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Die
Erfindung betrifft eine Zündschaltungsanordnung
zum Zünden
einer Gasentladungslampe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von
Anspruch 1.
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Gasentladungslampen,
insbesondere Hochdruck-Gasentladungslampen benötigen beim Starten eine Zündspannung,
die weit über
der Versorgungsspannung zur Aufrechterhaltung der Entladung liegt. Typischerweise
weisen Zündspannungsimpulse beim
Kaltstarten eine Zündspannung
im Bereich von 1 kV bis 5 kV je nach verwendeter Lampe auf. Soll eine
Gasentladungslampe heiß gezündet werden, sind
noch größere Zündspannungen
notwendig, sie liegen im Bereich von einigen KV bis einigen 10 kV
je nach verwendetem zu ionisierenden Material und Leistung der Lampe.
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Herkömmliche
Zündgeräte, insbesondere Hochspannungs-Zündgeräte für Hochdruck-Gasentladungslampen
sind häufig
als Überlagerungszündschaltung
ausgelegt. Diese umfasst in der Regel einen als Impulstransformator
ausgelegten Zündübertrager,
dessen Sekundärseite
mit der zu zündenden Lampe
und dessen Primärseite
mit einer den Zündimpuls
auslösenden
Schaltung verbunden ist. Primär-
und Sekundärspule
des Zündübertragers
sind über
einen Zündübertragerkern
zur Übertragung
und Transformation des Zündimpulses
gekoppelt. Auf der Primärseite
des Zündübertragers
wird ein Zündimpuls
erzeugt, welcher über
den Zündübertrager transformiert
auf die Versorgungsschaltung der Lampe gelegt wird. Um einen ausreichend
hohen sekundärseitigen
Zündimpuls
zu erzeugen, muss das Übertragungsverhältnis des
Zündübetragers
entsprechend ausgelegt sein. Ferner muss eine ausreichend gute Kopplung
zwischen der primär-
und sekundärseiten
Spule des Übertragers
durch das Vorsehen des entsprechend dimensionierten Übertragerkerns
bereitgestellt werden. Sobald die Lampe gezündet hat, wird das Zündgerät abgeschaltet.
Dies geschieht in der Regel durch das Blockieren des Schalters in
der Zündauslöseschaltung,
sodass kein primärseitiger
Zündimpuls
erzeugt und damit auch nicht ein transformierter Zündimpuls
der Versorgungsspannung überlagert
wird.
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Beim
Betrieb von Gasentladungslampen, die eine solche Überlagerungszündschaltung
aufweisen, hat sich jedoch herausgestellt, dass in bestimmten Betriebssituationen
nach dem Zünden
der Lampe Probleme auftauchen können,
die auf die Sekundärspule
des Zündübertragers
bzw. den Zündübertragerkern
zurückgehen.
Beim Brennbetrieb der Lampe nach deren Zündung wird der Zündübertrager
sekundärseitig
belastet, was u.U. zu einer akustischen Belastung der Umgebung aufgrund
der Ummagnetisierung des Zündübertragerkerns
führt.
Dieses Problem tritt beispielsweise bei Metallhalogen-Dampflampen mit
einem Keramikbrenner einige Zeit nach dem Zünden der Lampe auf.
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Somit
besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die bei herkömmlichen
Zündschaltungsanordnungen
häufig
auftretende Geräuschentwicklung beim
Betrieb einer zugeordneten Entladungslampe zumindest zu vermindern.
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Dieses
Problem löst
die Erfindung auf überraschend
einfache Weise mit einer Zündschaltungsanordnung
zum Zünden
einer Gasentladungslampe, insbesondere einer Hochdruck-Gasentladungslampe,
der eine Versorgungsschaltung zur Bereitstellung einer Wechselstrom-Versorgungsspannung
an die Lampe zugeordnet ist mit den Merkmalen von Anspruch 1. Danach
weist die erfindungsgemäße Zündschaltungsanordnung
einen Zündübertrager
auf, der primärseitig
mit einer Auslöseschaltung
und sekundärseitig
zur Übertragung
eines Zündimpulses
mit der Lampe verbunden ist. Darüber
hinaus ist eine Eingangsenergiequelle für die Zündauslöseschaltung umfasst und ein
erstes Schaltermittel in der Zündauslöseschaltung,
wobei ein Reihenschaltkreis bestehend zumindest aus der Eingangsenergiequelle
für die
Zündauslöseschaltung,
einer sekundärseitigen
Spule des Zündübertragers
und der Lampe gebildet ist. Die erfindungsgemäße Zündschaltungsanordnung zeichnet
sich dadurch aus, dass dieser Reihenschaltkreis ein zweites Schaltermittel
aufweist, das den Reihenschaltkreis während des Brennbetriebes der
Lampe zyklisch unterbricht und schließt.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis der Erfinder, dass während des
Brennbetriebs der Lampe zu Zeiten, bei welchen die Lampenspannung
einen hohen zeitlichen Gradienten aufweist, d.h. zu Zeiten bei welchen
die Lampenspannung durch den Nullpunkt läuft, die Lampe als Generator
mit einem hohen Oberwellenanteil für einen Schaltkreis wirkt, der
hier zumindest eine Reihenschaltung einer Sekundärspule des Zündübertragers
und eines kapazitiven Bauteils wie die Eingangsenergiequelle für die Zündauslöseschaltung
umfasst. Insofern ist unter dem Begriff „Reihenschaltkreis" die serielle Anordnung
zumindest der genannten Bauteile zum Schließen eines Stromkreises zu verstehen,
bei welchem die Lampe als Generator wirkt. Beim Nulldurchgang der
Lampenspannung entlädt
sich die Eingangsenergiequelle mit einer hohen Stromspitze über die
brennende Lampe. Dadurch werden Resonanzschwingungen im kHz-Bereich
in dem angegebenen Reihenschaltkreis erzeugt, die wiederum aufgrund
der Magnetorestriktion im Zündübertragerkern
zu einer hochfrequenten Längenänderung
des Kerns bzw. des Luftspaltes und damit zu akustischen Schwingungen
im hörbaren
(kHz-) Bereich führen,
was allgemein als störend
empfunden wird. Die Erfindung löst
dieses Problem nun damit, dass der angegebene Entladungs- und Resonanzpfad
zyklisch unterbrochen wird, sodass die Resonanzschwingungen, welche
die Geräusche
verursachen, vermieden werden.
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Die
erfindungsgemäße Gestaltung
der Zündschaltungsanordnung
kann sowohl für
Normaldruck-Gasentladungslampen als auch für Hochdruck-Gasentladungslampen
eingesetzt werden, die mit einer Zündschaltungsanordnung des Überlagerungstyps
betrieben werden. Die erfindungsgemäße Zündschaltungsanordnung ist insbesondere
für konventionelle
Vorschaltgeräte
zum Betrieb von Gasentladungslampen einsetzbar.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Es
ist zweckmäßig, wenn
das zweite Schaltermittel den Reihenschaltkreis bestehend zumindest aus
der Eingangsenergiequelle für
die Zündauslöseschaltung,
der sekundärseitigen
Spule des Zündübertragers
und der Lampe im Ansprechen auf die Lampenspannung, d.h., abhängig von
der Lampenspannung, öffnet
und schließt.
Auf diese Weise kann der Reihenschaltkreis gerade zu den Seiten
unterbrochen werden, wenn die Entladung der Eingangsenergiequelle über die
Lampe bevorzugt und mit einem hohen Wirkungsgrad die beschriebenen
störenden
Geräusche
im Kern des Zündübertragers
erzeugen würde.
Die Angabe „im
Ansprechen auf die Lampenspannung" bezieht sich dabei auf irgendeinen Betriebsparameter
der Lampe, welcher auf die Lampenspannung bzw. deren Verlauf zurückgeht,
beispielsweise die Momentan-Lampenspannung
oder der zeitliche Gradient der Lampenspannung. Somit kann sichergestellt
werden, dass zu Zeiten, bei welchen ein hoher Entladungsstromfluss
mit einem hohen Oberwellenanteil in dem Reihenschaltkreis entstehen
würde,
der Reihenschaltkreis geöffnet
ist. Zu Zeiten, bei welchen die Lampenspannung kaum Oberwellenanteile
aufweist, schließt
das zweite Schaltermittel den Reihenschaltkreis wieder.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das zweite Schaltermittel so ausgelegt
ist, dass es den Reihenschaltkreis öffnet, wenn die Lampenspannung
innerhalb eines vorgegebenen Spannungsintervalls liegt, und das
zweite Schaltermittel den Reihenschaltkreis wie der schließt, wenn
die Lampenspannung außerhalb
des vorgegebenen Spannungsintervalls liegt. Aufgrund des typischen
Verlaufs der Lampenspannung einer Gasentladungslampe, welche eine
Wechselstromversorgung aufweist, lässt sich das zweite Schaltermittel
für den
Reihenschaltkreis einfach steuern, da die Lampenspannung in diesem
Fall gerade im Bereich um den Wert Null einen hohen Oberwellenanteil
besitzt. Wird nun genau dieser Bereich ausgeschlossen, d.h. verhindert,
dass der angegebene Reihenschaltkreis in diesem Zeitraum geschlossen
ist, kann wirksam die Geräuschentwicklung
bei der erfindungsgemäßen Zündschaltungsanordnung vermieden
werden.
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Es
ist zweckmäßig, wenn
die Eingangsenergiequelle für
die Zündauslöseschaltung
zumindest einen Kondensator aufweist, der insofern über die Wechselstrom-Versorgung
der Lampe aufladbar ist, sodass die erfindungsgemäße Zündschaltungsanordnung
bei Bedarf zu jedem Zeitpunkt Zündimpulse zum
Zünden
der Gasentladungslampe bereitstellen kann.
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Es
kann zweckmäßig sein,
wenn das zweite Schaltermittel in einem Ladepfad für die Eingangsenergiequelle
der Zündauslöseschaltung
angeordnet ist, wobei die Ladung der Eingangsenergiequelle über die
Wechselstrom-Versorgung der Lampe erfolgt. Bei dieser konstruktiven
Gestaltung der erfindungsgemäßen Zündschaltungsanordnung
dient das zweite Schaltermittel vorteilhaft einerseits zum Öffnen und
Schließen
des Reihenschaltkreises und andererseits auch zur Steuerung der
Ladung der Eingangsenergiequelle für die Zündauslöseschaltung.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das zweiter Schaltermittel zum Öffnen und
Schließen
des Reihenschaltkreises keine externe Steuerung aufweist, sondern
selbstgesteuert ist, was den notwendigen vorrichtungsseitigen Aufwand
vermindert. Eine besonders bevorzugt einfache Gestaltung des zweiten Schaltermittels
liegt vor, wenn dieses zweipolig ausgebildet ist, wobei der Schalterzustand
allein durch die an den Polen anliegende Span nung festgelegt ist. Auf
diese Weise kommt die Erfindung ohne das Vorsehen einer zusätzlichen
Steuerung für
das zweite Schaltermittel aus. Die Schaltpunkte des zweiten Schaltermittels
sind dabei so eingestellt, dass der Reihenschaltkreis in den Zeiten
geöffnet
ist, bei welchen die Lampenspannung bzw. der Lampenstrom einen hohen
Oberwellenanteil aufweist.
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Insbesondere
in Fällen,
bei welchen die Lampenspannung ein zum Nullpunkt symmetrisches Verhalten
zeigt, kann es vorteilhaft sein, wenn das zweite Schaltermittel
auch ein zum Nullpunkt symmetrisches Schaltverhalten aufweist. Ein
solches Schaltverhalten kann insbesondere durch einen entsprechend
ausgebildeten bidirektionalen Schwellwertschalters bereitgestellt
werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Zündschaltungsanordnung
kann als zweites Schaltermittel eine Vielzahl von bekannten Schaltern
eingesetzt werden, insbesondere Halbleiterschalter. Wie obenstehend angegeben
sind dabei die selbstgesteuerten Schalter bevorzugt, da sie keine
externe Steuerung benötigen.
Hierzu können
beispielsweise sogenannte „transient
suppressor"-Dioden
oder DIACS (diode alternating current switch), welche als Zweirichtungsdioden aufgebaut
sind, verwendet werden. Darüber
hinaus ist es auch möglich,
beim zweiten Schaltermittel zumindest einen externen Steuereingang
vorzusehen, an dem beispielsweise die Lampenspannung angelegt ist,
sodass das zweite Schaltermittel direkt von der Lampenspannung oder
dessen zeitlichen Gradienten gesteuert ist. Es versteht sich, dass
eine Steuerung des zweiten Schaltermittels mit dem Lampenstrom bzw.
mit dessen zeitlichen Gradienten erfindungsgemäß der ausführlich beschriebenen angegebenen
Steuerung mit dem Lampenspannung bzw. dessen Gradienten entspricht,
da Lampenspannung und -strom bzw. die zugeordneten Gradienten bei vorgegebener
Zündschaltungsanordnung
in einem direkten Zusammenhang stehen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden durch das Beschreiben einiger Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeich nungen erläutert, wobei
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1 eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zündschaltungsanordnung,
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2a–d
schematisch die zeitlichen Verläufe
von Lampenspannung, Lampenstrom bzw. des Schaltzustandes des zweiten
Schaltermittels in einer erfindungsgemäßen bzw. herkömmlichen
Zündschaltungsanordnung,
und
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3 eine
herkömmlichen
Zündschaltungsanordnung
zeigt.
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In 3 ist
eine bekannte Zündschaltungsanordnung
des Überlagerungstyps
für eine
Gasentladungslampe angegeben, die über eine Wechselstrom-Versorgung
mit elektrischer Energie versorgt wird. An den Klemmen B-N liegt
die von einem konventionellen Vorschaltgerät bereitgestellte Wechselspannung
UN an. Die Lampe 10 ist am Ausgang
der Zündschaltungsanordnung
angeschlossen. Diese umfasst einen Zündübertrager 20, dessen
sekundärseitige
Spule 21 in der Versorgungsschaltung der Lampe 10 angeordnet
ist. Die primärseitige
Spule 22 bildet zusammen mit einer Luftspule 50,
dem Schalter 40 und dem Stoßkondensator 30 den
wesentlichen Schaltkreis der Zündauslöseschaltung.
Darüber hinaus
ist dem Stoßkondensator 30 ein
weiterer Kondensator 60 in Reihe geschaltet, dem selbst
ein Widerstand 70 parallel geschaltet ist. Zur Kopplung
von Primärspule 22 und
Sekundärspule 21 des
Zündübertragers 20 dient
ein Kern 23.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise der in 3 angegebenen
herkömmlichen
Zündschaltungsanordnung
beschrieben. Zuerst muss die Lampe 10 durch das Erzeugen
von Hochspannungszündimpulsen
gestartet werden. Anfangs fließt
demnach kein Lampenstrom IL und der Stoßkondensator 30 wird über den
Kondensator 60 und den Widerstand R1 geladen,
wobei der Schalter 40 geöffnet ist. Nach dem Laden des
Kondensators C1 wird durch Schließen des
Schalters 40 der durch die Bauteile 30, 22, 50 und 40 gebildete
Rei henschaltkreis geschlossen, wodurch sich der als Eingangsenergiequelle
für die Zündauslöseschaltung
wirkende Kondensator 30 entlädt. Ein primärseitiger
Zündimpuls
entsteht, welcher mittels des Zündübertragers 20 in
einen sekundärseitigen
Hochspannungsimpuls transformiert wird. Dabei wird die Magnetisierung
der primärseitigen
Spulenwicklung der Spule 22 über den Zündübertragerkern 23 auf
die sekundärseitige
Spulenwicklung 21 mit dem Übertragungsverhältnis des Zündübertragers
transformiert und der Netzspannung überlagert. Die Luftspule 50 dient
dabei als Strombegrenzer für
den Schalter 40. Wie der Fachmann erkennt, wirkt der Kondensator 60 einem
Kurzschluss der Wechselstrom-Versorgung entgegen, wenn der Stoßkondensator 30 entladen
wird, in dem bei der Entladung von C1 sich die Spannung im Kondensator 60 erhöht. Der
entladene Stoßkondensator 30 wiederum
wird über
den Widerstand 70 geladen, wenn der Stoßkondensator den Zündkreis
speist. Der in der Schaltung angegebene Widerstand 80 dient
der zusätzlichen
Strombegrenzung in der Wechselstrom-Versorgung.
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Es
versteht sich, dass der Schalter 40 zur Initiierung des
bzw. der Zündimpulse
zu solchen Zeiten angesteuert wird, bei welchen die Wechselstrom-Versorgung
in der Lage ist, die Lampe am Brennen zu halten. Eine derartige
Steuerung des Schalters 40 in der Zündauslöseschaltung ist dem Fachmann
jedoch wohlbekannt, insofern wird darauf im Folgenden nicht näher eingegangen.
Darüber
hinaus kann die Zündschaltungsanordnung
auch eingerichtet sein, eine Abfolge von primär- bzw. sekundärseitigen
Zündimpulsen
zu erzeugen.
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Nach
dem Zünden
der Lampe 10 wird die Zündschaltungsanordnung
prinzipiell nicht mehr benötigt.
Insofern wird der Schalter 40 zu Zeiten des Brennbetriebs
der Lampe 10 geöffnet
gehalten. Einen typischen Verlauf der Lampenspannung bei einer Wechselstrom-Versorgung
mit der Spannung UN zwischen den Polen B-N
ist in 2a dargestellt. Wie zu erkennen,
weist die Lampenspannung im Bereich der Nulldurchgänge einen
hohen zeitlichen Gra dienten auf, während die Spannung danach in
einen im Wesentlichen konstanten Bereich übergeht. 2b zeigt
den durch die dargestellte Lampenspannung UL verursachten
Lampenstrom, der im Bereich der Nulldurchgänge Spitzen aufweist, die für die beschriebenen
Geräuschprobleme
(Brummen) des Zündübertragers
verantwortlich zeichnen. Es sei darauf hingewiesen, dass die dargestellten
Stromspitzen bei einer höheren
zeitlichen Auflösung
in eine hochfrequente Schwingung auflösbar sind.
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Die
Gestaltung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Zündschaltungsanordnung ist in 1 angegeben.
Diese unterscheidet sich von der in 3 dargestellten
herkömmlichen
nur dadurch, dass eine „transient
suppressor"-Diode
zwischen dem Stoßkondensator 30 und
dem Begrenzungskondensator 60 angeordnet ist. Diese Diode 100 arbeitet symmetrisch
zur Spannung an den beiden Eingangspolen derartig, dass die Diode
bis zu einer Spannung von einem vorgegebenen Wert, im angegebenen Beispiel
von 62 Volt, sehr hochohmig ist. Hierdurch fließt kein Strom durch die Kondensatoren,
sodass zu Zeitpunkten der Hochohmigkeit der Diode 100 der Reihenschaltkreis,
umfassend die elektrischen Bauteile 21, 30, 100, 60, 80 und 10 unterbrochen
ist. Der Kondensatoren C1 und C2 können sich demnach nicht mehr
schlagartig über
die Sekundärseite
des Zündübertragers
und die Lampe entladen. Innerhalb der angegebenen Reihenschaltung
kann sich keine Schwingung aufbauen, die ansonsten zu den störenden Geräuschen im
Zündübertragerkern
im hörbaren Frequenzbereich
führen
würde.
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2c zeigt das Schaltverhalten ST der Diode 100.
Wie zu erkennen, sperrt die Diode in einem Zeitintervall T, in welchem
die Lampenspannung durch den Nullpunkt verläuft und einen hohen Oberwellenanteil
aufweist; außerhalb
des Zeitintervalls T ist die Diode niederohmig. Insofern kann wirkungsvoll das
Auftreten der erhöhten
Stromspitzen vermieden werden, was letztlich die Bereitstellung
eines im Wesentlichen geräuschlosen
Zündgerätes ermöglicht.
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2d zeigt den zeitlichen Verlauf des Lampenstroms
für das
in 2c dargestellte Schaltverhalten
der Diode 100. Wie zu sehen, werden die in 2b angegebenen
typischen Stromspitzen bei einem herkömmlichen Zündgerät vollständig vermieden.
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Das
Schaltverhalten des zweiten Schaltermittels, d.h. das Schaltintervall,
ist insbesondere an die elektronischen Eigenschaften der Lampe des Zündübertragers
und/oder der Eingangsenergiequelle für die Zündauslöseschaltung angepasst.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist die Diode 100 als symmetrischer bidirektionaler Schwellwertschalter
mit einer Schaltspannung von 62 V ausgelegt. Bei anderen elektrischen
Bauteilen, ist eine andere, an die jeweiligen elektrischen Komponenten angepasste
Schaltspannung zweckmäßig. Je
nach verwendeten Komponenten im angegebenen Reihenschaltkreis kann
die Schaltersteuerung auch asymmetrisch um den Nullpunkt der Lampenspannung
eingestellt sein.
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Ferner
kann das Schaltmittel zur Unterbrechung des angegebenen Reihenschaltkreises
an verschiedenen Stellen innerhalb des Reihenschaltkreises angeordnet
sein; es muss nur sichergestellt sein, dass die Wechselstromversorgung
der Lampe nicht durch den Schalter unterbrochen wird.
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- 1
- Zündschaltungsanordnung
- 2
- Auslöseschaltung
- 10
- Gasentladungslampe
- 20
- Zündübertrager
- 21
- primärseitige
Spulenwicklung/Spule
- 22
- sekundärseitige
Spulenwicklung/Spule
- 23
- Zündübertragerkern
- 30
- Stoßkondensator
- 40
- Schalter
- 50
- Luftspule
- 60
- Kondensator
- 70,
80
- Widerstand
- 100
- Suppressordiode
- UN
- Wechselstromversorgungsspanner
- UL
- Lampenspannung
(Brennstrom)
- IL
- Lampenspannung