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Die Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung zum Betreiben von Leuchtmitteln, insbesondere wenigstens einer Leuchtmittelstrecke mit wenigstens einer LED oder OLED. Die Betriebsschaltung stellt dabei eine PFC-Funktionalität bereit bzw. weist eine PFC-Schaltung zur Bereitstellung dieser Funktion auf. Insbesondere ist die Betriebsschaltung mit einer integrierten Steuereinheit (IC, ASIC, Mikrocontroller, ...) ausgestattet, der ein Signal zugeführt wird, das beispielsweise von einer elektrischen Netzversorgung abgeleitet ist, insbesondere von einer gleichgerichteten Wechselspannung. Die Steuereinheit steuert ein Schaltelement, das als Transistor (Feldeffekttransistor FET, MOSFET, ...) ausgestaltet sein kann, um die PFC-Funktionalität bereitzustellen. Beispielsweise kann der Steuereinheit ein die Netzversorgungsspannung wiedergebendes Signal zugeführt sein.
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Das Schaltelement bzw. der Transistor werden im Folgenden mit Schalter bezeichnet. Der von der Steuereinheit angesteuerte Schalter wird also zur Erzielung eines guten Leistungsfaktors (engl. „Power Factor“) abhängig von dem der Steuereinheit zugeführten Signal angesteuert.
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Als Steuereinheit kann in der Betriebsschaltung eine bekannte integrierte Schaltung (IC) eingesetzt werden, beispielsweise eine als elektronische Bauelement kommerziell verfügbare (Off-The-Shelf, OTS) Steuereinheit.
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Vor allem im Bereich der Beleuchtungstechnik, d.h. also insbesondere bei Betriebsschaltungen für Leuchtmittelstrecken, besteht nun das Problem, dass solche Steuereinheiten nicht ohne Weiteres eingesetzt werden können, da sie sich zwar prinzipiell für die geplante Anwendung eignen, jedoch daneben auch nachteilige Eigenschaften aufweisen.
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So kann es beispielsweise der Fall sein, dass bei bestimmten Steuereinheiten, die eine PFC-Funktionalität ermöglichen, bzw. eine entsprechende Ansteuerung des Schalters erlauben, der Schalter abhängig von einem der Steuereinheit zugeführten Signal angesteuert wird. Insbesondere erfolgt die Ansteuerung des Schalters abhängig von einem die Netzspannung wiedergebenden Spannungssignal.
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Die Steuereinheit kann dabei so ausgelegt sein, dass sie den Schalter bei normalen Netzspannungswerten, d.h. wenn der Pegel des der Steuereinheit zugeführten Signals beispielsweise oberhalb eines (und/oder auf einem) in der Steuereinheit definierten Schwellenwert(es) liegt, bzw. sich in einem vorbestimmten Bereich bewegt, in einem ersten Betriebsmodus betreibt. Liegt der Pegel des der Steuereinheit zugeführten Signals unterhalb des (und/oder auf dem) in der Steuereinheit definierten Schwellenwert(es), bzw. bewegt sich der Pegel in einem anderen vorbestimmten Bereich, kann die Steuereinheit den Schalter in einem anderen (zweiten) Betriebsmodus betreiben.
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Die Steuereinheit kann dabei abhängig von dem Pegel des Signals z.B. wenigstens zwei Betriebsweisen für den Schalter vorsehen. Zum Beispiel einen sogenannten lückenden Betrieb (discontinuous conduction mode, DCM), wobei der Schalter also so angesteuert wird, dass der Strom durch eine PFC-Drossel auf Null abfallen kann, einen nicht-lückenden Betrieb (continuous conduction mode, CCM) und/oder einen Betrieb in einem Grenzbereich zwischen lückenden Betrieb und nicht-lückenden Betrieb (borderline conduction mode, BCM).
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In der Steuereinheit kann dann vorgesehen sein, dass beispielsweise bei einem niedrigeren Pegel des der Steuereinheit zugeführten Signals, die Steuereinheit in den nicht-lückenden Betrieb (CCM) umschaltet, bei dem der Strom durch die PFC-Drossel nie auf Null absinkt, während bei einem anderen Pegel des Signals eine Ansteuerung gemäß einer anderen Betriebsart (DCM, BCM) erfolgt.
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Problematisch ist hierbei, dass bei Ansteuerung des Schalters im nicht-lückenden Betrieb ein Wiedereinschalten des Schalters nicht stromlos erfolgen kann. Hierdurch wird Wärme generiert, was dazu führt, dass der Transistor einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist und dass insgesamt in der Betriebsschaltung hohe und unerwünschte elektrische Schaltverluste auftreten.
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Ziel der Erfindung ist es nunmehr, eine Möglichkeit zu schaffen, an sich bekannte Steuereinheiten einzusetzen, und dennoch diese Probleme, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, zu vermeiden.
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Die Erfindung stellt daher eine Betriebsschaltung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In einem ersten Aspekt wird eine Betriebsschaltung für Leuchtmittel, insbesondere zum Betrieb wenigstens einer Leuchtmittelstrecke mit wenigstens einer LED, bereitgestellt, aufweisend eine vorzugsweise integrierte Steuereinheit. Die Betriebsschaltung weist weiter eine PFC-Schaltung mit einem ausgehend von einem Ausgangssignal der Steuereinheit getakteten Schalter auf. Der Steuereinheit kann an wenigstens einem Eingang ein von einer Netzversorgungsspannung der Betriebsschaltung abgeleitetes Eingangssignal zugeführt sein. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, eine Taktung des Schalters abhängig von dem Eingangssignal zu verändern. Es kann zudem eine Verarbeitungsschaltung vorgesehen sein, die einen Pegel des Eingangssignals vor seiner Zuführung an die Steuereinheit zumindest zeitweise im Bereich der Nulldurchgänge der Netzversorgungsspannung anhebt.
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Falls die Anhebung selektiv und nicht über den gesamten Verlauf der Netzsinuswelle erfolgt, kann dies über eine zeitliche Selektion (bspw. x%, wie bspw. 20% der Zeitdauer der Netzsinuswelle, zentriert um den Nulldurchgang) erfolgen, oder durch eine Selektion, die durch Vorgabe von Schwellenwerten für das Eingangssignal (bspw. 10% der maximalen Amplitude) erfolgt. Die Anhebung erfolgt in diesem Fall immer dann, wenn der Betrag der Amplitude des Eingangssignal kleiner ist als der vorgegeben Schwellenwert).
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Dem Eingangssignal kann vor seiner Zuführung an die Steuereinheit ein weiteres Signal beaufschlagt werden, vorzugsweise eine von einer Steuereinheit-Versorgungsspannung abgeleitete Spannung.
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Die Verarbeitungsschaltung kann das Eingangssignal und das weitere Signal kombinieren. Ein kombiniertes Eingangssignal kann der Steuereinheit zugeführt werden.
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Der wenigstens eine Eingang kann mit dem Eingang für die Steuereinheit-Versorgungsspannung der Steuereinheit, insbesondere mittels der oder durch die Verarbeitungsschaltung verbunden sein.
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Die Steuereinheit kann den Pegel des Eingangssignals und/oder das kombinierte Eingangssignal bezüglich wenigstens eines Schwellenwertes diskriminieren. Die Steuereinheit kann den Schalter abhängig von einem Ergebnis der Diskriminierung, insbesondere abhängig von einem Verhältnis des Pegels zu dem wenigstens einen Schwellenwert in einem von wenigstens zwei Betriebsmodi ansteuern.
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Die Steuereinheit kann den Schalter in einem nicht-lückenden Betrieb, einem lückenden Betrieb und/oder einem Betrieb in einem Grenzbereich zwischen nicht-lückenden Betrieb und lückenden Betrieb ansteuern.
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Die Steuereinheit kann den Schalter in lediglich einem der wenigstens zwei Betriebsmodi ansteuern, wenn der Pegel des Eingangssignals angehoben ist.
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Die Verarbeitungsschaltung kann ein Widerstand sein. Die Verarbeitungsschaltung kann ein Konstantstromquelle und eine Konstantspannungsquelle aufweisen.
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Die Anhebung des Pegels des Eingangssignals kann abhängig von der Dimensionierung des Widerstands sein.
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Bei Anhebung des Pegels des Eingangssignals kann die Steuereinheit den Schalter in lediglich einem bestimmten Betriebsmodus der wenigstens zwei Betriebsmodi ansteuern.
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Der Widerstand kann im Megaohmbereich dimensioniert sein. Das Schalten des Schalters kann stromlos erfolgen. Die Steuereinheit kann den Schalter in einem ersten Betriebsmodus der wenigstens zwei Betriebsmodi in dem lückenden Betrieb ansteuern. Die Steuereinheit kann den Schalter in einem zweiten Betriebsmodus der wenigstens zwei Betriebsmodi in dem nicht-lückenden Betrieb ansteuern.
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Die Steuereinheit kann den Schalter in dem ersten Betriebsmodus ansteuern, wenn der Pegel des Eingangssignals und/oder des kombinierten Eingangssignals oberhalb bzw. unterhalb des wenigstens einen Schwellenwertes liegt. Die Steuereinheit kann den Schalter in dem zweiten Betriebsmodus ansteuern, wenn der Pegel des Eingangssignals und/oder des kombinierten Eingangssignals unterhalb bzw. oberhalb des wenigstens einen Schwellenwertes liegt.
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Die Steuereinheit kann den Schalter vorzugsweise nur im ersten Betriebsmodus ansteuern, wenn das Eingangssignal angehoben ist.
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In einem weiteren Aspekt wird eine Leuchte bereitgestellt, aufweisend eine Betriebsschaltung, wie sie vorstehend beschrieben ist.
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In einem noch weiteren Aspekt wird ein Verfahren, insbesondere zum Betrieb wenigstens einer Leuchtmittelstrecke mit wenigstens einer LED, bereitgestellt, wobei eine vorzugsweise integrierte Steuereinheit einen Schalter einer PFC-Schaltung ausgehend von einem Ausgangssignal der Steuereinheit taktet, wobei der Steuereinheit an wenigstens einem Eingang ein von einer Netzversorgungsspannung der Betriebsschaltung abgeleitetes Eingangssignal zugeführt wird, und die Steuereinheit eine Taktung des Schalters abhängig von dem Eingangssignal verändert. Zudem hebt eine Verarbeitungsschaltung einen Pegel des Eingangssignals vor seiner Zuführung an die Steuereinheit zumindest zeitweise im Bereich der Nulldurchgänge der Netzversorgungsspannung an.
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Die Erfindung wird nunmehr auch mit Blick auf die Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
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1 schematisch eine exemplarische Ausgestaltung der Erfindung;
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2 schematisch eine weitere exemplarische Ausgestaltung der Erfindung; und
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3 eine konkretere exemplarische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung.
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Die Erfindung sieht also insbesondere vor, das die Netzversorgung wiedergebende und der Steuereinheit zugeführte Signal so zu verändern, dass zumindest im Bereich der Nulldurchgänge der elektrischen Netzversorgung bzw. der Netzspannung eine Veränderung des Pegels des der Steuereinheit zugeführten Signals erfolgt. Somit kann im Bereich der Nulldurchgänge eine eigentlich für niedrige Signalpegel vorgesehene Ansteuerung des Schalters im nicht-lückenden Betrieb vermieden werden, während insbesondere außerhalb der Nulldurchgänge der Schalter anders, z.B. im nicht-lückenden Betrieb angesteuert werden kann. Insbesondere kann also im Bereich der Nulldurchgänge eine Ansteuerung des Schalters im lückenden Betrieb ermöglicht werden, die für höhere Pegel vorgesehen ist.
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Der Pegel des der Steuereinheit zugeführten Signals wird also verschoben. Dazu ist in der Betriebsschaltung eine Verarbeitungsschaltung vorgesehen. Diese Verarbeitungsschaltung kann so ausgestaltet sein, dass ihr ebenfalls das der Steuereinheit zugeführte Signal zugeführt wird. Anhand dieses Signals kann die Verarbeitungsschaltung den Verlauf des Signals und somit insbesondere den Verlauf der Netzspannung verfolgen bzw. erfassen und einen Nulldurchgang erkennen. Insbesondere kann die Verarbeitungsschaltung auf Basis des Signalverlaufs einen Nulldurchgang antizipieren und dann, wenn ein Nulldurchgang vorliegt oder zu erwarten ist, den Pegel des Signals so verändern, dass der Pegel insbesondere über einem bestimmten Schwellenwert der Steuereinheit für den Signalpegel liegt.
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Dazu kann die Verarbeitungsschaltung ein Signal generieren, das mit dem die Netzversorgung wiedergebenden Signal VE kombiniert wird, so dass der Steuereinheit das kombinierte Signal zugeführt wird.
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Die Steuereinheit diskriminiert dann das eingehende Signal bezüglich des vorbestimmten Schwellenwertes und legt abhängig von dem Verhältnis des Pegelwerts zu dem Schwellenwert die Art der Ansteuerung des Schalters fest. Durch die Änderung des Pegels kann sichergestellt werden, dass das Eingangssignal zu seinem niedrigsten Wert während der Halbwelle der Netzspannung nie einen Wert erreicht, bei dem die Steuereinheit in einen entsprechenden Betrieb, z.B. den nicht-lückenden Betrieb (CCM), umschaltet.
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Erfolgt also keine Veränderung des der Steuereinheit zugeführten Pegels durch die Verarbeitungsschaltung gemäß der Erfindung, so erfolgt im Bereich der Nulldurchgänge der Netzspannung ein Betrieb in dem eigentlich von der Steuereinheit vorgesehenen Betrieb, z.B. dem nicht-lückenden Betrieb.
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Dabei ist zu verstehen, dass selbstverständlich auch mehr als zwei Betriebsmodi in der Steuereinheit zum Betrieb des Schalters zur Verfügung stehen können. Neben dem nicht-lückenden Betrieb und dem lückenden Betrieb kann beispielsweise zusätzlich oder alternativ ein Betrieb im Grenzbereich zwischen lückendem und nicht-lückendem Betrieb (borderline conduction mode, BCM) vorgesehen sein.
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Insgesamt kann die Erfindung also eingesetzt werden, um, wenn eine Steuereinheit auf bekannte Weise einen Pegel eines Eingangssignals auswertet, durch Veränderung des Eingangssignalpegels gezielt einen Betriebsmodus der Steuereinheit einzustellen, insbesondere für bestimmte Abschnitte des Netzspannungssignalverlaufs.
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Somit ist es auch möglich, dass die Verarbeitungsschaltung abhängig vom Verlauf des erfassten Eingangssignals den Pegel mehrfach anpasst und insbesondere zu verschiedenen Phasen des erfassten Netzspannungsverlaufs. Beispielsweise kann auch vorgesehen sein, dass die Verarbeitungsschaltung den Pegel gezielt reduziert, um einen bestimmten Betrieb des Schalters durch die Steuereinheit auszuwählen.
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Es kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass eine Anhebung des Pegels auf die gesamte Netzhalbwelle der Netzversorgungsspannung AC erfolgt.
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Als Beispiel für eine Steuereinheit kann beispielsweise der LED Treiber iW3630 von iWatt dienen.
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1 zeigt eine schematische Übersicht einer beispielhaften Betriebsschaltung gemäß der Erfindung. Die Betriebsschaltung wird demnach ausgehend von einer Netzversorgung AC über einen Gleichrichter G versorgt. Nach dem Gleichrichter wird ein Signal VE an einem ersten Verbindungspunkt 1 abgegriffen, das der Steuereinheit SE an einem Eingang Vin zugeführt ist.
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Eine ebenfalls vorgesehene Verarbeitungsschaltung V ist z.B. so angeordnet, dass sie ebenfalls das Eingangssignal VE oder ein davon abgeleitetes Signal erfassen kann. Die Verarbeitungsschaltung V kann das Eingangssignal VE dann beispielsweise zu einem Signal Vkomb modifizieren. Somit erfasst die Steuereinheit SE also an ihrem Eingang Vin entweder direkt das die Netzversorgung AC wiedergebende Eingangssignal VE und/oder ein von der Verarbeitungsschaltung V verändertes Signal Vkomb an dem Eingang Vin.
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Weiter ist die Steuereinheit SE mit einem Eingang für die Steuereinheit-Versorgungsspannung Vcc ausgestattet, über den die Steuereinheit mit einer Betriebsspannung versorgt wird. Der Abgriff der Spannungsversorgung für die Steuereinheit SE erfolgt dabei ebenfalls dem Gleichrichter nachgelagert an einem zweiten Verbindungspunkt 2.
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Über einen Ausgang Out steuert die Steuereinheit SE einen Schalter S an, der in Serie mit einer Induktivität L verschaltet ist. Die in 1 gezeigte Anordnung der Induktivität L und des Schalters S stellt dabei z.B. einen Teil eines Flyback-Wandlers FB bzw. eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung PFC dar, der/die Teil des mit einer gestrichelten Umrandung gekennzeichneten Schaltungsbereichs ist.
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Weiter ist es der Steuereinheit möglich, beispielsweise an einem Messeingang FV eine Spannung an einer Messwicklung M des Flyback-Wandlers zu erfassen. Auch ein Strom durch den Schalter S kann an einem weiteren Eingang FI der Steuereinheit SE erfasst werden.
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Schematisch ist zudem ein möglicher Anschluss eines Leuchtmittels LED, insbesondere einer LED an einem Anschluss Vout der Schaltungsanordnung angedeutet.
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2 zeigt eine im Wesentlichen identische Schaltungsanordnung zu 1, und gleiche Schaltungsteile sind mit gleichen Bezugszeichen benannt.
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In 2 ist jedoch die Anordnung der Verarbeitungsschaltung V‘ insofern anders gewählt, als dass die Verarbeitungsschaltung V‘ nun nicht mehr notwendigerweise das Eingangssignal VE erfassen muss, sondern stattdessen die Steuereinheit-Versorgungsspannung VS erfassen kann und abhängig davon dem Eingangssignal VE ein weiteres Signal VBias beaufschlagen kann, um so das dann der Steuereinheit SE zugeführte kombinierte Signal Vkomb zu erzeugen. Insbesondere kann die Verarbeitungsschaltung V‘ eine Konstantstrom- und/oder Konstantspannungsquelle aufweisen, um das weitere Signal VBias zu erzeugen.
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Da die Steuereinheit-Versorgungsspannung VS ebenfalls von der Netzspannung abgeleitet ist und insbesondere die Netzspannung wiedergibt kann die Verarbeitungsschaltung auch hier ein Signal erfassen von dem ausgehend Nulldurchgänge der Netzspannung erkannt werden können. Entsprechend kann die Verarbeitungsschaltung V‘ also ausgehend von der Steuereinheit-Versorgungsspannung VS ein Signal erzeugen, das dann mit dem Eingangssignal VE kombiniert wird. Selbstverständlich ist es alternativ und/oder zusätzlich möglich, dass die Verarbeitungsschaltung V‘ nach wie vor das Eingangssignal VE erfasst, bzw. ein davon abgeleitetes Eingangssignal. Dies ist durch den gestrichelten Pfeil angedeutet.
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3 zeigt nun eine konkretere Ausgestaltung der Schaltungsanordnung aus 1 bzw. 2.
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Im Wesentlichen ist wiederum die Schaltungsanordnung aus 1 dargestellt und gleiche Merkmale der Schaltungsanordnung sind gleich bezeichnet.
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Klar ersichtlich ist, dass der Versorgungsspannungseingang der Steuereinheit nun mit dem Eingang Vin über eine Verarbeitungsschaltung V,V‘ verbunden ist, die als Widerstand RBias realisiert ist.
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Dieser Widerstand RBias ist insbesondere im Mega-Ohmbereich dimensioniert. Über den Widerstand RBias wird nun dem Eingangssignal VE ein weiteres Signal Vbias‘ beaufschlagt, das von der Steuereinheit-Versorgungsspannung VS abgeleitet ist. Somit kann insbesondere im Bereich der Nulldurchgänge eine Anhebung des Pegels des Eingangssignals VE an dem Eingang Vin der Steuereinheit SE erfolgen und somit auch der Schalter S entsprechend angesteuert werden.
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Insgesamt ist die Steuereinheit SE also in der Lage, wenigstens zwei Betriebsmodi bereitzustellen, um den Schalter S anzusteuern. Bei den Betriebsmodi kann es sich dabei, wie bereits erwähnt, um einen nicht-lückenden Betrieb, einen lückenden Betrieb, und/oder einen Betrieb in einem Grenzbereich zwischen nicht-lückenden Betrieb und lückenden Betrieb handeln. Da die Ansteuerung des Schalters S abhängig von dem Pegel an dem Eingang Vin erfolgt, steuert die Steuereinheit SE den Schalter S also lediglich in einem der vorgesehenen, wenigstens zwei Betriebsmodi, an, wenn der Pegel durch die Verarbeitungsschaltung V, V‘ verändert ist.
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Im Beispiel der 3 ist die Anhebung des Pegels an dem Eingang Vin des Eingangssignals VE abhängig von der Dimensionierung des Widerstands RBias. Insofern kann durch die Wahl des Widerstandswertes auch eine Anpassung an verschiedene Steuereinheiten SE erfolgen. Abhängig davon bei welchem Pegel an dem Eingang Vin ein Wechsel des Betriebsmodus erfolgt kann ein passender Widerstand RBias vorgesehen werden, so dass sie Anhebung auf den gewünschten Pegel erfolgt.
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Alternativ zu dem Widerstand RBias wären auch alternative Varianten möglich, um ein Signal Vbias‘ zu beaufschlagen, beispielsweise wäre auch ein Speisen mit einem Konstantstrom etc. möglich.
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Insgesamt ist es dabei ein Ziel das Schalten des Schalters S möglichst stromlos durchzuführen. Wenn die Steuereinheit SE den Pegel an dem Eingang Vin bezüglich eines Schwellenwertes diskriminiert, so prüft sie besonders, ob der Wert des Pegels an dem Eingang ober- oder unterhalb des Schwellenwertes liegt. Dieser Schwellenwert ist im Allgemeinen aus der Spezifikation der Steuereinheit SE bekannt. Entsprechend kann also die Betriebsschaltung an eine jeweils einzusetzende Steuereinheit SE angepasst werden.
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Selbstverständlich betrifft die Erfindung auch mit der Erfindungsgemäßen Betriebsschaltung ausgestattete Geräte, wie beispielsweise Leuchten, Notlichtgeräte, Lampen usw. Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Lösung für alle Schaltungen verwendbar, die eine (separate) Verfolgung der Netzversorgung, insbesondere der Netzspannung, durch eine Steuereinheit bereitstellen.
