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Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungseinrichtung für Gleichspannung. Es ist bekannt, dass manche Lasten, wenn sie zunächst spannungsfrei sind und mit einem Versorgungsnetz verbunden werden, einen Einschaltstromstoß verursachen. Insbesondere ist dies der Fall, wenn ein ungeladener Kondensator mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist. Der fließende Ladestrom ist nur durch den Innenwiderstand der Quelle und parasitäre Widerstände, insbesondere des Kondensators selbst, begrenzt. Der Strom kann dadurch Stromspitzen erreichen, die aufgrund thermischer und/oder magnetischer Effekte zerstörerisch sind.
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Generell ist es bekannt, elektrische Einrichtungen, die einen Einschaltstromstoß verursachen, über einen Vorwiderstand einzuschalten. Zum Beispiel beschreibt die
DE 43 06 117 A1 einen Einschaltstrombegrenzer für Leuchtstofflampen mit elektronischem Vorschaltgerät. In Reihe zu dem Vorschaltgerät ist ein Strombegrenzungswiderstand angeordnet, der beim Einschalten des Vorschaltgeräts nach einer gewissen Zeitverzögerung durch einen Relaiskontakt überbrückt wird.
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Bei diesem Konzept fließen durch den Vorwiderstand sowohl der Ladestrom des im elektronischen Vorschaltgeräts vorgesehenen Kondensators, wie auch der aus dem Kondensator bereits in dieser Phase abfließende Laststrom. Bei der Bemessung des Vorwiderstands muss deshalb ein Kompromiss eingegangen werden. Ist er zu groß, erhält der Pufferkondensator des Vorschaltgeräts nicht genug Ladung und beim Schließen des Relaiskontakts kommt es zu einem weiteren erheblichen Stromstoß. Ist er zu gering, dämpft er den Einschaltstromstoß nicht ausreichend.
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Weiter ist es bekannt, zur Strombegrenzung temperaturempfindliche Schalter zu verwenden. Dazu wird beispielhaft auf die
EP 0629104 A2 verwiesen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Spannungsversorgungseinrichtung mit Pufferkondensator anzugeben, bei der der Einschaltstromstoß beim Laden des Pufferkondensators wirksam gemindert ist.
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Diese Aufgabe wird mit der Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 gelöst:
Die erfindungsgemäße Spannungsversorgungseinrichtung enthält einen Pufferkondensator, der von einer Spannungsquelle zu speisen ist. Der Ladestrom des Pufferkondensators wird durch einen Widerstand begrenzt, der für den normalen Betrieb der angeschlossenen Last durch einen Schalter überbrückt wird. Während des Aufladens des Pufferkondensators bei nicht überbrücktem Widerstand, liegt die Reihenschaltung aus Widerstand und Pufferkondensator parallel zu der Last. Aus dem Verbindungs- oder Knotenpunkt zwischen dem Widerstand und dem Kondensator fließt während des Aufladevorgangs des Pufferkondensators, d.h. bei nicht überbrücktem Widerstand, kein Strom ab. Deshalb kann der Pufferkondensator nahezu auf die gewünschte Gleichspannung aufgeladen werden, bevor der Widerstand überbrückt wird. Es wird somit ein zweiter Ladestromstoß beim Schließen des Schalters ebenso vermieden wie ein zu hoher Ladestromstoß, wie er bei zu niederohmigen Widerständen sonst auftreten könnte. Obwohl der zur Begrenzung des Ladestroms dienende Widerstand relativ hochohmig ausgebildet werden kann, führt er zur gewünschten vollständigen Aufladung des Pufferkondensators.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Schalter schon während der Aufladephase des Pufferkondensators periodisch geschlossen. Damit entsteht eine Folge von Stromspitzen, die z.B. infolge parasitärer Widerstände und Induktivitäten im Ladestromkreis jedoch kein zerstörerisches Potential mehr haben. Der sonst auftretende Ladestromstoß wird in eine Folge milderer Stromstöße zerlegt. Das periodische Schließen kann mit festem Tastverhältnis (Puls/Pause-Verhältnis) oder auch mit veränderlichem, z.B. während der Aufladephase zunehmendem Tastverhältnis erfolgen. Das periodische Schließen des Schalters nach einer der oben genannten Arten kann unabhängig davon erfolgen, ob der Widerstand den Laststrom führt oder nicht. D.h., die Last kann auch an den Knotenpunkt zwischen dem Schalter und dem Pufferkondensator angeschlossen sein. Außerdem kann auf den Widerstand verzichtet werden.
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Ein weiteres erfinderisches Element liegt in der Art und Weise, wie die Steuereinrichtung den Schalter einschaltet. Geschieht dies gleitend, geht der resistive Widerstand des Schalters von einem unendlichen Wert in einem Übergangsvorgang auf Null oder nahezu Null, wobei der Übergang (d.h. die Schaltflanke) eine von Null verschiedene Zeitdauer beansprucht. Vorzugsweise kann der Übergang wenigstens einige Mikrosekunden und bis zu mehreren Millisekunden dauern. Dadurch wird während des Einschaltvorgangs eine etwaige vorhandene Spannungsdifferenz zwischen der Kondensatorspannung und der Ladespannung ohne großen Stromstoß abgebaut. Der Schalter kann dadurch früher geschlossen werden, als es der Fall wäre, wenn vor dem Schließen des Schalters erst das Verschwinden der Spannungsdifferenz abgewartet werden müsste.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen der Zeichnung oder Ausführungsbeispiele. Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale können, sofern sie sich technisch gegenseitig nicht ausschließen, beliebig miteinander kombiniert werden. Ausführungsformen der Erfindung enthalten die Merkmale des Anspruchs 1 sowie optional die Merkmale von einem oder von mehreren Unteransprüchen.
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In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung zur Erläuterung des Verständnisses angegeben. Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Es zeigen:
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1 eine Spannungsversorgungseinrichtung mit spannungsgesteuertem Bypassschalter für einen Ladestrombegrenzungswiderstand.
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2 eine Spannungsversorgungseinrichtung nach 1 mit zusätzlichem Schalter zur Laststromunterbrechung.
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3 eine Spannungsversorgungseinrichtung mit spannungs- und zeitgesteuertem Schalter im Bypass zu einem Strombegrenzungswiderstand,
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4 die Spannungsversorgungseinrichtung nach 3 mit zusätzlicher Laststromunterbrechung,
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5 den zeitlichen Verlauf des Ladestroms bei gepulstem Einschalten als Diagramm und
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6 eine bevorzugte Schaltung der Spannungsversorgungseinrichtung, als vereinfachtes Schaltbild.
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In 1 ist eine beispielhafte Spannungsversorgungseinrichtung 10 veranschaulicht, die dazu dient, eine Last 11 mit einer Gleichspannung aus einer Gleichspannungsquelle 12 zu versorgen. Die Gleichspannungsquelle 12 kann von einem öffentlichen Netz 13 oder aus einer sonstigen Quelle gespeist sein. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der Gleichspannungsquelle 12 um eine Gleichrichtereinrichtung, wie bspw. eine Graetzbrücke, die Kombination aus einer Graetzbrücke und einem Transformator, oder auch die Kombination eines Gleichrichters, z.B. einer Grätzbrücke, und einer Spannungsumsetzschaltung, wie bspw. einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung. Eine solche ist z.B. als Hochsetzsteller bekannt. Sie dient dazu, an ihrem Ausgang eine Gleichspannung bereitzustellen, während sie an ihrem Eingang an die sinusförmige Spannung des Netzes 13 angeschlossen ist und diesem einen im Wesentlichen sinusförmigen Strom entnimmt.
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Die Last 11 ist in den 1 bis 4 jeweils durch eine gestrichelt dargestellten ohmschen Widerstand symbolisiert. Es kann sich tatsächlich aber um die verschiedensten denkbaren Lasten handeln, bspw. Motoren mit oder ohne vorgeschaltetem Stromrichter, Lampen, wie bspw. Glühlampen, Gasentladungslampen mit vorgeschaltetem Wechselrichter, LED-Beleuchtungen und dergleichen.
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Typischerweise liefert die Gleichspannungsquelle 12 ihre Spannung an die Last 11 über einen Pufferkondensator 14. Der Pufferkondensator 14 dient dabei dazu, die zwischen einer spannungsführenden Leitung 15 und Masse 16 anliegende Spannung zu glätten und Laststromschwankungen und/oder Lieferstromschwankungen auszugleichen. Während die Last 11 an die Leitung 15 und Masse 16 angeschlossen ist, ist dazu parallel zwischen der Leitung 15 und Masse 16 eine Reihenschaltung bestehend aus dem Pufferkondensator 14 und einer Strombegrenzungsschaltung 17 angeordnet. Die mit dem Kondensator 14 in Reihe geschaltete Strombegrenzungsschaltung 17 umfasst einen strombegrenzenden Widerstand 18, bspw. in Gestalt eines ohmschen Widerstands, und einen zumindest funktionell parallel zu diesem arbeitenden Schalter 19. Der Schalter 19 ist dabei in einem Bypasskanal 20 angeordnet, der den Widerstand 18 überbrückt.
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Für diese und alle nachfolgenden Ausführungsformen gilt, dass der Widerstand 18 anstelle eines ohmschen Widerstands auch ein nichtlinearer anderweitiger Widerstand sein kann. Weiter gilt, dass der Schalter 19 ein mechanischer Schalter, bspw. ein Relaiskontakt oder auch ein elektronischer Schalter bspw. ein Bipolartransistor oder ein Feldeffekttransistor bspw. ein MOSFET, sein kann. In diesem Fall liegt die Drain-Source-Strecke in dem Bypasskanal 20 während das GATE mit einer Steuerleitung 21 verbunden ist. Die Steuerleitung 21 ist als allgemeiner Kanal zu versehen, über den die jeweilige Steuerelektrode eines elektronischen Schalters oder der Wirkungskanal eines mechanischen Schalters bspw. der Betätigungsmagnet desselben ansteuerbar ist.
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Für diese und alle nachfolgenden Ausführungsformen gilt auch, dass der Widerstand 18 und der Schalter 19 auch in einem einzigen Element vereinigt sein können, bspw. in einem elektronisch steuerbaren Element, wie z.B. einem Transistor z.B. einem Feldeffekttransistor. Dieser kann über seine Steuerelektrode in zumindest drei verschiedene Zustände nämlich einen nicht leitenden Zustand einen teilweise leitenden (widerstandsbehafteten Zustand und einen praktisch vollständig leitenden Zustand geschaltet werden, in dem er einen sehr geringen Widerstand von wenigen Milli-Ohm oder weniger hat. Von den genannten drei Zuständen können zumindest zwei genutzt werden, nämlich z.B. der zweitgenannte, in dem der Transistor als Widerstand 18 fungiert, und der drittgenannte in dem der Transistor als geschlossener Schalter 19 fungiert. Es ist aber auch möglich, die reine Ein/Aus-Funktion des Transistors zu nutzen (erster und dritter Zustand).
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Zur Steuerung des Schalters 19 dient eine Steuereinrichtung 22. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfasst diese die an der Strombegrenzungsschaltung 17 abfallende Spannung. Dazu ist die in 1 gestrichelt eingetragene Verbindung 24 zwischen dem Kondensator 14 und der Steuereinrichtung 22 vorgesehen. Außerdem kann die Steuereinrichtung 22 durch eine Leitung 23 mit Masse 16 verbunden sein.
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Die Steuereinrichtung 22 ist im einfachsten Fall dazu eingerichtet, den Schalter 19 zunächst offen zu halten, so dass zwischen der Leitung 15 und Masse 16 die Reihenschaltung des Pufferkondensators 14 mit der Strombegrenzungsschaltung 17 wirksam ist. Wird nun der zunächst leere Kondensator 14 mit der Gleichspannungsquelle 12 verbunden, indem ein entsprechender Schalter 25, der z.B. in der Leitung 15 liegen kann, geschlossen wird, springt die Spannung an der Leitung 15 sehr schnell auf einen bestimmten Wert von bspw. 300V. Diese Spannung liegt praktisch sofort an der Last 11 an, und zwar auch dann, wenn der Pufferkondensator 14 noch nicht oder noch nicht vollständig gefüllt ist. Über den Widerstand 18 fließt ein durch den Widerstand 18 begrenzter Ladestrom, so dass das Potential an dem Knotenpunkt 26 von dem hohen Potential der Leitung 15 zügig in Richtung des 0-Potentials der Masse 16 absinkt. Mit dem Absinken des Potentials an dem Knotenpunkt 26 wird der Ladestrom durch den Widerstand 18 immer geringer. Wenn die Spannungsdifferenz zwischen der auf dem Pufferkondensator 14 vorhandenen Spannung und der Spannung der Gleichspannungsquelle 12 gering genug geworden ist, bspw. nur noch wenige Volt beträgt, kann der Schalter 19 geschlossen werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erkennt die Steuereinrichtung 22 diesen Zustand an dem geringen noch vorhandenen Spannungsabfall über dem Widerstand 18. Beträgt dieser bspw. nur noch wenige Volt, schließt sie den Schalter 19. Ab diesem Zeitpunkt ist der Pufferkondensator 14 parallel zu der Last 11 geschaltet und übernimmt seine volle Funktion.
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Der geschilderte Einschaltprozess kann Bruchteile einer Sekunde oder auch wenige Sekunden dauern. Er führt zu einer Vermeidung eines Einschaltstromstoßes zur Ladung des Pufferkondensators. Weiter ist bei der vorgestellten Schaltung selbst ein großer Laststrom während des Aufladens des Pufferkondensators 14 nicht störend für den Aufladeprozess. Ungeachtet der bspw. relativ hochohmigen Bemessung des Widerstands 18 und des durch die Last 11 fließenden Stroms, kann der Pufferkondensator 14 auf die volle Spannung der Gleichspannungsquelle 12 aufgeladen werden.
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Bei einer verfeinerten Ausführungsform der Erfindung wird der Schalter 19 schon während der Aufladephase des Pufferkondensators 14 in einer in 5 veranschaulichten Betriebsweise periodisch wiederkehrend geschlossen und geöffnet. Der Ladestromkreis umfasst hier die Spannungsquelle 12, die Leitungen 15, 16, falls vorhanden den Schalter 25, den Schalter 19 und den Pufferkondensator 14 selbst. In geschlossenem Zustand ist der Schalter 19 sehr niederohmig. In geöffnetem Zustand ist er vollständig nichtleitend oder er hat einen begrenzten Widerstand und somit strombegrenzenden Wirkung. Die in diesem Fall entstehende Verlustleistung fällt über eine nicht zu kurze Zeitspanne an und kann deshalb als Wärme abgeführt werden.
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Es entsteht eine Folge von Stromspitzen, die z.B. infolge parasitärer Widerstände und Induktivitäten im Ladestromkreis keine zu hohen Werte annehmen und deshalb keine zerstörerische Wirkung haben.
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Der sonst auftretende Ladestromstoß wird hier in eine Folge einzelner begrenzter Stromstöße zerlegt. Das periodische Schließen kann mit festem Tastverhältnis (Puls/Pause-Verhältnis) oder auch mit veränderlichem, z.B. während der Aufladephase zunehmendem Tastverhältnis erfolgen. Das periodische Schließen des Schalters 19 nach einer der oben genannten Arten kann unabhängig davon erfolgen, ob der Widerstand 18 den Laststrom führt oder nicht. D.h., die Last kann auch an den Knotenpunkt 26 zwischen dem Schalter 19 und dem Pufferkondensator 14 angeschlossen sein. Außerdem kann auf den Widerstand 18 verzichtet werden.
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Es sei angemerkt, dass bei dieser und allen nachfolgend diskutierten Ausführungsformen der Pufferkondensator 14 mit der Leitung 15 und die Strombegrenzungsschaltung 17 mit Masse 16 verbunden ist. Es ist jedoch gleichermaßen möglich, diese Zuordnung umzukehren. Bei allen Ausführungsformen kann stattdessen die Strombegrenzungsschaltung 17 mit der Leitung 15 und der Pufferkondensator 14 mit Masse 16 verbunden werden.
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Eine abgewandelte gepulst oder nichtgepulst arbeitende Ausführungsform der Erfindung zeigt 2. Soweit gleiche Schaltungsstruktur und Funktion, wie vorstehend beschrieben vorhanden ist, wird unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Jedoch ist hier ein weiterer Schalter 27 vorgesehen, der z.B. in der Masseleitung der Last 11 vorgesehen ist. Der Schalter 27 wird z.B. zeitgleich mit dem Schalter 19 geschlossen. Diese Maßnahme sorgt dafür, dass während der Aufladung des Pufferkondensators 14 kein Laststrom fließt. Damit kann die
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Belastung der Gleichspannungsquelle 12 beim Aufladen des Pufferkondensators 14 weiter vermindert werden. Der Schalter 27 kann deshalb dazu genutzt werden, die Aufladezeit des Pufferkondensators 14 zu verringern, sowie dazu zu vermeiden, dass die Last 11 mit unzulänglich geglätteter Gleichspannung versorgt wird, solang der Schalter 19 nicht geschlossen ist.
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3 veranschaulicht eine weiter abgewandelte gepulst oder nichtgepulst arbeitende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Soweit bau- oder funktionsgleiche Elemente und Strukturen vorhanden sind, wird unter Zugrundelegung der bereits eingeführten Bezugszeichen auf die vorige Beschreibung verwiesen.
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Abweichend von der vorigen Beschreibung erfasst die Steuereinrichtung 22 hier nicht die Spannung an dem Knotenpunkt 26, sondern an der Leitung 15. Springt diese Spannung von 0 auf einen endlichen Wert bspw. durch Schließen des Schalters 25, wertet die Steuereinrichtung 22 dies als Kennzeichen für den Einschaltzeitpunkt. Zu diesem Zeitpunkt steuert sie über den Steuerkanal 21 den Schalter 19 zunächst in die dargestellte offene Position. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne, die z.B. ein festgelegtes Vielfaches der Zeitkonstante, der aus dem Pufferkondensator 14 und dem Widerstand 18 bestehenden Kombination ist, schließt die Steuereinrichtung 22 dann den Schalter 19. Die Zeitkonstante ergibt sich bspw. durch Multiplikation des Kapazitätswerts des Pufferkondensators 14 mit dem Widerstandswert des Widerstands 18. Die Zeitspanne kann durch einen Timer bestimmt werden, die vom Timer festgelegte Zeit kann bspw. das 3-, 5- oder mehrfache der Zeitkonstante sein.
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Auch bei der in 3 veranschaulichten Ausführungsform kann – wie in 4 dargestellt – neben den zahlreichen vorgenannten Abwandlungen wiederum ein Schalter 27 vorgesehen sein, der die Last 11 z.B. zu dem Zeitpunkt, wenn der Schalter 19 schließt oder auch kurzzeitig davor, oder wie es bevorzugt wird, kurzzeitig danach mit der Masse 16 verbindet. Wie bei der Ausführungsform nach 2, kann der Schalter 27 alternativ in der Leitung 15 angeordnet sein. Ansonsten gilt die vorige Beschreibung unter Zugrundelegung der bereits eingeführten Bezugszeichen entsprechend.
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Eine weitere Schaltungsabwandlung ist in 6 veranschaulicht. Das hier veranschaulichte Prinzip kann auf alle vorigen Ausführungsformen übertragen werden. Soweit Schaltelemente vorhanden sind, die im Vorstehenden bereits in Struktur und/oder Funktion beschrieben worden sind, wird unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen auf die vorige Beschreibung verwiesen. 6 zeigt auch ein Beispiel für die Gleichspannungsquelle 12, hier z.B. mit einem als PFC-Schaltung dienendem Drosselwandler. Diese Schaltung ist bei allen anderen Ausführungsformen ebenfalls anwendbar.
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Die Schaltung nach 6 zeichnet sich durch eine besondere Struktur der Steuereinrichtung 22 aus. Diese schaltet den Schalter 19 nach Ablauf einer Kondensator-Aufladezeit ein. Das Einschalten erfolgt einmalig. Die Steuereinrichtung 22 enthält dazu einen Timer z.B. in Gestalt eines RC-Glieds. Zu diesem gehören der aus der Reihenschaltung der Widerstände R1 und R2 gebildete Widerstand und der Kondensator C. Die an dieses RC-Glied angeschlossenen Transistoren T1 und T2 bilden einen Schaltverstärker zur Ansteuerung des als Schalter 19 dienenden Feldeffekttransistors T3. Die von dem Schaltverstärker T1/T2 erzeugte Schaltflanke hat eine Anstiegszeit größer als Null. Die zur Ansteuerung des Gates des Transistors T3 dienende Schaltflanke kann außerdem durch einen weiteren Kondensator C1 abgeflacht werden, der mit dem Widerstand R3 ein RC-Glied bildet.
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Die Schaltung hält T3 zunächst in nichtleitendem Zustand. Nach Ablauf einer ersten Wartezeit, die durch die Ausgestaltung der Steuereinrichtung 22 beeinflusst werden kann, wird der Transistor T3 eingeschaltet. Jedoch geschieht dies nicht ganz schlagartig, sondern innerhalb z.B. einiger Millisekunden. In dieser Zeit kann der z.B. noch nicht vollständig aufgeladene Kondensator 14 vollends aufgeladen werden, ohne dass ein zu großer Ladestromstoß entsteht.
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Insbesondere kann mit jeder der vorgestellten Ladestrombegrenzungsschaltungen auch verhindert werden, dass die Gleichspannungsquelle (z.B. die PFC-Schaltung) kurzzeitig überlastet wird und eine beispielsweise vorgesehene verzögerungsarm (flink) reagierende, wie auch immer geartete, nicht weiter veranschaulichte elektronische Überstromschutzschaltung anspricht.
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Bei allen dargestellten Ausführungsbeispiele gilt, dass die Steuereinrichtung 22 mit einer Leistungsversorgung verbunden ist, so dass sie unter anderem die zum Schalten notwendige Spannung auf dem Steuerkanal 21 bereitstellen kann. Dazu kann die Steuereinrichtung 22 eine unabhängige Leistungsversorgung besitzen oder aus der spannungsführenden Leitung 15 mitversorgt werden.
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Eine Spannungsversorgungseinrichtung 10 weist einen Pufferkondensator 14 auf, dem eine Strombegrenzungsschaltung 17 zugeordnet ist. Diese bildet mit dem Pufferkondensator 14 eine Reihenschaltung, die der Last 11 parallel geschaltet ist. Die Spannungsquelle 12, die die Leistung zum Betrieb der Last 11 liefert, ist der Last 11 parallel geschaltet, somit ist die Aufladung des Pufferkondensators 14 unabhängig von der Größe des durch die Last 11 während der Aufladung fließenden Stroms. Alternativ kann der Ladestromstoß unabhängig von der konkreten Ausbildung des Ladestromkreises gepulst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Spannungsversorgungseinrichtung
- 11
- Last
- 12
- Gleichspannungsquelle
- 13
- Netz
- 14
- Pufferkondensator
- 15
- spannungsführende Leitung
- 16
- Masse
- 17
- Strombegrenzungsschaltung
- 18
- Widerstand
- 19
- Schalter
- 20
- Bypasskanal
- 21
- Steuerkanal
- 22
- Steuereinrichtung
- 23
- Leitung
- 24
- Verbindung
- 25
- Schalter
- 26
- Knotenpunkt
- 27
- Schalter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4306117 A1 [0002]
- EP 0629104 A2 [0004]
