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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Vorschaltgerät zum Betreiben mindestens einer ersten und einer zweiten Kaskade von LEDs, umfassend einen Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss zum Koppeln mit einer Versorgungswechselspannung, einen Gleichrichter, der mit dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist, wobei der Gleichrichter einen Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss aufweist, eine erste Einheit, die die erste Kaskade von LEDs umfasst, mindestens eine zweite Einheit, die die zweite Kaskade von LEDs umfasst, wobei der zweiten Kaskade von LEDs ein elektronischer Schalter parallel geschaltet ist, wobei die erste Einheit mit dem ersten Ausgangsanschluss des Gleichrichters gekoppelt ist und die mindestens eine zweite Einheit seriell zu der ersten Einheit gekoppelt ist und zwar auf der Seite der ersten Einheit, die nicht mit dem ersten Ausgangsanschluss des Gleichrichters gekoppelt ist, eine Serienschaltung umfassend einen Längsregler und einen Shunt-Widerstand, wobei diese Serienschaltung seriell zwischen die zweite Einheit und den zweiten Ausgangsanschluss des Gleichrichters gekoppelt ist, sowie eine Sollwert-Vorgabevorrichtung für den Längsregler mit einem ersten und einem zweiten Eingang und einem Ausgang, wobei der Ausgang der Sollwert-Vorgabevorrichtung mit dem Längsregler gekoppelt ist, wobei der erste Eingang der Sollwert-Vorgabevorrichtung mit dem Shunt-Widerstand gekoppelt ist, wobei der zweite Eingang der Sollwert-Vorgabevorrichtung mit dem Abgriff des ersten Spannungsteilers gekoppelt ist. Eine sogenannte "Kaskade" von LEDs umfasst zwar bevorzugt eine Vielzahl von LEDs, kann jedoch auch durch eine einzelne LED repräsentiert werden.
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Stand der Technik
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Bei LED-Treiberkonzepten, die den LED-Strom und damit den Netzstrom linear regeln und bei denen es aufgrund ihrer Leistungsaufnahme erforderlich ist, eine weitgehend sinusförmige Stromaufnahme aus dem Netz zu gewährleisten, wird bisher mittels eines an die Eingangsspannung angeschlossenen Spannungsteilers mit einem ersten und einem zweiten ohmschen Widerstand ein Sollwert für den Stromregler abgeleitet. Da diese Eingangsspannung sinusförmig ist, ist dadurch auch der Sollwert und bei geeignetem Regelkonzept auch der Istwert des Netzstroms sinusförmig.
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Es gibt LED-Anordnungen, bei denen ein Netzstrom nur dann fließen kann, wenn die Netzspannung größer als die Vorwärtsspannung mindestens eines Teils der eingesetzten LEDs ist. Dies sind LED-Anordnungen, bei denen zwar bestimmte LEDs der Gesamtanordnung durch Schalter überbrückbar sind, aber eine bestimmte Anzahl an LEDs, vorliegend die so genannte erste Kaskade von LED unter Einsparung eines Schalters nicht überbrückt sind. Bei solchen Anordnungen besteht das Problem, dass der Spannungsabgriff an dem oben genannten Spannungsteiler auch in einem zeitlichen Abschnitt um den Netznulldurchgang herum einen nicht vernachlässigbaren Sollwert ausgibt, ein diesem Sollwert entsprechender Netzstrom aber nicht fließen kann. Durch die Verwendung einer nicht überbrückbaren Kaskade von LEDs kann in der praktischen Umsetzung ein Schalter eingespart werden. Diese Kaskade von LEDs ist demnach immer in Betrieb, sofern die am Gleichrichterausgang bereitgestellte Spannung größer ist als die Vorwärtsspannung der LEDs dieser ersten Kaskade. Dadurch geht weiterhin der Vorteil einher, dass, solange die nötige Vorwärtsspannung noch nicht erreicht ist, kein Strom über den Längsregler fließt, um dort lediglich Verlustwärme zu erzeugen.
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Beim Einsatz üblicher Regeleinrichtungen für die Stromregelung führt dies dazu, dass der Stromregler beginnend zu dem Zeitpunkt, bei dem der Momentanwert der Netzspannung unter die Vorwärtsspannung des nicht überbrückbaren Teils der LEDs sinkt, in Sättigung geht. Wenn anschließend bei zunehmender Netzspannung diese wieder über die Vorwärtsspannung des nicht überbrückbaren Teils der LEDs steigt, benötigt der Stromregler eine Einschwingzeit, in der der Netzstrom größer als der gewünschte, dem Sollwert entsprechende Wert ist (Regelabweichung). Dieser Überschwinger des Netzstroms wirkt sich negativ auf das Verhalten der Gesamtanordnung hinsichtlich der Netzstromoberschwingungen und der Funkstörung aus.
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Um dieses Problem zu lösen, wäre es denkbar, die Zeitcharakteristik des Stromreglers so zu verändern, dass die Stromlücken „ausgeblendet“ werden. Dies hätte allerdings den Nachteil zur Folge, dass dann die gesamte Stromregelgeschwindigkeit zu gering werden könnte.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes elektronische Vorschaltgerät derart weiterzubilden, dass unter Bereitstellung einer ausreichenden Stromregelgeschwindigkeit Überschwinger des Netzstroms möglichst weitgehend unterbunden werden können.
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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 der Gedanke zugrunde, den ersten Spannungsteiler, der zur Sollwertbildung für den LED-Strom verwendet wird, nicht direkt zwischen den ersten und den zweiten Ausgangsanschluss des Gleichrichters zu koppeln, sondern an ein Potential, das gegenüber der Spannung am Ausgang des Gleichrichters genau um die Vorwärtsspannung des nicht überbrückbaren Teils der LEDs, das heißt der ersten Kaskade von LEDs, reduziert ist. Dadurch wird nämlich erreicht, dass ein Sollwert größer null nur gebildet wird, wenn die Eingangsspannung größer als die Vorwärtsspannung des nicht überbrückbaren Teils der LEDs ist.
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Erfindungsgemäß wird deshalb der erste Spannungsteiler zwischen den Kopplungspunkt der ersten Einheit und der zweiten Einheit einerseits und den zweiten Ausgangsanschluss des Gleichrichters andererseits gekoppelt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass unabhängig von der toleranz- und temperaturabhängigen Vorwärtsspannung der ersten Kaskade von LEDs ein Sollwert größer null exakt dann an den Stromregler geleitet wird, wenn die Spannung am Ausgang des Gleichrichters die momentane Vorwärtsspannung der ersten Kaskade von LEDs übersteigt. Dadurch wird gewährleistet, dass der Stromregler nicht in Sättigung gehen kann, wodurch ein Überschwingen des vom Netz entnommenen Stroms ausgeschlossen ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erste Spannungsteiler einen ersten und einen zweiten ohmschen Widerstand, wobei dem zweiten ohmschen Widerstand des ersten Spannungsteilers, der zwischen den Abgriff des ersten Spannungsteilers und den zweiten Ausgangsanschluss des Gleichrichters gekoppelt ist, ein Kondensator parallel geschaltet ist. Dieser dient dazu, hochfrequente Spikes am Abgriff des ersten Spannungsteilers zu eliminieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sollwert-Vorgabevorrichtung einen Operationsverstärker, dessen Minus-Eingang den ersten Eingang der Sollwert-Vorgabevorrichtung darstellt und dessen Plus-Eingang den zweiten Eingang der Sollwert-Vorgabevorrichtung darstellt. Auf diese Weise kann besonders einfach eine Regelung des Stroms durch die Kaskaden von LEDs vorgenommen werden. In diesem Zusammenhang ist der Operationsverstärker bevorzugt derart beschaltet, dass er als P-Regler, PI-Regler oder als I-Regler wirkt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der jeweiligen Kaskade von LEDs ein Kondensator parallel geschaltet. Durch diese Maßnahme werden Ripple im Licht reduziert, indem in den Netzspannungspausen, das heißt in den Phasen, in denen die jeweilige Kaskade von LEDs aufgrund ihrer Vorwärtsspannung nicht mit Strom versorgt wird, aus dem jeweils zugeordneten Pufferkondensator versorgt wird.
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In diesem Zusammenhang ist in vorteilhafter Weise seriell zwischen die LED-Kaskade einer höher liegenden Einheit und den Pufferkondensator einer tiefer liegenden Einheit eine Diode gekoppelt. Diese verhindert ein Entladen des einer jeweiligen LED-Kaskade zugeordneten Pufferkondensators durch den parallel geschalteten elektronischen Schalter. „Höher liegend“ bzw. „tiefer liegend“ spricht auf das jeweilige Spannungsniveau an, auf dem die jeweiligen Kaskaden von LEDs liegen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann zu dem durch den ersten Spannungsteiler gebildeten Sollwert ein im Verhältnis zur Periodendauer des Versorgungsnetzes zeitlich im Wesentlichen konstanter Anteil hinzuaddiert werden, beispielsweise für eine verbesserte Nutzung der LEDs. Dieser im Wesentlichen konstante Offset würde wiederum einen Sollwert auch in dem Zeitbereich bilden, in dem kein Netzstrom fließen kann, was zu dem oben beschriebenen Sättigungszustand des Stromreglers führen würde. Ein derartiger im Wesentlichen konstanter Offset könnte durch Addition einer im Wesentlichen konstanten Spannung auf den Plus-Eingang des Operationsverstärkers erzeugt werden.
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Unabhängig davon können sich weiterhin in den Phasen, in denen die am Gleichrichterausgang bereitgestellte Spannung gerade eben größer ist als die Vorwärtsspannung der ersten Kaskade von LEDs, d.h. in den Übergangsphasen, EMV-Störungen sowie Netzstromoberschwingungen einstellen.
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Um diesen zwei Problemen zu begegnen, kann dem zweiten ohmschen Widerstand des ersten Spannungsteilers eine Hilfsvorrichtung parallel geschaltet sein, die ausgelegt ist, die Flankensteilheit der über dem zweiten ohmschen Widerstand abfallenden Spannung einzustellen. Diese Hilfsvorrichtung dient damit einer weiteren Verbesserung des Betriebsverhaltens beziehungsweise der Optimierung der Netzstromkurvenform, indem der einem konstanten Offset entsprechenden Teil des Sollwerts bzw. die Flankensteilheit beim Abfall vor bzw. beim Anstieg nach Netzspannungsnulldurchgängen in Abhängigkeit der durch den ersten Spannungsteiler bereitgestellten Spannung reduziert beziehungsweise zu null gesetzt wird. Auf diese Weise kann die Steilheit des Sollwertanstiegs, das heißt die steigende Flanke der Versorgungsspannung, beziehungsweise des Sollwertabfalls, das heißt die fallende Flanke der Versorgungsspannung, sowie die Position der Flanken in Bezug zur Phasenlage der Eingangsspannung eingestellt werden.
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Durch die Hilfsvorrichtung kann somit eine deutliche Reduzierung der Funkstörung sowie der Netzstromoberschwingungen erreicht werden.
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Diese Hilfsvorrichtung umfasst bevorzugt einen elektronischen Schalter mit einer Steuerelektrode, einer Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode, wobei die Steuerelektrode mit dem Abgriff eines zweiten Spannungsteilers umfassend einen ersten und einen zweiten ohmschen Widerstand gekoppelt ist, der dem ersten Spannungsteiler parallel geschaltet ist. Dieser elektronische Schalter überbrückt demnach den zweiten ohmschen Widerstand des ersten Spannungsteilers, wenn die Eingangsspannung, das heißt die Spannung am Ausgang des Gleichrichters ein gewisses Maß unterschreitet. Dann wird der elektronische Schalter der Hilfsvorrichtung leitend, sodass unter einer gewissen Spannung der Sollwert frühzeitig zu null wird. Auf diese Weise lassen sich Übergänge, in denen der Strom fließen kann, zur Verhinderung von EMV-Störungen abflachen. Um festzustellen, wann ein LED-Strom fließen kann und wann nicht, hängt die Hilfsvorrichtung am gleichen Abgriff wie der Spannungsteiler, der den Sollwert für den Längsregler liefert.
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Dabei ist der zweite Spannungsteiler bevorzugt so dimensioniert, dass der elektronische Schalter den Sollwert dann auf null reduziert, wenn die Eingangsspannung kleiner als die Vorwärtsspannung der ersten Kaskade von LEDs ist und damit kein Netzstrom fließen kann.
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Bevorzugt ist dem zweiten ohmschen Widerstand des zweiten Spannungsteilers, der zwischen den Abgriff des zweiten Spannungsteilers und ein Bezugspotential gekoppelt ist, eine Zenerdiode und/oder ein Kondensator parallel geschaltet. Dabei kann durch eine geeignete Wahl der Kapazität dieses letztgenannten Kondensators die Flankensteilheit der Spannung über dem zweiten ohmschen Widerstand des ersten Spannungsteilers, die dem Sollwert für den Längsregler entspricht, während des Einsetzens des Netzstroms eingestellt werden. Die Zenerdiode dient lediglich zur Begrenzung der Spannung zwischen Bezugselektrode und Steuerelektrode des elektronischen Schalters der Hilfsvorrichtung.
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Wenngleich im Nachfolgenden der einfacheren Verständlichkeit wegen die vorliegende Erfindung am Beispiel eines elektronischen Vorschaltgeräts mit einer ersten und einer zweiten Einheit beschrieben wird, können in der Praxis eine Vielzahl von zweiten Einheiten vorgesehen sein.
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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 werden nunmehr Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme 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 und 3: den zeitlichen Verlauf verschiedener Größen bei einem elektronischen Vorschaltgerät nach dem Stand der Technik (2) und bei einem erfindungsgemäßen, wie in 1 dargestellten elektronischen Vorschaltgerät (3).
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgeräts 10. Zwischen einen ersten E1 und einen zweiten Eingangsanschluss E2 wird eine Versorgungswechselspannung Ve angelegt, die beispielsweise 230 V und 50 Hz betragen kann. Diese wird an den Eingang eines Gleichrichters D002 gekoppelt, zwischen dessen Ausgangsanschlüssen ein Kondensator C001 gekoppelt ist, der zur Eliminierung von HF-Störungen dient. Die zwischen den Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters D002 abfallende Spannung ist mit V(n003) bezeichnet.
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Es ist eine erste, nicht überbrückbare Kaskade von LEDs vorgesehen, wovon beispielhaft eine LED eingezeichnet ist, die mit D101 bezeichnet ist. Diese erste Kaskade von LEDs bildet zusammen mit einem optionalen ersten Pufferkondensator C101, der dieser ersten Kaskade von LEDs parallel geschaltet ist, eine erste Einheit EH1. Einer zweiten Kaskade von LEDs, von denen beispielhaft die LED D117 eingezeichnet ist, ist ein optionaler Pufferkondensator C111 parallel geschaltet. Um eine Entladung des Pufferkondensators C111 beim Schließen des Schalters SW1 in Richtung der ersten Einheit EH1 zu verhindern, ist zwischen die beiden LED-Kaskaden eine Diode D012 gekoppelt. Der Serienschaltung aus Diode D012 und der Parallelschaltung umfassend die LED-Kaskade D117 und den Pufferkondensator C111 ist ein elektronischer Schalter SW1 parallel geschaltet. Die zweite LED-Kaskade D117, die Diode D012, der Pufferkondensator C111 sowie der Schalter SW1 bilden eine zweite Einheit EH2. Es können eine Vielzahl weiterer derartiger zweiter Einheiten seriell zu der ersten dargestellten zweiten Einheit EH2 angeordnet sein. Dabei wird die jeweilige Kaskade von LEDs mittels des zugeordneten Schalters überbrückt, wenn die Spannung V(n003) nicht ausreicht, um die jeweilige Kaskade von LEDs zusätzlich zur ersten Kaskade von LEDs, diejenige der Einheit EH1, zu betreiben.
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Seriell zu den Einheiten EH1, EH2 ist die Serienschaltung eines Längsreglers Q100 sowie eines Shunt-Widerstands R100 angeordnet. Der drainseitig in den Längsregler Q100 fließende Strom ist mit Id(Q100) bezeichnet und bildet sich in einem Spannungsabfall am Shunt-Widerstand R100 ab. Dieser Strom durch den Längsregler Q100 entspricht dem vom Versorgungsnetz aufgenommenen Strom und – falls keine, den LED-Kaskaden parallel geschaltete Pufferkondensatoren verwendet werden – dem LED-Strom.
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Eine Sollwert-Vorgabevorrichtung 12 stellt einen Sollwert an die Steuerelektrode des Längsreglers Q100 bereit. Dazu wird die über dem Shunt-Widerstand R100 abfallende Spannung über einen ohmschen Widerstand R041 an den Minus-Eingang eines Operationsverstärkers IC1-B angelegt. Der Plus-Eingang dieses Operationsverstärkers IC1-B ist mit dem Abgriff eines Spannungsteilers gekoppelt, der die ohmschen Widerstände R011 und R012 umfasst. Erfindungsgemäß ist dieser Spannungsteiler nicht unmittelbar zwischen die Ausgangsanschlüsse des Gleichrichters D002 geschaltet, sondern zwischen den Kopplungspunkt N1 der ersten Einheit EH1 mit der zweiten Einheit EH2 einerseits und den zweiten Ausgangsanschluss des Gleichrichters D002 andererseits.
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Zur Vermeidung hochfrequenter Spikes ist dem Widerstand R012 ein Kondensator C040 parallel geschaltet. Die Spannung am Plus-Eingang des Operationsverstärkers IC1-B ist mit V(n019) bezeichnet. Die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers IC1-B ist mit V(n016) bezeichnet. In die Rückkopplung des Operationsverstärkers IC1-B ist die Serienschaltung eines Kondensators C041 und eines ohmschen Widerstands R043 geschaltet. Auf diese Weise wird ein PI-Regler realisiert.
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Dadurch, dass der Spannungsteiler, der die ohmschen Widerstände R011 und R012 umfasst, nicht direkt mit dem hoch liegenden Anschluss des Gleichrichters D002 gekoppelt ist, sondern an ein Potential, das gegenüber der Spannung am Gleichrichterausgang genau um die Vorwärtsspannung der ersten Kaskade von LEDs reduziert ist, wird erreicht, dass ein Sollwert größer null nur gebildet wird, wenn die Ausgangsspannung V(n003) des Gleichrichters D002 größer ist als die Vorwärtsspannung der ersten Kaskade von LEDs.
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Eine mit 14 bezeichnete Hilfsvorrichtung dient zur Reduzierung der Maßnahmen für die Funkentstörung sowie der Reduktion von Netzstromoberschwingungen. Sie ermöglicht die Einstellung der Flankensteilheit vor und nach den Phasen, in denen die am Gleichrichterausgang bereitgestellte Spannung etwas größer ist als die Vorwärtsspannung der ersten Kaskade von LEDs, das heißt in den Übergangsphasen.
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Diese Hilfsvorrichtung 14 umfasst einen weiteren Spannungsteiler mit den ohmschen Widerständen R013 und R014, der dem ersten Spannungsteiler parallel geschaltet ist, das heißt insbesondere auch mit dem Kopplungspunkt N1 verbunden ist. Die Steuerelektrode eines Transistors Q011 ist mit dem Abgriff des Spannungsteilers R013, R014 gekoppelt. Dabei sind die Widerstände R013 und R014 so dimensioniert, dass der Transistor Q011 den Sollwert dann auf null reduziert, wenn die Eingangsspannung gerade eben etwas größer als die Vorwärtsspannung der ersten LED-Kaskade ist und damit kein Netzstrom Id(Q100) fließen kann.
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Dem Widerstand R014 ist einerseits ein Kondensator C010, andererseits die Zenerdiode D010 parallel geschaltet.
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Durch eine geeignete Wahl der Kapazität des Kondensators C010 kann damit die Flankensteilheit der Spannung über R012, die dem Sollwert für den Linearregler Q100 entspricht, während des Einsetzens des Stroms Id(Q100) eingestellt werden. Die Zenerdiode D010 dient lediglich zur Begrenzung der Basis-Emitter-Spannung von Q011.
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Durch geeignete Dimensionierung der Hilfsvorrichtung 14 kann die Steilheit des Sollwertanstiegs, das heißt bei steigender Flanke der Spannung V(n003), beziehungsweise des Sollwertabfalls, das heißt bei fallender Flanke der Spannung V(n003), sowie die Position der Flanken in Bezug zur Phasenlage der Spannung V(n003) am Gleichrichterausgang eingestellt werden.
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Die 2 und 3 zeigen den zeitlichen Verlauf verschiedener Größen bei einem elektronischen Vorschaltgerät nach dem Stand der Technik (2) und bei einem erfindungsgemäßen, wie in 1 dargestellten elektronischen Vorschaltgerät (3).
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Die jeweilige Darstellung a) zeigt die Spannung V(n003) zwischen den Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters D002. In der jeweiligen Darstellung b) ist der zeitliche Verlauf des Stroms Id(Q100) gezeigt. Darstellung c) zeigt einerseits den zeitlichen Verlauf der Spannung V(n019) am Plus-Eingang des Operationsverstärkers IC1-B, das heißt die Spannung am Abgriff des ersten Spannungsteilers R011, R012, sowie den zeitlichen Verlauf der Spannung V(n016) am Ausgang des Operationsverstärkers IC1-B, das heißt des Signals an der Steuerelektrode des Längsreglers Q100.
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Die Spannung V(n003) ist bei der Darstellung von 2 und von 3 identisch. Unterschiede in den Darstellungen b) und c) ergeben sich dadurch, dass bei 2 der Sollwert wie aus dem Stand der Technik bekannt durch Abgriff der Spannung am Gleichrichterausgang erzeugt wird, wohingegen sich die Darstellungen in 3 bei Verwendung eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgeräts ergeben. Wie deutlich zu sehen ist, ist der Verlauf des Stroms Id(Q100) in der Darstellung von 2b) sehr sprunghaft, was schlecht ist im Hinblick auf die Funkentstörung und Netzstromoberschwingungen. Beim Verlauf des Stroms Id(Q100) eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgeräts, siehe die Darstellung in 3b) hingegen fehlen derartige Sprünge, der Verlauf ist weicher.
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Wie sich aus der Darstellung von 2c ergibt, siehe dort den Verlauf der Spannung V(n019), ist im Stand der Technik nahe dem Nulldurchgang schon ein Sollwert vorhanden. Aufgrund dessen steigt die Spannung V(n016) am Ausgang des Operationsverstärkers IC1-B an, wobei in der vorliegenden Auslegung kein Über- bzw. Einschwingen des Stroms Id(Q100) sichtbar ist. Wie sich aus dem entsprechenden Verlauf in 3c erkennen läßt, sind bei einem erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerät diese Nachteile beseitigt.
