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Die
-Erfindung betrifft eine elektrische Lichterkette nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Am
weitesten verbreitet ist die Anwendung von Lichterketten für Dekorations-
und Schmückungszwecke
besonders während
der Weihnachtszeit und anderer Feiertage, insbesondere für die Schmückung von
Weihnachtsbäumen
und ähnlichem.
Wahrscheinlich eine der beliebtesten, derzeit am Markt erhältlichen
und in vielzähligem
Gebrauch stehende Lichterketteneinheit umfasst eine oder mehrere
Ketten mit jeweils fünfzig
Miniaturlampen, wobei jede Lampe typischerweise eine Betriebsnennspannung
von 2,5 Volt aufweist, und deren Glühfäden in einer elektrischen Reihenschaltungsanordnung
vorgesehen sind. Wenn Gesamteinheiten von mehr als fünfzig Lampen
gewünscht
werden, besteht die übliche
Vorgehensweise dann, eine Mehrzahl von Ketten mit fünfzig Miniaturlampen
einzusetzen, wobei die Lampen in jeder Kette elektrisch in Reihe
geschaltet sind und die Mehrzahl der Ketten in einer Parallelschaltung
miteinander verbunden sind. Da jede Lampe jeder Kette in Reihe geschaltet
ist, leuchtet die gesamte Lichterkette nicht, wenn auch nur eine
einzige Lampe, aus welchem Grund auch immer, nicht leuchtet, und
es ist sehr enttäuschend und
zeitaufwendig, eine defekte Lampe oder Lampen ausfindig zu machen
und zu ersetzen. Üblicherweise müssen viele
Lampen geprüft
werden, bevor die defekte Lampe gefunden wird. Tatsächlich sind
vielfach Enttäuschung
und Zeitaufwand so groß,
dass man sich veranlasst sieht, die Lichterkette wegzutun und durch
eine neue Lichterkette zu ersetzen, bevor sie noch vor Ort zum Einsatz
gebracht wird. Das Problem steigert sich noch mehr, wenn eine Mehrzahl von
Lampen gleichzeitig aus einer Vielzahl von Gründen nicht aufleuchten, wie
z.B. aufgrund einer oder mehrerer schadhafter Lampen, einer oder
mehrerer Fassungen mit Wackelkontakt oder einer oder mehreren Lampen,
die körperlich
aus ihren jeweiligen Fassungen fallen, und ähnlichem.
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Tatsächlich haben
auch die Lampenhersteller versucht, das Problem der Erkennung schadhafter
Lampen zu lösen,
indem jede Lampe in einer Kette derart gestaltet wird, dass der
Glühfaden
jeder Lampe kurzgeschlossen wird, wenn er, aus welchen Gründen auch
immer, durchbrennt, wodurch ein offener Stromkreis in der Fassung
der durchgebrannten Lampe verhindert wird. In der Praxis hat sich
jedoch gezeigt, dass solche Kurzschlusseigenschaften in einer Lampe
nicht immer in der beabsichtigten Art funktionieren und die gesamte
Lichterkette ausfällt,
wenn eine einzelne Lampe ausbrennt.
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Es
wurden bis jetzt verschiedene andere Versuche durchgeführt, um
verschiedenartige Nebenschlusswiderstände (Shunts) zu dem Glühfaden jeder
Lampe zu schaffen, wodurch die Kette weiter leuchtet, wenn eine
Lampe durchgebrannt ist oder auf andere Art ein offener Stromkreis
entstanden ist.
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Typische
Nebenschlusswiderstände
finden sich in den US-Patenten RE 34,717; 1,024,495; 2,072,337;
2,760,120; 3,639,805; 3,912,966; 4,450,382; 4,682,079; 4,727,449;
5,379,214 und 5,006,724 sowie dem Schweizer Patent 427,021 und dem
französischen
Patent 884,370 und der französischen
Patentanmeldung 2 663 183 A1.
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Die
US-Patente 4,727,449 und 3,912,966 sowie das Schweizer Patent 427,021
offenbaren die Verwendung von Glühfaden-Nebenschlusswiderstandsstromkreisen
und/oder von Vorrichtungen verschiedener Arten, welche von Varistoren
mit polykristallinen Materialien zu gesinterten und zu Metalloxyd-Varistoren
und ähnlichen
Festkörperschaltern reichen,
welche einen fortgesetzten Stromfluss durch die Kette schaffen,
aber entweder auf einem höheren oder
einem niedrigeren Niveau. Der Grund dafür liegt in der Tatsache, dass
der Spannungsabfall, der über jedem
Nebenschlusswiderstand nach dem Stand der Technik auftritt, einen
deutlich anderen Wert als Spannungsabfall über der Glühlampe während deren Normalbetrieb aufweist.
Einige dieser Nebenschlusswiderstände herkömmlicher Technik bewirken einen verringerten
Stromfluss in der in Reihe geschalteten Kette aufgrund eines zu
hohen Spannungsabfalls, welcher über
dem jeweiligen Nebenschlusswiderstand auftritt, wenn eine Lampe
außer
Betrieb geht, entweder wegen eines gebrochenen Glühfadens,
einer schadhaften Lampe, einer schadhaften Fassung oder einfach
wegen falschen Einsetzens der Lampe in die Fassung oder weil sie
ganz entfernt wird oder aus ihrer jeweiligen Fassung fällt. Jedoch
verursachen andere Nebenschlusswiderstands-Vorrichtungen eine gegenteilige-Wirkung
aufgrund eines unerwünschten
Stromanstieges. Wenn z.B. der Spannungsabfall über einer Fassung abnimmt,
dann wird an allen verbleibenden Lampen in der Kette eine höhere Spannung
angelegt, wobei die höhere
Spannung zu einem höheren
Stromfluss und einer verringerten Lebenserwartung der in der Kette
verbleibenden Lampen führt.
Zusätzlich
führt eine
solche höhere
Spannung zu einer erhöhten
Lichtabstrahlung von jeder der in der Kette verbleibenden Lampen,
die in einigen Fällen
unerwünscht
sein kann. Wenn jedoch der Spannungsabfall über einer Fassung ansteigt, dann
wird eine geringere Spannung an allen in der in Reihe geschalteten
Ketten verbleibenden Lampen angelegt, was zu geringerem Stromfluss
und einer damit zusammenhängenden
Abnahme der Lichtabstrahlung von jeder in der Kette verbleibenden
Lampe führt.
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Die
französische
Patentanmeldung
FR
2 663 183 A1 offenbart einen Nebenschlusswiderstandskreis
für eine
Glühlampe,
wobei mehrere Glühlampen
mit zugehörigen
Nebenschlusswiderstandskreisen in Reihe geschaltet sind, wodurch
eine Lichterkette gebildet. Jeder Widerstandskreis besteht aus einem
Triac, der zu der zugehörigen
Glühlampe
parallel geschaltet ist, und einem bidirektionalen Zener-Diodenpaar,
das einerseits mit dem Eintrittspol des Triacs und andererseits
mit dessen Tor verbunden ist. Außerdem ist ein gemeinsamer
Strombegrenzer in der Lichterkette vorgesehen, der mit den in Reihe
geschalteten Glühlampen
der Kette ebenfalls in Reihe geschaltet ist. Der Triac jedes Nebenschlusswiderstandskreises
wird leitend, wenn die zugehörge
Glühlampe
defekt ist, und hierzu ist das Zener-Diodenpaar erforderlich. Dieses
Paar schaltet den Triac in dem Moment leitend, wenn die elektrische
Spannung am Eingangspol des Triacs größer ist als diejenige Spannung,
die das Zener-Diodenpaar leitend macht. Dieser Nebenschlusswiderstandskreis
ist somit relativ kompliziert aufgebaut und bedingt damit höhere Herstellungskosten.
Außerdem
wird auch mit einem solchen Nebenschlusswiderstandkreis nicht erreicht,
dass die Lichterkette bei einem Ausfall mehrerer Glühlampen
mit gleicher Leuchtkraft weiter leuchtet, weil die weiterleuchtenden
Glühlampen
mit einem höheren
Strom beaufschlagt werden. Es ist daher erforderlich, dass der gemeinsame
Strombegrenzer in der Lichterkette den Glühlampen vorangehend eingegliedert
sein muss, um den Helligkeitsverlust der Lichterkette im Defektfalle
mehrerer Glühlampen
in Grenzen zu halten.
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Im
Schweizer Patent 427 021 wird eine bidirektionale Nebenschllusswiderstands-Vorrichtung
offenbart, welche eine Durchlassnennspannung aufweist, die, wenn überschritten,
den Widerstand derselben auf 1 Ohm oder weniger herabsetzt. Dieser niedere
Widerstandswert ergibt einen wesentlichen Anstieg in der an den
verbleibenden Lampen angelegten Spannung, auch wenn nur eine einzelne
Lampe aus einem der vorher erwähnten
Gründen
ausfällt. Wenn
daher eine Vielzahl von Lampen ausfällt, wird eine noch größere Spannung
an die verbleibenden Lampen angelegt, wodurch ihre Helligkeit wiederum wesentlich
gesteigert und folglich ihre Lebenserwartung wesentlich verkürzt wird.
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Mit
keinem der vorstehend erläuterten,
vorbekannten Nebenschlusswiderstandskreise wird erreicht, dass,
wenn mehrere oder fast alle Glühlampen einer
50-Lampen-Kette aus jedem oder allen der vorerwähnten Gründe ausfallen, die verbleibenden Glühlampen
mit nur einer geringfügigen
Abnahme ihrer Helligkeitsstärke
weiterleuchten. Tatsächlich
wird bei Glühlampen
vom Typ Miniaturchristbaum heute allein auf eine besonders konstruierte
Glühlampe vertraut,
welche sich kurzschließen
soll, wenn sie ausfällt.
Offensichtlich ist solch eine Methode nicht immer wirksam, besonders
wenn eine Glühlampe aus
ihrer Fassung entfernt wird oder im Zuge der Handhabung beschädigt wird
usw.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung einer elektrischen
Lichterkette aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Glühlampen gemäß der einleitend
angeführten
Art, wobei die Lichterkette bei einfacher Bauweise, kostengünstiger Herstellung
und Verwendung einfach konstruierter Glühlampen gewährleistet, dass bei einem Defekt
im Bereich einer oder mehrer Glühlampen
bzw. Brennstellen der jeweils zugehörige Nebenschlusswiderstandskreis
derart wirkt, dass die übrigen
Glühlampen
der Lichterkette bei im Wesentlichen unveränderter Leuchtkraft gehalten
werden und dass eine Verkürzung
der Lebens dauer der Lichterkette aufgrund eines Brennstellendefektes
vermieden ist.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist in den anliegenden Ansprüchen 1, 3 und 4 definiert.
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Nach
dieser Lösung
ist eine wirtschaftlich herstellbare Glühlampen-Lichterkette mit in Reihe geschalteten
Glühlampen
geschaffen, wobei, nach einer Ausführungsform, jede Glühlampe einen
Nebenschlusswiderstandskreis der Siliziumbauarf aufweist, der darüber parallel
geschaltet ist und der einen vorbestimmten Spannungsschaltwert,
größer als die
normalerweise an der jeweiligen Glühlampe anliegende Spannung
ist, aufweist und wobei die Nebenschlusswiderstandskreis nur dann
vollständig
leitend wird, wenn die darüber
angelegte Spitzenspannung ihren vorbestimmten Spannungsschaltwert überschreitet,
was auftritt, wann immer eine Glühlampe
in der Kette aufgrund eines beliebigen oder mehrerer oder aller
der folgenden Gründe
ausfällt: unterbrochener
Glühfaden,
schadhafte oder zerstörte
Lampe, schadhafte Fassung oder einfach weil die Glühlampe nicht
richtig in ihrer Fassung sitzt oder völlig entfernt ist oder aus
ihrer jeweiligen Fassung fällt.
Der Nebenschlusswiderstandskreis schafft einen ununterbrochenen
Stromfluss von Nennstrom durch alle verbliebenen Glühlampen
in der Kette, und zwar zusammen mit im Wesentlichen unveränderter Lichtabgabe
von jeder beliebigen der in der Kette in Betrieb verbleibenden Glühlampen,
auch wenn eine wesentliche Anzahl der gesamten Glühlampen
in der Kette gleichzeitig aus beliebigen Gründen der verschiedenen vorerwähnten Gründe außer Betrieb
gehen sollte.
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Diese
Lichterkette macht keine Art von Lampen notwendig, die besonders
aufgebaut sind, um einen Kurzschlusskreis zu schaffen, wann immer
sie durchbrennen, welche Lampen derzeit im Wesentlichen in allen
Ketten am Markt verwendet werden.
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Des
weiteren ist der jeweilige Nebenschlusswiderstandskreis zum Einsatz
in einer Lichterkette aus in Reihe geschalteten Glühlampen
so beschaffen, dass er in einer sehr einfachen und wirtschaftlichen
Weise die bisher mit herkömmlichen
Lichterketten verbundenen Probleme überwin det, wobei jene in erster
Linie so aufgebaut sind, um lediglich eine Art Stromfluss durch
die gesamte Lichtkette aufrechtzuerhalten, wann immer eine oder
mehrere Lampen in der Kette ausfallen, aus welchem Grund auch immer.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht darin,
dass eine in Reihe geschaltete Glühlampenkette so ausgebildet
ist, dass sie alle oben angeführten
Eigenschaften aufweist und zusätzlich
das Licht, welches von jeder Lampe ausgestrahlt wird, wahlweise
erscheint, erlischt und wieder erscheint, und zwar unabhängig und
fortlaufend entlang der gesamten Kette, wodurch ein beeindruckender,
neuartiger und ungewöhnlicher Leuchteffekt
erreicht wird.
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Die
Erfindung ist nachstehend in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen
beispielsweise näher
erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
elektrisches Schaltschema einer neuartigen Lichterkette, die nach
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
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2 ein
elektrisches Schaltschema einer neuartigen Lichterkette, die nach
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
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3 ein
elektrisches Schaltschema einer neuartigen Lichterkette, die nach
einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist; und
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4 ein
elektrisches Schaltschema einer neuartigen Lichterkette, die nach
einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
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Unter
Bezugnahme auf das Schaltschema in 1 umfasst
die Lichterkette nach der ersten Ausführungsform zwei Eingangsklemmen 10 und 11,
die mit einer Versorgungsquelle von 110/120 Volt Wechselstrom verbunden
werden können,
wie er normalerweise in einem typischen Haushalt oder Unternehmen
vorhanden ist. Klemme 10 ist normalerweise fest mit der
ersten Klemme der ersten Fassung, die eine erste elektrische Glühlampe 12 betriebsbereit eingesteckt
besitzt, verbunden. Die benachbarte Klemme der ersten Fassung ist
elektrisch mit der benachbarten Klemme der zweiten Fassung, die
eine zweite elektrische Glühlampe 13 betriebsbereit
eingesteckt besitzt, verbunden, und so weiter, bis jede der Glühlampen
in der gesamten Kette (seien es entweder insgesamt 10 Lampen, wie
hier schaltschematisch gezeigt, oder insgesamt 50 Lampen, wie es
typischerweise der Fall ist) schließlich betrebsbereit in einem
elektrischen Reihenschaltkreis zwischen den Eingangsklemmen 10 und 11 miteinander
verbunden ist. Ein erstes, auf Spannung ansprechendes Bauteil 22,
welches symbolhaft dargestellt ist und wirksam als eine erste, die
Spannung stabilisierende Vorrichtung in der im folgenden beschriebenen
Art arbeitet, ist über
den elektrischen Klemmen der ersten Fassung, nachfolgend die elektrischen
Klemmen der ersten Glühlampe 12 genannt,
betriebsbereit elektrisch parallel geschaltet. In gleicher Weise
ist ein zweites, auf Spannung ansprechendes Bauteil 23,
welches in gleicher Weise wirksam als eine die Spannung stabilisierende
Vorrichtung arbeitet, über
den elektrischen Klemmen der zweiten Fassung, nachfolgend die zweite
Glühlampe 13 genannt,
betriebsbereit elektrisch parallel geschaltet, und so weiter, bis
jede der verbleibenden Fassungen, nachfolgend jede der verbleibenden
Glühlampen 14 bis 21 der
Reihe genannt, ein zugeordnetes Bauteil der auf Spannung ansprechenden
Bauteile 24 bis 31, die parallel dazu geschaltet
sind, besitzt.
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Aus
praktischen Gründen
wird es bevorzugt, dass alle auf Spannung ansprechenden Bauteile 22 bis 31 von
gleichem Aufbau sind und idealerweise einen Kennwert aufweisen,
derart, dass, wenn sie leitend sind, das ist in einem „Ein-" oder „geschlossenen" Zustand, der Scheinwiderstand
(Impedanz) derselben einen Wert gleich dem Scheinwiderstand des Glühfadens
der zugehörigen
Glühlampe
aufweist und, wenn sie nicht leitend sind, das ist in einem „Aus-" oder „offenen" Zustand, der Wert
des Scheinwiderstandes gleich unendlich ist.
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Es
hat sich herausgestellt, dass, wenn zwei allgemein bekannte Halbleiterbauelemente,
bekannt als symmetrische Doppel-Zener-dioden, als Zenerdiodenpaar
mit gegensinnig in Reihe geschalteten Zenerdioden geschaltet sind,
sie die erwünschten Kennwerte
für ein
ausgezeichnetes, auf Spannung ansprechendes Bauteil schaffen, welches
im wesentlichen als eine die Spannung stabilisierende Vorrichtung
arbeitet, insbesondere weil solche Zenerdiodenpaare am Markt zu
relativ geringen Kosten leicht verfügbar sind, besonders wenn sie
in relativ großen Mengen
gekauft werden. Die Arbeitsweise der Ausführungsform nach 1 ist
wie folgt:
Unter der Annahme, dass die Lichterkette eine typische
50-Lichterkette ist, die 50 Glühlampen
in Reihe geschaltet umfasst und jede Glühlampe eine Nennspannung von
2,4 Volt aufweist, würde
die effektive Nennspannung für
die gesamte Kette durch fünfzigfache
Multiplikation mit 2,4 Volt festgelegt sein, was als Produkt 120
Volt ergibt. Durch elektrische Verbindung von zwei Zenerdioden miteinander
in gegensinniger Reihenschaltung, wobei jede eine Nennspannung von
3,3 Volt über
jeder Lampe (wobei das Zenerdiodenpaar innerhalb der Fassung selbst
eingebaut sein kann) aufweist, kann die Spannung über jeder
einzelnen Lampe bei 200 Milliampere Stromfluss nicht über ungefähr 4,5 Volt
ansteigen. Wenn eine Lampe in der Kette leuchtet (oder „Ein") ist, liegt die Spannung über dieser
Lampe bei ungefähr
2,4 Volt (oder ungefähr
3,4 Volt Spitzenwert), abhängig
natürlich
vom Wert der angelegten Netzspannung zu diesem Zeitpunkt. Mit zwei
Zenerdioden, wobei jede eine Nennspannung von 3,3 Volt in gegensinniger Reihenschaltung über jeder
Lampe aufweist, fließt kein
Strom durch eine der Zenerdioden, und im Wesentlichen fließt der gesamte
Strom durch jede reihengeschaltete Lampe. Wenn eine Lampe aus ihrer jeweiligen
Fassung enfernt wird oder die Lampe durchbrennt oder ähnliches
und es keinen Überbrückungsmechanismus
in der Lampe selbst gibt, beginnt die Spannung über dieser Lampe auf den Wert der
angelegten Netzspannung zu steigen. Jedoch kann mit den beiden 3,3
Volt Zenerdioden die darüberliegende
Spannung nur bis ungefähr
4,5 Volt ansteigen, bis beide Zenerdioden zu leiten beginnen. Dies
ist nur ungefähr
1,1 Volt (Spitzenwert) mehr als über
der jeweiligen Fassung an Abfall vorhanden war, als die Lampe noch
leitete. Die verbleibenden Lampen in der Kette werden durch den
zusätzlichen 1,1
Volt (Spitzenwert) Abfall, der im Zenerstromkreis auftritt, wenig
berührt.
Die Spannung über
jeder verblei benden Lampe in der Kette wird nur um ungefähr 23 Millivolt
(Spitzenwert) gesenkt. Daher fließt im Wesentlichen kein Strom
in dem durch die beiden Zenerdioden bzw. durch das Zenerdiodenpaar
gebildeten Nebenschlusswiderstandskreis, bis er benötigt wird.
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Die
unüblichen
und erwünschten
Vorteile der obigen Ausführungsform
gegenüber
Lichterketten herkömmlicher
Technik sind in der Tatsache begründet, dass die Kette weiter
leuchtet, unabhängig
davon, ob eine oder mehrere Glühlampen
in der Kette durchbrennen, aus ihren jeweiligen Fassungen herausfallen
oder lose oder falsch in ihren jeweiligen Fassungen eingesetzt sind.
Die Kette leuchtet weiter, was auch immer mit einer oder mehreren
Glühlampen
in der Kette geschieht. Daher stellen die Zenerdiodenpaare in gegensinniger
Reihenschaltung sicher, dass Strom in dem in Reihe geschalteten Stromkreis
weiter fließt,
was auch immer mit der einzelnen Glühlampe geschieht. Wenn jedoch
eine übliche „Blink" glühlampe in
eine der Fassungen eingesetzt werden soll, wie dies gewöhnlich getan
wird, wodurch die ganze Lichtkette jedes Mal ein- und ausgeschaltet
wird, wenn die Blinklampe ihren Zustand ändert, ist es notwendig, ein
Zenerdiodenpaar aus einer der Fassungen wegzulassen, vorzugsweise
aus einer der Fassungen, die dem Wechselstromstecker am nächsten liegen,
und dann die Blinklampe in jene Fassung einzusetzen. Dann wird die
Kette in der üblichen
Weise aufleuchten und verlöschen.
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Es
ist als Vorteil hervorzuheben, dass, wenn festgestellt wurde, dass
die Nennspannung von jeder Zenerdiode 3,3 Volt ist, dies bedeutet,
dass die Zenerdiode in der Gegenrichtung zu leiten beginnt, wann
immer die Spannung über
der betroffenen Zenerdiode erstmals 3,3 Volt erreicht. Wenn umgekehrt die
Zenerdiode in der Vorwärtsrichtung
leitend ist, gibt es einen Abfall von ungefähr 0,7 Volt über dieser Zenerdiode.
Wenn daher zwei solche Zenerdioden eines Zenerdiodenpaares in einer
gegensinnigen Reihenschaltung geschaltet sind, beträgt die wirksame
Nenndurchbruchspannung des Paares (im folgenden „wirksame Nennspannung") ungefähr 4,0 Volt
(d. h. 3,3 Volt plus 0,7 Volt), da eine Zenerdiode in einem Paar
in einer Vorwärtsrichtung
leitend ist und die andere Zenerdiode in diesem Paar in der Rückwärtsrichtung
leitend ist. Das Paar ist daher symmetrisch polarisiert, d. h. gleich
in beiden Rich tungen. Dieser 4,0 Volt Spannungswert wird ansteigen,
wenn mehr Strom durch das Zenerdiodenpaar fließt, bis ein Stromfluss von
ungefähr
200 Milliampere ebendort durchfließt, d. i. der Durchschnittsstrom
in einer 50-Lampen-Lichterkette, wobei zu diesem Zeitpunkt der Spannungsabfall über den
beiden Zenerdioden des Paares mit 3,3 Volt Nennspannung ungefähr 4,4 Volt
erreicht. Solche Zenerdiodenpaare mit gegensinniger Reihenschaltung
sind am Markt erhältlich.
Verschiedene Nennspannungen sind erhältlich, wobei diese Nennwerte üblicherweise
als Spitzenspannungswerte oder manchmal als A.C.-Nennwerte ausgedrückt sind.
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Jedes
Zenerdiodenpaar, das für
eine gegensinnige Reihenschaltung geeignet ist, wird als Ergebnis
der gut bekannten Stromdurchlassbedingung aufgrund der strombegrenzenden
Wirkung durch die verbleibenden, in Reihe geschalteten Lampen in
der Kette, deren Gesamtwiderstandswert die Größe des hindurchfließenden Stroms
festlegt, an der Selbstzerstörung
gehindert. Wenn zum Beispiel alle Lampen aus der Kette entfernt
werden, tritt die Versorgungsspannung von 120 Volt (Wechselstrom)
oder 170 Volt (Spitzenwert) über
den 50 Nebenschlusswiderständen
auf. Mit jedem der vorstehend beschriebenen Nebenschlusswiderstände, die
4,0 Volt (Spitzenwert) wirksame Nennspannung aufweisen, gibt es
wenig oder gar keine Stromleitung in der Kette, da nur 3,4 Volt
(Spitzenwert) über
jedem Nebenschlusswiderstand zur Verfügung stehen.
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Eine
weitere bevorzugte Vorrichtung in den Nebenschlusswiderstandskreisen
ist der bidirektionale symmetrische Siliziumkippschalter (STS), HS-Serie, welcher derzeit
von Teccor Electronics, Inc., erhältlich ist, aber zur Zeit etwas
teuerer als das das gegensinnig geschaltete Zenerdiodenpaar ist. Wie
das gegensinnig geschaltete Zenerdiodenpaar bieten die sogenannten „STS, HS-Serie,"-Schalter niedere
Durchlass- bzw. Kippspannungen, sind auf einer wirtschaftlichen
DO-35 Platte befestigt und mit glaspassivierten Anschlüssen für Verlässlichkeit
ausgestattet. Die „HS"-Vorrichtungen schalten
vom Sperrzustand in einen Leitzustand, wenn die angelegte Spannung
jeder Polarität
die Kippspannung überschreitet,
und sie sind nicht nur bidirektional, sondern, wie die gegensinnig
geschalteten Zenerdioden der Zenerdiodenpaare, auch symmet risch
für Wechselstromanwendungen
ausgebildet. Wie schaltschematisch in 2 dargestellt,
ist jeder der veranschaulichten bidirektionalen Siliziumkippschalter 22' bis 31' jeweils parallel
zu einer ihm zugeordneten Glühlampe
der in Reihe geschalteten Glühlampen 12 bis 21 in
derselben Weise, wie in 1 vorher dargestellt, geschaltet.
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Die
Betriebsart der Siliziumkippschalter(STS)-Vorrichtung, die in 2 gezeigt
ist, entspricht im Wesentlichen jener der gegensinnig geschalteten
Zenerdiodenpaar-Ausführung
nach 1. Jedoch tritt in der STS-Vorrichtung, welche einen Teccor-Modell-HS-10-Siliziumkippschalter
als Nebenschlusswiderstand (Shunt) einsetzt, der eine Nennkippspannung
von ungefähr
10 Volt aufweist, im Wesentlichen wiederum derselbe Spannungsabfall von
ungefähr
2,4 Volt über
jeder Lampenfassung einer 50-Miniaturlichter-Kette auf, wenn die
STS-Vorrichtung leitend ist. Wenn eine STS-Vorrichtung über jeder
Fassung parallel geschaltet wird, gibt es in der STS-Vorrichtung
kein Leiten, bis die zughörige
Glühlampe
durchbrennt oder aus ihrer Fassung entfernt wird. Wenn das geschieht,
beginnt die Spannung anzusteigen, bis ungefähr 10 Volt erreicht sind, zu
welchem Zeitpunkt die STS-Vorrichtung von dem „Aus"- in den „Ein"-Zustand
umschaltet. Im „Ein"-Zustand beträgt die Spannung über der
STS-Vorrichtung in einer 50-Lichter Kette mit 200 Milliampere, womit
die meisten 50-Lichter-Ketten arbeiten, ungefähr 2,4 Volt, das ist derselbe
Wert wie zu dem Zeitpunkt, zu dem die entsprechende Glühlampe in
ihrer Fassung steckte und in Betrieb war. Der Spannungsabfall bleibt
daher über
jeder Glühlampe
praktisch unverändert,
ob eine oder mehrere der verbleibenden Glühlampen der Kette in Betrieb
sind oder nicht. Ein weiterer Vorteil der STS-Vorrichtung besteht
dann, dass es nicht notwendig ist, einen Nebenschlusswiderstand
aus einer der Fassungen zu entfernen, um entweder den gewünschten „Funkel"- oder „Funkel-Blink"-Betrieb zu erhalten.
Jedoch ist es, um den normalen Blinkbetrieb durchzuführen, bei
dem die Kette aufleuchten und verlöschen soll, notwendig, die STS-Vorrichtung
aus einer der Fassungen, vorzugsweise aus einer dem Wechselstrom-Anschluss
am nächsten
sitzenden, zu entfernen.
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Die
Lichterkette wird zum Beispiel aufgrund der Kippspannung der STS-Vorrichtung, indem
eine nicht blinkende Lampe in der ersten Fassung (ohne eine STS-Vorrichtung)
eingesetzt ist und indem in allen anderen Fassungen Blinklampen
eingesetzt sind, funkeln und blinken. Blinken der funkelnden Kette wird
auftreten, wenn sich zumindest zwölf bis dreizehn Lampen gleichzeitig
in einem „Aus"-Zustand befinden.
Dies ergibt sich, weil die STS-Vorrichtungen in den leitenden Zustand
schalten, wenn die Spannung über
dieser ungefähr
10 Volt erreicht. Daher bedarf es bei einer 120-Volt-Versorgungsleitung zwölf bis dreizehn
Lampen, welche sich im „Aus"-Zustand befinden,
bevor die Kette ausgeht. Wenn die Blinklampen in ihren normalen
leitenden Zustand zurückkehren,
leuchtet die Kette wieder auf und funkelt, bis wiederum zwölf bis dreizehn
Lampen gleichzeitig im „Aus"-Zustand sind. Die
Periode des Endes und des Beginns dieses Blinkens ist eine von den
Blinklampen abgeleitete Funktion. Wenn die Blinklampen die meiste
Zeit leuchten und nur für
eine kurze Zeitspanne im „Aus"-Zustand sind, dann
wird das gleichzeitige „Aus" von zwölf bis dreizehn
Lampen unregelmäßig stattfinden
und wird in eine kürzere
Zeitspanne des Blinkens und in eine längere Zeitspanne des Funkelns
münden.
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Die
dritte Ausführungsform,
die in 3 gezeigt ist, veranschaulicht einen Nebenschlusswiderstandskreis,
der im Wesentlichen gleich den vorgenannten Ausführungsformen arbeitet mit der
Ausnahme, dass die Quelle der Betriebsspannung eine ganzwellengleichgerichtete
Spannung ist, welche mit dem doppelten Wert der normalen Zyklusrate
von 60 pulsiert. Wie in 3 gezeigt ist, sind die STS-Vorrichtungen 22'' bis 31'' jeweils
zu den Glühlampen 12-21,
welche vorzugsweise eine 50-Miniaturlampen-Kette
darstellen, parallelgeschaltet. Ein Ganzwellengleichter 9,
der vorzugsweise in die Stromleitungsfassung eingegossen ist, weist
einen 3,9-Microfarad-Kondensator auf, der über den Klemmen 6 und 7 geschaltet
ist. Mit dieser besonderen Stromkreisanordnung werden die Glühlampen
in einer 50-Lampen-Kette nur funkeln, sie werden jedoch nicht funkeln
und blinken wie vorbeschrieben. Wie oben festgestellt ist, können der
Gleichrichter 9 und der Kondensator 8 entweder
im Wechselstrom-Stecker eingebaut sein oder sie können in
einem eigenen Übergangsstecker,
in den der Stromleitungsstecker eingesteckt wird, eingebaut sein.
Dies lässt
pulsierenden und teilweise gefilterten Gleichstrom (d. h. „D.C.") an der Kette anliegen.
Gleichstrom wird benötigt,
um die STS-Vorrichtungen am Ausschalten während der Zeit, in der sich
eine Blinklampe im „Aus"-Zustand befindet,
zu hindern, weil die Spannung nie null Volt erreicht, um die Vorrichtungen
auszuschalten. Im Wechselstrom-Betrieb werden die STS-Vorrichtungen 120 mal
in der Sekunde aus- und eingeschaltet. Im „Aus"-Zustand der STS-Vorrichtungen ist eine Spannung von
ungefähr
10 Volt erforderlich, um sie einzuschalten. Dies ist der Grund für die Begrenzung
der Anzahl von Lampen, welche bei Verwendung einer Wechselstrom-Quelle
als Betriebsspannung funkeln können.
Bei Verwendung von Gleichstrom als Betriebsspannung bleiben die STS-Vorrichtungen
jedoch leitend, bis die zugeordnete Blinklampe leuchtet. Daher gibt
es keine Begrenzung bei der Lampenanzahl, die in der Kette verwendet
werden können.
Während
es keine Begrenzung bei der Anzahl der Lampen gibt, die in einer
Kette funkeln können,
wenn Gleichstromspannung als Betriebsspannung verwendet wird, gibt
es eine andere Abstimmungsüberlegung,
welche vorzugsweise angesprochen werden sollte. Wenn nur ein Brückengleichrichter
für sich
allein verwendet und die pulsierende Ausgabespannung nicht gefiltert
wird, wird die Kette so arbeiten, als ob Wechselstrom als Betriebsspannung
verwendet würde.
Dies deswegen, weil die STS-Vorrichtungen 120 mal in der
Sekunde aus- und angehen werden, was zweimal der Wechselstromfrequenz
entspricht. Durch das Einbauen eines Kondensators über dem
Ausgang des Brückengleichrichters
ergibt sich eine verbesserte Leistung. Wenn jedoch der Kondensator 8 zu
klein bemessen ist, wird die Lampenhelligkeit flackern, besonders
wenn Blinklampen mit normalen Lampen in der Kette gemischt sind.
Zusätzlich
wird die Spannung in der Kette zu gering sein. Wenn ein zu großer Kondensator
verwendet wird, wird der Strom in den Lampen überaus groß sein, und die Einsatzdauer
der Lampen wird verkürzt.
Daher ist die ideale Kapazität
eine solche, bei welcher der die Lampen durchfließende Strom
die normalen 200 Milliampere in einer typischen 50-Miniaturglühlampen-Kette
erreicht. Auf diesem Niveau stabilisiert sich der Stromdurchfluss,
und die Kette arbeitet perfekt. In einer 50-Miniaturlampen-Kette liegt die bevorzugte
Kapazität
bei ungefähr
3,3 bis 4,7 Microfarad. Wenn nun eine oder mehrere Blinklampen in
die Kette eingesetzt werden, wird jede Blinklampe fortgesetzt mit
ihrer eigenen unabhängigen
Blinkrate an- und ausgehen. Mehr Kapazität wird benötigt werden, wenn mehr Blinklampen
hinzugefügt
werden.
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In
der vierten Ausführungsform,
die in 4 gezeigt ist, ist ein Nebenschlusswiderstandskreis, der
im Wesentlichen gleich den vorher beschriebenen Ausführungsformen
arbeitet, veranschaulicht mit der Ausnahme, dass nur eine einzelne
Zenerdiode über
jeder Lampenfassung parallel geschaltet ist und dass vorzugsweise
die Hälfte
der Gesamtzahl der in dem Stromkreis befindlichen Zenerdioden in
ihrer Wirkungsweise in einer ersten Richtung elektrisch leitend
ausgerichtet ist, wie durch die Glühlampen 12 bis 16 veranschaulicht
ist, während
die verbleibende Hälfte
in ihrer Wirkungsweise in der entgegengesetzten Richtung elektrisch
leitend ausgerichtet ist, wie durch die Glühlampen 17 bis 21 veranschaulicht
ist.
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Nur
zu Veranschaulichungszwecken sei angenommen, dass der in 4 (wie
in den 1 bis 3) gezeigte Stromkreis insgesamt
50 in Reihe geschaltete Glühlampen
umfasst, von denen nur 10 zu Veranschaulichungszwecken als 12 bis 21 gezeigt sind,
und dass die angelegte Betriebsspannung ungefähr 120 Volt rms Wechselstrom
aufweist, was einer Spitzenspannung von ungefähr 170 Volt Wechselstrom entspricht.
In diesem Fall empfängt
jede Lampe einen durchschnittlichen Spannungseffektivwert von ungefähr 2,4 Volt
oder ungefähr
3,4 Volt Spitzenspannung, wenn alle Lampen dieselbe Nennleistung
besitzen, was normalerweise der Fall ist. Mit einer 6,2-Volt-Zenerdiode,
die zu jeder der Lampen parallel geschaltet ist, mit den ersten
fünfundzwanzig Nebenschlusswiderständen, dargestellt
durch (22) bis (26), welche ihre jeweilige Polarität in einer
Richtung, wie gezeigt, verbunden haben, beträgt der durchschnittliche Spannungsabfall über jeder
Lampe ungefähr
120 geteilt durch 50 oder ungefähr
2,4 Volt Effektivwert oder 3,4 Volt Spitzenwert. Dies ergibt sich,
weil während
einer Hälfte
des Wechselstromzyklusses der Eingangsversorgungsspannung die ersten
fünfundzwanzig
Nebenschlusswiderstände
nach vorne ausgerichtet sind und ungefähr 0,7 bis 0,8 Volt Spitzenspannung über jedem
Nebenschlusswiderstand auftreten, was insgesamt ungefähr 17,5
bis 30 Volt Spitzenspannungsabfall über den ersten 25 Nebenschlusswiderständen ergibt.
Lampen, die in diesen besonderen Fassungen angeordnet sind, werden
jede eine Spannung von ungefähr
0,7 bis 0,8 Volt Spitzenspannung während des ersten Halbzyklusses der
Betriebsspannung empfangen, wodurch sich eine augenblickliche Neigung
zur Abnahme des Helligkeitsausstoßes ergibt. Jedoch muss die
verbleibende Spannung von ungefähr
150 bis 152,5 Volt Spitzenspannung der Wechselstromversorgung von ungefähr 170 Volt
Spitzenspannung über
den verbleibenden 25 Nebenschlusswiderständen abgebaut werden. Dies
resultiert in einer umgekehrten Vorspannung von ungefähr 6,0 bis
6,1 Volt Spitzenwert, welche über
jeder Lampe während
des ersten Halbzyklusses der Wechselstrombetriebsspannung angelegt
wird, wodurch sich eine augenblickliche Neigung der in den entsprechenden
Fassungen eingesetzten Lampen zur Zunahme des Helligkeitsausstoßes ergibt.
Während
des nächsten
Halbzyklusses, der Wechselstrombetriebsspannung wird der jeweilige Vorspannungszustand
umgekehrt, d. h. jene Lampen, die eine Vorwärtsvorspannung von ungefähr 0,7 bis
0,8 Volt Spitzenwert während
des ersten Halbzyklusses erhalten, erhalten als nächstes eine
Rückwärtsvorspannung
von 6,0 bis 6,1 Volt Spitzenwert während des zweiten Halbzyklusses
und umgekehrt für
die verbleibenden Lampen in der Kette. Daraus folgt, dass der durchschnittliche
Spannungsabfall über
jeder Lampe während
eines vollständigen
positiven und negativen Wechselstromzyklusses ungefähr bei 3,4
Volt Spitzenwert oder 6,8 Volt Spitzenwert liegt, was mit der Nennspannung
der Lampen, die in der Reihe geschalteten Kette verwendet werden, übereinstimmt.
Dies deswegen, weil die Spitzenspannung in beiden Fällen dieselbe
ist, die wirksamen Spannungen es aber nicht sind. Im Normalfall verläuft die
Wellenform sinusförmig,
während
im Zenerdioden-Nebenschlusswiderstandsfall die Wellenform des Wechselstroms
zur ersten Hälfte
Sinuswelle und zur zweiten Hälfte
eine Rechteckwelle ist. Die Sinuswellenhälfte zeigt ungefähr 6,2 Volt
(Spitzenwert), während
die verbleibende Hälfte,
die Rechteckwelle, ungefähr
0,7 Volt (Spitzenwert) zeigt. Das Ergebnis ist ein Unterschied in
Effektivspannungen, aber nicht in Spitzenwerten. Daher sind die
Spitzenspannungen im Wesentlichen dieselben, aber die Effektivspannungen
sind im Wesentlichen nicht dieselben. Solch ein Betrieb schlägt sich
in einer verkürzten
Lampenstandzeit nieder, es sei denn, die Eingangswechselstrombetriebsspannung
wird herabgesetzt oder es werden alternativ mehr Lampen zu der in
Reihe geschalteten Kette hinzugefügt. Um theoretisch mit der herkömmlichen
Wechselstromversorgungsspannung von ungefähr 120 Volt Effektivwert, was
einer Spitzenspannung von ungefähr
170 Volt entspricht, arbeiten zu können, sollten ungefähr ein Drittel
mehr Lampen zu der Kette hinzugefügt werden, um alle Lampen in
der Kette auf normalem Helligkeitsniveau leuchten zulassen.
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Im
Betrieb, wenn eine einzelne Lampe aus irgendeinem der verschiedenen,
vorstehend genannten Gründen
mit Ausnahme eines inneren Kurzschlusses ausfällt, ergibt sich ein Spannungsabfall über dem
ihr zugeordneten Zenerdioden-Nebenschlusswiderstand von ungefähr 0,7 bis
0,8 Volt Spitzenwert in der Vorwärtsrichtung
und ungefähr
6,2 Volt Spitzenwert in der Rückwärtsrichtung,
wenn 6,2-Volt-Zenerdioden als Nebenschlusswiderstände gewählt werden.
Daher erhöht
sich in einem vollständigen
Zyklus der angelegten Betriebsspannung der Absolutwert der Spannung über jener
besondere Lampenfassung schrittweise von ungefähr 0 Volt auf ungefähr 6,2 Volt
Spitzenwert, dann auf ungefähr
0,7 bis 0,8 Volt Spitzenwert, dann zurück auf ungefähr 0 Volt,
wodurch sich ungefähr
2,44 Volt Effektivwert im Durchschnitt ergeben, was im Wesentlich
der Lampennennleistung entspricht. Tatsächlich wurde in einem Labortest
herausgefunden, dass es möglich war,
49 Lampen einer 50-Lampenkette zu entfernen, und die einzig verbleibende
Lampe leuchtete immer noch mit einem geschätzten Abfall an Helligkeit
von nur ungefähr
50%.
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In
Ketten, die von 50 in Reihe geschalteten Lampen abweichen, ist es
nur notwendig, die geeignete Zenerdiodennennleistung, die als Nebenschlusswiderstand
(Shunt) angewendet wird, auszuwählen
und dann eine Hälfte
der Lampen elektrisch in einer Richtung und die verbleibende Hälfte der Lampen
in der entgegengesetzten Richtung zu schalten, ohne Bezug darauf,
welcher Nebenschlusswiderstand oder Serie von Nebenschlusswiderständen in
einer bestimmte Richtung geschaltet ist, solange nur das Gesamtverhältnis bestehen bleibt,
wie oben beschrieben. Es kann zum Beispiel aus einem Herstellungsstandpunkt
wünschenswert sein,
nur die Nebenschlusswiderstanspolaritäten abzuwechseln. Des Weiteren
können
für eine
ungerade Anzahl von Lampen in einer Kette mit fünfunddreißig Lampen die Polaritäten in zwei
Gruppen geteilt werden, und zwar in eine Gruppe mit 17 Lampen und
in eine Gruppe mit 18 Lampen.
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Ein
wirkungsvoller Einsatz dieser neuen „Flip-Flop"-Art der Energieverteilung erlaubt den praktischen
Einsatz von nur einer einzigen Zenerdiode als einzigem Schaltelement
anstelle von zwei gegensinnig geschalteten Zenerdioden, wie in 1, oder
eines bidirektionalen Siliziumkippschalters, wie in 2,
was die Herstellungskosten der Gesamtkette weiter absenkt, die am
Markt in äußerstem
Kostenwettbewerb steht, und es ist zum ersten Mal wirtschaftlich
sinnvoll, nur eine einzelne Zenerdiode einzusetzen. Von einem reinen
Herstellungskostenstandpunkt aus gesehen wird geschätzt, dass
eine einzelne Zenerdiode in großen
Mengen ungefähr
2,0 Cents kosten würde,
dass die Kosten von gegensinnig geschalteten Zenerdioden ungefähr 2,3 Cents pro
Stück betragen
würden
und dass die Kosten der bidirektionalen HS-10-Siliziumkippschalter
ungefähr 5,0
Cents betragen würden.
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Zusammengefasst
ergibt sich bei Verwendung entweder der gegensinnigen Zenerdioden
oder der „Hälfte-und-Hälfte" angeordneten Zenerdioden als
Glühfadennebenschlusswiderstände eine
sehr kleine Verringerung der Spannung, welche danach über den
verbleibenden Lampen in, der in Reihe geschalteten Kette herrscht,
wenn eine Lampe als Ergebnis eines der verschiedenen vorgenannten
Gründe
ausfällt,
während,
wenn der bidirektionale Siliziumkippschalter als Glühfadenschalter
eingesetzt wird, sich ein geringer Anstieg in der Spannung, die über den
verbleibenden Lampen in der in Reihe geschalteten Kette herrscht,
ergibt, wenn eine Lampe aus irgendeinem der vorerwähnten Gründe ausfällt. Ist
dies der Fall, können
im Wesentlichen alle der Lampen ausfallen, bevor die gesamte Kette
augenblicklich durchbrennt.
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Es
ist zu verstehen, dass die vorangehende Beschreibung bestimmter
Ausführungsformen
nur beispielhaft ist und dass es zum Beispiel für einen Durchschnittfachmann
klar ist, dass unterschiedliche Zener-Nennspannungen für unterschiedliche Lampen oder
Glühbirnen
anwendbar sind.