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11Schaltungsanordnung 'für eine Bestrahlungslampell Die Erfindung
betrifft eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer elektrischen Lampe insbesondere
Niedervolt-Halogen Lampe2 die vorzugsweise als Bestrahlungslampe in einem Handgerät
zur Photopolymerisation dentaler Werkstoffe angeordnet und an eine Spannungsquelle
mit regelbarem Netzteil angeschlossen ist, Aus der DE-OS 26 07 249 ist ein Bestrahlungsgerät
für den ultravioletten Spektralbereich' bestehend aus einer Strahlung quelle in
Form einer Wolfram-Halogenlampe und einem an diese angekoppelten Lichtleiter, bekannt.
Eine als Handgerät ausgeführte Version ist dabei mit einem starren Lichtleiter versehen
In dieser Schrift wird auf die bei verhältnismäßig geringfügigen Lampenspannungsschwankungen
von + 5 % auftretenden hohen Schwankungen der UV-Emission der Lampe von + 20 S hingewiesen.
Darüber hinausgehende Spannungsschwankungen von 10 % variieren die UVA-Emission
bereits um + 48 S bis -37 Zur Beseitigung dieser Störungen wird eine Stabilisierung
der Lampenspannung mittels eines geregelten Netzteils angegeben.
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Weiterhin ist aus der DE-OS 29 Ol 534 ein Bestrahlungsgerät bekannt,
das zur Speisung einer Wolfram-Halogen-Niedervolt lampe Konstantstrombetrieb vorschlägt;
dabei dient der am Glühfaden gemessene Spannungsabfall als Kriterium für die Alterung
der Lampe.
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Es sind somit Bestrahlungsgeräte mit einer Regelung der Spannungs-
bzw. Stromversergung für Wolfram-Halogenlampen bekannt.
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Ein weiteres wesentliches Kriterium für den Betrieb von Bestrahlungslampen
.ist die drastische Reduzierung der Lebens~ dauer der Lampe bei einer verhältnismäßig
geringfügig über der Nennspannung liegenden Lampenspannung. Dies trifft insbesondere
für Niedervolt-Halogen-Lampen zu. Ein wirksamer Schutz vor kurzzeitigen oder dauerhaften
Überspannungen ist mit den bekannten Maßnahmen nicht ohne weiteres zu erzielen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die
Aufgabe, eine Schaltungsanordnung für die Konstanthaltung der, an einer Lampe ange
legten auf einen Sollwert eingestellten Betriebsspennung - insbesondere die Betriebsspannung
von Niedervolt-Halogen-Lampen - anzugeben; dabei soll die Lampe zwecke Erreichen
einer langen Lebensdauer geringfügig unterhalb ihrer Mennspannung betrieben werden.
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Die Aufgabe wird für eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten
Art erfindu@gsgemäß dadurch gelöst, daß die Span nungsquelle eine Wechselspannungsquelle
ist, die in ihrem Regelkreis über ein steuerbares elektronisches Schaltelement entweder
die Bestrahlungslampe .1 einzige Lampe speist wobei diese mit einem Teil ihres austretenden
Lichts einen Photodetektor @eleuchtet oder zusätzlich eine zweite Lampe ine inem
zur Bestrahlungslampe parallel geschalteten Stromkreis speist, wobei die zweite
Lampe einen Photodetektor beleuchtet, und daß der Photodetektor an den Eingang eines
Reglers angeschlossen ist und daß das Ausgangssignal des Reglers als
Steilsignel
einem Steuergerät für das elektronische Schaltelement zugeführt wird, wobei das
Stellsignal während des Einschalt vorganges durch ein Zeitschaltglied unterdrückt
wird, In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die zusätzliche Lampe in
einer zur Bestrahlungslampe parallel geschalteten,Reihenschaltung, in der ein Potentiometer
angeordnet ist; das von der zusätzlichen Lampe an den Photodetektor abgegebene Licht
ist dem Effektivwert der Spannung der Bestrahlungslampe proportional und dient als
Regelgröße0 Die Bestrahlungslampe befindet sich in einem Handgerät, während die
zu ihr parallel geschaltetes zur Regelung dienende Lampe sich vorzugsweise in einem
separaten Gehäuse mit Netzstromanschluß befindet und zusammen mit dem Photodetektor
und einem Temperaturkompensator ein thermisch abgeschlossenes System bildet, Es
ist jedoch auch möglich, den Photodetektor im gekühlten Bereich des Handgerätes
anzuordnen und ihn über einen Licht leiter von der Bestrahlungslampe beleuchten
zu lassen, In diesem Fall wird der Lichtstrom der Bestrahlungslampe direkt als Regelgröße
dessen. Dabei ist es möglich, mit Hilfe eines Lichtfilters den Photodetektor nur
mit einem ausgewählten Spektralbereich, wie z.B. dem Bereich "Blau-UV", zu speisen.
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Die im Handgerät befindliche Bestrahlungslampe wird durch einen Lüfter
gekühlt, dessen Motor über eine Nachlaufsteuerung auch nach Abschalten der Bestrahlungslampe
für eine vorgegebene Zeit weiter betrieben wird 2 um einen Wärmestau im Bereich
der Bestrahlungslampe zu vermeiden Der Lüftermotor wird von einer geregelten Spannungsquelle
gespeist Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen daß aufgrund der Speisung
der Wolfram-Halogen-Niedervoltlampan mit -Wechselspannung keine unsymmetrischen
Abdampfungen bzw, Ablagerungen auf dem Glühwendel vorkommen. Hieraus ergibt sich
in Verbindung
mit der knapp unter der Nennspannung liegenden geregelten
Lampenspannung ein wesentliche Verlängerung der Lebensdauer der Bestrahlungslampe.
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Als Regler wird vorzugsweise ein Regler eingesetzt0 Das Steuergerät
besteht aus einem Verstärker , dessen Ausgangssignal über einen Optokoppler an die
Steuerelektrode eines als Stellglied dienenden Triac angeschlossen Ist.
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Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren 1
bis 3 näher erläutert, Dabei zeigt Figur 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Anordnung, in Figur 2 ist die Wirkungsweise des Regelkreises dargestellt und Figur
3 zeigt die erfindungegemäße Schaltungsanordnung mit ihren einzelnen Bauelementen
bzw. Baugruppen Gemäß Figur 1 besteht die Schaltungsanordnung aus einem Stromversorgungsgerät
12 welches eine über der Lampenspannung liegende Wechselspannung abgibt An das Stromversorgungsgerät
ist ein als Stellglied wirkendes elektronisches Schaltelement 2 angeschlossen, en
dessen Ausgangsklemmen 3, 4 die Versorgungsspannung für die Bestrahlungslampe 5
abzunehmen ist Zu diesem Schaltelement 2 gehört ein Steuergerät 6, über das der
Effektivwert der an den Viemmen 3, 4 liegenden Lampenspannung einstellbar ist Parallel
zur Bestrahlungslampe 5 ist eine zweite Glühlampe 7 in Reihe mit der Parallelschaltung
eines Widerstandes 8 und eines Potentiometers 9 geschaltet Das Potentiometer dient
1 1 Zusammenhang mit Widerstand 8 zur Einjustierung einer fest vorgegebenen Leuehtstärke
der Lampe 7. Während des Betriebes gibt Lampe 7 mit ihrer Leuchtintensität ein dem
Effektivwert der Lampenspannung enisprechendes Lichtsignal ab, das als Regelgröße
von einem Photodetektor 10 empfangen wird, Der mit einet thermischen Kompensation
versehene
Photodetektor wandelt das Lichtsignal in ein elekn trisches Signal um und gibt es
an die Eingangsklemmen 11,12 eines Reglers 13 weiter. Das Ausgangssignal des Reglers
13 wird an die Eingangsklemmen 14, 15 des Steuergerätes 6 weitergegeben, Dabei hat
ein mit dem Regler 13 verbundenes Zeitglied 16 die Aufgabe, die Weitergabe des vom
Regler 13 erzeugten Stellsignals während der Einschaltphase zu unterdrücken, Das
an den Klemmen 14, 15 des Steuergerätes 6 anliegende Stellsignal wird nach Verstärkung
einem Optokoppler zugeführt, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des elektronischen
Scilalt elements 2 verbunden ist. Insofern stellen Steuergerät 6 und Schaltelement
2 gemeinsam das Stellglied des Regelkreises dar.
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Das Steuergerät 6 ist weiterhin mit einer logischen Einheit 17 verbunden,
die nach Betätigung der mit der logischen Einheit verbundenen Schalttaste 18 einen
definierten Ein~ bzw. Ausschaltzustand erzeugt. Sie dient somit als Entprellung
der Schalt taste 18. Die logische Einheit 17 gibt darüberhinaus ein Signal an das
Zeitglied 16 ab, welches während der Einschaltphase auf den Regler 13 einwirkt.
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Im folgenden ist der eigentliche Regelkreis der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung anhand der Figur 2 näher erläutert.
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Die vom Netz auf die Stromversorgung 1 einwirkenden Störungen der
Netzspannung sind mit Z bezeichnet; sie werden als Teil wirkung über den Summenpunkt
19 an die Lampe weitergegeben, woraus sich nach einer Übergangszeit Temperaturänderungen
der Lampenwendel und somit veränderte Helligkeitswerte des abge strahlten Lichts
ergeben, Die zugehörige zeitliche Übergangsfunktion mit einer Verzögerung 1. Ordnung
ist symbolisch unter Bezugsziffer 20 dargestellt.
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Die Lichtstrahlung wird in ein als Regelgröße X dienendes elektrisches
Signal umgewandelt, das an einem zweiten Summenpunkt 21 mit dem vorgegebenen Sollwert
W verglichen wird. Durch Summierung der positiven Regelgröße X und des negativen
Sollwerts W wird die Regelabweichung ermittelt und als Eingangssignal dem Regler
zugeführt, der nach der unter Ziffer 22 dargestellten 1-Regler-Funktion arbeitet;
dieser gibt solange ein Stellsignal Y an den elektronischen Schalter ab, bis am
Eingang des Reglers kein Signal mehr anliegt erst in diesem Moment entspricht das
von der Lampe erzeugte Lichtsignal als elektrische Regelgröße X dem vorher eingestellten
Sollwert Der Zusammenhang zwischen Eingang und Ausgangssignal im Bereich des elektronischen
Schalters st linear und durch eine entsprechende Übergangsfunktion 23 symbolisch
dargestellt. Während der Einschaltphase wird das vom Regler abgegebene Stellsignal
nach einer Übergangs funktion 24 mit Verzögerung erster Ordnung durch das Zeitglied
unterdrückt.
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Gemäß Figur 3 enthält das erfindungsgemäße Gerät eine an das Wechselspannungsnetz
anschließbare Stromversorgung 1, .deren Transformator 25 auf der Primärseite zwei
Wicklungen 26, 27 enthält, um diese mit Hilfe eines Umschalters 28 parallel oder
in Reihe zu schalten. Der Umschalter 28 dient zur Anpassung der Eingangsspannung
an das lokale Netz, so daß z.B. ein Betrieb bei 115 V- ba 220 V-Netzspannung mit
einer Toleranz von ca. + 18 % als Eingangsspannung möglich ist0 Die Sekundärwicklung
29 ist galvanlsch vom Netz getrennt Sie ist über einen parallel zur Wicklung angeschlossenen
Kondensator 30 mit einer Serienschaltung verbunden , die aus einer Induktivität
31, einem als elektronischen Schalter 2 dienenden Triac , einer Temperatursicherung
32 sowie einer Parallelschaltung von Niedervolt-Halogen-Lampe 5 und zweiter Lampe
7 mit vorgeschalteter Parallelschaltung von Widerstand 8 und Potentiometer 9 besteht.
Der Kondensator 35 und die Induktivität 31 bilden zusammen ein Entstörglied. Der
Steuereingang des Trise ist über Widerstand 33 an den Kollektor eines Transistors
34
angeschlossen, der in Form einer Darlington- Schaltung mit einem
Fototransistor 35 verbunden ist, Der Emitter des Transistors 34 ist über die Parallelschaltung
einer Z-Diode 36 und eines Kondensators 37 über die Induktivität 31 an die Klemme
38 der Sekundärwicklung 29 angeschlossen, Weiterhin ist der Emitter des Transistors
34 über die Reihenschaltung eines Widerstandes 40 und einer Diode 41 mit der anderen
Klemme 39 der Sekundärwicklung 29 verbunden.
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Der eigentliche Fototransistor 35 besteht aus einem Transistor, dessen
Kollektor-Basisdiode als Fotodiode ausgebildet ist.
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Er wird ohne Anschluß der Basis in Emitterschaltung betrieben.
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Die bereits oben beschriebene Darlington-Schaltung dient zur besseren
Signalverstärkung. Zur Erzeugung des Fotostromes in der Basis-Kollektordiode des
Transistors 35 dient eine Photodiode 42, die über einen Phasenanschnitt-Steuerbaustein
43 das aus dem Regler 13 kommende Stellsignal empfängt. Photodiode 42 und Phototransistor
35 sind als eine Baueinheit zusammengefaßt. Sie werden auch als Optokoppler 44 bezeichnet.
Der wesentliche, Vorteil der optischen Kopplung liegt in der verhältnismäßig einfachen
potentialfreien Signalübertragung, Es ist auch möglich, einen Optokoppler mit Darlington-Ausgang
einzusetzen.
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Der Phasenanschnitt-Steuerbaustein 43 ist über Widerstand 45 und die
Induktivität 31 mit Klemme 38 der Sekundärwicklung 29 des Transformators verbunden;
er erhält über den Widerstand 45 die Information über die Phasenlage der anliegenden
Wechselspannung. An die Sekundärwicklung 29 des Transformators ist über Induktivität
31 ein Gleichrichter 46 angeschlossen, der an den zwei in Serie geschalteten Längsreglern
47, 48 zur Spannungskonstanthaltung der Stromversorgung der elektronischen Bauelemente
der gesamten Elektronik angeschlossen ist.
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Die aus Bestrahlungslampe 5, Temperatursicherung 322 dem als elektronischen
Schalter 2 wirkenden Triac und der Induktivität 31 bestehende Reihenschaltung bildet
den eigentlichen Leistungsstromkreis. Parallel zur Bestrahlungslampe 5 befindet
sich die Reihenschaltung der zweiten Lampe 7 und des mit Widerstand 8 parallelgeschalteten
Potentiometers 9, Potentiometer 9 dient zur Feineinstellung der Lichtstärke der
zweiten Lampe 7 und somit in Verbindung mit Widerstand 8 als Sollwertvorgabe für
die Einstellung der Lichtstärke der ßestrahlungslampe 5. Die zweite Lampe 7 wirkt
mit ihrer Strahlung direkt auf die als Photodetektor 10 arbeitende Photodiode>
welche als Teil einer Brückenschaltung mit den Widerständen Ls9, 50, 51 und dem
thermisch kompensierenden Widerstand 52 arbeitet.
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Die an den Punkten 53 und 54 der Brücke anliegenden Potentialwerte
werden über Vorwiderstände 55 und 56 an den positiven Eingang 57 bzw. negativen
Eingang 58 des als I-Regler 13 geschalteten Operationsverstärkers 59 weitergeleitet.
Die Wirkung als I-Regler wird durch einen zwischen dem Eingang 58 und dem Ausgang
60 geschalteten Kondensator 61 erzeugt. Der Ausgang ist über Widerstand 62 an den
Eingang 63 des Phasenanschnitt-Steuerbauteils 43 geschaltet, welcher über die Dioden
64 und 65 sowie den mit beiden Kathoden der Dioden verbundenen Widerstand 66 die
zum Betrieb des Phototransistors 35 erforderliche Photodiode 42 speist. Die Dioden
642 R 65 dienen zur Entkopplung der Ausgangssignale der Phasenanschnitts-Steuerung
43, wobei eine der beiden Dioden für die Ansteuerung während der positiven Halbwelle
zuständig ist, und die andere Diode das Signal während der negativen Halbwelle führt0
Der Operationsverstärker 59 ist mit seiner positiven Stromversorgungsklemme direkt
an den Ausgang 67 des zweiten Längsreglers 48 geschaltet, während sein negativer
Stromversorgungs anschluß sowie der negative Anschluß für die Brückenschaltung an
den Ausgang 68 des Zeitschaltgliedes 16 angeschlossen ist.
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Das Zeitschaltglied 16 besteht aus einem Operationsverstärker 69 mit
einem Verstärkungsfaktor von V = 1 und einem TTL-kompatiblen Transistorausgang.
Der positive Eingang 70 des Operations verstärkers 69 ist zwischen einem Kondensator
71 und einem Widerstand 72 angeschlossen, welche zusammen ein RC-Glied bilden0 Eingang
70 ist über eine Diode 73 mit dem Ausgang 74 der logischen Einheit 17 verbunden
Die logische Einheit 17 soll nach Betätigen der Schalttaste 18 einen eindeutigen
Ein- bzw Ausschaltzustand der Bestrahlungslampe 5 definieren; dazu dienen logische
Bausteine z.B. in CMOS-Technik; der Logikteil der logischen Einheit 17 enthält weiterhin
einen Zeitbaustein (Timer) sowie einen akustischen Signalgeber für die Polymerisationszeit.
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Weiterhin ist die logische Einheit 17 mit einem Zeitfunktions baustein
versehen, welcher nach Ausschalten der Lampe 5 mittels Schalttaste 18 oder mittels
einer in einer Halterung für das Handgerät befindlichen Lichtschranke für eine bestimmte
Nachkühlphase der Bestrahlungslampe 5 und der Elektronik durch Weiterlaufen der
Lüftermotoren 74, 75 im Handgerät und Stromversorgungsgerät sorgt. Die Lüftermotoren
74, 75 werden durch Entnahme des Handgerätes aus der Halterung im Stromversorgungsteil
in Betrieb gesetzt. Dabei läuft aber der im Handgerät befindliche Lüftermotor 74
mit verminderter Leistung. Erst nach Betätigung der Schalttaste 18 wird parallel
zum Lampenbetrieb der Lüftermotor 74 auf seine Nennleistung gebracht. Schalter 18
ist vorzugsweise als Folientaster ausgebildet, woraus sich neben einer niedrigen
Bauhöhe und folglich guter Handhabung auch hygienische Vorteile, wie z,B. einfache
Reinigung aufgrund der geschlossenen Oberfläche, ergeben.
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Das Zeitschaltgliedil6tarbeitet:mit- ein.erVerzögerung 1.
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Ordnung, die den negativen Versorgungsanschluß des Operationsverstärkers
59 entsprechend dieser Zeitfunktion von verhältnismäßig positiven Spannungswerten
zunehmend auf das Nullpotential der Klemme 76 des zweiten Längsreglers 48 bringt.
Auf diese
Weise soll verhindert werden, daß die Aufwärmphase des
Glühfadens im Regelkreis als Spannungeabfall der Netzspannung gedeutet wird.
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