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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer
Hochdruck-Entladungslampe mit den Merkmalen a), b) des Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1. Solche Schaltungsanordnungen zum Betreiben
einer Hochdruck-Entladungslampe, die
eine Inverterschaltung und ein Rückkopplungs-Steuersystem
zum Steuern der Inverterschaltung auf Grundlage des erfaßten Lampenstroms
und der Lampenspannung durchführen,
sind aus der
US 3,999,100 und
der
DE 40 17 415 A1 bekannt.
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Die
US 3,999,100 beschreibt
eine Schaltungsanordnung mit einem Schaltregler im Zusammenhang
mit einem Kommutator zur Zuführung
einer geregelten Leistung an die Hochdruck-Entladungslampe mit alternierender Polarität. Die Rückkopplungsschaltung
erfaßt
den an den Kommutator zugeführten
Gleichstrom und die Gleichspannung und arbeitet mit dem Schaltregler
zusammen, um eine im wesentlichen konstante Leistung an die Hochdruck-Entladungslampe
zu führen.
Die Kommutator-Umschaltzeiten sind so schnell, daß das von
der Hochdruck-Entladungslampe ausgesendete Licht nicht flackert.
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Die
DE 40 17 415 A1 beschreibt
eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Hochdruck-Entladungslampe,
bei der ein Rückkopplungs-Steuersystem,
welches den Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung einer Gleichsspannungsboosterschaltung
regelt, insbesondere dafür ausgelegt
ist, daß ein
ausreichender Strom und eine ausreichende Spannung an die Hochdruck-Entladungslampe
so geführt
wird, daß eine
spezifizierte Helligkeit erhalten wird. Diese Schaltungsanordnung berücksichtigt
insbesondere das Problem, daß unterschiedliche
anfängliche
Zündbedingungen
herrschen, wenn die Hochdruck-Entladungslampe aus dem Kaltstart
eingeschaltet wird und wenn die Hochdruck-Entladungslampe wieder
gezündet
wird, nachdem sie zeitweilig ausgeschaltet war. Insbesondere umfaßt das Rückkopplungs-Steuersystem
eine Zeitsteuerschaltung, die einen Übergang auf eine Konstantleistungssteuerung
sicherstellt, nach Ablauf einer Zeitspanne, die der Ausschaltzeit
der Hochdruck-Entladungslampe
entspricht, nachdem das Zünden
der Lampe begonnen hat.
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Zur
Erläuterung
des Hintergrundes der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme
auf die 12, 13, 14 Flackervorgänge beschrieben, die beispielsweise
in einer Metallhalidlampe auftreten können, die für einen Fahrzeugscheinwefer
benutzt wird.
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Es
gibt Schaltungsanordnungen zum Betreiben von Entladungslampen, welche
eine Inverterschaltung zum Zuführen
einer elektrischen Leistung an eine Entladungslampe durch einen
Schaltbetrieb eines Halbleiterschaltelements, und ein Rückkopplungs-Steuersystem zum
Rückkopplungssteuern
des Schaltelements der Inverterschaltung zum Zuführen der notwendigen Leistung
durch Erfassen einer Lampenspannung, eines Lampenstroms oder einer
Lampenleistung der Entladungslampe aufweisen.
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Herkömmliche
Rückkopplungssysteme
haben ein Ansprechenverhalten, welches eine Verzögerung der Schaltung selbst
beinhaltet sowie eine Verzögerung
aufgrund einer Phasenkompensation. Das Ansprechenverhalten bleibt
dasselbe vom Lampenstart bis zum stabilen Leuchtbetrieb einer Entladungslampe.
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Beim
Einschalt Steuerverfahren für
die herkömmliche
Entladungslampe wird eine niedrige Leistung zugeführt an eine
Entladungslampe beim Beginn des Einschaltvorgangs und die Nennlampenleistung
wird zugeführt
während
eines stabilen Betriebs. Bei diesem Verfahren ist die Steuerung
so gemacht, daß einige
Minuten vom Kaltstart (die Entladungslampe wird gestartet, wenn
sie kalt ist) bis zum stabilen Leuchten vergehen, d.h. einem Zeitpunkt,
zu dem die Lichtausbeute der Entladungslampe 100% erreicht. Da die
Charakteristika der Entladungslampe sehr langsam variieren, ist
ein Flackern, welches durch eine Bewegung eines Entladungslichtbogens auf
den Entladungslampen-Elektroden verursacht wird, kein Problem.
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Jedoch
wird beispielsweise in einer Schaltungsanordnung zum Betreiben einer
Entladungslampe, welche für
einen Fahrzeugscheinwerfer benutzt wird, die Steuerung so vorgenommen,
daß nur eine
kurze Zeit von etwa einer Sekunde vom Kaltstart bis zum stabilen
Leuchten vergeht. In diesem Fall wird, wie in 15 gezeigt, eine hohe Lampenleistung
Wla zugeführt
an eine Entladungslampe von dem Start zum Variieren der Entladungslampen-Charakteristika
in schneller Art und Weise durch schnelles Verdampfen von Quecksilber
und Metallhalid, welche in einer Röhre versiegelt sind.
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Deshalb ändern sich,
wie gezeigt in 12, Entladepunkte
eines Entladungslichtbogens 3 zwischen einem Paar von Elektroden 1 und 2 häufig auf den
Elektroden 1 und 2 während des Prozesses von dem
Leuchtstart bis zum stabilen Leuchten aufgrund von beispielsweise
einer Verdampfung von Quecksilber, das an den Elektroden in der
Röhre haftet,
und eines Phänomens,
das aufgrung von Wärmeleitung eine
Temperaturverteilung einheitlich in einem Bereich einschließlich des
Entladungspunktes macht.
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Die Änderung
der Entladungspunkte bedeutet eine Änderung einer Entladungslichtbogen-Länge l. Es
existiert die folgende Beziehung zwischen einer Lampenspannung Vla,
einem Lampenstrom Ila und der Entladungslichtbogen-Länge l: Vla = a + bl + (c + dl)/Ila wobei a, b, c
und d Konstanten sind, welche von einem Elektrodenmaterial abhängen. Deshalb
steigt, falls der Lampenstrom Ila konstant ist, die Lampenspannung
Vla an, wenn der Entladungslichtbogen länger wird, und nimmt ab, wenn
der Entladungslichtbogen kürzer
wird. Dies wird anhand des folgenden Beispiels erläutert.
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Unmittelbar
nach dem Kaltstart ist die Lampenspannung Vla niedrig (etwa 20 V),
da der Quecksilber-Dampfdruck in der Röhre niedrig ist. Dann, wenn
der Quecksilber-Dampfdruck ansteigt durch Verdampfung von Quecksilber,
welches eine Lichtbogen-Entladungsenergie empfangen hat, steigt
die Lampenspannung Vla an und stabilisiert sich bei einem bestimmten
Wert (z.B. 90 V).
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13 zeigt eine Steuercharakteristik
bezüglich
der Lampenspannung Vla, und 14 zeigt eine
Beziehung zwischen der Lampenspannung Vla und der Lichtausbeute
L/P einer Entladungslampe (dem L/P-Wert, welcher das Verhältnis des
Lichtstroms Φ zur
Lampenleistung Wla ist).
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Wie
in 14 gezeigt, ist die
Lichtausbeute [lm/W] der Entladungslampe niedrig in dem Bereich, in
dem die Lampenspannung Vla niedrig ist, und sie ist hoch in dem
Bereich, wo die Lampenspannung Vla hoch ist. Deshalb kann der Lichtstrom
bzw. die Beleuchtungsstärke
konstant gemacht werden durch Zuführen von Leistung an die Entladungslampe
in Übereinstimmung
mit der Lichtausbeute, welche mit der Lampenspannung Vla variiert.
Die Steuercharakteristik von 13 ist
von solch einem Typ.
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Nun
wird der Fall betrachtet, bei dem die Entladungspunkte des Lichtbogens 3 auf
den Elektroden 1 und 2 sich in solche Richtungen
bewegen, daß sie die
Entladungslichtbogen-Länge
l reduzieren, beispielsweise zu einem Zeitpunkt von Vla = 80 V,
während
die Lampenspannung Vla vom Leuchtbeginn ansteigt. In diesem Fall ändert sich
die Lampenspannung Vla plötzlich
um –ΔVla, was
einer Abnahme der Lichtbogenlänge
l entspricht. Ansprechend darauf steuert das Rückkopplungs-Steuersystem die
Inverterschaltung in Übereinstimmung
mit der Steuercharakteristik von 13,
so daß die
Lampenleistung, die der Entladungslampe zugeführt wird, geändert wird
um +ΔWla,
was der Variation –ΔVla entspricht. Daraus
resultierend wird, wie in 15 gezeigt,
der Lichtstrom ⌀ oder
die Helligkeit der Entladungslampe erhöht um einen Betrag entsprechend
der Leistungsvariation +ΔWla,
um eine Beleuchtungsstärken-Variation
+Δ⌀x zu verursachen.
Diese plötzliche Änderung
der Entladungslampen-Beleuchtungsstärke, d.h. des Lichtstromes,
wird als ein Flackern durch menschliche Augen erkannt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum
Betreiben einer Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, die ein Flackern
der Entladungslampe verhindern kann, welches durch eine Bewegung
der Entladungspunkte eines Entladungslichtbogens auf den Elektroden
verursacht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
steuert, sogar falls die Lampenspannung sich ändert aufgrund einer Bewegung
der Lichtbogen-Entladungspunkte auf den Elektroden der Entladungslampe,
wenn die Lichtausbeute hoch ist, das Rückkopplungssteuersystem, welches
in dem Langsam-Ansprechzustand
ist, die Inverterschaltung langsam, und dementsprechend erzeugt
die Inverterschaltung eine sich langsam ändernde elektrische Leistung.
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Deshalb ändert sich
sogar in dem Bereich hoher Lichtausbeute die Beleuchtungsstärke bzw. der
Lichtstrom der Entladungslampe langsam und somit wird keine Helligkeitsänderung
von menschliche Augen wahrgenommen. Andererseits steigt in dem Bereich
niedriger Lichtausbeute die Lampenspannung in einer kurzen Periode,
und die Entladungslampen-Charakteristika ändern sich
schnell. Da jedoch das Rückkopplungs-Steuersystem
die hohe Ansprechgeschwindigkeit hat, kann die Steueroperation korrekt
bewirkt werden ohne eine nachteilige Verzögerung.
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Weiter
vorteilhafte Ausführungsformen
und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachstehend wird die Erfindung anhand ihrer Asführungsformen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen erläutet.
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Die
Figuren zeigen im einzelnen:
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1 eine
Schaltungsanordnung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Wellenformdiagramm zum Zeigen, wie Lichtstrom und Lampenleistung
variieren, wenn Lichtbogen-Entladungspunkte sich auf Elektroden
einer Entladungslampe bewegen;
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3(a)–3(d) Wellenformdiagramme zum Zeigen des Betriebs
der Schaltungsanordnung der ersten Ausführungsform;
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4 Schaltungsanordnung
gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5 ein
Schaltungsdiagramm zum Zeigen des Hauptteils der Schaltungsanordnung
nach 4;
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6(a)–6(h) Wellenformdiagramme zum Zeigen des Betriebs
der Schaltungsanordnung der zweiten Ausführungsform;
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7 eine
Schaltungsanordnung gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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8 eine
Schaltungsanordnung gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung;
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9 ein
Schaltungsdiagramm zum Zeigen des Hauptteils der Schaltungsanordnung
nach 8;
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10 eine
Verstärkungs-Frequenz-Charakteristik
einer Ansprechschalt-Schaltung, benutzt in der ersten bis vierten
Ausführungsform;
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11 eine
Verstärkungs-Frequenz-Charakteristik
einer Ansprechschalt-Schaltung, benutzt in einer fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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12 eine
Bewegung eines Entladungslichtbogens der Entladungslampe;
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13 eine
Darstellung zum Zeigen einer Entladungslampen-Steuercharakteristik;
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14 eine
Darstellung um Zeigen einer Beziehung zwischen einer Lichtausbeute
und einer Lampenspannung der Entladungslampe; und
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15 ein
Wellenformdiagramm zum Zeigen einer Entladungslampen-Erleuchtungs-Charakteristik
bei einer Entladungslampe, die mit einer herkömmlichen Schaltungsanordnung
betrieben wird.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
der Erfindung. In 1 bezeichnet Bezugszeichen 10 eine
Entladungslampe für
einen Scheinwerfer usw., und Bezugszeichen 11 bezeichnet
eine Gleichspannungsquelle. Eine Gleichspannungs/Gleichspannungs-Konverterschaltung 12 als
eine Inverterschaltung führt Leistung
an die Entladungslampe 10 durch Unterwerfen einer Ausgabespannung
der Gleichspannungsquelle 11 einer Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umwandlung,
die durchgeführt
wird durch einen Ein/Aus-Betrieb eines Halbleiterschaltelements.
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Eine
Impulsbreiten-Modulationsschaltung 13 hat eine Oszillationsschaltung 14 zum
Erzeugen einer Dreieckswelle, eine Vergleichsschaltung 15 und eine
Ansteuerschaltung 16 und steuert eine Ausgangsleistung
der Konverterschaltunng 12 durch Ändern des Tastverhältnisses
des Ein/Aus-Schaltens des Schaltelements in der Konverterschaltung 12.
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Ein
Rückkopplungs-Steuersystem 17 führt eine
Rückkopplungssteuerung
der Konverterschaltung 12 durch zum Erzeugen einer notwendigen
Leistung für
die Entladungslampe 10, und zwar durch Erfassen eines Lampenstroms
Ila und einer Lampenspannung Vla der Entladungslampe 10.
Das Rückkopplungs-Steuersystem 17 erfaßt den Lampenstrom
Ila mittels eines Widerstands R2 und die Lampenspannung Vla mittels
der Widerstände
R3 und R4 und führt
eine Rückkopplungssteuerung
durch durch Veranlassen der Impulsbreiten-Modulationsschaltung 13, die
Konverterschaltung 12 zu steuern, und zwar unter Benutzung
einer Leistungsberechnungs-Schaltung 18 und
einer Umschaltvorrichtung 19, nachfolgend Ansprechschalt-Schaltung
genannt.
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Basierend
auf dem erfaßten
Lampenstrom und der Lampenspannung berechnet die Leistungsberechnungs-Schaltung 18 ein
Steuersignal zum Schaffen der Steuercharakteristik, welche in 13 gezeigt
ist. Das berechnete Steuersignal wird eingegeben an die Ansprechschalt-Schaltung 19.
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Die
Ansprechschalt-Schaltung 19 hat eine CR-Integrationsschaltung 20, welche
aus einem Widerstand R1 und einem Kondensator C1 besteht, und eine
Integrationszeit- Konstante
bestimmt, und ein Schaltelement S1, wie z.B. einen Analogschalter, welcher
vorgesehen ist parallel mit dem Widerstand R1 und dazu dient, die
Integrationszeit-Konstante zu schalten. Das Schaltelement S1 wird
angetrieben durch eine Ausgabe einer Spannungserfassungs-Schaltung 21.
Die Spannungserfassungs-Schaltung 21 hat einen Komparator 23 zum Vergleichen
der Lampenspannung Vla, geteilt durch die Widerstände R3 und
R4, mit einer Bezugsspannung einer Bezugsspannungsquelle 22.
Der Komparator 23 treibt das Schaltelement S1 der Ansprechschalt-Schaltung 19 an
in Übereinstimmung
mit dem Pegel der Lampenspannung Vla, und zwar durch Versorgen davon
mit einem L-Signal, wenn die geteilte Lampenspannung Vla niedriger
als die Bezugsspannung ist, und mit einem H-Signal, wenn die geteilte
Lampenspannung Vla größer als
die Bezugsspannung ist.
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Basierend
auf dem Ausgabesignal des Komparators 23 arbeitet die Ansprechschalt-Schaltung 19 auf
die folgende Art und weise, um die Ansprechgeschwindigkeit des Rückkopplungs-Steuersystems 17 umzuschalten.
D.h., angesichts der Lampenspannung/Lichtausbeuten-Charakteristik
von 14 wird, wenn die Lampenspannung Vla hoch ist,
das Schaltelement S1 geschlossen zum Löschen der Integrationszeit-Konstanten
der CR-Integrationsschaltung 20. Wenn andererseits die
Lampenspannung Vla niedrig ist, wird das Schaltelement geöffnet zum
Errichten der Integrationszeit-Konstanten.
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In
der Impulsbreiten-Modulationsschaltung 13 wird das Steuersignal,
das durch die Ansprechschalt-Schaltung 19 tritt, eingegeben
an die Vergleichsschaltung 15. Die Vergleichsschaltung 15 bestimmt
das Tastverhältnis
in Übereinstimmung
mit dem Steuersignal und dem Lampenstrom Ila unter Benutzung des
Dreieckwellensignals, welches von der Oszillationsschaltung 14 zugeführt wird.
Die Impulsbreiten- Modulationsschaltung 13 steuert
die Ausgangsleistung der Konverterschaltung 12 durch Ansteuern
des Schaltelements der Konverterschaltung 12 durch die
Ansteuerschaltung 16.
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Eine
Polaritätsschalt-Schaltung 24 ist
vom Vollbrückentyp.
Um das Kataphorese-Phänomen
zu verhindern, wobei eine Farbseparation der Röhre und eine Abweichung des
lichtemittierenden Abschnitts auftritt, wenn die Entladungslampe 10 angesteuert
wird durch eine Spannung einer festen Polarität, werden zwei Paare von Schaltelementen
einer Vollbrücke
alternierend eingeschaltet durch eine Niedrigfrequenz-Antriebsschaltung 25,
um die Ausgabe der Konverterschaltung 12 auf eine Niedrigfrequenz-Wechselstrom-Rechteckwelle umzuwandeln. Die
Niedrigfrequenz-Wechselstrom-Rechteckwelle wird
zugeführt
an die Entladungslampe 10 über eine Zündvorrichtung 26,
welche einen Hochspannungsimpuls zum Starten der Entladungslampe 10 erzeugt.
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Als
nächstes
wird eine detaillierte Beschreibung gemacht werden von einem Betrieb
zur Zeit des Einschaltens der Entladungslampe 10.
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Zunächst erzeugt
die Konverterschaltung 12 eine Startspannung (etwa 300
V), welche notwendig ist zum Starten der Entladungslampe 10.
Ein Paar von Schaltelementen der Polaritätsschalt-Schaltung 24 wird
eingeschaltet zum Anlegen der Startspannung an die Entladungslampe 10.
Zur selben Zeit wird ebenfalls ein Hochspannungsimpuls (etwa 20 kV),
erzeugt durch die Zündvorrichtung 26,
angelegt an die Entladungslampe 10, welcher der Startspannung überlagert
ist, um eine elektrische Entladung in der Röhre zu erzeugen.
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Daraus
resultierend beginnt die Entladungsröhre 10 zu leuchten,
während
ein Übergang
stattfindet von einer Glimm-Entladung
zu einer Lichtbogen-Entladung. Während
der Startperiode, wenn der Quecksilber-Dampfdruck niedrig ist, und
deshalb die Entladungslampe 10 eine niedrige Impedanz hat,
ist die Lampenspannung Vla etwa 20 V.
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Andererseits
werden in dem Rückkopplungs-Steuersystem 17 der
Lampenstrom Ila und die Lampenspannung Vla jeweils erfaßt durch
den Widerstand R2 und die Widerstände R3 und R4, und die Leistungsberechnungsschaltung 18 erzeugt
das Steuersignal in Übereinstimmung
mit dem erfaßten Lampenstrom
Ila und der Lampenspannung Vla zum Schaffen der in 13 gezeigten
Steuercharakteristik.
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Das
so erhaltene Steuersignal wird eingegeben an die Impulsbreiten-Modulationsschaltung 13 über die
Ansprechschalt-Schaltung 19.
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Die
Impulsbreiten-Modulationsschaltung 13 bestimmt das Impulstartverhältnis basierend
auf dem Steuersignal und dem Lampenstrom Ila und steuert das Schaltelement
der Konverterschaltung 12 so an, daß die Ausgangsleistung der
Konverterschaltung 12 der Steuercharakteristik von 13 genügt. Die
Ausgabespannung der Konverterschaltung 12 wird umgewandelt
durch die Polaritätsschalt-Schaltung 24 in die
Wechselstrom-Rechteckwelle, welche der Entladungslampe 10 zugeführt wird.
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In
der Entladungslampe 10 wird Quecksilber innerhalb der Röhre verdampft
beim Empfangen thermischer Energie von der Lichtbogen-Entladung. Daraus
resultierend steigt der Quecksilber-Dampfdruck schnell an, und die
Lampenspannung Vla steigt dementsprechend an.
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Der
Komparator 23 der Spannungserfassungs-Schaltung 21 vergleicht
die Lampenspannung Vla, geteilt durch die Widerstände R3 und
R4, mit der Bezugsspannung. Im Betriebsbereich, in dem die Lampenspannung
Vla niedrig ist, und die Lichtausbeute der Entladungslampe 10 ebenfalls
niedrig ist, ist die (geteilte) Lampenspannung Vla niedriger als die
Referenzspannung, wie gezeigt in 3(a),
und der Komparator 23 gibt ein H-Signal aus, wie gezeigt in 3(d). Ansprechend auf das H-Signal, welches von
dem Komparator 23 ausgesendet wird, wird das Schaltelement
S1 der Ansprechschalt-Schaltung 19 geschlossen, um den
Widerstand R1 kurzzuschließen,
und zwar wie gezeigt in 3(b).
Da in diesem Fall die Integrationszeit-Konstante der CR-Integrationsschaltung 20 gelöscht ist,
ist die Ansprechgeschwindigkeit des Rückkopplungs-Steuersystems 17 schnell,
wie gezeigt in 3(c).
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Die
schnelle Ansprechgeschwindigkeit wird in diesem Betriebsbereich
angewendet, da in diesem Bereich die Lampenspannung Vla schnell
ansteigt, um schnell die Charakteristika der Entladungslampe 10 zu ändern. Falls
die Ansprechgeschwindigkeit des Rückkopplungs-Steuersystems 17 nicht
schnell wäre,
würde die
Steuerung nicht geeignet ausgeführt werden
wegen einer Verzögerung.
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Da
die Lichtausbeute der Entladungslampe 10 in diesem Bereich
niedrig ist, ist die Variation ΔΦ des Lichtstroms
sehr klein, sogar falls die Lichtbogen-Entladungspunkte auf den Elektroden
variieren, um kein Flackern zu verursachen.
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Weiterhin
sind in diesem Betriebsbereich, da nur eine kurze Zeit verstrichen
ist seit dem Start der Entladungslampe 10, die Entladungspunkte
auf den Elektroden heißer
als die übrigen
Abschnitte, und es gibt deshalb fast keine Möglichkeit, daß die Lichtbogen-Entladungspunkte
sich bewegen.
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Wenn
die Entladungslampe 10 weiter leuchtet, und der Quecksilber-Dampfdruck
innerhalb der Röhre
ansteigt, steigen sowohl die Lampenspannung Vla als auch die Lichtausbeute
der Entladungslampe 10, wie gezeigt in 3(a). Da die Lampenspannung Vla, geteilt durch
die Widerstände
R3 und R4, höher ist
als die Bezugsspannung (siehe 3(a)),
gibt der Komparator 23 ein L-Signal, wie gezeigt in 3(a), aus.
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Ansprechend
auf das L-Signal wird das Schaltelement S1 der Ansprechschalt-Schaltung 19 geöffnet, wie
gezeigt in 3(d). Da das Steuersignal von
der Leistungsberechnungs-Schaltung 18 integriert
wird mit der Zeitkonstanten T = R1 × C1 der CR-Integrationsschaltung 20,
welche aus dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 besteht, ist die
Ansprechgeschwindigkeit des Rückkopplungs-Steuersystems 17 niedrig,
wie gezeigt in 3(c).
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In
diesem Betriebsbereich, wie gezeigt in 3(a),
nähert
sich die Lampencharakteristik ihrem stabilen Zustand, und die Lampenspannung
Vla und der Lampenstrom Ila variieren langsam. Deshalb wird, sogar
falls das Steuersignal integriert wird mit der Zeitkonstanten T,
eine Verzögerung
in dem Steuerbetrieb nicht die Lampencharakteristika widrig beeinflussen.
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Andererseits
können
in diesem Betriebszustand, da eine gewisse Zeit verstrichen ist
seit dem Start der Entladungslampe 10 und eine Temperaturdifferenz
zwischen den Entladungspunkten und den übrigen Abschnitten auf den
Elektroden klein ist, die Lichtbogen-Entladungspunkte sich auf den
Elektroden bewegen. Falls die Lampenspannung Vla sich ändert, wie
gezeigt in 3(a), durch eine Bewegung des
Entladungslichtbogens, reflektiert das Steuersignal, das von der
Leistungsberechnungs-Schaltung 18 ausgegeben wird, diese
Variation ΔVla.
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Da
jedoch das Schaltelement S1 der Ansprechschalt-Schaltung 19 geöffnet ist
(siehe 3(b)), um das Rückkopplungs-Steuersystem 17 in
den Langsam-Ansprechzustand zu versetzen, verursacht die Integrationszeit-Konstante
der CR-Integrationsschaltung 20 der
Ansprechschalt-Schaltung 19, daß sich das Steuersignal langsam ändert. Daraus
resultierend ändert
sich, wie gezeigt in 2, die Leistung, die von der
Konverterschaltung 12 zugeführt wird, welche gesteuert
wird durch die Impulsbreiten-Modulationsschaltung 13, an
die Entladungslampe 10 in Übereinstimmung mit dem Steuersignal langsamer
(angezeigt durch eine durchgezogene Linie in 2) als im
herkömmlichen
Fall (angezeigt durch eine gestrichelte Linie).
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Deshalb ändert sich,
sogar wenn die Lichtbogen-Entladungspunkte
sich auf den Elektroden bewegen, der Lichtstrom ⌀ oder die Helligkeit der
Entladungslampe 10 langsamer (angezeigt durch eine durchgezogene
Linie in 2) als im herkömmlichen Fall
(angezeigt durch eine gestrichelte Linie). Obwohl eine absolute
Lichtstromänderung ΔΦ die gleiche bleibt,
kann ein zeitdifferentieller Wert ΔΦ/dt verkleinert werden, so
daß die
Lichtstrom- oder Helligkeitsänderung
nicht durch menschliche Augen erkannt werden wird. Das kommt daher,
weil eine Lichtstromänderung
gemittelt wird bei der visuellen Erkennung, falls ΔΦ/dt kleiner
ist als ein bestimmter Wert, und zwar aufgrund der Zeitkonstante
der physiologischen Reaktion von der Retina zum Großhirn und
der Funktion des Sehsystems des Aufaddierens temporärer Variationen
des Lichts (Blochs Gesetz).
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Bei
dieser Ausführungsform
ist basierend auf Experimenten die Integrationszeit-Konstante der CR-Integrationsschaltung 20,
welche aus dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 besteht, auf 0,8
Sekunden eingestellt.
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Wie
oben beschrieben, erfaßt
gemäß der ersten
Ausführungsform
die Spannungserfassungs-Schaltung 21 die Lampenspannung
Vla, und die Ansprechschalt-Schaltung 19 schaltet die Ansprechgeschwindigkeit
des Rückkopplungs-Steuersystems 17 so,
daß die
Ansprechgeschwindigkeit erniedrigt wird, wenn die Lampenspannung
Vla die Stabilzustands-Spannung minus 10 V erreicht, basierend auf
den Tatsachen, daß die
Lampenspannung Vla eine Korrelation mit der Lichtausbeute hat und daß die Lampencharakteristika
und die Frequenz der Entladungs-Lichtbogenbewegungen
sich schnell ändern
in dem Betriebsbereich, in dem die Lampenspannung Vla niedrig ist.
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Die
Ansprechgeschwindigkeit kann geschaltet werden durch Erfassen der
Variationsrate der Lampenspannung Vla (siehe 4 und 5)
oder der Lichtstromänderung
der Entladungslampe 10.
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4 und 5 zeigen
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung, wobei die Variationsrate der Lampenspannung Vla erfaßt wird
und die Ansprechgeschwindigkeit des Rückkopplungs-Steuersystems 17 geschaltet
wird durch die Ansprechschalt-Schaltung 19 in Übereinstimmung
mit der erfaßten
Variationsrate.
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Nach
dem Leuchtbeginn der Entladungslampe 10 steigt die Lampenspannung
Vla schnell an mit dem Anstieg des Quecksilber-Dampfdrucks innerhalb
der Röhre,
und die Variationsrate nimmt ab, wenn die Lampenspannung Vla sich
ihrem Stabilzustandswert annähert.
Deshalb ist es möglich,
eine Bedingung zum Schalten der Ansprechgeschwindigkeit durch Erfassen
der Variationsrate der Lampenspannung Vla zu erhalten.
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In 4 und 5 hat
eine Abtast-Halte-Schaltung 27 Pufferverstärker 28 und 29,
ein Schaltelement S2 und einen Kondensator C2 und tastet ab und
hält die
Lampenspannung Vla, geteilt durch die Widerstände R3 und R4 in Übereinstimmung
mit der Oszillationsperiode einer Oszillationsschaltung 30.
Eine Differenzierschaltung 31 hat einen Kondensator C3
und einen Pufferverstärker 32 und differenziert
eine Ausgabe der Abtast-Halte-Schaltung 27 zum Bestimmen
einer Variationsrate der Lampenspannung Vla bezüglich der Oszillationsperiode
der Oszillationsschaltung 30.
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Eine
Spitzenwert-Ladeschaltung 33 hat eine Diode D1, einen Kondensator
C4 und eine Widerstand R5 und wandelt eine Ausgabe der Differenzierschaltung 31 in
ein geglättetes
Signal zum Anzeigen der Variationsrate der Lampenspannung Vla. Eine Vergleichsschaltung 34 hat
eine Referenzspannungsquelle 35 und einen Komparator 36.
Vergleichend eine Ausgabe der Spitzenwert-Ladeschaltung 33 mit
einer Bezugsspannung schließt
die Vergleichsschaltung 34 das Schaltelement S1 der CR-Integrationsschaltung 20,
wenn die Variationsrate der Spannung Vla größer ist als die Bezugsspannung
und öffnet
es, wenn die Variationsrate kleiner ist als die Bezugsspannung.
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Bei
dieser Ausführungsform,
wie gezeigt in 6(a)–6(c),
wird die Lampenspannung Vla, geteilt durch die Widerstände R3 und
R4, abgetastet und gehalten durch die Schaltung 27 in Übereinstimmung
mit der Oszillationsperiode der Oszillationsschaltung 30.
Insbesondere wird die Lampenspannung Vla, geteilt durch die Widerstände R3 und
R4, eingegeben an das Schaltelement S2 über den Pufferverstärker 28,
der elektrisch deren Eingabe und Ausgabe separiert. Wenn eine Ausgabe
der Oszillationsschaltung 30 H ist, ist die Schalt-Schaltung
S2 geschlossen zum Laden des Kondensators C2 mit dem Signal, das
durch den Pufferverstärker 28 gesendet wird.
Wenn die Ausgabe der Oszillationsschaltung 30 L wird, ist
die Schalt-Schaltung S2 ausgeschaltet. Da in diesem Fall die Eingangsimpedanz
des Pufferverstärkers 29 hoch
ist, entlädt
sich der Kondensator C2 nicht, d.h. er behält seine Spannung.
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Dann,
wenn die Ausgabe der Oszillationsschaltung 30 wieder H
wird, wird das Schaltelement S2 geschlossen zum Laden des Kondensators
C2 mit dem Signal, das durch den Pufferverstärker 28 gesendet wird.
Da in diesem Fall der Kondensator C2 die Spannung gehalten hat,
die aufgebaut wurde, während
die Ausgabe des Oszillators zuvor H war (der Kondensator C2 ist
getrennt vom Pufferverstärker 28 durch
das Schaltelement S2), wird er schnell aufgeladen um einen Betrag
entsprechend eines Anstiegs der Lampenspannung Vla während der
L-Ausgabeperiode der Oszillationsschaltung 30. Durch Wiederholen
des voranstehenden Betriebs tastet die Schaltung 27 die
Lampenspannung Vla ab und hält sie,
nämlich
wie geteilt durch die Widerstände
R3 und R4, und zwar in Übereinstimmung
mit der Oszillationsperiode der Oszillationsschaltung 30,
wie gezeigt in 6(b) und 6(c).
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Durch
Differenzieren der Ausgabe der Abtast-Halte-Schaltung 27 erzeugt
die Differenzierschaltung 31 ein Signal zum Anzeigen der
Variationsrate der Lampenspannung Vla bezüglich der Oszillationsperiode
der Oszillationsschaltung 30, wie gezeigt in 6(d). Insbesondere nimmt der Kondensator C3 nur
die Randabschnitte des Ausgabesignals der Abtast-Halte-Schaltung 27 auf,
welches in einer schrittartigen Weise variiert, und die extrahierten Randabschnitte
werden durchgelassen durch den Pufferverstärker 32. Da der Pufferverstärker 29 mit einer
einzelnen Spannungsquelle arbeitet, wird ein plötzlicher Abfall der Lampenspannung
Vla aufgrund einer Entladungslichtbogen-Bewegung nicht ausgegeben von
dem Pufferverstärker 29,
da sie einer Minus-Ausgabe entspricht.
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Nachdem
die Variationsrate durch die Differenzierschaltung 31 bestimmt
ist, wandelt die Spitzenwert-Ladeschaltung 33 die
Ausgabe der Differenzierschaltung 31 in ein geglättetes Signal
zum Anzeigen der Variationsrate der Lampenspannung Vla, wie gezeigt
in 6(e). Da die Dreieckswellen-Spitzen der
Ausgabe der Differenzierschaltung 31 die Variationsrate
der Lampenspannung Vla darstellen, ist die Spitzenwert-Ladeschaltung 33 so
konstruiert, daß der
Kondensator C4 geladen wird mit der Ausgabe der Differenzierschaltung 31 über die
Diode D1, und die Diode D1 erlaubt, daß sich der Kondensator C4 nur über den
Widerstand R5 entlädt.
Bei dieser Konstruktion wandelt die Spitzenwert-Ladeschaltung 33 die Variationsrate
der Lampenspannung Vla in ein geglättetes Signal durch Laden des
Kondensators C4 bei jeder Dreieckswellen-Spitze der Ausgabe der Differenzierschaltung 31.
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Der
Komparator 36 der Vergleichsschaltung 34 vergleicht
die Ausgabe der Spitzenwert-Ladeschaltung 33 mit der Bezugsspannung.
Wie in 6(f) gezeigt, gibt der Komparator 36 ein
H-Signal aus, wenn die Ausgabe der Spitzenwert-Ladeschaltung 33 höher ist
als die Bezugsspannung, und er gibt ein L-Signal aus, wenn sie niedriger
ist als die Bezugsspannung.
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Da
das Schaltelement S1 der CR-Integrationsschaltung 20 gesteuert
wird durch die Ausgabe der Vergleichsschaltung 24, ist
das Schaltelement S1 geschlossen, wenn die Variationsrate der Lampenspannung
Vla höher
ist als die Bezugsspannung, und es ist geöffnet, wenn sie niedriger ist
als die Bezugsspannung, so daß das
Steuersignal sich langsam ändert durch
die Integrationszeit-Konstante der CR-Integrationsschaltung 20 (siehe 6(g) und 6(h)).
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Bei
der zweiten Ausführungsform ändert sich wie
im Fall der ersten Ausführungsform
der Lichtstrom, d.h. die Helligkeit der Entladungslampe 10 langsam,
und solch eine Helligkeitsänderung
wird nicht erkannt durch menschliche Augen, sogar falls die Entladungs-Lichtbogenpunkte
sich auf den Elektroden bewegen.
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7 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung, wobei die Ansprechgeschwindigkeit erhöht wird
während
einer vorbestimmten Phase nach dem Leistungseinschalten und niedrig
gemacht wird nach einem Verstreichen der vorbestimmten Periode. In 7 beginnt
ein Zeitgeber 37 zu arbeiten, wenn ein Leistungsschalter 38 eingeschaltet
wird, und schaltet das Schaltelement S1 der Ansprechschalt-Schaltung 19 aus,
wenn die vorbestimmte Zeitspanne vorübergegangen ist.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird, sofort nachdem der Leistungsschalter 38 eingeschaltet
ist zum Starten der Entladungslampe 10, das Schaltelement
S1 geschlossen zum Erhöhen
der Ansprechgeschwindigkeit. Nach Verstreichen der vorbestimmten Periode
schaltet das Schaltelement S1 aus ansprechend auf ein Signal, das
von dem Zeitgeber 37 gesendet wird, um die Ansprechgeschwindigkeit
zu erniedrigen. Ebenfalls bei dieser Ausführungsform ändert sich nach Verstreichen
der vorbestimmten Periode die Helligkeit oder der Lichtstrom der
Entladungslampe 10 langsam, und keine Helligkeitsänderung
wird erkannt durch menschliche Augen, sogar falls die Entladungs-Lichtbogenpunkte
sich auf den Elektroden bewegen.
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8 zeigt
eine vierte Ausführungsform
der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform
wird nach dem Schalten von dem schnellen Ansprechzustand zum langsamen
Ansprechzustand der langsame Ansprechzustand beibehalten, bis die
Entladungslampe 10 ausgeschaltet wird. Der schnelle Ansprechzustand
wird zu einer Zeit des Neustartens der Entladungslampe 10 wiederhergestellt.
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Insbesondere
hält, nachdem
sich die Lampenspannung Vla, erfaßt durch die Spannungserfassungs-Schaltung 21,
sich in den Hochspannungsbereich verschiebt, eine Einrastschaltung 39 das
Schaltelement S1 der Ansprechgeschwindigkeit-Schalt-Schaltung 19 in
dem Auszustand, bis die Entladungslampe 10 ausgeschaltet
wird.
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Da
die Einrastschaltung 39 den langsamen Ansprechzustand beibehält, wenn
das Schaltelement S1 einmal ausgeschaltet ist zum Schalten der Ansprechgeschwindigkeit
der Rückkopplungs-Steuerschaltung 17 auf
die niedrige Geschwindigkeit, wird kein irrtümlicher Betrieb auftreten in
der Erleuchtungsvorrichtung, sogar wenn die Charakteristika der Entladungslampe 10 geändert werden
durch beispielsweise eine Bewegung der Lichtbogen-Entladungspunkte
auf den Elektroden. Zusätzlich
wird die Einrastschaltung 39 zurückgesetzt, wenn die Entladungslampe 10 ausgeschaltet
wird durch Ausschalten des Leistungsschalters 38 (keine
Spannung wird an die Einrastschaltung 39 zugeführt). Deshalb
ist, wenn die Entladungslampe 10 neu gestartet wird durch
Einschalten des Leistungsschalters 38, die Ansprechgeschwindigkeit
es Rückkopplungs-Steuersystems 17 notwendigerweise
zurückversetzt
auf die hohe Geschwindigkeit.
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9 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform
der Erfindung, wobei die CR-Integrationsschaltung 20 der
Ansprechschalt-Schaltung 19, die bei den obigen Ausführungsformen
benutzt wurde, ersetzt ist durch eine Tiefpaß-Filterschaltung 40 zweiter
Ordnung.
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Wenn
die Ansprechschalt-Schaltung 19 aufgebaut ist aus der CR-Integrationsschaltung 20,
wie bei den obigen Ausführungsformen,
ist eine Grenzfrequenz fc der CR-Integrationsschaltung 20 so
eingestellt, daß eine
Frequenz f1, welche der temporären
Variation der Steuercharakteristik entspricht, niedriger ist als
die Grenzfrequenz fc (siehe 10).
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Wenn
die Lichtbogen-Entladungspunkte sich auf den Elektroden bewegen,
tritt eine Komponente mit einer Frequenz f2 auf in der Ausgabe der
Leistungs-Berechnungsschaltung 18, welche eine schnelle Änderung
als eine Ursache eines Flackerns der Entladungslampe 10 darstellt.
Da die Frequenz f2 höher
ist als die Frequenz f1 (entspricht der temporären Variation der Steuercharakteristik)
und auf einer Abfallinie von –20
dB/DeK. liegt, wird diese Komponente integriert mit einem Abfall
von –20
dB/DeK. bezüglich
der Grenzfrequenz fc, so daß sie
nicht als ein Flackern erkannt wird.
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Obwohl
die CR-Integrationsschaltung 20 einen Abfall von –20 dB/DeK
für eine
Komponente mit einer Frequenz höher
als der Grenzfrequenz fc vorsieht, kann sie dennoch nicht hinreichend
die flackernverursachende Komponente der Frequenz f2 beseitigen
und integrieren, falls f1 und f2 nahe beieinander liegen.
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Wenn
eine hinreichende Integration nicht durchgeführt werden kann durch eine
Tiefpaß-Filterschaltung
erster Ordnung, wie z.B. die CR-Integrationsschaltung 20,
ist es effektiv, eine Tiefpaß-Filterschaltung 40 zweiter
Ordnung, wie gezeigt in 9, zu benutzen.
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In 9 ist
der Tiefpaß-Filter 40 zweiter
Ordnung als die Integrationseinrichtung eine Tiefpaß-Filterschaltung
des Spannungsquellentyps bestehend aus Widerständen R6 und R7, Kondensatoren
C5 und C6 und einem Operationsverstärker 41. Falls angenommenerweise
R6 = R7 = R, gilt die folgende Beziehung zwischen der Grenzrequenz
fc und den Schaltungskonstanten C5 = 1/√2πRfc und C6
= 1/2√2πRfc.
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Deshalb
ist, wie gezeigt in 11, eine Komponente mit einer
Frequenz höher
als der Grenzfrequenz fc unterworfen einem Abfall von –40 dB/Dek.. Verglichen
mit dem Fall der CR-Integrationsschaltung 20 wird ein zusätzlicher
Abfall von –20
dB/DeK. erhalten durch die Tiefpaß-Filterschaltung 40 zweiter Ordnung,
falls die Grenzfrequenz fc dieselbe ist. Deshalb kann die Tiefpaß-Filterschaltung 40 eine
hinreichende Integration durchführen,
sogar unter der Bedingung, unter der die CR-Integrationsschaltung 20 dies
nicht tun kann.
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Wo
sogar die Tiefpaß-Filterschaltung 40 keine
hinreichende Integration durchführen
kann, kann eine Tiefpaß-Filterschaltung höherer Ordnung
(z.B. dritter Ordnung oder vierter Ordnung) benutzt werden zum Vorsehen
einer hinreichenden Integration. Im Fall eines Tiefpaß-Filters
Nter Ordnung ist die Abfallrate bezüglich der Grenzfrequenz fc –20xN dB/DeK..
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Ebenfalls
wird bei der fünften
Ausführungsform,
während
das Schaltelement S1 offen ist, das Steuersignal von der Leistungsberechnungs-Schaltung 18 umgewandelt
in ein Langsam-Ansprechsignal
durch die Tiefpaß-Filterschaltung 40 zweiter
Ordnung und dann zugeführt
an die Vergleichsschaltung 15. Während das Schaltelement S1
geschlossen ist, tritt das Steuersignal durch die Tiefpaß-Filterschaltung 40 zweiter
Ordnung, wobei die Ansprechgeschwindigkeit nicht reduziert ist,
und wird dann an die Vergleichsschaltung 15 geführt.
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Obwohl
die obigen Ausführungsformen
gerichtet sind auf Schaltungsanordnungen, welche die Entladungslampe 10 durch
Anlegen der Niedrigfrequenz-Wechselstrom-Rechteckwelle
betreiben, kann die Erfindung in ähnlicher Weise angewendet werden auf
eine Schaltungsanordnung eines Hochfrequenzbetriebs.
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Die
Ansprechschalt-Schaltung 19 kann eine Integrationsschaltung
unter Benutzung eines Operationsverstärkers anstatt der CR-Integrationsschaltung 20 sein.
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Da,
wie oben beschrieben, gemäß der Erfindung
die Ansprechgeschwindigkeit-Steuerschaltung die Ansprechgeschwindigkeit
des Rückkopplungs-Steuersystems
schaltet, so daß die
Ansprechgeschwindigkeit hoch ist in dem Bereich, in dem die Lichtausbeute
der Entladungslampe niedrig ist, und niedrig ist in dem Bereich,
in dem die Lichtausbeute hoch ist, kann ein Flackern verhindert
werden, sogar wenn die Lichtbogen-Entladungspunkte sich auf den Elektroden
bewegen. Somit kann die Erfindung eine kostengünstige Schaltungsanordnung
zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe schaffen, welche einfach
ist im Aufbau und die es der Entladungslampe erlaubt, ein Licht
hoher Qualität
ohne Flackern zu erzeugen.