DE102016120323A1

DE102016120323A1 - Verfahren und Einrichtung zur Steuerung einer Raumbeleuchtung

Info

Publication number: DE102016120323A1
Application number: DE102016120323.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Braunschmid; Stefan Raithel; Andreas Schelling
Original assignee: Vossloh Schwabe Deutschland GmbH
Current assignee: Vossloh Schwabe Deutschland GmbH
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2036-10-26
Also published as: US20180116031A1; DE102016120323B4

Abstract

Nach dem erfindungsgemäßen Konzept ist eine sensorgesteuerte Beleuchtungseinrichtung vorgesehen, die Lichtanpassungen grundsätzlich mit kurzer Zeitkonstante vornimmt. Dies gilt sowohl für das Aufhellen der Beleuchtung wie auch für das Abdunkeln derselben. Bei der Abdunkelung wird jedoch die Abdunkelungsgeschwindigkeit begrenzt, wenn die pro Zeiteinheit durchgeführten Helligkeitsreduktionen einen Grenzwert übersteigen. Mit dieser Maßnahme wird einerseits eine gute Anpassung der Beleuchtung an die gegebenen Erfordernisse erreicht und andererseits das Nachregeln der Beleuchtung auf eine Weise durchgeführt der in den beleuchteten Bereichen befindliche Personen wenig stört und im Idealfall von diesen unbemerkt bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung einer Raumbeleuchtung mittels einer oder mehrerer Lichtquellen sowie ein Verfahren zur Lichtsteuerung.
Bei der Beleuchtung von Wohn- und Arbeitsräumen mit variabler Helligkeit, d.h. mit dimmbaren Lichtquellen, wird verschiedentlich die Raumhelligkeit erfasst, um die Raumbeleuchtung bedarfsgerecht zu bewirken, um eine zu helle Beleuchtung ebenso zu vermeiden, wie eine nicht ausreichende Beleuchtung. Bei Räumen mit natürlicher Beleuchtung, beispielsweise durch Fenster, setzt sich die an einer Messstelle auftretende Beleuchtungsstärke aus natürlichem Licht und Kunstlicht von der gesteuerten Lichtquelle zusammen. Aufgrund von tageszeitlich sowohl kurzfristig als auch langfristig schwankenden natürlichen Lichteinfalls müssen die elektrischen Lichtquellen der Raumbeleuchtung entsprechend nachjustiert werden.
Die EP 2 955 979 A2 unterscheidet dazu zwischen kurzfristigen und langfristigen Schwankungen des Lichteinfalls an einem Lichtsensor, um Änderungen der Helligkeit in Reaktion auf kurzfristige Schwankungen des Tageslichts, wie sie durch kleine Wolken hervorgerufen werden können, zu vermeiden. Die dadurch kurzfristig auftretenden Abweichungen zwischen idealer Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz und tatsächlicher Beleuchtungsstärke werden hingenommen.
Gleiches gilt für andere kurzfristige Aufhellungs- oder Verdunkelungsereignisse, wie sie beispielsweise durch das Blitzlicht einer Kamera oder einen vor der Sonnen entlang fliegenden Vogelschwarm ausgehen können.
Einen etwas anderen Ansatz verfolgt die WO 2014/018234 A1 . Dort wird von einem Sensor zunächst die Abweichung zwischen vorhandener Beleuchtung und idealer Beleuchtung festgestellt und eine Aufhellung der Beleuchtung sofort veranlasst, während eine Dimmung der Beleuchtung erst nach Ablauf einer Stabilisierungszeit vorgenommen wird. Diese Stabilisierungszeit kann fest oder zufällig festgelegt sein. Damit sollen Oszillationen, d.h. wiederholtes Aufhellen und Verdunkeln der Raumbeleuchtung vermieden werden.
Grundsätzlich wird eine jederzeit bedarfsgerechte Beleuchtung von Wohnräumen und Arbeitsplätzen angestrebt, wobei sich die künstliche Raumbeleuchtung im Idealfall unmerklich an Helligkeitsänderungen des natürlichen Lichteinfalls anpasst. Dabei wird die Lichtwahrnehmung von im beleuchteten Raum befindlichen Personen nicht nur durch die Beleuchtungsstärke, sondern auch von der Lichteinfallrichtung bestimmt. Darauf nehmen vorhandene Systeme kaum Rücksicht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein hinsichtlich der Lichtwahrnehmung verbessertes Konzept zur Raumbeleuchtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit der Einrichtung nach Anspruch 1 wie auch mit dem Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Raumbeleuchtung umfasst eine Steuerschaltung zur Festlegung der Beleuchtungsstärke an zumindest einer ausgewählten Stelle des zu beleuchtenden Raums, wobei die Steuerschaltung eine steuerbare Betriebsschaltung anhand der von einem Sensor erfassten Beleuchtungsstärke steuert. Die Steuerschaltung ist dabei so ausgebildet, dass sie die mindestens eine Betriebsschaltung zur Vergrößerung oder Verringerung des Betriebsstroms der Lichtquelle (oder von mehreren Lichtquellen) veranlasst bzw. veranlassen kann. Reduktionen des Betriebsstroms werden dabei zunächst ebenso wie nötige Vergrößerung desselben jeweils proportional zur erfassten Abweichung zwischen Sollbeleuchtungsstärke und Ist-Beleuchtungsstärke durchgeführt. Übersteigt die pro Zeiteinheit vorzunehmende Verminderung der Beleuchtungsstärke jedoch ein bestimmtes Maß, wird die Änderungsgeschwindigkeit bzw. Änderungsrate der Verminderung der Beleuchtungsstärke, d.h. der Verminderung des Betriebsstroms begrenzt. Z.B. kann dies Steuerschaltung dazu vorgesehen sein, Reduktionen des Betriebsstroms mit einer ersten, hohen Rate. z.B. (L_soll-L)/a, durchzuführen, wenn zuvor ausgeführte Reduktionen einen Grenzwert nicht überschreiten. Hingegen können Reduktionen des Betriebsstroms mit niedrigerer Rate, z.B. (L_soll-L)/a_g durchgeführt werden, wenn zuvor ausgeführte Reduktionen den Grenzwert erreichen oder überschreiten.
Dadurch können relativ geringe Vergrößerungen oder Verminderungen der Beleuchtungsstärke schnell ausgeführt werden, wobei solche geringen Beleuchtungsstärkenänderungen vom Publikum typischerweise kaum oder nicht wahrgenommen werden und somit nicht störend sind. Nötige Aufhellungen der Beleuchtungsstärke hingegen, wie sie beispielsweise durch wolkenbedingte Verdunkelung der Sonne oder durch Herablassen von Rollläden auftreten, werden ohne weiteres mit der erforderlichen Aufhellungsgeschwindigkeit der vorhandenen Lichtquellen beantwortet. Auch sehr schnelle Verdunkelungen, wie sie durch das Schließen von Jalousielamellen auftreten können, werden praktisch sofort durch eine entsprechende Aufhellung der Raumbeleuchtung quittiert. Umgekehrt verläuft zumindest das tiefere Abdunkeln der Beleuchtung gehemmt. Werden geschlossene Jalousielamellen geöffnet, so dass plötzlich Tageslicht in den kunstlichtgefluteten Raum einfällt, unternimmt die Steuerschaltung zunächst nur anfänglich eine schnelle Abdunkelung der Raumbeleuchtung vorzugsweise um ein Maß, das vom Betrachter noch nicht bewusst wahrgenommen oder als möglichst angenehm empfunden wird. Durch die Beschränkung der ersten schnellen Abdunklung auf dieses Maß kann außerdem erreicht werden, dass einzelne Messfehler des Helligkeitssensors, schnelle Lichtreflexe oder dergleichen nicht sofort zu einer übermäßigen Reaktion führen. Genügt diese anfängliche Abdunkelung nicht, den Lichtüberschuss auszugleichen, der durch das plötzlich einfallende Tageslicht verursacht wird, erfolgt die restliche dazu erforderliche Verringerung des Betriebsstroms der Lichtquellen verlangsamt über einen Zeitraum, der mehrere 10 Sekunden oder auch Minuten dauern kann.
Das Wesen der Erfindung zeigt sich insbesondere dann, wenn über eine im Verhältnis zur Dauer einer Ausregelung lange Zeit viel oder oft heruntergedimmt wird. Das Dimmen wird dann gezielt verlangsamt.
Die nur geringe Anfangsabdunklung hat den Vorteil, dass der Nutzer nicht durch plötzlich einfallendes Tageslicht geblendet wird, das typischerweise aus einer anderen Richtung kommt, wie das Kunstlicht. So wird die Kunstlichtbeleuchtung eines Arbeitsplatzes erhalten und nur langsam reduziert, so dass der Nutzer Zeit hat, sich an die anderen Lichteinfallverhältnisse zu gewöhnen.
Mit diesem Beleuchtungskonzept werden störende Helligkeitsschwankungen der Raumbeleuchtung ebenso vermieden wie dauerhafte Fehlbeleuchtung und somit zu hoher Stromverbrauch oder zu niedrige Beleuchtungswerte an Arbeitsplätzen oder in Wohnräumen.
Die Reduktion des Betriebsstroms kann in Stufen erfolgen, wobei die Größe der Stufen konstant oder auch proportional zur Differenz zwischen der gewünschten Beleuchtungsstärke und der von dem Sensor erfassten Beleuchtungsstärke sein kann. Dies gilt zumindest sofern die Verringerung der Beleuchtungsstärke langsam erfolgt, d.h. ein Grenzwert für die Geschwindigkeit der Verringerung der Beleuchtungsstärke nicht erreicht ist. Ist der Grenzwert hingegen erreicht, erfolgt die weitere Verringerung der Beleuchtungsstärke vorzugsweise in Stufen begrenzter Größe, um den auffälligen Eindruck schneller Lampenhelligkeitsreduktion zu vermeiden.
Anstelle einer stufenweise Verringerung des Betriebsstroms und somit der Beleuchtungsstärke kann auch eine gleitende Verminderung desselben durchgeführt werden. Auch hier wird die Geschwindigkeit der Helligkeitsverminderung begrenzt, sobald in dem davorliegenden Zeitabschnitt bereits eine erhebliche, den Grenzwert erreichende Helligkeitsverminderung stattgefunden hat.
Unabhängig davon, ob die Helligkeitsverminderung gleitend oder in Stufen erfolgt, berücksichtigt die aktuelle Helligkeitsverminderung die Vorgeschichte. Sind in einer unmittelbar vorausgehenden Zeitspanne bereits Helligkeitsverminderungen durchgeführt worden, die einen Grenzwert erreichen, wird die aktuelle durchzuführende Helligkeitsverminderung in ihrer Geschwindigkeit begrenzt. Liegt jedoch in dem unmittelbar vorausgehenden Zeitabschnitt keine den Grenzwert erreichende Helligkeitsverminderung, kann die anstehende Helligkeitsverminderung mit hoher Änderungsgeschwindigkeit, zum Beispiel mit der gleichen Änderungsgeschwindigkeit durchgeführt werden, mit der auch Aufhellungen vorgenommen werden.
Grundsätzlich kann die Steuerschaltung dazu eingerichtet sein, bei zu hoher Beleuchtungsstärke temporär eine Regelabweichung zuzulassen, die größer ist als bei zu niedriger Beleuchtungsstärke. Damit wird eine Unterbeleuchtung von Arbeitsplätzen sicher ausgeschlossen und andererseits eine Störung oder Beeinträchtigung von Personen durch Raumbeleuchtung mit ständig wechselnder Helligkeit vermieden.
Das erfindungsgemäße Konzept ist sehphysiologisch vorteilhaft, indem es gerade nicht auf die Konstanthaltung der Beleuchtungsstärke am beleuchteten Platz, sondern auf die Verbesserung der Beleuchtungsqualität ausgerichtet ist. An eine schnelle Erhöhung der Helligkeit gewöhnt sich ein Betrachter schnell, wohingegen die Gewöhnung an abnehmende Beleuchtungsstärke Zeit braucht. Das erfindungsgemäße Konzept trägt dem Rechnung. Außerdem kann es bei Erhöhung der Umgebungshelligkeit vorteilhaft sein, für eine gewisse Zeitspanne (z.B. 20s bis mehrere Minuten), die Summe aus natürlicher Beleuchtungsstärke und Kunstlicht verursachter Beleuchtungsstärke etwas über dem Sollwert zu halten. Die Zeitspanne kann insbesondere so bemessen sein, dass kurzfristige Beleuchtungsschwankungen der natürlichen Beleuchtung, z.B. infolge ziehender Wolken bei heiterem Wetter, nicht zu einer wahrnehmbaren Reduktion der künstlichen Beleuchtung führen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Lichtsteuerung in einem mittels mindestens einer elektrischen Lichtquelle beleuchteten Raums, wobei eine Steuerschaltung zur Festlegung des Betriebsstroms der Lichtquelle dient. Mittels wenigstens eines Sensors wird die Beleuchtungsstärke an einer ausgewählten Stelle des Raumes und der Betriebsstrom entsprechend der von dem Sensor erfassten Beleuchtungsstärke festgelegt. Entsprechend der von dem Sensor erfassten Beleuchtungsstärke wird er vergrößert oder vermindert wird. Dabei erfolgt eine Reduktionen des Betriebsstroms mit einer ersten, hohen Rate, wenn die in einem vorausliegenden Zeitraum, der eine oder mehrere Verdunkelungen des Naturlichts umfassen kann, erfolgte kumulierte Verminderung der Beleuchtungsstärke einen Grenzwert nicht überschreitet. Hingegen erfolgt die Reduktionen des Betriebsstroms mit einer niedrigeren Rate, wenn die über einen Vorzeitraum kumulierten Verminderungen der Beleuchtungsstärke einen Grenzwert erreichen oder überschreiten.
Insbesondere können die kumulierten Verminderungen der Beleuchtungsstärke mittels eines Schrittzählers erfasst werden, der in Abhängigkeit von der vorgenommenen Beleuchtungsreduktion erhöht, d.h. um einen oder mehrere Zähler inkrementiert wird.
Die mittels des Schrittzählers erfassten kumulierten Verminderungen der Beleuchtungsstärke können fortwährend reduziert (um einen oder mehrere Zähler dekrementiert) werden, indem der Schrittzähler in einem vorgegebenen Zeittakt schrittweise reduziert wird. Der Zeittakt kann durch den Durchlauf einer Programmschleife gegeben sein, bei der bei jedem Durchlauf eine Dekrementierung vorgenommen wird.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Ansprüchen. Es zeigen:

1 einen Raum mit erfindungsgemäßer Beleuchtungseinrichtung, in sehr schematisierter Darstellung,
2 die Beleuchtungseinrichtung nach 1, in einer beispielhaften Ausführungsform in abstrakter Blockdarstellung,
3 einen Ablaufplan zur Veranschaulichung des Betriebs einer Steuerschaltung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie
4 bis 13 Diagramme zur Veranschaulichung der Funktion von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 ist schematisch ein Raum 12 dargestellt, der mittels elektrisch betriebener Lichtquellen 13, 14 beleuchtet wird. Außerdem erhält der Raum 12 von mindestens einem Fenster 15 oder einer anderweitigen Öffnung Tageslicht schwankender Intensität. Die Intensitätsschwankungen können langfristig vom tageszeitlichen Gang der natürlichen Beleuchtung, d.h. vom Sonnenstand, sowie mittelfristig von witterungsbedingen Einflüssen, wie vorhandener oder fehlender Bewölkung, oder auch kurzfristig im Bereich von Sekunden vom Öffnen oder Schließen von Lamellen 16 einer Jalousie 17 abhängen. Durch die Jalousie 17 oder anderen zur Beschattung vorgesehenen Einrichtungen können auch längerfristige Verdunkelungen oder Aufhellungen verursacht werden.
Zur Erfassung der Beleuchtungsstärke, zumindest an einer ausgewählten Stelle des Raums 12, sind ein oder mehrere Sensoren 18 vorgesehen, die sowohl von dem Fenster 15 herkommendes natürliches Licht als auch von den Lichtquellen 13, 14 herkommendes Kunstlicht aufnehmen und ein Signal l liefern, das die Beleuchtungsstärke am Ort des Sensors 18 kennzeichnet. Diese Signal l wird einer Steuerschaltung 18 zugeführt, deren innere Struktur durch ein Ausführungsbeispiel gemäß 2 veranschaulicht ist.
Der Aufbau der Steuerschaltung 19 ist z.B. wie folgt:
Die Steuerschaltung 19 weist einen Sensorsignaleingang auf, an den sich ein optional vorgesehener Mittelwertbildungsblock 20 anschließt. Der Mittelwertbildungsblock 20 ist zum Beispiel in Gestalt einer Rechenschaltung, eines Tiefpasses, eines Integrators oder dergleichen ausgebildet. Der Mittelwertbildungsblock 20 bildet einen laufenden Mittelwert des Signals l und gibt diese als geglättetes Signal L weiter. Bei allen Ausführungsformen ist der Mittelwertbildungsblock 20 jedoch verzichtbar und somit optional. Seine Funktion kann durch den Sensor 18 übernommen werden, der dann durch laufende Mittelwertbildung eine Mittelung der erfassten Beleuchtungsstärke vornehmen und ein gemitteltes Signal L für die Beleuchtungsstärke an die Steuerschaltung 19 liefern kann. Alternativ kann auf die Mittelwertbildung auch verzichtet werden.
Das Signal 1 oder L wird einem Vergleicherblock 21 zugeführt. Dieser vergleicht die vorhandene Beleuchtungsstärke mit der gewünschten Beleuchtungsstärke L_soll , die beispielsweise mittels einer Eingabeeinrichtung 22 vorgebbar ist. Die Eingabeeinrichtung 22 kann durch ein Drehpotentiometer, einen Tastenfeld, einen Touchscreen oder eine drahtgebundene oder funkgestützte Übertragungsstrecke gebildet sein, an die beispielsweise ein mobiles Endgerät (z.B. Smartphone), ein Computer oder dergleichen, angeschlossen ist, um den Sollwert für die gewünschte Beleuchtungsstärke festzulegen und an die Steuerschaltung 19 zu übermitteln.
Der Vergleicherblock 21 bildet die Differenz zwischen der gewünschten Beleuchtungsstärke L_soll und der real vorhandenen Beleuchtungsstärke L und gibt diese Differenz an einen Regelverstärker 23 weiter. Ist die tatsächliche Beleuchtungsstärke L geringer als die Soll-Beleuchtungsstärke L_soll , gibt der Regelverstärker 23 das um den Verstärkungsfaktor verstärkte Signal S direkt an eine Betriebsschaltung 24 zur Ansteuerung der Lichtquellen 13, 14 weiter. Diese reagieren damit im Wesentlichen unverzögert wie in 2 symbolisch durch eine Diode 25 angedeutet ist. Damit wird der Mangel an Tageslichteinfall praktisch sofort durch ein Aufhellen der Lichtquellen 13, 14 ausgeglichen. Schließt eine Bedienperson zum Beispiel die Jalousielamellen 16, wird augenblicklich das von den Lichtquellen 13, 14 ausgehende Licht heller.
Das Signal S entspricht zum Beispiel einer Anzahl Helligkeitsstufen, um die die Beleuchtung aufgehellt oder abgedunkelt werden soll. Die Stufen S können Dimmstufen in einem definierten BUS-Übertragungsprotokoll, z.B. DALI-Protokoll sein. Die gilt allgemein sowohl für das Aufhellen, wie auch für das Abdunkeln der Beleuchtung.
Steht hingegen eine Verdunkelung an, muss das von dem Regelverstärker 23 abgegebene Signal einen Tiefpass 25 mit variabler Zeitkonstante passieren. In 2 ist dies rein symbolisch durch einen variablen Kondensator angedeutet, dessen Wert in Abhängigkeit von der Signaländerungsgeschwindigkeit und/oder vom in Abhängigkeit Ausmaß der Signaländerung geändert wird. Ist die Signaländerungsgeschwindigkeit oder das Ausmaß der nötigen Signaländerung groß, wird die Zeitkonstante des Tiefpasses 25 auf einen großen Wert festgelegt, so dass die Abnahme des Betriebsstroms i der Lichtquellen 13, 14, d.h. die Reduktion des Signals S langsam vonstattengeht. Ist die Signaländerungsgeschwindigkeit oder das Ausmaß der anstehenden Signaländerung klein, wird die Zeitkonstante des Tiefpasses 25 auf einen kleinen Wert festgelegt, so dass die Zunahme des Betriebsstroms i der Lichtquellen 13, 14, d.h. die Zunahme des Signals S langsam vonstattengeht.
Die Ausführungsform nach 2 dient lediglich der prinzipiellen Veranschaulichung der Funktion der Steuerschaltung 19. 3 veranschaulicht eine controllerbasierte Realisierung anhand eines Flussbilds, bei dem positive und negative Regelabweichungen wie oben schematisch erläutert unterschiedlich behandelt werden. In dem Flussbild steht das Symbol := für eine Zuweisung, bei der das Ergebnis der Berechnung des links stehenden Ausdrucks der rechts stehenden Variablen zugewiesen wird.
Zunächst stellt die Steuerschaltung 25 nach dem Start in einem ersten Block B1, die bei einem letzten Regelvorgang festgestellte Anzahl von Helligkeitsänderungsschritten S fest. Dabei ist ΔS die Differenz der Zahl der Regelschritte S des vorletzten Regelvorgangs und der Regelschritte S des letzten Regelvorgangs. Vorzugsweise ist das System so beschaffen, dass die Zahl der letzten Regelschritte ΔS nie gleich Null, sondern mindestens Eins ist. Bei unveränderter Umgebungshelligkeit pendelt die Beleuchtung somit immer um einen Schritt. Der Schritt ist in Bezug auf die Beleuchtungsstärke vorzugsweise so gering, dass er vom Betrachter nicht wahrgenommen wird, also unbemerkt bleibt.
Im nächsten Schritt B2 wird das Signal l ermittelt, das die Beleuchtungsstärke kennzeichnet. Der Sensor 18 erfasst dieses und liefert es an die Steuerschaltung 19.
Im nächsten Schritt B3 wird eine Zählvariable dI reduziert (dekrementiert), z.B. indem von dieser ein konstanter Betrag dIr subtrahiert wird. Der Betrag dIr ist vorzugsweise eine ganze Zahl größer als Null. Alternativ kann die Zählvariable auch jeweils mit einem Faktor kleiner 1, z.B. 0,98 multipliziert werden. Andere Maßnahmen zur Reduktion der Zählvariablen dIr bei jedem Schleifendurchlauf sind möglich. Die Variable dI dient der Erfassung und Begrenzung der Anzahl der Schritte S beim Dimmen.
Im nächsten Schritt B4 wird aus dem Signal l der Mittelwert der Beleuchtungsstärke L gebildet. Dies kann durch laufende Mittelwertbildung (running average) erfolgen.
Block B5 berechnet einen vorgegebenen Faktor a durch Bildung des Quotienten aus dem Betrag der letzten Änderung der Beleuchtungsstärke L geteilt durch die Schrittzahl der letzten Regelung ΔS. Die Beleuchtungsstärke L_alt ist dabei die Beleuchtungsstärke zu Ende der vorletzten Messung, während die Beleuchtungsstärke L die Beleuchtungsstärke gemäß letzter Messung ist.
Im nächsten Block B6 wird abgefragt, ob der Betrag der Regelabweichung |L_soll-L| größer als ein Grenzwert ε ist. Falls nein, wird in Block 7 zunächst für eine festgelegte Zeitspanne von z.B. 5 bis 10 s, vorzugsweise 8s pausiert und dann zur Ermittlung der Beleuchtungsstärke l, d.h. Block B2 zurückgesprungen.
Ist in Block B6 jedoch eine den Grenzwert ε übersteigende Regelabweichung |L_soll-L| zu verzeichnen, wird zu Block B8 verzweigt. In diesem wird die neue Schrittzahl S als Stellgröße aus der Summe der alten Schrittzahl und dem Quotienten aus Regelabweichung |L_soll-L| und festgelegtem Faktor a gebildet, der in Block B5 berechnet worden ist.
Im nächsten Block B9 wird zwischen einer erforderlichen Aufhellung und einer erforderlichen Dimmung unterschieden. Ist eine Aufhellung erforderlich, wird dies sofort in Block B10 umgesetzt, indem zum Beispiel über eine DALI-Schnittstelle die entsprechende Schrittzahl S an das Betriebsgerät 24 übergeben wird, so dass dieses den Betriebsstrom i der Leuchtmittel 13, 14 wie erforderlich vergrößert. Ist hingegen weniger Licht erforderlich, wird zunächst der Schrittzähler dI erhöht, indem zur diesem eine von der Schrittzahl ΔS abhängige Größe addiert wird. In 3 ist dies durch die Funktion f(ΔS) symbolisiert. Die Funktion f kann eine lineare Funktion mit der Steigung 1 (Identität), eine lineare Funktion mit abweichender Steigung, eine sonstige eindeutige Funktion wie beispielswiese eine kubische Parabel oder eine e-Funktion oder dergleichen sein.
In einem nächsten Schritt B12 wird geprüft, ob der Schrittzähler einen Grenzwert dIc überschreitet. Falls nein, ist eine Änderungsgrenze noch nicht erreicht und die Stellgröße S kann in Block 10 sofort ausgegeben werden. Falls die Änderungsgrenze jedoch erreicht ist, tritt mit Block B13 eine Stellgrößenreduktionsbegrenzung auf. Die Schrittzahl S für die Änderung (Verminderung) der Helligkeit berechnet sich nun aus der letzten Schrittzahl zuzüglich der Regelabweichung L_soll -L geteilt durch einen Faktor a_g, der größer ist als der in Block B5 berechnete Faktor. Damit ist die Verminderung der Helligkeitsstufe S geringer als wenn der in Block B5 errechnete Faktor a verwendet worden wäre ((L_soll -L) ist in diesem Fall negativ). Damit wird bewusst eine temporär verbleibende Regelabweichung in Kauf genommen und der so geänderte Wert S an Block B10 übergeben. In Block B14 wird kurz (einige Sekunden, z.B. 5 bis 10, vorzugsweise 8) pausiert, um dann die Schleife erneut zu durchlaufen. Der Faktor a_g kann als konstanter Wert festgelegt sein. Es ist aber auch möglich, den Faktor a_g anhand anderer Größen, z.B. anhand der Größe dI zu berechnen. Z.B. kann der Faktor a_g proportional zu dI festgelegt werden. z.B. kann gelten: a_g = dI oder allgemein a_g = f(dI). Dadurch kann mit fortlaufender Erhöhung von dI bei nachfolgendem Durchlaufen von Block B11 der Faktor a_g weiter vergrößert und die Helligkeitsabsenkung so weiter verlangsamt werden.
Die Bremsung der Helligkeitsabsenkung hat den Vorteil, dass Personen die Änderung der Lichteinfallrichtung infolge des Wechsels von Kunst- auf Tageslicht weniger oder gar nicht wahrnehmen. Der ungebremste Wechsel der Lichteinfallrichtung bei Wegfall des Tageslichts und schneller Einschaltung des Kunstlichts entspricht hingegen genau der Seherwartung und wird von betroffenen Personen gerne wahrgenommen.
Das sich daraus ergebende Regelverhalten ist in den 4 und 5 veranschaulicht.
4 veranschaulicht einen langsamen Anstieg des Tageslichts in einer Kurve T. Das von den Lichtquellen 13, 14 ausgehende Kunstlicht K wird durch fortwährendes Durchlaufen der Blöcke B1 bis B6, B8, B9, B11, B12, B10 und B14 reduziert. Der Block B13 wird umgangen, weil die in Block B3 vorgenommene Schrittzahlreduktion die Schrittzahlerhöhung des Blocks B11 zumindest kompensiert oder überkompensiert. Die sich ergebene Minderung ΔL1 der Beleuchtungsstärke der Lichtquellen 13, 14 wird nicht begrenzt.
In 5 ist hingegen die Reaktion der Helligkeitsänderung des Kunstlichts K in Reaktion auf eine schnelle Zunahme des Tageslichts T veranschaulicht. Die schnelle Tageslichtzunahme verursacht bei der Steigungsberechnung in Block B5 einen kleinen Wert für den Faktor a, womit zumindest der erste oder gegebenenfalls auch mehrere Schritte der Helligkeitsreduktion in einem Zeitintervall I1 zunächst groß ausfallen. Damit wird jedoch der Schrittzähler dI in Schritt B11 so stark erhöht, dass die Änderungsgrenze dIc bald erreicht und dies in Block B12 festgestellt wird. Damit ist die für die durchlaufene Zeit maximale Minderung ΔL2 der Beleuchtungsstärke der Lichtquellen 13, 14 erreicht. Somit wird zusätzlich Block 13 durchlaufen und die Stellgrößenreduktion nun begrenzt, indem z.B. der festgelegte Maximalwert des Faktors a_g zur Berechnung der Schrittzahl S zugrunde gelegt wird. Damit wird in dem darauffolgenden Intervall 12 die Helligkeitsreduktion mit begrenzter Schrittweite ΔL durchgeführt.
Die 6 und 7 veranschaulichen hingegen die Abnahme des Tageslichts T sowohl langsam (6) wie auch schnell (7). In beiden Fällen kompensiert die Beleuchtungsstärke des Kunstlichts schnell und ohne zusätzliche Verzögerung die Abnahme des Tageslichts. Die Größe der Stufen wird nicht begrenzt und sie wird auch dann nicht vermindert, wenn bereits mehrere große Stufen durchlaufen worden sind.
Abgewandelte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Diagrammen. Zum Beispiel können die einzelnen Schritte und somit die sich daraus ergebenden Stufen so klein sein, dass sich quasi lineare Zusammenhänge gemäß 8 und 9 ergeben, die jedoch qualitativ mit dem vorstehenden Konzept übereinstimmen. Zudem kann das Betriebsgerät 24 eine entsprechende Glättung der Helligkeitsänderung vornehmen.
Des Weiteren können die Helligkeitsanpassungen sowohl kurzfristig als auch langfristig nach einer nichtlinearen Funktion erfolgen, wie die 11 und 12 veranschaulichen. Dort wird eine entweder stufenweise oder kontinuierliche exponentielle Anpassung des Verlaufs der von den Lichtquellen 13, 14 abgegebenen Beleuchtungsstärke an das zunehmende Tageslicht T angestrebt. Erfolgt der Tageslichtanstieg gemäß 11 langsam (unterhalb einer Grenzgeschwindigkeit), kann die Verminderung der Kunstlichtbeleuchtung ohne zusätzliche Verlangsamung folgen. Erfolgt die Tageslichtzunahme hingegen schnell (oberhalb einer Grenzgeschwindigkeit), wird die Kunstlichtreduktion nach anfänglich steilem Abfall gebremst und somit verlangsamt. Es kann deswegen, wie auch bei allen vorbeschriebenen Ausführungsformen, zu einer kurzzeitigen Erhöhung der Gesamtbeleuchtungsstäke (Summe aus Kunstlicht und Tageslicht) über das notwendige Niveau hinaus kommen. Dies wird jedoch nicht als störend empfunden, weil der Nutzer ohnehin eine Lichtzunahme erwartet.
der Dabei ist den Ausführungsformen nach 5, 9 und 12 gemeinsam, dass in dem ersten Zeitschritt I1 ein schneller Abfall der Helligkeit der Lichtquellen 13, 14 verursacht wird, der jedoch die erforderliche Anpassung der Beleuchtungsstärke der Lichtquellen 13, 14 nicht erbringt, weil er kleiner ist als die erforderliche Anpassung der Beleuchtungsstärke. Diese wird vielmehr in einem auf das Zeitintervall I1 folgenden Zeitabschnitt I2 mit gebremster Geschwindigkeit erbracht.
In 13 ist die Situation eines wiederholten Wechsels zwischen Bewölkung und freiem Himmel dargestellt. Die gestrichelte Linie T symbolisiert einen idealisierten Verlauf des Tageslichtanteils der Beleuchtungsstärke.
In 13 ist für den Zeitabschnitt vom Anfang bis zum Zeitpunkt A symbolisiert, dass eine Wolke vor der Sonne steht. Das Kunstlicht, dess Beleuchtungsstärke durch die Kurve K symbolisiert wird, ist auf einen entsprechend hohen Wert eingestellt.
In dem Zeitabschnitt von dem Zeitpunkt A bis zu dem Zeitpunkt B wird die Sonne z.B. erstmalig frei. Es erfolgt ein möglichst schnelles Herabsetzen der Kunstlichtbeleuchtung z.B. nach der Kurve K zur Einhaltung der Sollbeleuchtung. Dabei wird Zählvariable dI während des Zeitintervalls A bis A', d.h. während der Kunstlichtabnahme, heraufgesetzt.
In dem Zeitintervall von dem Zeitpunkt B bis zu dem Zeitpunkt C zieht erneut (zum zweiten Mal) eine Wolke vor die Sonne. Wiederum erfolgt ein schnelles Verstärken des Kunstlichtes zur Einhaltung der Sollbeleuchtungsstärke.
In dem Zeitintervall von dem Zeitpunkt C bis zu dem Zeitpunkt D wird die Sonne wird wieder (z.B. zum zweiten Mal) frei. Es erfolgt zunächst das möglichst schnelle Herabsetzen der Kunstlichtstärke bis zu einem Zeitpunkt D, zu dem die Zählvariable dI den kritischen Grenzwert übersteigt, was durch den Vergleicherblock B12 festgestellt wird. In der Folge wird die weitere Beleuchtungsreduktion verlangsamt. Dies ist durch Vergleich des Verlaufs der Kunstlichtbeleuchtung gemäß Kurve K mit der von K abzweigenden gestrichelten Kurve ersichtlich, die durchlaufen würde, wenn keine Beleuchtungsreduktionsverlangsamung vorgenommen würde.
In dem Zeitintervall von D bis E erfolgt ein Immer stärker verlangsamtes Herabsetzen der Kunstlichtstärke, wobei eine leichte Überbeleuchtung (Abstand zur „normalen“ gestrichelten Linie) herbeigeführt wird.
In dem Zeitintervall E bis F erfolgt zunächst eine weitere Absenkung der Kunstlichstärke, obwohl das Tageslicht (z.B. wegen der dritten Wolke) wieder abnimmt, da die Sollbeleuchtungsstärke immer noch überschritten ist.
In dem Zeitintervall F bis G wird die Sollbeleuchtungsstärke erstmals wieder unterschritten. Es erfolgt ein möglichst schnelles Verstärken des Kunstlichtes zur Einhaltung der Sollbeleuchtungsstärke. Der Schrittzähler dI wird inkrementiert.
Ab dem Zeitpunkt G wird die Sonne wieder frei. Es erfolgt ein verlangsamtes Herabsetzen der Kunstlichtstärke, da dI, obwohl in Block B3 bei jedem Programmschleifendurchlauf dekrementiert, wegen der Kürze der vorigen Wolkenverdunklung, weiterhin über dem Schwellwert dIc liegt. Allerdings ist der Faktor a_g anfangs zum Zeitpunkt G wegen der Dekrementierung von dI zwischen F und G kleiner als zum Zeitpunkt F.
Nach dem erfindungsgemäßen Konzept ist eine sensorgesteuerte Beleuchtungseinrichtung (13, 14) vorgesehen, die Lichtanpassungen grundsätzlich mit kleiner Zeitkonstante vornimmt. Dies gilt sowohl für das Aufhellen der Beleuchtung wie auch für das Abdunkeln derselben. Bei der Abdunkelung wird jedoch die Abdunkelungsgeschwindigkeit bei Vorgängen begrenzt, bei denen die pro Zeiteinheit vorzunehmende Helligkeitsreduktion einen Grenzwert übersteigt oder mehrere Abdunkelungsvorgänge in kürzerer Frist, z.B. Minutenfrist, aufeinander folgen. Mit dieser Maßnahme wird einerseits eine gute Anpassung der Beleuchtung an die gegebenen Erfordernisse erreicht und andererseits das Nachregeln der Beleuchtung auf eine Weise durchgeführt die in den beleuchteten Bereichen befindliche Personen wenig stört und im Idealfall von diesen unbemerkt bleibt.
Bezugszeichenliste

12: Raum
13, 14: Lichtquellen
15: Fenster
16: Lamellen
17: Jalousie
18: Sensoren
l: Signal zur Kennzeichnung der Beleuchtungsstärke
19: Steuerschaltung
20: Mittelwertbildungsblock
L: geglättetes Beleuchtungsstärkesignal
21: Vergleicherblock
L_soll: Sollwert für die Beleuchtungsstärke
22: Eingabeeinrichtung
23: Regelverstärker
S: Signal zur Festlegung des Lampenstroms
24: Betriebsschaltung
25: Tiefpass
B1 - B14: Blöcke
i: Lampenstrom
I1, I2: Zeitintervalle
ΔL1, ΔL2: Änderung (Minderung) der Beleuchtungsstärke
ΔL: Schrittweite der Beleuchtungsstärke
t: Zeit
T: Tageslicht
K: Kunstlicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2955979 A2 [0003]
WO 2014/018234 A1 [0005]

Claims

Einrichtung zur Steuerung einer Raumbeleuchtung mittels einer oder mehrerer Lichtquellen (13, 14), mit einer Steuerschaltung (19) zur Festlegung der Beleuchtungsstärke (L) an zumindest einer ausgewählten Stelle des zu beleuchtenden Raums (12), wobei die Steuerschaltung (19): wenigstens einen Sensor (18) zur Erfassung der Beleuchtungsstärke (1, L) an der ausgewählten Stelle oder einen Anschluss für einen Sensor (18) zur Erfassung der Beleuchtungsstärke (1, L) an der ausgewählten Stelle des Raumes (12) aufweist, eine steuerbare Betriebsschaltung (24) zur Versorgung der Lichtquelle (13, 14) oder einen Anschluss für eine dimmbare Betriebsschaltung (24) zur Versorgung der Lichtquelle (13, 14) mit Betriebsstrom aufweist, und wobei die Steuerschaltung (19) weiter dazu eingerichtet ist, die steuerbare Betriebsschaltung (24) entsprechend der von dem Sensor (18) erfassten Beleuchtungsstärke (1, L) zur Vergrößerung oder Verringerung des Betriebsstroms anzusteuern, wobei die Steuerschaltung (24) dazu vorgesehen ist, Reduktionen des Betriebsstroms mit einer ersten, hohen Rate durchzuführen, wenn zuvor ausgeführte Reduktionen einen Grenzwert (ΔL2) nicht überschreiten und Reduktionen des Betriebsstroms mit niedrigerer Rate durchzuführen, wenn zuvor ausgeführte Reduktionen den Grenzwert (ΔL2) erreichen oder überschreiten.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (25) dazu eingerichtet ist, die Reduktion des Betriebsstroms in Stufen zu veranlassen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, die Reduktion des Betriebsstroms gleitend zu veranlassen.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Helligkeitsänderung proportional zu der Differenz zwischen der gewünschten Beleuchtungsstärke (L_soll) und der von dem Sensor (18) erfassten Beleuchtungsstärke (L) ist.
Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (25) dazu vorgesehen ist, Vergrößerungen des Betriebsstroms unabhängig von der Größe der durchzuführenden Änderung der Beleuchtungsstärke (L) mit entsprechender, nicht begrenzter Rate durchzuführen.
Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist bei zu hoher Beleuchtungsstärke (L) temporär eine Regelabweichung (L_soll-L) zuzulassen, die größer ist als bei zu niedriger Beleuchtungsstärke.
Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsschaltung (24) und die Steuerschaltung (19) gesonderte Geräte sind, die über eine Steuerleitung miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Lichtsteuerung in einem mittels mindestens einer elektrischen Lichtquelle beleuchteten Raums (12), wobei eine Steuerschaltung (19) zur Festlegung des Betriebsstroms der Lichtquelle (13, 14) dient, wobei: mittels wenigstens eines Sensors (18) die Beleuchtungsstärke (1, L) an einer ausgewählten Stelle des Raumes (12) erfasst wird, der Betriebsstrom entsprechend der von dem Sensor (18) erfassten Beleuchtungsstärke (1, L) festgelegt und entsprechend der von dem Sensor (18) erfassten Beleuchtungsstärke (1, L) vergrößert oder vermindert wird, Reduktionen des Betriebsstroms mit einer ersten, hohen Rate erfolgen, wenn die in einem vorausliegenden Zeitraum erfolgte kumulierte Verminderung der Beleuchtungsstärke (L) einen Grenzwert (ΔL2) nicht überschreitet, und wobei Reduktionen des Betriebsstroms mit einer niedrigeren Rate erfolgen, wenn die kumulierten Verminderungen der Beleuchtungsstärke (L) einen Grenzwert (ΔL2) erreichen oder überschreiten.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionen des Betriebsstroms in Stufen veranlasst werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Stufen proportional zu der Differenz zwischen der gewünschten Beleuchtungsstärke und der von dem Sensor (18) erfassten Beleuchtungsstärke (1, L) bemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion des Betriebsstroms gleitend veranlasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei zu hoher Beleuchtungsstärke temporär eine Regelabweichung zugelassen wird, die größer ist als bei zu niedriger Beleuchtungsstärke.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergrößerungen des Betriebsstroms unabhängig von der Größe der durchzuführenden Änderung der Beleuchtungsstärke (L) mit festgelegter Rate durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die kumulierten Verminderungen der Beleuchtungsstärke mittels eines Schrittzählers dI erfasst wird, der in Abhängigkeit von der vorgenommenen Beleuchtungsreduktion (ΔS) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels des Schrittzählers dI erfassten kumulierten Verminderungen der Beleuchtungsstärke fortwährend reduziert werden, indem der Schrittzähler in einem vorgegebenen Zeittakt schrittweise reduziert, insbesondere dekrementiert wird.