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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer
Lampenlast gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Eine
derartige Schaltungsanordnung, die aus
US-6.384.544 bekannt ist, ist ein
Wechselrichter vom Brückentyp
und wird häufig
zum Betreiben sowohl von Hochdruck-Entladungslampen als auch Niederdruck-Entladungslampen
verwendet. Diese bekannte Schaltungsanordnung ist eine Halbbrücke. Eine
Halbbrücke
umfasst nur zwei Schaltelemente. Alternativ kann eine derartige
Schaltung als Vollbrücke
ausgeführt
sein, indem die Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren durch eine
Reihenschaltung aus einem dritten und vierten Schaltelement ersetzt wird.
Somit umfasst eine Vollbrücke
vier Schaltelemente. In einer Vollbrücke ist die Steuerschaltung komplizierter
als in einer Halbbrücke,
da der leitende Zustand von vier Schaltelementen statt von nur zwei Schaltelemente
gesteuert werden muss. Im Betrieb ist die Amplitude der Spannung
an der (den) Lastschaltung(en) in einer Vollbrücke zweimal so hoch wie in
einer von der gleichen Speisespannungsquelle gespeisten Halbbrücke. Folglich
kann eine Vollbrücke
zum Betreiben zweier Lampen in Reihe verwendet werden, so dass jede
der Lampen den gleichen Strom führt.
Falls die Lampen ungefähr
die gleiche Lampenspannung haben, was für Niederdruck-Entladungslampen
gewöhnlich
der Fall ist, nehmen die Lampen ungefähr die gleiche Menge an Leistung
auf und haben ungefähr
den gleichen Lichtstrom. Im Fall von Hochdruck-Entladungslampen
hängt die
Lampenspannung jedoch stark vom Alter der Lampe (Alter = Anzahl
Brennstunden) ab. Daher können
sich die Lichtströme
von zwei in Reihe betriebenen Hochdruck-Lampen wesentlich unterscheiden,
wenn die Lampen unterschiedliches Alter haben. Die Spannung an der
Lastschaltung einer von der gleichen Speisespannungsquelle gespeisten
Halbbrücke
wird im Allgemeinen nicht hoch genug sein, um eine solche Reihenschaltung
aus Lampen zu betreiben. Ein Nachteil der Vollbrücke ist, dass sie wegen der
zwei zusätzlichen
Schalter und der komplizierteren Steuerschaltung teurer ist als
eine Halbbrücke.
Als Alternative für
ein In-Reihe-Betreiben zweier Lampen in einer Vollbrücke können zwei
Lastschaltungen, die je eine Lampe und eine Vorschaltspule umfassen,
in ei ner Halbbrücke
parallel geschaltet werden. Falls die Lampen Niederdruck-Quecksilberlampen
sind, die mit einem hochfrequenten Lampenstrom betrieben werden,
können
die Lampenströme
auf nahezu gleiche Werte geregelt werden, indem ein Ausgleichtransformator
eingesetzt wird. Ein solcher Transformator ist jedoch ein kostspieliges
Bauelement. Falls die Lampen Hochdruck-Lampen sind, die mit einem niederfrequenten
Wechselstrom betrieben werden, kann kein Ausgleichtransformator
zum Regeln der Lampenströme
verwendet werden, da die niedrige Frequenz einen sehr großen Transformator
erfordern würde.
Für den
Fall, dass kein Ausgleichtransformator eingesetzt wird, wird ein
Lampenspannungsunterschied zwischen den Lampen in der Praxis jedoch häufig zu
wesentlichen Unterschieden in der Menge von den Lampen zugeführter Leistung
führen.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu
schaffen, die imstande ist, zwei parallel geschaltete Lampen so
zu betreiben, dass die Differenz der von den Lampen aufgenommenen
Leistung verhältnismäßig klein
ist.
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Eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
der eingangs beschriebenen Art hat die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1.
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Eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
vom Vollbrückentyp
hat die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 2.
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Wenn
ein leitendes Schaltelement in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
nicht leitend gemacht wird, bewirken die Vorschaltspulen in der
ersten und zweiten Lastschaltung, dass die Ströme in den Lastschaltungen ihre
Polarität
für eine
kurze Zeitspanne beibehalten, während
ihre Amplitude abnimmt. Während
dieser Zeitspanne werden die Lastschaltungsströme von einem Teil der Dioden D5–D8 geführt, die "Freilaufdioden" bilden. In einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
fließt
der Strom in jeder der Lastschaltungen unmittelbar, nachdem ein
Schaltelement nicht leitend gemacht worden ist, durch eine andere "Freilaufdiode". Daher werden die
zwei Lampen unabhängig
betrieben. Es hat sich gezeigt, dass wegen dieses unabhängigen Betriebs
ein Unterschied in der Lampenspannung keine wesentliche Differenz
zwischen den Mengen der von den Lampen aufgenommenen Leistung bewirkt.
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In
diesem Stadium sei bemerkt, dass eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
für den
Betrieb von mehr als zwei parallel geschalteten Lampen geeignet
gemacht werden kann. Für
jede zusätzliche Lampe
müssen
vier weitere Dioden und eine zusätzliche
Lastschaltung in die Schaltungsanordnung eingebaut werden. Ein Betrieb
von drei parallel geschalteten Lampen kann beispielsweise folgendermaßen realisiert
werden. Die Schal tungsanordnung wird mit einer weiteren Reihenschaltung
V ausgerüstet,
die das erste und das zweite Schaltelement verbindet und zwei weitere
Dioden umfasst. Zwei zusätzliche Dioden überbrücken je
eine weitere Diode und eines der Schaltelemente und eine dritte
Lastschaltung, die eine dritte Vorschaltspule und dritte Lampenanschlussklemmen
umfasst, verbindet eine Klemme zwischen den weiteren Dioden mit
einem Knoten zwischen den beiden Kondensatoren oder dem dritten bzw.
vierten Schaltelement.
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Gute
Ergebnisse sind für
Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
erhalten worden, die nach Anspruch 1 ausgeführt ist. Solche Ausführungsformen
sind Halbbrückenschaltungen,
die verhältnismäßig preiswert
sind. Es hat sich insbesondere gezeigt, dass solche Ausführungsformen
sehr geeignet zum Betreiben von parallel geschalteten Hochdruck-Entladungslampen sind,
falls die Steuerschaltung mit Mitteln ausgerüstet ist, um die Schaltungsanordnung
mit niedriger Frequenz abwechselnd in einem ersten und einem zweiten
Betriebszustand zu betreiben, wobei in dem ersten Betriebszustand
das erste Schaltelement mit hoher Frequenz leitend und nicht leitend
gemacht wird, während
das zweite Schaltelement in einem nicht leitenden Zustand gehalten
wird, und wobei in dem zweiten Betriebszustand das zweite Schaltelement mit
hoher Frequenz leitend und nicht leitend gemacht wird, während das
erste Schaltelement in einem nicht leitenden Zustand gehalten wird.
Diese Betriebsart wird gewöhnlich
als "Gegentakt-Durchflussbetrieb" (engl: "commutating forward
mode") bezeichnet.
Vorzugsweise ist die Schaltungsanordnung mit einer Leistungsregelschleife
ausgerüstet,
um durch Einstellen der Zeitspanne, in der das erste Schaltelement
während
jeder Hochfrequenzperiode im ersten Betriebszustand leitend gemacht
wird und in der das zweite Schaltelement während jeder Hochfrequenzperiode
im zweiten Betriebszustand leitend gemacht wird, den Mittelwert
der von beiden Lampen aufgenommenen Gesamtleistung auf einen gewünschten Wert
zu regeln. Eine solche Leistungsregelschleife kompensiert Toleranzen
in den Bauelementen der Schaltungsanordnung.
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Gute
Ergebnisse sind für
Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
erhalten worden, die nach Anspruch 2 ausgeführt ist. Solche Ausführungsformen
sind Vollbrückenschaltungen,
die den unabhängigen
Betrieb von parallel geschalteten Lampen mit hoher Lampenspannung
oder alternativ den Betrieb von zwei oder mehr parallel geschalteten
Reihenschaltungen von Lampen (mit einer gleichartigen Lampenspannung) zulassen.
Auch für
diese Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
hat sich gezeigt, dass sie besonders geeignet zum Betreiben von
pa rallel geschalteten Hochdruck-Entladungslampen sind, falls die
Steuerschaltung mit Mitteln ausgerüstet ist, um die Schaltungsanordnung
mit niedriger Frequenz abwechselnd in einem ersten oder einem zweiten
Betriebszustand zu betreiben, wobei in dem ersten Betriebszustand
das zweite und das dritte Schaltelement nicht leitend gehalten werden,
während
das vierte Schaltelement leitend gehalten wird, und das erste Schaltelement
mit hoher Frequenz leitend und nicht leitend gemacht wird, und wobei
in dem zweiten Betriebszustand das dritte Schaltelement leitend
gehalten wird, während
das zweite Schaltelement mit hoher Frequenz leitend und nicht leitend
gemacht wird und das erste und das vierte Schaltelement nicht leitend
gehalten werden.
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Auch
in diesen Ausführungsformen
ist es wünschenswert,
dass die Schaltungsanordnung mit einer Leistungsregelschleife ausgerüstet ist,
um Toleranzen in den Bauelementen der Schaltungsanordnung zu kompensieren.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im Folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit zwei mit ihr verbundenen Lampen und
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2 eine
zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit zwei mit ihr verbundenen Lampen.
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In 1 sind
K1 und K2 Eingangsklemmen zum Anschluss an eine Speisespannungsquelle.
Die Eingangsklemmen K1 und K2 sind mittels einer Reihenschaltung
aus einem ersten Schaltelement T1, Diode D1, Klemme N1, Diode D2
und Schaltelement T2 verbunden. Die Dioden D1 bzw. D2 bilden eine erste
und eine zweite Diode. Die Dioden D1 und D2 bilden zusammen mit
der Klemme N1 eine Reihenschaltung III, die das erste und das zweite
Schaltelement verbindet. Reihenschaltung III wird von einer Reihenschaltung
aus der Diode D3, Klemme N2 und Diode D4 überbrückt. Die Dioden D3 bzw. D4
bilden eine dritte und eine vierte Diode. Die Dioden D3 und D4 bilden
zusammen mit der Klemme N2 eine Reihenschaltung IV, die das erste
und das zweite Schaltelement verbindet. Das erste Schaltelement
T1, das zweite Schaltelement T2 und die Parallelschaltung aus den
Reihenschaltungen III und IV bilden zusammen eine Reihenschaltung
I. Die Reihenschaltung aus der Diode D1 und dem ersten Schaltelement
T1 wird von der Diode D5, die eine fünfte Diode bildet, überbrückt. Die
Reihenschaltung aus der Diode D3 und dem ersten Schaltelement T1
wird von der Diode D6, die eine sechste Diode bildet, überbrückt. Die Reihenschaltung
aus der Diode D2 und dem zweiten Schaltelement T2 wird von der Diode
D7, die eine siebte Diode bildet, überbrückt. Die Reihenschaltung aus
der Diode D4 und dem zweiten Schaltelement T2 wird von der Diode
D8, die eine achte Diode bildet, überbrückt. Jeweilige Steuerelektroden
des ersten und des zweiten Schaltelementes sind mit Ausgangsklemmen
eines Schaltungsteils CC gekoppelt. In 1 wird diese
Kopplung mit gestrichelten Linien angegeben. Schaltungsteil CC ist
eine Steuerschaltung zum Steuern des leitenden Zustandes des ersten
und zweiten Schaltelementes. Eingangsklemmen der Steuerschaltung
CC sind auch mit den Dioden D5–D8
gekoppelt, um die Steuerschaltung CC zu befähigen, zu überwachen, welche der Dioden
D5–D8 einen
Strom führt
bzw. führen
und welche Dioden nicht leitend sind. Diese Kopplung ist in 1 nicht angegeben,
um zu vermeiden, dass 1 infolge einer Vielzahl von
gestrichelten Linien undeutlich wird. Die Eingangsklemmen K1 und
K2 sind auch mittels einer Reihenschaltung aus Kondensatoren C3
und C4 verbunden. Die Kondensatoren C3 bzw. C4 bilden ein erstes
Schaltungselement A und ein zweites Schaltungselement B. Die Klemme
N1 ist mittels einer Reihenschaltung aus einer ersten Vorschaltspule L1,
ersten Lampenanschlussklemme K3, Hochdruck-Entladungslampe LA1 und ersten Lampenanschlussklemme
K4 mit einer gemeinsamen Klemme der Kondensatoren C3 und C4 verbunden.
Die ersten Lampenanschlussklemmen K3 und K4 sind mittels eines Filterkondensators
C1 verbunden. Die erste Vorschaltspule L1, erste Lampenanschlussklemmen K3
und K4, Hochdruck-Entladungslampe LA1 und Filterkondensator C1 bilden
zusammen eine erste Lastschaltung. Klemme N2 ist mittels einer Reihenschaltung
aus einer zweiten Vorschaltspule L2, zweiten Lampenanschlussklemme
K5, Hochdruck-Entladungslampe LA2 und zweiten Lampenanschlussklemme
K6 mit einer gemeinsamen Klemme der Kondensatoren C3 und C4 verbunden.
Die zweiten Lampenanschlussklemmen K5 und K6 sind mittels eines Filterkondensators
C2 verbunden. Die zweite Vorschaltspule L2, zweite Lampenanschlussklemmen K5
und K6, Hochdruck-Entladungslampe
LA2 und Filterkondensator C2 bilden zusammen eine zweite Lastschaltung.
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Die
Funktionsweise der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung
ist folgendermaßen.
Falls die Eingangsklemmen K1 und K2 an eine Speisespannungsquelle
angeschlossen sind, die eine Speisegleichspannung liefert, betreibt
die Steuerschaltung CC die Schaltungsanordnung abwechselnd und mit niedriger
Frequenz in einem ersten und einem zweiten Betriebszustand. Im ersten
Betriebszustand wird das erste Schaltelement T1 mit hoher Frequenz
leitend und nicht leitend gemacht, während das zweite Schaltelement
T2 in einem nicht leitenden Zustand gehalten wird. Wenn das erste
Schaltelement T1 leitend ist, steigt der Strom durch die erste Vorschaltspule
linear mit der Zeit an. Ebenso steigt der Strom durch die zweite
Vorschaltspule auch linear mit der Zeit an. Da jedoch LA1 und LA2
beide Hochdruck-Lampen sind, können
sich ihre Lampenspannungen beträchtlich
unterscheiden, beispielsweise wegen eine Alterunterschieds (Alter
= Gesamtzahl Brennstunden). Falls beispielsweise Lampe LA1 eine viel
niedrigere Lampenspannung hat als Lampe LA2, steigt dadurch der
Strom durch die erste Vorschaltspule L1 schneller an als der Strom
durch die zweite Vorschaltspule L2. Als Folge hiervon hat der Strom
durch die erste Vorschaltspule L1 eine höhere Amplitude als der Strom
durch die zweite Vorschaltspule L2, wenn das erste Schaltelement
nicht leitend gemacht ist. Nachdem das erste Schaltelement T1 nicht
leitend gemacht worden ist, leitet die Diode D7 den Strom durch
die erste Vorschaltspule L1, und die Diode D8 leitet den Strom durch
die zweite Vorschaltspule L2. Die Polarität der Ströme durch die erste und die
zweite Vorschaltspule L1 und L2 wird beibehalten, aber ihre Amplituden
nehmen linear ab. Da die Amplitude des Stroms durch die zweite Vorschaltspule
zu dem Zeitpunkt, zu dem das erste Schaltelement T1 nicht leitend
gemacht war, kleiner war als die des Stroms durch die erste Vorschaltspule,
wird die Amplitude des Stroms durch die zweite Vorschaltspule zuerst
auf null abnehmen und die Diode D8 wird nicht leitend werden, während die
Diode D7 noch leitet. Obwohl infolge des Vorhandenseins von parasitären Kapazitäten etwas
gedämpftes Überschwingen
stattfinden wird, wird die Amplitude des Stroms durch die zweite
Vorschaltspule nahezu gleich null gehalten, bis der Strom durch
die erste Vorschaltspule auch null erreicht, so dass auch Diode D7
zu leiten aufhört.
Wenn die Ströme
durch Diode D7 und Diode D8 beide auf null abgefallen sind, wird das
erste Schaltelement noch einmal leitend gemacht. Dies kann unmittelbar,
nachdem beide Dioden nicht leitend geworden sind, erfolgen (diese
Betriebsart wird kritischer diskontinuierlicher Betrieb genannt)
oder eine zuvor bestimmte Zeitspanne, nachdem beide Dioden nicht
leitend geworden sind (diese Betriebsart wird diskontinuierlicher
Betrieb genannt).
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Da
in der Schaltungsanordnung von 1 das Zeitintervall,
das der Strom durch die erste Vorschaltspule L1 benötigt, um
auf null abzufallen, sich von dem Zeitintervall, das der Strom durch
die zweite Vorschaltspule L2 benötigt,
um auf null abzufallen, unterscheiden kann, (was in der Praxis nahezu
immer der Fall ist), ist der Betrieb der Hochdruck-Lampe LA1 unabhängig vom
Betrieb der Hochdruck-Lampe LA2. Es hat sich ge zeigt, dass dieser unabhängige Betrieb
der zwei Lampen bewirkt, dass die Mengen der von den Lampen aufgenommenen Leistung
sich verhältnismäßig wenig
unterscheiden, selbst wenn die Lampen wegen unterschiedlichen Alters
(= unterschiedliche Anzahl Brennstunden) wesentlich unterschiedliche
Lampenspannungen haben. Der Strom in jeder der Vorschaltspulen hat
Dreieckform. Mittels der Filterkondensatoren C1 und C2 werden diese
dreieckförmigen
Ströme
in kontinuierliche Gleichströme
umgewandelt, die durch die Lampen LA1 und LA2 fließen.
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Im
zweiten Betriebszustand wird das erste Schaltelement in einem nicht
leitenden Zustand gehalten, während
das zweite Schaltelement mit hoher Frequenz leitend und nicht leitend
gemacht wird. Wenn das zweite Schaltelement nicht leitend ist, führen die
Dioden D5 und D6 den Strom durch die erste Vorschaltspule L1 bzw.
die zweite Vorschaltspule L2. Erst nachdem Diode D5 und Diode D6
beide nicht leitend geworden sind, wird das zweite Schaltelement T2
wieder leitend gemacht, entweder unmittelbar oder nach einer zuvor
bestimmten Zeitspanne. Auch in diesem zweiten Betriebszustand hat
der Strom in jeder der Vorschaltspulen Dreieckform. Mittels der Filterkondensatoren
C1 und C2 werden diese dreieckförmigen
Ströme
in kontinuierliche Gleichströme umgewandelt,
die durch die Lampen LA1 und LA2 fließen. Die Polarität der durch
die Lampen und die Vorschaltspulen fließenden Ströme sind in Bezug auf den ersten
Betriebszustand umgekehrt.
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In 2 haben
Schaltungsteile und Bauelemente, die ähnlichen Schaltungsteilen und
Bauelementen in der Ausführungsform
von 1 entsprechen, gleiche Bezugszeichen. Die Konfiguration
der Ausführungsform
von 2 unterscheidet sich nur dadurch von der Ausführungsform
von 1, dass die Kondensatoren C3 und C4 durch ein
drittes Schaltelement T3 bzw. ein viertes Schaltelement T4 ersetzt
sind. In der in 2 gezeigten Ausführungsform
bilden das dritte Schaltelement T3 und das vierte Schaltelement
T4 ein erstes Schaltungselement A bzw. ein zweites Schaltungselement
B. Das dritte Schaltelement T3 und das vierte Schaltelement T4 bilden
zusammen eine Reihenschaltung II, die die Eingangsklemmen verbindet.
Jeweilige Steuerelektroden des dritten Schaltelementes T3 und des
vierten Schaltelementes T4 sind mit Ausgangsklemmen der Steuerschaltung
CC gekoppelt. In 2 wird diese Kopplung mit gestrichelten
Linien angegeben. Jeweilige Eingangsklemmen der Steuerschaltung
CC sind mit Dioden D5–D8
gekoppelt, um zu überwachen, welche
Dioden einen Strom leiten und welche Dioden nicht leitend sind.
Auch in 2 sind diese Kopplungen nicht
angegeben.
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Die
Funktionsweise der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung
ist folgendermaßen.
Falls die Eingangsklemmen K1 und K2 an eine Speisespannungsquelle
angeschlossen sind, die eine Speisegleichspannung liefert, betreibt
die Steuerschaltung CC die Schaltungsanordnung abwechselnd und mit niedriger
Frequenz in einem ersten und einem zweiten Betriebszustand.
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Im
ersten Betriebszustand werden die Schaltelemente T2 und T3 nicht
leitend gehalten, während das
Schaltelement T4 leitend gehalten wird und das Schaltelement T1
mit hoher Frequenz leitend und nicht leitend gemacht wird. Im zweiten
Betriebszustand wird das Schaltelement T3 leitend gehalten, während das
Schaltelement T2 mit hoher Frequenz leitend und nicht leitend gemacht
wird, und die Schaltelemente T1 und T4 werden nicht leitend gehalten. Da
die Schaltungsanordnung von 2 eine Vollbrückenschaltung
ist, ist die Spannung, die im Betrieb an den Lastschaltungen anliegt,
zweimal so hoch wie die in der Halbbrückenschaltung von 1 an
den Lastschaltungen anliegende Spannung. Im Übrigen ist der Betrieb der
Ausführungsform
von 2 vollkommen analog zum Betrieb der Schaltungsanordnung
von 1. In jedem der zwei Betriebszustände wird
die Schaltungsanordnung entweder im kritischen diskontinuierlichen
Betrieb oder im diskontinuierlichen Betrieb betrieben, was zu dreieckförmigen, durch
die Vorschaltspulen fließenden
Strömen
führt, die
mittels der Filterkondensatoren C1 und C2 in kontinuierliche Lampengleichströme umgewandelt
werden. Auch in dieser Ausführungsform
wird in dem ersten Betriebszustand unabhängiger Lampenbetrieb gewährleistet,
indem das Schaltelement T1 erst leitend gemacht wird, nachdem beide
Dioden D7 und D8 nicht leitend geworden sind, und im zweiten Betriebszustand,
indem das Schaltelement T2 erst leitend gemacht wird, nachdem beide
Dioden D5 und D6 nicht leitend geworden sind.
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Es
sei bemerkt, dass es in der Praxis wünschenswert ist, sowohl für die Ausführungsform
von 1 als auch für
die Ausführungsform
von 2 eine Leistungsregelschleife zu installieren,
um durch Einstellen der Zeitspanne, in der das erste Schaltelement
während
jeder Hochfrequenzperiode im ersten Betriebszustand leitend gemacht
wird und in der das zweite Schaltelement während jeder Hochfrequenzperiode
im zweiten Betriebszustand leitend gemacht wird, den Mittelwert
der von beiden Lampen aufgenommenen Gesamtleistung auf einen gewünschten Wert
zu regeln. Eine derartige Leistungsregelschleife ist im Stand der
Technik an sich sehr gut bekannt. Die Leistungsregelschleife gewährleistet,
dass die von unterschiedlichen praktischen Ausführungsformen der gleichen Schaltungsanordnung
aufgenommene Gesamtleistung ungefähr die gleiche sein wird, obwohl
die elektri schen Eigenschaften von in den unterschiedlichen praktischen
Ausführungsformen
verwendeten gleichartigen Bauelementen sich unterscheiden können.