DE102011117761B4

DE102011117761B4 - Multi-level capacitive-electromechanical installation dimmer and method for dimming with such a dimmer

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Publication number: DE102011117761B4
Application number: DE102011117761.6A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2031-11-08
Also published as: DE102011117761A1

Abstract

Mehrstufiger kapazitiv-elektromechanischer Installationsdimmer, aufweisend einen elektrischen Eingang und einen elektrischen Ausgang, sowie wenigstens eine elektrische Kapazität (C0–C9), wobei der elektrische Ausgang des Dimmers bei wenigstens zwei Schaltstufen mittels eines oder mehrerer mechanischer Schalter (A–L, S) mit einer oder mehreren elektrischen Kapazitäten (C0–C9) beschaltbar ist, wobei der eine oder wenigstens einer der mehreren mechanischen Schalter (A–L, S) ein brückender Schalter ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch den einen oder die mehreren Schalter (A–L, S) eine oder mehrere elektrische Kapazitäten (C0–C9) zwischen Eingang und Ausgang schaltbar sind, so dass sich eine Schaltung Eingang-Kondensator(en)-Ausgang im Dimmer ergibt, wobei für jede Schaltstufe eine oder mehrere Kapazitäten vorgesehen sind oder Schaltstufen vorgesehen sind, denen keine Kapazität zugeordnet ist.Multi-stage capacitive-electromechanical installation dimmer, comprising an electrical input and an electrical output, and at least one electrical capacitance (C0-C9), wherein the electrical output of the dimmer at at least two switching stages by means of one or more mechanical switches (A-L, S) with one or more electrical capacitances (C0-C9) is connectable, wherein the one or at least one of the plurality of mechanical switches (A-L, S) is a bridging switch, characterized in that by the one or more switches (A-L , S) one or more electrical capacitances (C0-C9) between the input and output are switchable, so that there is a circuit input capacitor (s) output in the dimmer, wherein one or more capacitances are provided for each switching stage or switching stages provided are to which no capacity is assigned.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrstufigen kapazitiv-elektromechanischen Dimmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 7.The present invention relates to a multi-stage capacitive-electromechanical dimmer according to the preamble of patent claim 1, and a corresponding method according to claim 7.

Nicht zuletzt aufgrund der in letzter Zeit getätigten Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Energiesparlampen, insbesondere aufgrund zunehmender Leuchtstärke von kommerziell verfügbaren Retrofit-LED-Lampen wächst auch die Nachfrage nach deren Dimmbarkeit. In der Regel wird die Dimmbarkeit derselben durch eine Herstellung von TRIAC-dimmbaren Retrofit-LED-Lampen auf der Basis von dediziert anwendungsspezifischen Schaltregler-ICs verschiedener Halbleiterhersteller erreicht. Im Unterschied zum davor üblichen Dimmer-Austausch gegen spezielle MOSFET-Dimmer mit erheblichem Eigenverbrauch und einem Dreidrahtanschluss, der in einer Schalterdose üblicherweise nicht vorhanden ist, stellt dies bereits eine gewisse Weiterentwicklungsstufe dar, aber auch die deutlich teureren TRIAC-dimmbaren Retrofit-LED-Lampen wandeln immer noch einen nicht unerheblichen Teil der einzusparenden Energie insbesondere im unteren Dimmbereich in Wärme um und schöpfen damit das Energiesparpotenzial durch die Dimmung nicht vollständig aus. Dies wird insbesondere deutlich, wenn man das in 1 dargestellte Dimm-Profil betrachtet, welches graphisch den Wirkungsgrad (Efficacy), die Leistungsaufnahme (Power) und den Lichtstrom (Flux) für eine TRIAC-Dimmung darstellt. Aus 1 ist ersichtlich, dass bei einem Durchschreiten des gesamten Dimmbereichs nicht nur die Leistungsaufnahme und der Lichtstrom monoton abnehmen, sondern auch der Wirkungsgrad.Not least due to the recent developments in the field of energy-saving lamps, in particular due to increasing luminosity of commercially available retrofit LED lamps, the demand for their dimmability is growing. Typically, they are dimmable by manufacturing TRIAC dimmable retrofit LED lamps based on dedicated application-specific switching regulator ICs from various semiconductor manufacturers. In contrast to the previously used dimmer replacement for special MOSFET dimmers with considerable self-consumption and a three-wire connection, which is usually not available in a switch box, this already represents a certain stage of development, but also the much more expensive TRIAC dimmable retrofit LED lamps still convert a considerable part of the energy to be saved into heat, especially in the lower dimming range, and thus do not fully exploit the energy saving potential due to the dimming. This becomes especially clear, if one in the 1 Viewed dimming profile, which graphically represents the Efficacy, the Power and the Flux for a TRIAC dimming. Out 1 It can be seen that when passing through the entire dimming range not only the power consumption and the luminous flux monotonically decrease, but also the efficiency.

Um einen besseren Wirkungsgrad zu erreichen, wird in der DE 20 2009 010 840 U1 ein mehrstufiger kapazitiv-elektromechanischer Installationsdimmer zur Dimmung von Netzspannungs-LED-Lampen, Fluoreszenz-Niederdruck-Gasentladungslampen, Glühlampen und Netzspannungshalogenlampen vorgeschlagen, bei dem mittels eines mehrpoligen Drehschalters eine Anordnung von kapazitätswertwertgestaffelten Netzspannungskondensatoren als Wechselstromwiderstände zur verlustlos abgestuften Drosselung des Lampenstroms einzeln elektrisch verbunden werden.In order to achieve better efficiency, in the DE 20 2009 010 840 U1 a multi-stage capacitive-electromechanical installation dimmer for dimming mains voltage LED lamps, fluorescent low-pressure gas discharge lamps, incandescent lamps and mains voltage halogen lamps proposed in which by means of a multi-pole rotary switch an array of capacitance value staggered mains voltage capacitors as AC resistors for lossless graded throttling of the lamp current are electrically connected individually.

Bei Anwendung eines derartigen Drehschalters kommt es jedoch zu einer Funkenbildung an den Kontakten, was zu vorzeitigem Verschleiß und Ausfall des Drehschalters aufgrund einer unerwünschten Funkenerosion führt.When using such a rotary switch, however, there is a sparking on the contacts, which leads to premature wear and failure of the rotary switch due to unwanted spark erosion.

Ein mehrstufiger kapazitiv-elektromechanischer Dimmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist auch aus der US 2008/0150 451 A1 bekannt. Der elektrische Ausgang des Dimmers kann jedoch nicht mit einer Kapazität beschaltet werden, sondern lediglich mit unterschiedlichen Phasen, welche als Abgriff auf der Sekundärseite eines Transformators dienen.A multi-stage capacitive-electromechanical dimmer according to the preamble of claim 1 is also known from US 2008/0150451 A1 known. However, the electrical output of the dimmer can not be connected to a capacitor, but only with different phases, which serve as a tap on the secondary side of a transformer.

Ein weiterer Dimmer ist in der US 2003/0 160 579 A1 offenbart, wobei unter drei wesentlich verschiedenen Schaltungskonzepten unter Bezugnahme auf 3 ein Dimmverfahren mit geschalteten Kondensatoren ausschließlich für Gasentladungslampen mit induktivem Ballast beschrieben ist, das jedoch für eine breite Verwendung in einem möglichst großen Anwendungsbereich nicht geeignet ist.Another dimmer is in the US 2003/0160 579 A1 wherein, among three substantially different circuit concepts with reference to 3 a dimmer method with switched capacitors is described exclusively for gas discharge lamps with inductive ballast, which is not suitable for wide use in the widest possible range of applications.

Aus der WO 2009/136 369 A2 ist weiterhin ein frequenzgesteuerter kapazitiver Leistungswandler zur Leistungsversorgung von LED's bekannt. Hierbei handelt es sich um eine aktiv gesteuerte, einstellbare Gleichstromversorgung für LEDs nach einem als kapazitiv getakteten Shunt-Regulator bekannten Schaltungsprinzip, die ohne einen in der Netzwechselspannungs-Installation unüblichen Dreidraht-Anschliuss nicht realisierbar ist und deswegen insbesondere beispielsweise als Retrofit-Lösung nicht verwendbar ist.From the WO 2009/136 369 A2 Furthermore, a frequency-controlled capacitive power converter for power supply of LED's is known. This is an actively controlled, adjustable DC power supply for LEDs according to a known as capacitive clocked shunt regulator circuit principle that is not feasible without an unusual in AC mains installation three-wire connection and therefore in particular, for example, as a retrofit solution is not usable ,

Ferner sei noch auf die DE 101 63 262 B4 verwiesen, aus der ein Verfahren zur Auslegung eines Netzwerkes von passiven Komponenten, nämlich Widerständen, Induktivitäten und Kondensatoren bekannt ist.Furthermore, be on the DE 101 63 262 B4 from which a method for designing a network of passive components, namely resistors, inductors and capacitors is known.

Weiterhin seien die DE 83 37 397 U1 (Dimmer-Drehpotentiometer mit Bypass-Schaltstellung), die DE 29 712 006 U1 (Phasendimmer mit An- und Abschwellautomatik und Schwankungsbreitensteller), die DE 34 23 218 A1 (TRIAC-Phasenanschnitt-Dimmer mit Aus- und Bypass-Schalter), die DE 41 26 042 A1 (Dreh- oder Schiebeschalter mit Gleit- oder Walz-Noppenmatte), die DD 117 558 A1 (Brückender Umschalter für Transformator-Pimär- und Sekundärwicklung) und die DE 35 01 149 A1 (Brückender Glimmlampen-Drehwahlschalter mit kollektivem Begrenzungswiderstand) erwähnt.Continue to be the DE 83 37 397 U1 (Dimmer rotary potentiometer with bypass switch position), the DE 29 712 006 U1 (Phase dimmer with automatic rise and fall and fluctuation width adjuster), the DE 34 23 218 A1 (TRIAC phase control dimmer with bypass and bypass switch), the DE 41 26 042 A1 (Rotary or slide switch with sliding or rolling nubbed mat), the DD 117 558 A1 (Bridging switch for transformer Pima and secondary winding) and the DE 35 01 149 A1 (Brinking glow lamp rotary selector with collective limiting resistor) mentioned.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mehrstufigen Dimmer anzugeben, der bei einem möglichst hohen Wirkungsgrad über den gesamten Dimmbereich auch eine lange Lebensdauer aufweist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zum Dimmen von beispielsweise LED-Lampen, Fluoreszenz-Niederdruck-Gasentladungslampen, Glühlampen und Netzspannungshalogenlampen etc. anzugeben.Object of the present invention is to provide a multi-stage dimmer, which also has a long life at the highest possible efficiency over the entire dimming range. A further object of the present invention is to provide a corresponding method for dimming, for example, LED lamps, fluorescent low-pressure gas discharge lamps, incandescent lamps and mains voltage halogen lamps, etc.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen mehrstufigen kapazitivelektromechanischen Dimmer gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrensaspekts der Erfindung sei auf Patentanspruch 7 verwiesen.This object is achieved by a multi-stage capacitive electromechanical dimmer according to claim 1. Regarding the method aspect of the invention is directed to claim 7.

Der apparative Aspekt der Aufgabe wird durch einen mehrstufigen kapazitivelektromechanischen Installationsdimmer zur Dimmung von insbesondere Netzspannungs-LED-Lampen, Fluoreszenz-Niederdruck-Gasentladungslampen, Glühlampen und Netzspannungshalogenlampen, gelöst, der einen elektrischen Eingang und einen elektrischen Ausgang, sowie wenigstens eine elektrische Kapazität, insbesondere einen Kondensator aufweist. Der elektrische Ausgang des Dimmers ist bei wenigstens zwei Schaltstufen mittels eines oder mehrerer mechanischer Schalter mit einer oder mehreren elektrischen Kapazitäten beschaltbar, d. h. durch den einen oder mehrere Schalter sind eine oder mehrere elektrische Kapazitäten, die in möglichen Ausführungsformen in der Gestalt von Kondensatoren vorliegen, zwischen Eingang und Ausgang schaltbar, so dass sich eine Schaltung Eingang-Kondensator(en)-Ausgang im Dimmer ergibt. Der eine (im Falle, dass nur ein Schalter im Dimmer angeordnet ist) oder wenigstens einer der mehreren mechanischen Schalter (falls zwei oder mehr Schalter im Dimmer angeordnet sind) ist ein brückender Schalter. Dadurch wird vermieden, dass beim Umschalten eine Funkenbildung auftritt.The apparatus aspect of the object is achieved by a multistage capacitive electromechanical installation dimmer for dimming particular mains voltage LED lamps, fluorescent low-pressure gas discharge lamps, incandescent lamps and mains voltage halogen lamps, which has an electrical input and an electrical output, and at least one electrical capacitance, in particular one Condenser has. The electrical output of the dimmer can be connected with at least two switching stages by means of one or more mechanical switches with one or more electrical capacitances, d. H. through the one or more switches, one or more electrical capacitances, which in possible embodiments are in the form of capacitors, are switchable between input and output, so that a circuit results in input-capacitor (s) output in the dimmer. The one (in the case where only one switch is located in the dimmer) or at least one of the plurality of mechanical switches (if two or more switches are located in the dimmer) is a bridging switch. This avoids that sparking occurs when switching.

Wird der Ausgang mit mehreren Kondensatoren beschaltet, so können diese beispielsweise seriell, parallel oder einige davon seriell und andere parallel, d. h. in jeder beliebigen elektrischen Schaltungsart angeordnet sein. Es können optional für jede Schaltstufe eine oder mehrere Kapazitäten vorgesehen sein oder es können Schaltstufen vorgesehen sein, denen keine Kapazität zugeordnet ist. Für beispielsweise eine Aus-Position oder eine ungedimmte Ein-Position kann vorgesehen sein, dass der Ausgang unbeschaltet bleibt, wobei im ersten Fall eine elektrische Unterbrechung zwischen Eingang und Ausgang vorgesehen ist und im zweiten Fall der Eingang direkt auf den Ausgang geschaltet wird.If the output is connected to a plurality of capacitors, these may be, for example, serial, parallel or some of them in series, and others in parallel, d. H. be arranged in any electrical circuit type. One or more capacitances may optionally be provided for each switching stage or switching stages may be provided to which no capacitance is assigned. For example, an off position or an undimmed on position may be provided that the output remains unconnected, in the first case, an electrical interruption between input and output is provided and in the second case, the input is connected directly to the output.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform weist der Dimmer einen Schalter auf, welcher als mehrpoliger, brückender Drehschalter ausgebildet ist. Dies stellt einen raumsparenden Aufbau sicher, der insbesondere zur Integration in bestehende Installationen (beispielsweise Unterputz-Installation in eine herkömmliche Schalterdose oder Hohlwanddose) vorgesehen sein kann.In a further possible embodiment, the dimmer has a switch, which is designed as a multi-pole, bridging rotary switch. This ensures a space-saving design, which can be provided in particular for integration into existing installations (for example, flush-mounted installation in a conventional switch box or cavity wall box).

Der Dimmer kann einen oder mehrere Ein-/Aus-Schalter aufweisen, welche in einem Netzwerk, welches aus elektrischen Kapazitäten besteht, angeordnet sind, derart, dass verschiedene gewünschte Reihen und/oder Serienschaltungen von elektrischen Kapazitäten zwischen dem elektrischen Eingang und dem elektrischen Ausgang des Dimmers realisierbar sind. Durch eine entsprechende Schaltung mehrerer Kapazitäten in Serie und/oder parallel lassen sich bei einer Verwendung von beispielsweise vier Kapazitäten 15 verschiedene relevante Schaltzustände realisieren, die durch eine Beschaltung des Ausgangs mit verschiedenen Kapazitätswerten gekennzeichnet sind.The dimmer may include one or more on / off switches disposed in a network consisting of electrical capacitances such that various desired series and / or series of electrical capacitances between the electrical input and the electrical output of the Dimmers are feasible. By means of a corresponding connection of a plurality of capacitors in series and / or in parallel, 15 different relevant switching states can be realized when using, for example, four capacitances which are characterized by a wiring of the output with different capacitance values.

Ist im Dimmer ein Drehschalter angeordnet, so kann dieser in einer weiteren möglichen Ausführungsform eine Schaltstellung aufweisen, in der der Ausgang nicht mit einer Kapazität beschaltet ist, in der der Ausgang aber vom Eingang elektrisch getrennt ist. Dies dient dem sicheren Ausschalten der zu dimmenden Last. Alternativ oder zusätzlich kann in einer weiteren Schaltstufe der Eingang direkt mit dem Ausgang verbunden sein und somit eine ungedimmte Schaltstufe realisieren.If a rotary switch is arranged in the dimmer, it can, in another possible embodiment, have a switching position in which the output is not connected to a capacitor, but in which the output is electrically isolated from the input. This serves to safely switch off the load to be dimmed. Alternatively or additionally, the input can be connected directly to the output in a further switching stage and thus realize an undimmed switching stage.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Dimmer einen elektromechanischen Druckschalter zum Ein-/ und Ausschalten auf, welcher unabhängig von der gewählten Schaltstufe schaltbar ist. Dadurch kann der Dimmer in einer Schaltstufe verbleiben, während die zu. dimmende Last mit elektrischer Leistung versorgt wird und während diese nicht mit elektrischer Leistung versorgt wird. Die bevorzugte Schaltstufe bleibt auch nach einem Ausschalten eingestellt, so dass der Bedienungskomfort verbessert wird.In a further embodiment, the dimmer has an electromechanical pressure switch for switching on and off, which can be switched independently of the selected switching stage. As a result, the dimmer can remain in a switching stage while the. Dimming load is supplied with electrical power and while it is not supplied with electrical power. The preferred shift level remains set even after turning off, so that the ease of use is improved.

Der verfahrenstechnische Aspekt der Aufgabenstellung wird durch ein Verfahren gelöst zum Dimmen von insbesondere Netzspannungs-LED-Lampen, Fluoreszenz-Niederdruck-Gasentladungslampen, Glühlampen und Netzspannungshalogenlampen mit einem Dimmer, aufweisend einen elektrischen Eingang und einen elektrischen Ausgang, mehrere Schaltstufen, sowie wenigstens eine elektrische Kapazität, insbesondere Kondensator, wobei ausgehend von einer Schaltstufe zum Erreichen einer anderen Schaltstufe eine zu schaltende Verbindung geschlossen wird, bevor eine zu öffnende Verbindung geöffnet wird.The procedural aspect of the problem is solved by a method for dimming in particular mains voltage LED lamps, fluorescent low-pressure gas discharge lamps, incandescent lamps and mains voltage halogen lamps with a dimmer, comprising an electrical input and an electrical output, a plurality of switching stages, and at least one electrical capacitance , In particular capacitor, starting from a switching stage to achieve another switching stage, a connection to be switched is closed before an openable connection is opened.

Weitere mögliche Ausgestaltungsformen und Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further possible embodiments and further developments of the present invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft beschrieben. In den Zeichnungen zeigtThe invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings with reference to a preferred embodiment. In the drawings shows

1 ein Dimm-Profil, welches graphisch den Wirkungsgrad (Efficacy), die Leistungsaufnahme (Power) und den Lichtstrom (Flux) für eine TRIAC-Dimmung, d. h. eine Dimmung gemäß dem Stand der Technik darstellt; 1 a dimming profile, which graphically represents the efficacy, the power and the flux for a TRIAC dimming, ie a dimming according to the prior art;

2 einen schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform eines Dimmers gemäß der vorliegenden Erfindung, welcher in Form eines Dimmers mit Drehschalter realisiert ist; 2 a schematic structure of a first embodiment of a dimmer according to the present invention, which is implemented in the form of a dimmer with rotary switch;

3 einen schematischen Aufbau einer zweiten Ausführungsform eines Dimmers gemäß der vorliegenden Erfindung, welcher als Kapazitäts-Schalter-Netzwerk realisiert ist; 3 a schematic structure of a second embodiment of a dimmer according to the present invention, which is realized as a capacity switch network;

4a ein Dimm-Profil, welches graphisch den Wirkungsgrad (Efficacy), die Leistungsaufnahme (Power) und den Lichtstrom (Flux) für eine Dimmung mit einem erfindungsgemäßen Dimmer für eine erste LED-Versuchsanordnung darstellt; und 4a a dimming profile, which graphically represents the efficacy, the power and the flux for dimming with a dimmer according to the invention for a first LED experimental arrangement; and

4b ein Dimm-Profil, welches graphisch den Wirkungsgrad (Efficacy), die Leistungsaufnahme (Power) und den Lichtstrom (Flux) für eine Dimmung mit einem erfindungsgemäßen Dimmer für eine zweite LED-Versuchsanordnung darstellt. 4b a dimming profile which graphically represents the efficacy, the power and the flux for dimming with a dimmer according to the invention for a second LED experimental arrangement.

2 stellt schematisch eine erste mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dimmers dar, der insbesondere bei festen Unterputz- oder Aufputz-Installationen vorteilhaft Anwendung finden kann. Der Dimmer weist einen mehrpoligen Netzspannungs-Drehschalter auf, um eine Vielzahl von Dimmstufen über eine Anreihung von wertegestaffelten Blockkondensatoren zu erreichen, die in ausreichenden Kapazitätswerten zur Netzentstörung handelsüblich und mit bestimmungsgemäßen Zulassungen hergestellt werden. 2 schematically represents a first possible embodiment of a dimmer according to the invention, which can be used advantageously especially in fixed flush or surface installations. The dimmer has a multi-pole mains voltage rotary switch to achieve a variety of dimming levels via a series of value-added block capacitors, which are manufactured in sufficient capacity values for network interference standard and with proper approvals.

2 gibt beispielhaft das Schaltschema einer erprobten Ausführungsform wieder, die samt der zehn X2-MPFC-Blockkondensatoren, dem zwölfpoligen Netzdrehschalter und einer Basisplatine in einer ISO-genormten Unterputzdose Platz findet. Hierin sind die Anschlüsse A0 und A1 des passiv/elektromechanischen Dimmers, der schaltungstechnisch lediglich aus dem zwölfpoligen Netzspannungs-Drehschalter S und den Kondensatoren CO bis C9 besteht, in Serie mit der Lampe L zwischen den Anschlüssen A1 und A2 geschaltet. 2 exemplifies the circuit diagram of a tried and tested embodiment, which together with the ten X2 MPFC blocking capacitors, the twelve-pole network rotary switch and a base board in an ISO-standardized flush-mounted box fits. Herein, the terminals A0 and A1 of the passive / electromechanical dimmer, which circuitarily consists only of the twelve-pole mains voltage rotary switch S and the capacitors C0 to C9, are connected in series with the lamp L between the terminals A1 and A2.

Im erprobten Ausführungsbeispiel haben die zehn X2-MPFC-Blockkondensatoren folgende Werte: CO = 2,2 μF C1 = 1,5 μF C2 = 1,0 μF C3 = 0,68 μF C4 = 0,47 μF C5 = 0,33 μF C6 = 0,22 μF C7 = 0,15 μF C8 = 0,10 μF C9 = 0,068 μF.In the proven embodiment, the ten X2-MPFC block capacitors have the following values: CO = 2.2 μF C1 = 1.5 μF C2 = 1.0 μF C3 = 0.68 μF C4 = 0.47 μF C5 = 0.33 μF C6 = 0.22 μF C7 = 0.15 μF C8 = 0.10 μF C9 = 0.068 μF.

Diese Standardwerte entsprechen der E6-Normreihe, in der die Werte jeweils um etwa ein Drittel vermindert werden, um mit 6 Werten eine gesamte Kapazitäts-Dekade abzudecken. Die erprobte Staffelung schwächt den Strom der Lampe proportional zu den jeweiligen Kapazitätswerten ab, die einen verlustfreien Wechselstromwiderstand darstellen und ist für eine ca. 10 Watt Netzspannungs-LED-Lampe so ausgelegt, dass diese von der dargestellten Aus-Stellung mit mechanischem Anschlag in die nächste Schalterstellung im Uhrzeigersinn unabgeschwächt einschaltet und in den nächsten Schaltstufen etwa jeweils um ein Drittel reduziert wird. Im Anschlag der elften Stufe ist über C9 eine Dimmung auf ca. 5% der Nominalleistung erreicht. Die logarithmische Abschwächung erweist sich als ergonomisch vorteilhaft.These default values correspond to the E6 standard series, where the values are each reduced by about one-third to cover an entire capacity decade with six values. The proven staggering attenuates the current of the lamp proportionally to the respective capacitance values representing a lossless AC resistance and is designed for an approx. 10 watt mains voltage LED lamp to move from the illustrated off position with mechanical stop to the next Switching clockwise unattenuated turns on and is reduced in the next switching stages about each third. At the end of the eleventh step, a dimming to about 5% of the nominal power is achieved via C9. The logarithmic weakening turns out to be ergonomically advantageous.

Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Drehschalter um einen brückenden Drehschalter, d. h. einen Schalter, welcher bei einem Schaltvorgang die einzuschaltende Schaltstufe bereits schaltet, während die auszuschaltende Schaltstufe noch geschaltet ist, und diese erst nach dem Übergang trennt, so dass eine Funkenbildung beim Schaltvorgang (die in der Regel beim Trennen der abzuschaltenden Schaltstufe auftritt) vermieden werden kann, zumal ein Ladungsausgleich während der Übergangs-Brückung bereits erfolgt ist und sich beide benachbarten Kondensatoren bei der Auftrennung der vorangegangenen Schalterstellung auf identischem Spannungspotenzial befinden. Beim Zuschalten eines Kondensators entsteht kein Funken, weil in den handelsüblichen Stufenschaltern ein gefederter Rastmechanismus für ein beschleunigtes und prellfreies Schließen der Kontakte sorgt. Drehwahlstufenschalter mit bis zu 12 Positionen in der lückenden Variante sind wie auch die brückende Variante mit bis zu 11 Positionen (eine Position fällt dem vorgespreizten Abgriffschleifer zum Opfer) sind handelsübliche elektomechanische Bauelemente, die von verschiedenen Herstellern als Industriestandard angeboten werden und werden in der brückenden Variante vorzugsweise als Signalquellen- oder Bereichs-Urnschalter in der Elektroakustik eingesetzt, um Umschaltgeräusche (Knacken und Brummen durch offene Übergangsimpedanzen) zu minimieren bzw. zu vermeiden.According to the invention, the rotary switch is a bridging rotary switch, d. H. a switch which already switches the switching stage to be switched on during a switching operation while the switching stage to be switched off is still switched, and separates it only after the transition, so that sparking during the switching operation (which usually occurs when disconnecting the switching stage to be disconnected) can be avoided , Especially since a charge balance during the transition bridge has already been made and both adjacent capacitors are at the separation of the previous switch position at the same voltage potential. When connecting a capacitor, there is no spark, because in the commercially available tap changers a spring-loaded detent mechanism ensures an accelerated and bounce-free closing of the contacts. Rotary indexing stage switches with up to 12 positions in the gaping version, as well as the bridging variant with up to 11 positions (one position is a victim of the pre-spread tap grinder) are commercially available electromechanical components that are offered by various manufacturers as an industry standard and are in the bridging version Preferably used as a signal source or range Urnschalter in the electroacoustics to minimize switching noise (cracking and humming through open transition impedances) or avoid.

Grundsätzlich funktioniert die vorstehend beschriebene Dimmung auch für Netzspannungs-Glühlampen und -Halogenlampen allerdings mutieren diese in dem entsprechenden Dimmbereich graduell zu Infrarotstrahlern. Kompakte Fluoreszenz-Niederdruck-Gasentladungslampen mit integriertem elektronischen Ballast können mit diesem Konzept ebenfalls gedimmt werden. Hierfür ist jedoch eine andere Staffelung der Kapazitätswerte erforderlich, weil die meisten dieser Lampen bei Werten unterhalb von ca. 1,2 μF flackern und/oder verlöschen und die Dimmcharakteristik nicht wie bei LED-Lampen proportional zu den Kapazitätswerten verläuft. Deswegen ist für diese Lampen ebenso eine verfeinerte Staffelung im unteren Dimmbereich erforderlich. Eine weitere Kompaktisierung bzw. eine Ausweitung des Dimmbereichs ist nach derzeitigem Stand etwa mit MLCC-Vielschicht-Keramikkondensatoren in Hochvolt-Ausführung anstatt der grösseren Polymer-Blockkondendsatoren möglich, insbesondere sofern diese für eine entsprechende X2-Schutzklasse als hinreichend spannungsfest, robust und sicher zertifiziert sind oder ein entsprechend wirksamer Überspannungsschutz durch Varistoren oder Schutzdioden und eventuell eine flankierende Überstrom-Sicherung gewährleistet ist.In principle, the dimming described above also works for mains voltage incandescent lamps and halogen lamps, but these mutate gradually in the corresponding dimming range to infrared radiators. Compact fluorescent low pressure gas discharge lamps with integrated electronic ballast can also be dimmed using this concept. However, a different staggering of the capacitance values is required because most of these lamps flicker and / or go out at values below about 1.2 μF and the dimming characteristic is not proportional to the capacitance values, as with LED lamps. Therefore, these lamps also require a refined staggering in the lower dimming range. Further compactization or expansion of the dimming range is possible according to the current state, for example with MLCC multilayer ceramic capacitors in high-voltage design instead of the larger polymer Blockkondendsatoren, especially if they are for a corresponding X2 protection class is sufficiently resistant to voltage, robust and safely certified, or correspondingly effective overvoltage protection is ensured by varistors or protective diodes and possibly a flanking overcurrent fuse.

Durch eine elektromechanische Koppelung des Drehschalters mit einem Druck-Aus-Schalter, Druck-Um-Schalter oder einem Druckfolgeschalter lässt sich der Dimmbereich bei vorgegebener Polzahl des Drehschalters um mindestens eine weitere Dimmstufe erweitern mit dem Vorteil, dass der zuletzt eingestellte Dimmwert beim Wiedereinschalten erhalten bleibt. In dieser Ausführungsform kann ggf. auf den Anschlag des Drehschalters verzichtet werden. Für kompakte Fluoreszenz-Niederdruck-Gasentladungslampen mit integriertem elektronischen Ballast ist diese Ausführungsform jedoch nicht empfehlenswert, weil deren Kathodenheizung beim Einschalten zunächst stets auf der hellsten Stufe kurzzeitig vorgeheizt werden muss, damit die Gasentladung zünden kann bzw. bei der Dimmung nicht bereits auf einer der nächsten Dimmstufen vorzeitig abreißt.By an electromechanical coupling of the rotary switch with a pressure-off switch, pressure-to-switch or Druckfolalter the dimming range can be extended at least a further dimming with a predetermined number of poles of the rotary switch with the advantage that the last set dimming value is maintained when switching on again , In this embodiment, if necessary, can be dispensed with the stop of the rotary switch. However, this embodiment is not recommended for compact fluorescent low-pressure gas discharge lamps with integrated electronic ballast, because their cathode heating must always be briefly pre-heated at the brightest stage when switching on, so that the gas discharge can ignite or not at the dimming on one of the next Dimming steps prematurely.

Der Vorteil des kapazitiv/elektromechanischen Mehrstufendimmers ohne Halbleiterelektronik liegt in der verlustlosen Dimmung von Netzspannungs-Energiesparlampen, für die es nach dem Stand der Technik zuvor keine Zweidrahtlösung gab, die in einer bestehenden Lichtinstallation nachgerüstet werden kann und im stationären Betrieb keinerlei Netzstörungen verursacht. Für die industrielle Umsetzung des erfindungsgemäßen Dimmerkonzepts kann auf handelsübliche, zertifizierte Standardkomponenten zurückgegriffen werden, was Konstruktion und Fertigung gegenüber alternativen Konzepten vereinfacht, den Markteintritt beschleunigt und die Kosten planbar macht.The advantage of the capacitive / electromechanical multistage dimmer without semiconductor electronics lies in the lossless dimming of mains voltage energy-saving lamps, for which there was previously no two-wire solution according to the prior art that can be retrofitted in an existing light installation and does not cause any network interference in stationary operation. For the industrial implementation of the dimmer concept according to the invention can be used on commercial, certified standard components, which simplifies design and manufacturing compared to alternative concepts, accelerates market entry and makes the costs plannable.

In 3 ist eine weitere mögliche Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen Dimmer dargestellt. Dabei handelt es sich um ein Kondensator-Schalter-Netzwerk bzw. um eine Kondensator-Schalter-Matrix mit vier Kondensatoren gleicher Kapazität C. Ferner ist in 3 ein Diagramm dargestellt, aus welchem die verschiedenen möglichen Schaltzustände (Schalter geschlossen: X) und die daraus resultierenden Kapazitätswerte in Einheiten der Verwendung findenden Kapazität C ersichtlich sind.In 3 another possible embodiment for a dimmer according to the invention is shown. This is a capacitor-switch network or a capacitor-switch matrix with four capacitors of the same capacitance C. Further, in 3 a diagram is shown, from which the various possible switching states (switch closed: X) and the resulting capacitance values in units of the use of finding capacity C can be seen.

Das Schaltungskonzept gemäß 3 basiert auf einem anwendungsspezifischen komplexen Matrixschalter, der es ermöglicht, die Anzahl, Werte und Diversität der keramischen Hochvolt-Chip-Kondensatoren oder Blockkondensatoren deutlich zu reduzieren und gleichermaßen die logarithmische Kapazitätsstufung so zu verfeinern, dass die einzelnen Dimmschritte unter der physiologischen Wahrnehmungsschwelle liegen. Dieses Konzept wird anhand eines Beispiels dargestellt, wie aus vier gleichwertigen Kondensatoren 15 annähernd logarithmisch gestaffelte Dimmstufen von 4C auf 1/4C durch variierte Kombinationen von Serien- und Parallelschaltung der vier gleichen Kondensatorwerte erreicht wird.The circuit concept according to 3 It is based on an application-specific complex matrix switch, which makes it possible to significantly reduce the number, values and diversity of ceramic high-voltage chip capacitors or block capacitors and likewise to refine the logarithmic capacitance grading so that the individual dimming steps are below the physiological threshold of perception. This concept is illustrated by way of example of how four equivalent capacitors 15 achieve approximately logarithmically-scaled dimming steps from 4C to 1 / 4C by varying combinations of series and parallel connection of the four equal capacitor values.

Wenigstens einer der Schalter A bis L, vorzugsweise alle Schalter sind als brückende Schalter ausgeführt, d. h. wenigstens ein Schalter, vorzugsweise alle Schalter schließen bereits dann den ihnen zugeordneten (Schalt-)Kontakt, wenn ein anderer oder mehrere zu öffnende(r) Schalter noch einen geschlossenen Schaltkontakt aufweisen/aufweist. Erst dann öffnet der zu öffnende Schalter.At least one of the switches A to L, preferably all switches are designed as bridging switches, d. H. At least one switch, preferably all switches, close their assigned (switching) contact even if another or several openable switches still have / have a closed switching contact. Only then opens the switch to be opened.

Diese komplexe Schaltmatrix lässt sich auch elektronisch mit potentiometergesteuerten Halbleiterschaltern implementieren. Diese bräuchten im Unterschied zum elektromechanischen Matrixschalter allerdings eine eigene Stromversorgung und könnten dennoch nicht (oder noch nicht) derart niederohmige Kontaktwiderstände wie ein elektromechanischer Schalter realisieren, was beides der Effizienzsteigerung durch die Dimmung insbesondere im untersten Dimmbereich zuwider liefe.This complex switching matrix can also be implemented electronically with potentiometer-controlled semiconductor switches. However, in contrast to the electromechanical matrix switch, these would need their own power supply and yet could not (or not yet) realize such low-resistance contact resistances as an electromechanical switch, which would both be detrimental to the increase in efficiency due to the dimming, in particular in the lowest dimming range.

Das in 3 dargestellte Beispiel mit 15 Dimmstufen stellt mehr Schaltstufen als das 10-stufige Drehwahlschalter-Konzept zur Verfügung. Durch Hinzufügen weiterer Kapazitäten können noch mehr Schaltstufen realisiert werden. Wenn beispielsweise 7 gleichwertige Kondensatoren statt der hier dargestellten 4 zum Einsatz kommen, kann mit kleineren Einzelkapazitätswerten ein erweiterter Dimmbereich und logarithmisch feiner gestaffelte 127 Dimmschritte auch unterhalb der Wahrnehmungsschwelle von 5%-Helligkeitsstufen abgedeckt werden (von denen einige auch ausgelassen bzw. in der Ausführung übersprungen werden können) was zudem den Anwendungsbereich über diverse Netzspannungsstandards und Lampenlastwattagen erweitern würde.This in 3 Example shown with 15 dimming levels provides more switching levels than the 10-level rotary switch concept. By adding additional capacities even more switching stages can be realized. For example, if 7 equivalent capacitors are used instead of 4 shown here, with smaller single capacitance values, an extended dimming range and logarithmically finer graded dimming steps may be covered below the threshold of 5% brightness levels (some of which are omitted or skipped during execution) which could also expand the scope of application over various mains voltage standards and lamp load wattages.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass sich in einem Aufbau gemäß 3 Wechselstrom-Widerstände über entsprechende Schalter bei einer bestimmten Wechselspannungs-Frequenz einstellen lassen – beispielsweise zur ergonomisch optimierten, störungs- und verlustfreien Zweidraht-Dimmung von Glühlampen und Energiesparlampen bzw. auch anderen Gasentladungslampen mit elektronischem Ballast und zwar ohne Verwendung aktiver Bauelemente, ohne Mindestlast-Erfordernis und ohne Gefährdung durch Überlast oder Kurzschluss. So lässt sich ein Bündel von 7 Block-Kondensatoren mit je einem Wert von ca. 1 μF durch Auslassen bestimmter möglicher Schalterstellungen in 24 relativen Abschwächungsschritten zwischen 94% und 96% vom jeweils vorangegangenen Wert in einer physiologisch quasikontinuierlichen Folge als scheinbar stufenloser Dimmer, insbesondere für handelsübliche Wattagen zwischen 4 und 40 Watt verwenden. Bei höheren Wattagen stellt sich eher eine gewisse Sättigung der Kennlinie ein. Eine Überlastung auch durch Kurzschluss ist nicht möglich. Bei einer Verwendung von 4 Kondensatoren ergeben sich 15 mögliche verschiedene Werte des resultierenden Wechselstrom-Widerstands bei einer bestimmten Wechselspannungs-Frequenz, je nach Schaltzustand der Schalter A bis L.In summary, it can be said that in a structure according to 3 Set AC resistors via appropriate switches at a certain AC frequency - for example, for ergonomically optimized, interference and loss-free two-wire dimming of incandescent and energy-saving lamps or other electronic ballast discharge lamps without the use of active components, no minimum load requirement and without risk of overload or short circuit. Thus, a bundle of 7 block capacitors, each with a value of about 1 uF by omitting certain possible switch positions in 24 relative attenuation steps between 94% and 96% of the previous value in a physiologically quasi-continuous sequence as a seemingly stepless dimmer, in particular for Use standard wattages between 4 and 40 watts. At higher wattages, there is more of a certain saturation of the characteristic curve. An overload also by short circuit is not possible. When 4 capacitors are used, there are 15 possible different values of the resulting AC resistance at a certain AC frequency, depending on the switching state of the switches A to L.

In den 4a und 4b sind letztendlich zwei Dimm-Profile, welche graphisch den Wirkungsgrad (Efficacy), die Leistungsaufnahme (Power) und den Lichtstrom (Flux) für eine Dimmung mit einem erfindungsgemäßen Dimmer für eine erste LED-Versuchsanordnung und eine zweite LED-Versuchsanordnung darstellen.In the 4a and 4b Finally, there are two dimming profiles, which graphically represent efficacy, power and flux for dimming with a dimmer for a first LED trial and a second LED trial.

Aus 4a wird deutlich, dass durch die verlustlose kapazitive Dimmung der Wirkungsgrad gegenüber dem Stand der Technik (vgl. 1) um mehr als 55% von 96 auf 149 lm/W gesteigert wird. In einem weiteren Experiment mit einer weiteren LED-Anordnung (Ergebnisse des Versuchs sind in 4b dargestellt) erreichte die Effizienz sogar 235 lm/W und der Effizienzgewinn durch die Dimmung liegt damit bei über 200%.Out 4a It is clear that the lossless capacitive dimming the efficiency over the prior art (see. 1 ) is increased by more than 55% from 96 to 149 lm / W. In another experiment with another LED array (results of the experiment are in 4b the efficiency reached even 235 lm / W and the efficiency gain through the dimming is thus over 200%.

Wie bereits einleitend erwähnt, umfasst die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Dimmen von insbesondere Netzspannungs-LED-Lampen, Fluoreszenz-Niederdruck-Gasentladungslampen, Glühlampen und Netzspannungshalogenlampen mit einem Dimmer, aufweisend einen elektrischen Eingang und einen elektrischen Ausgang, sowie wenigstens eine elektrische Kapazität, insbesondere Kondensator, wobei ausgehend von einer Schaltstufe zum Erreichen einer anderen Schaltstufe eine zu schaltende Verbindung geschlossen wird, bevor eine zu öffnende Verbindung geöffnet wird.As already mentioned in the introduction, the present invention also encompasses a method for dimming in particular mains voltage LED lamps, fluorescent low-pressure gas discharge lamps, incandescent lamps and mains voltage halogen lamps with a dimmer, having an electrical input and an electrical output, and at least one electrical capacitance, In particular capacitor, starting from a switching stage to achieve another switching stage, a connection to be switched is closed before a connection to be opened is opened.

Claims

Multi-stage capacitive-electromechanical installation dimmer, comprising an electrical input and an electrical output, and at least one electrical capacitance (C0-C9), wherein the electrical output of the dimmer at at least two switching stages by means of one or more mechanical switches (A-L, S) with one or more electrical capacitances (C0-C9) is connectable, wherein the one or at least one of the plurality of mechanical switches (A-L, S) is a bridging switch, characterized in that by the one or more switches (A-L , S) one or more electrical capacitances (C0-C9) between the input and output are switchable, so that there is a circuit input capacitor (s) output in the dimmer, wherein for each switching stage one or more capacitances are provided or switching stages provided are to which no capacity is assigned.

Multi-stage capacitive-electromechanical installation dimmer according to claim 1, characterized in that the dimmer comprises a switch (S), which is designed as a multi-pole, bridging rotary switch.

Multi-stage capacitive-electromechanical installation dimmer according to claim 1 or 2, characterized in that the dimmer comprises one or more on / off switches, which are arranged in a network which consists of electrical capacitances (C0-C9), such that various desired series and / or series of electrical capacitances (C0-C9) between the electrical input and the electrical output of the dimmer can be realized.

Multi-stage capacitive-electromechanical installation dimmer according to one of the preceding claims, characterized in that the dimmer has a switching stage in which the input is electrically isolated from the output.

Multi-stage capacitive-electromechanical installation dimmer according to one of claims 1-3, characterized in that the dimmer has a switching stage in which the input is electrically connected directly to the output.

Multi-stage capacitive-electromechanical installation dimmer according to one of the preceding claims, characterized in that the dimmer has an electromechanical pressure switch for switching on and off, which is independent of the selected switching stage switchable.

Method for dimming with a dimmer having a plurality of switching stages, having an electrical input and an electrical output, and at least one electrical capacitor, wherein a connection to be switched is closed from one switching stage to reach another switching stage before a connection to be opened is opened, characterized in that one or more electrical capacitances (C0-C9) are switchable between the input and the output by the one or more switches (A-L, S), so that a circuit input capacitor (s) output in the dimmer reveals wherein one or more capacitances are provided for each switching stage or switching stages may be provided to which no capacitance is assigned.