EP0323992B1 - Stromversorgungsschaltung für eine gasentladungslampe - Google Patents

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EP0323992B1 EP88905835A EP88905835A EP0323992B1 EP 0323992 B1 EP0323992 B1 EP 0323992B1 EP 88905835 A EP88905835 A EP 88905835A EP 88905835 A EP88905835 A EP 88905835A EP 0323992 B1 EP0323992 B1 EP 0323992B1
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discharge lamp
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/36—Controlling
    • H05B41/38—Controlling the intensity of light
    • H05B41/39—Controlling the intensity of light continuously
    • H05B41/391—Controlling the intensity of light continuously using saturable magnetic devices

Definitions

  • the invention relates to a power supply circuit for a gas discharge lamp operated on an AC power source according to the preamble of claim 1.
  • a power supply circuit of this type is known from FR-A-1035405.
  • Gas discharge lamps show a non-linearity between the discharge current (lamp current) and the lamp voltage.
  • the lamp voltage is a characteristic of the lamp and is largely independent of the lamp current. This shows, however, that in the case of lamps of low power, the voltage decreases somewhat with increasing current. This makes it necessary to use current limiting measures to protect the lamp against destruction. With lamps of high power, the lamp voltage increases slightly with increasing lamp current. Small changes in the supply voltage therefore result in large changes in current, so that current-limiting measures for stabilization are also necessary in this case.
  • ballasts in the case of gas discharge lamps fed from the AC network mostly consist essentially of a current-limiting inductor which is connected in series with the lamp and produces a voltage drop which should be approximately one third to half of the mains voltage. Since the lamp acts as an approximately ohmic load, this voltage drop is out of phase with the lamp voltage by approximately 90 °.
  • the luminous flux of a gas discharge lamp is to be adjustable, there is little consideration for a variation in the supply voltage, because with an optimized lamp circuit this has only a very limited influence on the luminous flux.
  • the requirement that the instantaneous supply voltage must be greater than the lamp voltage in order to avoid the lamp going out also places limits on the controllability.
  • the control is therefore carried out in practice in the ballast itself. Stepless lamp current regulation in the partial load range is realized with the help of leading edge circuits or with transducers, so the ballast must be designed from the outset.
  • parallel or series connections of current limiting chokes are used, which allows regulation only in relatively coarse steps if the effort is not to be too great. It should be noted in particular with respect to phase gating controls that these generate a broad harmonic spectrum, which is undesirable for the lamp.
  • a ballast for a fluorescent lamp consisting of an auto stray transformer which carries four coils on a common core, and a capacitor and a (thermo) switch. Two of the coils are connected in series and connected to a tap of the third coil. The fluorescent lamp is connected between the other end of this series connection and a further tap of the third coil connected to the power supply network. The end of the third coil close to this tap is connected to the connection point of the first and second coils via a series circuit comprising a fourth coil and a capacitor. The other end of the third coil is connected to the power supply network. In this circuit, the first and second coils take over the main current stabilization.
  • the capacitor acts as a compensation capacitor.
  • a capacitive current flows through the first coil.
  • the voltage thus induced is transformed in the division ratio of the first and second coils and vectorially superimposed on the output voltage.
  • the fourth coil acts as a blocking choke.
  • the invention has for its object to provide a power supply circuit of the type mentioned, with which the power consumption of a gas discharge lamp can be set in a wide range, the limits of which are in a ratio of up to about 3: 1 to each other.
  • the invention achieves its goal by means of three special components, namely a regulating transformer, a capacitor and an auxiliary choke, the auxiliary choke being able to be designed for a small output compared to the current limiting choke and also the regulating transformer only for one small power needs to be designed according to the auxiliary circuit consisting of the auxiliary choke and the capacitor.
  • the regulating transformer can be of a commercially available type which is adapted to the supply network voltage.
  • the in the auxiliary circuit i.e. Current flowing in the auxiliary branch is only dependent on the voltage on the auxiliary circuit, i.e. in the minimum position of the transformer tap from the lamp voltage and in the maximum position from the voltage across the current limiting choke.
  • the current flowing in the auxiliary branch will also be larger or smaller in the minimum or maximum position. If the current and voltage ratings of the auxiliary choke are reached, the auxiliary branch is optimally dimensioned. It is therefore not possible to choose arbitrary capacitance values; if they are too high, the auxiliary choke is overloaded. Their maximum value is determined by the size of the auxiliary choke.
  • the control range results from the apparent power in the auxiliary branch, which is the vector sum of the apparent powers of the capacitor and auxiliary choke.
  • the additional components mentioned can be added to an existing ballast of a gas discharge lamp without any components having to be exchanged in the ballast or line connections having to be opened. It is therefore possible to subsequently connect the control circuit embodied by the invention to the existing ballast using a simple plug connection, which in the borderline case is only three-pole (including four-pole including a ground connection conductor), or else to separate from it again without impairing its normal functionality.
  • step-up transformer which is often required at higher lamp voltages, can therefore be avoided under certain circumstances by using the invention.
  • a replacement for a step-up transformer consists only of the auxiliary choke and the capacitor of the auxiliary branch, as will be explained later.
  • Another advantage of the invention is that the sinusoidal character of the current flowing through the lamp is further improved, which is known to be gentle on the lamp.
  • the drawing shows a gas discharge lamp (Lp) 1, which is connected in series with a current limiting inductor 2 to an AC supply network, the poles of which are designated P and N. Between the current limiting choke 2 and the lamp 1, an ignition device (ZG) 3 can optionally be arranged in a known manner, which is connected via an ignition switch 4 to the other pole N of the power supply system.
  • the current limiting choke is usually under consideration dimensioning of the lamp voltage, the mains voltage and the lamp power, so that special explanations are not necessary at this point.
  • a regulating transformer 5 In parallel with the inputs of the lamp circuit described above, which are connected to the poles P and N of the power network, a regulating transformer 5 is connected, which has a movable tap 6, to which a series circuit comprising a capacitor 7 and an auxiliary choke 8 is connected. The other end of this series connection is connected to the connection point 9 between lamp 1 and current limiting inductor 2 (or, in the case of an intermediate igniter, between inductor 2 and igniter 3).
  • the capacitance and the inductance of the capacitor 7 and the auxiliary choke 8 are matched to one another such that the reactance of the capacitor 7 is approximately 1.3 to 2.6 times as large as that of the auxiliary choke 8.
  • the ratio of these reactances to one another has a noticeable influence to the size of the control range that can be achieved with the control circuit embodied by the invention. This will be discussed later.
  • the auxiliary choke 8 is dimensioned such that its reactance is approximately 2 to 5 times that of the current limiting choke 2.
  • the smaller reactances require higher capacitor values in order to achieve comparable control ranges.
  • the lamp power can be varied by more than a factor of 2, the width of the range of variation being crucially dependent on the size of the capacitor 7 in relation to the reactance of the auxiliary choke 8.
  • the range of variation that can be achieved increases with increasing capacitance, it being shown that in order to achieve the factor 2 mentioned, the reactance of the capacitor 7 should not exceed 1.5 times that of the auxiliary choke 8.
  • the invention can also be used to compensate for fluctuations in the lamp power, which could be caused by external influences, or a decrease in the luminous flux, which is caused by lamp aging.
  • an electronic phase shifter can be used in the circuit. This is particularly advantageous when control speeds are required that cannot be achieved with an electromechanically adjustable control transformer. It is important that the phase shifter has a phase control range comparable to the control range of the control transformer within the circuit.

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  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungsschaltung für eine an einer Wechselstromquelle betriebene Gasentladungslampe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine stromversorgungsschaltung dieser Art ist aus der FR-A-1035405 bekannt.
  • Gasentladungslampen zeigen eine Nichtlinearität zwischen dem Entladungsstrom (Lampenstrom) und der Lampenspannung. Die Lampenspannung ist eine der Lampe eigentümliche Größe und in einem weiten Bereich vom Lampenstrom unabhängig. Dabei zeigt sich jedoch, daß bei Lampen kleiner Leistung mit zunehmender Stromstärke die Spannung etwas abnimmt. Dies macht den Einsatz von Strombegrenzungsmaßnahmen zum Schutz der Lampe gegen Zerstörung notwendig. Bei Lampen großer Leistung nimmt die Lampenspannung mit steigendem Lampenstrom geringfügig zu. Kleine Änderungen der Versorgungsspannung haben daher große Stromänderungen zur Folge, sodaß in diesem Falle strombegrenzende Maßnahmen zur Stabilisierung ebenfalls notwendig sind.
  • Solche strombegrenzenden, in sogenannten Vorschaltgeräten realisierten Maßnahmen bestehen bei aus dem Wechselstromnetz gespeisten Gasentladungslampen zumeist im wesentlichen aus einer Strombegrenzungsdrossel, die in Serie mit der Lampe geschaltet ist und einen Spannungsabfall erzeugt, der etwa ein Drittel bis zu Hälfte der Netzspannung betragen sollte. Da die Lampe als annähernd ohm'sche Last wirkt, ist dieser Spannungsabfall gegenüber der Lampenspannung um etwa 90° phasenverschoben.
  • Wenn der Lichtstrom einer Gasentladungslampe einstellbar sein soll, kommt hierfür eine Variation der Versorgungsspannung nur wenig in Betracht, weil bei optimiertem Lampenstromkreis diese nur einen sehr begrenzten Einfluß auf den Lichtstrom hat. Auch setzt die Forderung, daß die MomentanVersorgungsspannung größer als die Lampenbrennspannung sein muß, um ein Erlöschen der Lampe zu vermeiden, Grenzen für die Regelbarkeit. Die Regelung wird daher in der Praxis im Vorschaltgerät selbst vorgenommen. Stufenlose Lampenstromregelungen im Teillastbereich werden mit Hilfe von Phasenanschnittschaltungen oder mit Transduktoren realisiert, das Vorschaltgerät muß daher von vornherein entsprethend gestaltet sein. Im Hochlastbereich greift man zu Parallel- oder Serienschaltungen von StrombegrenzungsdrosseIn, was eine Regelung nur in relativ groben Stufen ermöglicht, wenn der Aufwand nicht zu groß werden soll. Speziell zu Phasenanschnittsteuerungen sei angemerkt, daß diese ein breites Oberwellenspektrum erzeugen, was für die Lampe unerwünscht ist.
  • Aus der eingangs genannten FR-A-1 035 405 ist ein Vorschaltgerät für eine Leuchtstofflampe bekannt, bestehend aus einem Autostreutransformator, der auf einem gemeinsamen Kern vier Spulen trägt, und einem Kondensator sowie einem (Thermo-)Schalter. Zwei der Spulen sind in Reihe geschaltet und mit einer Anzapfung der dritten Spule verbunden. Zwischen das andere Ende dieser Reihenschaltung und eine weitere, mit dem Stromversorgungsnetz verbundene Anzapfung der dritten Spule ist die Leuchstofflampe geschaltet. Das dieser Anzapfung nahe Ende der dritten Spule ist über eine Reihenschaltung aus einer vierten Spule und einem Kondensator mit dem Verbindungspunkt von erster und zweiter Spule verbunden. Das andere Ende der dritten Spule ist mit dem Stromversorgungsnetz verbunden. In dieser Schaltung übernehmen die ersten und zweiten Spulen die Hauptstromstabilisierung. Der Kondensator wirkt bei gestarteter Lampe als Kompensationskondensator. Bei ungezündeter Lampe fließt durch die erste Spule ein kapazitiver Strom. Die dadurch induzierte Spannung wird im Teilungsverhältnis der ersten und zweiten Spulen transformiert und der Ausgangsspannung vektoriell überlagert. Die vierte Spule wirkt als Sperrdrossel. Mit dieser Schaltung sollen das Zündverhalten verbessert, eine Stabilisierung im Betrieb und eine Einstellung des Leistungsfaktors nahe bei 1 erreicht werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungsschaltung der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die Leistungsaufnahme einer Gasentladungslampe in einem weiten Bereich, dessen Grenzen in einem Verhältnis bis zu etwa 3 : 1 zueinander stehen, eingestellt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die'kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Erfindung erreicht ihr Ziel durch drei spezielle Bauelemente, nämlich einen Regeltransformator, einen Kondensator und eine Hilfsdrossel, wobei-die Hilfsdrossel für eine im Vergleich zur Strombegrenzungsdrossel kleine Leistung ausgelegt werden kann und auch der Regeltransformator nur für eine entsprechend kleine Leistung ausgelegt zu sein braucht entsprechend dem aus der Hilfsdrossel und dem Kondensator bestehenden Hilfsstromkreis. Der Regeltransformator kann von handelsüblicher Bauart sein, der an die Versorgungsnetzspannung angepaßt ist.
  • Der im Hilfsstromkreis, d.h. im Hilfszweig fließende Strom ist nur abhängig von der Spannung am Hilfsstromkreis, d.h. in der Minimumstellung des Transformatorabgriffs von der Lampenspannung und in der Maximumstellung von der Spannung über der Strombegrenzungsdrossel. Je nachdem, ob die Lampenspannung oder die Spannung über der Strombegrenzungsdrossel größer ist, wird auch der im Hilfszweig fließende Strom in der Minimum- oder Maximumstellung größer oder kleiner sein. Werden die Strom- und Spannungsnennwerte der Hilfsdrossel erreicht, ist der Hilfszweig optimal dimensioniert. Man kann daher nicht beliebige Kapazitätswerte wählen; sind sie zu hoch, wird die Hilfsdrossel überlastet. Ihr Maximalwert ist durch die Größe der Hilfsdrossel bestimmt.
  • Der Regelbereich ergibt sich aus der Scheinleistung im Hilfszweig, die durch die Vektorsumme der Scheinleistungen von Kondensator und Hilfsdrossel ist.
  • Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß die genannten zusätzlichen Bauelemente zu einem bestehenden Vorschaltgerät einer Gasentladungslampe nachträglich hinzugefügt werden können, ohne daß in dem Vorschaltgerät irgendwelche Bauelemente auszutauschen wären oder Leitungsverbindungen geöffnet werden müßten. Es ist daher möglich, die von der Erfindung verkörperte Regelschaltung mit einer einfachen, im Grenzfall nur dreipoligen (unter Einschluß eines Masseverbindungsleiters vierpoligen) Steckverbindung nachträglich an das bestehende Vorschaltgerät anzuschließen oder auch von diesem wieder zu trennen, ohne dessen übliche Funktionstüchtigkeit zu beeinträchtigen.
  • Da in der "Maximum"-Stellung des Abgriffs am Regeltransformator an der Lampe eine Spannung wirksam ist, die höher als die übliche, von der Strombegrenzungsdrossel abgegebene Spannung ist, wird in vorteilhafter Weise die Gesamtanordnung zündwilliger. Ein sogenannter Step-up-Transformator, der bei höheren Lampenspannungen häufig erforderlich ist, läßt sich durch den Einsatz der Erfindung daher unter Umständen vermeiden. Im Grenzfall, wenn auf eine Regelung der Lampenleistung verzichtet werden kann, besteht ein solcher Ersatz für einen Step-up-Transformator nur aus der Hilfsdrossel und dem Kondensator des Hilfszweiges, wie später noch erläutert wird.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Sinuscharakter des durch die Lampe fließenden Stroms noch verbessert wird, was bekanntermaßen lampenschonend ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
  • Die Zeichnung zeigt eine Gasentladungslampe (Lp) 1, die mit einer Strombegrenzungsdrossel 2 in Serie an ein Wechselstromversorgungsnetz angeschaltet ist, dessen Pole mit P und N bezeichnet sind. Zwischen der Strombegrenzungsdrossel 2 und der Lampe 1 kann ggf. in bekannter Weise ein Zündgerät (ZG) 3 angeordnet sein, das über einen Zündschalter 4 mit dem anderen Pol N des Stromnetzes verbunden ist. Die Strombegrenzungsdrossel ist üblicherweise unter Berück sichtigung der Lampenspannung, der Netzspannung und der Lampenleistung dimensioniert, sodaß sich spezielle Ausführungen hierzu an dieser Stelle erübrigen.
  • Parallel mit den Eingängen der vorbeschriebenen Lampenschaltung, die mit den Polen P und N des Stromnetzes verbunden sind, ist ein Regeltransformator 5 verbunden, der einen beweglichen Abgriff 6 hat, an den eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 7 und einer Hilfsdrossel 8 angeschaltet ist. Das andere Ende dieser Reihenschaltung ist mit dem Verbindungspunkt 9 zwischen Lampe 1 und Strombegrenzungsdrossel 2 (bzw. bei zwischengeschaltetem Zündgerät zwischen Drossel 2 und Zündgerät 3) verbunden.
  • Die Kapazität und die Induktivität von Kondensator 7 und Hilfsdrossel 8 sind aufeinander so abgestimmt, daß die Reaktanz des Kondensators 7 etwa 1,3 bis 2,6 mal so groß ist, wie die der Hilfsdrossel 8. Das Verhältnis dieser Reaktanzen zueinander hat einen merklichen Einfluß auf die Größe des Regelbereiches, der mit der durch die Erfindung verkörperten Regelschaltung erzielbar ist. Hierauf wird später noch eingegangen.
  • In Bezug auf die Strombegrenzungsdrossel 2 ist die Hilfsdrossel 8 derart dimensioniert, daß ihre Reaktanz etwa das 2- bis 5-fache von der der Strombegrenzungsdrossel 2 beträgt. Die kleineren Reaktanzen erfordern höhere Kondensatorwerte, um vergleichbare Regelbereichsbreiten zu erzielen.
  • Nachfolgend werden mit der Erfindung erzielte Versuchsergebnisse tabellarisch zusammengefaßt.
  • Mit einer Quecksilberdampf-Hochdrucklampe einer Leistung von 400 W, einer sogenannten 400-Watt-Strombegrenzungsdrossel einer Reaktanz von etwa 44 Ω bei 50 Hz Netzfrequenz und einer sogenannten 250 W Hilfsdrossel einer Reaktanz von etwo 90 Ω bzw., in einer zweiten Versuchsreihe, einer Reaktanz von etwa 225 Ω , wurden unter Verwendung von Kondensatoren unterschiedlicher Größen im Hilfszweig Messungen ausgeführt. Die Netzspannung betrug in allen Fällen 230 V. Es wurden dabei jeweils in der Minimumstellung und in der Maximumstellung des Abgriffs 6 am Regeltransformator 5 u.a. die Lampenspannung und der Lampenstrom sowie der relative Lichtstrom gemessen und die Lampenleistung errechnet. Im Vergleich dazu wurde eine Messung ohne Regeltransformator und ohne Hilfszweig durchgeführt. Die erhaltenen Werte sind in der nachfolgenden Tabelle aufgetragen.
    Figure imgb0001
  • In dieser Tabelle bedeuten:
    UL = Spannung an der Lampe 1,
    IL = Lampenstrom
    NL = errechnete Lampenleistung
    E = relativer Lichtstrom in Skalenteilen (Skt) einer linearen Skala
  • Man kann aus der Tabelle entnehmen, daß die Lampenleistung um mehr als den Faktor 2 variierbar ist, wobei die Breite des Variationsbereiches maßgeblich von der Größe des Kondensators 7 im Verhältnis zur Reaktanz der Hilfsdrossel 8 abhängt. Mit wachsender Kapazität nimmt der erzielbare Variationsbereich zu, wobei sich zeigt, daß zur Erzielung des genannten Faktors 2 die Reaktanz des Kondensators 7 das 1,5-fache von der der Hilfsdrossel 8 nicht überschreiten sollte.
  • Man erkennt aus der Tabelle auch, daß in Maximum-Stellung des Abgriffs am Regeltransformator, in welcher der Abgriff auf dem Potential des N-Poles des Stromnetzes liegt und der Regeltransformator daher für den Hilfszweig unwirksam ist, in allen Fällen eine höhere Lampenleistung als bei Verzicht auf die von der Erfindung verkörperte Regelschaltung erreicht wird, wie das Vergleichsbeispiel am Ende der Tabelle zeigt. Wenn auf den Regeltransformator und somit auf die Regelbarkeit der Lampenleistung verzichtet wird, ist es daher mit Hilfe des dann verbliebenen Teilmerkmals der Erfindung, nämlich der Serienschaltung aus Kondensator und Hilfsdrossel im Hilfszweig, noch immer möglich, eine Steigerung der Lampenleistung ohne Verwendung eines Step-up-Transformators bzw. ohne Änderung an der Strombegrenzungsdrossel zu erzielen.
  • Es versteht sich, daß unter Zuhilfenahme einer Servoeinrichtung der Erfindung auch dazu verwendet werden kann, Schwankungen der Lampenleistung, die durch äußere Einflüsse hervorgerufen werden könnten, oder einen Lichtstromrückgang, der durch Lampenalterung bedingt ist, ausgeregelt werden können.
  • Anstelle eines Regeltransformators kann in der Schaltung ein elektronischer Phasenschieber verwendet werden. Ein solcher ist besonders dann vorteilhaft, wenn Regelgeschwindigkeiten gefordert werden, die sich mit einem elektromechanisch nachstellbaren Regeltransformator nicht erzielen lassen. Wichtig ist, daß der Phasenschieber einen dem Regelbereich des Regeltransformators innerhalb der Schaltung vergleichbaren Phasenregelbereich aufweist.

Claims (4)

1. Stromversorgungsschaltung für eine Gasentladungslampe (1), die in Reihenschaltung mit einer Strombegrenzungsdrossel (2) an einer Wechselstromquelle zu betreiben ist, enthaltend ein induktives Element (5) mit mehreren Anschlüssen, von denen wenigstens einer ein Abgriff (6) ist und zwei Anschlüsse zwischen die Wechselstromquelle geschaltet sind, und eine Reihenschaltung aus einem Kondensator (7) und einer Hilfsdrossel (8), die mit einem ersten Ende zwischen einen innerhalb der Reihenschaltung aus Strombegrenzungsdrossel (2) und Gasentladungslampe (1) liegenden verbindungspunkt (9) einerseits und mit einem zweiten Ende einem der nicht mit der Wechselstromquelle verbundenen Anschlüsse des induktiven Elements (5) andererseits geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das induktive Element ein Regeltransformator (5) ist, dessen Wicklungsenden mit den Polen (P,N) der Wechselstromquelle verbunden sind, während sein Abgriff (6) mit dem zweiten Ende der Reihenschaltung aus Kondensator (7) und Hilfsdrossel (8) verbunden ist, deren erstes Ende mit dem der Gasentladungslampe (1) zugewandten Ende der Strombegrenzungsdrossel (2) verbunden ist, und daß die Reaktanz des Kondensators (7) etwa das 1,3- bis 2,5-fache der Reaktanz der Hilfsdrossel (8) beträgt.
2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanz der Hilfsdrossel (8) etwa 1,5 bis 5 mal so groß wie die Reaktanz der Strombegrenzungsdrossel (2) ist.
3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff (6) des Regeltransformators (5) zwischen Maximal- und Minimalstellungen verstellbar ist, in denen er sich auf dem Potential des zweiten Anschlusses (N) der Gasentladungslampe (1) bzw. auf dem Potential des zweiten Anschlusses (P) der Strombegrenzungsdrossel (2) befindet.
4. Stromversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als einstellbares Glied anstelle des Regeltransformators (5) ein elektronischer Phasenschieber mit vergleichbarem Regelbereich vorgesehen ist.
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