. Ein Abgriff
zwischen den beiden Schaltern S1 und S2 ist mit einer Elektrode
der Lampe LP gekoppelt. Die andere Elektrode der Lampe LP ist über
einen Kondensator C2 mit Masse gekoppelt. Die Schalter S1 und S2
werden nun abwechselnd aus- und eingeschaltet. Beim Einschalten
des Schalters S1 fließt ein Strom zur Lampe LP in eine
erste Richtung, beim Ausschalten des Schalters S1 und Einschalten
des Schalters S2 ein Strom in Gegenrichtung.
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Damit
die Lampe LP betrieben werden kann, inklusive der anfänglichen
Zündung, ist ein Resonanzkreis bereitgestellt, und zwar
ist der Abgriff zwischen den Schaltern S1 und S2 mit einem Anschluss eines
induktiven Elements L1 gekoppelt, dessen anderer Anschluss mit der
Elektrode der Lampe LP gekoppelt ist. Parallel zur Lampe ist ein
Kondensator C3 geschaltet. Das induktive Element L1 und der Kondensator
C3 bilden gemeinsam einen Serienresonanzkreis: Bei geeigneter Wahl
der Elemente passend zum Takt, mit dem die Schalter S1 und S2 angesteuert
werden, gerät der Schwingkreis in Resonanz, und an der
Lampe LP fällt eine besonders hohe Spannung ab, die zur
Zündung genügt. Bei der Ansteuerung der Schalter
S1 und S2 sollen vorliegend einfache Schaltungen verwendet sein,
beispielhaft gezeigt ist für den Schalter S2 eine Schaltung
Sch in Symboldarstellung. Ein Ansteuern der Schalter S1 und S2 durch
einen Mikrokontroller ist nicht erforderlich.
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Die
Lampe LP muss zunächst vorgeheizt werden, bevor sie gezündet
wird, damit sie eine lange Lebensdauer hat und im Betrieb optimal
funktioniert. Es ist daher wesentlich, dass die Zündspannung
nicht zu schnell erreicht wird. Zu diesem Zweck ist der elektrodenseitige
Anschluss des induktiven Elements L1 über einen Kaltleiter
PTC mit beiden Anschlüssen der Gleichspannungsquelle, gezeigt
also des Kondensators C1, über Dioden D1 und D2 gekoppelt.
Die Dioden D1 und D2 sind so geschaltet, dass sie die Lampenspannung
klemmen: Sobald an der in der 1 oberen
Elektrodenlampe LP ein Potenzial anliegt, das das Potenzial eines
Anschlusses der Gleichspannungsquelle überschreitet bzw.
unterschreitet, fließt ein Strom über die Diode
D1 bzw. über die Diode D2. Somit bleibt, solange der Kaltleiter PTC
niederohmig ist, die Spannung über der Lampe begrenzt,
es kommt zunächst zu keiner Zündung. In dieser
Phase werden die Wendeln der Lampe LP, also die Elektroden, vorgeheizt.
Beim Vorheizen wird gleichzeitig der Kaltleiter PTC geheizt. Sobald
er hochohmig wird, hat der Zweig mit dem Kaltleiter PTC und den
Dioden D1 und D2 keinen wesentlichen Einfluss mehr auf die Spannung über
der Lampe, und der Serienresonanzkreis mit den Elementen L1 und C3
kann in Resonanz gehen, bis an der Lampe LP die Zündspannung
abfällt und es zur Zündung kommt.
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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit der Problematik, dass im
Betrieb der Lampe, nämlich nach der Zündung, zu
hohe Spannungen auftreten können. Nun wird ausgenutzt,
dass sich der Kaltleiter PTC nach einer Weile des Betriebs der Lampe
wieder abkühlt und niederohmig wird. Ist die Lampenbrennspannung
LP zu hoch, fließt somit ein Strom über die Dioden
D1 und D2. Dies lässt sich erfassen: Die bisher beschriebene
Schaltungsanordnung der an sich bekannten Art wird ergänzt
um ein Widerstandselement R1, vorliegend in Reihe zur Diode D2,
also zum Masseanschluss hin. Eine Auswerteeinrichtung A erfasst
die über dem Widerstandselement R1 abfallendende Spannung.
Ist für eine vorbestimmte Zeitdauer diese Spannung zu hoch,
bewirkt die Auswerteeinrichtung A, dass sich ein Potenzial V in
der Schaltung Sch ändert, sodass der Schalter S2 nicht
mehr betätigt wird. Die Lampe LP wird somit ausgeschaltet.
Gegebenenfalls kann die Auswerteeinrichtung auch auf eine weitere
Schaltung zum Schalter S1 Einfluss nehmen. Die Auswerteeinrichtung
umfasst ein Zeitglied, zum Beispiel einen nach und nach aufzuladenden
Kondensator großer Kapazität. Eine an dem Kondensator
abfallende Spannung bestimmt ein Potenzial am Steuereingang bzw.
Gate eines Transistors und somit das Potenzial V, das für
ein Funktionieren der Schaltung Sch sorgt, durch die der Schalter S2
geöffnet wird. Erreicht die Spannung an dem Kondensator
einen Zielwert, bleibt der Schalter S2 dauerhaft geöffnet,
sodass die Lampe LP abgeschaltet wird. Der Kondensator in der Auswerteeinrichtung
A, durch die der Schalter S2 geöffnet wird, soll nun so gewählt
sein, dass die Zeitdauer bis zum Abschalten der Lampe LP größer
ist als die gewünschte Vorheizzeit. Dann kommt es nämlich
nicht während des Vorheizens zum Abschalten. Bei einer Vorheizzeit
von 2 Sekunden kann beispielsweise das Zeitglied in der Auswerteeinrichtung
A so gewählt sein, dass nach 2,5 Sekunden eine Abschaltung
erfolgt. Bei Inbetriebnahme der Lampe LP würde es somit
nur dann zur Abschaltung kommen, wenn die Zündspannung nach
einer Vorheizzeit von 2 Sekunden für eine Zeitdauer von
0,5 Sekunden angelegen hat. Dann ist ein Abschalten auch angebracht,
wenn die Lampe LP noch nicht gezündet hat. Eine Zeitdauer
von 2,5 Sekunden ist auch akzeptabel, wenn Überspannungen an
der Lampe LP im späteren Betrieb vermieden werden sollen,
denn 2,5 Sekunden reichen noch nicht aus, dass es zu übermäßigen Überhitzungen
kommt.
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Die 2 und 3 zeigen
Abwandlungen der Ausführungsform gemäß 1,
die sich von der Schaltungsanordnung gemäß 1 durch
den Schaltungspunkt unterscheiden, der mit dem Kaltleiter PTC gekoppelt
ist:
Bei der Ausführungsform gemäß 2 ist
ein Abgriff im induktiven Element L1 vorgesehen, und dieser Abgriff
ist dem Kaltleiter PTC gekoppelt.
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Bei
der Abwandlung gemäß 3 ist anstelle
eines einzelnen Kondensators C3 parallel zur Lampe LP eine Reihenschaltung
aus zwei Kondensatoren C3 und C4 vorgesehen, und der Schaltungspunkt zwischen
den beiden Kondensatoren C3 und C4 ist mit dem Kaltleiter PTC gekoppelt.
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Diese
an sich aus dem Stand der Technik bekannten Arten der Abwandlung
werden vorliegend an der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
verwirklicht, die das Widerstandselement R1 und die Auswerteeinrichtung
A aufweist, die vorliegend mit der Schaltung Sch gekoppelt ist.
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Die
dargestellten drei Ausführungsformen haben gemeinsam, dass
ein Widerstandselement R1 vorgesehen ist, dem eine Auswerteeinrichtung
A zugeordnet ist. Das Widerstandselement R1 ist in Reihe zur Diode
D2 geschaltet. Es ist möglich, die Schaltungen gemäß den 1 bis 3 dahingehend
zu erweitern, dass auch im Zweig zwischen dem Kaltleiter PTC und
einem Spannungsanschluss, welcher die Diode D1 umfasst, ein Widerstandselement
vorgesehen ist, und dass auch diesem Widerstandselement eine Auswerteeinrichtung
zugeordnet ist, die die an diesem Widerstandselement abfallende
Spannung abgreift und gleichermaßen geeignet ist, die Spannung
V einer Schaltung Sch zu einem Schalter S1 oder S2 zu ändern
und dadurch ein Abschalten des jeweiligen Schalters und sein Abgeschaltetbleiben
zu bewirken. Durch diese Erweiterung würde auch bei solchen
Anomalien mit Sicherheit ein Abschalten der Lampe LP bewirkt, bei
denen die Lampenbrennspannung nur in einem Polungszustand anormal
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3840845
A1 [0002, 0004, 0004, 0019]
- - DE 4005850 A1 [0002, 0019]
