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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Ansteuerung einer Beleuchtungskomponente sowie ein Leuchtsystem mit einer entsprechenden Schaltung.
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Fading bezeichnet einen weichen Übergang zwischen unterschiedlichen Beleuchtungsniveaus. Ein solcher Übergang wird z.B. bei Komfort-Lichtsteuerungen für Kino oder Theater oder für Tageslicht-Simulationen bspw. im Rahmen der Tieraufzucht oder Aquaristik benötigt. Eine wichtige Anforderung an eine derartige Lichtsteuerung ist neben der langsamen Lichtänderung ein als linear empfundener Verlauf der Lichtänderung. Aufgrund des Weber-Fechner-Gesetzes, das besagt, dass sich die subjektiv empfundene Stärke von Sinneseindrücken proportional zum Logarithmus der objektiven Intensität des physikalischen Reizes verhält, sowie dem weitgehend linearen Verlauf der Kennlinie analoger 1–10V-Steuerungen wird deshalb ein exponentielles Verhalten einer Fading-Steuerung benötigt.
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Derartige Steuerungen werden bislang nur aufwendig digital, z.B. mittels einer DALI-Steuerung realisiert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine effiziente Lösung für eine Komfort-Lichtsteuerung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung zur Ansteuerung einer Beleuchtungskomponente angegeben,
- – bei der eine Steuerspannung zur Ansteuerung der Beleuchtungskomponente an einem Kondensator abgreifbar ist,
- – wobei der Kondensator über einen Ladestrom aufladbar ist, der proportional zu der Spannung an dem Kondensator ist.
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Die vorliegende Lösung ermöglicht die Realisierung einer Fading-Funktionalität für eine Lichtsteuerung mit geringem Aufwand.
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Eine Weiterbildung ist es, dass der Kondensator mit einem im Wesentlichen exponentiell verlaufenden Spannungsverlauf an dem Kondensator aufladbar ist.
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Eine andere Weiterbildung ist es, dass
- – der Kondensator über einen ersten Stromspiegel aufladbar ist,
- – der Kondensator über einen zweiten Stromspiegel entladbar ist,
- – wobei der erste Stromspiegel und der zweite Stromspiegel gekoppelt sind und der erste Stromspiegel über diese Kopplung einen Koppelstrom bereitstellt, der proportional zu einem Entladestrom des Kondensators ist und
- – wobei der erste Stromspiegel einen Ladestrom erzeugt, der proportional zu dem Koppelstrom ist.
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Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass zwischen dem ersten Stromspiegel und dem Kondensator ein hochohmiger Widerstand angeordnet ist.
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Durch diesen Widerstand kann ein gewisser Startstrom bereitgestellt werden, der ein Wiederaufladen des Kondensators sicherstellt.
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Auch ist es eine Weiterbildung, dass der erste Stromspiegel über eine Diode mit dem Kondensator verbunden ist, wobei die Kathode der Diode in Richtung des Kondensators weist.
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Ferner ist es eine Weiterbildung, dass der zweite Stromspiegel über einen Widerstand mit dem Kondensator verbunden ist.
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Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung ist mittels des Widerstands und des Kondensators eine Fadingzeit der Schaltung einstellbar.
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Die Fadingzeit entspricht insbesondere einer Zeitdauer für den exponentiellen Lade- bzw. Entladevorgang des Kondensators.
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Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der Widerstand als veränderbarer Widerstand ausgeführt ist.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass ein Dimmbereich mittels einer Eingangsspannung vorgebbar ist, wobei die Eingangsspannung an den ersten Stromspiegel anlegbar ist.
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Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass die Beleuchtungskomponente mindestens ein Betriebsgerät für mindestens eine Lampe ist.
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Das Betriebsgerät wird auch als Vorschaltgerät bezeichnet. Insbesondere kann es sich um ein Betriebsgerät für mindestens eine Gasentladungslampe und/oder mindestens eine Leuchtstofflampe handeln. Ergänzend sei angemerkt, dass auch andere Lampen mittels entsprechender Betriebsgeräte angesteuert werden können.
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Vorzugsweise hat das Betriebsgerät einen Eingang anhand dessen eine Dimmung einstellbar ist. Dieser Eingang kann mittels der hier erläuterten Schaltung angesteuert werden.
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Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass mittels der Schaltung ein 1–10 Volt-Steuersignal für das Betriebsgerät bereitstellbar ist.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Leuchtsystem umfassend die hier erläuterte Schaltung.
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Bei dem Leuchtsystem kann es sich um eine Beleuchtungseinheit, Lampe, Leuchte oder Kombination aus den vorstehenden Einheiten handeln.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine beispielhafte schematische Schaltungsanordnung anhand derer abhängig von einem Eingangssignal eine subjektiv als gleichmäßig empfundene Lichtänderung mittels eines Ausgangssignals erreicht werden kann, wobei das Ausgangssignal beispielsweise an einen 1–10-Volt Steuereingang eines elektronischen Betriebsgeräts für eine Lampe angelegt werden kann;
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2 die hier beschriebenen Signalverläufe Eingangssignal an der Schaltung, exponentieller Verlauf der Spannung an dem Kondensator und linearer Verlauf eines wahrgenommenen Helligkeitseindrucks;
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3 eine beispielhafte Schaltung einer Tageslichtschaltung für eine Beleuchtung z.B. eines Aquariums.
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Ein exponentieller Verlauf der Steuerspannung wird anhand eines Kondensators abgegriffen, der über einen Widerstand entladen wird, weil der Entladestrom proportional zur Spannung des Kondensators ist. Ziel ist es, auch die Aufladung des Kondensators exponentiell zu gestalten, ihn also mit einem Strom zu laden, der proportional zu der Kondensatorspannung ist.
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Wie eingangs ausgeführt, besteht die Aufgabe darin, eine effiziente Lichtsteuerung anzugeben, anhand derer ein weicher Übergang zwischen Beleuchtungsniveaus ("Fading") erreicht werden kann.
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Eine Anforderung an eine derartige Lichtsteuerung besteht neben der langsamen Lichtänderung in einem als linear empfundenen Verlauf der Lichtänderung. Basierend auf dem Weber-Fechner-Gesetz, demgemäß sich die subjektiv empfundene Stärke von Sinneseindrücken proportional zum Logarithmus der objektiven Intensität des physikalischen Reizes verhält, und aufgrund des weitgehend linearen Verlaufs der Kennlinie analoger 1–10V-Steuerungen ist hierfür ein exponentielles Verhalten der Fading-Steuerung erforderlich.
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Die Helligkeit einer Lampe (oder mehrerer Lampen, einer Leuchte, eines Leuchtmoduls oder eines Leuchtsystems) kann entsprechend der gewünschten exponentiellen Kurve abgesenkt werden, indem eine Steuerspannung für die 1–10V-Steuerung erzeugt wird, die der normalen Entladekurve eines Kondensators folgt.
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1 zeigt eine beispielhafte schematische Schaltungsanordnung, anhand derer abhängig von einem Eingangssignal Vin eine subjektiv als gleichmäßig empfundene Lichtänderung mittels eines Ausgangssignals Vout erreicht werden kann. Das Ausgangssignal Vout kann beispielsweise an einen 1–10-Volt Steuereingang eines elektronischen Betriebsgeräts für eine Lampe angelegt werden.
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Das Eingangssignal Vin liegt über einen Widerstand R3 an dem Emitter eines pnp-Transistors Q3 an, dessen Kollektor mit dem Kollektor eines npn-Transistors Q2 und mit der Basis des Transistors Q3 verbunden ist. Die Basis des Transistors Q3 ist weiterhin mit der Basis eines pnp-Transistors Q4 verbunden. Das Eingangssignal Vin liegt über einen Widerstand R4 an dem Emitter des Transistors Q4 an, der Kollektor des Transistors Q4 ist über eine Diode D mit einem Knoten 101 verbunden, wobei die Kathode der Diode D in Richtung des Knotens 101 zeigt. An dem Knoten 101 kann das Ausgangssignal Vout abgegriffen werden. Ferner ist das Eingangssignal über einen Widerstand R5 mit dem Knoten 101 verbunden.
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Der Emitter des Transistors Q2 ist über einen Widerstand R2 mit Masse-Potential verbunden. Die Basis des Transistors Q2 ist mit der Basis und dem Kollektor eines npn-Transistors Q1 verbunden. Der Emitter des Transistors Q1 ist über einen Widerstand R1 mit dem Masse-Potential verbunden. Der Kollektor des Transistors Q1 ist über einen Widerstand R mit dem Knoten 101 verbunden. Ferner ist der Knoten 101 über einen Kondensator C mit dem Masse-Potential verbunden.
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Die beiden Transistoren Q1 und Q2 sind in Form eines Stromspiegels miteinander verschaltet. Auch die beiden Transistoren Q3 und Q4 stellen einen Stromspiegel dar.
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Solange kein Eingangssignal Vin anliegt, wird der Kondensator C durch den Widerstand R entladen. Dabei fließt ein Strom I1, der in etwa proportional zu einer Spannung an dem Kondensator C ist.
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Damit die Helligkeit auch entsprechend der gewünschten exponentiellen Kennlinie angehoben werden kann und die Fadingzeit für ein solches Anheben gleich der Fadingzeit für ein Absenken des Lichts ist, soll, solange das Eingangssignal Vin = 12V anliegt, ein Ladestrom I3 erzeugt werden, der in etwa doppelt so groß wie der Entladestrom I1 ist. Der Strom durch den Kondensator C beträgt in diesem Fall I3 – I1 = I1 und ist damit wieder proportional zu seiner Spannung.
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Der Stromspiegel Q1, Q2 erzeugt dazu einen Strom I2, der proportional zu dem Entladestrom I1 ist. Der Stromspiegel Q3, Q4 erzeugt dann den Ladestrom I3, der seinerseits proportional zu dem Strom I2 ist. Das gewünschte Verhältnis I3/I1 = 2 wird erreicht, indem die Widerstände entsprechend der Beziehung R1 / R2· R3 / R4 = 2 dimensioniert werden.
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Wenn der Kondensator C komplett entladen ist, fließt kein Entladestrom I1 mehr und damit kann auch kein Ladestrom I3 erzeugt werden. Dieses Problem löst der Widerstand R5, der einen gewissen Startstrom liefert. Da dieser Startstrom die exponentielle Ladekurve verzerrt, wird der Widerstand R5 vorzugsweise möglichst hochohmig dimensioniert.
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Die Diode D verhindert eine ungewollte Entladung des Kondensators C durch die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren Q3 und Q4. Der Widerstand R5 kann auf beiden Seiten der Diode D angeschlossen werden.
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Wenn große Fadingzeiten mit einer kleinen Kapazität des Kondensators C erreicht werden sollen, sind kleine Ströme auszuwerten. In diesem Fall ist es von Vorteil, dass diese Auswertung durch Stromspiegel erfolgt, weil dadurch die Temperatur- und Toleranzempfindlichkeit der Schaltung minimiert wird. Vorzugsweise werden Doppeltransistoren verwendet, bei denen der gesamte Stromspiegel auf einem einzelnen Chip untergebracht ist.
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Die Fadingzeit wird durch die Auswahl des Widerstands R und des Kondensators C festgelegt. Die Fadingzeit kann einstellbar ausgeführt sein, indem z.B. der Widerstand R als Potentiometer ausgeführt ist.
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Weiterhin können beispielsweise durch eine Dimensionierung der Widerstände R1 bis R4 derart, dass die folgende Beziehung gilt R1 / R2· R3 / R4 ≠ 2 unterschiedliche Fadingzeiten für Anheben und Absenken realisiert werden.
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Solange das Eingangssignal Vin in Höhe von ca. 12V anliegt, steigt die Ausgangsspannung Vout exponentiell, um schließlich ihren Maximalwert von ca. 10V zu erreichen. Sobald das Eingangssignal Vin nicht mehr anliegt, sinkt Vout exponentiell bis etwa 0V ab. Der subjektiv empfundene Helligkeitseindruck log Φ ergibt dabei die gewünschte lineare Änderung.
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Falls nicht der volle Dimmbereich durchlaufen werden soll, kann dies durch einen engeren Bereich der Eingangsspannung Vin erreicht werden.
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2 veranschaulicht die hier beschriebenen Signalverläufe. Ein Signalverlauf 201 veranschaulicht eine beispielhafte Eingangsspannung Vin. Zu einem Zeitpunkt t1 wird die Eingangsspannung Vin von 0 Volt auf 12 Volt umgeschaltet, die Spannung Vout 202 an dem Kondensator C steigt bis zu einem Zeitpunkt t2 exponentiell an, dann ist der Kondensator C geladen, die Spannung Vout 202 bleibt konstant. Zu einem Zeitpunkt t3 wird die Eingangsspannung 201 wieder auf 0 Volt umgeschaltet, die Spannung Vout 202 an dem Kondensator sinkt exponentiell bis zu einem Zeitpunkt t4 ab.
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Betrachtet man abhängig von dem Verlauf 202 der Spannung Vout einen Helligkeitseindruck 203, wie er entsteht, wenn z.B. das Signal Vout 202 an einen 1–10 Volt-Eingang eines Betriebsgeräts für eine Lampe angelegt wird, so ergibt sich ein linearer Eindruck der Helligkeitsveränderung zwischen den Zeitpunkten t1 und t3 sowie t3 und t4, das Licht wird demnach gleichmäßig gedimmt.
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Anwendungsbeispiel: Tageslichtsimulation für eine Aquarium-Beleuchtung
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3 zeigt eine beispielhafte Schaltung einer Tageslichtschaltung für eine Beleuchtung z.B. eines Aquariums. Ein Block 301 umfasst hierbei die in 1 dargestellte Schaltung. Über einen Knoten 302 wird das Eingangssignal Vin (vgl. 1 mit zugehöriger Beschreibung) bereitgestellt, das Ausgangssignal Vout liegt an dem Knoten 101 an.
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Der L-Anschluss einer Netzwechselspannung ist über eine Zeitschaltuhr 305 und einen Kondensator C1 mit einem Gleichrichter 303 und der N-Anschluss der Netzwechselspannung ist über einen Kondensator C2 mit dem Gleichrichter 303 verbunden. Der Gleichrichter 303 stellt eine Gleichspannung bereit, deren positives Potential mit dem Knoten 302 und deren Bezugspotential mit Masse verbunden ist. Die beiden Gleichspannungsausgänge des Gleichrichters 303 sind über einen Kondensator C3 miteinander verbunden. Parallel zu dem Kondensator C3 ist eine Zenerdiode D1 geschaltet, deren Kathode in Richtung des Knotens 302 weist.
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Der Knoten 101 ist mit der Basis eines pnp-Transistors Q5 verbunden. Der Emitter des Transistors Q5 ist über einen Widerstand R6 mit einem Knoten 304 verbunden, der Kollektor des Transistors Q5 ist mit der Basis eines npn-Transistors Q7 verbunden. Der Emitter des Transistors Q7 ist mit Masse und der Kollektor des Transistors Q7 ist mit der Basis eines pnp-Transistors Q6 verbunden. Der Kollektor des Transistors Q6 ist mit Masse und der Emitter des Transistors Q6 ist mit dem Knoten 304 verbunden. Zwischen dem Knoten 304 und dem Massepotential liegt eine Spannung, die zur Steuerung eines 1–10 Volt-Eingangs eines Betriebsgeräts für eine Lampe eingesetzt werden kann. Eine beispielhafte Dimensionierung bzw. Wahl der Bauteile kann wie in 3 gezeigt erfolgen.
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Das Eingangssignal Vin wird an dem Knoten 302 mittels der Zeitschaltuhr 305 erzeugt. Die über die Anschlüsse L und N bereitgestellte Netzspannung kann heruntertransformiert, gleichgerichtet und gesiebt werden, um so das Eingangssignal Vin zu erzeugen. Auch ist es möglich, die Netzspannung wie in 3 gezeigt ohne Verwendung eines Transformators kapazitiv herunterzuteilen; dies ist aufgrund des geringen Stromverbrauchs der vorliegenden Schaltung eine besonders effiziente Lösung.
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Die Ausgangsschaltung umfassend die drei Transistoren Q5 bis Q7 entkoppelt den Ausgang (Knoten 101) von dem zeitbestimmenden Kondensator C, um eine Aufladung durch den Steuerstrom, den ein an dem Knoten 304 und an Masse angeschlossenes Betriebsgerät liefert, zu vermeiden. Diese Ausgangsschaltung erlaubt beispielsweise eine Steuerung von mehreren, z.B. bis zu 10, Betriebsgeräten (EVGs, elektronische Vorschaltgeräte) ohne dass dabei die minimale Ausgangsspannung von 1V überschritten wird. Wenn nur ein Betriebsgerät gesteuert werden soll, kann beispielsweise ein PNP-Darlington-Transistor verwendet werden.
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Diese Schaltung hat eine Fadingzeit von 15min und verwendet dafür als Kondensator C einen 470µF Elektrolytkondensator.
