DE3107061A1

DE3107061A1 - "elektronisches vorschaltgeraet fuer leuchtstofflampen"

Info

Publication number: DE3107061A1
Application number: DE19813107061
Authority: DE
Inventors: Kyoo Hyung; Myoung Ku
Original assignee: KUMPA INST ELECTRONIC RES; Kumho Electric Inc
Current assignee: KUMPA INST ELECTRONIC RES; Kumho Electric Inc
Priority date: 1980-02-29
Filing date: 1981-02-25
Publication date: 1981-12-17
Also published as: FR2477358A1; ES499883A0; ES8204271A1; GB2071949A; IT8119962A1; FR2477358B1; IT8119962A0; IT1169218B; KR810000566B1

Description

ELISABETH JUNG dr.phil.dipl-chem. 8000 MÖNCHEN 40.

JÜRGEN SCHIRDEWAHN dr.rer.nat.,dipl-phys.

GERHARD SCHMITT-NILSQN dr.-.ns. _y SSroSKSeSr

GERHARD B. HAGEN dr.phil. 6 telegramm/cable.·inventmonchen

PETER HIRSCH dipl-ινθ. telex:s-29688

PATENTANWÄLTE 3107061

PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE

u.Z.: Q 611 M3 (Hi/we)

Kumho Electric Incorporated und

Kumpa Institute of Electronic Research,

Seoul, Republik Korea

25. Februar 1981

¹¹ Elektronisches Vorschaltgerät für Leuchtstofflampen "

Beanspruchte Priorität:

29. Februar 1980, Republik Korea, Nr. 859/80

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichterschaltung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für ein elektronisches Vorschaltgerät für Leuchtstofflampen.

Obwohl es Lampen nahezu so lange wie die Elektrizität gibt und verschiedene Arten von Lampen entwickelt worden sind, sind bisher keine mit hohem Wirkungsgrad geschaffen worden.

Unter anderem steht die Leuchtstofflampe wegen ihres relativ günstigen Wirkungsgrades im Rampenlicht und daher wird sie heutzutage in sehr großem Umfang verwendet. Leuchtstofflampen benötigen jedoch wie andere Entladungsröhren zu Beginn des Leuchtens hohe Spannungen und halten während der Leuchtdauer nahezu konstante Spannungen aufrecht. Dadurch wird es schwierig, die Lampen mit gutem Wirkungsgrad zu betreiben.

Seit der Erfindung der Leuchtstofflampen sind viele Methoden

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entwickelt worden, um die Leuchtstofflampen mit gutem Wirkungsgrad zum Leuchten zu bringen. Die herkömmlichen Drosselvorschaltgeräte, die in einem frühen Stadium entwickelt worden sind, werden jedoch in unseren Tagen immer noch als die populärste Lösung betrachtet, trotz ihrer vielen Nachteile aufgrund technischer Schwierigkeiten bei anderen Methoden und wirtschaftlicher Betrachtungen solcher Methoden.

Da heutzutage sehr schnelle Hochspannungstransistoren zu geringen Kosten verfügbar sind, werden nun Halbleitervorrichtungen bei der Entwicklung hochwirksamer und zuverlässiger elektronischer Vorschaltgeräte in Betracht gezogen.

Die Notwendigkeit eines elektronischen Vorschaltgerätes mit besserem Wirkungsgrad ist außerdem angesichts der dauernd ansteigenden Energiekosten gewachsen.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Transistorwechselrichter verfügbar gemacht, mit dem Leuchtstofflampen mit sehr gutem Wirkungsgrad zum Leuchten gebracht werden können.

Wie dies erfindungsgemäß erreicht wird, ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Im folgenden werden die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer Schaltung unter Verwendung des herkömmlichen Drosselvorschaltgerätes, mit der Leuchtstofflampen zum Leuchten gebracht werden können;

Fig. 2 ein Beispiel einer herkömmlichen Wechselrichterschaltung, mit welcher Fluoreszenzlampen zum Leuchten gebracht werden können;

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f-S>

Fig. 3 eine Grundschaltung eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerätes zum Inbetriebnehmen von Leuchtstofflampen;

Fig. 4 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der in Fig. 3 gezeigten Schaltung, zur Erläuterung des grundsätzlichen Treibmechanismus der Schaltung;

Fig. 5 eine Signalformdarstellung zur Erläuterung der Schaltoperation der in Fig. 3 gezeigten Schaltung;

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Vorschaltgerätes in Vollbrückenaufbau;

Fig. 7 Beispiele für Schaltungsanordnungen zum Inbetriebnehmen einer Leuchtstofflampe unter Verwendung der er f indungs gemäß en Grunds chaItun g;

Fig. 8 Beispiele für Schaltungsanordnungen zum Inbetriebnehmen zweier in Reihe angeordneter Leuchtstofflampen, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Grundschaltung;

Fig. 9 Beispiele für Schaltungsanordnungen zum Inbetriebnehmen dreier in Reihe angeordneter Leuchtstofflampen, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Grundschaltung; und

Fig. 10 Beispiele für Schaltungsanordnungen zum Inbetriebnehmen mehrerer parallel angeordneter Leuchtstofflampen, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Grundschaltung.

Zunächst werden kurz die Eigenschaften des Erfindungsgegenstandes im Vergleich mit herkömmlichen Drosselvorschaltgeräten betrachtet.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer Schaltung, bei der ein herkömmliches Drosselvorschaltgerät verwendet wird. Es sind meh-

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rere modifizierte Anordnungen möglich. Die Eigenschaften sind jedoch für alle solche Anordnungen, bei denen Drosselvorschalt geräte verwendet werden, nahezu gleich. Die Hauptnachteile dieser herkömmlichen Methode sind folgende:

1) Die Energieverluste in der Drossel, die in folgende zwei Klassen eingeteilt werden können:

zur einen Klasse gehören die Widerstandsverluste des Kupferdrahtes, die sogenannten "Kupferverluste", und zur anderen gehören die sogenannten "Hystereseverluste" des Eisenkerns. Aufgrund dieser beiden Faktoren beträgt der Energieverlust im allgemeinen 25 % oder mehr der Gesamtenergie.

2) Aufgrund des Vorhandenseins des Eisenkerns ist das Gewicht des Drosselvorschaltgerätes recht groß.

3) Aufgrund von Schwingungen des Eisenkerns wird ein hörbares Geräusch (Brummen aufgrund der Netzfrequenz von beispielsweise 50 Hz) erzeugt.

4) Der Leitungsleistungsfaktor wird niedrig, was zu überflüssigen Energieverlusten in der Übertragungsleitung führt, wenn man keine Kompensation durch Einfügen externer Kondensatoren vornimmt, was zu zusätzlichen Verlusten führt.

Diese Nachteile kann man ausschalten, indem man Transistorwechselrichter anstelle des herkömmlichen Drosselvorschaltgerätes verwendet.

Mit Wechselrichter ist eine Vorrichtung gemeint, mit der man eine Gleichstromquelle in eine Wechselstromquelle umwandeln kann, und hierfür sind viele Methoden entwickelt worden. Je nach den Zielen der Anwendungen besitzen sie Vorteile und Nachteile.

Im vorliegenden Fall muß die Gleichstromversorgung für den

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Wechselrichter durch Gleichrichten der Netzwechselspannung unter Verwendung von Dioden bewirkt werden. Die Entwurfsbedingungen für die Wechselrichterschaltung zum Inbetriebnehraen von Leuchtstofflampen werden daher sehr schwierig, weil die der Gleichstromversorgungsspannung überlagerte Spannungswelligkeit im allgemeinen sehr groß ist und die Leucht- bzw. Brenneigenschaften sehr kritisch sind, was das gemeinsame Problem für alle Wechselrichterschemata ist, mit denen Fluoreszenzlampen zum Leuchten gebracht werden können.

Bevor die Erfindung erläutert wird, sei ein typischer herkömmlicher Wechselrichter betrachtet, bei dem ein Ferrittransformator verwendet wird.

Fig. 2 zeigt ein typisches Beispiel einer Wechselrichterschaltung für das Zum-Leuchten-Bringen einer Fluoreszenzlampe .

Der Strom von der Gleichstromquelle. V wird umgewandelt in einen Wechselstrom, und zwar durch das Selbstschwingen von Transistoren Q^ und Q„ mit hoher Frequenz von etwa 20 bis 50 kHz, wobei man eine beliebig hohe Spannung dadurch erhalten kann, daß man das Windungsverhältnis zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung eines Transformators T. einstellt. Und auf diese Weise kann man die Leuchtstofflampe zum Leuchten bringen.

Wenn in diesem Fall die Sekundärspannung hoher gemacht wird, sollte der Wert der Drossel Lj₁ größer sein; dieser Wert ist jedoch vernachlässigbar im Vergleich zu dem Wert der in Fig. gezeigten Drossel L,_. Wegen des Vorhandenseins von L,.. treten hohe Spannungsspitzen an den Kollektoren der Transistoren Q₁ und Q₂ auf, und ein Blindstrom hohen Betrages schwingt während des Betriebes des Wechselrichters laufend zwischen Quelle und Last. Der Betrag des schwingenden Stroms hängt in

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großem Maße vom Wert von L,.. und vom Transformatorwicklungsverhältnis N₀/N ab.

Das Transistorschalten zwischen Q₁ und Q₀ während des Betriebes tritt bei jedem maximalen Spitzenwert des Kollektorstroms auf, was zu beträchtlichen Energieverlusten aufgrund der Abschaltverzögerung beim Abschalten aus dem leitenden Transistorzustand führt. Deshalb ist es prinzipiell sehr schwer, bei Verwendung dieser Art von Wechselrichterschaltung einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.

Wenn in Reihe zur Drossel L,.. ein Kondensator C^₁ eingefügt wird, um eine Serienresonanzschaltung zu bilden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, kann der Wirkungsgrad des Wechselrichters etwas verbessert werden. Diese Methode ist jedoch ebenfalls nachteilig hinsichtlich der Kosten, da sie nicht nur große und teure Ferrittransformatoren erfordert, sondern auch sehr schnelle Hochspannungs- und Hochleistungs-Schalttransistoren.

Die Erfindung betrifft einen neuen Transistorwechselrichter, bei dem die vorausgehend erläuterten Probleme nahezu vollständig ausgeschaltet sind und der sich auf einfache Weise mit niedrigen Kosten verwirklichen läßt und einen hohen Wirkungsgrad und hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Eine erfindungsgemäße Grundschaltung weist den in Fig. 3 gezeigten Aufbau auf. Ein mit T bezeichneter Eisenkerntransformator 3 weist eine Primärwicklung N₁ und zwei Sekundärwicklungen N₀ auf. Parallel zu einer jeden Sekundärwicklung N₀ ist die Basis-Emitterstrecke eines Schalttransistors Q₁ bzw. Q₂ geschaltet. Die beiden Schalttransistoren Q und Q₂ sind mit ihren Kollektor-Emitterstrecken in Reihe geschaltet. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind beide Schalttransistoren durch NPN-Transistoren gebildet. Diese Reihenschaltung aus den beiden Schalttransistoren Q₁ und Q₂ ist parallel zu einer Gleichspannungsquelle V geschaltet, wobei der Kollektor

des Schalttransistors Q₁ mit dem einen Pol und der Emitter des

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Schalttransistors Q„ mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle V verbunden ist. Die Primärwicklung N₁ des Transformators 3 ist einen Endes mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des Schalttransistors Q₁ und dem Kollektor des Schalttransistors Q₂ verbunden und anderen Endes an eine mit L bezeichnete Drossel 4 angeschlossen. Das andere Ende der Drossel 4 ist mit einer Elektrode einer Leuchtstofflampe 7 verbunden. An den Verbindungspunkt zwischen dieser Elektrode der Leuchtstofflampe 7 und der Drossel 4 sind zwei Kondensatoren C angeschlossen, von denen einer, nämlich der mit 5 bezeichnete Kondensator, mit dem Kollektor des Schalttransistors Q₁ und der andere, nämlich der mit 6 bezeichnete Kondensator, mit dem Emitter des Schalttransistors Q₂ verbunden ist. Die am anderen Ende der Leuchtstofflampe befindliche Elektrode ist an den Mittelpunkt einer Serienschaltung mit zwei mit C„ bezeichneten Transistoren 8 und 9 angeschlossen, wobei diese Serienschaltung parallel zu den an die andere Elektrode der Leuchtstofflampe 7 angeschlossenen Kondensatoren 5 und 6 geschaltet ist. Zu dieser Serienschaltung mit den Kondensatoren 8 und 9 kann eine Reihenschaltung mit zwei gleichsinnig verbundenen Dioden 10 und 11 parallelgeschaltet sein. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist die Kathode der oberen Diode 10 mit dem positiven Pol und die Anode der unteren Diode 11 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle V verbunden.

Wie in Fig. 3 angedeutet ist, kann die Gleichspannung V„ aus einer Wechselspannungsquelle AC, beispielsweise aus der Netzspannung, gewonnen werden.

Fig. 4 ist ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der Fig. 3, wobei die Transistoren Q₁ und Q₂ durch zwei Schalter S₁ bzw. S₂ ersetzt sind. Wenn in Fig. 4 die Schalter S. und S synchron mit der natürlichen Frequenz bzw. Eigenfrequenz der aus L und 2C₁ zusammengesetzten Serienresonanzschaltung abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, erscheint, wenn die Leuchtstofflampe noch nicht leuchtend geschaltet ist, aufgrund

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der Schaltungsresonanz eine sehr hohe Spannung über dem Kondensator 2C₁; in diesem Fall beeinflußt der Kondensator 2C^ die Schaltung überhaupt nicht, da die Lampe als ein offener Schalter betrachtet werden kann. Wenn die Resonanzspannung über 2C| größer wird als der Spannungswert, bei dem die Entladung der Leuchtstofflampe einsetzt, wird die Lampe zum Leuchten gebracht und vermindert sich die Spannung über der Lampe zunehmend, bis sie einen bestimmten Wert erreicht, der in Abhängigkeit von der Art der Lampe unterschiedlich ist. In diesem Fall kann die der Lampe zugeführte Energie durch Einstellen des Kapazitätswertes 2C_gesteuert werden.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltung sind die in Fig. 4 gezeigten Schalter durch zwei Transistoren Q₁ und Q„ ersetzt, und die Zustände der Transistoren müssen in jedem Moment während des Betriebes einer von den folgenden beiden Zuständen sein: Q₁ ein und Q„ aus oder Q₁ aus und Q„ ein. Folglich ist die maximale Spitzenspannung über dem im Aus-Zustand befindlichen Transistor genau die Quellenspannung V , und in diesem Fall tritt kein Problem mit einer hohen Spitzenspannung auf. Daher kann man einen zuverlässigen Betrieb garantieren, selbst wenn.man Niederspannungstransistoren verwendet .

In Fig. 5 sind Signalformverläufe während des Betriebes der in Fig. 3 gezeigten Schaltung dargestellt. Fig. 5(i) zeigt in Abhängigkeit von der Zeit T die Quellengleichspannung V , der die Kollektorspannung des Transistors Q₁ entspricht, sowie die zwischen der Sättigungsspannung V.,- des Transistors Q₁ und zwischen der Sättigungsspannung V-,„ des Transistors Q„ wechselnde Kollektorspannung des Transistors Q„. Fig. 5(ii) zeigt in Abhängigkeit von der Zeit den Verlauf der Kollektor-Emitter-Spannung V des Transistors Q_ und die Basis-Emitter-Spannung V des Transistors Q-·

Der Transformator T ist ein Stromwandler, der eine wichtige Rolle beim abwechselnden Einschalten und Ausschalten der beiden

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Transistoren Q. und Q₂ mit der Eigenresonanzfrequenz der Schaltung spielt. Durch die Arbeitsweise von T_ können die beiden Transistoren nicht gleichzeitig eingeschaltet werden, d.h., zu einem Zeitpunkt kann sich immer nur einer im leitenden Zustand befinden, und zudem wird der Basis des leitenden Transistors während einer bestimmten Periode ein Strom zugeführt, der das TSL/N_-fache des dem Kollektor zugeführten Stromes ist. Folglich tritt das Ausschalten des im Ein-Zustand befindlichen Transistors auf, wenn der Kollektorstrom (der gleich dem Strom der Induktivität L_n ist) aufgrund der Rolle des Stromwändlers bzw. Stromumformers T_Q auf null abfällt. · Im tatsächlichen Betrieb tritt dies automatisch auf, da der Strom der Induktivität aufgrund des Vorhandenseins der Kondensatoren C_Q und C₁ automatisch auf null abfällt. In diesem Fall werden die Kondensatoren aufgrund der Rolle von L_ überladen, was einer der beiden Hauptfaktoren (der andere ist der Magnetisierungseffekt des Stromumformers T) dafür ist, daß das nächste Mal der entgegengesetzte Transistor dadurch eingeschaltet wird, daß aufgrund der überladungsspannungen der umgekehrte Strom durch den ausgeschalteten Transistor gezwungen wird. Auf diese Weise wird die Schwingung des Wechselrichters aufrechterhalten. Aus der oben dargestellten Arbeitsweise kann man folgendes sehen: Da der Mechanismus der Schwingung in enger Verbindung mit der Serienresonanz der Schaltung steht, erscheint eine sehr hohe Spannung von Q_n-V über dem Kondensator C,, wenn die Lampe abgetrennt wird, wobei Q_Q der. Schaltungsgütefaktor darstellt. Die Leuchtstofflampe wirf? zum Leuchten gebracht, wenn die Kondensatorspannung den Spitzenentladungswert der Lampe übersteigt.

Wenn die Lampe einmal zum Leuchten gebracht ist, kann der durch die Lampe fließende Strom durch den Kondensator 2C_ gesteuert werden, und die Schwingfrequenz wird niedriger, da sich der Gesamtwert der Kapazität von 2C₁ auf 2C₁+2C erhöht hat. Wenn in diesem Fall der die Entladung initiierende Kondensator 2C₁ direkt mit der Induktivität L verbunden ist, die einen Nebenschluß für die Glühfäden bzw. Elektroden der

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.1 :

Leuchtstofflampe darstellt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, ist dies vorteilhaft zur Erzeugung einer hohen Spannung für die Initialentladung der Lampe, da der Gütefaktor Q_Q groß wird, wenn die Resonanzschaltung lediglich aus L_n und 2C. zusammengesetzt ist. Zieht man jedoch den ungünstigsten Fall in Betracht, tritt immer ein gefährliches Hochspannungsproblem auf, wenn die Lampe im Zustand eingeschalteter Energie entfernt wird. Die Schwingung wird aufrechterhalten, selbst nachdem die Lampe aus der Schaltung herausgenommen ist, was eine unerwünschte Erscheinung ist. Wenn ferner die Resonanzspannung den maximalen Arbeitswert des Kondensators C. übersteigt, wird der Kondensator in den Durchbruch gebracht.

Wenn man nun, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, die Kondensatoren C₁ über mindestens einen Glühfaden der Leuchtstofflampe anschließt, wird der Gütefaktor der Resonanzschaltung aufgrund des Glühfadenwiderstandes der Lampe herabgesetzt und wird die Schwingung angehalten, wenn die Lampe abgenommen wird. Als Ergebnis ist die Resonanζspannung Q_n-V herabgesetzt, aber die Entladungsauslösespannung der Lampe ist ebenfalls stark herabgesetzt, und zwar aufgrund der Wirkung der Elektronenemission vom geheizten Glühdraht.

Fig. 7 zeigt vier verschiedene Ausführungsformen, d'ie mit (i) bis (iv) bezeichnet sind. Die in Fig. 7 dargestellten Ausführungsformen zeigen je nur einen Teil der in Fig. 3 dargestellten Gesamtschaltung, wobei die Anschlüsse a, b, c, d, e, f mit den entsprechenden Anschlußstellen in Fig. 3 verbunden werden. Die Ausführungsformen in Fig. 7 zeigen also nur den Schaltungsteil mit der Leuchtstofflampe, die Serienresonanzschaltung mit der Induktivität L und den Kondensatoren C₁ und die Kondensatoren C_n.

Die in Fig. 7(i) dargestellte Ausführungsform stimmt mit der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform des zwischen den Anschlüssen a bis f dargestellten Schaltungsteils mit der Ausnahme überein, daß der Verbindungspunkt zwischen den beiden

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in Reihe geschalteten Kondensatoren C₁ nicht direkt mit der Induktivität L₀ verbunden ist, sondern über den in der Figur links dargestellten Glühfaden der Leuchtstofflampe. Bei der in Fig. 7(ii) dargestellten Ausführungsform überbrücken die beiden Kondensatoren C. je die Entladungsstrecke der Leuchtstofflampe, wobei einer dieser Kondensatoren C₁ mit der Induktivität L_ des in der Figur links gezeigten Glühfadens der Leuchtstofflampe mit dem mit dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren C verbundenen Ende des rechts dargestellten Glühfadens der Leuchtstofflampe verbindet, während der andere Kondensator C₁ die beiden anderen Glühfadenenden der Leuchtstofflampe verbindet. Bei der in Fig. 7(iii) dargestellten Ausführungsform ist einer der Kondensatoren C₁ zwischen den Anschlußpunkt a und das nicht mit der Induktivität L_Q verbundene Ende des linken Glühfadens der Leuchtstofflampe geschaltet, während der andere Kondensator C₁ zwischen das mit der Induktivität L₀ verbundene Ende des linken Glühfadens und das nicht mit den Kondensatoren C₁ verbundene Ende des rechten Glühfadens geschaltet ist. Bei der in Fig. 7(iv) dargestellten Ausführungsform ist das nicht mit der Induktivität L verbundene Ende des linken Glühfadens mittels eines Kondensators mit der Kapazität 2C₁ mit dem nicht mit den Kondensatoren C₀ verbundenen :
stofflampe verbunden.

toren C verbundenen Ende des rechten Glühfadens der Leucht-

Bei allen Ausführungsformen in den Fig. 7(i) bis (iv) sind die Kapazitätswerte 2C₁ und 2C und weist die Induktivität den Wert L auf. Folglich sind die Schwingungsfrequenzen für alle diese Ausführungsformen gleich. Setzt man r als den äquivalenten Glühfadenwiderstand an (der sich entsprechend der Temperatur ändern kann), ergeben sich als äquivalente Widerstände: r bei der Ausführungsform (i), r/2 bei den Ausführungsformen (ii) und (iii) und 2r bei der Ausführungsform (iv). Somit ist der Q-Wert der Schaltung für diese Ausführungsformen verschieden.

Bei den Ausführungsformen (ii) und (iii) ist der äquivalente

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Widerstand relativ klein und somit ist Q_ größer als bei den anderen Ausführungsformen. Folglich kann die Zündresonanzspannung in angemessener Weise auf einen geeigneten Wert erhöht vjerden ,weswegen diese Ausfuhrungsformen den anderen bevorzugt werden, da die Anfangs- bzw. Zündentladung der Lampe selbst bei einer relativ niedrigen Quellenspannung auftreten kann.

In den Fig. 8 bis 10 sind Ausführungsformen für das Betreiben mehrerer Leuchtstofflampen mit einer erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung dargestellt. Wie in Fig. 7 zeigen die in den Fig. 8 bis 10 dargestellten Ausführungsformen nur den in Fig. 3 zwischen die Anschlüsse a bis f geschalteten Teil. Die Fig. 8 zeigt Ausführungsformen (i) bis (vi) für den Betrieb zweier in Reihe geschalteter Leuchtstofflampen; die in den Fig. 9 gezeigten Ausführungsformen (i) bis (vi) zeigen Ausführungsformen für den Betrieb dreier in Reihe geschalteter Leuchtstofflampen und die Fig. 10 zeigt Ausführungsformen (i) und (ii) für den Betrieb zweier bzw. dreier paralell geschalteter Leuchtstofflampen.

Bei allen in den Fig. 8 und 9 gezeigten Ausführungsformen für den Serienbetrieb mehrerer Leuchtstofflampen ist die

Induktivität L zwischen den Anschluß b und ein Ende des ο

einen Glühfadens einer der Leuchtstofflampen geschaltet und ist das eine Ende des einen Glühfadens der zweiten bzw. dritten der in Reihe geschalteten Leuchtstofflampen an den Anschlußpunkt e angeschlossen, der über je einen Kondensator C_Q mit dem Anschlußpunkt d und mit dem Anschlußpunkt f verbunden ist. Unterschiedlich sind bei diesen Ausführungsformen die Beschaltungsarten der weiteren Glühfadenanschlüsse der in Reihe betriebenen Leuchtstofflampen und die Anordnungen der den Kondensatoren C₁ in Fig. 3 entsprechenden Kondensatoren. Bei den in Fig. 10 gezeigten Ausführungsformen für den Parallelbetrieb mehrerer Leuchtstofflampen sind Induktivitäten L in der gleichen Anzahl wie parallel betriebene Leuchtstofflampen vorgesehen, die alle einen Endes im Anschlußpunkt b zusammengeschaltet sind und anderen Endes je an das eine Ende

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λ/-

des einen Glühfadens einer Leuchtstofflampe angeschlossen sind. Die je anderen Endes der Glimmlampen angeordneten Glühfäden sind je einen Endes mit dem Außenanschluß e verbunden, zwischen dem und den Außenanschlüssen d und f sich wieder je ein Kondensator C₀ befindet.

Bei der in Fig. 8(i) dargestellten Ausführungsform sind die Glühfäden einer jeden Leuchtstofflampe 1 und 2 mit einem Kondensator 4C₁ verbunden, wobei die Induktivität L_Q der linke Glühfaden der Lampe 1, der der Lampe 1 zugeordnete Kondensator 4C₁ , der rechte Glimmfaden der Lampe 1 und der linke Glimmfaden der Lampe 2 (je in der Zeichnung betrachtet), der der zweiten Lampe 2 zugeordnete Kondensator 4C₁ und der rechte Glühfaden der Lampe 2 eine zwischen die Anschlußpunkte b und e geschaltete Reihenschaltung bilden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 8(ii) ist zwischen die Anschlußpunkte b und e eine Reihenschaltung aus der Induktivität L_n, einem der ersten Lampe 1 zugeordneten Kondensator 2C dem rechten Glühfaden der Lampe 1 und dem linken Glühfaden der Lampe 2 und einem der Lampe 2 zugeordneten Kondensator 2C₁ geschaltet. Das nicht mit der Induktivität L» verbundene Ende des linken Glühfadens der Lampe 1 und das nicht mit dem Anschlußpunkt e verbundene Ende des rechten Glühfadens der Lampe 2 sind mit einem Kondensator C₁ verbunden.

Bei der in Fig. 8(iii) gezeigten Ausführungsform ist zwischen die Anschlußpunkte b und e eine Reihenschaltung aus der Induktivität L_Q, dem linken Glühfaden der Lampe 1, einem Kondensator 2C₁ und dem rechten Glühfaden der Lampe 2 geschaltet. Bei dieser Ausführungsform ist die Induktivität L„ als Transformator ausgebildet, dessen Primärwicklung zwischen den Anschlußpunkt b und den linken Glühfaden der Lampe 1 geschaltet ist und dessen Sekundärwicklung N ₂ einen Endes mit einem Ende des rechten Glühfadens der Lampe 1 und anderen Endes mit einem Ende des linken Glühfadens der Lampe 2 verbunden ist, wobei die anderen Enden des rechten Glühfadens der Lampe 1

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und des linken Glühfadens der Lampe 2 miteinander verbunden sind.

Die in Fig. 8(iv) dargestellte Ausführungsform stimmt mit der Ausführungsform nach Fig. 8(iii) mit der Ausnahme überein, daß der rechte Glühfaden der Lampe 1 und der linke Glühfaden der Lampe 2 eine Parallelschaltung bilden, zu der die Sekundärwicklung N₂ der Induktivität L_n parallel geschaltet ist.

Die in Fig. 8(v) dargestellte Ausfuhrungsform stimmt mit der Ausführungsform gemäß Fig. 8(iii) mit der Ausnahme überein, daß der in Fig. 8(iii) gezeigte Kondensator 2C₁ durch einen Kondensator C₁ ersetzt ist, der mit dem Anschlußpunkt e nicht über den rechten Glühfaden der Lampe 2, sondern direkt verbunden ist, und daß zwischen den Verbindungspunkt zwischen der Induktivität L_n und dem linken Glühfaden der Lampe 1 und das nicht mit dem Anschlußpunkt e verbundene Ende des rechten Glühfadens der Lampe 2 ein weiterer Kondensator C₁ geschaltet ist.

Fig. 8(vi) stimmt mit der in Fig. 8(v) dargestellten Ausführungsform mit der Ausnahme überein, daß der rechte Glühfaden der Lampe 1 und der linke Glühfaden der Lampe 2 und die Sekundärwicklung ISL der Induktivität L_n nicht eine Serienschaltung, sondern eine Parallelschaltung wie bei der Ausführungsform nach Fig. 8(iv) bilden.

Bei der in Fig. 9(i) dargestellten Ausführungsform ist zwischen die Anschlußpunkte b und e eine Reihenschaltung aus der Induktivität L_Q, dem linken Glühfaden einer Lampe 1, einem der Lampe 1 zugeordneten Kondensator 6C₁, dem rechten Glühfaden der Lampe 1, dem linken Glühfaden einer Lampe 2, einem der Lampe 2 zugeordneten Kondensator 6C , dem rechten Glühfaden der Lampe 2, dem linken Glühfaden einer Lampe 3, einem der Lampe 3 zugeordneten Konden; ten Glühfaden der Lampe 3 geschaltet.

einem der Lampe 3 zugeordneten Kondensator 6C₁ und dem rech-

Bei der in Fig. 9(ii) gezeigten Ausführungsform ist zwischen

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die Anschlußpunkte b und e eine Reihenschaltung aus der Induktivität L„, einem der ersten Lampe 3C₁ zugeordneten Kondensator, dem rechten Glühfaden der Lampe 1, dem linken Glühfaden der Lampe 2, einem der Lampe 2 zugeordneten Kondensator 3C₁, dem rechten Glühfaden der Lampe 2, dem linken Glühfaden der Lampe 3 und einem der Lampe 3 zugeordneten Kondensator 3C₁ geschaltet. Das nicht mit der Induktivität verbundene Ende des linken Glühfadens der Lampe 1 und das nicht mit dem Anschlußpunkt e verbundene Ende des rechten Glühfadens der Lampe 3 sind mit einem Kondensator C₁ verbunden.

Bei der in Fig. 9(iii) dargestellten Ausführungsform ist die Induktivität L- als Transformator mit einer Primärwicklung N und zwei Sekundärwicklungen n, ausgebildet. Zwischen die Anschlußpunkte b und e ist eine Reihenschaltung aus der Primärwicklung Nw dem linken Glühfaden der Lampe 1, einem Kondensator 2C₁ und dem rechten Glühfaden der Lampe 3 geschaltet. Der rechte Glühfaden der Lampe 1 und der linke Glühfaden der Lampe 2 bilden mit einer der Sekundärwicklungen N₂ eine Reihenschaltung, während der rechte Glühfaden der Lampe 2 und der linke Glühfaden der Lampe 3 mit der zweiten Sekundärwicklung Ν, eine Reihenschaltung bilden.

Die in Fig. 9(iv) gezeigte Ausführungsform gleicht der in Fig. 9(iii) gezeigten Ausfuhrungsform, mit der Ausnahme, daß der rechte Glühfaden der Lampe 1 und der linke Glühfaden der Lampe 2 mit der einen Sekundärwicklung N eine erste Parallelschaltung und der rechte Glühfaden der Lampe 2 und der linke Glühfaden der Lampe 3 mit der zweiten Sekundärwicklung N _ eine zweite Parallelschaltung bilden.

Die in Fig. 9(v) dargestellte Ausführungsform stimmt weitgehend mit der in Fig. 9(iii) dargestellten Ausführungsform überein. Unterschiede bestehen hinsichtlich des Kondensators 2C.J , der bei der in Fig. 9 (v) dargestellten Ausführungsform auf zwei Kondensatoren C₁ aufgeteilt ist, von denen einer zwischen den Verbindungspunkt zwischen der Primärwicklung N

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der Induktivität L und den linken Glühfaden der Lampe 1 und das nicht mit dem Anschlußpunkt e verbundene Ende des rechten Glühfadens der Lampe 3 geschaltet ist und der andere das nicht mit der Induktivität L verbundene Ende des

linken Glühfadens der Lampe 1 mit dem Anschlußpunkt e verbindet.

Die in Fig. 9(vi) dargestellte Ausfuhrungsform stimmt mit der Ausnahme mit der in Fig. 9(v) dargestellten Ausführungsform überein, daß die Glühfaden in der in Fig. 9 (iv) gezeigten Parallelschaltung miteinander und mit den Sekundärwicklungen N der Induktivität L verbunden sind.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 10(i), die eine Schaltung zum Parallelbetreiben zweier Leuchtstofflampen zeigt, ist ein Ende des linken Glühfadens einer jeden der beiden Lampen 1 und 2 mit je einer Induktivität L_n verbunden, während ein Ende des rechten Glühfadens einer jeden der beiden Lampen 1 und 2 mit dem Anschlußpunkt e verbunden ist. Die nicht mit der Induktivität bzw. dem Anschlußpunkt verbundenen Enden des linken bzw. rechten Glühfadens einer jeden der beiden Lampen 1 und 2 sind je über einen Kondensator 2C- miteinander verbunden.

Die in Fig.10(ii) dargestellte Ausführungsform weist den in Fig. 10(i) zwischen"· den Anschlußpunkten b und e gezeigten Schaltungsteil auf und zusätzlich und parallel zu diesem Schaltungsteil eine entsprechende Reihenschaltung mit einer weiteren Induktivität L„, dem linken Glühfaden einer weiteren Lampe (Lampe 1) , einem dieser Lampe zugeordneten Kondensator 2C₁ und dem rechten Glühfaden dieser weiteren Lampe auf.

Die in den Fig. 8 und 9 gezeigten Schaltungen, die Ausführungsformen für das Betreiben mehrerer Lampen sind, gleichen im Prinzip den in Fig. 7 gezeigten Schaltungen, solange die weiter oben beschriebene äquivalente Beziehung aufrechterhalten wird, obwohl die Konfigurationen der Glühfadenverbindungen sehr verschieden voneinander zu sein scheinen. Die äquivalenten Widerstände für die Glühfaden sind 4r für Fig. 8(i), r für

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Fig. 8{ii), und sie sind 6r für Fig. 8(i) und 4r/3 für Fig. 9(ii).

Bei den Ausführungsformen (iii) bis (vi) der Fig. 8 und 9 wird ein Teil der Glühfaden durch Verbindung mit der bzw. einer Sekundärwicklung der Induktivität L_Q geheizt. Dies ist besonders wünschenswert im Fall der Serienschaltung mehrerer Lampen, da alle Lampen gleichzeitig zum Leuchten gebracht werden köntien. Sonst, wie bei den Ausführungsformen (i) und (ii), werden sie nämlich der Reihe nach zum Leuchten gebracht, mit einigen Verzögerungen aufgrund der etwas unterschiedlichen Eigenschaften der Lampen. Ein Nachteil der Serienverbindung ist der, daß alle anderen Lampen nicht zum Leuchten gebracht werden können, wenn eine von diesen abgenommen wird. Diesen Nachteil kann man durch Parallelschalten der Lampen, beispielsweise gemäß Fig. 10(i) und 10(ii), überwinden. Bei der Parallelschaltung wird der Betrieb der anderen nicht abgenommenen Lampen durch das Entfernen einer Lampe nahezu nicht beeinflußt.

Es wird nun wieder Fig. 3 betrachtet. Die Dioden 10 und 11 sind lediglich für den Fall notwendig, daß die Summe der Spannungsabfälle über den Lampen in der Schaltung beträchtlich niedriger ist als die Quellenspannung im eingelaufenen Betriebszustand. Ansonsten können sie weggelassen werden, wie es in den Fig. 7 bis 9 gezeigt ist.

In diesen Fällen kann man die Schaltungsparameter näherungsweise bestimmen wie folgt, wenn man V_s als die mittlere Quellenspannung bezeichnet, da die Spannungswelligkeit der Gleichstromquelle nicht vernachlässigbar ist.

Wenn man annimmt, daß die Welligkeitsspannung nicht so groß ist, kann in diesem Fall die der Last P- zugeführte Gesamtleistung näherungsweise dargestellt werden als (exakte Werte müssen durch Effektivwerte (quadratischer Mittelwert) dargestellt werden):

^Ps ^{= V}s

Dabei ist I der mittlere Quellenstrom.

Bezeichnet man mit f die Schaltungsresonanzfrequenz und betrachtet man die Tatsache, daß der Quellenstrom gleich dem Laststrom (oder dem Kondensatorstrom) sein muß, kann man folgende Beziehung erhalten:

¹S ~ ^fCQo ^Vs

mit C & 2(C^C₁), C_Q» C₁ (3)

Q & i- \j Lo C '

^Ro

R_Q: äquivalenter Widerstand der Lampe.

In diesem Fall wurde ein äquivalenter Widerstand R der Lampe eingeführt, da dies wohl für Hochfrequenzbetrieb richtig ist. Und die Resonanzfrequenz ist gegeben durch

Q² _o' (4)

_nlt co₀ = ^/ΠΣc (5)

Aus (2) und (4) erhält man

(6)

mit ζ = CO₀L₀ = ^ =^L_o/C (7)

Aus (1) und (6) ergibt sich folgende weitere Darstellung für Z:

2

Z » _£_§_ \μΙι/4 Q² (8)

27Tp_s V ο

Der Energieverbrauch W in der Leuchtstofflampe pro einem Arbeitszyklus kann dargestellt werden als:

19 ^ . 2ΤΓ

W 4cr |1-e ar Q₀ ) (9)

Aus der Bedingung, daß die Lampenleistung gleich der Quellen leistung sein muß und unter Anwendung von (4) und (9) kann die folgende Beziehung geschrieben werden als:

₀ = f'W
s e

-e -'-o» «■/ ₍₁₀)

Ordnet man Gleichung (10) um, erhält man:

/ -y¹ 2P

Q₀ ^j 1 -1/4 Q = -2ft/ln (1- -—^

Aus (8) und (11) erhält man folglich:

ν 1

(12)

^Ps Wf C V²/ (f C V² - 2 I Aus (5) und (7) kann man die Parameterwerte darstellen als

(13)

C = 1/Zar_o (14)

In diesem Fall kann c<r durch eine Funktion aus (4) und (11)

angegeben werden. Somit können die Parameterwerte L und C für eine gewünschte Arbeitsfreguenz f bestimmt werden, wenn

Zl

die Nennleistung P₃ der Lampe und die mittlere Quellenspannung V₃ gegeben sind. Diese Berechnungen sind lediglich näherungsweise gültig, wenn und solange der Mittelwert der Versorgungsspannung näherungsweise dem Effektivwert gleich ist, d.h., wenn die Spannungswelligkeit der Quelle nicht so groß ist.

Die aus (10) und (11) erhaltenen Parameterwerte müssen somit mittels tatsächlicher Experimente richtig korrigiert werden. Sie müssen nahezu vollständig auf Experimenten beruhen, wenn die Dioden 10 und 11 eingesetzt sind, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.

Bisher ist ein Halbbrückenaufbau des Wechselrichters beschrieben worden, wie er in Fig. 3 gezeigt ist. Der Wechselrichter kann jedoch als Vollbrückensehaltung aufgebaut werden. Fig. zeigt ein Beispiel einer Vollbrückenschaltung, die besonders nützlich ist, wenn man Hochspannungs- und Hochleistungslampen mit relativ niedriger Leitungsspannung zum Leuchten bringen will.

Die Arbeitsprinzipien der Vollbrückenwechselrichter sind grundsätzlich die gleichen wie die der Halbbrückenwechselrichter. Einige Unterschiede bestehen im Aufbau. Beim Vollbrückenwechselrichter sind vier getrennte Sekundärwicklungen N mit identischen Windungszahlen auf denselben Stromtransformator 3a gewickelt und parallel zu den Basis-Emitter-Strecken zweier zusätzlicher Schalttransistoren 14 und 15 geschaltet, die neben den in Fig. 3 gezeigten Schalttransistoren 1 und 2 vorgesehen sind. Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform sieht auch die Kondensatorbeschaltung der Leuchtstofflampe 7 etwas anders aus als bei der in Fig. 3 gezeigten Halbbrückenwechselrichterschaltung. Die nicht mit der Induktivität L verbundene Seite des in Fig. 6 linken Glühfadens der Lampe 7 ist über einen mit C_E bezeichneten Kondensator 5 mit einer Seite des rechten Glühfadens dieser Lampe 7 verbunden. Die mit der Induktivität L verbundene Seite des linken Glühfa-

dens der Lampe 7 ist über einen mit der Bezugsziffer 6 gekennzeichneten Kondensator C. mit der anderen Seite des rechten Glühfadens der Lampe 7 verbunden.

Die Schalttransistoren 14 und 15 bilden wie die Schalttransistoren 1 und 2 in Fig. 3 und im linken Schaltungsteil der Fig. 6 eine zwischen die Pole der Spannungsquelle 12 geschaltete Reihenschaltung. Der Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des oberen Schalttransistors 14 und dem Kollektor des unteren Schaltungspunktes 15 ist über einen mit der Bezugsziffer 13 bezeichneten Kondensator 2C mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 5 und dem rechten Glühfaden der Lampe 7 verbunden.

Die Polaritäten der mit den Basisanschlüssen der Transistoren 1, 2, 14 und 15 verbundenen Sekundärwicklungen N„ sind so gewählt, daß zu einem Zeitpunkt immer gleichzeitig ein Paar Transistoren (1 und 15 oder 2 und 14) getrieben wird. Die Polaritäten sind in Fig. 6·in üblicher Weise mit Punkten neben den Wicklungen gekennzeichnet.

Abschließend können die der vorliegenden Erfindung eigenen Merkmale folgendermaßen zusammengefaßt werden:

A) Der Wirkungsgrad des Wechselrichters ist sehr gut, da das EIN/AUS-Schalten der Transistoren nahe dem Nulldurchgang des Kollektorstroms auftritt, und zwar aufgrund der Rolle des Stromtransformators, was zu einer zuverlässigen und glatten Betriebsweise bei jedem Übergang führt, selbst wenn die Schalteigenschaften der Transistoren nicht so gut sind.

B) Man kann Transistoren verwenden, die nur für eine relativ niedrige Spannung, ausgelegt sind, da an den Kollektoren der Transistoren kein Spitzenspannungsproblem auftritt und die Maximalspannung über der Kollektor-Emitter-Strecke des im Aus-Zustand befindlichen Transistors

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gleich dem Maximalwert der Quellenspannung ist.

C) Man kann Ferritinduktoren mit kleinen Abmessungen und ge ringen Kosten verwenden, so daß eine kostengünstige Verwirklichung möglich ist, und die Transformatorverluste, die bei der herkömmlichen Methode unvermeidbar sind, wer den ausgeschaltet.

D) Man erreicht, daß das Leuchten sofort im Moment des Einschaltens beginnt.

E) Man kann die Lampen selbst bei beträchtlich niedriger Spannung zum Leuchten bringen, und den zuverlässigen Betrieb des Wechselrichters erhält man selbst bei einer großen Spannungsänderung (- 30 %).

F) Man erhält kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht des Vorsehaltgerätes.

G) Der Leistungsfaktor kann stark verbessert werden, und somit kann der Blindleistungsverlust minimal gehalten werden.

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Leerseite

Claims

Kumpa Institute of Electronic Research Patentansprüche

1. Hochfrequenz-Wechselrichterschaltung mit zwei Transistoren, zum Treiben einer Last, insbesondere in Form einer oder mehrerer Leuchtstofflampen, der eine Induktivität vorgeschaltet ist,

dadurch gekennzeichnet , daß die Transistoren (1, 2) zueinander in Serie geschaltet sind, daß diese Reihenschaltung parallel zu einer Gleichspannungsquelle (12) geschaltet ist und daß die Transistoren (1,2) mit ihrem Serienverbindungspunkt an eine Serienresonanzschaltung (L , C.) angeschlossen ist.

2. Hochfrequenz-Wechselrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Halbbrückenschaltung ausgebildet ist (Fig. 3, 7 bis 10).

3. Hochfrequenz-Wechselrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Erhalt einer Vollbrückenschaltung vier Transistoren (1,2,14,15) und eine oder mehrere Resonanzschaltungen (L ,C.,2C ) aufweist (Fig. 6).

4. Hochfrequenz-Wechselrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (1,2), im Fall einer Vollbrückenschaltung die Transistoren (1,2

POSTSCHECKKONTO: MDNCHEN 50175-809

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und 14,15) in jedem von zwei Transistorpaaren, abwechselnd synchron mit der Eigenfrequenz der Serienresonanzschaltung schaltbar sind, und daß die im Kondensator (C₁) oder in der Induktivität (L ) induzierte hohe Spannung zum Leuchtendschalten von Entladungslampen, insbesondere Leuchtstofflampen (7; Lampen 1,2; Lampen 1,2,3) verwendet wird.

5. Hochfrequenz-Wechselrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastleistung und die Arbeitsfrequenz durch Ändern der Kapazitäts- und/oder Induktivitätswerte der Serienresonanzschaltung (L , C. , C) geändert werden.

6. Hochfrequenz-Wechselrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betreiben mehrerer parallel angeordneter Lasten (Lampen 1, 2, 3) mit einer Wechselrichterschaltung mehrere Resonanzschaltungen vorgesehen sind (Fig. 10).

7. Hochfrequenz-Wechselrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere in Reihe angeordnete Lampen in Reihen- oder Parallelschaltung zur Wechselrichterschaltung so angeordnet sind, daß die Glühfaden aller Entladungs- oder Leuchtstofflampen (Lampe 1, 2, 3) während des Betriebes der Wechselrichterschaltung heizbar und die Lampen leicht leuchtend schaltbar sind.

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