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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Vorschaltgerät, ein Beleuchtungssystem
aus diesem Vorschaltgerät
und einem zugehörigen
Steuergerät
sowie ein Betriebsverfahren für
das Vorschaltgerät
und das Beleuchtungssystem. Konkret geht es dabei um die interne
oder externe digitale Steuerung von Dimmvorgängen eines von dem Vorschaltgerät betriebenen
Licht erzeugenden Elements.
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Es
ist an sich bekannt, mit Hilfe elektronischer Vorschaltgeräte für Licht
erzeugende Elemente, also Lampen verschiedenster Art, aber auch
LEDs und andere Licht erzeugende elektronische Bauelemente, Dimmvorgänge, d.
h. mehr oder weniger kontinuierliche zeitliche Veränderungen
der Lichtleistung, durchzuführen.
Dies gilt zum einen beispielsweise für den Betrieb von Niedervolt-Halogenglühlampen
mit elektronischen Transformatoren, andererseits auch für Niederdruckentladungslampen,
insbesondere Energiesparlampen und für andere Anwendungsfälle.
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Es
ist ferner an sich bekannt, elektronische Vorschaltgeräte, die
Bestandteil von Beleuchtungsanlagen sind, mit digitalen Steuersignalen
anzusteuern. In jüngster
Zeit ist dabei vor allem ein unter dem Namen "DALI" (Digital
Adressable Lighting Interface) zusammengefasstes System bekannt
geworden, in dem die Vorschaltgeräte nicht etwa durch Schalten oder
Beeinflussen der Versorgung, sondern durch davon unabhängige digitale
Steuersignale geschaltet und gedimmt werden können.
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Darstellung
der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein verbessertes
Vorschaltgerät
und ein entsprechendes Beleuchtungssystem sowie ein Betriebsverfahren
anzugeben, die für
eine digitale Steuerung von Dimmvorgängen ausgelegt sind.
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Die
Erfindung richtet sich zum einen auf ein elektronisches Vorschaltgerät für ein Licht
erzeugendes Element mit einer Dimmeinrichtung zum Dimmen des Licht
erzeugendes Elements, bei dem der Dimmvorgang durch eine zeitliche
Veränderung
von digitalen Sollwerten erfolgen kann, gekennzeichnet durch eine
Tiefpassfiltereinrichtung zum Tiefpassfiltern der zeitlichen Veränderung
der Sollwerte und Glättung zeitlicher
Stufen infolge der digitalen Darstellung der Sollwerte,
und
auf ein Beleuchtungssystem aus diesem Vorschaltgerät und einem
Steuergerät
zur digitalen Steuerung des Vorschaltgeräts, welches Steuergerät dazu ausgelegt
ist, die externen digitalen Signale auszugeben,
sowie auf entsprechende
Betriebsverfahren.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Die
Grundidee der Erfindung beruht auf der Beobachtung, dass aufgrund
der, insbesondere im Rahmen des DALI-Systems, begrenzten Auflösung der
digitalen Steuerung für
Dimmvorgänge
letztlich ein zeitlich gestufter Verlauf von Sollwerten vorgegeben
wird. Zum einen betrifft dies den Fall einer externen Vorgabe der
Sollwerte durch externe Steuersignale. Dabei kann es als störend empfunden
werden, dass das entsprechend angesteuerte Vorschaltgerät dieser
Sollwertvorgabe ebenfalls zeitlich gestuft folgt.
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Zum
anderen bezieht sich die Erfindung jedoch auch auf eine interne
Erzeugung der digitalen Sollwerte, entweder infolge einer externen
Vorgabe anderer Daten zu einem Dimmvorgang oder auch bei Vorschaltgeräten, die
einzeln verwendet werden und nicht in einem Beleuchtungssystem integriert
sind. Dann wird das Vorschaltgerät
selbst etwa durch Tastenbetätigung,
entsprechende Netzstromunterbrechungen oder Ähnliches vom Bediener gesteuert. Das
Vorschaltgerät
erzeugt intern ebenfalls digitale Sollwerte für Dimmvorgänge, woraus die gleiche Problematik
entsteht.
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Die
Erfinder schlagen daher vor, in dem Vorschaltgerät eine Tiefpassfilterung zur
Glättung
des zeitlichen Sollwertverlaufs durchzuführen. Damit kann die von analog
gesteuerten Dimmvorgängen gewohnte
kontinuierliche zeitliche Entwicklung gewährleistet werden. Andererseits
stellt eine geeignete Auslegung der Filtercharakteristik sicher,
dass trotzdem im Wesentlichen der gewünschte Zeitverlauf eingehalten
wird, also keine wesentliche Veränderung
der gesamten Dimmzeitdauer eintritt. Im Einzelfall kann bei der
Auslegung darauf Rücksicht
genommen werden, ob ein schnelles Ansprechen bei gewünschten
Lichtsprüngen
oder eine optimale Glättung
bei langsamen Dimmvorgängen
im Vordergrund steht.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Tiefpassfiltereinrichtung
steuerbar, so dass diese Anpassung in dem Vorschaltgerät nicht fest
vorgegeben ist, sondern verändert
werden kann. Dies kann insbesondere dadurch geschehen, dass das
Vorschaltgerät
dazu ausgelegt ist, die Geschwindigkeit der zeitlichen Veränderung
zu erfassen und die Filtercharakteristik entsprechend selbsttätig einzustellen.
Es können
also vorher günstige
Kompromisse für
jeweilige Geschwindigkeiten des Dimmvorgangs vorgegeben werden,
woraufhin das Vorschaltgerät
für die
entsprechenden Dimmvorgänge
die zeitlich passende Filtercharakteristik auswählt. Selbstverständlich kann
dabei auch in einer "Klassenunterteilung" gearbeitet werden,
so dass also nicht für
jeden denkbaren zeitlichen Verlauf eine eigens angepasste Filtercharakteristik
ausgewählt
wird, sondern die zeitlichen Verläufe zu bestimmten Gruppen zusammengefasst
entsprechenden Filtercharakteristiken zugeordnet werden.
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Die
Tiefpassfiltereinrichtung kann analog ausgeführt sein und dabei beispielsweise
durch Umschalten von Widerständen
oder Kondensatoren verschiedene Filtercharakteristiken erhalten.
Es kann auch ein gesteuerter Widerstand, beispielsweise ein Feldeffekttransistor,
als variabler Widerstand genutzt werden.
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Bevorzugt
ist im Rahmen der Erfindung jedoch eine digitalelektronische Realisierung
der Filtereinrichtung, und zwar insbesondere als Rechenalgorithmus
in einer programmierbaren Schaltung, etwa einem Mikrocontroller.
Natürlich
kann auch eine digitalelektronische Realisierung in "Hardware", etwa als ASIC,
erfolgen. Als Betriebsalgorithmus für die digitalelektronische
Tiefpassfilterung kommt insbesondere ein sog. rekursiver Tiefpass,
der dem Fachmann aus der Literatur bekannt ist, in Betracht. Es
wird beispielhaft verwiesen auf das Buch "Signalverarbeitung" von Elmar Schrüfer, Hanser-Verlag, Wien, 1990.
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Die
bereits erwähnte
Erfassung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs des Dimmvorgangs
kann beispielsweise über
ein Differenzierglied erfolgen, das wiederum analogtechnisch, aber
auch, und zwar bevorzugt, digitalelektronisch realisiert sein kann.
Wiederum kommt vorzugsweise eine Realisierung als Rechenalgorithmus
in einem Mikrocontroller in Betracht.
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Bei
einer externen Steuerung besteht eine günstige Alternative zur Erfassung über ein
Differenzierglied, insbesondere im Rahmen des DALI-Systems, darin,
die Geschwindigkeit des kommenden Dimmvorgangs bereits in dem externen
digitalen Signal anzugeben, mit diesem also bereits die benötigte Information über den
zeitlichen Verlauf zu übertragen,
wenn bzw. bevor der eigentliche Dimmvorgang beginnt. Dann kann das
Vorschaltgerät
die zuge hörige
Filtercharakteristik entweder über
einen Rechenalgorithmus oder auch durch Aufsuchen der entsprechenden
Werte in einer Look-Up-Tabelle ermitteln.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die
dabei offenbarten Merkmale können
auch in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Die vorstehende
und die nachfolgende Beschreibung beziehen sich jeweils sowohl auf
die Vorrichtungskategorie als auch auf die Verfahrenskategorie der
Erfindung, ohne dass dies im Einzelnen noch explizit erwähnt wird.
Die Merkmale sind also sowohl für
das Vorschaltgerät
als auch für
das Beleuchtungssystem und schließlich auch für das Betriebsverfahren
von Bedeutung.
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1 zeigt
eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems.
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2 zeigt verschiedene Zeitverlaufsdiagramme
von Dimmvorgängen
zur Erläuterung
des Verfahrens gemäß 3.
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3 zeigt
eine Prinzipdarstellung zu dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Bevorzugte
Ausführung
der Erfindung
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem
in stark schematischer Darstellung. Ein Steuergerät SG gibt über Signalleitungen digitale
Steuersignale an drei elektronische Vorschaltgeräte EVG1, EVG2 und EVG3. Diese
stehen stellvertretend für
eine größere Beleuchtungsanlage und
steuern eine jeweilige Lampe L1, L2 bzw. L3 an. Die Vorschaltgeräte EVG1–EVG3, sind
dazu ausgelegt, ansprechend auf digitale Steuersignale des Steuergeräts SG eine
Dimmfunktion, d. h. eine kontinuierliche Erhöhung oder Erniedrigung der
Lampenleistung der betreffenden Lampe L1, L2 oder L3 durchzuführen.
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2 zeigt in dem oberen, mit a) bezifferten Diagramm
einen typischen gestuften Zeitverlauf der als relativer Lichtstrom
(vertikale Achse) ausgedrückten
Sollwertvorgaben während
eines Dimmvorgangs. Die gerade Linie zwischen dem horizontalen Startwertniveau
und horizontalen Endwertniveau entspricht dabei einem gewünschten
kontinuierlichen Verlauf des Dimmvorgangs, während die gestufte Linie die
endliche Auflösung
der digitalen Sollwertvorgaben symbolisiert.
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Das
Teildiagramm b) zeigt bei einem im Vergleich zu dem Diagramm a)
in Bezug auf die Sollwertvorgaben relativ schnellen Dimmvorgang
die entsprechenden gestuften Übergänge. Die
zwischen dem Startwert und dem Endwert rund durchgezogene Kurve
entspricht dabei einer erfindungsgemäßen Glättung dieser gestuften Sollwertvorgabe
durch eine Tiefpassfilterung. Man erkennt jedoch, dass durch die
Glättung
insgesamt eine erhebliche Verlängerung des
Dimmvorgangs auf mehr als die doppelte zeitliche Ausdehnung erfolgt
ist.
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Teildiagramm
c) zeigt einen relativ langsameren Dimmvorgang mit einer Glättung, die
aber hier infolge einer zu kurzen Zeitkonstante der Tiefpassfilterung
die Stufigkeit nicht völlig
behebt. Zwar wird der Dimmvorgang durch die Glättung gemäß Teildiagramm c) visuell als
deutlich kontinuierlicher wahrgenommen werden, ist jedoch noch verbesserungsfähig.
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Die
Teildiagramme d) und e) wiederum zeigen die Sollwertvorgabe gemäß dem schnellen Dimmvorgang
aus Teildiagramm b) bzw. gemäß dem langsamen
Dimmvorgang aus Teildiagramm c) mit jeweils angepassten Tiefpassfilterungen.
So wurde für das
Teildiagramm d) eine relativ kurze Zeitkonstante gewählt, um
die deutliche Verlängerung
des Dimmvorgangs gemäß Teildiagramm
b) zu vermeiden, dabei aber die Stufigkeit der Sollwertvorgabe vollständig auszufiltern.
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Komplementär dazu zeigt
Teildiagramm e) eine Verlängerung
der Zeitkonstante der Tiefpassfilterung gegenüber Teildiagramm c) und damit
ebenfalls eine vollständige
Ausfilterung der Stufigkeit bei im Vergleich zu Teildiagramm c)
nicht erheblich erhöhter
Dauer des Dimmvorgangs.
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2 verdeutlicht also insgesamt, dass mit der
Erfindung zumindest eine Verbesserung des visuellen Erscheinungsbildes
von mit digitalen Sollwertvorgaben durchgeführten Dimmvorgängen möglich ist.
Bei entsprechender Optimierung der Tiefpassfiltercharakteristik
lassen sich gute Kompromisse zwischen optimaler Stufenausfilterung
einerseits und nicht zu starker zeitlicher Ausdehnung des Dimmvorgangs
andererseits erzielen.
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Bei
einer Variante der Erfindung gibt das Steuergerät SG aus 1 bereits
die in 2 dargestellten digitalen Sollwerte
in Form eines digitalen Steuersignals an die Vorschaltgeräte EVG1–3 aus. Dabei
wird also in dem jeweiligen Vorschaltgerät eine externe gestufte Sollwertvorgabe
entsprechend 2 geglättet. Innerhalb
des DALI-Systems wird mit einer 8 Bit-Darstellung gearbeitet, so
dass durch die Glättung
eine effektive Erhöhung
der Bit-Auflösung in
dem visuell sichtbaren Dimmvorgang erzielt wird.
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Die
Sollwertvorgaben entsprechen dabei digitalen Codes, die durch eine
in dem jeweiligen Vorschaltgerät
abgespeicherte Look-Up-Tabelle entsprechenden Lampenbetriebsdaten
zugeordnet sind. Diese Zuordnung erfolgt so, dass die nichtlineare Empfindlichkeit
des menschlichen Auges für
Helligkeit kompensiert wird, eine konsekutive Folge von benachbarten
Sollwertcodes also letztlich keine im physikalischen Sinn lineare
zeitliche Lichtstromentwicklung erzeugt. Die Lichtstromentwicklung
ist vielmehr tatsächlich
exponentiell, und zwar in solcher Weise, dass für das Auge ein linearer Sinneseindruck entsteht.
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Statt
einer Übertragung
von Sollwertvorgaben in Form der digitalen Steuersignale kann aber auch
eine Übertragung
von anderen Daten zu dem Dimmvorgang erfolgen. Beispielsweise kann
bei einem anderen Ausführungsbei spiel
das Steuergerät SG
gemäß 1 an
die Vorschaltgeräte
EVG1–3
digitale Steuersignale übertragen,
die einen Endwert des Dimmvorgangs und eine Angabe zur Geschwindigkeit,
etwa auch in Form der Gesamtdauer des Dimmvorgangs, enthalten. Dann
werden die in 2 dargestellten digitalen
Sollwerte in dem EVG selbst erzeugt. Diese werden dann im Rahmen
des Ausführungsbeispiels
innerhalb des selben 8 Bit-Systems erzeugt, das für die DALI-Steuersignale
verwendet wird. Es folgt ferner eine Zuordnung zu Lampenbetriebsparametern über die
erwähnte
Look-Up-Tabelle.
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Eine
Beibehaltung des DALI-8-Bit-Systems innerhalb des Vorschaltgeräts hat auch
den Vorteil, dass beispielsweise bei aus bestimmten Gründen nicht
zu Ende geführten
und abgebrochenen Dimmvorgängen
eine Rückmeldung
des Vorschaltgeräts an
das Steuergerät
in besonders einfacher Weise erfolgen kann. Ferner kann die bereits
erwähnte Look-Up-Tabelle
für die
Zuordnung der Sollwertcodes zu den Lampenbetriebsparametern verwendet werden,
ohne diese für
ein vorschaltgerätinternes System
mit höherer
digitaler Auflösung
neu zu erstellen.
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3 verdeutlicht
eine einfache Variante einer Glättung.
Die gezeichneten Elemente entsprechen dabei Funktionsblöcken einer
Mikrocontrollerprogrammierung. Dabei wird der von links in das Vorschaltgerät einlaufende
Sollwert in dem Vorschaltgerät
einerseits einem Tiefpassfilter TP zugeführt und andererseits einem
mit GE bezeichneten Element, das die Dimmgeschwindigkeit ermittelt.
Es handelt sich bei diesem Ausführungsbeispiel
dabei um einen Algorithmusteil, der aus einem digitalen Signal am Beginn
des Dimmvorgangs die Geschwindigkeit des kommenden Dimmvorgangs
ausliest. Hier enthält also
das digitale Steuersignal bereits die notwendige Information. Dementsprechend
wird ein die Dimmgeschwindigkeit darstellender Wert ausgegeben und zur
Einstellung der Filtercharakteristik des Tiefpassfilters TP verwendet.
Die Sollwertvorgaben können dementsprechend
geglättet
werden.
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Alternativ
dazu könnte
in 3 das Element GE auch ein Differenzierglied darstellen
und durch Ermittlung der 1. Ableitung einen Rückschluss auf die Dimmgeschwindigkeit
zulassen. Das Differenzierglied liefert so lange ein Signal im eigentlichen
Sinn einer Differenzierung, wie die Abtastrate und die Rechnungsrate
des digitalen Algorithmus langsamer als der Stufenabstand des Sollwertsignals
sind. Allerdings kann der Begriff des Differenziergliedes auch erweitert
werden auf eine Ermittlung der Geschwindigkeit aus der Höhe der Stufen
und dem zeitlichen Abstand der Stufen. Die Stufenhöhe muss
dabei nicht immer gleich sein. Da auch die Verstellung des Tiefpassfilters
TP bei diesem Ausführungsbeispiel nur
zu diskreten Zeiten erfolgt, ergeben sich aus der diskontinuierlichen
Geschwindigkeitsermittlung keine Schwierigkeiten.
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Die
Zuordnung der Zeitkonstanten zu den Dimmgeschwindigkeiten innerhalb
des Tiefpassfilters TP kann durch einen einfachen Rechenalgorithmus
erfolgen, beispielsweise eine Kehrwertbildung und Multiplikation
mit einer Konstanten. Bevorzugt ist hier jedoch die Verwendung eine
Look-Up-Tabelle, also die feste Vorgabe von Daten zur Zeitkonstanten der
Tiefpassfilterung zu entsprechenden Dimmgeschwindigkeiten.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel lässt sich 3 aber
auch wie folgt erläutern:
Der eingezeichnete Sollwert wird nach einer durch externe Steuersignale
gegebenen Definition des Dimmvorgangs beispielsweise über die
Dimmgeschwindigkeit und den Endwert von dem Vorschaltgerät selbst erzeugt.
Dies wurde bereits im Hinblick auf 1 erläutert.
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Darüber hinaus
bezieht sich die Erfindung jedoch auch auf einzelne Vorschaltgeräte ohne
externe Steuerung. In diesem Sinn lässt sich 3 als
weiteres Ausführungsbeispiel
wie folgt erklären:
Der Sollwert wird von dem Vorschaltgerät selbst erzeugt, nachdem durch
eine Bedienung, etwa durch eine Netzunterbrechung für eine bestimmte
Zeit oder durch einen Tastendruck für eine bestimmte Zeit ein entsprechender
Befehl in das Vorschaltgerät
selbst durch die Bedienungsperson eingegeben wurde. Hier ist es
im Sin ne einer möglichst
weitgehenden Kompatibilität
solcher Vorschaltgeräte
mit für
DALI-Beleuchtungsanlagen ausgelegten Vorschaltgeräten bzw.
Identität
der Vorschaltgeräte
im Rahmen einer weitgehenden Standardisierung zur Kosteneinsparung
erwünscht,
bei dem erwähnten
8 Bit-Code aus der DALI-Steuerung
zu bleiben. Dabei kann insbesondere die bereits erwähnte Look-Up-Tabelle weiterhin
verwendet werden.