DE2818242A1 - Normal/not-beleuchtungsschaltung fuer eine gasentladungslampe - Google Patents

Normal/not-beleuchtungsschaltung fuer eine gasentladungslampe

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Description

Normal/Not-Beleuchtungsschaltung für eine Gasentladungslampe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für den Betrieb einer Gasentladungslampe aus einer Wechselstromquelle und aus einer Gleichstrom-Hilfsquelle. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltungsanordnung für einen Betrieb einer derartigen Lampe unter normalen Bedingungen bei einer Netzfrequenz aus einer Wechselstromquelle in Verbindung mit einer Drossel-Vorschaltanordnung und unter Notbedingungen bei hoher Frequenz aus einem Inverter, der von einer Gleichstrom-Hilfsquelle gespeist wird.
Ein Netzausfall, aus welchem Grund er auch immer auftreten mag, kann das menschliche Leben aufgrund eines Ausfalles des Beleuchtungsystems gefährden. Deshalb gibt es viele Einrichtungen, die eine gewisse Art von
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einem Notbeleuchtungssystem erfordern, das beim Auftreten eines Netzausfalles automatisch wirksam wird; der hohe Wirkungsgrad einer Fluoreszenzlampe macht sie besonders wertvoll für eine Verwendung in einem derartigen System.
Gegenwärtig verfügbare Notbeleuchtungssysteme verwenden im allgemeinen einen Inverter mit Schalttransistoren, wobei eine einzelne Fluoreszenzlampe oder eine Gruppe derartiger Lampen sowohl für den normalen Wechselstrombetrieb des Beleuchtungsystems als auch für das Notsystem verwendet wird. Eine Batterie wird als Leistungsquelle zur Speisung des Transistorinverters und der Lampe oder der Lampen bei einem Ausfall des Wechselstromnetzes verwendet. Idealerweise hat ein derartiger Inverter einen hohen Wirkungsgrad und ist mit einer Steuerung versehen; ein derartiges System ist in der US-PS 3 921 005 beschrieben.
Bei Versuchen, ein Notbeleuchtungssystem, wie es beispielsweise in der US-PS 3 906 243 beschrieben ist, auf Fluoreszenzlampen in dem Leistungsbereich von 20 Watt und weniger für einen Schnellstartbetrieb anzuwenden, stellte sich heraus, daß die getrennte Sekundärwicklung der Vorschaltanordnung bei hoher Frequenz eine zu kleine Impedanz aufweist. Wenn diese Wicklung mit einer ausreichend hohen Impedanz versehen wird, wird sie groß, sie weist eine zu hohe LeerlaufSpannung (bewirkt einen schnellen Start der Lampen bis äugen blicklichen Start) und ist demzufolge verlustbehaftet.
Bei anderen Versuchen zum Starten von Fluoreszenzlampen wird ein manueller Starter, ein gasgefüllter Bimetallstarter oder eine äquivalente Festkörper- bzw. HaIb-
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leitereinrichtung verwendet. Während der manuelle Starter mit einem Hochfrequenz-Notinverter kompatibel ist, wo eine Notbeleuchtung erforderlich ist, ist ein manueller Starter nicht wünschenswert noch geeignet. Sowohl der gasgefüllte Bimetallstarter als auch die äquivalente Festkörpereinrichtung haben die Wirkung, daß sie den Hochfrequenz-Inverter kurzschließen, anstatt daß sie die Fluoreszenzlampe im Notbetrieb starten. Dies bedeutet, daß, wenn die Fluoreszenzlampe mit der Drossel gestartet werden könnte, aber ohne die normalerweise verwendeten Startermethoden, dann könnte ein Normal/Notbeleuchtungssystem für 20 Watt Lampen oder Lampen kleinerer Leistung und desgleichen für den europäischen Markt entwickelt werden, wo bei der 220 Volt Wechselstromleistung Drossel-Vorschaltanordnungen für Lampen bis zu 65 Watt verwendet werden.
Es ist deshalb wünschenswert, ein Beleuchtungssystem zu schaffen, in dem ein Hochfrequenz-Inverter mit einer Drossel-Vorschaltanordnung kompatibel ist zum Betreiben einer Gasentladungslampe sowohl aus dem Wechselstromnetz als auch, bei dessen Ausfall aus einer Gleichstrom-Hilfsquelle .
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein Beleuchtungssystem geschaffen, das eine Schaltungsanordnung mit einer Drossel zum Betreiben einer Gasentladungslampe während normaler Bedingungen aus dem Wechselstromnetz und einen gesteuerten Transistorschaltinverter aufweist zum Starten der Lampe während normaler Bedingungen und zum Starten und Betreiben der Lampe während Notzuständen, i.e. wenn die Wechselstrom-Netzspannung unter einen bestimmten Wert abgefallen ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsanordnung geschaffen zum Betreiben einer Gasentladungslampe aus einem Wechselstromnetz und alternativ aus einer Gleichstrom-Hilfsquelle. Es sind eine Drossel umfassende Mittel vorgesehen zum Anschluß einer Wechselstromquelle zum Betreiben der Lampe bei Netzfrequenz während normaler Bedingungen, wenn sich die Netzspannung oberhalb eines bestimmten Wertes befindet. Weiterhin sind einen Inverter umfassende Mittel vorgesehen, die mit der Gleichstrom-Leistungsquelle verbunden sind, zum Starten der Lampe während normaler Bedingungen und zum Starten und Betreiben der Lampe während eines Notzustandes nach einem Ausfall der Wechselstrom-Netzspannung. Der Inverter liefert Wechselstromleistung an die Lampe bei einer Frequenz, die wesentlich höher als die Netzfrequenz ist.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an Hand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung des bevorzugten Ausführungsbeispieles der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.
In der Zeichnung ist eine Schaltungsanordnung gezeigt zum Betreiben einer Gasentladungslampe aus einer Wechselstromquelle und, bei deren Ausfall, aus einer Gleichstrom-Hilfsquelle. Es sind einen Inverter 10 umfassende Mittel vorgesehen, die mit einer elektrischen Gleichstromquelle, wie beispielsweise einer Batterie 14, verbunden sind zum Starten der Gasentladungslampe, wie beispielsweise einer Fluoreszenzlarape 12, unter
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Notbedingungen, wobei der Inverter 10 der Lampe 12 elektrische Wechselstromenergie bei einer Frequenz zuführt, die wesentlich höher als die Wechselstrom-Netzfrequenz ist. Weiterhin sind eine Drossel 16 umfassende Mittel vorgesehen, die für eine Verbindung über zwei Eingangsanschlüsse 1 und 2 mit einer Wechselstrom-Netzspannung angeordnet sind, die beispielsweise 220 Volt betragen kann, zum Betreiben der Lampe 12 bei Netzfrequenz von beispielsweise 50 Hz während normaler Bedingungen, d.h. wenn die Netzspannung oberhalb eines ersten vorbestimmten Wertes liegt. Notzustände werden hier so definiert, daß sie bei einem Abfall der Netzwechselspannung unter einen zweiten vorbestimmten Wert vorliegen.
Der Inverter 10 ist abgestimmt und enthält ein Paar Transistoren QA und QB, die in einem Umschaltbetrieb bei geringen Verlusten betrieben werden können. Es sind Mittel zum Ermöglichen eines derartigen Transistorbetriebes mit einer Drossel L1, einer Pufferinduktivität, vorgesehen, die mit der Batterie 14 in Reihe geschaltet ist. Ein erster Transformator T1 dient zur Kopplung des Inverters 10 mit der Lampe 12 und befindet sich in einem Resonanzkreis mit Kapazitäten C101 und C102, um die Betriebsfrequenz des Inverters einzustellen und eine sinusförmige Ausgangsspannung zu bilden. Die induktivität L1 ist elektrisch an einem Punkt 22 mit einer Mittelan zapfung der Primärwicklung P des Transformators T1 verbunden. Es sind Mittel zum Steuern des Inverters 10 vorgesehen, die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Form einer Steuerung 20 mit einer mit.zehn Stiften versehenen integrierten Schaltung sind. Weitere Einzelheiten einer diese integrierte Schaltung enthaltenden
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Steuerung sind in der US-PS 3 921 005 beschrieben. Die Steuerung 20 enthält Mittel zur Lieferung eines Basisstromes an die Schalttransistoren QA und QB, wenn die Kollektorspannung null ist, d.h. wenn die Augenblicksspannung über dem Kondensator C101 null ist. Da sich die Primärspannung über den Transformator T1 mit der Grundfrequenz ändert, ändert sich die Spannung am Punkt 22 und demzufolge die Spannung über die Induktivität L1 mit der doppelten Grundfrequenz. Der Strom durch die Induktivität L1 ist ein Gleichstrom mit einer Komponente der zweiten Harmonischen. Dieser gleiche Strom wird alternativ durch die zwei Transistoren QA und QB geführt. Auch wenn die Transistoren erforderlich sind, um den Kollektorstrom zu schalten, so tun sie dies im wesentlichen bei einer Kollektorspannung null mit einem daraus resultierenden niedrigen Leistungsverbrauch.
Weiterhin sind eine Zeitsteuerungsinformation an die Steuerung 20 liefernde Mittel vorgesehen zur Herbeiführung der Umschaltung der entsprechenden Transistoren QA und QB im Gleichschritt mit der Resonanzgrundfrequenz des Inverters und hat die Form einer Hilfswicklung S2, die magnetisch mit der Primärwicklung P des ersten Transformators T1 gekoppelt ist. Somit folgt die Steuerung 20 und insbesondere eine Nulldurchgangs-Detektorschaltung darin der Resonanzfrequenz des ersten Transformators T1 und stellt sicher, daß die Transistorumschaltung erfolgt, wenn die Spannung über den Kondensator C101 null ist.
Ein höherer Wirkungsgrad in dem Inverter bzw. Wandler 10 kann dadurch erzielt werden, daß der Basisstrom der entsprechenden Transistoren proportional zu deren
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Kollektorstrom gemacht wird. Zu diesem Zweck ist eine Anordnung vorgesehen, die einen Rückkopplungsstrom an die Steuerung 20 liefert, um einem dem Transistorkollektorstrom proportionalen Basisstrom zu bewirken, wobei diese Anordnung in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Form eines Rückkopplungstransformators T2 hat. Der Transformator T2 weist eine Rückkopplungswicklung D auf, die magnetisch mit den entsprechenden Kollektoren der Transistoren QA und QB über zwei Wicklungen A bzw. B gekoppelt ist. Somit kann die durch die Steuerung 20 verbrauchte Leistung auf diejenige begrenzt werden, die zum Starten und Steuern der Schwingung des Inverters bzw. Wandlers 10 erforderlich ist.
Es ist ein Transformator T3 mit hoher Streureaktanz vorgesehen zum Verbinden des Inverters 10 mit einer Netzspannungsquelle von 220 Volt und 50 Hz. Eine Schaltungsanordnung überwacht die Quellenwechselspannung und koppelt die Sekundärwicklung S des eine hohe Reaktanz aufweisenden Transofrmators T3 mit einer nicht-linearen Last während einer Halbwelle der Quellenwechselspannung, um der Batterie 14 Ladestrom zuzuführen. Der Halbwellen-Ladestrom wird der nicht-linearen Last, der Batterie 14, über eine Diode D101 zugeführt und ist in der Größe durch die Reaktanz des Transformators T3 begrenzt. Aufgrund dieser Transformatorreaktanz ist die sinusförmige Spannung an den Anschlüssen der Wicklung S auf der Batteriespannung gehalten, wenn die Diode D101 leitet. Während der anderen Halbwelle leitet die Diode D103 Halbwellenstrom durch eine Anzeigelampe 24 und den zwei Anschlüsse aufweisenden Batteriestecker 26. Die Batterie muß angeschlossen sein und die Wechselspannung von 220 Volt zur Verfügung stehen, um die Lampe 24 zu speisen, die die Ladung der Batterie 14 anzeigt. Die Verwen-
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dung einer abwechselnden Halbwelle senkt die Scheinnennleistung des Transformators T3. Zur Überwachung der Quellenwechselspannung sind Mittel vorgesehen zum Koppeln der Sekundärwicklung S des Transformators T3 mit einer linearen Last während einer abwechselnden Halbwelle. Zu diesem Zweck wird während der anderen Halbwelle, in der nicht die Batterie 14 geladen wird, der Kondensator C104 über die Diode D102 geladen. Eine derartige einzelne Sekundärwicklung S eines Transformators T3 zur Lieferung, praktisch ohne eine Wechselwirkung, einer der Wechselspannung proportionalen Spannung und zur Lieferung von Energie zum Aufladen der Batterie 14 ist an anderer Stelle angegeben. Die resultierende Gleichspannung ist mit einem Stift 7 der Steuerung 20 über eine lineare Last verbunden, die einen Teilerwiderstand R104 und R105 umfaßt. Die Gleichspannung an dem Anschluß 7 ist proportional zu dem Mittelwert der 50 Hz Speisespannung und wird nicht beeinflußt durch die vorstehend beschriebene Klemmwirkung der Batterie. Eine Ze_nerdiode D120 ist in der gezeigten Weise in den Stromkreis zwischen die Diode D102 und den Kondensator C104 geschaltet, um zu verhindern, daß die Batteriespannung aus der Batterie 14 den Inverter 10 gesperrt hält. Weiterhin ist auf dem Transformator T3 eine Heiz-
wicklung H vorgesehen, um die Glühwendel 27 der Lampe zu heizen, um dadurch das Starten der Lampe zu unterstützen.
Die Steuerung 20 enthält Mittel zum Einschalten des Inverters 10, wenn die Netzwechselspannung unter dem zweiten bestimmten Wert ist, und zum Abschalten des Inverters 10, wenn die Netzwechselspannung oberhalb des ersten vorbestimmten Wertes ist. Zu diesen Zwecken enthält die Steuerung 20 ferner einen ersten Fühler
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(in Form einer Wechselspannungs-Hemmunterschaltung) zum Abtasten der Spannung an der Wechselspannungsquelle und einen zweiten Fühler (in der Form einer Hemmunterschaltung für eine niedrige Batteriespannung) zum Abtasten der Gleichspannung der Batterie, und sie enthält Logikmittel (in der Form einer Start-Stop-Logikunterschaltung) zum Zusammenfassen der Ausgangssignale der ersten und zweiten Fühler, um den Inverter 10 anzusteuern, wenn die Batteriespannung über einem vorbestimmten Wert und die Wechselspannung unter dem zweiten vorbestimmten Wert liegt, und um den Inverter abzuschalten, wenn die Batteriespannung unter einem vorbestimmten Wert oder die Netzwechselspannung über dem ersten vorbestimmten Wert liegt.
Es wird nun die Arbeitsweise der den Inverter 10 enthaltenden Schaltungsanordnung bei Notzuständen erläutert. Unter der Annahme, daß der Inverter 10 eingeschaltet ist, liefert die Steuerung 20 ein kleines Basisstromsignal an einen der Transistoren QA und QB. Unter der weiteren Annahme, daß dieser Basisstrom dem Transistor QA zugeführt ist, schaltet dieser Transistor QA durch und es beginnt ein Strom durch die Induktivität L1, die Mittelanzapfung der Primärwicklung P des Transformators T1 und von dort durch die Primärwicklung P und durch die Wicklung A des Rückkopplungstransformators T2 zum Transistor QA und von dort zurück zur Batterie 14 zu fließen. Der ursprünglich an den Transistor QA gelieferte Basisstrom wird durch einen Stromfluß aus der Wicklung D des Rückkopplungstransformators T2 zur Steuerung 20 verstärkt, um aus deren Stift 1 auszutreten und von dort über die Basis des Transistors QA zu fließen. Dieser Basisstrom ist proportional zum
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Kollektorstrom des Transistors QA und ist ausreichend gemacht, um den Transistor in Sättigung zu halten.
Bei einem gewissen Voltsekunden-Produkt kommt der Rückkopplungstransformator T2 scharf in Sättigung, wodurch plötzlich der Ausgangsstrom seiner Wicklung D gesenkt wird, wodurch wiederum der Basisstrom zum Transistor QA sinkt. Ein plötzlicher Anstieg in der Kollektoremitterspannung des Transistors QA senkt scharf die Stromanstiegsgeschwindigkeit in diesem Gleichstromkreis. Diese Änderung des Kollektorstromes in Bezug zur Zeit kehrt die Polarität der Wicklung S2 des Transformators T1 und somit die Polarität der Spannung an den Stiften 3 und 4 der Steuerung 20 um. Diese Polaritätsumkehr signalisiert der Steuerung, den Basisstrom vom Transistor QA auf den Transistor QB umzuwechseln.
Die Steuerung 20 liefert nun einen kleinen Basisstrom über den Stift 9 an die Basis des Transistors QB und verbindet gleichzeitig die Basis des Transistors QA mit dessen Emitter, um den Abschaltungsprozeß des Transistors QA zu beschleunigen. Der Transistor QB beginnt infolge dieses kleinen Basisstromsignales von der Steuerung zu leiten, und es fließt ein Strom durch die Wicklung B des Rückkopplungstransformators T2, um in dessen Wicklung D einen Strom zu induzieren, der der Steuerung 20 zugeführt wird. Die Steuerung 20 liefert nun diesen Strom als Basisstrom aus dem Stift 9 zur Basis des Transistors QB; somit ist der Basisstrom des Transistors QB proportional zu dessen Kollektorstrom, so daß der Transistor in Sättigung gehalten wird.
Die Wicklung P des Transformators T1 hat eine gewisse Streureaktanz und wird ein schwingendes System mit dem
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Kondensator C101. Dieses schwingende System geht durch die nächste Halbwelle und drückt den durch die Wicklung B des Rückkopplungstransformators T2 fließenden Strom auf null, und somit wird auch der Basisstrom des Transistors QB gesenkt. Wenn die Spannung über der Wicklung P des Transformators T1 und dadurch die Spannung an der Wicklung S2 dieses Transformators null erreicht, wird dieser Zustand der Steuerung 20 signalisiert, die wiederum die Basisstrumschaltung von dem Transistor QB auf den Transistor QA umschaltet und die Basis des Transistors QB mit dessen Emitter verbindet, um die Sperrung des Transistors QB zu beschleunigen. Die Schaltungsanordnung ist dann in der Lage, die nächste Halbwelle zu durchlaufen, wobei dann der Transistor QA durchgeschaltet ist.
Wenn die Umschaltung in einer absoluten Nullzeit bzw. ohne Zeitverzögerung durchgeführt werden könnte, würde die vorstehend beschriebene Arbeitsweise der Schaltungsanordnung völlig korrekt sein. Normalerweise wird jedoch die umschaltung in Zeiträumen von weniger als einer Mikrosekunde durchgeführt, und der Stromfluß aus der Batterie 14 befindet sich im wesentlichen auf einem konstanten Pegel mit einem kleinen Welligkeitsgehalt. Dieser Welligkeitsgehalt wird durch die Induktivität L1 bestimmt und addiert sich zu oder subtrahiert sich von der Batteriespannung, wie sie an die Anzapfung der Primärwicklung P des Transformators T1 angelegt wird. Es ist diese Induktivität L1, die die Spannung am Punkt 22 in der Weise einstellt, daß die Transistoren bei einer Kollektorspannung von null umgeschaltet werden können. Solange diese Induktivität L1 einen einen kritischen Wert überschreitenden Wert hat, arbeitet
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diese Schaltungsanordnung in der beschriebenen Weise. Für den Fall, daß beide Transistoren QA und QB sperren, zwingt die Stromänderungsgeschwindigkeit in der Induktivität L1 die daran anliegende Spannung auf einen Wert, an dem die Ze_nerdiode D104 zu leiten beginnt, um die an die Schaltungsanordnung angelegte Spannung zu begrenzen. Diese abkappende Wirkung senkt schnell den Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung und ist somit eine zu vermeidende Betriebsart. Eine derartige Abkappwirkung kann momentan während des Startprozesses auftreten oder wenn der Inverter gesperrt wird, und unter diesen umständen stellt sie einen zulässigen Betriebszustand dar.
Die die Last für den Inverter 10 darstellende Lampe 12 ist mit einer Wicklung S1 des Transformators T1 verbunden. Für Fluoreszenz-Notbeleuchtungszwecke wird die Vorschaltung durch Kondensatoren C102 gebildet, die den Laststrom durch die Lampe 12 bestimmen. Diese Kapazität in Verbindung mit dem Kondensator C101 und die Induktivität der Primärwicklung P des Transformators T1 bestimmen die Betriebsfrequenz des Systems (die Induktivität der Wicklung P und eine Kapazität des Kondensators C101 bestimmen die Schwingfrequenz, wenn die Wicklung S1 unbelastet ist). Es wird ein doppeltes kapazitives Vorschaltsystem verwendet, um die Spannung über-einer einzelnen Einheit zu senken, um somit die Betriebssicherheit des Gesamtsystems zu erhöhen. Die Ausgangsspannung der Inverterschaltung ist hoch genug für 40 Watt Lampen mit Augenblicksstart und 65 Watt Lampen mit Schnellstart unter schlechten Betriebsbedingungen.
Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, wird die
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Ladung der Batterie 14 aus der Wicklung S des 50 Hz Transformators T3 bewirkt. Dies ist die gleiche Wicklung, der der Anzeigelampe 24 Gleichstroraleistung zuführte. Der Strom fließt vom Ende der Wicklung S zu dem Pluspol der Batterie 14 und von dort über die Diode D101 und zum Anfang der Wicklung S. In der anderen Halbwelle fließt der Strom von dem Anfang der Wicklung S über die Diode D103 zur Lampe 24 und von dort zu dem Stecker 26 und weiter zum Ende der Wicklung S des Transformators T3. Wenn die Batterie nicht eingesteckt ist, ist die Anzeigelampe nicht gespeist und zeigt an, daß das System beaufsichtigt werden muß. Auch wenn die Anzeigelampe oder ihre zugehörige Schaltungsanordnung defekt wird (Leerlauf oder Kurzschluß), ist der Hauptladekreis für die Batterie nicht unterbrochen, aber die Lampe leuchtet nicht wieder auf und zeigt deshalb an, daß das System untersucht werden muß; das System bleibt jedoch in Betrieb. Für den Fall, daß die Batterie 14 nicht in den Stromkreis geschaltet ist und die Netz spannung außerordentlich hoch ist, besteht die Möglichkeit, daß diese Spannung direkt an die Stifte 3 und 10 der Steuerung 20 angelegt würde. Eine derartig hohe Spannung könnte die ingegrierte Schaltung zerstören; aus den Strombegrehzungscharakteristiken der Wicklung S Nutzen ziehend leitet die Zenerdiode D104, um so die Spitzen dieser Spannung über die Induktivität L1 abzukappen und dadurch die integrierte Schaltung der Steuerung 20 zu schützen. Dies bedeutet, daß die Zenerdiode D104 so bemessen sein muß, daß diese erwartete Energie abgeführt werden kann.
Die Wicklung S des Transformators T3 liefert auch ein Einweg-gleichgerichtetes Signal über die Diode D102 und eine Zenerdiode D120 zum Filterkondensator C104
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und der Spannungsteilersclialtung R104 und R105, um somit ein Signal an den Stift 7 der Steuerung 20 anzulegen. Wenn diese Einweg-gleichgerichtete Spannung bzw. pulsierende Spannung abnimmt bei abnehmender Netzspannung, erreicht sie schließlich einen Punkt, wo die Steuerung 20 zu arbeiten beginnt; dies ist der Inverter-Einschaltpunkt. Aufgrund der Natur des Einweg-gleichgerichteten Signales und der Differenz in der integrierten Schaltung der Steuerung 20 ist der Arbeitsweise der integrierten Schaltung eine Hysterese innewohnend. Somit ist der "Ausschalt-"'Punkt des Inverters, wie er durch die Netzwechselspannung gesteuert ist, höher als der "Einschalt-"Punkt des Inverters. Durch Einstellen der Verhältnisse der Widerstände R104 und R105 kann entweder der Einschalt- oder der Ausschaltpunkt des Inverters über einen recht weiten Bereich gesteuert werden; jedoch können nicht sowohl der Einschaltpunkt als auch der Ausschaltpunkt des Inverters getrennt gesteuert werden wegen der relativ festen Werte dieser "eingebauten" Hysterese. Zwischen die Stifte 3 und 10 der Steuerung 20 ist eine Batterie-Gleichspannung oder Transformatorwicklungs-Ladespannung angelegt. Diese gleiche Spannung ist über den Spannungsteiler R102 und R103 an den Stift 5 (zweiter Fühler) der IC-Steuerung 20 angelegt. Wenn die Spannung am Stift 5 unter einen Wert abfällt, der durch den Aufbau der integrierten Schaltung (IC) bestimmt ist, stoppt die Steuerung 20 die Zufuhr von Steuersignalen zu den Transistoren QA und QB und schaltet somit den Inverter 10 ab. Diese Spannung ist normalerweise auf etwa die Hälfte der Batterienennspannung eingestellt;, aber sie kann durch das TForhältnis der Widerstände R102 und R103 eingestellt sein» Eine gebiss® Hysterese ist durch die Art νζιύ üeise sing©führt;, in der diese Steuerfunktion in
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der IC-Steuerung durchgeführt wird. Diese Hysterese sorgt für eine saubere Ein/Ausschaltung des Inverters. Nachdem der Inverter abgeschaltet hat, steigt die Spannung an, wodurch der Inverter wieder eingeschaltet wird. Dies sorgt für ein wiederholtes Blitzen der Fluoreszenzlampe, was wiederum anzeigt, daß die Batterie entladen ist.
Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß, falls die Batterie nicht angeschlossen ist, die Spannung über den Stiften 3 und 10 der Steuerung 20 bis zu einem Punkt ansteigt, der die Spitze der in der Wicklung S des 50 Hz Transformators T3 erzeugten Wechselstromwelle ist. Diese Spannung könnte für die integrierte Schaltung zu hoch sein und deshalb schaltet, wenn die Spannung über den Stiften 3 und 10 der Steuerung 20 etwa 30 Volt überschreitet, ein interner Regler in der Steuerung 20 die Funktion dieser Steuerung in der Weise ab, daß die Spannungsbeanspruchung für verschiedene Komponenten in dieser integrierten Schaltung auf ein Minimum reduziert ist. Somit hemmt die Anlegung einer zu hohen Spannung an diesen Inverter dessen Betrieb. Dies erhöht die Betriebssicherheit des Systems, da es die elektrische Beanspruchung besser in der integrierten Schaltung verteilt. Da die während des Betriebes über den Transistoren GiA und QB auftretende Spannung die doppelte Speisespannung der Gleichstrombatterie ist, wird die Spannung durch Abschaltung dieser Transistoren bei abnorm hohen Spannungswerten einfach auf die Batteriespannung gesenkt, wodurch die Wahrscheinlichkeit gesenkt wird, daß die Transistoren QA und QB unter stark abnormalen Bedingungen ausfallen könnten. Wenn die Spannung über der Batterie 14 über die Ze_nerspannung
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der Diode D104 ansteigt, beginnt die Zenerdiode D104 zu leiten, und die Spannungsregelung wird durch die der Wicklung S des Transformators T3 innewohnende Impedanz durchgeführt. Die an die Schaltungsanordnung angelegte Spannung wird somit unter recht ungünstigen Überspannungsbedingungen auf einen sicheren Wert begrenzt. Falls die Spannung weiter ansteigt, weil eine falsche Spannung an die Primärwicklung P des Transformators T3 angelegt ist, und wenn sich keine Batterie in dem Stromkreis befindet, besteht der wahrscheinlichste Fehlerfall der Zenerdiode D104 darin, einen Kurzschluß zu bilden, und dies schließt dann die Gleichstrom-Speisespannung für den Inverter kurz.
Es wird nun die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung für normale Bedingungen erörtert, d.h. wenn die Netzwechselspannung oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt. Unter der Annahme, daß die Netzwechselspannung bereits an die Eingangsklemmen 1 und 2 angelegt ist, ist ein Schalter 28 geschlossen, wodurch die Netzspannung über die Drossel 16 an die Lampe 12 angelegt werden kann. Da kein Startknopf oder eine Startvorrichtung nach Art eines Spannungsdurchbruches zum Starten der Lampe 12 eingesetzt worden ist, sind erfindungsgemäß Mittel vorgesehen zum Übersteuern der Invertersteuerung für die Einschaltung des Inverters, um die Lampe während normaler Bedingungen zu starten, und zum Ab schalten des Inverters, nachdem die Lampe aus der Netzwechselspannung betrieben wird. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen diese Mittel eine die Lampenspannung überwachende Anordnung in der Form einer Spannungsdurchbruchs vor richtung, wie beispielsweise einer Zenerdiode D122, die in Reihe mit zwei Dioden D124 und D126 und einem Widerstand R107 der Lampe 12 parallel
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geschaltet ist. Eine Licht emittierende Diode D130 ist ebenfalls mit diesem Zweig in Reihe geschaltet, und ein Kondensator C107ist der Dioden-Reihenschaltung parallel geschaltet. Das Anlegen der Netzspannung an die Lampe 12 bewirkt, daß die Zejierdiode D122 leitend wird, wodurch die Licht emittierende Diode (LED) D130 wirksam wird.Die von der Diode D130 emittierten Photonen bewirken, daß ein Fototransistor QP eingeschaltet wird, wodurch die Entladung des die Leitung überwachenden Kondensators C104 über einen Strombegrenzungswiederstand R108 gestattet ist. Da die die integrierte Schaltung aufweisende Steuerung 20 eine Senkung der Netzspannung am Stift 7 sieht, wird der Inverter einge schaltet, wodurch ein Starten der Lampe 12 herbeigeführt wird. Nach dem Starten der Lampe, nachdem die Lampenspannung auf den normalen Betriebswert abfällt, hört die Ze_nerdiode D122 auf zu leiten, wodurch die Licht emittierende Diode und der Fototransistor QP ausgeschaltet werden. Es sind Sicherungsmittel vorgesehen, damit der Inverter 10 für eine vorbestimmte Zeit arbeitet, nachdem die Lampenspannung einen normalen Betriebsbzw. Dauerwert erreicht. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfassen diese Sicherungsmittel ein RC-Zeitglied mit einem Widerstand R109 und einem Kondensator C104, das eine Zeitverzögerung von vorbestimmter Dauer liefert. Der Kondensator C104 lädt sich dann graduell auf über einen Ladewiderstand R109 und nach einer kurzen Verzögerung tastet der Stift 7 der Steuerung 20 eine geeignete Spannung ab und schaltet den Inverter 10 aus. Die Wahl des Wertes des Widerstandes R109 in Verbindung mit dem Kondensator C104 kann variiert werden, um eine längere oder kürzere Ladungsseit für den Kondensator zu bewirken. Somit kann die
Dauer der Zeitverzögerung vor dem Ausschalten des Inverters gesteuert werden, um die angemessene Vorwärmung der Lampe für eine lange Lebensdauer sicherzustellen. Es sei bemerkt, daß die Licht emittierende Diode D130 und der Fototransistor QP einen Optokoppler bilden, der vorteilhafterweise in der Form einer integrierten Schaltung ausgebildet sein kann.
Somit wird deutlich, daß die Lampe 12 ein- und ausgeschaltet werden kann durch Öffnen und Schließen des Schalters 28, ohne daß der Inverter 10, außer zum Starten der Lampe, aktiviert wird. Der Inverter dient deshalb zum Starten der Lampe während normaler Bedingungen und auch zum Starten und Betreiben der Lampe während Notsituationen, beim Ausfall der Netzwechselspannung.
Bei der in der Zeichnung gezeigten Anordnung kann ein Lampensockel als ein Sicherheits-Lampentrennhalter dienen. Wie gezeigt, sind Mittel in der Schaltungsanordnung zum Verbinden der Lampe 12 vorgesehen, die ein erstes Paar Anschlüsse 32, 32' und ein zweites Paar Anschlüsse 34, 34' umfassen. Der Anschluß 32' ist über den Eingangsanschluß 2 mit Erde verbunden. Wenn die Lampe aus dem Stromkreis herausgenommen wird, ist der die Lampenspannung überwachende Unterschaltkreis mit der Ze_nerdiode D122 geöffnet, da deren Verbindung mit Erde über den Anschluß 32 und den Lampenglühfaden 30 unterbrochen ist. Infolgedessen schaltet während normaler Bedingungen (wenn die Netzwechselspannung oberhalb eines vorbestimmten Wertes ist) der Inverter 10 nicht ein. Wenn, als weiteres Beispiel, nur das Glühfadenende 27 der Lampe 12 aus dem Stromkreis herausgenommen ist, kommt eine Person, die mit den mit dem Glühfaden 27
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verbundenen Lampenstiften in Berührung kommt, effektiv nur mit Erde in Kontakt, da der Glühfaden 3o geerdet ist; es tritt also kein elektrischer Schlag auf. Wenn nur das Glühfadenende 30 der Lampe 12 aus dem Stromkreis herausgenommen ist, arbeitet der Inverter nicht, und eine mit den Lampenstiften, die mit dem Glühfaden 30 verbunden sind, in Kontakt kommende Person erhält keinen elektrischen Schlag, da die Lampe ohne Starthilfe aus dem Inverter nicht ionisiert. Sollte die Lampe 12 bei Notzuständen teilweise aus dem Stromkreis kommen (wenn der Inverter 10 in Betrieb ist), wird eine mit den Lampenstiften, die mit dem Glühfaden 30 verbunden sind, in Kontakt kommende Person vor einem starken elektrischen Schlag geschützt aufgrund der Tatsache, daß die Wicklung S1 des Transformators T1 mit einer sehr kleinen Kapazität gegen Erde versehen ist, wodurch der Stromfluß begrenzt wird. Diese verkleinerte Kapazität gegen Erde ist vorwiegend dadurch erreicht worden, daß die Wicklung physikalisch klein und elektrisch so weit wie möglich von dem Außengehäuse und anderen Wicklungen entkoppelt gehalten ist.
Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde , kann die Steuerschaltung 20 als eine einzelne monolithische integrierte Schaltung gefertigt sein. In dieser Form ist die Verwendung von Hilfsstromquellen besonders praktikabel. In dem in der US-PS 3 921 005 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Stromverbrauch und demzufolge die Leistungsabfuhr in der Steuerung 20 über dem Betriebsbereich im wesentlichen unabhängig von der Batteriespannung. Weiterhin kann die Steuerschaltung an die verschiedenen Leistungswerte der Inverter angepasst werden, indem die Ströme in der Steuer-
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schaltung entsprechend bemssen werden.
Das in der Zeichnung gezeigte Beispiel einer Beleuchtungsschaltung wurde aus Komponenten mit den folgenden Daten bzw. Werten aufgebaut und mit diesen zufriedenstellend betrieben :
Transistoren QA, QB Transformator T1
Transformator T2
Transformator T3
Induktivität LI
D44C10
Primärwicklung P, 50 Windungen, Draht 0,64 mm (0,0253 Zoll) Durchmesser,
Lastwicklung S1, 1130 Windungen, Draht 0,16 mm (0,0063 Zoll) Durchmesser Rückkopplungswicklung S2, 3 Windungen, 0,16 mm (0,0063 Zoll) Durchmesser Kollektorwicklungen A und B, 6 Windungen, Draht 0,32 mm (o,0126 Zoll) Durchmesser Ausgangswicklung D, 24o Windungen, 0,18 mm (0,0071 Zoll) Durchmesser
Primärwicklung P, 3332 Windungen, Draht 0,11 mm (0,0045 Zoll) Durchmesser Sekundärwicklung S, 290 Windungen, Draht 0,2 mm (0,0080 Zoll) Durchmesser Heizwicklung H, 66 Windungen, 0,25 mm (0,01006 Zoll) Durchmesser
73 Windungen, Draht 0,81 mm.
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Lampe 12
Batterie 14
Drossel 16 Widerstand R101 (alle 5%) R102
R103
R104
R105
R107
R108
R109 Kondensator C101
C102(2) C104 C105 C107
Dioden D101, D102, D1Q3, D126, D124 Dioden D111, D115 Zenerdioden D104,D120 Zenerdiode D122
LED D130
Fototransistor QP (0,032 Zoll) Durchmesser F40T12/RS
7 Zellen, 1/2 D, Hochtemperatur Ni -Cd KNOBEL Nr.40-5340 15 Kiloohm 1/4 Watt 22 Kiloohm 1/4 Watt 22 Kiloohm 1/4 Watt 100 Kiloohm 1/4 Watt 220 Kiloohm 1/4 Watt 100 Kiloohm 2 Watt 680 Kiloohm 1/4 Watt 18 Kiloohm 1/4 Watt 0,22 /uF, 50 Volt Wechselstrom, 10%
5100 pF, 400 Volt, 5% 2,0 /uF, 50 Volt, 20% 0,01 /uF, 100 Volt, 2o% 100 pF, 500 Volt Wechselspannung , 10%
IN 4004 1 Ampere, 400 Volt DA 1701, 0,2 Ampere, 25 Volt 20 Volt, 1 Watt, 5% 150 Volt Gleichspannung, 1 Watt, 5%
IC-Fotokoppler H11A5(GE)
Die Steuerschaltung 20 ist sowohl als diskrete Schaltung als auch als monolithische integrierte Schaltung aufgebaut und zufriedenstellend betrieben worden; diesbezüglich wird auf die US-PS 3 921 005
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verwiesen.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist für einen Betrieb einer 40 Watt Schnellstart-Fluoreszenzlampe aus einer Quelle von 220 Volt und 50 Hz, einem Notbetrieb bei 5500 Hz aus einer Batterie (für 100 Minuten) ausgelegt. Diese Schaltungsanordnung ist auch mit Erfolg verwendet worden für den Betrieb einer 65 Watt Schnellstart-Fluoreszenzlampe. Eine andere Schaltungsanordnung wurde aufgebaut für einen Betrieb einer 20 Watt Schnellstartlampe aus einer Wechselspannungsquelle von 120 Volt und 60 Hz und aus einer Batterie; diese Schaltungsanordnung hatte abgesehen von den folgenden Komponenten die gleichen Werte wie die vorstehend beschriebenen Komponenten :
Widerstand R107 R109 Transformator T3
Zenerdiode D122 LED D130
Fototransistor OP
47 Kilo-Ohm, 2 Watt 10 Kilo-Ohm, 1/2 Watt Primärwicklung P I690 Windungen, Draht 0,16 mm (0,0063 Zoll) Durchmesser;
Sekundärwicklung S 340 Windungen, Draht 0,16 mm (0,0063 Zoll) Durchmesser; Heizwicklung H 80 Windungen, Draht 0,32 mm (0,0126 Zoll) Durchmesser
100 Volt, 1/2 Watt
IC Fotokoppler - H11A5 (GE)
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Kondensator C107 0,001 /uF, 200 Volt C108 (nicht gezeigt) 0,001 /uF, 50 Volt (zwischen
Basis des Fototransistors und Stift 10 der Steuerung 20); Drossel 16 89G988 (GE).
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Leerseite

Claims (15)

  1. Patentansprüche
    Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Gasentladungslampe ,
    gekennzeichnet durch
    eine Drossel (16) umfassende Mittel, die mit einer Netzwechselspannungsquelle verbunden sind, zum Betreiben der Lampe (12) bei Netzfrequenz während normaler Bedingungen, wenn sich die Netzwechselspannung oberhalb eines vorbestimmten Wertes befindet,
    und durch einen Inverter (10) umfassende Mittel, die mit einer Gleichstromquelle verbunden sind, zum Starten der Lampe während normaler Bedingungen und zum Starten und Betreiben der Lampe während Notsituationen, wenn die Netzwechselspannung unterhalb eines zweiten, vorbestimmten Wertes liegt,
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    ORIGINAL INSPECTED
    wobei der Inverter eine Wechselenergie bei einer Frequenz liefert, die wesentlich höher als die Netzfrequenz ist.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß Mittel zum Steuern des Inverters (10) mit einem ersten Sensor vorgesehen sind, der auf ein mit der Netzwechselspannung in Beziehung stehendes Signal anspricht zum Einschalten des Inverters, wenn die Netzwechselspannung unterhalb des zweiten, vorbestimmten Wertes ist, und zum Ausschalten des Inverters, wenn die Netzwechselspannung oberhalb des ersten, vorbestimmten Wertes ist, und durch Übersteuerungsmittel zum Einschalten des Inverters zum Starten der Lampe während normaler Bedingungen und zum Ausschalten des Inverters, nachdem die Lampe aus der Netzwechselspannung betrieben ist.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Übersteuerungsmittel eine Anordnung zum Überwachen der Spannung über der Lampe und eine Anordnung zum Einschalten des Inverters, wenn die Spannung über der Lampe oberhalb eines vorbestimmten Wertes ist, und zum Ausschalten des Inverters umfassen, wenn die Lampe in Betrieb kommt und die darüber abfallende Spannung unterhalb eines anderen vorbestimmten Wertes ist.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
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    daß die überwachungsanordnung eine Spannungsdurchbruchsvorrichtung aufweist, die bei Herstellung der Leitfähigkeit die Aktivierung eines Optokopplers gestattet zur Beseitigung des Signales von dem ersten Sensor, so daß der Inverter eingeschaltet ist.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Inverterbetrieb für eine vorbestimmte Zeit sichergestellt ist, nachdem die Lampenspannung einen normalen Dauerwert erreicht.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet,
    daß ein RC-Glied vorgesehen ist, das eine Zeitverzögerung liefert zum Wiederherstellen des Signales für den ersten Fühler derart, daß der Inverterbetrieb für eine vorbestimmte Zeit sichergestellt ist, nachdem die Lampenspannung den normalen Dauerwert erreicht.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Inverter abgestimmt ist und ein Paar Transistoren (QA, QB) enthält, die in einem Umschal tbetrieb bei geringen Verlusten arbeiten.
  8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet,
    daß Mittel zum Ermöglichen des Betriebes des Transistors in dem Umschaltbetrieb bei niedrigen Verlusten vorgesehen sind, daß die Invertersteuerung einen Basisstrom zum Umschalten der
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    Transistoren liefert, wenn die Kollektorspannung null ist, und daß eine Zeitsteuerungsinformation an die Invertersteuerung geliefert ist zum Umschalten der entsprechenden Transistoren im Gleichschritt bzw. in Phase mit der Resonanzgrundfrequenz des Inverters.
  9. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
    daß ferner Mittel vorgesehen sind zur Lieferung eines Riickkopplungs stromes an die Invertersteuerung zur Lieferung eines Transistor-Basisstromes, der dem Kollektorstrom des Transistors proportional ist.
  10. 10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Rückkopplungsstrom von einer Rückkopplungswicklung geliefert ist, die magnetisch mit den entsprechenden Kollektoren der Transistoren gekoppelt ist.
  11. 11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 1 dadurch gekennzeichnet,
    daß die Invertersteuerung einen Nulldurchgangsdetektor aufweist, der den Rückkopplungsstrom und zwei Ausgangssignale empfängt zum Ansteuern der entsprechenden Transistoren.
  12. 12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
    daß ein erster Transformator vorgesehen ist, der den Inverter mit der Lampe koppelt, und daß die
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    die Transistoren, ansteuernde Anordnung eine
    Pufferinduktivität ist, die elektrisch mit der
    Gleichstromquelle und einer Mittelanzapfung einer Primärwicklung des ersten Transformators in Reihe geschaltet ist.
  13. 13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das eine Zeitsteuerinformation liefernde
    Mittel eine Hilfswicklung ist, die mit der Primärwicklung des ersten Transformators magnetisch gekoppelt ist.
  14. 14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der erste Sensor ein Ausgangssignal erzeugt
    und die Invertersteuerung einen zweiten Fühler
    zum Abtasten der Spannung der Gleichstromquelle
    und zum Erzeugen eines Ausgangssignales und Logikmittel umfaßt zum Vereinigen der Ausgangssignale des ersten Fühlers und des zweiten Fühlers zum
    Ansteuern des Inverters, wenn die Gleichspannung oberhalb eines vorbestimmten Wertes und die Netzwechsel spannung unterhalb des zweiten vorbestimmten Wertes ist, und zum Abschalten bzw. Sperren
    des Inverters, wenn die Gleichspannung unterhalb eines vorbestimmten Wertes oder die Netzwechselspannung oberhalb des ersten vorbestimmten Wertes ist.
  15. 15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3>
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Lampe zwei Anschlußpaare aufweist und daß der eine Anschluß des ersten Anschlußaares mit
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    Erde verbunden ist, die Spannungsüberwachungsanordnung an dem einen Ende mit dem zweiten Anschlußpaar und an dem anderen Ende mit dem zweiten Anschluß des ersten Anschlußpaares verbunden ist derart, daß bei einer Kontakttrennung der Lampe an dem ersten Anschlußpaar während normaler Bedingungen die Spannungsüberwachungsanordnung einen Leerlauf bildet und der Inverter nicht einschaltbar ist.
    4/0963
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