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Schaltungsanordnung für ein Ele.:tronenblitzgerät
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mit Lichtregelung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
für ein Elektronenblitzgerät mit Lichtregelung, insbesordere zur Verwendung mit
endoskopischen Kameras, entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Verschiedene fotografische Aufgaben können aus Gründen des Lichtbedarfes,
der Lichtführung und der maximal zulässigen Beleuchtungsdauer praktisch nur mit
Elektronenblitzgeräten gelöst werden. Hierzu gehören z. B. fotografische Aufnahmen
von sehr schnell bewegten Objekten und insbesondere endoskopische Aufnahmen. Endoskopische
Aufnahmen werden z. B. in natürlichen Höhlen des menschlichen Körpers (Darm, Magen,
Blase etc.) oder in schwer zugänglichen Bereichen technischer Geräte (Düsentriebwerke,
Karosseriehohlräume von Autos etc.) gemacht.
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Bei der Verwendung von Elektronenblitzgeräten stellt die Einhaltung
einer exakten Filmbelichtung eine besondere Aufgabe dar. Die Entladezeit eines Elektronenblitzes
ist im allgemeinen wesentlich kürzer als die schnellsten Kameraverschlüsse.
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Die richtige Belichtung des Filmes wird daher, bei vorgegebener Blitzenergie,
im Fall der normalen Fotografie über eine geeignete Einstellung der Objektivblende
erreicht. Bei der endoskopischen Fotografie ist die Einbringung einer Blende in
den Strahlengang des Kameraobjektives häufig nicht sinnvoll oder physikalisch gar
nicht möglich. In diesem Fall muß die richtige Filmbelichtung, bei vorgegebener
Blitzenergie, durch individuelle Wahl des Abstandes zwischen der Austrittsöffnung
des Lichtführungssystems und dem Aufnahmegegenstand gefunden werden. Dieses Verfahren
hat viele Fehlbelichtungen zur Folge.
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Darüber hinaus ist durch den aus Beleuchtungsgründen festgelegten
Aufnahmeabstand der Abbildungsmaßstab festgelegt und
in vielen Fällen
nicht optimal.
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Auch bei der normalen, also nicht-endoskopischen Fotografie wird die
Lichtregelung durch die Kamerablende als Einschränkung empfunden. Aus diesem Grund
wird seit längerer Zeit versucht, die Blitzenergie von Elektronenblitzgeräten der
Aufnahmesituation automatisch individuell anzupassen. In der Deutschen Auslegeschrift
P 12 88 428 ist eine Vorrichtung zur Steuerung der von einem fotografischen Elektronenblitzgerät
ausgestrahlten Lichtmenge beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird während der Leuchtdauer
des Blitzes das vom beleuchteten Aufnahmegegenstand reflektierte Blitzlicht gemessen
und integriert. Das erhaltene Integral ist proportional zur wirksamen Filmbelichtung.
Nach erfolgter Eichung kann aus dem Integral der Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem
der Film gerade richtig belichtet ist. Eine elektronische Schaltung gibt in diesem
Zeitpunkt ein impulsförmiges Signal ab, das einem Löschelement zugeführt wird. Dieses
Löschelement ist parallel zur Blitzlichtröhre geschaltet. Normalerweise ist das
Löschelement elektrisch nichtleitend. Mit Zuführung des impulsförmigen Signals wird
das Löschelement jedoch schlagartig niederohmg und bildet einen zur Blitzlichtröhre
parallelen Kurzschluß. Dies hat ein ebenfalls schlagartiges Erlöschen der Blitzentladung
in der Blitzlichtröhre und damit ein sofortiges Ende der Lichtabgabe zur Folge.
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Die Energie für die Blitzentladung wird in der Anordnung nach P 12
88 428 einem Ladekondensator entnommen. Wird die Blitzentladung durch das Löschelement
vorzeitig beendet, so ist der Ladekondensator im Abschaltzeitpunkt noch nicht vollständig
entladen. Die verbliebene Restenergie des Kondensators wird nach dem Abschalten
des Blitzes in unkontrollierter Weise in den Verlustwiderständen des Stromkreises
vernichtet, d. h. in Wärme umgewandelt. Der größte Teil der Restenergie wird dabei
im Verlustwiderstand des Ladekondensators selbst in Wärme umgewandelt.
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Bei Elektronenblitzen für die allger ine Fotografie, bei denen maximale
Blitzenergien von ca. 30 bis 80 Ws pro Einzelblitz im Ladekondensator gespeichert
sind, ist dieses Verfahren zu verantworten. Bei wesentlich energiereicheren Blitzeinrichtungen,
wie z. B. in der endoskopischen Fotografie, mit Blitzenergien von ca. 500 bis 1000
Ws pro Einzelblitz, ist das beschriebene Verfahren nicht anwendbar. Die Restenergien
nach dem Abschalten können hier so Von sein, daß sich der Ladekondensator unzulässig
stark erwärmt. Da es sich praktisch immer um Elektrolyt-Kondensatoren handelt, ist
sogar ein Explodieren des Kondensators zu befürchten. Diese Gefahr wird noch durch
die Tatsache erhöht, daß es sich bei energiereichen Elektronenblitzgeräten meist
um professionelle Anwendungen mit schneller Blitzfolge und hoher Aufnahme zahl handelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die unkontrollierte Umwandlung
der Restenergie des Ladekondensators nach dem Abschalten der Blitzentladung zu vermeiden
und dafür eine definierte Umwandlung in einem ungefährdeten Element herbeizuführen,
wobei insbesondere der Ladekondensator gegen Erwärmung zu schützen ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die im Kennzeichen
des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen vorgeschlagen.
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Zwischen den Ladekondensator und die Blitzlichtröhre ist erfindungsgemäß
eine Serieninduktivität solcher Größe eingeschaltet, daß diese Serieninduktivität
sowohl bis zum Löschen der Blitzentladung in der Blitzlichtröhre durch das Löschelement,
als auch nach dem Löschen einen definierten Stromverlauf erzwingt. Damit dieser
Stromverlauf definiert ist und nicht von Streu- und Zuleitungsinduktivitäten in
unkontrollierter Weise abhängt, muß die Serieninduktivität einen Wert aufweisen,
der mindestens eine Größenordnung über den Induktivitätswerten der übrigen Zuleitungsinduktivitäten
und der Streuinduktivität des Ladekondensators liegt.
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Wird die Blitzlichtröhre, bei zunächst gesperrtem Löschelement,
gezündet,
so ergibt sich aus Ladekondensator, Serieninduktivität und Blitzlichtröhre ein definierter
Stromkreis, der, abhängig von der Anfangsladung des Ladekondensators, eine definierte,
gedämpfte sinusförmige Schwingung ausführt.
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Schwingungsfrequenz und Dämpfungskonstante sind in bekannter Weise
aus dem Kapazitätswert des Ladekondensators, der Serieninduktivität und den elektrischen
Parametern der Blitzlichtröhre bestimmbar.
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Wird nun im Verlauf der Entladungsschwingung das Löschelement gezündet
und damit die Blitzlichtröhre kurzgeschlossen, so ergibt sich ein neuer Stromkreis,
der aus dem Ladekondensator, der Serieninduktivität und den Verlustwiderständen
der Schaltung besteht. Der Anfangszustand dieses Stromkreises ist genau definiert
und zeigt eine definierte Aufteilung der Restenergie: Ein Teil der Restenergie ist
noch im Kondensator als elektrische Energie gespeichert, während ein zweiter Teil
als magnetische Energie in der Serieninduktivität gespeichert ist.
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Die gesamte verbleibende Restenergie veranlaßt den aus Serieninduktivität
und Ladekondensator gebildeten Schwingkreis zu einer neuen sinusförmigen gedämpften
Schwingungsform. Die Konstanten dieser Schwingungsform unterscheiden sich allerdings
gegenüber dem Zustand vor dem Zünden des Löschelementes, da jetzt die dämpfende
Wirkung der Blitzlichtröhre fehlt und nur noch die Verlustwiderstände der Serieninduktivität,
des Ladekondensators und der übrigen Leitungen wirken.
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Ohne die im Kennzeichen des Anspruchs 1 vorgeschlagene Diode, die
parallel zum Ladekondensator geschaltet ist, würde die gedämpfte Sinusschwingung
zwischen Serieninduktivität und Ladekondensator so lange anhalten, bis die gesamte
Energie in den Verlustwiderständen des Schwingkreises aufgebraucht ist.
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Erfahrungsgemäß stellen dabei die Verlustwiderstände des Ladekondensators
den höchsten Anteil dar, so daß der größte Teil der Restenergie in den Kondensator
eingespeist und dort in Wärme umgewandelt werden würde. Bei energiereichen Elektronenblitzgeräten
stellt
dies eine b he Gefährdung, einschließlich der Explosionsgefahr, des Kondensators
dar.
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Die Resonanzschwingung zwischen Serieninduktivität und Ladekondensator,
die sich nach der Zündung des Löschelementes einstellt, würde ohne die im Kennzeichen
des Anspruchs 1 vorgeschlagene Diode den Ladekondensator außerdem periodisch umpolen.
Da als Ladekondensatoren in Elektronenblitzgeräten vorzugsweise Elektrolytkondensatoren
wegen ihrer hohen spezifischen Speicherfähigkeit eingesetzt werden, ist dieses Umpolen
der Spannung am Kondensator in hohem Maße unerwünscht.
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Die Fehlpolung eines Elektrolytkondensators führt zur Deformierung
der Isolationsschicht und damit zu erhöhten Leckströmen, was die Lebensdauer des
Kondensators erniedrigt und die umgesetzte Verlustleistung auch in den Zeitbereichen
mit richtiger Polung erhöht.
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Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, dem Ladekondensator eine
Diode parallel zu schalten. Die Diode ist so gepolt, daß sie sich im normalen Ladezustand
des Ladekondensators in Sperrpolung befindet. Ist diese Diode in der Schaltungsanordnung
vorhanden, so ergibt sich ein grundsätzlich anderer Abbau der Restenergie nach dem
Zünden des Löschelementes. Zunächst stellt sich nach dem Zünden des Löschelementes
ebenfalls eine sinusförmige gedämpfte Schwingung zwischen dem Ladekondensator und
der Serieninduktivität ein. Strom- und Spannungsverlauf in diesem Stromkreis sind
zunächst so, daß sich die elektrische Ladung des Kondensators weiter verringert,
während der Strom durch die Serieninduktivität weiter ansteigt, d. h., daß die elektrische
Energie, die im Ladekondensator noch gespeichert war, sich laufend in magnetische
Energie in der Serieninduktivität umwandelt. Ist der Kondensator vollständig entladen,
so würde der weiterfließende Spulenstrom eine Umpolung des Ladekondensators verursachen.
Die parallel geschaltete Diode wird jedoch im selben Moment leitend und schließt
jetzt den Ladekondensator kurz. Von diesem Moment an wird also eine weitere gedämpfte
Schwingung zwischen
Serieninduktivität und Ladekondensator verhindert.
Der wirksame Stromkreis besteht jetzt also nur noch aus der Serieninduktivität,
dem kurzschlußähnlichen Löschelement, der niederohmigen Diode und den Verlustwiderständen
dieses Stromkreises.
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An diesen Verlustwiderständen hat erfahrungsgemäß der Verlustwiderstand
der Spule den größten Anteil.
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Dieser neue Stromkreis aus einer kurzgeschlossenen Induktivität mit
Serienwiderständen führt einen exponentiell nach Null gehenden Strom. Die gesamte
in der Spule gespeicherte magnetische Energie wird dabei nur in den Verlustwiderständen
dieses letzteren Stromkreises, d. h. hauptsächlich im Verlustwiderstand der Spule
selbst, in Wärme umgewandelt. Der Ladekondensator wird weder umgepolt, noch werden
ihm Teile der Restenergie zugeführt, so daß er von Erwärmung frei bleibt und gegenüber
dem Stand der Technik nicht gefährdet ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung wird
also dafür gesorgt, daß die von der Blitzlichtröhre nicht aufgebrauchte Restenergie
in definierter Weise nahezu vollständig im Verlustwiderstand der Serieninduktivität
in Wärme umgesetzt wird. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung wird daher diese Serieninduktivität optimal so ausgelegt, daß sie
die maximal auftretende Verlustleistung bei kleinstmöglicher Baugröße gerade aufnehmen
kann. Da die Restenergie fast ausschließlich in der Serieninduktivität in Wärme
umgewandelt wird, ist die maximal mögliche Verlustleistung, die der Serieninduktivität
zugeführt wird, bei einer erfindungsgemäßen Ausführung der Schaltungsanordnung leicht
abzuschätzen. Sie ist gleich dem Produkt aus der maximalen Ladeenergie des Ladekondensators
und der maximalen Blitzfolgefrequenz. Beide Größen sind bei einem Elektronenblitzgerät
bekannt. Nach der Erfindung wird die Serieninduktivität so dimensioniert, daß die
Spule sich bei dieser maximal möglichen Leistung im thermischen Gleichgewicht gerade
auf ihre maximal zulässige Betriebstemperatur erwärmt.
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Diese Dimensionierungsvorschrift ergibt die kleinstmögliche
Bauform
für die Serieninduktivität bei leichzeitiger Beachtung der maximal möglichen Erwärmung.
Zusätzliche Kühlmaßnahmet, wie Ventilatorkühlung usw. müssen bei der Dimensionierung
der Baugröße der Serieninduktivität natürlich berücksichtigt werden.
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Zur Veranschaulichung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung werden
in den Figuren 1 und 2 die grundsätzliche Schaltungsanordnung und der zeitliche
Ablauf einer Blitzlichtentladung mit Löschvorgang gezeigt.
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Fig. 1 zeigt die Schaltungsanordnung nach der Erfindung. Der Ladekondensator
1 wird in bekannter Weise von einer Gleichspannungsquelle 2 über einen Ladewiderstand
3 aufgeladen.
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Zwischen dem Ladekondensator 1 und der Blitzlichtröhre 4 ist nach
der Erfindung die Serieninduktivität 5 geschaltet. Das Löschelement, in diesem Ausführungsbeispiel
ein Thyristor 6, liegt parallel zur Blitzlichtröhre. Die Diode 7 ist erfindungsgemäß
parallel zum Ladekondensator 1 geschaltet, wobei die Polung so gewählt ist, daß
im normalen Ladezustand des Ladekondensators die Diode 7 gesperrt ist. Über den
Anschluß 8 kann die Blitzlichtröhre in bekannter Weise gezündet werden, über den
Anschluß 9 das Löschelement.
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Fig. 2 beschreibt den Zeitverlauf des Spulenstromes iL in der Serieninduktivität,
und der Kondensatorspannung uC am Ladekondensator Im Zeitpunkt t = 0 werde die Blitzlichtröhre
gezündet. Von diesem Moment an steigt der Spulenstrom iL entsprechend einer gedämpften
Sinusschwingung an, die Kondensatorspannung uC nimmt entsprechend einer gedämpften
Cosinusschwingung ab.
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Im Zeitpunkt t = T1 werde der Blitzlichtentladungsvorgang durch Zünden
des Löschelements beendet. Mit neuen Parametern laufen nun zunächst die gedämpfte
Sinusschwingung des Spulenstromes iL und die gedämpfte Cosinusschwingung der Kondensatorspannung
weiter bis zum Zeitpunkt T2. Im Zeitpunkt T2 erreicht
die Kondensatorspannung
den Wert 0. Der weiterfließende Spulenstrom kann nun den Ladekondensator 1 nicht
umpolen, da im selben Moment die Diode 7 leitend wird. Beginnend mit dem Zeitpunkt
T2 bis zum Ende der Entladung ist daher die Kondensatorspannung uC = 0, wenn man
die geringe Schleusenspannung der Diode vernachlässigt. Der Spulenstrom iL nimmt
daher,beginnend im Zeitpunkt T2,exponentiell nach 0 ab.
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Der gesamte Entladevorgang kann grundsätzlich in 3 Zeitbereiche eingeteilt
werden: O < t < T1: Der Ladekondensator gibt Energie ab, die größtenteils
in der Blitzlichtröhre umgesetzt wird. Ein geringer Teil der abgegebenen Energie
wird in magnetische Energie der Serieninduktivität 5 umgewandelt.
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#1 < t < #2: Die im Kondensator zur Zeit t = T noch speicherte
Energie wird zusätzlich in magnetische Energie der Serieninduktivität 5 umgewandelt.
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T > T 2: Die in der Serieninduktivität 5 gespeicherte Restenergie
wird hauptsächlich im Verlustwiderstand der Serieninduktivität 5 und zu kleinen
Teilen in den restlichen Verlustwiderständen in Wärme umgewandelt.
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Der gesamte Entladevorgang läuft grundsätzlich genauso ab, wenn das
Löschelement 6 nach dem Zeitpunkt t = T2 gezündet wird. Nach dem Erreichen der Spannung
uC = 0 schließt die Diode in jedem Fall den Ladekondensator 1 kurz und verhindert
seine Umpolung. Die in der Serieninduktivität 5 enthaltene Restenergie wird in diesem
Fall größtenteils in den Blitzentladungsvorgang gespeist, bis evtl. ein Zünden des
Löschelementes erfolgt.
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Je nach den elektrischen Kennwerten de Blitzlichtröhre kann im Zeitbereich
0 bis T1 der Fig. Z auch eine aperiodisch gedämpfte Schwingung auftreten. Dies ist
in bekannter Weise dann der Fall, wenn für die Serieninduktivität L (einschließlich
aller Streuinduktivitäten), die Kapazit; des Ladekondensators C und den dynamischen
Dämpfungswiderstand der Blitzlichtröhre R (einschließlich aller Verlustwiderstände
des Stromkreises) die Bedingung gilt
Kondensatorspannung uC und Spulenstrom iL entsprechen dann nicht mehr gedämpften
Cosinus- und Sinusschwingungen, sondern werden durch Überlagerung von je 2 Exponentialfunktionen
beschrieben. Der Schutz des Ladekondensators vor undefinierter Verlustleistungszufuhr
wird von der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in diesem Fall nach dem Zünden
des Löschelementes aber in gleicher Weise wahrgenommen wie oben beschrieben. Die
Zeitverläufe der Fig. 2 sind also als beispielhaft zu verstehen.
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