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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regelung des von mindestens einem Leuchtmittel abgegebenen Lichts, umfassend einen Lichtsensor, der ausgelegt ist einen beleuchtungsstärkeproportionalen Strom bereitzustellen, wobei der Lichtsensor einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss ausgelegt ist zum Koppeln mit einer Versorgungsspannung; einen AD-Wandler, der eingangsseitig mit dem zweiten Anschluss des Lichtsensors gekoppelt ist; und eine Steuervorrichtung, die mit dem Ausgang des AD-Wandlers gekoppelt ist, wobei die Steuervorrichtung ausgelegt ist, das mindestens eine Leuchtmittel in Abhängigkeit des Ausgangssignals des AD-Wandlers anzusteuern, wobei der zweite Anschluss des Lichtsensors über mindestens einen ohmschen Widerstand mit einem Bezugspotential gekoppelt ist.
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Stand der Technik
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Zur Erfassung des Umgebungslichts bei geregelten Anlagen kommt häufig ein Lichtsensor, insbesondere ein Fototransistor, zum Einsatz. Dieser liefert als Stromquelle einen beleuchtungsstärkeproportionalen Strom, welcher an einem Lastwiderstand eine proportionale Spannung abfallen lässt. Diese ist zur Digitalisierung mittels eines AD-Wandlers verwendbar. Ein derartiger Wandler ist in nahezu allen Mikrocontrollern verfügbar. Der übliche Auflösungsbereich liegt hierbei im Bereich bis maximal 10 bit, womit sich bis zu 1023 Quantisierungsstufen erreichen lassen.
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Unter idealen Bedingungen kann diese Abstufung für eine Lichtregelung bei geringen Beleuchtungsstärken ausreichen. Im Realfall ergeben sich jedoch Abweichungen der Übertragungskennlinie, die zum einen durch die Exemplarstreuung der verwendeten Fototransistoren (Standard-Binning des Fotostroms +/–33%) sowie durch unterschiedliche Anwendungsfälle, beispielsweise Stehleuchte versus Deckeneinbau, bedingt sind.
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Dies führt dazu, dass die Auflösung insbesondere bei geringen Beleuchtungsstärken unzureichend ist.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, um ein zumindest abschnittsweise hinreichend fein aufgelöstes Helligkeitssignal zu gewinnen. Gegenüber der oben erwähnten Anzahl von Quantisierungsstufen, die mit einem AD-Wandler erzielbar sind, der wie erwähnt in üblichen Mikrocontrollern vorhanden ist, kann eine verbesserte Auflösung durch einen externen, hochauflösenden AD-Wandler erreicht werden. Aus der
EP 2 306 165 A2 ist weiterhin ein Single-/Dual-Slope-AD-Wandler bekannt, mit dem sich ebenfalls eine verbesserte Auflösung erzielen lässt. Alternativ kommt die Logarithmierung des Analogsignals vor der Digitalisierung in Betracht. Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird ein externer Verstärker verwendet. In diesem Zusammenhang wird verwiesen auf die
US 2008/0054159 A1 . Aus der
JP 2006-277967 A ist ein Lichtsystem bekannt, welches den Meßbereich einer Verstärkerschaltung umschalten kann, um eine höhere Meßpräzision zu erzielen.
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Alle diese Methoden sind mit einer mehr oder weniger aufwendigen externen Beschaltung verbunden.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Schaltungsanordnung derart weiterzubilden, dass sich eine Verbesserung der Auflösung des Helligkeitssignals, insbesondere im unteren Bereich des Messbereichs, bei einem möglichst geringen Aufwand realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Auflösungsbereich des AD-Wandlers mit dem ohmschen Widerstand korreliert ist, über den der zweite Anschluss des Lichtsensors mit einem Bezugspotential gekoppelt ist. Bildet man diesen ohmschen Widerstand variabel aus, so kann eine Messbereichsumschaltung, das heißt insbesondere eine Verbesserung der Auflösung im unteren Messbereich, realisiert werden.
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Erfindungsgemäß ist daher der aus dem Stand der Technik bekannte ohmsche Widerstand durch die Serienschaltung mindestens eines ersten und eines zweiten ohmschen Widerstands ersetzt. Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin einen ersten elektronischen Schalter mit einer Steuerelektrode, einer Bezugselektrode und einer Arbeitselektrode, wobei der erste elektronische Schalter dem ersten ohmschen Widerstand parallelgeschaltet ist. Die Schaltungsanordnung weist weiterhin eine Messbereichsumschaltvorrichtung auf, die ihrerseits einen Eingang aufweist, über den der Messbereichsumschaltvorrichtung ein Signal zuführbar ist, das mit dem beleuchtungsstärkeproportionalen Strom korreliert ist. Die Messbereichsumschaltvorrichtung weist weiterhin einen ersten Ausgang auf, der mit der Steuerelektrode des ersten elektronischen Schalters gekoppelt ist. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit der gemessenen Helligkeit eine Messbereichsumschaltung vorgenommen werden. Ist der erste elektronische Schalter nicht-leitend geschaltet, das heißt der erste und der zweite ohmsche Widerstand sind in Serie zueinander geschaltet, kann eine höhere Empfindlichkeit und damit eine höhere Auflösung erzielt werden als in dem Fall, in dem der erste elektronische Schalter leitend geschaltet ist.
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Durch diese einfache und preiswerte Vorgehensweise lässt sich eine verbesserte Auflösung des Helligkeitssignals im unteren Messbereich erzielen. Aufgrund der geringen baulichen Veränderungen lässt sich die erfindungsgemäße Lösung bei geringen Bauelementekosten sowie unter Beanspruchung einer minimalen zusätzlichen Fläche auf der entsprechenden Leiterplatte bewerkstelligen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Messbereichsumschaltvorrichtung ausgelegt ist dann, wenn das Signal an ihrem Eingang einen ersten vorgebbaren Schwellwert überschreitet, eine Messbereichsumschaltung vorzunehmen. Demnach erfolgt die Messbereichsumschaltung automatisch, das heißt ohne ein Zutun eines Benutzers.
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Erfindungsgemäß ist die Messbereichsumschaltvorrichtung in diesem Zusammenhang zur Realisierung einer Messbereichsumschaltung auslegt, die Steuerelektrode des ersten elektronischen Schalters in vorgebbarer Weise anzusteuern. Dabei kann die Messbereichsumschaltvorrichtung ausgebildet sein, den ersten ohmschen Widerstand kurzzuschließen. Auf diese Weise ist nur noch der zweite ohmsche Widerstand wirksam, sodass die Empfindlichkeit für große Messwerte reduziert werden kann. Für kleine Messwerte steht eine höhere Auflösung zur Verfügung.
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Erfindungsgemäß ist die Messbereichsumschaltvorrichtung ausgebildet, ein PWM(Pulsweitenmodulation)-Signal an die Steuerelektrode des ersten elektronischen Schalters anzulegen. Auf diese Weise kann durch das Tastverhältnis die Verbesserung der Auflösung fein justiert werden. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt zwischen den zweiten Anschluss des Lichtsensors und den Eingang des AD-Wandlers eine Vorrichtung zur Mittelwertbildung angeordnet.
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Bevorzugt sind zumindest die Steuervorrichtung, der AD-Wandler und die Messbereichsumschaltvorrichtung durch einen Mikrocontroller realisiert, wobei der erste elektronische Schalter den unteren Schalter eines Portpins des Mikrocontrollers darstellt. Insofern kann auf ohnehin in einem Mikrocontroller vorhandene Ressourcen zurückgegriffen werden, sodass die Umsetzung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer minimalen Anzahl externer Bauelemente auskommt.
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Vorzugsweise ist der erste elektronische Schalter als MOSFET, insbesondere als n-Kanal-MOSFET realisiert, was eine vollständige DC-Rückwirkungsfreiheit auf den Messkreis garantiert.
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Wie bereits erwähnt, ist bevorzugt zwischen den zweiten Anschluss des Lichtsensors und den Eingang des AD-Wandlers eine Vorrichtung zur Mittelwertbildung gekoppelt. Dadurch lässt sich die Wirkung des ersten ohmschen Widerstands, dem der erste elektronische Schalter parallelgeschaltet ist, zum Variieren der Auflösung modifizieren.
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Erfindungsgemäß umfasst der AD-Wandler einen Referenzspannungsanschluss, wobei der AD-Wandler ausgelegt ist, die AD-Wandlung in Abhängigkeit der an dem Referenzspannungsanschluss angelegten Referenzspannung durchzuführen, wobei die Messbereichsumschaltvorrichtung ausgelegt ist, den Referenzspannungsanschluss des AD-Wandlers in Abhängigkeit des Signals an ihrem Eingang mit einer von mindestens zwei unterschiedlichen Referenzspannungen zu koppeln. Durch eine Absenkung der Referenzspannung kann ebenfalls eine Reduktion des Messbereichs und damit effektiv eine Erhöhung der Auflösung im verbleibenden Messbereich herbeigeführt werden. Damit lässt sich eine weitere Verfeinerung der Auflösung erzielen.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass zwischen einem Versorgungsspannungsanschluss und den ersten Anschluss des Lichtsensors ein zweiter elektronischer Schalter gekoppelt ist, wobei die Messbereichsumschaltvorrichtung mit der Steuerelektrode des zweiten elektronischen Schalters gekoppelt ist, wobei die Messbereichsumschaltvorrichtung ausgelegt ist, das Tastverhältnis eines an die Steuerelektrode des zweiten elektronischen Schalters angelegten Rechtecksignals in Abhängigkeit des Signals an ihrem Eingang zu variieren. Mit anderen Worten wird durch diese Maßnahme der Eingangsstrom des Lichtsensors mittels Pulsweitenmodulation zerhackt. Damit kann der Messbereich in feiner Stufung angepasst werden.
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Zur Vermeidung von Interferenzen kann die Messbereichsumschaltvorrichtung weiterhin ausgelegt sein, die Frequenz des Rechtecksignals zu wobbeln, was insbesondere bei gepulsten Lichtquellen, beispielsweise gedimmten LEDs, notwendig sein kann.
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Schließlich kann zwischen den zweiten Anschluss des Lichtsensors und den Eingang des AD-Wandlers eine Verstärkungsvorrichtung gekoppelt sein. Dies ermöglicht eine Modifikation des Ausgangssignals des Lichtsensors, um auf diesem Wege eine Veränderung der Auflösung herbeizuführen.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
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Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unterschiedlichen, optionalen Maßnahmen zur Modifikation des Auflösungsbereichs; und
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2 für ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Abhängigkeit der Messspannung von der Beleuchtungsstärke bei zwei unterschiedlichen Auflösungen.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 10 zur Regelung des von mindestens einem Leuchtmittel LQ abgegebenen Lichts. In der Schaltungsanordnung 10 sind unterschiedliche Maßnahmen zur Modifikation des Auflösungsbereichs eines AD-Wandlers 12 vorgesehen, die einzeln oder in unterschiedlichen Kombinationen vorhanden sein können. Grundsätzlich ist ein Lichtsensor 14, insbesondere ein Fototransistor vorgesehen, der ausgelegt ist, einen beleuchtungsstärkeproportionalen Strom I bereitzustellen. Der Lichtsensor 14 umfasst einen ersten und einen zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss zum Koppeln mit einer Versorgungsspannungsquelle Uv dient. Der zweite Anschluss des Lichtsensors 14 ist einerseits über eine optionale Vorrichtung 16 zur Mittelwertbildung mit dem Eingang des AD-Wandlers 12 gekoppelt. Mit dem zweiten Anschluss des Lichtsensors 14 ist weiterhin die Serienschaltung eines ohmschen Widerstands R1 und eines ohmschen Widerstands R2 gekoppelt, wobei der ohmsche Widerstand R2 mit seinem freien Anschluss an ein Bezugspotential angeschlossen ist. Dem ohmschen Widerstand R2 ist ein elektronischer Schalter 51 parallelgeschaltet, wobei der elektronische Schalter 51 eine Steuerelektrode, eine Bezugselektrode und eine Arbeitselektrode aufweist. Die Steuerelektrode des elektronischen Schalters S1 ist mit einer Messbereichsumschaltvorrichtung 18 gekoppelt. Eine Steuervorrichtung 20 ist mit dem Ausgang des AD-Wandlers 12 gekoppelt. Die Steuervorrichtung 20 liefert ein Signal, das mit dem beleuchtungsstärkeproportionalen Strom I korreliert ist, an die Messbereichsumschaltvorrichtung 18. In Abhängigkeit des beleuchtungsstärkeproportionalen Stroms I ist die Messbereichsumschaltvorrichtung 18 ausgelegt, den Schalter S1 leitend oder nicht-leitend zu schalten.
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Bei dem Lichtsensor 14 kann es sich beispielsweise um einen Fototransistor SFH-3710 handeln. Die Vorrichtung 16 zur Mittelwertbildung, der AD-Wandler 12, die Steuervorrichtung 20, die Messbereichsumschaltvorrichtung 18 sowie der Schalter 51 können durch einen Mikrocontroller realisiert sein, beispielsweise durch einen ATmega168. Wird der Schalter 51 dauerhaft leitend geschaltet, wirkt lediglich der ohmsche Widerstand R1 am zweiten Anschluss des Lichtsensors 14. Auf diese Weise kann für kleine Messwerte eine höhere Auflösung bereitgestellt werden. Dadurch, dass die Steuervorrichtung 20 der Messbereichsumschaltvorrichtung 18 ein Signal bereitstellt, das mit der Größe des beleuchtungsstärkeproportionalen Stroms I korreliert ist, kann die Messbereichsumschaltung automatisiert werden.
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Die Messbereichsumschaltvorrichtung 18 kann jedoch auch ein PWM-Signal an die Steuerelektrode des elektronischen Schalters 51 anlegen. Auf diese Weise kann eine gewünschte Auflösung eines vorgebbaren Messbereichs realisiert werden.
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Vorzugsweise ist der Schalter 51 als n-Kanal-MOSFET implementiert, was eine vollständige DC-Rückwirkungsfreiheit auf den Messkreis garantiert. Eine vereinfachte Umsetzung greift direkt auf den internen unteren Schalttransistor des entsprechenden Mikrocontroller-Ports zu. Insofern braucht der Schalter 51 nicht extern ausgeführt werden.
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2 zeigt in diesem Zusammenhang die Abhängigkeit der Messspannung in mV von der Beleuchtungsstärke in lux. Kurvenzug a) zeigt die Kennlinie, wenn am zweiten Anschluss des Lichtsensors 14 lediglich der ohmsche Widerstand R1 wirkt, das heißt der elektronische Schalter S1 leitend geschaltet ist, während Kurvenzug b) die Kennlinie zeigt, wenn die Widerstände R1 und R2 in Serie geschaltet sind. Wie deutlich zu erkennen ist, ergibt sich bei Serienschaltung der Widerstände R1 und R2, das heißt der Schalter S1 ist nicht-leitend geschaltet, eine deutlich erhöhte Auflösung im unteren Messbereich. Für die Ermittlung der Kurvenzüge der 2 wurde R1 zu 28 kΩ und R2 zu 140 kΩ gewählt. Der Abstand zwischen Sensor und Tischplatte betrug 1,60 m.
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Neben der erwähnten Möglichkeit, den Fußwiderstand des AD-Wandlers 12 anzupassen, gibt es noch weitere Beeinflussungswege für das Ergebnis der AD-Wandlung.
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Der AD-Wandler 12 umfasst nämlich einen Referenzspannungsanschluss, wobei der AD-Wandler 12 ausgelegt ist, die AD-Wandlung in Abhängigkeit der an seinem Referenzspannungsanschluss angelegten Referenzspannung durchzuführen. Vorliegend ist ein Schalter S3 vorgesehen, mit dem der Referenzspannungsanschluss des AD-Wandlers 12 mit unterschiedlichen Referenzspannungen, Uref1 beziehungsweise Uref2, gekoppelt werden kann. Die Umschaltung erfolgt ebenfalls über die Messbereichsumschaltvorrichtung 18. Eine Absenkung der Referenzspannung bewirkt eine Reduktion des Messbereichs und damit effektiv eine Erhöhung der Auflösung im verbleibenden Bereich.
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Obwohl bei dem erwähnten ATmega168 die Referenzspannung nicht frei festgelegt werden kann, gibt es hier dennoch eine Variationsmöglichkeit, die eine Bereichsumschaltung in einem bestimmten Verhältnis ermöglicht. Bei Speisung des Mikrocontrollers mit 3,3 V wird notwendigerweise auch die analoge Versorgungsspannung auf 3,3 V gelegt, die als Referenz dient. Es existiert jedoch auch die Möglichkeit, eine interne Referenzspannung von 1,1 V zu benutzen. Somit kann ohne jegliche Außenbeschaltung eine Umschaltung im Verhältnis 1:3 realisiert werden. Zum genauen Umrechnen der beiden Bereiche wären jedoch zwei Widerstände erforderlich, die die 3,3 V-Versorgung auf einen Wert kleiner 1,1 V geteilt an einen zweiten Kanal des AD-Wandlers 12 anlegen. Dadurch kann dann die einer größeren Toleranz unterliegende interne 1,1 V-Spannung (die Toleranz beträgt hier +/–9%) genauer bestimmt werden.
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Eine weitere Möglichkeit der Modifikation der Auflösung besteht darin, den analogen Messwert zu modifizieren. Hierbei kann zwischen den Anschluss an die Versorgungsspannung Uv und den ersten Anschluss des Lichtsensors 14 ein elektronischer Schalter S2 gekoppelt sein. Die Messbereichsumschaltvorrichtung 18 kann mit der Steuerelektrode des Schalters S2 gekoppelt sein, wobei die Messbereichsumschaltvorrichtung 18 ausgelegt ist, das Tastverhältnis eines an die Steuerelektrode des elektronischen Schalters S2 angelegten Rechtecksignals in Abhängigkeit des Signals an ihrem Eingang zu variieren. Mit anderen Worten wird der Eingangsstrom des Lichtsensors 14 mittels PWM zerhackt.
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Damit kann der Messbereich in feiner Stufung angepasst werden. Zur Vermeidung von Interferenzen kann die PWM-Frequenz gewobbelt werden, was insbesondere bei gepulsten Lichtquellen, das heißt gedimmten LEDs, notwendig sein kann.
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Alternativ ist der zusätzliche Einsatz eines externen Verstärkers, insbesondere mit festem Verstärkungsfaktor, möglich. Dieser kann bevorzugt zwischen den zweiten Anschluss des Lichtsensors 14 und den Eingang des AD-Wandlers 12 gekoppelt sein.
