DE1131803B - Schaltungsanordnung zum Speisen von Gasentladungslampen mit Wechselstrom aus einem Transistor-Wechselrichter - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Speisen von Gasentladungslampen mit Wechselstrom aus einem Transistor-Wechselrichter

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DE1131803B
DE1131803B DEW22079A DEW0022079A DE1131803B DE 1131803 B DE1131803 B DE 1131803B DE W22079 A DEW22079 A DE W22079A DE W0022079 A DEW0022079 A DE W0022079A DE 1131803 B DE1131803 B DE 1131803B
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Description

DEUTSCHES
PATENTAMT
ία. 21 f 84/02
INTERNATIONALE KL.
HOIj; H02m
W22079VIIIc/21£
ANMELDETAG: 21. OKTOB E R 1957
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 20. JUNI 1962
In Schaltungsanordnungen zum Speisen von Gasentladungslampen aus einer Gleichstromquelle, z.B. einer Batterie, wird der Gleichstrom in einen Wechselstrom umgewandelt, der den Lampen über einen Transformator zugeführt wird. Es ist schon bekannt, S einen Transistor-Wechselrichter als Stromquelle zum Speisen von Entladungslampen zu verwenden. Es sind noch andere Schaltungsanordnungen zum Speisen von Entladungslampen bekannt, bei welchen die Wechselstromquelle aus einem elektromechanischen Zerhacker ίο besteht, wobei zwecks Konstanthaltung des Lampenstromes die Frequenz des Umformers sich annähernd proportional mit der Gleichstromspannung ändert und die Induktivität des Lampenstromkreises der Frequenz derart angepaßt ist, daß die kombinierten Wirkungen dieser beiden Maßnahmen sich in bezug auf den Lampenstromkreis gegenseitig kompensieren. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung der letztgenannten Art, bei welcher aber als Wechselstromquelle ein Transistorwechselrichter zur Anwendung kommt. Dabei entstehen besondere Anpassungsprobleme, die gemäß der Erfindung durch Schaltungsmaßnahmen im Transistorwechselrichter dadurch gelöst sind, daß im Kommutationsaugenblick die Leerlaufkomponente des Transformatorprimärstromes kleiner ist als der Kraftflußsättigungsstrom des Transformatorkernes, Dadurch wird erreicht, daß erstens die Eisenverluste niedrig erhalten werden und zweitens der Transistorwechselrichter mit kleinen Kollektorsättigungsströmen arbeiten kann. Der erzielte Fortschritt hängt mit der Induktivität des Lampenstromkreises eng zusammen, indem eine Primärstromkurve erhalten wird, bei welcher die Laststromkomponente wesentlich größer ist als die Leerlaufstromkomponente und deshalb ein für die Kommutation zweckmäßiger Wert des Kollektorsättigungsstromes gewählt werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert, welche verschiedene Schaltungen und Diagramme von Transistor-Wechselrichtern zum Speisen von Leuchtröhren darstellen.
Fig. 1 stellt das Prinzip des Transistor-Wechselrichters dar. Durch Schließen des Schalters 1 wird die Batterie 2 über den Transistor 3 an die Primärwicklung 4 des Transformators angeschlossen, wobei der Transistor in (geerdeter) Emitterschaltung arbeitet. Der Transformatorkern erfährt dabei eine zeitproportionale Flußänderung, welche jedoch dann sofort aufhört, wenn der Erregerstrom den durch den Kollektorsättigungsstrom bestimmten Grenzwert erreicht. Dabei wird der Transistor dadurch gesperrt, daß die Spannung der Rückkopplungswicklung 5 Null Schaltungsanordnung zum Speisen von Gasentladungslampen mit Wechselstrom aus einem Transistor-Wechselrichter
Anmelder: Marius Widakowich, Bromma (Schweden)
Vertreter:
Dipl.-Ing. M. Licht, München 2, Sendlinger Str. 55, und Dr. R. Schmidt, Oppenau (Renchtal),
Patentanwälte
Beanspruchte Priorität: Schweden vom 22. Oktober 1956 (Nr. 9533)
Marius Widakowich, Bromma (Schweden), ist als Erfinder genannt worden
wird bzw. ihre Richtung umkehrt, worauf ein neuer Puls beginnt. Die Zeitdauer von jedem Puls wird somit durch jenen Zeitpunkt begrenzt, in welchem der Erregerstrom den kritischen Wert erreicht, und dies erfolgt um so früher, je höher die Batteriespannung ist.
Fig. 2 ist ein idealisiertes Diagramm, das den Verlauf während der positiven Halbwelle von magnetischem Fluß, Kollektorstrom und Spannung an der Wicklung 4 bei unbelastetem Wechselrichter, teils bei einer Batteriespannung El, teils auch bei der doppelten Batteriespannung E 2, veranschaulicht. Beim Schließen des Schalters 1 fängt ein schwacher Strom an von der Plusklemme der Batterie 2 über Emitter-Basis-Kollektor des Transistors zur Primärwicklung 4 des Transformators und zurück zur Minusklemme zu fließen. Dieser Strom induziert in der Wicklung 5 eine Spannung, welche einen Emitter-Basis-Strom erzeugt, wobei letzterer den Widerstand des Transistors herabsetzt und den Strom durch die Wicklung 4 steigert, welche somit annähernd die ganze Batteriespannung El erhält. Die in der Wicklung 5 induzierte Spannung ist daher konstant und annähernd gleich dem Produkt der Batteriespannung und des Übersetzungsverhältnisses zwischen den Wicklungen 4, 5. Der Strom durch den Emitter-Basis-Kreis bleibt des-
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halb bei unveränderter Batteriespannung konstant, da er in erster Linie durch einen hinreichend großen Widerstand 8 begrenzt wird, der somit den Wert des Kollektorsättigungsstromes bestimmt. Um die Spannung El im Gleichgewicht zu halten, muß der magnetische Fluß FE1, Fig. 2, im Transformatorkern proportional zur Zeit ansteigen. Dieser Fluß wird durch den Erregerstrom bei Leerlauf, Io, erzeugt, welcher anfänglich ganz langsam ansteigt, jedoch um so schneller, je stärker der Transformatorkern gesättigt wird. Sobald er den Wert des Kollektorsättigungsstromes erreicht, kann Io — und deshalb der magnetische Fluß — nicht mehr ansteigen. Die Spannung an der Wicklung 5, und damit auch der Emitter-Basis-Strom, verschwindet, wodurch der Transistor gesperrt wird und der Leerlaufstrom verschwindet. Die in dem Transformatoreisen gespeicherte magnetische Energie erzeugt in der Wicklung 4 einen entgegengesetzt gerichteten, hohen Spannungsimpuls und wird bei unbelastetem Wechselrichter teils in der Form von Eisenverlusten, teils in der Form von Kupferverlusten und Verlusten im Transistor vernichtet. Sie könnte gegebenenfalls einen zum Transformator parallel geschalteten Kondensator aufladen. Wenn die Abnahme des Flusses aufgehört hat, beginnt ein neuer Puls.
Die Kommutierung tritt somit in dem Augenblick ein, wenn der Strom dem Kollektorsättigungsstrom des Transistors annähernd gleich ist. Dieser Strom ist in erster Linie durch den in diesem Augenblick fließenden Basis-Emitter-Strom bestimmt. Wenn man einen Widerstand 8 mit einem konstanten hinreichend hohen Wert wählt, wird der Basis-Emitter-Strom der Spannung der Batterie 2 annähernd proportional.
Wenn man die Batteriespannung bis an den Wert E 2 verdoppelt, muß der Flußzuwachs mit der doppelten Geschwindigkeit erfolgen, so daß der Kollektorsättigungsstrom schon nach Verlauf der halben Zeit erreicht wird. Auch die in der Wicklung 5 induzierte Spannung erhält den verdoppelten Wert, weshalb auch der Emitter-Basis-Strom verdoppelt wird.
Wählt man für den Transformatorkern ein Material, dessen Magnetisierungskurve, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, ein ausgeprägtes Knie aufweist, und werden das Übersetzungsverhältnis und der Widerstand 8 so bemessen, daß der Kollektorsättigungsstrom erst nach dem Gesättigtwerden des Transformatorkerns erreicht wird, dann ist es in erster Linie der Scheitelwert des Magnetisierungsstromes, welcher auch bei Belastung des Wechselrichters den Kommutierungsaugenblick bestimmt. In Fig. 2 und 3 würde dann der Kommutierungsaugenblick durch die Kollektorstromwerte IkE1 bzw. IkE2 bestimmt werden. Derartig* Anordnungen, wo also der Kollektorsättigungsstrom größer als der Kraftflußsättigungsstrom ist, sind an sich bekannt. Gemäß vorliegender Erfindung sind die Stromkreise des Transistor-Wechselrichters derart bemessen, daß im Kommutierungsaugenblick die Leerlaufkomponente des Transformatorprimärstromes kleiner ist als der Kraftflußsättigungsstrom des Transformatorkernes. Die Kommutierung soll demgemäß an Zeitpunkten eintreffen, die im Bereich des langsam ansteigenden Teils der Magnetisierungsstromkurve Io fallen. Aus Fig. 3 geht hervor, daß bei Belastung auch der Primärstrom In des Transformators steigt, wobei die Kurve dieses Primärstromes ähnlich wie der Leerlaufstrom Io verläuft. Dies hängt damit zusammen, daß bei vorliegender Erfindung die für den Betrieb von Entladungslampen notwendige, strombegrenzende Impedanz aus einer Induktanz besteht, die beispielsweise als ein Streufeld im Transformator gestaltet werden kann. Infolge der Induktivität des Lampenstromkreises wird eine Primärstromkurve erhalten, bei welcher die Laststromkomponente wesentlich größer ist als die Leerlaufkomponente, was für die Wahl eines für die Kommutation zweckmäßigen Wertes des Kollektorsättigungsstromes vorteilhaft ist.
Bei einer Anordnung gemäß vorliegender Erfindung, bei welcher der Belastungsstrom durch den flachen Teil der Magnetisierungskurve begrenzt wird, kann die Konstanthaltung des Belastungsstromes unabhängig von den Batteriespannungsvariationen zweckmäßig dadurch erreicht werden, daß der Basis-Emitter-Strom von solchen Variationen unabhängig gemacht wird. Zu diesem Zwecke kann beispielsweise der Widerstand 8 als eine nichtlineare, auf konstanten Strom regelnde Resistenz ausgebildet werden. Die Kommutation wird dann um so früher eintreten, je höher die Batteriespannung ist, so daß Schwankungen der Batteriespannung annähernd ausgeglichen werden. Diese Verhältnisse sind in Fig. 4 dargestellt, welche zeigt, daß für variierende Batteriespannung die Kommutation bei ein und demselben Kollektorsättigungsstrom Ik stattfindet. Übergangsformen zwischen den beiden Fällen der Fig. 3 und 4 können natürlich Anwendung finden.
Ein gemeinsames Kennzeichen derartiger Übergangsformen ist also, daß der dem Belastungsstrom entsprechende Transformatorprimärstrom In bzw. die Leerlaufkomponente Io im !Commutations augenblick kleiner ist als der Kraftflußsättigungsstrom des Transforrnatorkernes. Dadurch wird erreicht, daß erstens die Eisenverluste niedrig ausfallen und zweitens der Transistorwechselrichter mit kleinen Kollektorsättigungsströmen arbeiten kann.
Um größere Leistungen und eine symmetrische Kurvenform zu erreichen, kann es zweckmäßig sein, den Wechselrichter in Gegentaktschaltung auszuführen, was an dem Prinzip der Erfindung nichts ändert. Die Fig. 5 stellt einen solchen gegentaktgeschalteten Wechselrichter dar, welcher nach demselben Prinzip wie dasjenige der Fig. 1 arbeitet. Sobald der Transistor 3 deshalb gesperrt wird, weil der Primärstrom des Transformators den Wert des Kollektorsättigungsstromes erreicht hat, wird der Transistor 3' stromleitend, weil die Spannung der Wicklung 5' ihr Vorzeichen wechselt, sobald die Abnahme des magnetischen Flusses im Kern beginnt. Eine vollständig symmetrische Wechselspannung wird daher im Transformator erzeugt, und auch in diesem Falle wird die Frequenz der Batteriespannung proportional.
Weil man mit Hilfe einer derartigen Anordnung ziemlieh hohe Frequenzen erreichen kann, ist es möglich, die Leuchtröhre ohne besondere Zündvorrichtung zu zünden, auch wenn es sich um sogenannte Glühkathodenröhren handelt, obwohl einer Anwen-
δο dung der üblichen Zündvorrichtungen nichts entgegensteht. Beispielsweise kann, wie in Fig. 5 dargestellt, die Sekundärwicklung 6 des Streufeldtransformators mit zwei Anzapfungen versehen sein, an welche die heizbaren Elektroden der Entladungslampe angeschlossen sind. Vor dem Zünden der Lampen entsteht an den Elektroden eine genügend hohe Spannung, um die Zündung zu erleichtern. Der Kondensator 9 ist behilflich, vor dem Zünden der Lampe die
Spannung an der Wicklung 6 zu steigern, worauf die Brennspannung der Lampe die Spannung an der Wicklung 6 bestimmt.
Eine besonders wirksame Zündung wird bei einer Anordnung gemäß Fig. 6 erreicht. Hier wird die bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung schnell verlaufende Primärstromänderung ausgenutzt, welche am Ende bzw. am Anfang jedes Pulses auftritt 's. Fig. 2 bis 4), um in einem Nebentransformator, dessen Primärwicklung 10 mit mindestens einer der beiden Primärwicklungen des Haupttransformators in Reihe geschaltet ist und dessen Sekundärwicklung 11 mit der Wicklung 6 in Reihe geschaltet ist, hohe Zündspannungsspitzen zu erzeugen. Die Wicklung 11 kann auch der ganzen oder einem Teil der Wicklung 6 parallel geschaltet sein. Durch diese Anordnung kann das Übersetzungsverhältnis zwischen 4 und 6 höchst wesentlich herabgesetzt werden, was eine beträchtliche Verbesserung des Wirkungsgrades mit sich bringt. Da der Transformator 4, 6 als Streufeldtransformator ausgebildet ist, ist in gewissen Fällen ein besonderer Impulstransformator 10,11 dadurch entbehrlich, daß man die Wicklung 10 auf der Wicklung 6 des Wechselrichter-Transformators anbringt. Die Wicklung 6 übernimmt in diesem Falle die Aufgabe der Wicklung 11.
Anstatt die schnelle Stromänderung am Anfang bzw. am Ende jedes Pulses auszunutzen, kann man auch jene steile Spannungsfront anwenden, die sich am Anfang und Ende von jedem an der Primärwicklung des Transformators entstehenden Puls ergibt. Zu diesem Zwecke wird die Wicklung 10 zu einer oder beiden der Primärwicklungen des Haupttransi'ormators parallel geschaltet, jedoch unter Reihenschaltung eines Kondensators, der im wesentlichen nur die steile Wellenfront durchläßt. Die Fig. 6 stellt gestrichelt eine solche Wicklung 10' dar, welche gemeinsam mit einem Kondensator 12 den beiden Wicklungen 4, 4' parallel geschaltet ist und eine Primärwicklung des Impulstransformators 10', 11 bildet. Analog zu der oben beschriebenen Anordnung kann die genannte Wicklung 10' gegebenenfalls unmittelbar auf der Sekundärwicklung 6 angebracht sein, wodurch der besondere Impulstransformator mit der Wicklung 11 sich erübrigt.
Die Fig. 6 veranschaulicht eine weitere, sehr einfache Weise, um Zündspannungsspitzen in der Sekundärwicklung 6 des Transformators zu erzeugen. Ein Ventil 13 ist zu den beiden Transformatorwicklungen 4, 4' und der Batterie reihengeschaltet. Die im Kommutierungsaugenblick in dem Kreis 3, 4 aufgespeicherte magnetische Energie erzeugt einen über den anderen, jetzt offenen Transistor 3', durch die andere Primärwicklungshälfte 4' und die Batterie entgegen deren Spannungsrichtung verlaufenden Ausgleichstrom, welcher vom Ventil 13 gesperrt wird und daher schnell verschwindet, wobei er eine momentane Feldänderung und eine entsprechende Spannungsspitze in der Transformatorwicklung erzeugt. Wahlweise kann ein Sperrventil 13' bzw. 13" in einem oder in beiden Transistorzweigen vorgesehen sein.
Ein ähnliches Resultat kann auch ohne die besonderen Hilfsmittel 10 bis 13 dadurch erreicht werden, daß eine schwache Kopplung (Streufeld) zwischen den Wicklungen 4, 4' angeordnet wird, derart, daß im Kommutierungsaugenblick der Stromübergang von 4 zu 4' erschwert wird und das Feld rasch zusammenbricht, wodurch eine Spannungsspitze entsteht.
Ein Vorteil der bisher beschriebenen Anordnung liegt in der Tatsache, daß die Transistoren selbst sich nur gerade im Kommutierungsaugenblick strombegrenzend auswirken, weshalb die Verluste in den Transistoren gering sind und die Belastbarkeit der Transistoren groß ist.
In dem oben beschriebenen Fall erhält man in der Leuchtröhre mehr oder weniger sägezahnförmige Ströme. Es ist jedoch durchaus möglich, eine Viereckform des Stromes zu erhalten, was eine höhere Lichtausbeute ergibt, also die Ausbeute, die durch einen sinusförmigen oder sägezahnförmigen Strom erhältlich ist. In diesem Falle erreicht man die Strombegrenzung in den Lampen nicht durch eine Reiheninduktanz, sondern durch eine derartige Bemessung des Steuerkreises des Transistors, daß der Strom einen viereckigen Verlauf erhält. Am einfachsten geschieht dies durch Speisung dieses Steuerstromkreises mittels eines vorgeschalteten oszillatorgesteuerten Wechselrichters, welcher gleichzeitig an der Ausgangsseite auf konstante Stromamplitude regelt. Fig. 7 stellt ein Beispiel einer derartigen Anordnung dar. 14 bezeichnet einen gegentaktgeschalteten Oszillator, welcher in gleicher Weise arbeitet, wie an Hand der Fig. 1 und 5 beschrieben worden ist. Der Oszillator liefert durch die Sekundärwicklung des Transformators 15 eine Viereckwechselspannung, die dem Steuerkreis des Wechselrichters 16 zugeführt wird. Die Steuerspannung wird z. B. durch Parallelschaltung eines spannungsabhängigen Widerstandes 17 konstant gehalten. Der Wechselrichter-Transformator 18 wird mit möglichst kleiner Streuung ausgebildet, um die Kurvenform des Stromes durch die Entladungslampen, welcher eine Nachbildung des Steuerstromes ist, nicht zu beeinflussen.

Claims (12)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Schaltungsanordnung zum Speisen von Gasentladungslampen aus einer Gleichspannungsquelle über einen Wechselrichter mit Transformator, wobei die Frequenz des Wechselrichters den Gleichspannungsänderungen annähernd proportional ist und der Lampenstromkreis eine Induktivität enthält, die der Frequenz derart angepaßt ist, daß der Strom durch die Lampen bei Gleichspannungsänderungen im wesentlichen konstant bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Transistor-Wechselrichters im Kommutationsaugenblick die Leerlaufkomponente des Transformatorprimärstromes kleiner ist als der Kraftflußsättigungsstrom des Transformatorkernes.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter-Basis-Strom sich annähernd proportional der Spannung der Gleichstromquelle (2) ändert durch Verwendung eines hinreichend großen Ohmschen Widerstandes (8) im Emitter-Basis-Stromkreis.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unabhängig von den Spannungsvariationen der Gleichstromquelle (2) der Emitter-Basis-Strom annähernd konstant gehalten wird, z. B. durch Einschaltung eines nicht linearen Widerstandes in den Emitter-Basis-Stromkreis.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet.
daß Teile der Sekundärwicklung (6) des Wechselrichter-Transformators als Heizwicklungen an die Elektroden einer Niederspannungsentladungslampe (7) angeschlossen sind, wobei ein Kondensator (9) zur Sekundärwicklung parallel geschaltet ist, um die Spannung an der Wicklung vor dem Zünden der Lampe zu steigern.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung hoher Zündspannungsspitzen eine Wicklung (10) in dem Primärstromkreis des Wechselrichter-Transformators eingeschaltet und mit dessen Sekundärstromkreis induktiv gekoppelt ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (10) die Primärwicklung eines Nebentransformators ist, dessen Sekundärwicklung (11) zur Sekundärwicklung (6) des Wechselrichter-Transformators reihen- oder parallel geschaltet ist (Fig. 6).
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Erzeugung hoher Zündspannungsspitzen dienende Wicklung (10) auf der Sekundärwicklung (6) des als Streufeldtransformator ausgebildeten Wechselrichter-Transformators angebracht ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung hoher Zündspannungsspitzen eine Wicklung (10') parallel zu der Primärwicklung (4) oder einem Teil der Primärwicklung des Wechselrichter-Transformators in Reihe mit einem Kondensator (12) geschaltet ist, welcher im wesentlichen nur die von der steilen Spannungsfront am Anfang bzw. am Ende jeder Halb welle erzeugten Ströme durchläßt.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit Transistor-Wechselrichter in Gegentaktschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil (13) in dem Primärkreis des Transformators derart eingeschaltet ist, daß es den Ausgleichstrom schnell herabsetzt, welcher im Kommutierungsaugenblick durch die im Transformator aufgespeicherte Energie erzeugt wird und welcher durch den in diesem Augenblick offenen Transistor fließt.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (13) in der Mittelanzapfungsleitung der Primärwicklung eingeschaltet ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (13) zwischen dem Transistor und der Primärwicklung in einem oder beiden Kollektorstromkreisen eingeschaltet ist.
12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit Transistor-Wechselrichter in Gegentaktschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Primärwicklungshätften (4,4') des Transformators durch ein Streufeld miteinander schwach gekoppelt sind, derart, daß im Kommutierungsaugenblick der Stromübergang von der einen Wicklungshälfte zur anderen erschwert wird und das Feld schnell zusammenbricht.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 894 290;
deutsche Patentanmeldung Sch 13149 VIIIb/21c (bekanntgemacht am 31. 3. 1955);
französische Patentschrift Nr. 1123 405;
»Radio-Electronics«, 1955, Dezember, S. 61/62;
»Lichttechnik«, 1953, H. 1, S. 6 bis 8;
»Elektro-Technik«, 1953, Nr. 33/34, S. 30 bis 32; »Proc. of the JEE«, 1955, S. 775 bis 784;
»Transact, of the American Inst, of Electrical Engineers (AJEE)«, Bd. 74, 1955, Part I, S. 322 bis 324.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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DE1224406B (de) * 1964-10-28 1966-09-08 Otto Kreutzer Einrichtung zum Betrieb von Leuchtstofflampen, gespeist aus einem Wechselstromnetz mit 16 2/3 Hz

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FR1123405A (fr) * 1955-03-11 1956-09-21 Csf Dispositif d'alimentation pour tubes fluorescents

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