DE29622825U1 - Radiation device - Google Patents
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Description
TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER & R^aTKlER .".I ·"· "*LoHP01/96/GTER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER & R^aTKlER .".I ·"· "*LoHP01/96/G
Die Erfindung betrifft ein Bestrahlungsgerät mit mehreren Leuchtstofflampen und zugehörigen elektronischen Vorschaltgeräten. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit Bestrahlungsgeräten, die als sogenannte Bräunungsliegen zur Bestrahlung des menschlichen Körpers mit ultravioletter Strahlung zu kosmetischen oder therapeutischen Zwecken eingesetzt werden.The invention relates to an irradiation device with several fluorescent lamps and associated electronic ballasts. In particular, the invention relates to irradiation devices that are used as so-called tanning beds for irradiating the human body with ultraviolet radiation for cosmetic or therapeutic purposes.
Bei herkömmlichen Bestrahlungsgeräten dieser Art wird die Strahlungsquel-Ie durch eine größere Anzahl von Leuchtstofflampen gebildet, in denen durch Gasentladung Licht mit einem relativ hohen Ultraviolett-Anteil (UV A und UV B) erzeugt wird. Zum Zünden der Gasentladung und zur Strombegrenzung während des Betriebs der Lampe wird ein Vorschaltgerät benötigt. Üblicherweise wird das Vorschaltgerät durch eine Drossel mit relativ hoher InduktM-tat gebildet, die beim Einschalten durch Induktion die notwendige Zündspannung erzeugt und dann während des fortdauernden Betriebs der Lampe mit Netz-Wechselstrom (50 Hz) die Stromstärke begrenzt.In conventional irradiation devices of this type, the radiation source is formed by a large number of fluorescent lamps in which light with a relatively high ultraviolet content (UV A and UV B) is generated by gas discharge. A ballast is required to ignite the gas discharge and to limit the current during operation of the lamp. Usually, the ballast is formed by a choke with a relatively high inductance, which generates the necessary ignition voltage by induction when switched on and then limits the current during continuous operation of the lamp with mains alternating current (50 Hz).
In Verbindung mit sogenannten Stromsparlampen, die auf einem ähnlichen Prinzip beruhen wie die hier betrachteten UV-Bestrahlungslampen, sind elektronische Vorschaltgeräte entwickelt worden. Ein solches elektronisches Vorschaltgerät weist einen Gleichrichter zum Gleichrichten der Netzwechselspannung auf. Die gleichgerichtete Spannung wird dann mit Hilfe einer beispielsweise durch Leistungstransistoren gebildeten Leistungseinheit in eine gepulste Spannung mit einer relativ hohen Frequenz in der Größenordnung von 30 - 40 kHz umgewandelt. Wegen der hohen Betriebsfrequenz braucht die Drossel nur eine sehr geringe Induktivität aufzuweisen. Es ist deshalb möglich, eine kleinbauende Drossel mit verlustärmeren Kernmaterialien zu verwenden. Die Drossel bildet mit einer parallel zur Lampe geschalteten Kapazität einen Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz, die etwas oberhalb der Betriebsfrequenz der Lampe liegt. Zum Zünden der Lampe wird die Frequenz der gepulsten Spannung von einem hohen'Anfangswert aus allmählich auf die Betriebsfrequenz verringert, so daß die Resonanzfrequenz des Schwingkreises durchfahren wird und durch Resonanz vorübergehend die notwendige Zündspannung erzeugt wird.Electronic ballasts have been developed in conjunction with so-called energy-saving lamps, which are based on a similar principle to the UV radiation lamps considered here. Such an electronic ballast has a rectifier for rectifying the AC mains voltage. The rectified voltage is then converted into a pulsed voltage with a relatively high frequency in the order of 30 - 40 kHz using a power unit formed, for example, by power transistors. Because of the high operating frequency, the choke only needs to have a very low inductance. It is therefore possible to use a small choke with lower-loss core materials. The choke forms an oscillating circuit with a capacitor connected in parallel to the lamp with a resonance frequency that is slightly above the operating frequency of the lamp. To ignite the lamp, the frequency of the pulsed voltage is gradually reduced from a high initial value to the operating frequency, so that the resonance frequency of the oscillating circuit is passed through and the necessary ignition voltage is temporarily generated by resonance.
Die herkömmlichen Vorschaltgeräte sind jeweils für eine Lampe mit einerThe conventional ballasts are each designed for a lamp with a
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bestimmten Leistung ausgelegt. Bei den marktgängigen Vorschaltgeräten liegt die Leistung zumeist in der Größenordnung von etwa 20 W, doch sind auch Vorschaltgeräte mit für Lampenleistungen bis zu 100 W im Handel erhältlich. designed for a specific power. The power of the ballasts available on the market is usually in the order of around 20 W, but ballasts with lamp powers of up to 100 W are also available on the market.
In DE 43 12 547 A wird ein Bräunungsgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben, bei dem für jede einzelne Lampe, die eine Leistung von etwa 100 W hat, ein elektronisches Vorschaltgerät der oben beschriebenen Art vorgesehen ist. Die Vorschaltgeräte können durch eine zentrale Steuerung, beispielsweise einen MikroController, angesteuert werden, und es ist möglich, die Leistung der Lampen individuell zu regeln, um die Bestrahlungsintensität an den jeweiligen therapeutischen Zweck oder an den Hauttyp des Benutzers anzupassen. Die Leistungsregelung wird dadurch bewirkt, daj3 die Frequenz der gepulsten Spannung des Vorschaltgerätes variiert wird.DE 43 12 547 A describes a tanning device according to the preamble of claim 1, in which an electronic ballast of the type described above is provided for each individual lamp, which has a power of approximately 100 W. The ballasts can be controlled by a central controller, for example a microcontroller, and it is possible to regulate the power of the lamps individually in order to adapt the irradiation intensity to the respective therapeutic purpose or to the user's skin type. The power regulation is achieved by varying the frequency of the pulsed voltage of the ballast.
Das in der oben genannten Druckschrift vorgeschlagene Bestrahlungsgerät erweist sich jedoch als relativ kostspielig, da für jede einzelne Lampe ein teures Vorschaltgerät mit der entsprechenden Leistung benötigt wird.However, the irradiation device proposed in the above-mentioned publication proves to be relatively expensive, since an expensive ballast with the corresponding power is required for each individual lamp.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bestrahlungsgerät der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, das kostengünstiger realisiert werden kann.The object of the invention is to create an irradiation device of the type specified in the preamble of claim 1, which can be implemented more cost-effectively.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäi5 dadurch gelöst, daß die Leistungseinheiten der Vorschaltgeräte für mehrere Leuchtstofflampen durch eine gemeinsame Gleichspannungsquelle gespeist werden.This object is achieved according to the invention in that the power units of the ballasts for several fluorescent lamps are fed by a common direct voltage source.
ErfindungsgemäjS sind somit einerseits die bisher in ein einziges Gerät integrierten Funktionen: "Umwandeln der Netzspannung in die Gleichspannung" und "Umwandeln der Gleichspannung in die hochfrequente Spannung" auf getrennte Baugruppen aufgeteilt, und andererseits sind mehrere Vorschaltgeräte für eine entsprechende Vielzahl von Leuchtstofflampen zu einer Gruppe zusammengefajßt. Innerhalb einer solchen Gruppe ist zum Umwandeln der Netzspannung in die Gleichspannung nur eine einzige Gleichspannungsquelle vorgesehen, die sämtliche Leistungseinheiten der Gruppe speist. Auf diese Weise kann die Anzahl der insgesamt benötigten Bauelemente und damit auch der für die Verdrahtung erforderliche Arbeitsaufwand beträchtlich reduziertAccording to the invention, on the one hand, the functions previously integrated in a single device: "converting the mains voltage into direct current" and "converting the direct current into high-frequency voltage" are divided into separate components, and on the other hand, several ballasts for a corresponding number of fluorescent lamps are combined into a group. Within such a group, only a single direct current source is provided for converting the mains voltage into direct current, which supplies all the power units in the group. In this way, the total number of components required and thus also the amount of work required for wiring can be considerably reduced.
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werden. Hierdurch wird gegenüber der Verwendung herkömmlicher Vorschaltgeräte eine beträchtliche Kostenersparnis erreicht.This results in considerable cost savings compared to the use of conventional ballasts.
Für Bestrahlungsgeräte werden üblicherweise je nach Gerätetyp Leuchtstofflampen mit einer Leistung von 160 W, einer Leistung von 100 W oder einer geringeren Leistung eingesetzt. Für Geräte, die mit 160 W-Lampen bestückt waren, standen jedoch bisher keine elektronischen Vorschaltgeräte zur Verfugung. Bei dem erfindungsgemäßen Bestrahlungsgerät sind die Leistungseinheiten vorzugsweise auf eine Leistung von 160 W oder mehr ausgelegt, so daj3 auch die 160-W-Lampen mit elektronischen Vorschaltgeräten betrieben werden können. Dieselben Vorschaltgeräte lassen sich jedoch auch für Lampen mit einer Leistung von 100 W oder weniger einsetzen. Zur Anpassung an die jeweilige Leistung der Lampen brauchen allenfalls die Drosseln und die zugehörigen Kondensatoren ausgewechselt zu werden. Die gesamte übrige Elektronik kann unverändert beibehalten werden. Hierdurch wird eine rationelle Herstellung der Vorschaltgeräte-Gruppen in Großserie ermöglicht und somit eine weitere Kostenersparnis erreicht. Die für die jeweilige Lampenleistung ausgelegten Drosseln sind relativ kleinbauend und sind vorzugsweise mit den jeweils zugehörigen Kondensatoren zu einem auswechselbaren Modul zusammengefaJSt. Bei der Herstellung oder Umrüstung der elektronischen Steuerung für einen bestimmten Bestrahlungsgerätetyp ergeben sich somit nur geringe Lager- und Arbeitskosten.Depending on the type of device, fluorescent lamps with an output of 160 W, an output of 100 W or a lower output are usually used for irradiation devices. However, electronic ballasts were not previously available for devices equipped with 160 W lamps. In the irradiation device according to the invention, the power units are preferably designed for an output of 160 W or more, so that the 160 W lamps can also be operated with electronic ballasts. However, the same ballasts can also be used for lamps with an output of 100 W or less. To adapt to the respective output of the lamps, the chokes and the associated capacitors may need to be replaced. All of the other electronics can be kept unchanged. This enables the ballast groups to be produced efficiently in large series, thus achieving further cost savings. The chokes designed for the respective lamp power are relatively small and are preferably combined with the corresponding capacitors to form a replaceable module. When manufacturing or converting the electronic control for a specific type of irradiation device, only low storage and labor costs arise.
Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist es auch möglich, sämtliche Leuchtstofflampen der Gruppe mit nur einer einzigen Leistungseinheit zu betreiben. Hierdurch wird noch eine sehr viel weitergehende Reduzierung der Anzahl der benötigten Bauelemente und des Verdrahtungsaufwands erreicht.According to a further development of the inventive concept, it is also possible to operate all the fluorescent lamps in the group with just one single power unit. This achieves a much further reduction in the number of components required and the wiring effort.
Wenn Bestrahlungsgeräte, die eine Vielzahl dicht an dicht angeordneter Leuchtstofflampen aufweisen, mit elektronische Vorschaltgeräten ausgerüstet werden sollen, besteht generell das Problem, daß sich die in den einzelnen Vorschaltgeräten und Lampen auftretenden Hochfrequenzsignale als Störsignale in den benachbarten Einheiten bemerkbar machen. Es ist deshalb überaus schwierig, einen stabilen Betrieb des Gesamtgerätes aufrechtzuerhalten. If irradiation devices that have a large number of closely arranged fluorescent lamps are to be equipped with electronic ballasts, there is generally the problem that the high-frequency signals occurring in the individual ballasts and lamps become noticeable as interference signals in the neighboring units. It is therefore extremely difficult to maintain stable operation of the entire device.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäjS dadurch gelöst, daJ3 die Leistungseinheiten der Vorschaltgeräte für eine Gruppe benachbarter Leuchtstofflampen mit Frequenz- und phasengleichen Taktsignalen angesteuert werden. Da somit die hochfrequenten, gepulsten Spannungen für sämtliche Lampen der Gruppe von vornherein "gleichgeschaltet" sind, werden wechselseitige Störeinflüsse weitgehend eliminiert. Dieses Lösungsprinzip ist auch dann anwendbar, wenn abweichend vom Gegenstand des Anspruchs 1 für jede Leistungseinheit eine gesonderte Gleichspannungsquelle vorgesehen ist.This problem is solved according to the invention in that the power units of the ballasts for a group of neighboring fluorescent lamps are controlled with clock signals of the same frequency and phase. Since the high-frequency, pulsed voltages for all lamps in the group are "synchronized" from the outset, mutual interference is largely eliminated. This solution principle can also be used if, contrary to the subject matter of claim 1, a separate DC voltage source is provided for each power unit.
Eine Leistungsregelung oder ein Dimmen der Leuchtstofflampen wird erfindungsgemäß dadurch bewirkt, daJ3 das Tastverhältnis der gepulsten Hochfrequenzsignale variiert wird. Wenn die Lampen nur gruppenweise gedimmt werden sollen, können sämtliche Leistungseinheiten der Gruppe mit identischen Impulssignalen angesteuert werden.According to the invention, the power control or dimming of the fluorescent lamps is achieved by varying the duty cycle of the pulsed high-frequency signals. If the lamps are only to be dimmed in groups, all power units in the group can be controlled with identical pulse signals.
Wenn die Leistung jeder Lampe individuell geregelt werden soll, sind die ansteigenden und/oder fallenden Flanken der Ansteuerimpulse für die einzelnen Lampen nicht genau synchron. Auch in diesem Fall lassen sich jedoch wechselseitige Störungen weitgehend unterdrücken, wenn die Ansteuersignale frequenz- und phasengleich sind. Phasengleichheit bedeutet in diesem Fall, daJ3 entweder die ansteigenden Flanken oder die abfallenden Flanken oder die Impulsmitten der Ansteuerimpulse synchron sind.If the power of each lamp is to be controlled individually, the rising and/or falling edges of the control pulses for the individual lamps are not exactly synchronized. However, even in this case, mutual interference can be largely suppressed if the control signals have the same frequency and phase. In this case, phase equality means that either the rising edges or the falling edges or the pulse centers of the control pulses are synchronized.
Mit zunehmender Leistung der Gleichstromquellen wird es immer schwieriger, die elektromagnetische Verträglichkeit des Gerätes zu gewährleisten. Im Hinblick auf dieses Problem ist erfindungsgemäß dem Gleichrichter der Gleichspannungsquelle ein Tiefpaß-Filter vorgeschaltet, dessen Grenzfrequenz in der Größenordnung der dreifachen Netzfrequenz liegt. Da ein Netzteil unter Last das Netz vor allem mit Oberwellen ungerader Ordnung belastet, läßt sich durch die Dämpfung der dritten und höherer Oberwellen mit Hilfe des Tiefpaßfilters die Netzbelastung durch Oberwellen wirksam reduzieren. Besonders zweckmäßig ist die Verwendung eines LC-Filters, das als Tiefpaß zweiter Ordnung geschaltet ist. In diesem Fall läßt sich bei gegebener Netzspannung durch Resonanzüberhöhung eine höhere Gleichspannung erhalten, wodurch ein stabilerer Betrieb der Leuchtstofflampen ermöglicht wird und eine größere Toleranz der Vorschaltgeräte gegenüber Unterschieden zwischen verschiedenen Lampenfabrikaten erreicht wird. Durch geeigne-As the power of the direct current sources increases, it becomes increasingly difficult to ensure the electromagnetic compatibility of the device. In view of this problem, the invention provides that a low-pass filter is connected upstream of the rectifier of the direct current source, the cut-off frequency of which is in the order of three times the mains frequency. Since a power supply unit under load primarily loads the mains with harmonics of an odd order, the load on the mains caused by harmonics can be effectively reduced by damping the third and higher harmonics with the help of the low-pass filter. The use of an LC filter connected as a second-order low-pass filter is particularly useful. In this case, a higher direct voltage can be obtained for a given mains voltage by increasing the resonance, which enables more stable operation of the fluorescent lamps and greater tolerance of the ballasts to differences between different lamp makes. By using suitable
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te Wahl der Induktivität und der Kapazität läßt sich bei wirksamer Unterdrückung
von Oberwellen auch eine annähernde Phasengleichheit von Strom und Spannung erreichen, so daJ3 sich das Netzteil nahezu wie eine Ohmsche
Last verhält.
5By carefully selecting the inductance and capacitance, it is possible to achieve an approximate phase equality of current and voltage while effectively suppressing harmonics, so that the power supply behaves almost like an ohmic load.
5
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.In the following, preferred embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing.
Es zeigen:
10Show it:
10
Fig. 1 ein Blockdiagramm des Bestrahlungsgerätes;Fig. 1 is a block diagram of the irradiation device;
Fig. 2 eine schematische Schaltskizze einer LeistungseinheitFig. 2 a schematic circuit diagram of a power unit
eines Vorschaltgerätes mit zugehöriger Leuchtstofflampe;
15a ballast with associated fluorescent lamp;
15
Fig. 3 Wellenformen verschiedener Signale in der Schaltung nachFig. 3 Waveforms of various signals in the circuit according to
Figur 2;Figure 2;
Fig. 4 eine schematische Schaltskizze einer Gleichspannungs-Fig. 4 is a schematic circuit diagram of a DC voltage
quelle;source;
Fig. 5 die Wellenformen der Netzbelastung für eine Gleichspannungsquelle
nach Figur 4 und eine entsprechende Gleichspannungsquelle ohne Filter;
25Fig. 5 shows the waveforms of the mains load for a DC voltage source according to Figure 4 and a corresponding DC voltage source without filter;
25
Fig. 6 das Frequenzspektrum der Wellenform nach Figur 5 für dieFig. 6 shows the frequency spectrum of the waveform of Figure 5 for the
Gleichspannungsquelle ohne Filter sowie die Übertragungskurve des Filters; undDC voltage source without filter and the transfer curve of the filter; and
Fig. 7 und 8 ein Blockdiagramm und eine Schaltskizze analog zu FigurenFig. 7 and 8 a block diagram and a circuit diagram analogous to Figures
1 und 2 für ein anderes Ausführungsbeispiel.1 and 2 for another embodiment.
Das in Figur 1 als Blockdiagramm dargestellte Bestrahlungsgerät weist eine Gruppe von Leuchtstofflampen 10 auf, die in verhältnismäßig dichter Packung parallel nebeneinanderliegend in dem Bestrahlungsgerät angeordnetThe irradiation device shown in Figure 1 as a block diagram has a group of fluorescent lamps 10 which are arranged in a relatively dense pack parallel to one another in the irradiation device.
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sind und durch eine Vorschaltgeräteeinheit 12 angesteuert werden. Die Vorschal tgeräte einheit 12 umfaJ3t eine Steuereinheit 14, die beispielsweise durch einen Mikrocontroller gebildet wird, ein Leistungsteil 16, eine Gleichspannungsquelle 18 und ein Niederspannungsnetzteil 20. An die Steuereinheit 14 sind weiterhin ein optischer Sensor 22 und eine Bedienungskonsole 24 angeschlossen.and are controlled by a ballast unit 12. The ballast unit 12 comprises a control unit 14, which is formed, for example, by a microcontroller, a power unit 16, a DC voltage source 18 and a low-voltage power supply 20. An optical sensor 22 and an operating console 24 are also connected to the control unit 14.
Jede der Leuchtstofflampen 10 hat eine Leistung von 160 W und wird durch eine zugehörige Leistungseinheit 26 angesteuert. Die Leistungseinheiten 26 für sämtliche Leuchtstofflampen 10 der Gruppe sind auf einer gemeinsamen Platine angeordnet und bilden zusammen das Leistungsteil 16. Die Gleichspannungsquelle 18 wandelt die Netzspannung, beispielsweise eine 50 Hz-Wechselspannung von 230 V, in eine Gleichspannung von etwa 340 V um und versorgt sämtliche Leistungseinheiten 26 mit dieser Gleichspannung.Each of the fluorescent lamps 10 has an output of 160 W and is controlled by an associated power unit 26. The power units 26 for all fluorescent lamps 10 in the group are arranged on a common circuit board and together form the power section 16. The direct current source 18 converts the mains voltage, for example a 50 Hz alternating current of 230 V, into a direct current of approximately 340 V and supplies all power units 26 with this direct current.
Die Steuereinheit 14 wird durch das Niederspannungsnetzteil 20 mit Betriebsspannung versorgt und erzeugt anhand eines in der Steuereinheit gespeicherten Programms sowie anhand von Signalen, die sie von dem optischen Sensor 22 und der Bedienungskonsole 24 erhält, Steuersignale A und B für die Leistungseinheiten 26. Im gezeigten Beispiel erhalten sämtliche Leistungseinheiten 26 während des normalen Betriebs des Bestrahlungsgerätes dieselben Steuersignale A und B, so daß sämtliche Leuchtstofflampen 10 der Gruppe synchron angesteuert werden. Die von der Gruppe der Bestrahlungslampen 10 erzeugte Gesamthelligkeit wird von dem optischen Sensor 22 erfaJ3t, der daraufhin ein Helligkeitssignal an die Steuereinheit 14 zurückmeldet. Anhand dieses Signals wird die Helligkeit der Leuchtstofflampen 10 auf einen Sollwert geregelt, der über die Bedienungskonsole 24 eingegeben werden kann. Beispielsweise ist die Bedienungskonsole so gestaltet, daß unterschiedliche Hauttypen gewählt oder eingegeben werden können und dann anhand des Hauttyps elektronisch der Sollwert berechnet wird, auf den die Bestrahlungsintensität geregelt wird. Die Regelung der Lampenleistung erfolgt vorzugsweise stufenlos oder quasi-stufenlos (z.B. in Schritten von 2,5% Bereich von 25% bis 100% der maximalen Leistung).The control unit 14 is supplied with operating voltage by the low-voltage power supply 20 and generates control signals A and B for the power units 26 based on a program stored in the control unit and on signals that it receives from the optical sensor 22 and the operating console 24. In the example shown, all power units 26 receive the same control signals A and B during normal operation of the irradiation device, so that all fluorescent lamps 10 in the group are controlled synchronously. The total brightness generated by the group of irradiation lamps 10 is detected by the optical sensor 22, which then reports a brightness signal back to the control unit 14. Based on this signal, the brightness of the fluorescent lamps 10 is regulated to a setpoint that can be entered via the operating console 24. For example, the control panel is designed so that different skin types can be selected or entered and then the target value to which the irradiation intensity is regulated is calculated electronically based on the skin type. The lamp output is preferably regulated continuously or quasi-continuously (e.g. in steps of 2.5%, range from 25% to 100% of the maximum output).
In der Praxis wird das Bestrahlungsgerät zumeist mehrere Gruppen von Leuchtstofflampen 10 aufweisen, denen jeweils eine gesonderte Vorschaltgeräteeinheit 12 zugeordnet ist. In diesem Fall ist vorzugsweise eine einzigeIn practice, the irradiation device will usually have several groups of fluorescent lamps 10, each of which is assigned a separate ballast unit 12. In this case, preferably a single
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Steuereinheit 14 für sämtliche Vorschaltgeräteeinheiten vorgesehen. Jeder Gruppe von Leuchtstofflampen ist ein eigener optischer Sensor 22 zugeordnet, und die Steuereinheit 14 erzeugt für jedes der Leistungsteile 16 einen gesonderten Satz von Steuersignalen A und B.A control unit 14 is provided for all ballast units. Each group of fluorescent lamps is assigned its own optical sensor 22, and the control unit 14 generates a separate set of control signals A and B for each of the power units 16.
In Figur 2 ist der prinzipielle Aufbau einer einzelnen Leistungseinheit 26 dargestellt. Die Leistungseinheit erhält die Gleichspannung von +340 V von der zentralen Gleichspannungsquelle 18. Zwei Leistungstransistoren Tl und T2 (FETs) sind in Serie zwischen den Spannungseingang und Masse geschaltet.Figure 2 shows the basic structure of a single power unit 26. The power unit receives the direct voltage of +340 V from the central direct voltage source 18. Two power transistors Tl and T2 (FETs) are connected in series between the voltage input and ground.
Zwei Kondensatoren C1 und C2 sind in Serie parallel zu den Transistoren geschaltet. Die Mitte C zwischen den beiden Transistoren Tl und T2 ist über eine Drossel Ll mit einer Elektrode 28 der Leuchtstofflampe 10 verbunden. Die andere Elektrode 30 der Leuchtstofflampe ist mit der Mitte zwischen den beiden Kondensatoren Cl und C2 verbunden. Ein Kondensator C3 und ein Widerstand Rl sind parallel zu den Elektroden 28, 30 der Leuchtstofflampe geschaltet.Two capacitors C1 and C2 are connected in series in parallel to the transistors. The center C between the two transistors Tl and T2 is connected to an electrode 28 of the fluorescent lamp 10 via a choke Ll. The other electrode 30 of the fluorescent lamp is connected to the center between the two capacitors Cl and C2. A capacitor C3 and a resistor Rl are connected in parallel to the electrodes 28, 30 of the fluorescent lamp.
Die Gate-Elektroden der Transistoren Tl und T2 werden durch die von der Steuereinheit 14 erhaltenen Steuersignale A und B im Gegentakt angesteuert, wie durch die Kurven A und B in Figur 3 veranschaulicht wird. Die Steuersignale A und B haben dieselbe Frequenz und Impulsbreite und sind um eine halbe Periodendauer gegeneinader phasenversetzt. In bekannter Weise wird durch elektronische SicherungsmaJ3nahmen dafür gesorgt, daß die Impulse, während derer die Transistoren Tl und T2 leitend sind, einander nicht überlappen. Wenn beide Transistoren sperren, stellt sich an dem mit der Elektrode 30 verbundenen Punkt zwischen den Kondensatoren Cl und C2 ein mittleres Potential von etwa 170 V ein. Wenn die Transistoren Tl und T2 im Gegentakt öffnen und schließen, nimmt das Potential am Punkt C in Figur 2 in bezug auf das mittlere Potential abwechselnd positive und negative Werte an, wie durch die Kurve C in Figur 3 veranschaulicht wird. Dieses Potential gelangt über die Drossel Ll an die Elektrode 28 und hält die Gasentladung in der Leuchtstofflampe 10 aufrecht.The gate electrodes of the transistors T1 and T2 are controlled in push-pull by the control signals A and B received from the control unit 14, as illustrated by the curves A and B in Figure 3. The control signals A and B have the same frequency and pulse width and are phase-shifted by half a period. In a known manner, electronic safety measures ensure that the pulses during which the transistors T1 and T2 are conductive do not overlap. When both transistors are blocking, an average potential of approximately 170 V is established at the point connected to the electrode 30 between the capacitors C1 and C2. When the transistors T1 and T2 open and close in push-pull, the potential at point C in Figure 2 takes on alternating positive and negative values with respect to the average potential, as illustrated by the curve C in Figure 3. This potential reaches the electrode 28 via the choke L1 and maintains the gas discharge in the fluorescent lamp 10.
Die Taktfrequenz der Steuersignale A und B und damit auch die Frequenz der gepulsten Spannung am Punkt C beträgt während des Betriebs der Lampe zwischen etwa 30 kHz und 40 kHz. Der Kondensator C3 und der Widerstand Rl bilden mit der Drossel Ll einen Schwingkreis, dessen ResonanzfrequenzThe clock frequency of the control signals A and B and thus also the frequency of the pulsed voltage at point C is between about 30 kHz and 40 kHz during operation of the lamp. The capacitor C3 and the resistor Rl form an oscillating circuit with the choke Ll, the resonance frequency of which
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etwas oberhalb der Betriebsfrequenz der Lampe liegt. Aufgrund der Anregung dieses Schwingkreises fließt auch in den Impulspausen, in denen beide Transistoren Tl und T2 gesperrt sind, ein gewisser Heizstrom durch die Elektroden 28 und 30 der Leuchtstofflampe 10. Hierdurch wird sichergestellt, daJ3 in der Leuchtstofflampe stets genügend Ladungsträger vorhanden sind, so daß die Gasentladung nicht abbricht.is slightly above the operating frequency of the lamp. Due to the excitation of this oscillating circuit, a certain heating current flows through the electrodes 28 and 30 of the fluorescent lamp 10 even in the pulse pauses in which both transistors T1 and T2 are blocked. This ensures that there are always enough charge carriers in the fluorescent lamp so that the gas discharge does not break off.
Bei gegebener Taktfrequenz der Steuersignale A und B und gegebener Induktivität der Drossel Ll ist die Stärke des durch die Leuchtstofflampe fließenden Stromes vom Tastverhältnis der Steuersignale A und B abhängig. Die Steuereinheit 14 regelt die Helligkeit der Leuchtstofflampen 10 über das Tastverhältnis der Steuersignale A und B. Die Kurve C in Figur 3 illustriert den Spannungsverlauf bei größerem Tastverhältnis und entsprechend größerer Lampenleistung. Da sämtliche Leuchtstofflampen 10 der in Figur 1 gezeigten Gruppe mit denselben Steuersignalen A und B angesteuert werden, wird eine wechselseitige Beeinflussung der Leuchtstofflampen und der zugehörigen Leistungseinheiten durch Störsignale vermieden.For a given clock frequency of the control signals A and B and a given inductance of the choke Ll, the strength of the current flowing through the fluorescent lamp depends on the duty cycle of the control signals A and B. The control unit 14 regulates the brightness of the fluorescent lamps 10 via the duty cycle of the control signals A and B. Curve C in Figure 3 illustrates the voltage curve with a larger duty cycle and correspondingly larger lamp power. Since all fluorescent lamps 10 in the group shown in Figure 1 are controlled with the same control signals A and B, mutual influence of the fluorescent lamps and the associated power units by interference signals is avoided.
Abweichend von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es auch denkbar, daß jede Leistungseinheit 26 von der Steuereinheit 14 durch individuelle Steuersignale A und B angesteuert wird. In diesem Fall sollten die den verschiedenen Leistungseinheiten zugeführten Signale jedoch dieselbe Frequenz und eine feste Phasenbeziehung, vorzugsweise dieselbe Phase, haben und sich lediglich im Tastverhältnis unterscheiden. Auf diese Weise läßt sich bei weitgehender Unterdrückung wechselseitiger Störeinflüsse eine individuelle Leistungsregelung jeder einzelnen Lampe erreichen.Deviating from the described embodiment, it is also conceivable that each power unit 26 is controlled by the control unit 14 using individual control signals A and B. In this case, however, the signals supplied to the various power units should have the same frequency and a fixed phase relationship, preferably the same phase, and should only differ in the duty cycle. In this way, individual power control of each individual lamp can be achieved while largely suppressing mutual interference.
Die Schaltung ist so ausgelegt, daß der Heizstrom durch die Elektroden 28 und 30 mit abnehmendem Tastverhältnis größer wird. Auf diese Weise läßt sich ein stabiler Lampenbetrieb auch dann aufrechterhalten, wenn die Lampe relativ stark gedimmt ist.The circuit is designed so that the heating current through the electrodes 28 and 30 increases as the duty cycle decreases. In this way, stable lamp operation can be maintained even when the lamp is dimmed relatively strongly.
Beim Einschalten der Leuchtstofflampe 10 muß zunächst eine ausreichende Zündspannung bereitgestellt werden. Zu diesem Zweck ist die Steuereinheit 14 so ausgelegt, daß die Taktfrequenz der Steuersignale A und B beim Einschalten von einem hohen Anfangswert von etwa 80 KHz allmählich auf die Betriebsfrequenz abnimmt und dabei den Resonanzpunkt des durch die Dros-When the fluorescent lamp 10 is switched on, a sufficient ignition voltage must first be provided. For this purpose, the control unit 14 is designed so that the clock frequency of the control signals A and B when switched on gradually decreases from a high initial value of about 80 KHz to the operating frequency and in doing so reaches the resonance point of the voltage generated by the throttle.
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sei Ll und den Kondensator C3 gebildeten Schwingkreises durchquert. Die nötige Zündspannung wird dann durch Resonanzschwingungen dieses Schwingkreises bereitgestellt.be Ll and the capacitor C3. The necessary ignition voltage is then provided by resonance oscillations of this oscillation circuit.
Wenn die Leuchtstofflampe 10 durch eine Lampe mit einer anderen Leistung ersetzt wird, beispielsweise eine Lampe mit 100 W statt 160 W, so brauchen lediglich die Drossel Ll und der Kondensator C3 ausgetauscht zu werden. Durch eine Drossel mit höherer Induktivität wird bei im übrigen unveränderter Schaltung und Betriebsweise die Leistung der Leuchtstofflampe herabgesetzt. Der Kondensator C3 wird so angepaßt, daj3 der Resonanzpunkt des Schwingkreises wieder im richtigen Frequenzbereich liegt.If the fluorescent lamp 10 is replaced by a lamp with a different power, for example a lamp with 100 W instead of 160 W, only the choke L1 and the capacitor C3 need to be replaced. By using a choke with a higher inductance, the power of the fluorescent lamp is reduced while the circuit and mode of operation remain otherwise unchanged. The capacitor C3 is adjusted so that the resonance point of the oscillating circuit is again in the correct frequency range.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Drossel Ll und der Kondensator C3 jeder Leistungseinheit 26 zu einem leicht austauschbaren Modul 32 (Steckmodul auf der Platine) zusammengefaj3t. Wahlweise können das Modul 32 und gegebenenfalls auch der Widerstand Rl auch in den Sockel der jeweiligen Leuchtstofflampe 10 integriert sein. Wenn das Bestrahlungsgerät auf eine geringere Lampenleistung umgerüstet werden soll, brauchen somit lediglich die Leuchtstofflampen und gegebenenfalls die Module 32 ausgetauscht zu werden. Es können auch Lampen mit unterschiedlicher Leistung in einer Gruppe miteinander kombiniert werden und durch dieselbe Vorschaltgeräteeinheit 12 gesteuert werden.In a preferred embodiment of the invention, the choke L1 and the capacitor C3 of each power unit 26 are combined to form an easily replaceable module 32 (plug-in module on the circuit board). Optionally, the module 32 and, if necessary, the resistor R1 can also be integrated into the base of the respective fluorescent lamp 10. If the irradiation device is to be converted to a lower lamp power, only the fluorescent lamps and, if necessary, the modules 32 need to be replaced. Lamps with different power can also be combined in a group and controlled by the same ballast unit 12.
Um eine Überlastung des Netzes beim Einschalten des Bestrahlungsgerätes zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die Lampen zeitversetzt einzuschalten. Wenn das Bestrahlungsgerät mehrere Lampengruppen 10 mit zugehörigen Vorschaltgeräteeinheiten 12 aufweist, läßt sich das zeitversetzte Einschalten der einzelnen Gruppen einfach durch entsprechende Programmierung der Steuereinheit 14 erreichen. Falls auch die einzelnen Lampen 10 jeder Gruppe zeitversetzt eingeschaltet werden sollen, müssen die einzelnen Leistungseinheiten 26 unabhängig voneinander durch die Steuereinheit 14 angesprochen werden können. Die Steuereinheit 14 führt dann nacheinander die Zündprozeduren für die einzelnen Lampen aus, indem sie der betreffenden Leistungseinheit 26 Steuersignale mit einer von 80 kHz auf 30 kHz abnehmenden Taktfrequenz zuführt. Wenn die Lampen gezündet haben, werden jedoch sämtliche Leistungseinheiten 26 wieder durch die Steuersignale A und B mit derselben Frequenz und derselben Phase angesteuert, um gegenseitigeIn order to avoid overloading the network when switching on the irradiation device, it is advisable to switch on the lamps at different times. If the irradiation device has several lamp groups 10 with associated ballast units 12, the individual groups can be switched on at different times simply by programming the control unit 14 accordingly. If the individual lamps 10 of each group are also to be switched on at different times, the individual power units 26 must be able to be addressed independently of one another by the control unit 14. The control unit 14 then carries out the ignition procedures for the individual lamps one after the other by supplying the relevant power unit 26 with control signals at a clock frequency that decreases from 80 kHz to 30 kHz. When the lamps have ignited, however, all power units 26 are again controlled by the control signals A and B at the same frequency and the same phase in order to avoid mutual interference.
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Störeinflüsse während des Betriebs der Lampen zu vermeiden.To avoid interference during operation of the lamps.
Um einen stabilen, störungsfreien Betrieb der Leuchtstofflampen 10 auch dann zu gewährleisten, wenn Lampen unterschiedlicher Fabrikate in demselben Bestrahlungsgerät eingesetzt oder in derselben Gruppe miteinander kombiniert werden, ist es zweckmäßig, die Leistungseinheiten 26 mit einer relativ hohen Betriebsspannung zu betreiben und die Leistung durch eine entsprechend hohe Induktivität der Drossel Ll zu begrenzen. Unter diesem Gesichtspunkt hat sich eine Betriebsspannung von 340 V als besonders geeignet erwiesen. Durch Gleichrichten der in Deutschland üblichen Netzwechselspannung von 230 V mit einem gewöhnlichen Gleichrichter läßt sich jedoch nur eine Gleichspannung von etwa 310 V erzielen.In order to ensure stable, trouble-free operation of the fluorescent lamps 10 even when lamps of different makes are used in the same irradiation device or combined with one another in the same group, it is advisable to operate the power units 26 with a relatively high operating voltage and to limit the power by means of a correspondingly high inductance of the choke L1. From this point of view, an operating voltage of 340 V has proven to be particularly suitable. However, by rectifying the alternating mains voltage of 230 V that is usual in Germany with a conventional rectifier, only a direct voltage of around 310 V can be achieved.
Figur 4 zeigt eine Prinzipskizze der Gleichspannungsquelle 18, mit der die Netzspannung von 230 V in die gewünschte Gleichspannung von 340 V umgewandelt und zugleich die elektromagnetische Verträglichkeit des Bestrahlungsgerätes gewährleistet werden kann.Figure 4 shows a schematic diagram of the direct current source 18, with which the mains voltage of 230 V can be converted into the desired direct current voltage of 340 V and at the same time the electromagnetic compatibility of the irradiation device can be ensured.
Gemäß Figur 4 weist die Gleichspannungsquelle 18 in üblicher Weise einen durch vier Dioden Dl- D4 gebildeten Gleichrichter und einen nachgeschalteten Glättungskondensator C4 auf.According to Figure 4, the DC voltage source 18 has, in the usual way, a rectifier formed by four diodes D1-D4 and a downstream smoothing capacitor C4.
Erfindungsgemäß sind dem Gleichrichter eine Drossel L2 und ein Kondensator C5 vorgeschaltet, die als Tiefpaß zweiter Ordnung geschaltet sind. Die Wirkungsweise dieser Schaltung soll nachfolgend anhand der Figuren 5 und 6 erläutert werden.According to the invention, a choke L2 and a capacitor C5 are connected upstream of the rectifier, which are connected as a second-order low-pass filter. The operation of this circuit will be explained below using Figures 5 and 6.
Ohne das Tiefpaßfilter würde sich der Kondensator C4 im unbelasteten Zustand auf eine Spannung von etwa 310 V aufladen. Wenn jedoch eine Last - im vorliegenden Fall das Leistungsteil 16 - angeschlossen wird, so kommt es während jeder Halbwelle der Netzwechselspannung zu einer gewissen Entladung des Kondensators C4, bis entweder das Diodenpaar Dl, D3 oder das Diodenpaar D2, D4 leitend wird und der Kondensator sich schlagartig wieder auflädt. Die Belastung des Netzes entspricht in diesem Fall einer Wellenform, die qualitativ durch die Kurve 34 in Figur 5 wiedergegeben wird. Man erkennt, daJ3 diese Belastung durch relativ scharfe Ausschläge mit abwechselnd entgegengesetzter Polarität gekennzeichnet ist und stark von einer sinusför-Without the low-pass filter, the capacitor C4 would charge up to a voltage of about 310 V in the unloaded state. However, if a load - in this case the power unit 16 - is connected, a certain discharge of the capacitor C4 occurs during each half-wave of the AC mains voltage until either the diode pair D1, D3 or the diode pair D2, D4 becomes conductive and the capacitor is suddenly recharged. The load on the mains in this case corresponds to a waveform that is qualitatively represented by the curve 34 in Figure 5. It can be seen that this load is characterized by relatively sharp excursions with alternating opposite polarity and is strongly influenced by a sinusoidal waveform.
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migen Belastung abweicht. Das Frequenzspektrum gemäß Figur 6 weist deshalb neben einem Maximum bei der Grundfrequenz von 50 Hz auch relativ ausgeprägte Maxima bei den ungeradzahligen Oberwellen, das heißt bei 150 Hz, 250 Hz, etc. auf. Der zunehmende Einsatz von Verbrauchern, insbesondere solchen mit hoher Leistung, die das Netz mit derartigen Oberwellen belasten, macht es für die Stromversorgungsunternehmen immer schwieriger, eine stabile sinusförmige Netzwechselspannung von 50 Hz zu gewährleisten. Aus diesem Grund sollte bei Verbrauchern mit hoher Leistung die Belastung des Netzes durch Oberwellen in Grenzen gehalten werden.The frequency spectrum according to Figure 6 therefore shows, in addition to a maximum at the fundamental frequency of 50 Hz, relatively pronounced maxima at the odd-numbered harmonics, i.e. at 150 Hz, 250 Hz, etc. The increasing use of consumers, especially those with high power, which burden the network with such harmonics, is making it increasingly difficult for electricity supply companies to guarantee a stable sinusoidal AC mains voltage of 50 Hz. For this reason, the harmonic load on the network should be kept within limits for consumers with high power.
In Figur 6 ist mit 36 die Ubertragungskurve des Tiefpaßfilters L2, C5 nach Figur 4 dargestellt. Dieses Tiefpaßfilter ist so ausgelegt, daj3 die Grenzfrequenz in der Größenordnung der dreifachen Netzfrequenz, also etwa bei 150 Hz, und vorzugsweise etwas darunter liegt. Durch diese relativ einfache Maßnahme Iäj3t sich erreichen, daß die Oberwellen wirksam unterdrückt werden und die Netzbelastung einen annähernd sinusförmigen Verlauf hat, wie durch die Kurve 38 in Figur 5 angegeben wird.In Figure 6, the transmission curve of the low-pass filter L2, C5 according to Figure 4 is shown at 36. This low-pass filter is designed so that the cut-off frequency is in the order of three times the mains frequency, i.e. around 150 Hz, and preferably somewhat lower. This relatively simple measure makes it possible to effectively suppress the harmonics and to give the mains load an approximately sinusoidal shape, as indicated by curve 38 in Figure 5.
Durch die Verwendung eines Tiefpaßfilters zweiter Ordnung ergibt sich zugleich unterhalb der Grenzfrequenz eine gewisse Resonanzüberhöhung der Kurve 36, mit der Folge, daß diese Kurve bei der Netzfrequenz von 50 Hz einen höheren Wert hat als bei der Frequenz 0. Aufgrund dieser Resonanzüberhöhung hat die am Ausgang der Gleichspannungsquelle zur Verfugung stehende Spannung den Wert von 340 V, der für den stabilen Betrieb der Leuchtstofflampen 10 optimal ist und etwas oberhalb des theoretisch - ohne das Tiefpaßfilter - erreichbaren Wertes von 310 V liegt. Darüberhinaus lassen sich bei gegebener Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters die Induktivität der Drossel L2 und die Kapazität des Kondensators C5 so abstimmen, daß die Stromkurve und die Spannungskurve nahezu in Phase sind, so daß sich die Gleichspannungsquelle 18 und damit das gesamte Bestrahlungsgerät am Netz im wesentlichen wie eine Ohmsche Last verhält (cos &phgr; = 1).The use of a second order low-pass filter also results in a certain resonance increase of the curve 36 below the cut-off frequency, with the result that this curve has a higher value at the mains frequency of 50 Hz than at the frequency 0. Due to this resonance increase, the voltage available at the output of the DC voltage source has the value of 340 V, which is optimal for the stable operation of the fluorescent lamps 10 and is slightly above the theoretically achievable value of 310 V - without the low-pass filter. In addition, for a given cut-off frequency of the low-pass filter, the inductance of the choke L2 and the capacitance of the capacitor C5 can be adjusted so that the current curve and the voltage curve are almost in phase, so that the DC voltage source 18 and thus the entire irradiation device on the mains behaves essentially like an ohmic load (cos φ = 1).
Figuren 7 und 8 zeigen ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem für eine Gruppe aus mehreren Leuchtstofflampen 10 (beispielsweise zwei bis zwölf Leuchtstofflampen) nur eine einzige Leistungseinheit 261 vorgesehen ist. Wie aus Figur 8 hervorgeht, umfaßt die Leistungseinheit 26' in diesem Fall im wesentlichen nur die beiden Leistungstransistoren Tl und T2. Jeder ein-Figures 7 and 8 show a modified embodiment in which only a single power unit 26 ' is provided for a group of several fluorescent lamps 10 (for example two to twelve fluorescent lamps). As can be seen from Figure 8, the power unit 26' in this case essentially comprises only the two power transistors T1 and T2. Each single
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zelnen Leuchtstofflampe 10 ist ein Modul 32 zugeordnet, das in diesem Fall außer der Drossel Ll und dem Kondensator C3 auch den Widerstand Rl und die beiden Kondensatoren Cl und C2 enthält. Die einzelnen Module 32 sind parallel zueinander an die Spannung von +340 V, an den Punkt C der Leistungseinheit 26' und an Masse angeschlossen.A module 32 is assigned to each individual fluorescent lamp 10, which in this case in addition to the choke Ll and the capacitor C3, also contains the resistor Rl and the two capacitors Cl and C2. The individual modules 32 are connected in parallel to one another to the voltage of +340 V, to point C of the power unit 26' and to ground.
Die Leistungstransistoren Tl und T2 sind bei diesem Ausführungsbeispiel auf die Gesamtleistung der Leuchtstofflampen 10 der Gruppe ausgelegt. Die Drossel Ll und der Kondensator C3 sowie gegebenenfalls der Widerstand Rl sind wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel an die Leistung der jeweiligen Leuchtstofflampe 10 angepaßt. Die Kondensatoren Cl und C2 brauchen normalerweise nicht speziell an die jeweilige Leuchtstofflampe angepaßt zu sein. Der Grund, weshalb ein gesondertes Paar von Kondensatoren Cl und C2 für jedes Modul 32 vorgesehen wird, besteht im wesentlichen darin, daß auf diese Weise mit handelsüblichen Kondensator-Bauelementen eine ausreichende Kapazität erreicht werden kann, die der größeren Gesamtleistung der Leistungseinheit 26' entspricht.In this embodiment, the power transistors Tl and T2 are designed for the total power of the fluorescent lamps 10 in the group. The choke Ll and the capacitor C3 and, if applicable, the resistor Rl are, as in the first embodiment, adapted to the power of the respective fluorescent lamp 10. The capacitors Cl and C2 normally do not need to be specially adapted to the respective fluorescent lamp. The reason why a separate pair of capacitors Cl and C2 is provided for each module 32 is essentially that in this way, a sufficient capacitance can be achieved with commercially available capacitor components, which corresponds to the larger total power of the power unit 26'.
Der Vorteil der Lösung nach Figuren 7 und 8 besteht darin, daß nur noch zwei Leistungstransistoren und dementsprechend nur noch zwei Steuerleitungen für die Steuersignale A und B benötigt werden. Außerdem wird die Verdrahtung innerhalb des Bestrahlungsgerätes beträchtlich vereinfacht. Die Spannung von +340 V und das Ausgangssignal C der Leistungseinheit 26' sowie das Massepotential können über nur drei Leitungen bis unmittelbar an die Lampengruppe im Bestrahlungsgerät herangeführt werden und verzweigen sich erst dann auf die einzelnen Module 32.The advantage of the solution according to Figures 7 and 8 is that only two power transistors and therefore only two control lines are required for the control signals A and B. In addition, the wiring within the irradiation device is considerably simplified. The voltage of +340 V and the output signal C of the power unit 26' as well as the ground potential can be fed directly to the lamp group in the irradiation device via just three lines and only then branch off to the individual modules 32.
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