DE102004044001A1

DE102004044001A1 - Verfahren zur Steuerung der Energiezufuhr von einer Stromquelle an einen Stromverbraucher

Info

Publication number: DE102004044001A1
Application number: DE102004044001A
Authority: DE
Inventors: Erhard Lehmann
Original assignee: Lehmann Erhard Dipl-Ing (fh)
Current assignee: Lehmann Erhard Dipl-Ing (fh)
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-04-13
Also published as: US20080074409A1; WO2006027343A1; US8074085B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Energiezufuhr von einer Stromquelle an mindestens einen Stromverbraucher (3, 3', 3'') auf einen Sollwert im Wertebereich zwischen 0 und 100%, bei dem die Betriebszeit des Stromverbrauchers (3, 3', 3'') in Perioden aufgeteilt wird, ein von der Stromquelle abgegebener Strom innerhalb einer Periode nur während einer Einschaltdauer, die ein dem Sollwert entsprechender Anteil der Periodendauer ist, eingeschaltet wird. Die bisher übliche statische Aufteilung der Periode in gleich lange Zeitabschnitte führte insbesondere bei der Steuerung von Lichtmodulen (2) bei niedrigen Intensitäten zu einer unzureichenden Auflösung. Dieser Nachteil wird dadurch beseitigt, daß die Periodendauer in eine Anzahl von Blöcken (6) unterteilt wird, wobei jeder der Blöcke (6) zumindest ein Umschaltsegment (7) aufweist, in dem der Schaltzustand änderbar ist, und mindestens ein statisches Segment (8) aufweist, in dem der Schaltzustand nicht änderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Energiezufuhr von einer Stromquelle an mindestens einen Stromverbraucher auf einen Sollwert im Wertebereich zwischen 0 und 100%, bei dem

• die Betriebszeit des Stromverbrauchers in Perioden aufgeteilt wird,
• ein von der Stromquelle abgegebener Strom innerhalb einer Periode während einer Einschaltdauer, die ein dem Sollwert entsprechender Anteil der Periodendauer ist, eingeschaltet wird und
• der von der Stromquelle abgegebene Strom innerhalb der genannten Periode während einer Ausschaltdauer, die der Periodendauer abzüglich der Einschaltdauer entspricht, ausgeschaltet wird.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Computerprogrammprodukt zur Steuerung der Energiezufuhr von einer Stromquelle an einen Stromverbraucher.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Steuerung der Energiezufuhr von einer Stromquelle an einen Stromverbraucher bekannt. Dabei wird von einer Steuereinheit ein bestimmter Eingangswert vorgegeben. Bei heute üblichen digitalen Steuereinheiten wird eine Binärzahl als Eingangswert verwendet, z.B. eine 8-Bit-Zahl, welche eine ganzzahlige Größe zwischen 0 und 255 darstellen kann.

Bei einem "Pulsweitenmodulation" genannten Verfahren, welches beispielsweise auf der Hompage der Firma Artistic Licence (UK) Ltd, Großbritannien, beschrieben ist (vgl. www.artisticlicence.com/app%20notes/appnote011.pdf), wird die Betriebszeit des Stromverbrauchers in aufeinanderfolgende Perioden aufgeteilt. Jede Periode wird zunächst eingeschaltet und an einem vom einzustellenden Sollwert abhängigen Zeitpunkt innerhalb dieser Periode abgeschaltet.

Die Verwendung dieses Verfahrens zur Steuerung der Energiezufuhr zu Lichtquellen, insbesondere Leuchtdioden, mittels eines Mikrocontrollers ist beispielsweise aus der Druckschrift EP 1 016 062 B1 bekannt.

Die Pulsweitenmodulation wird unter Zuhilfenahme eines Zählers durchgeführt, der während jeder Periode in ganzzahligen Schritten bis zu einem Maximalwert hoch zählt, wobei das Steuersignal zu Beginn der Periode, also beim niedrigsten Zählwert, zunächst hoch eingestellt wird. Dies bedeutet, daß die Periode mit einem Einschalt-Abschnitt startet. Sobald der Zählwert dem im Register abgespeicherten Helligkeits-Sollwert entspricht, wird das Steuersignal niedrig eingestellt, wodurch der Ausschalt-Abschnitt der Periode eingeleitet wird. Bei diesem Verfahren wird während einer Periode bei jedem neuen Zählwert des Zählers, d.h. bei einer 8-Bit-Steuerung typischerweise 255 mal, geprüft, ob von dem hohen Steuersignal auf das niedrige Steuersignal umgeschaltet werden muß. Dies ist sehr aufwendig und mit einem großen Rechenaufwand für die jeweilige Programmsteuerung verbunden. Bei Verwendung des Verfahrens für die Lichtsteuerung sind sehr kurze Periodendauern im Bereich einiger Millisekunden erforderlich, um einen sichtbaren Flacker-Effekt zu vermeiden. Bei solch kurzen Periodendauern wird durch dieses Verfahren der größte Teil der während einer Periode zur Verfügung stehenden Rechenzeit durch die Prüfung, ob beim nächsten Zählwert abzuschalten ist, belegt. Für die Realisierung anderer Aufgaben steht unter Umständen keine ausreichende Rechenzeit des Mikrocontrollers mehr zur Verfügung.

Ein alternatives Verfahren, welches "Bit Angle Modulation " genannt wird, ist ebenfalls auf der Hompage der Firma Artistic Licence (UK) Ltd, Großbritannien, beschrieben (vgl. ww.artisticlicence.com/app%20notes/appnote011.pdf).

Bei diesem bekannten Verfahren wird die Periodendauer in festgelegte Blöcke unterschiedlicher Länge nach Art des Binärsystems aufgeteilt, so daß ausgehend von dem Block mit der kürzesten Länge der jeweils nächstlängere Block gegenüber dem nächstkürzeren in seiner Länge verdoppelt ist. Am Anfang jedes Blockes kann der Schaltzustand geändert werden. Innerhalb der Blöcke kann der Schaltzustand nicht geändert werden. Dabei kann jeder Block einem Bit innerhalb des binären Eingangswertes zugeordnet werden. Der längste Block wird dem höchstwertigsten Bit zugeordnet und der kürzeste Block dem Bit mit dem niedrigsten Wert. Wenn ein Bit mit einer 1 besetzt ist, wird der zugeordnete Block eingeschaltet. Durch diese Kombination von eingeschalteten bzw. ausgeschalteten Blöcken werden vorgegebene binäre Eingangswerte unmittelbar in Einschaltzeiten umgesetzt. Innerhalb jedes Blocks ändert sich der Schaltzustand nicht, so daß während der Dauer jedes Blocks durch die Steuerung keine Rechenzeit belegt wird. Die so gegenüber der Pulsweitenmodulation frei zur Verfügung stehende Rechenzeit des Mikrocontrollers steht für die Realisierung anderer Aufgaben zur Verfügung.

Sowohl bei der Pulsweitenmodulation als auch bei der "Bit Angle Modulation" läßt sich die Einschaltdauer innerhalb der Periode in proportionaler Abhängigkeit von einem binären Eingangswert steuern. Das heißt, daß eine Veränderung des Eingangswerts in ganzzahligen Inkrementen erfolgt, wobei einem Inkrement ein festgelegtes Zeitsegment zugeordnet ist. Beispielsweise werden bei einem 8-Bit-Eingangswert, der ganzzahlige Werte zwischen 0 und 255 darstellen kann, genau so viele entsprechende Einschaltdauern realisiert, wobei das Zeitsegment der Einschaltdauer für jedes ganzzahlige Inkrement des Eingangswerts 1/255 oder 0,392 % der gesamten Periode ausmacht.

Die proportionale Abbildung des Eingangswerts entspricht aber häufig nicht dem Verhältnis zwischen der zugeführten Energie und der wahrgenommenen Intensitätssteigerung. Bei Lichtquellen verläuft z.B. die wahrgenommene Intensitätssteigerung logarithmisch zu der zugeführten Energie. Das bedeutet, daß bei geringer Leuchtleistung schon eine geringe Steigerung der Energiezufuhr erhebliche Intensitätssteigerungen bewirkt. Bei hoher Leuchtleistung werden Steigerungen der Energiezufuhr dagegen weniger intensiv wahrgenommen. Gleiches gilt für Schallquellen. Wenn eine Schallquelle leise betrieben wird, führt eine geringe Steigerung der Energiezufuhr zu einer großen Zunahme der Lautstärke. In einem lauten Umfeld führt eine Steigerung der Energiezufuhr dagegen nur zu einer geringen Lautstärkezunahme.

Der Eingangswert gibt aber oft die subjektive Leistung, z.B. die subjektiv wahrgenommene Helligkeit oder Lautstärke, wieder. Häufig werden daher Tabellen eingesetzt, um die Eingangswerte über eine Exponentialfunktion abzubilden, so daß die Energiezufuhr exponentiell zunimmt und eine im wesentlichen lineare Kopplung zwischen dem Eingangswert und der subjektiv wahrgenommenen Leistung (z.B. Helligkeit) erreicht wird. Die Abbildung über eine Exponentialfunktion führt im Bereich geringer Leistungen zu sehr geringen Leistungsänderungen pro Inkrement des Eingangswertes. Häufig sind die Änderungen viel geringer als das kleinste Zeitsegment, mit dem die Einschaltdauer variiert werden kann. In diesem Fall werden verschiedenen aufeinanderfolgenden Eingangswerten die gleichen Einschaltdauern zugeordnet. Dagegen ist bei hoher Leistung die Auflösung der bekannten Verfahren zu hoch. Über die Tabelle, welche die Eingangswerte über eine Exponentialfunktion abbildet, werden bei einem Inkrement des ursprünglichen Eingangswerts direkt eine Vielzahl von möglichen Regelstufen übersprungen, so daß bei den hohen Leistungswerten pro Inkrement mehrere Zeitsegmente der Einschaltdauer zugeschaltet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Steuerung der Energiezufuhr von einer Stromquelle an einen Stromverbraucher zu schaffen, welches bei geringer Prozessorauslastung eine hohe Auflösung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Periode in eine Anzahl von Blöcken unterteilt wird, wobei jeder der Blöcke mindestens ein Umschaltsegment aufweist, in dem der Schaltzustand änderbar ist, und mindestens ein statisches Segment aufweist, in dem der Schaltzustand nicht änderbar ist.

Der Schaltzustand jedes Blocks kann nur während der Dauer des oder der Umschaltsegmente geändert werden. Nach Ablauf der für das Umschaltsegment vorgesehenen Zeit schließt sich unmittelbar das statische Segment an, während dessen Dauer der Schaltzustand nicht mehr veränderbar ist. Da während der Dauer des statischen Segments keine die Energiezufuhr steuernden Datenverarbeitungsschritte erforderlich sind, steht in diesem Zeitraum der Mikrocontroller für andere Berechnungen zur Verfügung.

Das Umschaltsegment ist vorzugsweise an dem Anfang jedes Blocks anzuordnen. Der Block kann beispielsweise für die gesamte Dauer des Umschaltsegments ausgeschaltet werden, während das anschließende statische Segment eingeschaltet wird. Denkbar ist es beispielsweise auch, den Block nur für die Dauer eines Bruchteils der für das Umschaltsegment vorgesehen Zeit auszuschalten. Innerhalb des Umschaltsegments kann die Energiezufuhr mit der Schaltgeschwindigkeit des Mikrocontrollers ein- oder ausgeschaltet werden. Diese Geschwindigkeit ist durch die Taktrate des Mikrocontrollers vorgegeben, welche bei heutigen integrierten Schaltkreisen im Megahertz- oder Gigahertz-Bereich liegt. Es können Schaltzeiten von wenigen Millionstel Sekunden realisiert werden.

Auf diese Weise lassen sich quasi-kontinuierlich für die einzelnen Blöcke Einschaltdauern realisieren, die von Null bis zur Dauer des Umschaltsegmentes reichen. Ferner ist eine Einschaltdauer realisierbar, die von der Dauer der gesamten Blocklänge hinunter bis zur Länge des statischen Segments (gesamte Blocklänge abzüglich der Dauer des Umschaltsegments) reicht. Für die realisierbaren Ausschaltzeiten gilt entsprechendes.

Die einzelnen Blöcke einer Periode können unterschiedliche Einschaltdauern aufweisen. Es können aber auch mehrere oder alle Blöcke einer Periode auf gleiche Weise geschaltet werden, so daß die Einschaltdauern einander entsprechen.

Durch Kombination von Blöcken mit gegebenenfalls unterschiedlichen Einschaltdauern können vorgegebene Sollwerte sehr genau eingestellt werden. Innerhalb der erfindungsgemäßen Umschaltsegmente kann mit einer zeitlichen Auflösung nahe der Prozessorzykluszeit ein Sollwert eingestellt werden. Mit dieser hohen Auflösung können die Umschaltsegmente aller Blöcke variiert werden und folglich mit der genannten hohen Auflösung eine Einschaltdauer innerhalb der Periode realisiert werden, die dem Produkt aus der Anzahl der Blöcke und der Länge ihrer Umschaltsegmente entspricht.

In der Praxis kann die Dauer des statischen Segments größer sein als die des Umschaltsegments, so daß für die Dauer des statischen Segments hinreichend Rechenzeit zur Verfügung steht, die für andere Steueraufgaben genutzt werden kann.

Bei einer praktischen Ausführungsform des Verfahrens weisen alle Blöcke in einer Periode die gleiche Länge auf, wobei auch sämtliche Umschaltsegmente innerhalb der Blöcke die gleiche Länge aufweisen können. Diese identische Gestaltung der einzelnen Blöcke ist steuerungstechnisch von Vorteil, weil es den Programmieraufwand für die Einstellung bestimmter Einschaltdauern in Abhängigkeit von entsprechenden Eingangswerten reduziert. Insbesondere kann der Fall eintreten, daß ein großer Wert der Einschaltdauer exakt dem Produkt eines kleinen Einschaltdauerwertes mit einer ganzen Zahl entspricht. Wenn der kleine Wert innerhalb eines Blocks realisierbar ist, kann bei identischen Blöcken der große Wert einfach durch die identische Ansteuerung einer Anzahl von Blöcken innerhalb einer Periode erreicht werden, die der genannten ganzen Zahl entspricht.

In einer praktischen Ausführungsform entspricht die Länge der Umschaltsegmente mindestens der Länge des statischen Segments geteilt durch die Anzahl der Blöcke in einer der Perioden. Die Einschaltdauer aller Umschaltsegmente zusammen entspricht somit der Länge eines statischen Segments. Falls der Sollwert eine Einschaltdauer vorgibt, die gleich oder etwas größer als die Länge eines statischen Segments ist, wird ein statisches Segment eingeschaltet und erforderlichenfalls innerhalb eines oder mehrerer Umschaltsegmente eine weitergehende Einschaltdauer realisiert. Gleiches gilt für eine Einschaltdauer, die gleich oder etwas größer als die Länge eines Vielfachen des Umschaltsegmentes ist. In diesem Fall wird das genannte Vielfache an statischen Segmenten eingeschaltet und bei Bedarf ein Anteil des oder der Umschaltsegmente zugeschaltet.

Bei einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird über mehrere Steuerkanäle die Stromzufuhr zu mehreren Stromverbrauchern gesteuert, wobei die Betriebszeit jedes Stromverbrauchers derart in Perioden, Blöcke und Umschaltsegmente eingeteilt ist, daß die Umschaltsegmente für verschiedene Kanäle zeitlich zueinander versetzt sind. So kann das Verfahren gemäß der Erfindung für verschiedene Stromverbraucher auf einem Prozessor ablaufen. Zum Beispiel können die für die jeweiligen Stromverbraucher bestimmten Perioden einen zeitlichen Versatz zueinander aufweisen, der gleich oder größer als die Länge eines Umschaltsegments ist. In diesem Fall kann der Prozessor eines Mikrocontrollers zunächst die für die Steuerung der Schaltvorgänge innerhalb des Umschaltsegments für den ersten Kanal erforderlichen Rechenschritte ausführen. Wenn dieses Umschaltsegment endet, beginnt das Umschaltsegment des zweiten Kanals und der Prozessor steht für die Steuerung der Schaltvorgänge in diesem Umschaltsegment zur Verfügung. Das Umschaltsegment für den dritten Kanal beginnt erst nach dem Ende des Umschaltsegments für den zweiten Kanal, so daß der Prozessor dessen Bearbeitung abgeschlossen hat.

Erfindungsgemäß kann eine vorgegebene Einschaltdauer, die ein dem Sollwert entsprechender Anteil der Periodendauer ist, innerhalb einer Periode aus einem oder mehreren Blöcken näherungsweise zusammengesetzt werden, die für die Dauer ihrer Gesamtlänge eingeschaltet werden, sofern die Abweichung der resultierenden Einschaltdauer von der vorgegebenen Einschaltdauer innerhalb akzeptabler Grenzen liegt. Läßt sich die vorgegebene Einschaltdauer auf diese Weise nicht mehr hinreichend genau realisieren, kann die Einschaltdauer der einzelnen Blöcke, wie oben beschrieben, verändert werden. So kann die Einschaltdauer innerhalb einer Periode auch aus einem oder mehreren Blöcken näherungsweise zusammengesetzt werden, die für die Dauer eines Teils ihrer Gesamtlänge eingeschaltet werden. Ferner können Blöcke, die für die Dauer ihrer Gesamtlänge eingeschaltet werden, mit Blöcken kombiniert werden, die für die Dauer eines Teils ihrer Gesamtlänge eingeschaltet werden. Auf diese Weise läßt sich mit hoher Auflösung eine beliebige Einschaltdauer realisieren, die nur geringfügig vom erwünschten Sollwert abweicht.

Bei einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden jedem Sollwert mehrere Stellgrößen zugeordnet, welche die Schaltzeitpunkte für jeden der Blöcke der Periode vorgeben. Der Datenverarbeitungsaufwand läßt sich dadurch reduzieren, daß möglichst viele Blöcke einer Periode auf die gleiche Weise geschaltet werden. Somit können die Stellgrößen eine einfache Angabe der Schaltzeitpunkte und eine Benennung der Blöcke, die zu diesen Schaltzeitpunkten geschaltet werden sollen, enthalten.

Mit dem vorliegenden Verfahren kann, wie bei dem Stand der Technik, eine Einschaltdauer in Inkrementen realisiert werden, wobei jedes Inkrement ein gleich langes Zeitsegment der Einschaltzeit darstellt.

Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aber möglich, mit einer höheren Auflösung als bei einer inkrementalen Steuerung die Einschaltdauer zu steuern.

Durch entsprechende Wahl der Stellgrößen können beliebige Kennlinien realisiert werden. Bekannt und üblich ist die Verwendung von linearen Kennlinien, bei denen das Verhältnis von Eingangswert-Änderung zu Intensitäts-Änderung proportional ist. Ein inkrementaler binärer Eingangswert führt dann zu einer inkrementalen Einschaltsteuerung. Insbesondere für die Ansteuerung von Lichtquellen ist eine lineare Kennlinie jedoch nicht von Vorteil, da sie nicht berücksichtigt, wie das menschliche Auge eine Intensitäts-Änderung des Lichtes empfindet. Gemäß dem Weber-Fechnerschen Gesetz fällt eine Änderung der Empfindung des menschlichen Auges auf eine externe Intensitäts-Änderung um so geringer aus, je größer die auslösende Intensität, also die Lichtintensität ist. Hieraus ergibt sich ein logarithmischer Zusammenhang zwischen der vom Auge empfundenen Intensität und der externen Lichtintensität, die durch die Energiezufuhr zur Lichtquelle bestimmt ist. Durch geeignete Wahl der Stellgrößen kann dieser Zusammenhang berücksichtigt werden, weshalb bei einer praktischen Ausführungsform des Verfahrens die Stellgrößen so gewählt werden, daß die Einschaltdauer innerhalb einer Periode in Abhängigkeit vom Eingangswert einen exponentiellen Verlauf aufweist. Eine derartige exponentielle Kennlinie berücksichtigt die oben dargelegte Eigenheit des menschlichen Auges. Im Bereich kleiner Lichtleistungen bei kleinen Eingangswerten sind nur kleine Änderungen der Einschaltdauer nötig, um beim menschlichen Auge eine merkliche Intensitäts-Änderung zu verursachen. Würde man in diesem Bereich mit einer linearen Kennlinie bei inkrementalem Eingangswert arbeiten, wäre die Änderung der Einschaltdauer bei einem Inkrement zu groß und würde für das Auge eine in bezug auf die Änderung des Eingangswerts zu starke Helligkeitszunahme bewirken. Im Bereich großer Eingangswerte verhält es sich genau umgekehrt. Hier würde man mit einer linearen Kennlinie zu fein arbeiten, da das menschliche Auge in diesem Bereich eine Intensitäts-Änderung nur dann wahrnimmt, wenn sie hinreichend groß ist.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens kann als Stromverbraucher mindestens eine Lichtquelle verwendet werden, deren Helligkeit über die Menge der in jeder Periode zugeführten Energie gesteuert wird. Zwar läßt sich die Helligkeit von Leuchtdioden auch durch Variation vorgeschalteter Widerstände steuern, jedoch ist eine derartige Steuerung vergleichsweise recht großen Schwankungen unterworfen, verbunden mit einer ungünstigen Wärmeentwicklung, insbesondere in den vorgeschalteten Widerständen.

Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt zur Steuerung der Energiezuführ von einer Stromquelle an mindestens einen Stromverbraucher auf einen Sollwert im Wertebereich zwischen 0 und 100%, das auf einem digitalen Bauelement mit einem Prozessor ablaufen kann und das Softwarecode-Abschnitte umfaßt, die innerhalb vorgegebener Perioden der Betriebszeit des Stromverbrauchers eine Einschaltdauer festlegen, die dem Sollwert entsprechender Anteil der Periodendauer ist, wobei es ferner Softwarecode-Abschnitte umfaßt, die Stellgrößen erzeugen, welche einer Anzahl gleich langer Blöcke, in die jede Periode unterteilt ist, Schaltzeitpunkte zuordnen, die jeweils innerhalb eines Umschaltsegments eines Blocks liegen, und welche der genannten Anzahl der Blöcke einen unveränderbaren Schaltzustand für mindestens ein statisches Segment innerhalb jedes der Blöcke zuordnen.

Durch dieses erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt kann das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren mittels eines Computers realisiert werden.

Weitere Ausführungsformen des Computerprogrammprodukts umfassen die zur Durchführung der weiter oben beschriebenen Verfahrensschritte erforderlichen Softwarecode-Abschnitte.

Das oben beschriebene Verfahren wird nun beispielhaft und nicht einschränkend anhand einer Vorrichtung zur Helligkeitssteuerung eines Lichtmoduls unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Die Zeichnungen zeigen in
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Lichtmoduls, welches gemäß der Erfindung gesteuert wird,
2 den Verlauf der Einschaltdauer in Abhängigkeit vom Steuerwert, und
3 schematisch den Schaltzustand innerhalb einer Periode für vier ausgewählte Punkte aus 2.
1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild eines auf einer Platine 1 angeordneten Lichtmoduls 2, welches drei Leuchtdioden 3, 3', 3'' mit drei unterschiedlichen Farben aufweist. Obwohl für jede Farbe nur eine Leuchtdiode 3, 3', 3'' dargestellt ist, kann für jede Farbe auch eine Mehrzahl von Leuchtdioden 3, 3', 3'' mit gleicher Farbe vorgesehen sein, die jeweils in einer Parallelschaltung miteinander verbunden sind.
Jede der dargestellten Leuchtdioden 3, 3', 3'' emittiert Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche. So kann die erste Leuchtdiode 3 grünes, die zweite Leuchtdiode 3' blaues und die dritte Leuchtdiode 3'' rotes Licht abstrahlen. Im Wege der additiven Farbmischung kann das Lichtmodul 2 durch Einstellung interschiedlicher Licht-Intensitäten der verschiedenen Leuchtdioden 3, 3', 3'' beliebige Farben darstellen.
In der 1 ist ferner das Massepotential sowie die Versorgungsspannung U₀ dargestellt, welche die Stromzufuhr für die drei Leuchtdioden 3,3',3'' sicherstellt. Alle Leuchtdioden 3, 3', 3'' sind mit jeweils einem Schalter 4 verbunden. Jede der Leuchtdioden 3, 3', 3'' ist unabhängig von den übrigen durch den Schalter 4 mit Strom beaufschlagbar oder von der Stromzufuhr trennbar. Der Schaltzustand des Schalters 4 wird über ein entsprechendes Steuersignal eingestellt, welches von einem digitalen Bauelement 5 stammt. Das digitale Bauelement 5 ist üblicherweise ein Mikrocontroller. Der Schalter 4 wird nach Empfang eines positiven Rechtecksignals geschlossen und bewirkt dann eine Bestromung der jeweiligen Leuchtdiode 3, 3', 3'', wobei die Versorgungsspannung U₀ auf die Anschlüsse der Leuchtdiode 3, 3', 3'' durchgeschaltet wird. Die Steuersignale werden von dem Mikrocontroller 5, der einen Prozessor 10 und einen Speicherbaustein 9 umfaßt, mittels einer auf dem Prozessor 10 ablaufenden Software erzeugt.
Zur Einstellung einer gewünschten prozentualen Einschaltdauer wird von dem auf dem Prozessor 10 ablaufenden Programm die Betriebszeit der entsprechenden Leuchtdioden 3, 3', 3'' in Perioden aufgeteilt, die in acht gleich lange Blöcke unterteilt sind. Jeder Block 3, 3', 3'' weist drei Umschaltsegmente und ein statisches Segment auf.
Der Mikrocontroller 5 empfängt von einer Steuereinheit, z.B. einem Lichtpult oder einem manuellen Regler, einen digitalen Eingangswert als 8-Bit-Zahl mit einem Wertebereich zwischen 0 und 255. Das auf dem Prozessor 10 ablaufende Programm verwendet eine Tabelle, die jedem der einzelnen Eingangswerte einen Satz Stellgrößen zuordnet, welche die gesamte Einschaltdauer innerhalb einer Periode definieren.
Der Verlauf der gesamten Einschaltdauer in bezug auf den Eingangswert ist einem exponentiellen Verlauf angenähert. Das kleinste mittels der verwendeten Computersteuerung realisierbare Zeitsegment ist mindestens so groß wie die Dauer eines Prozessorzyklus. Die Dauer des Prozessorzyklus beträgt bei der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung ca. 0,01 % der gesamten Periodendauer T. Dies erlaubt eine sehr gute Annäherung an den erwünschten exponentiellen Verlauf. Gegenüber einer Pulsweitenmodulation mit 255 gleich breiten Inkrementen bei einem 8-Bit-Eingangswert ist die Auflösung etwa um den Faktor 40 verbessert.
Zur Verteilung der einstellbaren Einschaltdauer auf die Periodendauer T sind jedem Eingangswert Stellgrößen zugeordnet, aus denen das Programm ermittelt, welche der acht Blöcke einer Periode zu welchen Zeitpunkten innerhalb des Umschaltsegments eingeschaltet bzw. ausgeschaltet werden. Die Stellgrößen enthalten z.B. aufeinanderfolgend für jeden der acht Blöcke zunächst die Information, ob das jeweilige Umschaltsegment zu Beginn eingeschaltet oder ausgeschaltet wird, und dann die jeweilige Anzahl der Prozessortakte, gezählt ab dem Anfang des jeweiligen Umschaltsegments, dessen Schaltzustand geändert werden soll. Die Prozessortakte können durch das Programm entweder durch Abfrage eines Zählregisters oder durch Ausführen bestimmter Programmschritte, wie z.B. Programmschleifen mit einer festen Taktzahl, ermittelt werden.
Durch diese erfindungsgemäßen Programmabschnitte wird eine Kennlinie bereitgestellt, bei der die Einschaltdauer in Abhängigkeit vom Eingangswert einem exponentiellen Verlauf gut angenähert ist, so daß letztlich in dem auf dem Prozessor 10 des Mikrocontrollers 5 ablaufenden Programm eine exponentielle Kennlinie abgelegt ist. Die Basis der exponentiellen Funktion ist hierbei erfindungsgemäß so gewählt, daß sich bei einer Erhöhung des Steuerwerts um 25 Schritte nahezu eine Verdopplung der Einschaltdauer ergibt. Durch eine so gewählte Basis kann die Steuerung nach Art des Binärsystems vorgenommen werden, was steuerungstechnisch sehr vorteilhaft ist.
2 zeigt den Verlauf der sich aus den oben beschriebenen Programmabschnitten ergebenden Kennlinie. Dargestellt ist die Einschaltdauer in Abhängigkeit vom Eingangswert (absolut und prozentual). Bei einem Eingangswert 0 beträgt die Einschaltdauer 0, während bei dem größten Eingangswert von 255, die Periode für die Dauer ihrer gesamten Länge eingeschaltet wird, um die größtmögliche Lichtintensität zu erzielen.
In 3 sind den Punkten A, B, C und D der Kennlinie aus 2 schematische Diagramme zugeordnet, aus denen hervorgeht, welche der acht gleich langen Blöcke 6 der Periode mit der Gesamtdauer T zur Einstellung einer vorgegebenen Einschaltdauer für eine Leuchtdiode 3, 3', 3'' eingeschaltet werden. Jeder der acht Blöcke 6 weist zu Beginn ein Umschaltsegment 7 auf, dessen Länge mindestens 1/8 der Länge eines statischen Segments 8 des Blocks 6 entspricht. Während der Dauer des Umschaltsegments 7 ist der Schaltzustand änderbar, d.h. die Stromzufuhr kann mittels des Schalters 4 ein- oder ausgeschaltet werden.
Der übrige Blockanteil besteht jeweils aus einem statischen Segment 8, während dessen Dauer der Schaltzustand nicht änderbar ist.
Innerhalb des Umschaltsegments kann mit hoher zeitlicher Auflösung, die allein durch den Prozessorzyklus beschränkt ist, umgeschaltet werden. In der Praxis kann bei den niedrigsten Eingangswerten zwischen 0 und 10 durch Verschiebung der Ausschaltzeitpunkte um einen Prozessortakt eine Veränderung der Einschaltdauer von ca. 0,01 % realisiert werden. Die Veränderung von einem Eingangswert zum nächsten nimmt exponentiell zu, so daß sie beim letzten Schritt (254 auf 255) 2,8 % beträgt. Daraus folgt bei jeder Zunahme des Eingangswertes um einen bestimmten Betrag eine entsprechende Steigerung der subjektiv wahrgenommenen Helligkeit.
Während der Dauer der dargestellten statischen Segmente 8 ist der Prozessor 10 frei für andere Aufgaben, da während des statischen Segments 8 keine Änderung des Schaltzustands erfolgen kann. Daher können auf dem Prozessor parallel drei unabhängige Steuerverfahren gemäß der Erfindung ausgeführt werden, die z.B. mehrere Steuerkanäle zur Energiesteuerung mehrerer Stromverbraucher ermöglichen. Die Blöcke 6 und die Umschaltsegmente 7 der verschiedenen Kanäle sind dabei so zueinander zeitlich zu verschieben, daß die Umschaltsegmente 7 der verschiedenen Kanäle in den statischen Segmenten 8 der jeweils anderen Kanäle liegen. Für die Ansteuerung der übrigen Leuchtdioden 3' und 3'' können daher nach dem identischen Verfahren zeitversetzte Perioden T und Blöcke 6 realisiert werden. Dabei schließt sich ein Umschaltsegment für den zweiten Kanal, d.h. für die zweite Leuchtdiode 3', unmittelbar an das Umschaltsegment für den ersten Kanal, d.h. für die erste Leuchtdiode 3, an. Auf das Umschaltsegment für die zweite Leuchtdiode 3' folgt das Umschaltsegment für die dritte Leuchtdiode 3''. Während der Dauer eines der genannten Umschaltsegmente 7 schaltet der Mikrocontroller 5 nur einen der drei Schalter 4 (vgl. 1). Für jede der Leuchtdioden 3, 3', 3'' ergibt sich eine Periodenaufteilung gemäß der Darstellung in 3.
Es ist ausreichend, daß die Länge eines Umschaltsegmentes 7 der Länge eines statischen Segments 8 geteilt durch die Anzahl der Blöcke entspricht. Jede Einschaltdauer unterhalb der Länge eines statischen Segments 8 läßt sich durch Variation der Schaltzeitpunkte innerhalb der Umschaltsegmente 7 verwirklichen, wobei alle statischen Segmente 8 ausgeschaltet sind. Für eine Einschaltdauer oberhalb der Länge eines statischen Segments 8 und unterhalb der Länge zweier statischer Segmente 8 kann ein vollständig eingeschaltetes statisches Segment 8 mit geeigneten Schaltzeitpunkten innerhalb der Umschaltsegmente 7 in den Blöcken der Periode kombiniert werden usw.
Nur während der Dauer der Umschaltsegmente 7 ist zum Ein- bzw. Ausschalten der Schalter 4 der Prozessor 10 mit den Programmschritten für die Energiesteuerung ausgelastet. Während der Dauer der statischen Segmente 7 kann nicht geschaltet werden. Die Rechenzeit des Prozessors 10 steht in dieser Zeit für andere Steuerungsaufgaben (z.B. einen anderen Steuerkanal) frei zur Verfügung.
Bei einer in der 3 dargestellten Ein-Kanal-Steuerung mit 8 Blöcken innerhalb einer Periode kann in jedem Block die Länge des Umschaltsegements 1/9 der Blocklänge und die Länge des statischen Segments 8/9 der Blocklänge betragen. Die Länge des Umschaltsegments 7 ist somit kleiner als 12 % der Blocklänge. Der Prozessor ist folglich nur während weniger als 12 % mit den Programmschritten für die Energiesteuerung eines Kanals ausgelastet. Mehr als 88 % stehen für andere Aufgaben zur Verfügung. Bei einer oben beschriebenen Dreikanal-Steuerung, bei der drei Steuerungen zeitlich hintereinander auf einem Prozessor realisiert werden, müssen etwa 33 % der Rechenzeit für die Steuerung eingesetzt werden, während über 66 % für andere Aufgaben verfügbar sind. Zur Vereinfachung der Programmierung können die Umschaltsegmente 7 auch etwas länger gewählt werden als 1/9 der Blocklänge. Hierdurch sinkt aber der Anteil der frei verfügbaren Rechenzeit.
Da während der Umschaltsegmente 7 Einschalt- bzw. Ausschaltzeiten mit einer Auflösung von ca. einem Prozessorzyklus, der vorliegend ca. 0,01 % der gesamten Periodendauer T beträgt, realisiert werden können, lassen sich durch geeignete Kombination der Schaltzeitpunkte innerhalb der Blöcke 6 vorgegebene Einschaltzeiten sehr genau einstellen. So wird beispielsweise mittels des erfindungsgemäßen Programms die Einschaltdauer des Punktes A (Eingangswert 18) der Kennlinie (vgl. 2), die 0,14 % der gesamten Periodendauer T entspricht, nur durch kurzes Anschalten und Ausschalten des Umschaltsegments 7 des ersten der acht Blöcke 6 realisiert. Zur Einstellung der Einschaltdauer des Punktes B (Steuerwert 190), die 16,49 % der gesamten Periodendauer T entspricht, wird der erste Block 6 für die Dauer seiner gesamten Länge, die 12, 5 % der Periodendauer T entspricht, eingeschaltet (durch Schraffur kenntlich gemacht). Die restliche Zeit wird auf die verbleibenden sieben Blöcke 6 gleichmäßig aufgeteilt, so daß in deren Umschaltsegmenten 7 für ein entsprechendes Zeitintervall (schraffiert dargestellt) eingeschaltet ist.
Für Punkt C (Steuerwert: 205, Einschaltdauer: 25 % der Periodendauer T) wird der erste und der fünfte Block 6 vollständig eingeschaltet. Punkt D (Steuerwert: 218, Einschaltdauer: 35,82 % der Periodendauer T) der in 2 dargestellten Kennlinie wird durch Einschalten des ersten, dritten und sechsten Blocks 6 realisiert. Da sich mit diesen drei Blöcken insgesamt eine Einschaltdauer von 37, 5 % der Periodendauer T ergibt, wird jeder der Blöcke innerhalb des Umschaltsegmentes erst nach Ablauf einer Zeitspanne eingeschaltet, die 0,56 der gesamten Periodendauer T entspricht.
Durch die erfindungsgemäßen Umschaltsegmente 7 kann eine vorgegebene Einschaltdauer sehr genau eingestellt werden, wobei die Genauigkeit nur durch die Prozessorzykluszeit des Mikrocontrollers 5 begrenzt ist. Insbesondere die sehr kleinen Änderungen der Einschaltdauer im Bereich kleiner Eingangswerte (vgl. auch die Kennlinie in 2) lassen sich so auch mit einer üblichen 8-Bit-Steuerung realisieren, während die aus dem Stand der Technik bekannten Steuerungen mit Zuschaltung fester Zeitsegmente pro Einheit des Eingangswerts zur Approximierung derartiger Kennlinien auf aufwendige 16-Bit-Steuerungen zurückgreifen müssen. Da die Einschaltdauer gemäß 2 in Abhängigkeit vom Eingangswert durch das Programm des Mikrocontrollers 5 exponentiell zunimmt, ergibt sich gemäß dem bereits oben näher erläuterten Weber-Fechnerschen Gesetz, wonach ein logarithmischer Zusammenhang zwischen der vom menschlichen Auge empfundenen Intensität und der externen Lichtintensität besteht, für das menschliche Auge eine linear empfundene Intensitätssteigerung. Zusätzliche Umsetzungsmodule mit Abbildungstabellen, welche den Eingangswert über eine Exponentialfunktion abbilden, bevor er dem Mikrocontroller 5 zugeführt wird, können entfallen.

1: Platine
2: Lichtmodul
3: Leuchtdiodenanordnung
4: Schalter
5: Digitales Bauelement, Mikrocontroller
6: Block
7: Umschaltsegment
8: Statisches Segment
9: Speicherbaustein
10: Prozessor

Claims

Verfahren zur Steuerung der Energiezufuhr von einer Stromquelle an mindestens einen Stromverbraucher (3) auf einen Sollwert im Wertebereich zwischen 0 und 100%, bei dem • die Betriebszeit des Stromverbrauchers (3) in Perioden aufgeteilt wird, • ein von der Stromquelle abgegebener Strom innerhalb einer Periode während einer Einschaltdauer, die ein dem Sollwert entsprechender Anteil der Periodendauer ist, eingeschaltet wird und • der von der Stromquelle abgegebene Strom innerhalb der genannten Periode während einer Ausschaltdauer, die der Periodendauer abzüglich der Einschaltdauer entspricht, ausgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede Periode in eine Anzahl von Blöcken (6) unterteilt wird, wobei jeder der Blöcke (6) mindestens ein Umschaltsegment (7) aufweist, in dem der Schaltzustand änderbar ist, und mindestens ein statisches Segment (8) aufweist, in dem der Schaltzustand nicht änderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des statischen Segments (8) größer ist als die des Umschaltsegments (7).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Blöcke (6) in einer Periode die gleiche Länge aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltsegmente (7) aller Blöcke (6) einer Periode die gleiche Länge aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Umschaltsegments (7) mindestens der Länge des statischen Segments geteilt durch die Anzahl der Blöcke in einer Periode entspricht.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß über mehrere Steuerkanäle die Stromzuführ zu mehreren Stromverbrauchern (3) gesteuert wird, wobei die Betriebszeit jedes Stromverbrauchers derart in Perioden, Blöcke (6) und Umschaltsegmente (7) eingeteilt ist, daß die Umschaltsegmente (7) für verschiedene Kanäle zeitlich zueinander versetzt sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltdauer innerhalb einer Periode aus einem oder mehreren Blöcken (6) näherungsweise zusammengesetzt wird, die für die Dauer ihrer Gesamtlänge eingeschaltet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltdauer innerhalb einer Periode aus einem oder mehreren Blöcken (6) näherungsweise zusammengesetzt wird, die für die Dauer eines Teils ihrer Gesamtlänge eingeschaltet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltdauer innerhalb einer Periode aus zwei oder mehreren Blöcken (6) näherungsweise zusammengesetzt wird, von denen ein Teil für die Dauer ihrer Gesamtlänge und der andere Teil für die Dauer eines Teils ihrer Gesamtlänge eingeschaltet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Sollwert mehrere Stellgrößen zugeordnet werden, welche die Schaltzeitpunkte für jeden der Blöcke der Periode vorgeben.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgrößen abhängig von einem Eingangswert derart zugeordnet werden, daß die Einschaltdauer innerhalb einer Periode, bezogen auf den Eingangswert, einen exponentiellen Verlauf aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromverbraucher (3, 3', 3'') mindestens eine Lichtquelle (3, 3', 3'') verwendet wird, deren Helligkeit über die Menge der in jeder Periode zugeführten Energie gesteuert wird.
Computerprogrammprodukt zur Steuerung der Energiezufuhr von einer Stromquelle an mindestens einen Stromverbraucher (3, 3', 3'') auf einen Sollwert im Wertebereich zwischen 0 und 100%, das auf einem digitalen Bauelement (5) mit einem Prozessor (10) ablaufen kann und das Softwarecode-Abschnitte umfaßt, die • innerhalb vorgegebener Perioden der Betriebszeit des Stromverbrauchers (3, 3', 3'') eine Einschaltdauer festlegen, die dem Sollwert entsprechender Anteil der Periodendauer ist, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner Softwarecode-Abschnitte umfaßt, die Stellgrößen erzeugen, welche einer Anzahl von Blöcken (6), in die jede Periode unterteilt ist, Schaltzeitpunkte zuordnen, die jeweils innerhalb eines Umschaltsegments (7) eines Blocks liegen, und welche der genannten Anzahl der Blöcke (6) einen unveränderbaren Schaltzustand für mindestens ein statisches Segment (8) innerhalb jedes der Blöcke (6) zuordnen.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des statischen Segments (8) größer ist als die des Umschaltsegments (7).
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß alle Blöcke (6) in einer Periode die gleiche Länge aufweisen.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltsegmente (7) aller Blöcke (6) einer Periode die gleiche Länge aufweisen.
Computerprogrammprodukt nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über mehrere Steuerkanäle die Stromzufuhr zu mehreren Stromverbrauchern (3, 3', 3'') gesteuert wird, wobei die Betriebszeit jedes Stromverbrauchers derart in Perioden, Blöcke und Umschaltsegmente (7) eingeteilt ist, daß die Umschaltsegmente (7) für verschiedene Kanäle zeitlich zueinander versetzt sind.
Computerprogrammprodukt nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Stellgrößen die Einschaltdauer innerhalb einer Periode aus einem oder mehreren Blöcken (6) näherungsweise zusammengesetzt wird, die für die Dauer ihrer Gesamtlänge eingeschaltet werden.
Computerprogrammprodukt nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß durch die Stellgrößen die Einschalt dauer innerhalb einer Periode aus einem oder mehreren Blöcken (6) näherungsweise zusammengesetzt wird, die für die Dauer eines Teils ihrer Gesamtlänge eingeschaltet werden.
Computerprogrammprodukt nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß durch die Stellgrößen die Einschaltdauer innerhalb einer Periode aus zwei oder mehreren Blöcken (6) näherungsweise zusammengesetzt wird, von denen ein Teil für die Dauer ihrer Gesamtlänge und der andere Teil für die Dauer eines Teils ihrer Gesamtlänge eingeschaltet wird.
Computerprogrammprodukt nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgrößen in Abhängigkeit von einem Eingangswert derart zugeordnet werden, daß die Einschaltdauer innerhalb einer Periode einen exponentiellen Verlauf in bezug auf den Eingangswert aufweist.
Computerprogrammprodukt nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltdauer der Stromzufuhr zu mindestens einer Lichtquelle (3, 3', 3'') gesteuert wird.
Mikrocontroller (5) für die Steuerung der Energiezufuhr von einer Stromquelle an mindestens einen Stromverbraucher (3, 3', 3''), mit mindestens einem Prozessor (10), dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Prozessor (10) ein Computerprogrammprodukt nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 22 abläuft.
Lichtmodul mit einem Mikrocontroller (5) nach Anspruch 23 zur Steuerung der Energiezufuhr von einer Stromquelle an mindestens eine Lichtquelle (3, 3', 3'').
Lichtmodul nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3, 3', 3'') eine Leuchtdiode (3, 3', 3'') ist.