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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgung zum
Betreiben und Zünden einer Entladungslampe, welche einen integrierten Schaltkreis mit
Kontaktstiften zwecks Zusammenwirkens mit einem äußeren Schaltkreis mit
Ausgangsklemmen für die Entladungslampe aufweist, wobei der integrierte Schaltkreis zumindest einen,
mit einem Schalter in dem äußeren Schaltkreis verbundenen Kontaktstift vorsieht, um den
Schalter in einen ersten Schaltzustand zu versetzen, wenn sich dieser auf einem ersten
Logikpegel befindet, und diesen in einen zweiten Schaltzustand zu versetzen, wenn er sich auf
einem zweiten Logikpegel befindet.
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Eine Stromversorgung dieser Art ist aus U. S. -Patent Nr. 4 952 849 bekannt.
Die Stromversorgung weist sowohl eine Eingangsstufe als auch eine Ausgangsstufe auf.
Die Eingangsstufe sieht durch Umwandlung eines, von einer Netzleitung erhaltenen
Wechselstromsignals in ein Gleichstromsginal eine Gleichspannungsenergiequelle für die
Ausgangsstufe vor. Die Ausgangsstufe, welche durch einen Halbbrückeninverter dargestellt
sein kann, steuert die Lampe. Unter anderem wird darin von einer Steuerschaltung zum
Erhitzen der Lampendrähte, um diese vor Zündung in einen gewünschten Zustand zu
bringen (Vorerhitzen), Gebrauch gemacht. Die Steuerschaltung kann ebenfalls eine
Reduzierung der von den Glühfäden bei Zünden der Lampe aufgenommenen Energie regeln. Eine
Miniaturisierung der Stromversorgung wird durch Ausführen der Steuerschaltung derselben
als integrierter Schaltkreis erreicht. Die Größe eines integrierten Schaltkreises wird zum
großen Teil durch die Anzahl Kontaktstifte, im Folgenden als Pins bezeichnet, bestimmt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromversorgung der oben
erwähnten Art vorzusehen, bei welcher der integrierte Schaltkreis weniger Kontaktstifte
erforderlich macht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch erfüllt, dass
mindestens ein Kontaktstift, sobald sich dieser auf seinem zweiten Logikpegel befindet, ebenfalls
dazu dient, mindestens ein, einen Betriebszustand des äußeren Schaltkreises darstellendes,
erfasstes Signal zu empfangen. Durch Verwendung eines oder mehrerer Kontaktstifte
sowohl als Ausgang als auch als Eingang sind weniger Kontaktstifte erforderlich, und es ist
eine kleinere Oberfläche des integrierten Schaltkreises ausreichend.
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Ein praktisches Ausführungsbeispiel ist durch Anspruch 2 beschrieben. Um
den mindestens einen Kontaktstift zwangsläufig auf den ersten Logikpegel zu setzen, wird
der Halbleiterschalter, welcher an die dem ersten Logikpegel entsprechende Spannung
angelegt ist, durch das gemeinsame Steuersignal leitend gemacht. Gleichzeitig wird der
andere. Halbleiterschalter vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp nicht leitend gemacht. Bei
Ändern des Logikpegels des Steuersignals wird der an die dem ersten Logikpegel
entsprechende Spannung angelegte Halbleiterschalter nicht leitend gemacht, so dass der
Kontaktstift nicht mehr zwangsläufig auf den ersten Logikpegel gesetzt wird. Das Steuersignal
macht den anderen Halbleiterschalter sodann leitend, sodass er das erfasste Signal an den
zur Verarbeitung desselben bestimmten Schaltkreis weiterleiten kann.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Stromversorgung gemäß der
Erfindung ist durch Anspruch 3 gekennzeichnet. Eine praktische Ausführung dieses
Ausführungsbeispiels ist durch Anspruch 4 definiert.
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Anspruch 5 beschreibt ein attraktives Ausführungsbeispiel der
Stromversorgung gemäß der Erfindung. Vorzugsweise ist die zweite Resonanzfrequenz derselben höher
als die erste Resonanzfrequenz. Während des Vorerhitzens - wenn sich der Pin auf dem
ersten Logikpegel befindet - wird das zusätzliche Bauelement in dem Ausgangskreis mit
der aus dem Induktor und dem Kondensator bestehenden Schaltung verbunden, so dass der
Ausgangskreis durch die erste, relativ niedrige Resonanzfrequenz gekennzeichnet ist. Da
1 die Schaltfrequenz bei Vorerhitzen wesentlich höher als diese verringerte
Resonanzfrequenz ist, ist es unwahrscheinlich, dass bei Vorerhitzen eine hohe Spannung an die Lampe
angelegt wird. Nach Vorerhitzen nimmt der Pin den zweiten Logikpegel an, was darin
resultiert, dass das zusätzliche Bauelement in dem Ausgangskreis von der aus dem Induktor
und dem Kondensator bestehenden Schaltung entkoppelt wird. Der Ausgangskreis ist nun
durch die zweite, relativ hohe Resonanzfrequenz gekennzeichnet. Während des
Zündvorgangs durchläuft die Schaltfrequenz des Inverters den Bereich von der hohen Frequenz bei
Vorerhitzen bis zu der höheren, unbelasteten Resonanzfrequenz. Durch Erhöhen der
unbelasteren Resonanzfrequenz im Anschluss an das Vorerhitzen ist es wesentlich einfacher,
eine ausreichend hohe Spannung an der Lampe zum Zünden der Letzteren zu entwickeln.
Der mindestens eine Kontaktstift empfängt auf dem niedrigen Logikpegel ebenfalls ein, den
Spannungszustand an der Lampe darstellendes Signal, welches zu Zwecken der
Leistungsregelung verarbeitet wird. Das Signal kann ebenfalls zum Zwecke der
Überspannungserkennung eingesetzt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 - ein Blockschaltbild, welches eine Stromversorgung gemäß der
Erfindung darstellt;
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Fig. 2 - ein elektrisches Schaltbild eines Inverters und zugeordneten
Antriebssteuerkreises gemäß der Erfindung.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, wird eine Stromversorgung 10 von einer, durch eine
Wechselspannungsquelle 20 dargestellte Wechselstromnetzleitung gespeist. Die
Stromversorgung weist einen integrierten Schaltkreis 109 auf, welcher Kontaktstifte vorsieht, um
über Antriebssteuerkreis 65 mit einem äußeren Schaltkreis, d. h. einem Inverter 60 und einer
Last 70, zusammenzuwirken.
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Die Stromversorgung 10 weist weiterhin einen EMI-Filter 30, eine
Vollwegdiodenbrücke 40 sowie einen Preconditioner 50 auf. Die Last 70 sieht einen Induktor
75, einen Kondensator 80 und Ausgangsklemmen 88, 170 für eine Entladungslampe, in
diesem Falle eine Fluoreszenzlampe, vor. Diodenbrücke 40 richtet die gefilterte
Sinusspannung gleich, wodurch sich eine Gleichspannung mit Welligkeit ergibt. Preconditioner S0
dient mehreren Funktionen. Die von der Diodenbrücke 40 abgegebene, gleichgerichtete
Spitzenwechselspannung wird verstärkt und in eine, im Wesentlichen konstante
Gleichspannung umgewandelt, welche dem Inverter 60 zugeführt wird. Preconditioner 50 verbes-
sert ebenfalls den Gesamtleistungsfaktor von Stromversorgung 10. Zum Beispiel resultieren
an EMI-Filter 30 durch Wechselspannungsquelle 20 angelegte Spannungen mit einem
Effektivwert von 120, 220 und 277 in Gleichspannungen von etwa 250, 410 und 490 V,
welche jeweils dem Inverter 60 zugeführt werden.
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Inverter 60, welcher während der vollständigen Lichtbogenentladung von
Lampe 85 auf einer Schaltfrequenz von etwa 45 Kilohertz (kHz) durch den
Antriebssteuerkreis 65 angesteuert wird, wandelt die Gleichspannung in eine, an Last 70 angelegte
Rechteckwellenspannungswellenform um. Die Beleuchtungsstärke der Lampe kann durch
jeweiliges Ansteigen und Abfallen der Frequenz dieser Rechteckwellenspannungswellenform
erhöht und verringert werden.
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Inverter 60, Last 70 sowie Antriebssteuerkreis 65 sind in Fig. 2 im Einzelnen
dargestellt. Inverter 60 wird über ein Paar Eingangsanschlüsse 61 und 62 desselben eine,
von dem Preconditioner 50 abgegebene, im Wesentlichen konstante Gleichspannung VDC
zugeführt. Inverter 60 ist als Halbbrücke ausgelegt und weist einen B+ (Verbindungs-) Bus
101, einen geerdeten Rücklaufbus 102 und ein Paar Schalter (z. B. MOSFETs) 100 und 112
auf, welche zwischen Bus 101 und Bus T02 in Reihe geschaltet sind. Schalter 100 und 112
sind an einem Anschluss 110 miteinander verbunden und werden im Allgemeinen als
Totem-Pole-Anordnung bezeichnet. Die als Schalter 100 und 112 dienenden MOSFETs
weisen jeweils ein Paar Gates G1 und G2 auf. Busse 101 und 102 sind jeweils mit
Eingangsanschlüssen 61 und 62 verbunden. Ein Widerstand 103 und ein Kondensator 106 sind an
einem Anschluss 104 zusammengeschaltet und zwischen Bus 101 und Bus 102 in Reihe
geschaltet. Ein Paar Kondensatoren 115 und 118 ist an einem Anschluss 116
zusammengeschaltet und zwischen Anschluss 110 und Bus 102 in Reihe geschaltet. Eine Zener-Diode
121 und eine Diode 123 sind an Anschluss 116 aneinander gefügt und zwischen Anschluss
104 und Bus 102 in Reihe geschaltet.
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Induktor 75, Kondensator 80, ein Kondensator 81, Lampe 85 und ein
Widerstand 174 sind an Ausgangsklemme 170 zusammengeschaltet. Ein Paar Wicklungen 76 und
77 sind an Wicklung 75 zum Anlegen von Spannungen an die Glühfäden (nicht dargestellt)
der Lampe 85 gekoppelt, wenn diese während des Vorerhitzens in einen gewünschten
Zustand gebracht wird. Ein Gleichspannungssperrkondensator 126 und Induktor 75 sind
zwischen Anschluss 110 und Ausgangsklemme 170 in Reihe geschaltet. Kondensator 80 und
ein Paar Widerstände 153 und 177 sind an einem Anschluss 179 zusammengeschaltet.
Lampe 85 und Widerstand 153 sind an Ausgangsklemme 88 miteinander verbunden und
zwischen Ausgangsklemme 170 und Anschluss 179 in Reihe angeschlossen. Widerstände
174 und 177 sind an Anschluss 175 zusammengeschaltet und zwischen Ausgangsklemme
170 und Anschluss 179 in Reihe geschaltet. Kondensator 81 und ein Schalter (z. B. MOS-
FET) 82 sind zwischen Ausgangsklemme 170 und Anschluss 179 in Serie geschaltet. Ein
Widerstand 162 ist zwischen Bus 102 und Anschluss 179 geschaltet. Eine Diode 180 und
ein Kondensator 183 sind an einem Anschluss 181 miteinander verbunden und zwischen
Anschluss 175 und Erde in Reihe geschaltet.
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Die Kontaktstifte des integrierten Schaltkreises (IC) 109 zum
Zusammenwirken mit dem äußeren Schaltkreis weisen einen Pin VDD auf, welcher an Anschluss 104
angeschlossen ist, der die Spannung zur Ansteuerung von IC 109 abgibt. Kontaktstift RIND
empfängt ein Signal, welches einen Messwert für den Strom durch den Induktor 75
darstellt. Das Signal stellt damit ebenfalls einen Messwert für die Ströme durch die Glühfäden
der Lampe dar, welche mit den an den Induktor 75 gekoppelten Wicklungen 76 und 77
verbunden sind. Das an Kontaktstift RIND empfangene Signal wird einer Rückkopplungsschaltung
(nicht dargestellt) in IC 109 zugeführt, welche dazu dient, den Strom durch die
Glühfäden der Lampe während der Vorheizperiode auf einem vorgegebenen Wert zu
halten.
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Der integrierte Schaltkreis weist mindestens einen, an einen Schalter 82 in
dem äußeren Schaltkreis gekoppelten Kontaktstift VL auf, um, wenn dieser sich auf einem
ersten Logikpegel befindet, den Schalter in einen ersten Schaltzustand zu versetzen und,
wenn dieser sich auf einem zweiten Logikpegel befindet, den Schalter in einen zweiten
Schaltzustand zu versetzen. Die Spannung an Pin VL, welche an ein Gate G3 von Schalter
82 angelegt wird, regelt, sobald Kondensator 81 mit Kondensator 80 parallel geschaltet ist.
Pin VL ist über einen Widerstand 189 an Anschluss 181 angeschlossen. Pin VL dient, wenn
er sich auf dem zweiten Logikpegel befindet, ebenfalls dazu, mindestens ein erfasstes,
einen Betriebszustand des äußeren Schaltkreises darstellendes Signal Sig zu empfangen.
Dieses erfasste Signal reflektiert die Spitzenspannung von Lampe 85. Ein weiterer Pin LI2 ist
über einen Widerstand 168 mit Ausgangsklemme 88 verbunden. Ein Pin LIZ ist über einen
Widerstand 171 an Anschluss 179 geschaltet. Die Differenz zwischen den Pins LI1 und LI2
zugeführten Strömen reflektiert den erfassten, durch die Lampe 85 fließenden Strom. Der
integrierte Schaltkreis 109 weist einen ersten Halbleiterschalter S1 mit einer, an eine, dem
ersten Logikpegel entsprechende Spannung VDD angelegte Hauptelektrode auf. IC 109
weist weiterhin einen zweiten Halbleiterschalter S2 mit einer, an einen Schaltkreis (nicht
dargestellt) zur Verarbeitung des erfassten Signals Sig angeschlossenen Hauptelektrode auf.
Die Hauptelektrode ist ferner über Widerstandsmittel R mit einem Leiter verbunden,
welcher eine, dem zweiten Logikpegel entsprechende Spannung GND führt. Die
Halbleiterschalter S1, S2 weisen jeweils eine weitere, mit dem Kontaktstift VL verbundene
Hauptelektrode auf. Die Halbleiterschalter S1, S2 sehen jeweils eine Steuerelektrode vor, welcher
ein gemeinsames Steuersignal Ctrl zugeführt wird. Einer der Halbleiterschalter, in diesem
Falle S2, stellt einen n-Kanal-Typ, der andere; in diesem Falle S1, einen p-Kanal-Typ dar.
Der von einem Pin CRECT über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand 195 und einem Kondensator 192 in Erde fließende Strom reflektiert die Durchschnittsleistung von
Lampe 85 (d. h. das Produkt von Lampenstrom und Lampenspannung). Ein Pin GND ist
unmittelbar mit Erde verbunden. Ein Paar Pins G1 und G2 ist jeweils direkt an Gates G1
und G2 von Schalter 100 und 112 angeschlossen. Die an den Pin DIM angelegte Spannung
reflektiert die gewünschte Beleuchtungsstärke.
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Der Betrieb von Inverter 60 und von Antriebssteuerkreis 65 findet wie folgt
statt: Zu Anfang (d. h. bei Anlaufen) befinden sich Schalter 100 und 112, da Kondensator
106 auf Grund der RC-Zeitkonstanten von Widerstand 103 und Kondensator 106 geladen
wird, jeweils in einem nicht leitenden und einem leitenden Zustand. Der in Pin VDD von
IC 109 fließende Eingangsstrom wird in dieser Anlaufphase auf einem niedrigen Pegel
(weniger als 500 uA) gehalten. Sobald die Spannung an Kondensator 106 einen
Spannungseinschaltschwellwert (z. B. 12 V) überschreitet, geht IC 109 in seinen Betriebs-
(Schwingungs-/Schalt-)-Zustand über, wobei Schalter 100 und 112 jeweils zwischen ihrem
leitenden und nicht leitenden Zustand auf einer Frequenz weit über der durch Induktor 75
und Kondensator 80 bestimmten Resonanzfrequenz vor- und zurückschalten.
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IC geht zunächst in eine Vorheizperiode (d. h. Vorheizzustand) über, sobald
der Inverter 60 zu oszillieren beginnt. Die Spannung an Anschluss 110 schwankt je nach
den Schaltzuständen von Schaltern 100 und 112 zwischen etwa 0 V und VDC. Die
Kondensatoren 115 und 118 dienen dazu, die Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit der
Spannung an Anschluss 110 zu verlangsamen, wodurch die Schaltverluste und der Pegel der
elektromagnetischen Störung, hervorgerufen durch Inverter 60, reduziert werden. Die
Zener-Diode 121 erzeugt an Anschluss 116 eine pulsierende Spannung, welche durch Diode
123 an Kondensator 106 angelegt wird. Daraus ergibt sich ein relativ hoher Betriebsstrom
von zum Beispiel 10-15 mA, welcher Pin VDD von IC 109 zugeführt wird. Kondensator
1 126 dient dazu, zu verhindern, dass die Gleichspannungskomponente an Lampe 85 angelegt
wird.
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Während der Vorheizphase macht das Signal Ctrl den ersten
Halbleiterschallter S1 leitend und den zweiten Halbleiterschalter S2 nicht leitend. Infolgedessen
nimmt Pin VL die Spannung VDD entsprechend dem ersten Logikpegel an. Folglich wird
Schalter 82 in einen ersten Schaltzustand versetzt, in diesem Falle eingeschaltet.
Kondensator 81 wird nun mit Kondensator 80 parallel geschaltet. Induktor 75 und die
Parallelschaltung aus Kondensatoren 80 und 81 bilden einen Resonanzkreis.
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Während der Vorheizphase befindet sich Lampe 85 in einem nicht
gezündeten Zustand, das heißt, es wurde kein Lichtbogen in Lampe 85 erzeugt. Die
Betriebsfrequenz, mit welcher IC 109 den Inverter 60 ansteuert, wird auf einer Ausgangsfrequenz von
zum Beispiel 100 kHz initiiert. Die Ausgangsfrequenz kann durch Einstellungen, intern
oder extern, an dem IC 109 bestimmt werden. IC 109 reduziert mit einer, an dem IC intern
eingestellten Geschwindigkeit unverzüglich die Betriebsfrequenz. Die Reduzierung der
Frequenz wird fortgesetzt, bis das an dem Pin RIND empfangene Signal einen Wert
erreicht hat, welcher durch die Rückkopplungsschaltung, der dieses Signal zugeführt wird,
festgesetzt wird. Die Schaltfrequenz von Schalter 100 und 112 wird so geregelt, dass das
Signal auf dem vorgegebenen Wert gehalten wird, was in einer relativ konstanten Frequenz
von etwa 80-85 kHz (als Vorheizfrequenz definiert) auf Anschluss 110 resultiert. Ein
verhältnismäßig konstanter RMS-Strom fließt durch Induktor 75, welcher es durch die
Ankopplung an Wicklungen 76 und 77 zulässt, dass die Glühfäden (d. h. die Kathoden) von
Lampe 85 für die nachfolgende Zündung von Lampe 85 in ausreichendem Maße
angewärmt werden und eine lange Brenndauer der Lampe aufrechterhalten wird. Die Dauer der
Vorheizperiode wird durch den mit Kontaktstift CP verbundenen Kondensator 165
bestimmt. Ist der Wert von Kondensator 165 Null (d. h. offen), hat das Vorerhitzen der
Glühfäden effektiv keinen Direktstartbetrieb von Lampe 85 zur Folge.
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Am Ende des Vorheizbetriebs macht das Signal Ctrl den ersten
Halbleiterschalter S1 nicht leitend und den zweiten Halbleiterschalter S2 leitend. Infolgedessen ist
nun Pin VL über Widerstandsmittel R an Kontaktstift GND geschaltet. Pin VL nimmt
folglich den zweiten Logikpegel an, wodurch Schalter 82 in einen zweiten Schaltzustand
versetzt, in diesem Falle abgeschaltet wird. Kondensator 81 ist mit Kondensator 80 nicht mehr
parallel geschaltet. IC 109 beginnt nun, den Bereich von seiner Schaltfrequenz während des
Vorerhitzens bei einer, an IC 109 intern eingestellten Geschwindigkeit bis zu einer
unbelasteten Resonanzfrequenz (d. h. Resonanzfrequenz von Induktor 75 und Kondensator 80 vor
Zünden von Lampe 85, z. B. 60 kHz) zu durchlaufen. Sowie die Schaltfrequenz die
Resonanzfrequenz erreicht, steigt die Spannung an Lampe 85 rapide an (z. B. 600-800 V
Spitzenwert) und ist im Allgemeinen ausreichend hoch, um die Lampe 85 zu zünden. Sobald
die Lampe 85 eingeschaltet ist, steigt der durch diese fließende Strom von einigen mA auf
mehrere hundert mA an. Der durch Widerstand 153 fließende Strom, welcher gleich dem
Lampenstrom ist, wird an Pins LI1 und LI2 auf Grund der Stromdifferenz zwischen diesen,
wie von Widerständen 168 und 171 jeweils bemessen, erfasst. Die Spannung von Lampe
85, welche von der Spannungsteilerschaltung aus Widerständen 174 und 177 bemessen
wird, wird von Diode 180 und Kondensator 183 gleichgerichtet, wodurch sich eine, zu der
Larnpenspitzenspannung proportionale Gleichspannung am Anschluss 181 ergibt. Die
Spannung am Anschluss 181 wird durch Widerstand 189 in einen Strom Sig umgewandelt,
welcher in Pin VL fließt und über Halbleiterschalter 52 zu einem Schaltkreis (nicht
dargestellt) geleitet wird, um das durch diesen Strom dargestellte Signal zu verarbeiten. Daher
dient Kontaktstift VL, wenn sich dieser auf seinem zweiten Logikpegel befindet, ebenfalls
dazu, mindestens ein erfasstes, einen Betriebszustand des äußeren Schaltkreises
darstellendes Signal Sig zu empfangen. Die Verarbeitung sieht in IC 109 eine Vervielfachung bei
Differenzströmen zwischen Pins LI1 und LI2 vor, was darin resultiert, dass ein
gleichgerichteter Wechselstrom aus Pin CRECT in die Parallelschaltung aus Kondensator 192 und
Widerstand 195 geleitet wird. Kondensator 192 und Widerstand 195 wandeln den
gleichgerichteten Wechselstrom in eine, zu der Leistung von Lampe 85 proportionale
Gleichspannung um. Die Spannung an Pin CRECT gleicht durch eine, in IC 109 enthaltene
Rückkopplungsschaltung/-schleife zwangsläufig der Spannung an Pin DIM. Dieses führt zu einer
Regelung der von Lampe 85 aufgenommenen Leistung.
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Das an Pin DIM abgegebene Signal, welches die gewünschte
Beleuchtungsstärke darstellt, kann mit Hilfeverschiedener Verfahren, einschl. z. B.
Phasenwinkeldimmung, bei welchen ein Teil der Phase der Eingangsnetzwechselspannung gesperrt wird,
erzeugt werden. In diesen Verfahren wird der gesperrte Phasenwinkel der
Eingangsnetzspannung in ein Gleichspannungssignal umgewandelt, welches dem Pin DIM zugeführt
wird. Das das Signal für Pin DIM erzeugende Bauelement kann eine galvanische
Isolierung, zum Beispiel durch einen Transformator, vorsehen.
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Die Spannung an Pin CRECT ist Null, sobald Lampe 85 zündet. Mit
Ansteigen des Lampenstroms lädt der an Pin CRECT erzeugte Strom, welcher proportional zu
dem Produkt von Lampenspannung und Lampenstrom ist, den Kondensator 192. Die
Schaltfrequenz von Inverter 60 steigt an bzw. fällt ab, bis die Spannung an Pin CRECT
gleich der Spannung an Pin DIM ist.