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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Treiber für ein LED-Beleuchtungsmodul und eine LED-Lampe.
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Stand der Technik
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Seit Jahren sind Leuchtstofflampen als effiziente Alternativen zu Glühlampen allgemein bekannt und weit verbreitet. Mit dem Aufkommen der LED-Lampe stehen jedoch noch effizientere und langlebigere Leuchtmittel zur Verfügung. Daher besteht der Bedarf, bestehende Leuchtstofflampen durch LED-Lampen zu ersetzen.
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Derzeit erhältliche Leuchtstofflampen werden in der Regel mit einem Vorschaltgerät betrieben, z.B. einem elektronischen Vorschaltgerät (EVG), einem konventionellen Vorschaltgerät (KVG) oder einem Wechselstromnetz. Im Folgenden kann ein „AC-Netzteil“ insbesondere die AC-Netzteilversorgung sein. Das Vorschaltgerät kann zum Regeln und Begrenzen des der Leuchtstofflampe zugeführten Stroms und zum Bereitstellen einer Zündspannung während eines Startvorgangs der Leuchtstofflampe angepasst werden. Das Vorschaltgerät ist Teil der Lampenfassung für die Leuchtstofflampe.
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Der Austausch bestehender Vorschaltgeräte in bestehenden Lampenfassungen wäre arbeitsintensiv und erfordert daher erhebliche Kosten. Daher ist der Betrieb von LED-Lampen mit bereits installierten Vorschaltgeräten vorteilhaft. Um eine mit dem Vorschaltgerät kompatible LED-Lampe bereitzustellen, umfassen die derzeit verfügbaren LED-Lampen elektronische Treiber zur Anpassung der vom Vorschaltgerät gelieferten Spannung und/oder des Stroms an die Anforderungen des Beleuchtungsmoduls der LED-Lampe, das die Leuchtdioden umfasst. Andernfalls können elektronische und/oder optoelektronische Komponenten der LED-Lampe durch das Vorschaltgerät aufgrund von hohen Spannungen, die während des Startvorgangs entstehen, beschädigt oder zerstört werden. Da die Leistungsaufnahme einer LED-Lampe niedriger ist als die einer Leuchtstofflampe, würde das Vorschaltgerät ohne den elektronischen Treiber in einem instabilen Zustand arbeiten.
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Die derzeit verfügbaren elektronischen Treiber sind jedoch entweder für den Betrieb mit einem EVG oder mit einem KVG (oder einem Wechselstromnetzteil) optimiert. Aus Kompatibilitätsgründen wäre es sinnvoll, einen elektronischen Treiber für den Anschluss der LED-Lampe an ein EVG und an ein KVG zu haben. Darüber hinaus haben kompatible LED-Lampen in der Regel einen doppelseitigen Eingang. Hier kann die Impedanzanpassung zu Kompatibilitätsproblemen führen.
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Die
DE 10 2013 110 327 A1 offenbart eine Lichtquellen-Betriebsvorrichtung mit einem ein Serie zwischen Vorschalteinheit und elektronischem Treiber geschalteten Thermistor. Aus der
AT 15590 U1 ist eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer LED-Leuchte bekannt, bei der Thermistoren ebenfalls in Serie zum elektronischen Treiber geschaltet sind. Die
DE 37 40 676 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung für Nieder- und Hochdruckentladungslampen ohne elektronischen Treiber.
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Darstellung der Erfindung
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Angesichts der oben beschriebenen Nachteile der derzeit verfügbaren Systeme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten elektronischen Treiber für ein LED-Beleuchtungsmodul bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe ist es, eine verbesserte LED-Lampe bereitzustellen.
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Diese Aufgaben werden durch einen elektronischen Treiber und eine LED-Lampe nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Dementsprechend ist ein elektronischer Treiber für ein Beleuchtungsmodul vorgesehen. Der elektronische Treiber umfasst einen Thermistor und Eingänge zum Anschluss des elektronischen Treibers an ein Vorschaltgerät. Der Thermistor ist mit den Eingängen so gekoppelt, dass der Thermistor zumindest während einer Anlaufphase des elektronischen Treibers parallel zu den Eingängen geschaltet ist, und dass der Thermistor nach der Anlaufphase von den Eingängen getrennt wird, wenn, insbesondere nur dann, wenn das Vorschaltgerät ein konventionelles Vorschaltgerät oder eine Wechselstromversorgung ist.
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Die Anlaufphase kann eine Anfangsphase sein, in der die Zündung normalerweise stattfindet, wenn eine Leuchtstoffröhrenlampe an das Vorschaltgerät angeschlossen ist. Bei einem konventionellen Vorschaltgerät (KVG) als Vorschaltgerät kann während der Anlaufphase eine hohe Temperatur an den Eingängen anliegen, was zu einer Erhöhung des Widerstands des Thermistors und damit zu einer hohen Impedanz führt, wenn das Vorschaltgerät ein KVG ist.
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In dieser Anwendung kann ein unbestimmter Artikel, wie „ein“ oder „eine“, als Singular oder Plural verstanden werden, insbesondere mit der Bedeutung „mindestens ein“, „ein oder mehrere“, etc., es sei denn, dies wird ausdrücklich ausgeschlossen, zum Beispiel durch den Begriff „genau ein“, etc.
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Der Thermistor ist ein temperaturabhängiger Widerstand. Vorzugsweise ist der Thermistor ein Kaltleiter. Das heißt, der Widerstand des Thermistors ist vorzugsweise direkt proportional zur Temperatur des Thermistors.
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Das Vorschaltgerät liefert einen Wechselstrom und/oder eine Wechselspannung. Insbesondere kann das Vorschaltgerät eine Stromversorgung sein.
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Gemäß mindestens einer Ausführungsform des elektronischen Treibers ist der Thermistor in Reihe mit einem Relais geschaltet, wobei das Relais frei von einem Halbleitermaterial ist. Vorzugsweise ist der Thermistor auch frei von einem Halbleitermaterial. Das elektronische Vorschaltgerät (EVG) kann eingerichtet werden, um zu erkennen, ob ein sogenanntes Filament, das einer Impedanz entspricht, mit dem EVG verbunden ist. Wenn ein Halbleitermaterial in der Schaltung verwendet wird, kann die Filamentdetektionsfunktion versagen.
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Das Relais kann ein normalerweise geschlossenes Relais sein. Wenn der Thermistor parallel zu den Eingängen geschaltet ist, kann das Relais „ein“ sein (leitender Zustand, geschlossen), wenn der Thermistor von den Eingängen getrennt ist, kann das Relais „aus“ sein (nichtleitender Zustand, offen).
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Gemäß mindestens einer Ausführungsform des elektronischen Treibers weist der Thermistor zumindest während der Anlaufphase einen ersten Widerstand auf, wenn das Vorschaltgerät ein herkömmliches Vorschaltgerät oder eine Wechselstromversorgung ist, und der Thermistor einen zweiten Widerstand, wenn das Vorschaltgerät ein elektronisches Vorschaltgerät ist, wobei der erste Widerstand mindestens zweimal, insbesondere mindestens fünfmal, höher als der zweite Widerstand ist.
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Gemäß mindestens einer Ausführungsform umfasst der elektronische Treiber eine Spannungserfassungsschaltung, die zum Erfassen einer von der Vorschalteinheit gelieferten Spannung und zum Bereitstellen eines Schaltsignals für das Relais ausgelegt ist. Die Spannungserkennungsschaltung wird vorzugsweise an die Eingänge angeschlossen.
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Gemäß mindestens einer Ausführungsform des elektronischen Treibers umfasst die Spannungserfassungsschaltung einen ersten Transistor und eine Gleichstromschaltung, wobei die Gleichstromschaltung eingerichtet ist, um dem Gate des ersten Transistors eine hohe Gleichspannung zuzuführen, wenn eine hohe Wechselspannung mit einer hohen Frequenz von der Vorschalteinheit bereitgestellt wird, oder um dem Gate des ersten Transistors eine niedrige Gleichspannung zuzuführen, wenn eine niedrige Wechselspannung oder eine hohe Wechselspannung mit einer niedrigen Frequenz von der Vorschalteinheit bereitgestellt wird. Im Folgenden kann eine „hohe Frequenz“ eine Frequenz über 40 kHz sein, die von einem EKG bereitgestellt werden kann. Eine „niedrige Frequenz“ kann eine Frequenz unterhalb von 100 Hz sein, die von einem KVG oder einem Wechselstromnetzteil bereitgestellt werden kann. Der erste Transistor wird in Abhängigkeit von der vom Gleichstromkreis gelieferten Gleichspannung „eingeschaltet“ (leitender Zustand, geschlossen) oder „ausgeschaltet“ (nichtleitender Zustand, offen). Um eine Gleichspannung in Abhängigkeit von der Frequenz der Wechselspannung bereitzustellen, kann die Gleichstromschaltung einen Kondensator umfassen.
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Gemäß mindestens einer Ausführungsform des elektronischen Treibers umfasst die Spannungserfassungsschaltung den ersten Transistor und einen zweiten Transistor, wobei die Relaisspule mit dem Emitter des zweiten Transistors verbunden ist. Der zweite Transistor schaltet also das Relais. Der erste Transistor und der zweite Transistor können ähnlich wie ein Schmitt-Trigger geschaltet werden.
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Gemäß mindestens einer Ausführungsform des elektronischen Treibers umfasst die Gleichstromschaltung eine Zweiwege-Gleichrichterschaltung. Der Gleichstromkreis wandelt somit die vom Vorschaltgerät bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung um.
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Gemäß mindestens einer Ausführungsform umfasst der elektronische Treiber eine PWM-Regelung (PWM: Pulsweitenmodulation) und eine PWM- Regelungsstromversorgung, wobei die PWM-Regelungsstromversorgung mit dem Ausgang der Gleichstromschaltung gekoppelt ist, so dass die PWM-Regelungsstromversorgung am Ende der Anlaufphase eingeschaltet wird. Wenn die PWM-Regelungsstromversorgung eingeschaltet ist, kann der Thermistor von den Eingängen getrennt werden. Die PWM-Regelungsstromversorgung versorgt die PWM-Regelung mit Strom, die wiederum das Beleuchtungsmodul mit Strom versorgt.
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Gemäß mindestens einer Ausführungsform des elektronischen Treibers ist ein Ausgang der PWM-Regelungsstromversorgung mit einem Gate des zweiten Transistors gekoppelt. Die PWM-Regelungsstromversorgung kann somit den zweiten Transistor regeln.
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Gemäß mindestens einer Ausführungsform umfasst der elektronische Treiber eine Gleichrichterbrücke, wobei der Thermistor zwischen den Eingängen und der Gleichrichterbrücke gekoppelt ist. Wenn die Gleichrichterbrücke direkt mit dem Vorschaltgerät gekoppelt wäre, kann der Filamentdetektor einen Ausfall erkennen, da die Gleichrichterbrücke aus einem Halbleitermaterial, insbesondere Dioden, bestehen kann.
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Gemäß mindestens einer Ausführungsform des elektronischen Treibers sind der Thermistor und gegebenenfalls das Relais und die Spannungserkennungsschaltung Teil einer Filamentschaltung, die mit den Eingängen gekoppelt ist, wobei ein Ersatzwiderstand der Filamentschaltung höchstens 10kQ ist.
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Weiterhin ist eine LED-Lampe zum Austausch einer Leuchtstoffröhrenlampe vorgesehen. Die LED-Lampe besteht vorzugsweise aus einem elektronischen Treiber, wie hierin beschrieben. Das heißt, alle Merkmale, die in Bezug auf den elektronischen Treiber offenbart werden, werden auch für die LED-Lampe offenbart und umgekehrt.
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Die LED-Lampe umfasst einen elektronischen Treiber, insbesondere einem elektronischen Treiber, wie hierin beschrieben, und einem LED-Beleuchtungsmodul mit mindestens einer lichtemittierenden Diode. Das LED-Beleuchtungsmodul ist mit einem Ausgang des elektronischen Treibers verbunden. Vorzugsweise ist die LED-Lampe eine retrofit LED-Lampe zum Austausch einer Leuchtstofflampe.
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Figurenliste
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Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Berücksichtigung der Figuren erläutert.
- Die 1A, 1B, 1C, 2, 3, 4 und 5 zeigen exemplarische Ausführungsformen einer LED-Lampe und eines elektronischen Treibers wie hierin beschrieben.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsformen eines elektronischen Treibers und einer LED-Lampe, wie hierin beschrieben, anhand der Figuren beschrieben. Dieselben oder ähnliche Elemente oder Elemente mit gleicher Wirkung können durch dasselbe Bezugszeichen in mehreren Ziffern angegeben werden. Die Wiederholung der Beschreibung dieser Elemente kann unterbleiben, um redundante Beschreibungen zu vermeiden. Die Zahlen und Größenverhältnisse der in den Figuren untereinander dargestellten Elemente sind nicht als skalierbar anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente mit einer übertriebenen Größe dargestellt werden, um eine bessere Darstellung und/oder ein besseres Verständnis zu ermöglichen.
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Die 1A, 1B und 1C zeigen jeweils eine LED-Lampe mit einem Beleuchtungsmodul 300 und verschiedenen Vorschaltgerätetypen 200. Jede LED-Lampe umfasst einen elektronischen Treiber 100 wie hierin beschrieben und kann einen zusätzlichen Treiber 110 umfassen. Der zusätzliche Treiber 110 kann ähnlich oder identisch wie der hierin beschriebene elektronische Treiber 100 ausgebildet sein. Der zusätzliche Treiber 110 kann jedoch auch anders ausgeführt sein. Darüber hinaus kann die jeweilige LED-Lampe frei von einem zusätzlichen Treiber 110 sein (nicht in den 1A bis 1C dargestellt).
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Jedes Vorschaltgerät 200 ist mit den Eingängen 201, 202 des elektronischen Treibers 100 (und auch des zusätzlichen Treibers 110) verbunden. 1A zeigt eine normale Wechselstromversorgung als Vorschaltgerät 200. 1B zeigt ein KVG als Vorschaltgerät 200. 1C zeigt ein EKG als Vorschaltgerät 200.
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Um die Kompatibilität mit allen Arten von Vorschaltgeräten 200 zu erreichen, sollte die Eingangsimpedanz des Zusatztreibers 110 vorzugsweise so gewählt werden, dass sie eine niedrige Impedanz aufweist, wenn ein EVG das Vorschaltgerät 200 ist, insbesondere um die Filamentdetektion zu ermöglichen, und eine niedrige Impedanz, wenn ein KVG das Vorschaltgerät 200 ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zwei kleine Impedanzwiderstände in Reihe geschaltet werden.
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Der elektronische Treiber 100 kann komplexer sein, da im KVG- und/oder Wechselstrommodus (1A und 1B) der Bereich der Eingangsspannung zum elektronischen Treiber 100 bis zu 185 V, sogar bis zu 265 V betragen kann. Die Eingangsimpedanz sollte daher weitaus höher sein als die des zusätzlichen Treibers 110. Dieses Ungleichgewicht der Impedanz des elektronischen Treibers 100 und des zusätzlichen Treibers 110 kann zu einem Röhrenausfall während der Anlaufphase führen, wenn das Vorschaltgerät 200 ein EKG ist.
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Die 2 und 3 zeigen exemplarische Ausführungsformen eines elektronischen Treibers 100, wie hierin beschrieben. 2 zeigt ein allgemeines Konzept und 3 zeigt eine spezifische Implementierung. Der elektronische Treiber 100 umfasst die Eingänge 201, 202 zum Verbinden einer Vorschalteinheit 200 mit dem elektronischen Treiber 100. Weiterhin umfasst der elektronische Treiber 100 eine Filamentschaltung 101, eine Gleichrichterbrücke 102 mit Brückendioden, eine PWM-Regelungsstromversorgung 103, eine PWM-Regelung 104, Induktivitäten L1A, L1B, L2A, L2B und Ausgänge 301, 302 zum Verbinden eines Beleuchtungsmoduls 300 mit dem elektronischen Treiber 100.
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Die Eingänge 201 sind parallel zu einem ersten Kondensator C1 zur Filterung hochfrequenter Komponenten geschaltet. Die Filamentschaltung 101 umfasst einen Thermistor R1, insbesondere einen Kaltleiter, und ein Relais K1, das ein normalerweise geschlossenes Relais ist und in Reihe mit dem Thermistor R1 geschaltet ist.
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Die Filamentschaltung 101 weist eine Gleichstromschaltung 111 mit einem zweiten Kondensator C2, einem dritten Kondensator C3, einer zweiten Diode D2, einem ersten Widerstand R21 und einem zweiten Widerstand R22 auf. Die Gleichstromkreis 111 erzeugt eine Gleichspannung in Abhängigkeit von der vom Vorschaltgerät 200 gelieferten Wechselspannung. Die Gleichstromschaltung 111 ist mit einem ersten Transistor Q1 und einem zweiten Transistor Q2 verbunden. Die Filamentschaltung 101 umfasst ferner eine erste Diode D1.
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Der elektronische Treiber 100 umfasst weitere elektronische Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Dioden. Der elektronische Treiber 100 umfasst eine vierte Diode D4 und einen dritten Widerstand R3, die Teil der PWM-Stromversorgungsschaltung 103 sind. Zusätzlich ist ein dritter Transistor Q3 mit einem Ausgang der PWM-Regelung 104 gekoppelt. Die PWM-Regelung 104 stellt dem Gate des dritten Transistors Q3 ein Pulsweitenmodulationssignal zur Verfügung, das die Verbindung des Beleuchtungsmoduls 300 mit der Vorschalteinheit 200 gemäß einem Modulationssignal schaltet.
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Vor der Inbetriebnahme der LED-Lampe, wenn das Vorschaltgerät 200 ein EVG ist, stellen der Thermistor R1 und das Relais K1 zunächst eine niedrige Impedanz für die Filamentdetektion im EVG und den Start des EVG zur Verfügung. Der von der EKG-Filamentdetektion erfasste Strom kann sehr klein sein, so dass die Impedanz des Thermistors R1 sehr niedrig ist.
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Wenn das Vorschaltgerät 200 ein EVG ist, steigt während einer Anlaufphase der LED-Lampe die Spannung in der Spannungserkennungsschaltung 111 an und dem ersten Widerstand Q1 wird ein hohes Gleichspannungssignal zugeführt. Der erste Transistor Q1 wird somit „eingeschaltet“, was dazu führt, dass das Gate des zweiten Transistors Q2 mit Masse GND verbunden und „ausgeschaltet“ wird. Daher ist das Relais K1 noch geschlossen („ein“). Das EVG und das Beleuchtungsmodul 300 arbeiten somit in einem normalen Betrieb.
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Wenn das Vorschaltgerät 200 eine KVG- und/oder Wechselstromversorgung ist, wird während einer Anlaufphase zunächst der Thermistor R1 parallel zu den Eingängen 201, 202 geschaltet. Das KVG sorgt für eine hohe Temperatur, was zu einem Temperaturanstieg am Thermistor R1 und einem starken Anstieg der Impedanz führt. Durch den dritten Widerstand R3 und die vierte Diode D4 wird die PWM-Regelungsstromversorgung 103 gestartet und damit eine Spannung an das Gate des zweiten Transistors Q2 angelegt, was dazu führt, dass der zweite Transistor „eingeschaltet“ (geschlossen) wird. Der erste Transistor Q1 wird „ausgeschaltet“ (offen), wenn das Vorschaltgerät 200 ein KVG ist, da die vom KVG oder der Wechselstromversorgung bereitgestellte niederfrequente Spannung den zweiten Kondensator C2 nicht passieren kann. Hier können die Frequenzeigenschaften der Vorschalteinheit 200 genutzt werden. Ein KVG- oder Wechselstromnetzteil liefert eine Wechselspannung mit nur einer kleinen Frequenz, z.B. 50 Hz-60 Hz, während ein EVG eine hochfrequente Spannung, z.B. mindestens 40 kHz, liefert.
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Wenn der zweite Transistor Q2 „eingeschaltet“ ist, wird die Spule der Relaisspule K1 an die PWM-Regelungsstromversorgung 103 angeschlossen und das Relais K1 wird „ausgeschaltet“ (offen) geschaltet, wodurch der Thermistor K1 von den Eingängen 201, 202 getrennt wird.
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Die 4 und 5 zeigen die Gatespannung des ersten Transistors VQ1, den Thermistorspannungsabfall VR1 und die Relaisspulenspannung VK1 während einer Anlaufphase Δt im Falle des Vorschaltgerätes 200 als KVG (4) oder EVG (5).
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Unter Bezugnahme auf 4 weist der Thermistor R1 vor der Inbetriebnahme der PWM-Regelungsstromversorgung 103 eine Hochspannung von z.B. 347 V Spitzenspannung (entspricht etwa 230 V bei 50 Hz) während der Inbetriebnahmephase Δt auf, z.B. 161,8 ms. Anschließend wird die PWM-Regelungsstromversorgung 103 gestartet und eine Spannung an die Relaisspule K1 angelegt, wodurch das Relais K1 geöffnet wird. Dazu wird der Thermistor R1 von den Eingängen 201, 202 entfernt.
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Gemäß 5 wird bei einem EVG der erste Transistor Q1 „eingeschaltet“, da die von einem EVG bereitgestellte Wechselspannung den zweiten Widerstand C2 passieren kann. Im Gegensatz zu einem KVG oder einer Wechselstromversorgung ist daher das Gate des zweiten Widerstands Q2 mit Masse GND verbunden und die Relaisspulenspannung VK1 ist zu niedrig. Daher wird das Relais K1 immer geschlossen gehalten und der Thermistor R1 parallel zu den Eingängen 201, 202 geschaltet. So kann beispielsweise der Spannungsabfall am Thermistor R1 bei einem EVG 14,7 V betragen.
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Die Erfindung wird nicht durch die auf den Ausführungsformen basierende Beschreibung eingeschränkt. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung wird vielmehr durch die nachfolgenden Ansprüche festgelegt.
