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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben zumindest eines Leuchtmittels gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Lampen beziehungsweise Leuchtmittel, im Folgenden auch als LE (= Light Engines) bezeichnet, können Elemente für eine Automatisierung von Beleuchtungssystemen enthalten. Dies können beispielsweise Lichtsensoren sein, die ein Einschalten der LE bei ausreichend großer Umgebungshelligkeit verhindern beziehungsweise diese LE automatisch einschalten, wenn die Umgebungshelligkeit einen vorgebbaren Wert unterschreitet. Des Weiteren kann auch ein Bewegungssensor auf einer LE integriert werden, der die LE einschaltet oder deren Helligkeit verändert, wenn in einem Zielfeld eine Bewegung, beispielsweise eine sich bewegende Person, detektiert wird.
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In manchen Anwendungsfällen kann es allerdings sinnvoll sein, aus beleuchtungstechnischen Gründen eine relativ hohe Anzahl an Leuchten vorzusehen, aber nicht in jeder dieser Leuchten Sensoren bereitzustellen. Vorteilhaft ist es, Sensoren nur in einem Teil der Leuchten einzubauen und vorzusehen, die anderen Leuchten von der Leuchte mit Sensor fernzusteuern.
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Problematik, eine einfache Möglichkeit zu beschreiben, wie Steuersignale von einer Leuchte mit Sensor, im Nachfolgenden als Master bezeichnet, zu einer Leuchte ohne Sensor, im Nachfolgenden als Slave bezeichnet, übertragen werden können.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Bussysteme beziehungsweise Master-Slave-Systeme bekannt, beispielsweise unter der Bezeichnung I2C oder DALI.
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In diesem Zusammenhang offenbart die
AT 11 444 U1 eine Schnittstelle für einen Busteilnehmer einer Beleuchtungsanlage, wobei die Schnittstelle einen Gleichrichter zum Gleichrichten der Spannung der Busleitung sowie Mittel zur Potentialtrennung der Busleitung aufweist, wobei der Gleichrichter und die Mittel zur Potentialtrennung in einer integrierten Schnittstelle enthalten sind.
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Die
GB 2 115 240 A offenbart eine Steuervorrichtung zur Steuerung des Stroms, der von einer Wechselstromversorgung an eine Last angelegt wird, durch Phasensteuerung eines elektrisch auslösbaren Schalters, der zwischen Last und Stromversorgung geschaltet ist, wobei die Steuervorrichtung eine Phasendetektorvorrichtung umfasst zur Erzeugung einer Abfolge von Taktsignalen zu jeweiligen Zeitpunkten, zu denen die Wechselstromversorgung an einem vorgegebenen Punkt in ihrer Wellenform ist.
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Weiterhin offenbart die
DE 20 2005 021 023 U1 ein Gebäudeinstallationssystem bestehend aus zwei unterschiedlichen Bussystemen, welche jeweils zumindest ein Busgerät aufweisen, die zum Zwecke der Kommunikation, der bedarfsgerechten Funktionserfüllung und Inbetriebnahme über ein Busübertragungsmodul miteinander in Verbindung stehen, wobei eintreffende Information des ersten Bussystems in übertragbare Befehle des zweiten Bussystems und/oder eintreffende Information des zweiten Bussystems in übertragbare Befehle des ersten Bussystems umgesetzt werden, wobei alle Busgeräte einen derartigen Aufbau aufweisen, dass die Busgeräte des ersten Bussystems lediglich unter Verwendung eines angepassten Physical Layer als angepasste Busgeräte zur Verwendung im zweiten Bussystem einsetzbar sind.
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Aus der
DE 10 2009 009 535 A1 ist eine Schaltung zur Ansteuerung eines Betriebsgeräts für eine Lichtanwendung bekannt, mit einem galvanisch getrennten Übertrager, an den ein Steuersignal anlegbar ist, und mit einem Leistungsteil, das von dem galvanisch getrennten Übertrager abhängig von dem Steuersignal aktivierbar ist.
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Allerdings erfordern diese Systeme einen nicht unerheblichen Schaltungs-, Installations- und Kostenaufwand. Für einfache Anwendungen ist eine derart hohe Komplexität und Funktionalität aus Kostengründen nicht erwünscht.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung derart weiterzubilden, dass eine kostengünstige Übertragung von Steuersignalen von einem Master zu mindestens einem Slave ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine kostengünstige Lösung der obigen Aufgabe ermöglicht wird, wenn der Bus als schlichte Zweidrahtleitung ausgeführt ist, auf den die Mastervorrichtung ein Steuersignal aufbringt. Die Erfindung basiert weiterhin darauf, dass die Mastervorrichtung, insbesondere unterschiedliche Mastervorrichtungen, sowie die mindestens eine Slavevorrichtung, insbesondere unterschiedliche Slavevorrichtungen, gewöhnlich in nicht vorhersagbarer Weise mit den unterschiedlichen Phasen eines Wechselstromnetzes gekoppelt sein können. Würden ohne weitere Vorkehrungen Slavevorrichtungen demnach zum Auslesen des von der Mastervorrichtung aufgebrachten Steuersignals elektrisch leitend mit dem Bus gekoppelt, so könnte es bei unglücklicher Wahl der Spannungsversorgung des Masters und der Spannungsversorgung des mindestens einen Slaves zu einem Kurzschluss kommen, der nicht nur ein Auslesen des Steuersignals durch den Slave verhindert, sondern sowohl Bauelemente des Masters als auch des Slaves zerstören könnte. Dieses Problem wird vermieden, wenn das Auslesen potentialgetrennt, das heißt galvanisch getrennt, erfolgt. Auf diese Weise können Master und Slave in beliebiger Weise mit der Spannungsversorgung gekoppelt sein, ohne dass dadurch Kurzschlüsse oder eine Zerstörung der entsprechenden Schaltungen zu befürchten wäre. Die Master und die Slaves können ohne weitere Vorkehrungen an das Wechselstromnetz angeschlossen werden.
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Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass die Mastervorrichtung einen nicht speisenden Anschluss umfasst, der mit einem weiteren Bus koppelbar ist, wobei die Mastervorrichtung eine Auslesevorrichtung zum Auslesen des Steuersignals auf dem weiteren Bus umfasst, wobei die Auslesevorrichtung eine Potentialtrennvorrichtung umfasst.
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Durch diese Maßnahme ist grundsätzlich die Möglichkeit geschaffen, dass die Mastervorrichtung ein Steuersignal von einem weiteren Bus auslesen kann. Dies wird insbesondere dann besonders relevant, wenn, wie weiter unten noch näher ausgeführt wird, eine zweite Mastervorrichtung mit dem Bus gekoppelt ist, mit dem die erste Mastervorrichtung mit ihrem speisenden Anschluss gekoppelt ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Mastervorrichtung einen Anschluss für zumindest ein Leuchtmittel, wobei der Anschluss für das zumindest eine Leuchtmittel auf der von dem weiteren Bus potentialgetrennten Seite der Auslesevorrichtung vorgesehen ist.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn der nicht speisende Anschluss der Mastervorrichtung weiterhin eine Kurzschlussvorrichtung umfasst, die mit dem weiteren Bus gekoppelt ist, wobei die Kurzschlussvorrichtung einen Steuereingang zum Anlegen eines Kurzschlusssignals umfasst und ausgelegt ist, die beiden Leitungen des weiteren Busses bei Anlegen eines Kurzschlusssignals an ihrem Steuereingang kurzzuschließen, wobei die Kurzschlussvorrichtung eine Potentialtrennvorrichtung zum Trennen des Potentials des Steuereingangs vom Potential des weiteren Busses umfasst. Auf diese Weise kann eine Mastervorrichtung, die lediglich mit ihrem nicht speisenden Anschluss mit einem Bus gekoppelt ist, das Steuersignal der Mastervorrichtung, die mit ihrem speisenden Anschluss mit dem Bus gekoppelt ist, übersteuern, das heißt aufheben. Auf diese Weise wird die Grundlage geschaffen, dass mehrere Mastervorrichtungen, die bevorzugt jeweils mit mindestens einer Slavevorrichtung über ihren speisenden Anschluss gekoppelt sind, zusammenwirken können, wobei mit jeweils einem Bus des Bussystems immer nur eine Mastervorrichtung mit ihrem speisenden Anschluss gekoppelt ist, jedoch mehrere Mastervorrichtungen mit ihren nicht speisenden Anschlüssen gekoppelt sein können. Dadurch können die mit ihren nicht speisenden Anschlüssen gekoppelten Mastervorrichtungen das Potential, und dadurch das Steuersignal, auf dem Bus bestimmen und damit die Mastervorrichtung steuern, die mit ihrem speisenden Anschluss mit diesem Bus verbunden ist, sowie die an diesen Bus gekoppelten Slavevorrichtungen.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst daher die Schaltungsanordnung zumindest einen ersten und einen zweiten Bus, zumindest eine erste und eine zweite Mastervorrichtung mit jeweils einem speisenden Anschluss und einem nicht speisenden Anschluss, wobei zumindest der speisende Anschluss der ersten Mastervorrichtung mit dem ersten Bus gekoppelt sind, wobei der speisende Anschluss der zweiten Mastervorrichtung mit dem zweiten Bus gekoppelt ist, wobei der nicht speisende Anschluss der zweiten Mastervorrichtung mit dem ersten Bus gekoppelt ist. In dieser Konstellation kann die zweite Mastervorrichtung über ihren nicht speisenden Anschluss das Potential, und damit das Steuersignal, auf dem ersten Bus beeinflussen, der eigentlich von der ersten Mastervorrichtung gespeist wird. In einem konkreten Anwendungsbeispiel kann man sich einen langen Flur vorstellen, an dessen einem Ende die erste Mastervorrichtung positioniert ist und an dessen gegenüberliegendem Ende die zweite Mastervorrichtung positioniert ist. Eine Vielzahl von Slavevorrichtungen, die der ersten Mastervorrichtung zugeordnet sind, sind zwischen der ersten und der zweiten Mastervorrichtung verteilt angeordnet und sind potentialgetrennt mit dem ersten Bus gekoppelt. Beide Mastervorrichtungen sind mit einem Bewegungssensor ausgestattet. Wenn nun die erste Mastervorrichtung keine Bewegung detektiert und damit die mit ihr gekoppelten Leuchtmittel sowie die mit den zugehörigen Slavevorrichtungen gekoppelten Leuchtmittel durch entsprechende Ansteuerung durch Anlegen eines entsprechendes Steuersignals in einem Ruhezustand, beispielsweise ausgeschaltet oder gedimmt, lässt, kann die zweite Mastervorrichtung, wenn sie eine Bewegung detektiert, dieses Ausschaltsignal übersteuern und damit sich selbst, d.h. ihre eigenen Leuchtmittel, die Leuchtmittel der ersten Mastervorrichtung sowie die Leuchtmittel der an den ersten Bus gekoppelten Slavevorrichtungen aktivieren. Auf diese Weise können somit mehrere erfindungsgemäße Master-Slave-Systeme miteinander verbunden werden, um zum Beispiel die Beleuchtung in einem langen Flur abschnittsweise zu steuern.
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Bevorzugt umfasst die jeweilige Potentialtrennvorrichtung einen Optokoppler. Würde anstatt dessen ein Übertrager verwendet, müsste das Steuersignal als AC-Signal vorliegen. Bei Verwendung eines Optokopplers hingegen kann in kostengünstiger und einfacher Weise ein DC-Signal übertragen werden. EMV-Probleme können zuverlässig verhindert werden. Der Optokoppler umfasst bevorzugt eine Sendediode und einen Fototransistor, wobei seriell zur Sendediode eine Strombegrenzungsvorrichtung, insbesondere ein ohmscher Widerstand, gekoppelt ist. Diese Strombegrenzungsvorrichtung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Vorwärtsspannungen mehrerer an den Bus angeschlossener Auslesevorrichtungen unterschiedlich groß sind. Durch die Strombegrenzung kann sichergestellt werden, dass in allen am Bus angeschlossenen Sendedioden in etwa der gleiche Strom fließt. Dies gewährleistet eine zuverlässige Funktion der Optokoppler bzw. der an den Bus angeschlossenen Auslesevorrichtungen unabhängig von deren Anzahl.
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Bevorzugt umfasst der speisende Anschluss einer Mastervorrichtung eine erste Strombegrenzungsvorrichtung, die zwischen dem Plus-Anschluss seiner Spannungsversorgung und dem Bus oder zwischen dem Minus-Anschluss seiner Spannungsversorgung und dem Bus angeordnet ist. Mit dieser Strombegrenzungsvorrichtung kann sichergestellt werden, dass der nicht speisende Anschluss einer anderen an den Bus angeschlossenen Mastervorrichtung die Busspannung schadlos kurzschließen kann, um das Steuersignal der Mastervorrichtung, die mit ihrem speisenden Anschluss mit dem Bus gekoppelt ist, zu übersteuern, d.h. zu deaktivieren. Die Strombegrenzungsvorrichtung trägt auch dazu bei, dass die Leuchtmittel auch im Falle eines falschen Anschlusses keinen Schaden nehmen.
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Um einen Schutz des Busses gegen falsches Anschließen, beispielsweise einem versehentlichen Koppeln der Versorgungsspannung an den Bus oder dem Verbinden zweier speisender Anschlüsse zweier Master, zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass der speisende Anschluss einer Mastervorrichtung eine erste Diode und eine zweite Diode umfasst, wobei die erste Diode zwischen einem ersten Anschluss seiner Spannungsversorgung und einer ersten Leitung des Busses gekoppelt ist und die zweite Diode zwischen einen zweiten Anschluss seiner Spannungsversorgung und einer zweiten Leitung des Busses, wobei die erste und die zweite Diode antiparallel angeordnet sind.
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Zur weiteren Verbesserung der Schaltungsanordnung kann der speisende Anschluss einer Mastervorrichtung eine zweite Strombegrenzungsvorrichtung umfassen, wobei eine der Strombegrenzungsvorrichtungen zwischen den Minus-Anschluss seiner Spannungsversorgung und dem Bus und die andere Strombegrenzungsvorrichtung zwischen dem Plus-Anschluss seiner Spannungsversorgung und dem Bus angeordnet ist. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, dass auch im Falle eines versehentlichen Anschlusses der Netzspannung an die Busanschlüsse die angeschlossenen Master- und Slavevorrichtungen keinen Schaden nehmen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der nicht speisende Anschluss einen Gleichrichter, der auf der mit dem Bus gekoppelten Seite der Potentialtrennvorrichtung zur Gleichrichtung des Steuersignals auf dem Bus angeordnet ist. Auf diese Weise kann unabhängig von der Polarität des Steuersignals auf dem Bus eine Übertragung mit ein und demselben Optokoppler stattfinden.
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In bevorzugter Weise umfasst der nicht speisende Anschluss eine Auswertevorrichtung, die ausgelegt ist, das Steuersignal auf dem Bus, mit dem der nicht speisende Anschluss gekoppelt ist, auszuwerten, deren Eingang mit dem Fototransistor des Optokopplers der jeweiligen Potentialtrennvorrichtung und deren Ausgang mit dem jeweiligen Leuchtmittel gekoppelt ist, wobei das Steuersignal ein PWM-Signal darstellt. Auf diese Weise ist die Auswertevorrichtung potentialgetrennt vom Bus vorgesehen, wobei die Möglichkeit geschaffen wird, durch Variation des PWM-Signals unterschiedliche Betriebszustände der mit den nicht speisenden Anschlüssen gekoppelten Leuchtmittel einzustellen.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Auswertevorrichtung ausgelegt ist, das PWM-Signal wie folgt umzusetzen: Ein busgesteuerter Betrieb des jeweiligen Leuchtmittels mit nominaler Leistung oder einem nominalen Lichtstrom wird aktiviert durch ein PWM-Signal mit 0 % Pulsbreite und/oder ein busgesteuerter Auszustand des jeweiligen Leuchtmittels wird aktiviert durch ein PWM-Signal mit einer kleinsten zulässigen Pulsbreite und/oder busgesteuerte Betriebsmodi mit Dimmstufen zwischen dem Auszustand und der nominalen Leistung oder dem nominalen Lichtstrom werden aktiviert durch ein PWM-Signal mit Pulsbreiten, die größer sind als die kleinste zulässige Pulsbreite, insbesondere auch durch ein PWM-Signal mit 100 % Pulsbreite. Durch diese Vereinbarung ergeben sich verschiedene Vorteile: Dadurch, dass ein nominaler Betrieb aktiviert wird durch ein PWM-Signal mit 0 % Pulsbreite, das heißt zwischen den Busleitungen liegt keine Spannung an, wird ermöglicht, dass die Slavevorrichtungen in dem Fall, in dem sie nicht an einen Bus angeschlossen sind, mit nominaler Leistung beziehungsweise nominalem Lichtstrom arbeiten. Dadurch, dass für einen busgesteuerten Auszustand des jeweiligen Leuchtmittels ein PWM-Signal mit einer kleinsten zulässigen Pulsbreite vereinbart wird, werden Standby-Verluste optimal mininiert. Durch die Vereinbarung, dass mit einem PWM-Signal mit Pulsbreiten, die größer sind als die kleinste zulässige Pulsbreite, busgesteuerte Betriebsmodi mit verschiedenen Dimmstufen aktiviert werden können, ergibt sich ein besonders hoher Wirkungsgrad, da die den Leuchtmitteln zugeführte Leistung beispielsweise von der Umgebungshelligkeit abhängig gemacht werden kann. Besonders einfach kann hier auch beispielsweise durch ein PWM-Signal mit 100 % Tastverhältnis, was einem Gleichspannungssignal entspricht, eine fest in den Master- beziehungsweise in den Slavevorrichtungen hinterlegte Dimmstufe aktiviert werden.
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Bevorzugt umfasst die mindestens eine Mastervorrichtung einen Sensor, insbesondere einen Helligkeitssensor und/oder einen Bewegungssensor, der ausgelegt ist, an seinem Ausgang ein Sensorsignal bereitzustellen, wobei die mindestens eine Mastervorrichtung ausgelegt ist, das Steuersignal in Abhängigkeit des Sensorsignals zu erzeugen. Mit anderen Worten brauchen nur die jeweiligen Mastervorrichtungen mit einem Sensor versehen werden, die dann die daran angeschlossenen Slavevorrichtungen oder sogar weitere Mastervorrichtungen (auch über deren nicht speisenden Eingang) entsprechend dem Sensorsignal steuern können.
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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. Diese zeigen:
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1 in schematischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine detailliertere Darstellung des Ausführungsbeispiels von 1;
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3 ein Ausführungsbeispiel einer Speiseschaltung mit zwei Strombegrenzungsvorrichtungen;
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4 ein Ausführungsbeispiel einer analogen Auswertevorrichtung; und
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5 Beispiele für Steuersignale zur Einstellung unterschiedlicher Lichtströme bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Im Nachfolgenden werden für gleiche und gleich wirkende Bauelemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Diese werden der Übersichtlichkeit halber nur einmal eingeführt.
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Diese umfasst einen ersten Master M1 sowie einen zweiten Master M2. Der Master M1 umfasst einen speisenden Anschluss SPM1, der ausgelegt ist, ein Steuersignal auf einen Bus BM1 aufzubringen. Der Master M1 umfasst weiterhin einen nicht speisenden Anschluss NSPM1, der mit einem Bus BM0 gekoppelt ist. Zwischen dem Bus BM0 und einem Eingang EM1 des Masters M1 ist eine Potentialtrennvorrichtung PTM11 vorgesehen. Zwischen dem Bus BM0 und einem Ausgang AM1 des Masters M1 ist eine Potentialtrennvorrichtung PTM12 vorgesehen. Der Master M1 ist an eine Versorgungsspannung UVM1 angeschlossen, die eine Wechselspannungsquelle, beispielsweise eine Netzspannung, darstellen kann. Über den Bus BM1 sind dem Master M1 mehrere Slaves SL1-1 und SL1-N zugeordnet, wobei N eine natürliche Zahl darstellt. Diese verfügen ebenfalls über einen nicht speisenden Anschluss, der über jeweils eine Potentialtrennvorrichtung PTS1-1 beziehungsweise PTS1-N mit dem Bus BM1 gekoppelt ist.
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Jeder Slave SL1-1, SL1-N ist über einen entsprechenden Eingang ES11 bzw. ES1N mit der jeweiligen Potentialtrennvorrichtung PTS11 bzw. PTS1N gekoppelt. Der Slave SL1-1 ist mit einer Spannungsquelle UVM1S1, der Slave SL1-N mit einer Spannungsquelle UVM1S2 gekoppelt.
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Der Master M2 wird aus einer Spannungsquelle UVM2 gespeist. Sein nicht speisender Anschluss NSPM2 umfasst einen Eingang EM2 einerseits sowie einen Ausgang AM2 andererseits und ist mit dem Bus BM1 gekoppelt. Die entsprechenden Potentialtrennvorrichtungen sind mit PTM21 und PTM22 bezeichnet. Der Master M2 steuert den Bus BM2 mit seinem speisenden Anschluss SPM2. Ein Slave SL21 ist mit seinem Eingang E21 über eine Potentialtrennvorrichtung PTS21 mit dem Bus BM2 gekoppelt. Dieser Slave SL2-1 wird aus einer Spannungsversorgung UVM2S1 versorgt. Ein Slave SL2-N ist mit seinem Eingang E2N über eine Potentialtrennvorrichtung PTS2N mit dem Bus BM2 gekoppelt. Dieser Slave SL2-N wird aus einer Spannungsversorgung UVM2SN gespeist.
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Die erwähnten Spannungsversorgungen können in beliebiger Weise, d.h. mit beliebigen Phasen, mit einem Wechselspannungsnetz gekoppelt sein.
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Die an die jeweiligen Busse BM1 und BM2 angeschlossenen Slaves können nur die Spannung beziehungsweise Spannungsform am jeweiligen Bus auslesen und entsprechend ihre Betriebsweise einstellen. In dieser Übersichtsdarstellung sind weder Sensoren der Master M1, M2 noch deren Leuchtmittel, noch die Leuchtmittel der Slaves eingezeichnet. Wie diese innerhalb der jeweiligen Vorrichtung (Slave oder Master) aus einer Spannungsversorgung zu versorgen sind, ist dem Fachmann hinlänglich bekannt, wird jedoch beispielhaft im Zusammenhang mit 2 näher erläutert.
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Um einen Betrieb als so genanntes Multi-Master-System zu ermöglichen, verfügt jeder Master M1, M2 über einen nicht speisenden Anschluss, der mit dem entsprechenden Bus BM1 bzw. BM2 verbunden ist. Über diesen kann der Master M1, M2 in gleicher Weise wie Slaves das Spannungssignal des Busses abfragen, zusätzlich aber das Signal auch verändern.
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Mit der in 1 gezeigten Struktur kann erreicht werden, dass eine Reihe von Leuchtmitteln bestehend aus zwei Mastern und N Slaves vom Master M1 über dessen speisenden Anschluss gesteuert werden kann und auch der Master M2 über dessen nicht speisenden Anschluss NSPM2 den Betrieb der Anordnung beeinflussen kann.
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Jeder Master M1, M2 kann also über seinen nicht speisenden Anschluss NSPM1 bzw. NSPM2 in gleicher Weise wie die Slaves das Spannungssignal eines weiteren Busses abfragen, mit dem er über seinen nicht speisenden Anschluss verbunden ist. So ist vorliegend der nicht speisende Anschluss NSPM1 des Masters M1 mit einem Bus BM0 gekoppelt, der nicht speisende Anschluss NSPM2 des Masters M2 mit dem Bus BM1. Dann wird über die Diodenstrecke im Optokoppler des nicht speisenden Masteranschlusses nur der Zustand des "Nachbar-Busses" abgefragt. Das Abfragen des "eigenen Busses", der am speisenden Anschluss angeschlossen ist, kann auf zwei Arten erfolgen: Erstens, wie im Folgenden im Zusammenhang mit 2a am Beispiel des Masters M1 dargestellt, ohne Optokoppler direkt im speisenden Anschluss durch eine Abfragevorrichtung AFM1, die einen Spannungssensor umfasst, über den der Master M1 erkennen kann, dass der Master M2 den Bus BM1 kurzschließt. Zweitens, über eine nicht dargestellte Struktur wie im nicht speisenden Anschluss, die aber Geräte-intern mit dem Bus BM1 verbunden ist.
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2a zeigt eine schaltungstechnische Realisierung des in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Wie zu erkennen ist, besteht die schaltungstechnische Idee darin, dass der speisende Anschluss eines ersten Masters M1 nicht potentialgetrennt ausgeführt ist, jedoch alle anderen Anschlüsse, also die der Slaves SL1-1, SL1-2, SL1-N und der nicht speisende Anschluss NSPM2 eines zweiten Masters M2 nur über potentialtrennende Einrichtungen, beispielsweise Optokoppler, mit dem Bus BM1 verbunden sind.
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In den nachfolgenden Ausführungen wird der Aufbau bzw. die Funktionsweise bestimmter Elemente der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung beispielhaft an bestimmten Baugruppen erklärt. Wie für den Fachmann offensichtlich, sind entsprechende Baugruppen anderer Elemente der gleichen Kategorie (Slaves, Master, etc.) entsprechend aufgebaut.
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Ein Schaltungsbeispiel für einen nicht speisenden Anschluss:
Die am Eingang der nicht speisenden Anschlüsse, NSPM1 beim Master M1, ES11 beim Slave SL1-1, NSPM2 beim Master M2, anliegenden Steuersignale werden gleichgerichtet, wodurch die entsprechenden Busse BM1 bzw. BM0 verpolungssicher sind. Zur Gleichrichtung dienen im Master M1 die Dioden D15 bis D18, im Slave SL1-1 die Dioden D9 bis D12 und im Master M2 die Dioden D21 bis D24. Zum Auslesen dient jeweils ein Optokoppler, umfassend eine Sendediode und einen Fototransistor. Im Master M1 ist die Sendediode mit D51 bezeichnet, der Fototransistor der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Beim Slave SL1-1 ist die Sendediode mit D14 bezeichnet, der Fototransistor mit Q8. Beim Master M2 ist die Sendediode mit D52 bezeichnet, der Fototransistor wiederum nicht dargestellt.
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Die jeweilige Sendediode wird in Serie mit einer Strombegrenzung, die zum Beispiel durch einen Widerstand (R15 beim Master M1, R7 beim Slave SL1-1, R16 beim Master M2) gebildet sein kann, polungsrichtig an den Ausgang des entsprechenden Gleichrichters gelegt. Die LE, vorliegend am Beispiel des Slaves SL1-1 dargestellt durch zwei Leuchtdioden, kann dadurch potentialfrei über den Fototransistor Q8 des Optokopplers das auf dem Bus BM1 liegende Steuersignal USM1 auswerten. Dazu wird die Versorgungsspannung UVM1S1 des Slaves SL1-1 mittels der Dioden D52 bis D55 gleichgerichtet und an die Serienschaltung eines ohmschen Widerstands R17 und des Fototransistors Q8 angelegt. Das Potential am Kollektor des Transistors Q8 wird einem Mikroprozessor µC1 zugeführt, der einen seriell zu den LEs zwischen die Ausgänge des Gleichrichters D52 bis D55 gekoppelten Transistor Q7 ansteuert.
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Eine Schaltungserweiterung für einen nicht speisenden Masteranschluss, beispielsweise den Anschluss NSPM1 des Masters M1, ermöglicht, dass der Master M1 die Busspannung eines "Nachbarbusses" auch kurzschließen kann. Dazu ist mit dem Ausgang des Gleichrichters D15 bis D17 weiterhin eine Kurzschlussvorrichtung gekoppelt, die die Serienschaltung eines optionalen ohmschen Widerstands R5 sowie eines Transistors Q2 umfasst. Der Transistor Q2 ist als Fototransistor ausgebildet und wirkt mit einer Sendediode D65 zusammen. Bei geeigneter Ansteuerung der Sendediode D65 schließt diese den Fototransistor Q2 kurz und legt dadurch ein Kurzschlusssignal auf den "Nachbarbus", vorliegend den Bus BM0.
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Um zu erkennen, dass der Master M2 ein Kurzschlusssignal auf den Bus BM1 legt, ist im Master M1 eine Abfragevorrichtung AFM1 vorgesehen, die einen Spannungssensor umfasst, über den der Master M1 erkennen kann, ob der Master M2 den Bus BM1 kurzschließt
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Der speisende Anschluss SPM1 des Masters M1 enthält eine Strombegrenzung SBM11 sowie zwei Dioden D26 und D20. Mit der Strombegrenzung SBM11 kann sichergestellt werden, dass der nicht speisende Anschluss NSPM2 eines anderen an den Bus BM1 angeschlossenen Masters M2 die Busspannung kurzschließen kann, ohne die Bauteile des Masters M1 zu zerstören. Zusätzlich tragen die Strombegrenzung SBM11 und die beiden Dioden D20, D26 dazu bei, dass LEs auch im Falle eines falschen Anschlusses keinen Schaden nehmen. Ein fehlerhafter Anschluss läge beispielsweise vor, wenn versehentlich die jeweils speisenden Anschlüsse, SPM1 des Masters M1 und SPM2 des Masters M2, mit der gleichen Busleitung BM1 verbunden würden.
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Die Spannungsversorgung des Masters M1 ist dadurch realisiert, dass ein Gleichrichter, der die Dioden D5 bis D8 umfasst, an eine Wechselspannungsquelle UVM1, beispielsweise eine Netzspannung, angelegt wird. Am Ausgang des Gleichrichters D5 bis D8 steht eine gleichgerichtete Wechselspannung bereit, die mittels einer Parallelschaltung umfassend einen Kondensator C2 und einen ohmschen Widerstand R10 geglättet wird. Diese gleichgerichtete Wechselspannung dient einerseits dazu, die Bauelemente des Masters M1 zu betreiben, insbesondere auch dessen nicht dargestellte LE. Wie aus 2b zu erkennen ist, wird aus der Spannung UVM1 auch das Steuersignal USM1 gewonnen, das vorliegend ein PWM-Signal mit einem Pegel zwischen 0 V und 10 V darstellt. Dazu wird die gleichgerichtete Wechselspannung UVM1 der Serienschaltung eines ohmschen Widerstands R18 und einer Zenerdiode Z1 zugeführt, wobei der Zenerdiode ein elektronischer Schalter, in diesem Fall der Bipolartransistor Q9, parallelgeschaltet ist. Dessen Basis ist mit dem Ausgang eines Mikroprozessors µC2 gekoppelt ist, der ebenfalls vom Gleichrichter D5 bis D8 versorgt wird. Der Mikroprozessor µC2 hat einen Eingang BS, über den ihm ein Steuersignal, beispielsweise eines Helligkeitssensors oder eines Bewegungssensors, zugeführt wird. Der Mikroprozessor µC2 ist ausgebildet, den Transistor Q9 in Abhängigkeit des Signals BS anzusteuern. Dies wird weiter unten mit Bezug auf 5 näher beschrieben.
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Die seriell zum Steuersignal USM1 geschaltete Spannungsbegrenzung SBM11 umfasst die Transistoren Q1 und Q4 sowie die ohmschen Widerstände R1 und R8. Dabei ist der ohmsche Widerstand R1 zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors Q1 gekoppelt, der ohmsche Widerstand R8 zwischen die Basis und den Emitter des Transistors Q4. Die Basis des Transistors Q4 ist gekoppelt mit dem Emitter des Transistors Q1 und der Kollektor des Transistors Q4 ist gekoppelt mit der Basis des Transistors Q1.
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Eine weitere Strombegrenzungsvorrichtung SBM12 ist zwischen den Minusanschluss der Spannungsquelle USM1 und den Bus BM1 gekoppelt. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, dass auch im Falle eines versehentlichen Anschlusses der Netzspannung UVM1 an die Busanschlüsse die an den Bus angeschlossenen Geräte keinen Schaden nehmen.
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3 zeigt eine detailliertere Darstellung bzw. eine Abwandlung eines Ausschnitts aus 2a, und zwar die Strombegrenzungsvorrichtungen des Masters M1. Die Strombegrenzungsvorrichtung SBM11 entspricht der in 2a gezeigten, wobei lediglich der Transistor Q1 als Darlingtonstufe ausgebildet ist. Die Strombegrenzungsvorrichtung SBM12 umfasst die Serienschaltung eines Transistors Q15 und eines ohmschen Widerstands R18, die zwischen eine Busleitung und das Bezugspotential gekoppelt sind. Zwischen die Basis des Transistors Q15 und das Bezugspotential ist eine Diode D61 gekoppelt. Parallel zur Diode D61 ist die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors Q14 geschaltet, dessen Basis über die Serienschaltung eines ohmschen Widerstands R19 und eine Diode D60 mit einer Busleitung gekoppelt ist. Die Basis des Transistors Q15 ist über einen ohmschen Widerstand R23 mit dem Plusanschluss der Spannungsquelle USM1 gekoppelt.
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Während in 2 die Auswerteschaltung in digitaler Form mittels des Mikroprozessors µC1 am Beispiel des Slaves SL1-1 dargestellt ist, zeigt 4 eine analoge Auswerteschaltung am Beispiel des Slaves SL1-1, die unterschiedliche PWM-Signale so umwandelt, dass bestimmte Zustände in den LEs aktiviert werden. Eine derartige Auswerteschaltung 10 kann in allen Slaves bzw. für die nicht speisenden Anschlüsse der Master M1, M2 verwendet werden.
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Eingangsseitig ist diese Auswerteschaltung 10 über einen Optokoppler, der die Sendediode D14 und den Fototransistor Q8 umfasst, mit dem Bus BM1 gekoppelt. Zur Versorgung dieser Auswerteschaltung 10 wird aus der Versorgungsspannung UVM1S1 des Slaves SL1-1, die üblicherweise die Netzspannung darstellt, eine Gleichspannung UVMS1’ abgeleitet, die im Ausführungsbeispiel 10 V beträgt. Zwischen die Anschlüsse der Spannungsquelle UVMS1’ ist die Serienschaltung eines ohmschen Widerstands R43 und eines Transistors Q21 gekoppelt. Der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q21 ist die Parallelschaltung eines ohmschen Widerstands R74 und eines Kondensators C13 parallel geschaltet. Der Basisanschluss des Transistors Q21 ist über einen ohmschen Widerstand R71 mit dem Kollektor des Fototransistors Q8 gekoppelt. Zwischen den Kollektor des Fototransistors Q8 und die Spannungsquelle UVMS1’ ist ein ohmscher Widerstand R70 gekoppelt. Zwischen die Anschlüsse der Spannungsquelle UVMS1’ ist die Serienschaltung eines Transistors Q20 und eines ohmschen Widerstands R75 gekoppelt. Die Basis des Transistors Q21 ist einerseits über die Parallelschaltung eines Kondensators C12 und eines ohmschen Widerstands R72 mit dem Plusanschluss der Spannungsquelle UVMS1’ gekoppelt. Andererseits ist diese Basis über einen Transistor Q22 mit dem Minusanschluss der Spannungsquelle UVMS1’ gekoppelt. Die Basis des Transistors Q22 ist mit dem Kollektor des Fototransistors Q8 gekoppelt und zwar über die Serienschaltung eines Kondensators C10, eines ohmschen Widerstands R77 und eines ohmschen Widerstands R76, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator C10 und ohmschen Widerstand R77 über eine Diode D80 mit dem Minusanschluss der Spannungsquelle UVMS1’ gekoppelt ist und der Verbindungspunkt zwischen den ohmschen Widerständen R77 und R76 über die Parallelschaltung eines Kondensators C11 und eines ohmschen Widerstands R78.
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Zur Funktionsweise: Wie der Darstellung zu entnehmen ist, wird ein Off-Ausgang gebildet durch den Emitter des Transistors Q20 und ein Dimm-Ausgang durch den Kollektor des Transistors Q21. Es ergeben sich folgende wichtigen Zustände:
- 1. Ein 0V-Signal, d.h. ein PWM-Signal mit einem Duty Cycle von 0% bzw. ein nicht verbundener Eingang, führt dazu, dass die Basis des Transistors Q21 über die ohmschen Widerstände R70 und R71 eine ausreichend hohe Spannung erhält und die Kollektor-Emitter-Spannung UCE des Transistors Q21 gegen 0V geht, wodurch das Signal "Dimm" gegen 0V (low) geht.
Die Basis des Transistors Q22 bleibt hingegen wegen des Kondensators C10 auf 0V. Etwaige Spannungsspitzen beim Umschalten werden durch den Kondensator C11 und die ohmschen Widerstände R78 und R77 stark gedämpft. Dadurch bleibt die Basis des Transistors Q20 weiterhin über den ohmschen Widerstand R72 auf dem Potential von UVMS1, wodurch das Signal "Off" über den ohmschen Widerstand R75 weiterhin auf 0V (low) bleibt.
- 2. Ein PWM-Signal mit der kleinsten zulässigen Größe am Eingang des Optokopplers führt am Kollektor des Transistors Q8 zu einem invertierten PWM-Signal mit sehr hohem Duty Cycle. Dies führt über den Hochpass aus den ohmschen Widerständen R77 und R78 sowie den Kondensator C10 zu einem ausreichend hohen Signalpegel am Transistor Q22. Durch den ohmschen Widerstand R76 wird der Strom in die Basis des Transistors Q22 weiter begrenzt. Der Kondensator C11 sorgt für eine Pufferung des Signals und wirkt mit dem ohmschen Widerstand R77 zusammen als Tiefpass. Über den ohmschen Widerstand R78 wird der Kondensator C11 in anderen Betriebszuständen in einer definierten Zeit entladen. Die Diode D80 sorgt dafür, dass während der kurzen ON-Zeit am Eingang des Optokopplers (0V am Kollektor des Transistors Q8) der Kondensator C11 nicht merklich entladen wird, sondern dann Strom im Kreis D80, C10 und Q8 fließen kann. Der Kondensator C11 und der ohmsche Widerstand R78 wirken als zusätzlicher Tiefpass für sich ändernde Signalzustände an der Basis des Transistors Q20, welche in diesem Zustand über den Transistor Q22 gegen 0V gezogen wird. Dadurch nimmt das Signal "OFF" nahezu das Potential von UVMS1 an (high). Der ohmsche Widerstand R80 begrenzt den Strom durch die Basis des Transistors Q20.
- 3. Ein PWM-Signal mit nahezu 100% Duty Cycle bzw. eine DC-Spannung am Eingang des Optokopplers führt dazu, dass die Kollektor-Emitter-Spannung UCE des Transistors Q8 nahezu 0V wird und damit auch die Basis des Transistors Q21 auf 0V gezogen wird. Dadurch wird das Signal "Dimm" über den ohmschen Widerstand R73 auf UVMS1 gehoben (high). Das Netzwerk aus den ohmschen Widerständen R71, R74 und dem Kondensator C13 wirkt gleichzeitig als Tiefpass für eventuelle Spannungsspitzen.
Die Basis des Transistors Q22 ist in diesem Zustand über den ohmschen Widerstand R78 bei 0V, was folglich die Basis des Transistors Q20 über den ohmschen Widerstand R72 auf dem Potential von UVMS1 belässt. Dadurch bleibt das Signal "Off" über den ohmschen Widerstand R75 auf 0V (low).
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Die nachfolgende Tabelle zeigt in Zusammenschau mit der
5 das Verhalten der Auswerteschaltung
10 von
4:
| PWM-Pulsbreiten auf Busleitung | Signal am Knoten „Off“ | Signal am Knoten „Dimm“ | Betriebszustand der LE |
| 0 % | low | low | nom. Leistung |
| kleinste zulässige Größe | high | nicht definiert | Auszustand |
| 100 % | low | high | Dimmzustand |
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Demnach führt eine PWM-Pulsbreite auf der Busleitung BM1 von 0 %, das heißt ein Kurzschluss zwischen den beiden Busleitungen, zu einem Low-Signal am Knoten Off und einem Low-Signal am Knoten Dimm. Dadurch wird die jeweilige LE mit nominaler Leistung betrieben. Wird auf die Busleitung ein PWM-Signal mit der kleinsten zulässigen Pulsbreite gegeben, entsteht ein Signal high am Knoten Off, ein nicht definiertes Signal am Knoten Dimm, was den Auszustand der LE zur Folge hat. Wird hingegen auf der Busleitung ein Gleichspannungssignal, das heißt ein PWM-Signal mit einer Pulsbreite von 100 % gelegt, entsteht am Knoten Off ein Low-Signal, am Knoten Dimm ein High-Signal, wodurch die LE in einen vorgegebenen Dimmzustand betrieben wird.
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Neben diesen drei Betriebszuständen zeigt 5 beispielhaft einen weiteren Betriebszustand, bei dem ein PWM-Signal mit einer Pulsbreite von 95 % auf die Busleitung gelegt wird, welche zu einem weiteren Dimmzustand führt, der vereinbarungsgemäß dunkler oder heller sein kann als der Dimmzustand, der sich bei einer PWM-Pulsbreite von 100 % ergibt.
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Aus der Architektur gemäß 5 ergibt sich folgende vorteilhafte Betriebsweise des Master-Slave-Systems gemäß 2:
- – Es wird festgelegt, dass der busgesteuerte Betrieb der Slaves und der Master, die über ihren nicht speisenden Anschluss mit derselben Busleitung verbunden sind, mit nominaler Leistung bzw. nominalem Lichtstrom dadurch aktiviert wird, dass ein PWM-Signal mit 0 % Busbreite auf der Busleitung liegt, das heißt keine Spannung zwischen den Busleitungen. Dadurch wird ermöglicht, dass die Slaves in dem Fall, in dem sie nicht an einen Bus angeschlossen sind, mit nominaler Leistung (bzw. nominalem Lichtstrom) arbeiten.
- – Um Standby-Verluste zu minimieren, wird weiterhin festgelegt, dass der busgesteuerte Auszustand der Slaves und der Master, die über ihren nicht speisenden Anschluss mit derselben Busleitung verbunden sind, dadurch aktiviert wird, dass ein PWM-Signal mit der kleinsten zulässigen Pulsbreite auf der Busleitung liegt.
- – Weitere busgesteuerte Betriebsmodi der Slaves und der Master, die über ihren nicht speisenden Anschluss mit derselben Busleitung verbunden sind, werden durch PWM-Signale mit größeren Pulsbreiten als der kleinsten zulässigen Pulsbreite aktiviert. Besonders einfach kann beispielsweise durch ein PWM-Signal mit 100 % Tastverhältnis (entspricht einem Gleichspannungssignal) eine fest in den Mastern und Slaves vorgegebene Dimmstufe aktiviert werden.
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Diese Festlegung der Betriebszustände ermöglicht die folgende Funktionsweise:
Im Falle einer detektierten Bewegung kann jeder Master, der mit seinem speisenden oder nicht speisenden Anschluss mit einer Busleitung verbunden ist, alle angeschlossenen LEs in den nominalen Betriebszustand versetzen.
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Der Master, der mit seinem speisenden Anschluss am Bus angeschlossen ist, legt dazu bei detektierter Bewegung keine Spannung (PWM-Signal mit 0 % Tastverhältnis) an den Bus.
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Der Master, der mit seinem nicht speisenden Anschluss am Bus angeschlossen ist, schließt dazu bei detektierter Bewegung die Busleitungen kurz, wodurch keine Spannung (PWM-Signal mit 0 % Tastverhältnis) auf dem Bus liegt.
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Dies ist möglich, weil wie oben beschrieben, die Speiseschaltung des speisenden Masters strombegrenzt ist.
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Im Ruhezustand, das heißt keine Detektion einer Bewegung, legt der Master, der mit seinem speisenden Anschluss mit einer Busleitung verbunden ist, ein PWM-Signal mit einem Tastverhältnis > 0 auf den Bus. Für diesen Ruhezustand gibt es mehrere Möglichkeiten:
- – Der Master legt ein PWM-Signal der kleinsten zulässigen Pulsbreite auf den Bus, was dazu führt, dass alle LEs, die mit diesem Bus verbunden sind, kein Licht erzeugen (Auszustand). Dadurch wird in diesem Standby-Betrieb die Leistungsaufnahme der Master und Slaves minimiert, weil die für den Betrieb der Empfangseinrichtungen in den Slaves und in den Mastern sowie die Signalerzeugung im speisenden Master erforderliche Energie minimal ist.
- – Der Master legt ein PWM-Signal mit einer größeren als der kleinsten zulässigen Pulsbreite auf den Bus. Dieser Zustand führt dazu, dass alle LEs, die mit diesem Bus verbunden sind, Licht mit einem vorgebbaren festen Wert erzeugen oder eine Lichtmenge erzeugen, die zur Pulsbreite des PWM-Signals proportional ist (Dimmzustand).
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Die Bewegungsmelder können mit einer Zeitsteuerung versehen sein, sodass das entsprechende Steuersignal über eine vorgebbare Zeit auf den jeweiligen Bus gelegt wird.
