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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beeinflussen oder Verändern mindestens eines Parameters eines mit Netzwechselspannung betriebenen Leuchtmittels, insbesondere einer LED-Lampe, mittels Steuerinformationen.
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Für die Übertragung von Steuerinformationen zum Dimmen von Leuchten gibt es unterschiedliche Möglichkeiten und Ansätze, wie z. B. Powerline-Verfahren, Codierungsverfahren mittels Phasenwinkel, kurzzeitige Netzunterbrechungen „double click”, Funksteuerungen usw.
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Seit einigen Jahren ist man vor allem aus Gründen der Energie-Einsparung dazu übergegangen, die bis dahin hauptsächlich verwendeten Glühlampen durch neue Lampen-Typen zu ersetzen, insbesondere durch LED-Lampen, vorzugsweise durch Retrofit LED-Lampen.
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Unter Retrofit LED-Lampen sind Lampen zu verstehen, die als Leuchtmittel eine oder mehrere LEDs verwenden, aber zur mechanischen und elektrischen Verbindung derart ausgebildet sind, dass sie als Ersatzmittel anderer Leuchtmittel, wie bspw. Glühlampen oder Halogenlampen verwendbar sind.
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Letztere sind mit Schraub- oder Bajonett-Sockeln versehen, die zu den für Glühlampen entwickelten Fassungen passend sind. Diese mechanische Anpassung allein ist jedoch für den Ersatz noch nicht ausreichend. Wegen der unterschiedlichen Betriebsweisen von Glühlampen (verarbeiten Wechselspannungshalbwellen mit beiden Polaritäten) einerseits und LED-Lampen (sind nur bei Wechselspannungshalbwellen einer bestimmten Polarität wirksam) andererseits, sind zusätzlich noch elektrische Anpassungsmaßnahmen erforderlich. Letztere betreffen insbesondere auch die Art des Dimmens.
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Für Beleuchtungssysteme mit herkömmlichen Glühlampen haben sich weitgehend Phasenanschnittsdimmer durchgesetzt. Dies insbesondere deshalb, weil sie weitgehend verlustfrei arbeiten. Letzteres trifft jedoch für den Betrieb mit LEDs nicht zu. Um die Leistungsverluste zu begrenzen, ist ein beachtlicher zusätzlicher Schaltungsaufwand erforderlich. Hinzu kommt, dass Phasenanschnittsdimmer – auch bei einem Betrieb mit Glühlampen – zwangsläufig unerwünschte – Oberwellen ins Netz strahlen. Von modernen Betriebsgeräten erwartet man jedoch eine weitgehend sinusförmige Stromaufnahme. Diese ist durch den zusätzlichen Einbau von PFCs erreichbar, wodurch der Schaltungsaufwand allerdings weiterhin erhöht wird. Auch die Grundlast, die ein Phasenanschnittsdimmer benötigt, muss durch das Betriebsgerät nachgebildet werden. Insgesamt ist also festzustellen, dass der Einsatz von Phasenanschnittsdimmern für den Dimmbetrieb von LEDs keine ideale Lösung ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschrieben Art so zu gestalten, dass es insbesondere bei Anwendung zum Dimmen von Retrofit LED-Lampen einen geringen Schaltungsaufwand erfordert, weitgehend verlustfrei arbeitet und praktisch keine Oberwellen in das Netz zurückstrahlt.
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Die Aufgabe ist durch die Kombination der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung vorteilhaft weiter.
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Die Erfindung hat zum Inhalt, dass eine Signalübertragung hin zu einem mit AC-Spannung versorgten elektrischen Verbraucher, insbesondere einem Leuchtmittel, dadurch erfolgt, dass wenigstens die Signalzustände „gleichgerichtete AC-Spannung” und „nicht gleichgerichtete, also bipolare AC-Spannung” vorliegen.
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Ausgehend von diesen beiden logischen Zuständen lassen sich beliebig komplexe analoge oder digitale Signalprotokolle implementieren. Analog ist bspw. eine Auswertung, durch eine Steuereinheit im Betriebsgerät des Leuchtmittels, der Dauer und/oder einer Wiederholrate des jeweiligen logischen Zustands. Für eine digitale Signalübertragung können die beiden genannten physikalischen Zustände als logisch „1” und „0” verwendet werden.
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Dieses Protokoll kann adressiert oder unadressiert sein. Im Falle einer Adressierung können Daten oder Signale Teil des Protokolls sein.
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Die genannte Kommunikationstechnik durch selektives Gleichrichten schliesst grundsätzlich nicht aus, dass auf der AC-Versorgungsleitung weitere logische Zustände zusätzlich zu den beiden genannten Zuständen vorliegen können. Diese können bspw. eine PLC-Modulation, eine zeitweise Unterdrückung der AC-Spannung sein. Auch Phasenabschnittsdimmen oder – anschnittsdimmen sowie eine Amplitudenmodulation lassen sich zusätzlich zu den genannten beiden Zuständen implementieren.
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Es ist auch grundsätzlich nicht ausgeschlossen, dass zusätzlich zu der genannten Signalübertragung ein weiteres drahtloses (bspw. Funk, optisch, IR, ...) oder drahtgebundenes Medium (bspw. digitaler und/oder analoger Bus) vorgesehen ist.
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Vorzugsweise erfolgt als durch selektives Gleichrichten der AC-Versorgungsspannung eine Signalübertragung hin zum Betriebsgerät. Falls eine Rückkanal vorliegen soll, kann dieser durch eine beliebige andersartige Signalisierung (siehe de obigen Beispiele) erfolgen.
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Kerngedanke der Erfindung ist es, die Netzwechselspannung, die dem Verbraucher ohnehin für dessen Betrieb zugeführt werden muss, so zu modifizieren, dass sie die Steuerinformationen zum Beeinflussen oder Verändern mindestens eines Parameters des Verbrauchers enthält. Dies gelingt dadurch, dass die Polarität ausgewählter Netzspannungshalbwellen verändert, genauer gesagt, umgekehrt wird. Vorzugsweise wird in einer Folge von Netzspannungshalbwellen die Polarität jeder zweiten Netzspannungshalbwelle umgekehrt, so dass die Folge nur aus Netzspannungshalbwellen gleicher Polarität besteht. Sie bildet also in dieser Phase eine pulsierende Gleichspannung. Durch Festlegung der Zahl der Netzspannungshalbwellen in der genannten Folge bzw. der zeitlichen Gesamtlänge derselben, können die Steuerinformationen modifiziert werden. Beispielweise kann die Zahl aufeinanderfolgender Netzspannungshalbwellen gleicher Polarität bzw. deren zeitliche Gesamtlänge ein Maß für einen Dimmgrad sein. Eine zusätzliche Information steckt in der Polarität der modifizierten Netzspannungshalbwellen, die positiv oder negativ gewählt werden kann. Die Polarität einer Folge von Netzspannungshalbwellen gleicher Polarität kann beispielweis eine Dimmrichtung oder eine Dimmgeschwindigkeit festlegen. Eine vorgegebene Abfolge von Polaritäten von Netzspannungshalbwellen kann zum Beispiel einen vorgegebenen Dimmsprung auslösen. Es versteht sich, dass der Verbraucher entsprechende Mittel aufweisen muss, um die Steuerinformationen auszuwerten.
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Insbesondere für den Betrieb von Retrofit LED-Lampen ist es wesentlich, dass diesen kontinuierlich Netzspannungshalbwellen zugeführt werden. Die Informationsübertragung erfolgt dabei verlustfrei, also ohne die Vernichtung von Netzleistung.
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Da nur Netzspannungshalbwellen übertragen werden, deren Polarität, nicht aber deren Sinusform verändert worden ist, arbeitet das Verfahren praktisch störungsfrei, d. h. ohne die Rückstrahlung von Oberwellen in das Wechselstromnetz.
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Wie nachfolgend noch gezeigt wird, ist auch der zusätzliche Schaltungsaufwand zur Realisierung des Verfahrens relativ gering, so dass die Kosten niedrig gehalten werden können.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.
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Es zeigen:
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1a den zeitlichen Verlauf der Netzspannungshalbwellen, so wie sie das Wechselspannungsnetz zur Verfügung stellt,
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1b den zeitlichen Verlauf der Netzspannungshalbwellen nach der Modifizierung zwecks Einfügung einer Steuerinformation,
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2 den Schaltungsaufbau eines Betriebsgerätes zum Betreiben einer Last, vorzugsweise einer Retrofit LED-Lampe,
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3 eine schematisierte Darstellung eines Betriebsgeräte-Blockes mit außen liegendem Schalter und Taster sowie einer mit dem Betriebsgeräte-Block zu betreibenden Retrofit LED-Lampe,
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4 eine etwas detailliere Darstellung der Auswerteschaltung und der Licht emittierenden Teile in der Retrofit LED-Lampe gemäß 3.
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In 1a ist eine Folge von Netzspannungshalbwellen mit wechselnder Polarität dargestellt, so, wie sie das Wechselstromnetz zur Verfügung stellt.
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In 2 wird das Wechselspannungsnetz N einer Last L über ein Betriebsgerät 1 zugeführt. Die Last L wird ausgehend von dem Wechselspannungsnetz N mit Leistung versorgt.
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Vorzugsweise ist der Wechselspannungsabschluss die einzige Schnittstelle des Betriebsgeräts 1, wie es bspw. bei Glühlampenfassungen der Fall ist.
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Mit dem Betriebsgerät verbunden oder in diesem integriert sind ein von außen zugänglicher Netzschalter S und ein ebenfalls von außen zugänglichen Taster T auf. Der Taster T wirkt auf zwei Kontaktpaare Ta1/Ta2 einerseits und Tb1/Tb2 andererseits ein, und zwar gegensinnig. Das bedeutet, dass im dargestellten Ruhezustand des Tasters T das erste Kontaktpaar Ta1/Ta2 offen und das zweite Kontaktpaar Tb1/Tb2 geschlossen ist. Wird der Taster T entgegen der Kraft einer (nicht dargestellten) Feder niedergedrückt, so wird das erste Kontaktpaar Ta1/Ta2 geöffnet, und das zweite Kontaktpaar Tb1/Tb2 wird geschlossen.
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Das Betriebsgerät enthält ferner vier Gleichrichterdioden D1, D2, D3, D4. Diese sind so mit den zwei Kontaktpaaren Ta1, Ta2 sowie Tb1, Tb2 verschaltet, dass der Last L bei geschlossenem Netzschalter S und nicht gedrücktem Taster T die Netzspannungshalbwellen so zugeführt werden, wie sie in 1a dargestellt sind, also mit wechselnder Polarität.
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1b zeigt nun den Fall, dass der Netzschalter S zum Zeitpunkt t1 geschlossen und der Taster T etwas später zum Zeitpunkt t2 gedrückt wird. Zum Zeitpunkt t3 ist der Umschaltvorgang vollendet.
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Für die Umschaltung benötigen die Kontaktpaare Ta1/Ta2 einerseits und die Kontaktpaare Tb1/Tb2 andererseits eine bestimmte, wenn auch nur kurze Zeit, in der die Netzspannung unterbrochen wird. Diese Unterbrechung ist jedoch so kurz, dass sie weggepuffert werden kann. Die Darstellung der Netzunterbrechung in 1b ist nicht maßstäblich und im Zusammenhang mit der grundsätzlichen Funktionsweise des Betriebsgerätes auch von untergeordneter Bedeutung.
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Zum Zeitpunkt t4 wird der Taster T wieder losgelassen. Von t3 bis t4 werden nun an die Last Netzspannungshalbwellen ausschließlich gleicher Polarität geliefert.
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Nach dem Loslassen des Tasters T zum Zeitpunkt t4 folgt wieder eine durch das Umschalten der Kontaktpaare Ta1/Ta2 einerseits und Tb1/Tb2 andererseits bedingte kurze Unterbrechung der Netzspannung. Vom Zeitpunkt t5 an werden der Last die Netzspannungshalbwellen wieder mit der von dem Netz N vorgegebenen Polarität an die Last L geliefert, also mit wechselnder Polarität.
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Die mit dem Taster T festlegbare zeitliche Gesamtlänge tges. = t4 – t3 der Folge von Netzspannungshalbwellen mit gleicher Polarität bestimmt den Grad der Beeinflussung oder Änderung eines Parameters der Last L. Der Parameter ist im konkreten Fall der 3 der Dimmgrad bzw. die Helligkeit einer Retrofit LED-Lampe.
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Es versteht sich, dass man durch Umkehr der Schaltungsanordnung der Gleichrichterdioden D1 bis D4 auch die Polarität der Netzspannungshalbwellen zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 umkehren kann. Hier liegt also ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die zu übertragende Steuerinformation, die beispielsweise zur Einstellung der Farbe der zu steuernden Lampe verwendet werden kann. Eine weitere Möglichkeit zur Übertragung zusätzlicher Steuerinformationen besteht darin, dass man die Folge von Netzspannungshalbwellen mit gleicher Polarität wiederholt, und zwar mit einer bestimmten Wiederholungsrate.
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Es ist möglich die Schaltungsanordnung derart zu gestalten, dass Netzspannungshalbwellen unterschiedlicher, d. h. entgegengesetzter, Polarität erzeugt werden können. Die Polarität der Netzspanungshalbwellen kann dann beispielweise dazu verwendet werden Informationen zu kodieren.
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Beispielsweise kann die Dimmrichtung eines Dimmvorgangs der Lichtquelle durch die Polarität einer Folge von Netzspannungshalbwellen gleicher Polarität vorgegeben werden. So können etwa aufeinanderfolgende Netzspannungshalbwellen einer ersten Polarität Dimmgrade höherer Helligkeit bewirken, während aufeinanderfolgende Netzspannungshabwellen einer zweiten, umgekehrten Polarität Dimmgrade niedrigerer Helligkeit bewirken. Die erste Polarität verursacht also ein Aufwärtsdimmen, die zweite Polarität ein Abwärtsdimmen einer dimmbaren Lichtquelle.
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Das Aufwärts bzw. Abwärtsdimmen kann dabei kontinuierlich erfolgen und wird zum Beispiel solange fortgesetzt, wie aufeinanderfolgende Netzspannungshalbwellen gleicher Polarität erzeugt werden. Kontinuierlich kann dabei bedeuten, dass für jede vorbestimmte Anzahl aufeinanderfolgender Netzspannungshalbwellen gleicher Polarität der Dimmgrad um eine kleinste mögliche Dimmstufe erhöht bzw. erniedrigt wird. Je mehr Netzspannungshalbwellen gleicher Polarität aufeinander folgen, desto stärker wird letztendlich der Dimmgrad nach oben oder nach unten verändert.
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Es kann auch zunächst eine bestimmte Anzahl an Netzspannungshalbwellen gleicher Polarität erforderlich sein, um überhaupt ein Aufwärts- bzw. ein Abwärtsdimmen durchführen zu können, also eine Art Startsignal.
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Denkbar sind auch komplexere Kodierungsschemata, wobei Steuerinformation über die Anzahl oder die konkrete Abfolge von Netzspannungshalbwellen gleicher oder unterschiedlicher Polarität übermittelt wird. So kann beispielweise eine erste vorgegebene Anzahl von Netzspannungshalbwellen gleicher Polarität oder eine erste Abfolge von Netzspannungshalbwellen wechselnder Priorität ein Aufwärtsdimmen aktivieren, eine andere Anzahl oder eine andere Abfolge kann ein Abwärtsdimmen aktivieren.
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Insbesondere können auch Dimmsprünge durch eine bestimmte Anzahl oder eine bestimmte Abfolge von Polaritäten von Netzspannungshalbwellen kodiert sein bzw. ein solcher Dimmsprung kann dadurch ausgelöst werden. Eine vorbestimmte Kombination von Polaritäten von Netzspannungshalbwellen könnte zum Beispiel eine nichtkontinuierliche Änderung des Dimmgrads um einen ersten vorgegebenen Wert verursachen. Eine zweite vorgegebene Kombination von Polaritäten könnte hingegen eine nichtkontinuierliche Änderung des Dimmgrads um einen zweiten vorgegebenen Wert verursachen. Eine weitere Möglichkeit die verschiedenen Polaritäten von Netzspannungshalbwellen auszunutzen ist das Einstellen einer Dimmgeschwindigkeit. So könnte beispielweise zunächst eine erste Abfolge oder Anzahl von Polaritäten von Netzspannungshalbwellen festlegen, ob im Folgenden ein Aufwärtsdimmen oder ein Abwärtsdimmen durchgeführt werden soll. Danach könnten zum Beispiel Netzspannungshalbwellen einer ersten Polarität einen schnelleren Dimmvorgang, Netzspannungswellen einer zweiten Polarität einen langsameren Dimmvorgang ausführen. Es ist ferner auch denkbar eine bestimmte Abfolge von Polaritäten von Netzspannungshalbwellen vorzugeben, welche die Dimmgeschwindigkeit während eines Dimmvorgangs verändert. Zum Beispiel könnte eine vorgegebene erste Abfolge die Dimmgeschwindigkeit um einen bestimmten Prozentsatz oder Absolutbetrag erhöhen, eine zweite vorgegebene Abfolge könnte die Dimmgeschwindigkeit um einen bestimmten Prozentsatz oder Absolutbetrag verringern.
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Es ist ferner möglich komplexe Abfolgen oder Muster von Netzspannungshalbwellen oder von Polaritäten von Netzspannungshalbwellen dazu zu verwenden, andere Betriebsparameter als die Helligkeit einer Lichtquelle zu ändern oder zu konfigurieren. Ein Beispiel ist die Farbe oder die Farbtemperatur der Lichtquelle. Ein anderes Beispiel wäre eine Einstellung, ob das Licht kontinuierlich oder gepulst von der Lichtquelle ausgestrahlt wird. Auch möglich wäre es ein automatisches Ausschalten der Lichtquelle nach einer vorbestimmten Betriebszeit durch die so übermittelte Steuerinformation zu programmieren oder ein automatisches Einschalten, beispielweise nach einer vorbestimmten Zeitdauer, zu programmieren.
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Der Taster steht nur als Beispiel für einen Signalgeber der manuell betätigbar ist (bspw. auch ein Schalter, Drehdimmer etc.) oder nicht-manuelle Steuersignale an einer Schnittstelle zugeführt bekommt oder dieser selbst erzeugt (bspw. Sensor, wie bspw. Tageslichtsensor, Farbsensor etc.). Anstelle eines Tasters kann auch ein Relais verwendet werden, welches beispielsweise durch einen Taster ausgelöst wird.
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Dieser Signalgeber ist grundsätzlich dazu ausgebildet, selektiv eine zugeführte bipolare Wechselspannung, die er als Versorgungsspannung zu einem oder mehreren Betriebsgeräten weiterschleift, selektiv gleichzurichten.
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Somit können beliebig komplexe Signale oder Daten zu dem Betriebsgerät hin übertragen werden.
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Der Signalgeber kann extern oder intern in dem Betriebsgerät angebunden sein.
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Wenn der Signalgeber mit mehreren Leuchtmittel funktionell verbunden ist, die zu einem oder mehreren Betriebsgeräten gehören, lässt sich über das selektive Gleichrichten auch eine adressierte Gruppierung der Leuchtmittel durchführen. Die genannten Signalzustände werden also dann von einem oder mehreren angeschlossenen Betriebsgeräten im Sinne einer Adressierung erkannt. Es lässt sich somit ein adressiertes Bussystem einrichten.
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Mögliche Gruppierungen sind bspw:
- – Leuchtmittel, insbesondere LEDs unterschiedlicher Farbe,
- – direkte/indirekte Leuchtmittel einer Leuchte, ...
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Im Folgenden wird eine beispielsweise Anwendung der Erfindung auf den Bereich der Retrofit Led-Lampen beschrieben. Wie bereits eingangs beschrieben wurde, ist man bestrebt, die Glühlampen und die Phasenanschnittsdimmer in bereits bestehenden Beleuchtungssystemen herkömmlicher Art möglichst ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand durch Retrofit LED-Lampen und dazu passende Betriebsgeräte zu ersetzen. Das ist dann möglich, wenn die Gehäuse der Betriebsgeräte äußerlich die gleichen Abmessungen haben, wie die der Phasenanschnittsdimmer, und wenn der Taster T und der Netzschalter S von außen zugänglich sind. Eine Änderung der Drahtinstallation ist dann meist entbehrlich. Die Phasenanschnittsdimmer können einfach gegen Betriebsgeräte 1 ausgetauscht werden, wie sie in 3 gezeigt sind.
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Ein Betriebsgerät 1, dessen innere Verschaltung in 2 gezeigt und dessen äußere Gestaltung in 3 dargestellt ist, hat zudem noch folgende Vorteile. Es erzeugt keine Verlustleistung und strahlt keine Oberwellen in das Wechselspannungsnetz N zurück. Weil es auf Schaltkontakte aufgebaut ist, kann es kostengünstig hergestellt werden. Die Nachbildung einer Grundlast ist nicht erforderlich.
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3 zeigt auch den grundsätzlichen Aufbau einer Retrofit LED-Lampe. Diese besteht aus einem Schraubsockel 2 und einem Glaskolben 3. Der Schraubsockel 2 ist passend zu ein der Fassung einer entsprechenden Glühlame, die durch die Retrofit LED-Lampe ersetzt werden soll. Das metallene Schraubgewinde und der Endpol bilden Anschluss-Kontakte, über die der Retrofit LED-Lampe von dem Betriebsgerät 1 die Wechselspannungshalbwellen zugeführt werden. Der Pfeil 9 deutet an, dass und wie die Wechselspannungshalbwellen an eine in der Lampe befindlichen Treiberschaltung 6 weitergeleitet werden. Diese wird später in Zusammenhang mit 4 noch genauer erläutert. Die Treiberschaltung 6 erzeugt eine Gleichspannung, welche – wie durch den Pfeil 10 angedeutet ist – einem LED-Modul 7 zugeführt wird, auf dem die das Licht emittierenden LEDs 8 sitzen.
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Die in 4 zwar etwas detaillierter – jedoch immer noch schematisiert – dargestellte Treiberschaltung 6 enthält einen AC/DC-Wandler 11, einen DC7DC-Wandler 12 und einen Polaritäts-Sensor 13, denen vom Betriebsgerät 1 die Netzspannungshalbwellen gemäß 1b zugeführt werden. In der ersten Phase zwischen t1 und t2 richtet der AC/DC-Wandler 11 die Netzspannungshalbwellen wechselnder Polarität gleich und liefert eine pulsierende Gleichspannung, bestehend aus sinusförmigen Netzspannungshalbwellen gleicher Polarität an den DC/DC-Wandler 12. Dieser reduziert die Gleichspannung auf einen für die LEDs 8 geeigneten Wert und führt sie dem LED-Modul 7 zu, auf welchem die LEDs 8 sitzen.
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Wenn das Betriebsgerät 1 in der Phase zwischen t3 und t4 eine Folge von Netzspannungshalbwellen gleicher Polarität an die Treiberschaltung 6 liefert, so werden diese gleich von dem DC/DC-Wandler 12 verwertet. Wichtiger ist jedoch, dass der Polaritäts-Sensor 13 feststellt, dass vom Betriebsgerät Netzspannungshalbwellen mit gleichartiger Polarität geliefert werden. Der Polaritäts-Sensor 13 meldet dies einem Zeitmess-Gerät 14, welches die zeitliche Gesamtlänge dieser Phase misst. Das Messergebnis wird einer Steuer-Einheit 15 übermittelt, die daraus ein Dimmsignal generiert. Dieses wird dem DC/DC-Wandler 12 zugeführt, dessen Ausgangssignal entsprechend variiert wird. Die Helligkeit der Retrofit LED-Lampe entspricht demnach der Zahl der hinsichtlich ihrer Polarität veränderten Netzspannungshalbwellen bzw. deren zeitlicher Gesamtlänge. Diese kann an dem Betriebsgerät 1 durch entsprechend kurzes oder langes Drücken des Tasters T eingestellt werden. Durch drücken des Tasters T bleibt jedoch die Leistungsübertragung zwischen dem Betriebsgerät 1 und der Last L, d. h. – konkret gesprochen – der Retrofit LED Lampe unberührt.
