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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein
Verfahren zur Bestimmung des durch eine Gasentladungslampe fließenden Stroms.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein elektrisches
Vorschaltgerät
zum Betreiben einer Gasentladungslampe.
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Heutzutage
werden Leistungssteuerungseinrichtungen oder Vorschaltgeräte in großem Umfang
zur Steuerung der Gasentladungslampen, wie z. B. Fluoreszenzlampen,
zugeführten
Leistung eingesetzt. Vorschaltgeräte können zum Beispiel zur Optimierung
des Vorheizens und Zündens
der Entladungslampe verwendet werden, um, zum Zwecke der Aufrechterhaltung
einer ausgewählten
Lichtintensität
oder zum Zwecke einer gesteuerten Dimmung auf ein festes, jedoch
einstellbares Leistungsniveau der Entladungslampe, eine der elektrischen
Entladungslampe zugeführte,
konstante Leistung aufrechtzuerhalten.
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Moderne,
elektronische Vorschaltgeräte
weisen ein zwischen der Versorgungsspannung (typischerweise dem
Stromversorgungsnetz) und der Entladungslampe geschaltetes Schaltnetzteil (SMPS)
auf. Bei einer dreistufigen Ballastschaltung umfasst die erste Stufe
des Schaltnetzteils einen Preconditioner (Vorformungsschaltkreis),
zum Beispiel einen Doppelgleichrichter zum Gleichrichten des Stromversorgungsnetzes
(230 V, 50 Hz, einphasig), in Kombination mit einem Aufwärtswandler.
Die zweite Stufe kann einen Abwärtswandler
(Gleichspannungswandler), ebenfalls als Durchflusswandler oder Tiefsetzsteller
bezeichnet, umfassen, um den Ausgangsstrom zu stabilisieren. Die
dritte Stufe der Ballastschaltung umfasst eine Kommutatorbrücke und einen
Zünder,
um einen Rechteckstrombetrieb der Lampe zu realisieren. Bei einer
zweistufigen Ballasttopologie werden der Abwärtswandler und die Kommutatorbrücke durch
eine Halbbrücken-Kommutierungsdurchfluss-
(HBCF) oder eine Vollbrücken-Kommutierungsdurchfluss-(FBCF)Topologie ersetzt.
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Die
Halbbrücken-Kommutierungsdurchfluss-(HBCF)Schaltung
entspricht einer Vollbrücken-Kommutierungsdurchfluss-(FBCF)Schaltung, wobei
ein Teil der Brücke
durch zwei (elektrolytische) Brückenkondensatoren
in Reihe ersetzt wird. Das Vorschaltgerät weist bei dieser Topologie
einen Aufwärtswandler
in Kombination mit einer Halbbrücke auf,
die als Zweifachabwärtswandler
wirkt. Diese zweistufige Ballasttopologie zum Betreiben einer HID-Lampe
ist relativ einfach und relativ kostengünstig.
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Die
Steuerung der der Lampe zugeführten Leistung
kann auf dem Ergebnis von Messungen verschiedener Lampenparameter,
wie z. B. dem durch das Kommutierungsdurchfluss-Spulenelement (HBCF-Spule
oder FBCF-Spule) fließenden,
tatsächlichen
Strom, basieren. Dieser Wandlerstrom kann als Maß für den durch die Lampe tatsächlich fließenden Strom
verwendet werden. Messungen des HBCF/FBCF-Spulenstroms oder Wandlerstroms können auf
verschiedene Weisen durchgeführt
werden, wobei jede mehrere Nachteile aufweist.
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Eines
der Verfahren zur Bestimmung des Wandlerstroms ist, einen Stromnebenschluss
vorzusehen, indem zum Beispiel ein Messwiderstand in Reihe mit der
HBCF-Spule geschaltet
wird. Die Differenzspannung an dem Messwiderstand wird mit Hilfe eines
Differenzverstärkers
gemessen. Der durch den Messwiderstand fließende Strom und folglich der
tatsächliche
Wandlerstrom, d. h. der durch die HBCF-Spule fließende Strom,
kann aus dem bekannten Widerstandswert des Messwiderstands bestimmt
werden. Jedoch liegt einer der Nachteile dieses Verfahrens darin,
dass ein Operationsverstärker mit
anspruchsvoller Spezifikation, das heißt, ein Operationsverstärker mit
einem großen
Gleichtaktunterdrückungsverhältnis, erforderlich
ist, was in erheblichen Kosten des Vorschaltgeräts resultiert. Des Weiteren
weisen die mit dem Verstärker
gemessenen Signale relativ geringe Werte auf, da der Widerstandswert
des Messwiderstands so gering wie möglich sein sollte, um die durch
das Einfügen
des Messwiderstands induzierten Verluste zu minimieren. Diese geringen
Werte führen
zu einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnis.
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Ein
weiteres Verfahren zur Bestimmung des Wandlerstroms ist die Verwendung
eines Stromtransformators, indem zum Beispiel die Primärwicklungen eines
Stromtransformators in Reihe mit der HBCF-Spule geschaltet werden.
US 6 181 085 offenbart den
Einsatz eines Stromtransformators, dessen Primärwicklungen in Reihe mit der
Lampe geschaltet sind. Die Sekundärwicklungen des Transformators liefern
dann ein Signal proportional zu dem Wandlerstrom. Einer der Nachteile
dieses Verfahrens ist jedoch, dass nicht nur die Hochfrequenzkomponenten des
Stromsignals, sondern auch die Niederfrequenzkomponenten des Stromsignals
zu übertragen
sind. Um die Übertragung
der Niederfrequenzkomponenten, d. h. des Niederfrequenzkommutationssignals, des
Stromsignals zu garantieren, ist ein relativ voluminöser Transformator
erforderlich.
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Des
Weiteren kann ein asymmetrischer Strombetrieb der Entladungslampe
nicht detektiert werden. Während
der Startphase und/oder am Ende der Lebensdauer (EOL) der Lampe
kann das Lampenverhalten unregelmäßig sein, wodurch eine asymmetrische
Lampenbelastung der oben erwähnten
Kommutierungsdurchflussschaltung hervorgerufen wird. Die Lampe kann
zum Beispiel in einer Halbperiode des Tastgrads des Schaltnetzteils
leitend und in der anderen Halbperiode nicht leitend sein. Die resultierende
Gleichstromkomponente kann bei der oben erwähnten Vollbrücken-Kommutierungsdurchflussschaltung
nicht bestimmt werden. Bei der oben erwähnten Halbbrücken-Kommutierungsdurchflussschaltung
resultiert die asymmetrische Belastung der Halbbrücke in einer
Verschiebung der Mittelpunktspannung der Brückenkondensator-Reihenschaltung,
d. h. die Spannung, welche die Spannung an dem Übergang zwischen dem ersten
und zweiten Brückenkondensator
darstellt, wird erhöht
oder verringert. Infolge dieses Spannungsdrifts kann der maximale
Spannungssollwert einer der Brückenkondensatoren überschritten
werden, wodurch Schaden an dem Vorschaltgerät entsteht.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung sowie ein
Verfahren zur Bestimmung des Wandlerstroms und ein elektronisches Vorschaltgerät vorzusehen,
bei denen die oben erwähnten
Nachteile behoben sind.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung
zur Bestimmung des einer Entladungslampe zugeführten Stroms durch einen Kommutierungsdurchflusswandler
erfüllt,
der zur Abgabe einer Versorgungsleitungsspannung mit einer Versorgungsleitung
verbunden sein kann und ein erstes Schaltelement, ein zweites Schaltelement
sowie einen Ausgangsknoten zwischen den Schaltelementen aufweist,
um der Entladungslampe den Strom zuzuführen, wobei die Einrichtung
eine erste Stromabtastschaltung zum Abtasten des Stroms in einer
ersten Position zwischen der Versorgungsleitung und dem Ausgangsknoten
und eine zweite Stromabtastschaltung zum Abtasten des Stroms in
einer zweiten Position zwischen dem Ausgangsknoten und Erde aufweist.
Durch Abtasten der Ströme
in zwei Positionen, in einer Position in der oberen Hälfte der
Brücke
und in einer Position in der unteren Hälfte der Brücke, ist nur die Hochfrequenzkomponente
des Stromsignals (typischerweise in dem Bereich von 30 kHz–250 kHz)
zu bestimmen. Auf das Abtasten der Niederfrequenzkomponenten, wie
z. B. der Kommutationsfrequenz, typischerweise in dem Bereich von
50–400
Hz, kann verzichtet werden. Dieses erlaubt die Verwendung von relativ
kleinen Stromtransformatoren, deren Gesamtvolumen geringer als dieses
des oben erörterten
Einfachstromtransformator- Verfahrens
ist. Des Weiteren kann bei Halbbrückenanwendungen ein asymmetrischer
Betrieb detektiert werden. Dadurch kann die Steuerschaltung der
Stromversorgung den Tastgrad der Schaltelemente anpassen, um die
Mittelpunktspannung und daher die Spannungen an den Brückenkondensatoren
auf sichere Werte zu korrigieren. Eine Gleichstromkomponente kann
ebenfalls bei Vollbrückenanwendungen
detektiert werden.
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Des
Weiteren werden die Leistungsverluste bei diesem Messverfahren im
Vergleich zu den bei dem oben erörterten
Stromnebenschlussverfahren entstehenden Verlusten reduziert. Auch
die Ausgangssignale machen keine weitere Verstärkung erforderlich, wodurch
Rausch- und Interferenzprobleme verhindert werden.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist
die erste Abtastschaltung einen ersten Stromtransformator, dessen
Primärwicklung
mit der ersten Position verbunden ist, und die zweite Abtastschaltung
einen zweiten Stromtransformator auf, dessen Primärwicklung
mit der zweiten Position verbunden ist, wobei die Sekundärwicklungen
des ersten und zweiten Stromtransformators in Reihe geschaltet sind,
um ein kombiniertes Signal abzugeben, welches für den Wandlerstrom charakteristisch
ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein elektronisches
Vorschaltgerät
zum Betreiben einer Gasentladungslampe vorgesehen mit:
- – einem
Schaltnetzteil (SMPS), um der Entladungslampe Energie zuzuführen, wobei
das Schaltnetzteil einen Halb- oder Vollbrücken-Kommutierungsdurchflusswandler mit zumindest
einer Versorgungsleitung zur Zuführung
einer Versorgungsspannung, einem ersten Schaltelement, einem zweiten
Schaltelement sowie einem Ausgangsknoten zwischen den Schaltelementen,
um der Lampe Strom zuzuführen,
umfasst, sowie
- – einer
Strombestimmungsschaltung zur Abgabe eines Signals, welches für den Wandlerstrom
charakteristisch ist,
wobei die Strombestimmungsschaltung
eine erste Stromabtastschaltung zum Abtasten des Stroms in einer
ersten Position zwischen der Versorgungsleitung und dem Ausgangsknoten
und eine zweite Stromabtastschaltung zum Abtasten des Stroms in einer
zweiten Position zwischen dem Ausgangsknoten und Erde aufweist.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist
das Vorschaltgerät
eine Gateansteuerschaltung auf, die mit den Gates des ersten Schaltelements
und des zweiten Schaltelements sowie der Strombestimmungsschaltung
verbunden ist, um die Schaltung der Schaltelemente auf der Basis
des für den
Wandlerstrom charakteristischen Signals zu steuern. Das für den Wandlerstrom
charakteristische Signal wird zu der Steuerschaltung, die den Tastgrad der
Schaltelemente des Schaltnetzteils steuert, zurückgeführt. Der Tastgrad der Schaltelemente
kann durch die Steuerschaltung auf der Basis dieses Signals angepasst
werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Bestimmung des einer Gasentladungslampe von einem Kommutierungsdurchflusswandler
zugeführten
Stroms vorgesehen, wobei der Wandler zumindest eine Versorgungsleitung
zur Zuführung
einer Versorgungsspannung, ein erstes Schaltelement, ein zweites
Schaltelement sowie einen Ausgangsknoten zwischen den Schaltelementen,
um der Lampe Strom zuzuführen, aufweist,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- – Abtasten
des Stroms in dem Wandler in einer ersten Position zwischen der
Versorgungsleitung und dem Ausgangsknoten sowie Abgabe eines ersten
Ausgangssignals,
- – Abtasten
des Stroms in dem Wandler in einer zweiten Position zwischen dem
Ausgangsknoten und Erde sowie Abgabe eines zweiten Ausgangssignals,
- – Addieren
des ersten und zweiten Ausgangssignals zur Abgabe eines für den Wandlerstrom
charakteristischen, dritten Ausgangssignals.
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Stellt
das erste Signal den in der ersten Position gemessenen Strom, das
zweite Signal den in der zweiten Position gemessenen Strom und das
dritte Signal die Summe des in der ersten Position und des gleichzeitig
in der zweiten Position gemessenen Stroms dar, wird ein Maß für den durch
die HBCF-Spule fließenden
Strom erhalten. Dieser Strom stellt ein Maß für den durch die Lampe fließenden Strom
dar.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 – ein Schemaschaltbild
eines elektronischen Vorschaltgeräts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 – eine graphische
Darstellung des Stromsignals des oberen Schaltelements, des Stromsignals
des unteren Schaltelements und des Wandlerstroms;
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3 – eine graphische
Darstellung der kombinierten Stromsignale des oberen und unteren Schaltelements
sowie des Wandlerstroms; sowie
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4 – ein Schemaschaltbild
eines elektronischen Vorschaltgeräts gemäß einem zweiten bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
ein Zweistufen-Vorschaltgerät
für eine
Hochdruckentladungslampe (LA). Die erste Stufe (I) des Vorschaltgeräts weist
einen Gleichrichter 2 zur Umwandlung der AC-Versorgungsspannung
(typischerweise ein 230 V 50 Hz Stromversorgungsnetz) in eine DC-Versorgungsspannung
sowie einen Aufwärtswandler
bzw. Hochsetzsteller 3 zur Verstärkung der DC-Versorgungsspannung
auf. 1 zeigt eine typische Topologie eines Aufwärtswandlers
bzw. Hochsetzstellers. Der Aufwärtswandler
setzt sich u. a. aus einem Induktor (LBOOST),
einem Schaltelement (T) und einer Diode (D) zusammen.
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Die
zweite Stufe (II) des Vorschaltgeräts, wie in 1 dargestellt,
weist eine Halbbrücken-Kommutierungsdurchfluss-(HBCF)Schaltung
auf, welche als Zweifachabwärtswandler
wirkt. Die HBCF-Schaltung umfasst einen ersten MOSFET T1, einen
zweiten MOSFET T2, eine erste und eine zweite (innere) Body-Diode
D1 und D2, einen Induktor Lhbcf in Reihe mit der Lampe, einen parallel
zu der Lampe geschalteten Lampenkondensator Cr sowie zwei in Reihe
geschaltete Elektrolyt-Brückenkondensatoren
Cs1 und Cs2. Die Halbbrücken-Kommutierungsdurchflussschaltung
wird in dem kritischen, diskontinuierlichen Modus betrieben, um
eine Nullspannungsschaltung zu ermöglichen. Jede halbe Kommutationsperiode (Kommutationsfrequenz
der Größenordnung
von 100 Hz) wird ein MOSFET (der erste MOSFET T1 oder der zweite
MOSFET T2) in Kombination mit der Diode (D2 oder D1) des anderen
MOSFETs betrieben. Das Schalten der MOSFETs erfolgt durch eine Tastgrad-Steuerschaltung 4,
wie diese in 1 schematisch dargestellt ist.
Diese Schaltung steuert den Tastgrad der Halbbrücken-Kommutierungsdurchflussschaltung.
Die Steuerung kann von dem Wandlerstrom oder zumindest von einem
für den
Wandlerstrom charakteristischen Signal, wie erfindungsgemäß bestimmt,
abhängig
sein.
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Die
Primärwicklungen
eines ersten Stromtransformators CT1 sind zwischen der Versorgungsleitung
und dem ersten MOSFET T1 geschaltet. Der Stromtransformator kann
ebenso gut zwischen dem MOSFET T1 und dem Ausgangsknoten (O) zwischen den
beiden MOSFETS T1 und T2 geschaltet sein. Die Primärwicklungen
eines zweiten Stromtransformators CT2 sind zwischen dem zweiten
MOSFET T2 und Erde oder zwischen dem Ausgangsknoten (O) und dem
zweiten MOSFET T2 geschaltet. Die Sekundärwicklungen des ersten Transformators
und zweiten Transformators sind in Reihe geschaltet.
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Die 2 und 3 zeigen
Messungen des durch den Kern des ersten Transformators CT1 in dem
oberen Teil der Halbbrücken-Kommutierungsdurchflussschaltung
fließenden
Stroms sowie des durch den Kern des zweiten Transformators CT2 in dem
unte ren Teil der Halbbrücken-Kommutierungsdurchflussschaltung
fließenden
Stroms. 2 zeigt faktisch drei Signale.
Signal A stellt das rechtzeitige Antwortverhalten des zu dem oberen
MOSFET (T1) gehörenden,
ersten Stromtransformators CT1 dar, während Signal B das rechtzeitige
Antwortverhalten des zu dem unteren MOSFET (T2) gehörenden Stromtransformators
CT2 darstellt. Signal C zeigt den tatsächlichen Wandlerstrom als eine
Zeitfunktion. Der linke Teil der Figur zeigt eine erste Kommutationshalbperiode,
während
der rechte Teil der Figur eine nachfolgende, halbe Kommutationsperiode zeigt.
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Aus 2 ist
ersichtlich, dass lediglich die Hochfrequenzkomponenten der Ströme durch
die Transformatorkerne gut übertragen
werden, während die
Niederfrequenz-(Kommutationsfrequenz)Komponenten
schnell verschwinden. In 3 ist Signal D ein Signal, welches
Signal A, zu Signal B hinzugefügt,
entspricht. Es wird deutlich, dass die Auswirkungen des schwachen
Niederfrequenzverhaltens und der Mittelwerte aufgehoben sind. Das
resultierende Stromsignal D gibt klare Null- und Spitzenstrominformationen.
Diese Informationen können
zur Bewertung des Betriebs des Wandlerstroms und folglich des Lampenstroms
verwendet werden. Das sich ergebende Stromsignal als Folge kann
zur Sicherstellung eines reineren AC-Lampenbetriebs eingesetzt werden.
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Obgleich
der Niederfrequenzteil des Stromsignals schnell verschwindet, zeigen
die relativ kleinen Stromtransformatoren, wie aus Signalen A und
B in 2 abgeleitet werden kann, noch immer eine geringe Übertragung
des Niederfrequenzteils des Stromsignals. Besonders Signal B zeigt
deutlich, dass sich nach Kommutation der Nullpegel langsam der „Nullachse" nähert. Der
Niederfrequenzteil des Signals verschwand bereits nach einigen wenigen Hochfrequenzperioden.
Die oben erwähnte
Reihenschaltung der Sekundärwicklungen
der Stromtransformatoren, wodurch sich Signal D in 3 ergibt, hat
die folgenden Vorteile:
Die schwachen Niederfrequenzübertragungen
beider Transformatoren heben sich gegenseitig auf und haben keinen
Einfluss auf das Ausgangssignal (C). Dieses besagt, dass die Niederfrequenzübertragungsleistung
der Transformatoren weniger relevant geworden ist. Zur Verbesserung
der oben erwähnten Aufhebung
der Niederfrequenzkomponenten von Signal A und B werden die Transformatoren
so gewählt,
dass das Niederfrequenzverhalten der beiden Transformatoren im Wesentlichen
identisch ist.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass das resultierende Signal D (3)
unipolar oder gleichgerichtet ist. Ungeachtet der Richtung (positiv
oder negativ), in welcher der Kommutierungsdurchflusswandler den Strom überträgt (vgl. 3,
Signal E), ist der Ma ximalwert des Stroms positiv. Folglich muss
die Spitzenstrom-Detektionsschaltung, die mit der Sekundärseite der
Stromtransformatoren verbunden ist, lediglich das positive Maximum
detektieren. Auch im Falle eines Nulldurchgangs verändert sich
die Flanke immer von einer negativen Flanke durch Null zu einer positiven
Flanke.
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4 zeigt
ein Zweistufen-Vorschaltgerät
für eine
Hochdruckentladungslampe (LA), dessen erste Stufe (I) dem in 1 dargestellten
Vorschaltgerät entspricht.
Die zweite Stufe (II) des Vorschaltgeräts weist eine Vollbrücken-Kommutierungsdurchfluss-(FBCF)Topologie auf.
Die FBCF-Schaltung umfasst einen ersten MOSFET T1, einen zweiten
MOSFET T2, einen dritten MOSFET T3 und einen vierten MOSFET T4,
eine erste, zweite, dritte und vierte (innere) Body-Diode D1–D4, einen
Lampeninduktor Lhbcf in Reihe mit der Lampe, einen zu der Lampe parallel
geschalteten Lampenkondensator Cr sowie einen Elektrolytkondensator
Cs parallel zu dem zweiten und dritten MOSFET. Die Vollbrücken-Kommutierungsdurchlassschaltung
wird in dem kritischen, diskontinuierlichen Modus betrieben, um
eine Nullspannungsschaltung zu ermöglichen. Ähnlich wie bei dem in 1 dargestellten
Vorschaltgerät
sind die Primärwicklungen
eines ersten Stromtransformators CT1 zwischen der Versorgungsleitung
und dem ersten MOSFET T1 geschaltet. Die Primärwicklungen eines zweiten Stromtransformators
CT2 sind zwischen dem zweiten MOSFET T2 und Erde oder zwischen dem
Ausgangsknoten (O) und dem zweiten MOSFET T2 geschaltet. Die Sekundärwicklungen
des ersten Transformators und zweiten Transformators sind in Reihe
geschaltet. Die Kombination aus dem von dem ersten Transformator
abgeleiteten Signal und dem von dem zweiten Transformator abgeleiteten
Signal sieht ein für
den Wandlerstrom charakteristisches Signal vor.
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Da
der tatsächliche
Spitzenstrom durch den MOSFET mit Hilfe der oben erwähnten Stromtransformatoren
während
jeder Hochfrequenzperiode gemessen wird, ist der Strom, sowohl in
dem positiven als auch in dem negativen Periodenteil des Niederfrequenzstroms,
immer der gleiche. Eine Gleichstromkomponente (Amplitudendifferenz
zwischen dem positiven und negativen Niederfrequenzperiodenteil)
ist daher nicht möglich.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen, bevorzugten
Ausführungsbeispiele
derselben beschränkt;
die nachgesuchten Schutzrechte werden durch die nachfolgenden Ansprüche definiert,
wobei innerhalb des Anwendungsbereichs derselben viele Modifikationen
ins Auge gefasst werden können.
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2, 3
- Ch1,
Ch2, Ch3, Ch4
- K1,
K2, K3, K4